مقاله تحلیلی: اهمیت مسیر بار در ساختمان‌ ها

تعریف مسیر بار

جرم یک ساختمان - از جان‌پناه پشت‌بام تا پایه سازه توزیع می‌شود. زلزله سبب القا نیروهای اینرسی در یک ساختمان که دارای جرم است؛ می‌شود. این نیروهای اینرسی رو به پایین از طریق اعضای سازه‌ای که به‌صورت افقی و عمودی قرار دارند به‌پای آن وارد می‌شود که به نوبه خود، این نیروها به خاک زیر سازه منتقل می‌شوند. مسیری که در طول آن این نیروهای اینرسی از طریق ساختمان منتقل شده‌اند، مسیرهای بار (شکل 1a) می‌باشند. ساختمان ممکن است مسیرهای بار متعددی بین مرکز جرم و پای سازه داشته باشد. مسیرهای بار تمرکز بیشتری بر انتقال بارهای عمودی نسبت به بارهای افقی (به‌عنوان‌مثال، زلزله و باد؛ شکل 1C) دارند.

المان‌های تشکیل‌دهنده مسیرهای بار در ساختمان‌ها عبارت‌اند از:

• دیافراگم افقی موجود در سطح افقی، به‌عنوان‌مثال، دال سقف، دال طبقه و یا سقف خرپایی و بادبند؛
• اعضای عمودی در سطح عمودی در ارتفاع ساختمان، به‌عنوان‌مثال، قاب مسطح (تیرها و ستون‌ها به‌هم‌پیوسته در سطوح مختلف)، دیوار (معمولاً از RC یا سنگ‌تراشی ساخته‌شده) و خرپای مسطح؛
• فونداسیون و خاک، به‌عنوان‌مثال، پایه‌های جداشده و مرکب، شمع‌ها، چاه‌ها، لایه‌های خاک و سنگ؛ و
• اتصالات بین اعضای بالایی

اهمیت مسیرهای بار

بهترین شکل عملکردی ساختمان در زمین‌لرزه، زمانی است که نیروهای اینرسی تولیدشده در آن‌ها توسط مسیرهای بار به‌طور مداوم و مستقیم و یا قطع شدن منتقل می‌شود. 

هنگامی‌که برخی از اعضای سازه‌ای در امتداد یک مسیر بار مستقیم قطع می‌شوند، بارها مجبور به تغییر جهت به سمت دیگر مسیرهای بار می‌شوند؛ ساختمان‌ها با مسیرهای بار ناپیوسته یا غیرمستقیم نامطلوب هستند، چراکه آسیب شکننده می‌تواند در اعضای سازه‌ای رخ دهد.

دیافراگم افقی

کف و دال سقف نازک، اعضای سازه‌ای در یک سطح افقی در سطوح مختلف گذاشته می‌شوند. آن‌ها نیروهای اینرسی ناشی از جرم خود را به اعضای عمودی که بر روی آن‌ها اقرار دارند انتقال می‌دهند. در طول زلزله، دیافراگم افقی مانند تیرها در سطح افقی خود عمل می‌کنند و نیروهای اینرسی را به عناصر عمودی، مانند دیوارهای سازه یا قاب مسطح انتقال می‌دهند. دال‌هایی که طولانی هستند، در امتداد یک لبه خم و تحت کشش نامطلوب و در امتداد دیگر دچار کوتاه شدگی می‌شوند (شکل 2). بهترین عملکرد آن‌ها زمانی است که تغییر شکل نسبی حداقل و سختی و استحکام به‌اندازه کافی بزرگ هستند. به‌طورکلی، دال باید مستطیل شکل با نسبت طول به عرض کمتر از 3 باشد.

سقف افقی می‌تواند مقاومت مؤثری در برابر نیروهای زلزله و انتقال از طریق مسیرهای بار مستقیم، مشروط بر اینکه دهانه قابل‌توجهی موجود نباشد، داشته باشد. دهانه‌های بزرگ و یا برش در طبقه سبب قطع مسیرهای بار می‌شود و ممکن است از انتقال مستقیم نیروها به عناصر عمودی جلوگیری کند. دهانه در هر طبقه برای به‌عنوان‌مثال، هسته آسانسور و یا راه‌پله لازم است؛ اما این باید تا حد ممکن کوچک باشد. مکان‌ها را باید به‌دقت در نظر گرفته شود. مکان ایدئال برای دهانه‌ها، مکان‌های نزدیک به مرکز دال طبقه است.

اعضای قائم

اعضای سازه‌ای ساختمان، ستون، مهاربندها و دیوارهای سازه‌ای و یا ترکیبی از آن‌ها (شکل 3) است. 

آن‌ها سبب جمع‌آوری نیروی جاذبه و نیروهای زلزله (افقی و عمودی) از دیافراگم کف در سطوح مختلف می‌باشند و به سمت پای سازه منتقل می‌کنند. ممکن است که به طراحی و ساخت ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله با سیستم‌های مختلف سازه‌ای، ازجمله قاب خمشی (MRFs)، قاب با مهاربند (به نام مهاربندها (BFS))، دیوار سازه (همچنین دیوار برشی نامیده می‌شود) و یا ترکیبی از آن‌ها می‌شود. برخی از این سیستم‌ها نیاز به دانش پیشرفته‌تر در طراحی و کنترل کیفیت بالاتر در طول ساخت‌وساز نسبت به دیگران دارند که به‌صورت عملکرد نسبی در طول زلزله منعکس می‌شود. به‌عنوان‌مثال، ساختمان‌ها با SWS دارای طراحی و ساخت آسان‌تر و عموماً در طول زلزله بهتر، از ساختمان‌ها MRFs می‌باشند.

موارد مهم در مسیرهای بار

عملکرد لرزه‌ای ساختمان توسط مسیرهای بار تعیین می‌شود که مستقل از موادی است که با آن ساختمان ساخته‌شده است، به‌عنوان‌مثال، سازه‌های بنایی، بتنی تقویت‌شده و یا سازه‌های فولادی. آیین‌نامه‌های زلزله موردنیاز برای طراحی با اطمینان از حضور مسیرهای بار جانبی کافی در ساختمان در دو جهت انجام می‌شود. نیازهای برجسته، مسیرهای بار عبارت‌اند از:

• مسیرهای بار باید در تمام جهات از یک ساختمان وجود داشته باشند: زلزله در تمام جهات رخ می‌دهد و می‌تواند به‌عنوان ترکیبی در جهت عمودی و جهت افقی وارد شود. ازاین‌رو، مسیرهای بار کافی در امتداد عمودی و دو جهت افقی عمود موردنیاز است.
• هندسه مسیر بار باید ساده باشد: مسیرهای بار مستقیم باید در فواصل منظم در طول و عرض ساختمان ارائه شده است؛
•  مسیر بار باید در پلان متقارن باشد: یک ساختمان دارای نوسان یکنواخت در دو جهت افقی خواهد بود، هنگامی‌که اعضای سازه‌ای تشکیل‌دهنده مسیرهای بار به‌طور متقارن در پلان قرار داده باشند. در غیر این صورت، ممکن است در یک محور پیچش داشته باشیم.
• اتصالات مقاوم بین اعضای سازه‌ای در امتداد مسیرهای بار موردنیاز است: در یک ساختار مقاوم در برابر زلزله، هر اتصال در طول زلزله تکان‌های قوی خواهد داشت. این اتصالات برای ارائه مسیر بار مداوم بدون اینکه در طول زلزله قوی دچار (شکل 4) آسیب نشوند باید سخت و قوی باشند.

منبع

ترجمه شده توسط تیم مترجمین ۸۰۸

اگر دوست دارید به تیم مترجمین ۸۰۸ بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.