مقاله تحلیلی: قاب خمشی فولادی- نکات مهم در طراحی دهانه‌های عریض

 پایداری یک ساختمان مقوله مهمی در طراحی است که مهندسان سازه باید درک خوبی از آن داشته باشند. سازه‌هایی که از هزاران سال گذشته تاکنون ساخته شدهاند بر مبنای یکی از این سه نوع سیستم پایداری و یا در برخی موارد ترکیبی از آن‌ها بنا گردیده‌اند: دیوار برشی، قاب مهاربندی و یا قاب‌های خمشی. در این مقاله به معرفی قاب‌های خمشی و کاربرد آن در دهانه‌های عرض می‌پردازیم.

قاب‌های خمشی

یک قاب خمشی سیستمی از ستون‌ها و تیر‌هایی است که با اتصالات کاملاً گیردار و یا نیمه گیردار به هم متصل شده‌اند. در اتصالات خمشی و هنگام تحلیل سازه، ستون بدون هیچ آزادی در نقطه اتصال به تیر وصل می‌شود. بارهای وارد بر قاب خمشی، توسط خم ایجادشده در تیرها و ستون‌ها تحمل می‌شوند. به‌طورکلی سه نوع قاب خمشی وجود دارد: قاب خمشی ساده (OMF)، قاب خمشی متوسط (IMF) و قاب خمشی ویژه (SMF). این قاب‌ها در ادامه تعریف شده‌اند.

قاب‌های خمشی ساده (OMF)

انتظار می‌رود این قاب‌ها تغییر شکل‌های غیر الاستیک محدودی را که در اثر بارهای جانبی ایجادشده‌اند، تحمل کنند. قاب‌های خمشی ساده معمولاً در مناطقی که لرزه‌خیز نیستند و یا خطر لرزه‌خیزی کمی دارند، مورداستفاده قرار می‌گیرند.

قاب‌های خمشی متوسط (IMF)

انتظار می‌رود این قاب‌ها تغییر شکل‌های غیر الاستیک محدودی را که در اثر بارهای جانبی ایجادشده‌اند، تحمل کنند و باید در آن‌ها از اتصالات تائید شده توسط انجمن سازه‌های فولادی آمریکا (AISC) و یا اتصالاتی که جهت تائید تحت تست چرخه‌ای قرار گرفته‌اند، استفاده شود. IMF ها باید دریفت طبقات را تا زاویه 0،02 رادیان تحمل کنند و معمولاً در مناطق با زلزله‌خیزی کم و متوسط مورداستفاده قرار می‌گیرند.

قاب‌های خمشی ویژه (SMF)

انتظار می‌رود این قاب‌ها تغییر شکل‌های غیر الاستیک قابل‌توجه را در اعضا و اتصالات تحمل کنند. این تغییر شکل‌ها در اثر بارهای جانبی به وجود می‌آیند. در SMF ها باید از اتصالات تائید شده توسط انجمن سازه‌های فولادی آمریکا (AISC) و یا اتصالاتی که جهت تائید تحت تست چرخه‌ای قرار گرفته‌اند، استفاده شود. IMF ها باید دریفت طبقات را تا زاویه 0،04 رادیان تحمل کنند و معمولاً در مناطق با زلزله‌خیزی زیاد و خیلی زیاد مورداستفاده قرار می‌گیرند.

نقاط ضعف و قوت

هزینه قاب‌های خمشی معمولاً از سیستم‌های دیوار برشی و قاب‌های مهاربندی بیشتر است هزینه‌بر بودن قاب‌های خمشی دلیل اصلی قرار گرفتن این سیستم‌ها به‌عنوان آخرین گزینه موردنظر در ذهن مهندسان سازه است.

دیوارهای برشی و قاب‌های مهاربندی به دلیل مانعی که در سازه‌ایجاد می‌کنند بیشتر برای ساختمان‌هایی که پارتیشن‌بندی‌های زیادی دارند، مناسب است. بااین‌حال، معماران و مالکین ساختمان‌ها تمایل دارند در پلان ساختمان، فضاهای باز با کمترین موانع داشته باشند. اتصالات تیر به ستون در قاب‌های خمشی این امکان را فراهم می‌کند تا فضاهای باز بدون عضوهای مورب و یا دیوار داشته باشیم بنابراین ارزش هزینه بیشتر را دارد.

مقایسه هزینه‌ها

برخی از فاکتورهای کلیدی در هزینه‌های مربوط به قاب‌های خمشی به شرح زیر هستند:

• ابعاد تیرها و ستون‌های قاب خمشی بسیار سنگین‌تر از قاب‌های مهاربندی است. دلیل این است که در قاب‌های خمشی اعضا وظیفه انتقال نیروها و تحمل دریفت جانبی را بر عهده دارند. مقاطع سنگین‌تر منجر به افزایش هزینه‌ها احتمالاً نیاز به ادوات بزرگ‌تری برای نصب می‌شود.
• ممکن است نیاز باشد از ورق‌های دوبل در ستون‌ها در محل اتصالات خمشی به‌منظور تقویت موضعی جان ستون استفاده کنیم. علت هزینه‌بر بودن ورق‌های دوبل در اصل به دلیل مدت‌زمانی است که طول می‌کشد تا روی ستون نصب شوند.
• معمولاً عملیات جوشکاری در محل برای قاب‌های خمشی بیشتر از قاب‌های مهاربندی‌شده است که این امر موجب افزایش هزینه‌های نصب اسکلت فولادی می‌شود.
• در مقایسه با مهاربندها، به تعداد قاب‌های خمشی بیشتری برای تأمین سختی کافی نیاز است تا ساختمان بتواند الزامات مربوط به دریفت را ارضا کند.
• تعداد محدودی از اتصالات تائید شده در مناطقی با زلزله‌خیزی متوسط و زیاد مجاز به استفاده هستند که البته ممکن است از اتصالات مورداستفاده در مناطقی با لرزه‌خیزی کم و یا استفاده از مهاربندها پرهزینه‌تر باشند.

مطالعه بر روی مقایسه‌ هزینه‌ها

شکل بالا، یک قاب خمشی رایج و یک قاب مهاربندی را برای یک قاب فولادی دوبعدی با عرض و ارتفاع 15 فوت نشان می‌دهد. ابعاد سازه‌ای نشان داده‌شده مطابق با ضوابط مقاومت به روش LRFD در AISC، برای بار جانبی kip10 ± (با استفاده از ضریب 1،3 برای مدل‌سازی باد) و برای حالت بهره‌برداری با تحمل دریفتL⁄400    (که در این مثال برابر 0،45 است)، طراحی‌شده است. همچنین ستون‌های این مثال برای اینکه نیاز به ورق‌های دوبل نباشد، با سایز بالا طراحی گردیده و به پی متصل شده‌اند. بر مبنای برآوردهای صورت گرفته توسط سرکتW&W Steel  در شهر اوکلاهاما، مجموع هزینه‌ها (مصالح، حمل، ساخت و نصب) برای قاب خمشی موردنظر حدود 8141 و برای قاب مهاربندی حدود 3185 دلار خواهد بود که بررسی افرایش 250 درصدی را نشان می‌دهد. رنج افزایش قیمت استفاده از سیستم مهاربندی نسبت به قاب خمشی ممکن است مقادیر مختلفی داشته باشد اما معمولاً این میزان بین 200 تا 400 درصد مشاهده‌شده است.

نتیجه‌گیری

مهندسین سازه باید سیستم پایداری سازه را در مراحل ابتدایی پروژه مشخص کنند. درک دیدگاه معمار و مالک نسبت به پروژه و موارد مرتبط با برنامه‌ریزی‌ها برای تصمیم درباره اینکه چه سیستم یا سیستم‌های پایداری در پروژه مورداستفاده قرار بگیرند و اینکه درنهایت در کجا قرار داده شوند بسیار ضروری است.

زمانی که نیاز به دهانه‌های بلند و فضاهای باز وجود داشته باشد و درصورتی‌که فضای کافی برای اضافه کردن دیوار برشی و یا مهاربند نداشته باشیم، استفاده از قاب خمشی منطقی خواهد بود. 

اگر تصمیم به استفاده از قاب خمشی به‌عنوان سیستم پایدارسازی دارید، رعایت این قوانین کاربردی و توجه به آن‌ها می‌تواند هزینه‌ها را به حداقل برساند:

• عدم استفاده از ورق‌های دوبل با افزایش ابعاد ستون
• استفاده از جوش‌های نفوذی جزئی به‌جای جوش نفوذی کامل در اتصالات خمشی تیر به ستون در هر جایی که امکان داشته باشد (تنها برای مناطقی با لرزه‌خیزی کم و یا مناطقی که لرزه‌خیز نیستند).
• اتصال گیردار پایه‌ ستون‌ها به‌منظور کاهش دریفت قاب خمشی. این اتصالات نسبت به اتصالات مفصلی، قاب‌های سخت‌تری ایجاد می‌کنند و بنابراین منجر به دریفت کمتری می‌شوند.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 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.