طراحی تیرها و ستون هاي متصل به مهاربندهاي همگراي ویژه

براي سیستم های مهاربندي همگرا با سطح شکل پذیري ویژه، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان مقرر می داند که تیرها و ستون هاي نظیر دهانه هاي مهاربندي شده باید براساس یکسري نیروهایی که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد کنترل شده و در صورت وجود ضعف براي این المانها، مقطع آنها را تغییر داده و این تغییرات را باید در هنگام ترسیم نقشه هاي اجرایی مد نظر قرار داد. از آنجا که این ضابطه توسط نرم افزار در نظر گرفته نمی شـود لازم اسـت که این کنترل را توسـط کاربر یا به صـورت دسـتی و یا با تکنیکی به کمک نرم افزار انجام داد .مطابق مبحث دهم مقررات ملی سـاختمان، مقاومت طراحی تیرها و سـتون ها در قاب هاي مهاربندي شـده همگراي ویژه نباید از نیروهاي ناشی از تحلیل هاي زیر کمتر در نظر گرفته شود.

1. آنالیزي که در آن فرض می شــود نیروي مهاربندهاي کشــشــی برابر RyFyAg و نیروي مهاربندهاي فشــاري برابر FcrAg1.14 می باشد. این مکانیزم بر این فرض است که مهاربند کششی به حد تسلیم و مهار فشاري به مرز کمانش رسیده است.
2. آنالیزي که در آن فرض می شــود نیروي مهاربندهاي کشــشــی برابر RyFyAg و نیروي مهاربندهاي فشــاري برابر0.38*FcrAg1.14 می باشد. این مکانیزم بر این فرض استوار است که مهاربند کششی به حد تسلیم و مهاربند فشاري دچار کمانش شده است و همچنان به دلیل کار سختی انجام شده در فولاد امکان انتقال نیرو را دارد.

در روابط فوق،R_y  برابر نسبت تنش تسلیم مورد انتظار به حداقل تنش تسلیم تعیین شده مصالح است که مطابق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان تعیین می شود،F_y  برابر تنش تسلیم فولاد مهاربند که برابر ² kgf/cm2400 می با شد،A_g  برابر سطح مقطع کلی عضو مهاربند و  F_cr  برابر تنش فشاري مورد انتظار ناشی از کمانش است. تنها نکته اي که در این بخش براي محاسبۀ این تنش باید رعایت کرد این است که به جايF_y  باید عبارت RyFy را جایگزین کرد.

همانطور که واضح است باید سه دسته نیرو را بر اساس خصوصیات و مشخصات هر مهاربند را محاسبه کرد که در ادامه به تفصیل به آن خواهیم پرداخت. مراحلی که باید براي این کار در نرم افزار انجام داد به شرح زیر می باشد (در اقدام مراحل زیر دقت زیادي به عمل آید.)

• ابتدا لازم است که نیروهاي گفته شده براي هر مهاربند را در هر طبقه محاسبه کرد. این نیروها وابسته به سایز نیم رخ انتخاب شده براي مهاربندها و طول آنها براي محاســبۀ ضــریب لاغري عضــو می باشــد. مقطع انتخابی براي مهاربندهاي این پروژه در محور 1 و همچنین در محور 3 مشـابه اند که براي دو طبقه اول از مهاربند 2UNP100 و براي مابقی طبقات از مقطع 2UNP80 اسـتفاده شـده است. مشخصات هندسی این دو مقطع در شکل 1 نمایش داده شده است.

• طول مهاربندها را در هر طبقه برداشـت کنید. براي اینکار به راحتی می توان روي مهاربند هر طبقه کلیک راسـت کرده و با مراجعه به برگۀ Geometry می توان طول عضــو مورد نظر را در مقابل گزینۀ Length برداشــت کرد. در این پروژه طول مهاربندها در تمامی مهاربندها مساوي و برابر _cm660 خواهد بود. براي سایر پروژه ها ممکن است طول مهاربندهاي هر طبقه با یکدیگر متفاوت باشد.
• در ادامه می توان نیروهاي گفته شده براي دو مکانیزم مد نظر مبحث دهم مقررات ملی ساختمان را بهترتیبی که در جدول 1 ارائه شده است محاسبه کرد. در این مورد باید خاطرنشان کرد که با توجه به اینکه مقاطع مورد استفاده براي مهاربندها از نوع نورد شده می باشند ،لذا مقدار ضریب نسبت تنش تسلیم مورد انتظار به حداقل تنش تسلیم تعیین شده مصالح برابر RY=1.2 می باشد.

• مطابق نیروهاي مقرر شده در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، در این بخش سه دسته نیرو لازم است که به شرح زیر نامگذاري و آنها را بر اساس اطلاعات محاسبه شده در جدول 1 محاسبه خواهیم کرد.

• در نهایت مقادیر نیروهاي جایگزین مهاربندها به شرح جدول 2 خلاصه می شود. توجه کنید که به جهت سادگی کار، مقادیر محا سبه شده به مقدار بزرگتر رُنُد شده اند.

ذکر این نکته ضروري به نظر میر سد که نیروهاي ارائه شده در جدول 2 در را ستاي مهاربندها خواهد بود که با تکنیک هاي مناسبی این کار را به راحتی انجام خواهیم داد.

• حال باید سه حالت بار گفته شده را به نرم افزار معرفی نمود. ابتدا فایل جدیدي تهیه می شود. براي این کار در فایل ا صلی طراحی که کلیۀ مقاطع در آن نهایی شـده اسـت، از منوي File گزینۀ Save As… را انتخاب کرده و فایل جدیدي را با نامی جدید در محل مورد نظر ذخیره نمایید. سپس فایل جدید را به نرمافزار فراخوان کنید.
• در فایل جدید تهیه شـده، از منوي Define گزینۀ Load Patterns… را انتخاب کنید. همچنین براي اجراي این دسـتور میتوان روي آیکن از نوارابزار فوقانی نرم افزار کلیک کرد.
• در پنجرة جدید ظاهر شده ابتدا در قست Load نام بار را برابر 1FT ویرایش کنید. در قسمت Type گزینۀ Seismic و در قسمت Auto Lateral Load گزینۀ None را انتخاب نموده و روي گزینۀ Add New Load کلیک کنید تا این بار به لیست بارهاي قبلی اضافه شود.
• سپس دو الگوي بار دیگر شامل FC1 و FC2 را دقیقاً به شرح گفته شده به نرم افزار معرفی خواهیم کرد. شکل 2 این سه الگوي بار تعریف شده به نرم افزار را نمایش می دهد.

• حال باید ترکیب بارهاي طراحی مورد نیاز براي انجام این کنترل را در نرم افزار معرفی نمود. مطابق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ،تیرها و سـتونها باید براي این نیروها همراه با بارهاي ثقلی ضـریب دار طراحی شـوند. لذا لازم اسـت که از ترکیب بارهایی که در آنها نیروي زلزله وجود دارد اســتفاده کرد. براي این کار می توان از ترکیب بارهاي ارائه شــده در جدول 3 الگو برداري نمود. در ادامه باید همین ترکیب بارهاي را به نرم افزار معرفی کرد.

• براي معرفی ترکیب بارهاي ارائه شــده در جدول 3 از روشهایی که در مراحل قبلی ارائه شــد اســتفاده میشــود. بدین ترتیب ابتدا از منوي Define گزینۀ Load Combination را انتخاب کنید. در پنجرة جدید ظاهر شــده روي گزینۀ Add New Combo… کلیک کرده و در پنجرة جدید ظاهر شــده براي معرفی ترکیب بار اول در جدول 3 نام ترکیب بار را 1NewC ویرایش کنید. ســپس در قســمت Define Combination of Load Case/Combo Results مطابق شـکل 3 الگوهاي بار و ضـرایب آن را مطابق جدول 3 به نرم افزار معرفی و در نهایت روي گزینۀ OK کلیک کنید.

• دیگر ترکیب بارها را دقیقاً به همین شکل به نرم افزار معرفی خواهیم کرد.
• در ادامه لازم است یک نیروي فرضی زلزله را در سازه در نظر گرفت و به تبع آن مهاربندهاي فشاري و کششی را در مدل تشخیص داد. در شکل 4 نیروي زلزله به صورت فرضی از چپ به راست خواهد بود. مهاربندهاي فشاري و کششی در شکل 4 مشخص شده اند. به این مسئله بیاندیشید که اگر راستاي نیروي زلزله تغییر کرد موقعیت مهاربندهاي فشاري و کششی چگونه خواهد شد (به این سوال در بخش هاي بعدي پاسخ خواهیم داد).

• در شکل 4 به راحتی مهاربند فشاري و ک ش شی قابل ت شخیص ا ست. همچنین در این شکل سایز نمیرخ هاي ا ستفاده شده براي مهاربندها مشخص شده است. در بخش هاي بعدي کاربرد این بخش از کار را متوجه خواهید شد.
• در مرحلۀ بعد باید اثر مهاربندها را از مدل حذف نمایید. براي این منظور بهترین روش این ست که اثر سختی آنها را در مدل از بین برد.براي این منظور تمامی مهاربندهاي موجود در مدل را انتخاب نمایید. ســپس از مســیر Assign دســتور Frame> Property Modifiers… را انتخاب کنید. در پنجره جدید ظاهر شده در مقابل گزینه هاي نشان داده شده در شکل 5 مقادیر کوچکی وارد کنید. این گزینه ها سختی محوري و خمشی مهاربندها را از بین می برند.

• در ادامه باید نیروهاي محاسبه شده در جدول 3 را به قاب هاي مهاربندي شده اعمال کرد. این نیروها باید حتماً در راستاي مهاربندها باشند که براي این منظور می توان از دستورات موجود در نرم افزار استفاده کرد. همانطور که از جدول 5-20 واضح است، دو دسته نیرو براي مهاربندهاي 2UNP100 و 2UNP80 محاسبه شده است که باید براي این مهاربندها به صورت جداگانه اعمال شود. نکتۀ بسیار مهمی که در این بخش وجود دارد نحوة اعمال نیرو براي مهاربندهاي فشاري و کششی که در شکل 4 مشخص شده اند خواهد بود. براي درك بهتر به شکل 6 توجه کنید. همانطور که م شخص است چنانچه مهاربند فشاري باشد، نیرو به گره اتصال تیر به ستون نزدیک می شود و چنانچه مهاربند کششی باشد، نیرو به گره اتصال تیر به ستون دور می شود.

• براي اعمال نیروي 1FT مهاربند 2UNP100 در جدول 2 ابتدا دو مهاربند کشـشـی طبقۀ 1Story و 2Story در قاب محور 1 و 3 را همانند شکل 7 انتخاب کنید. سپس از منوي Assign م سیر Frame Loads> Point… را انتخاب کنید. در پنجره جدید ظاهر شده ابتدا حالت بار 1FT را در جعبۀ Load Pattern Name انتخاب نمایید. در ادامۀ گزینۀ 1Local  را در مقابل جعبۀ Direction of Load Application همانند شکل 7 انتخاب کنید. مطابق جدول 2 در بخش Point Loads در ستون 0 مقدار 77760 و در ستون 1 مقدار 77760- را وارد و بر روي گزینۀ OK کلیک کنید.

• در ادامه مابقی مهاربندهاي کششی در سایر طبقات را انتخاب کرده و مقدار بار 63360 را دقیقاً همانند بند 16 و مطابق شکل 8 اعمال کنید.

• در ادامه باید نیروي FC1 را به گره هاي انتهایی در مهاربندهاي فشــاري اعمال کرد. براي این منظور ابتدا مهاربندهاي 2UNP100 فشاري در دو طبقۀ اول همانند شکل 9 انتخاب کنید. سپس از منوي Assign مسیر Frame Loads> Point… را انتخاب کنید. در پنجره جدید ظاهر شـــده ابتدا حالت بار FC1 را در جعبۀ Load Pattern Name انتخاب نمایید. مطابق جدول 2 در بخش Point Loads در ستون 0 مقدار 45285- و در ستون 1 مقدار 45285 را وارد و بر روي گزینۀ OK کلیک کنید.

• در ادامه مهاربندي فشاری 2UNP80 در سایر طبقات را انتخاب کرده و همانند دستور گفته شده در بند 18 مقدار بار گره اي را برابر 31444 همانند شکل 10 وارد کرده و بر روي گزینۀ OK کلیک کنید.

• در ادامه باید نیروي 2FC در جدول 2 را به مهاربندهاي فشاري اعمال کرد. این نیرو براي مهاربندهاي 2UNP100 برابر 13586 و براي مهاربند 2UNP80 برابر 9433 خواهد بود که براي اعمال آن باید مراحل گفته شده در بند 18 و 19 را عیناً تکرار کنید؛ با این تفاوت که اولاً مقدار بارها به شرح گفته شده است و همچنین باید الگوي بار 2FC را انتخاب کنید که این مسئله در شکل 11 نمایش داده شده است.

• پس از بارگذاري، به جهت اینکه نیروي محوري در تیرها ناشـی از بارهاي اعمال شـده در آنالیز و طراحی آنها دیده شـود باید دیافراگم سقف طبقات را از حالت صلب به حالت نیمه صلب خارج کرد. لازم به ذکر است که چنانچه سقف سازه صلب مدل سازي شود، نرم افزار اجازه وارد شـده هیچ نیروي محوري به تیرها را نخواهد داد که در این بخش این کار خلاف ضـوابط آیین نامه اي اسـت. لذا باید حتماً دیافراگم ســقف را از حالت صــلب به حالت نیمه صــلب تبدیل کرد. براي این منظور از منوي Define گزینۀ Diaphragms را انتخاب نمایید. در پنجره جدید ظاهر شده مقطع دیافراگم اختصاص داده شده به مدل را انتخاب کرده و بر روي گزینه Modify/Show Diaphragm کلیک کنید و در پنجره جدید ظاهر شـده همانند شـکل 12 گزینۀ Semi Rigid را انتخاب و بر روي گزینۀ OK کلیک کنید.

• به جهت اینکه اثر مهاربندها در سازه به نوعی حذف شده اند (مهاربندها در مدل کشته شده اند و هیچ توانی براي تحمل بارهاي جانبی ندارند) باید سـازه را در راسـتاي مهاربندها مقید کرد که این مسـئله به صـراحتاً در آیین نامه نیز آمده اسـت. براي این منظور از منوي Analyze گزینۀ Set Active Degree of Freedom را انتخاب کنید. در پنجره جدید ظاهر شده به جهت جلوگیري از بروز خطاهاي محا سباتی همی شه درجه آزادي دورانی در را ستاي محور قائم( RZ) را باید مقید کرد. همچنین ب سته به اینکه مهاربندها در کدام را ستا ا ست باید درجه آزادي انتقالی در آن را ستا( UX یا UY) را باید مقید کرد. به عنوان مثال اگر مهاربندها در را ستاي Y با شد باید درجه آزادي UY مقید گردد و چنانچه در راســتاي X باشــد باید درجه آزادي انتقالی UX مقید می گردد. اگر در هر دو راســتا مهاربند وجود داشته باشد باید هر دو درجه آزادي را مقید کرد. در این پروژه مهاربندها در راستاي Y بوده و باید درجه آزادي RZ و UY را مقید کرد که براي این منظور همانند شکل 13 باید این دو گزینه را غیر فعال کرد و مابقی گزینه ها باید فعال باشند.

• پس از انجام مراحل گفته شده، سازه را آنالیز کنید. براي این کار میتوان روي آیکن از نوارابزار فوقانی نرم افزار کلیک کرد.
• قبل از شروع به طراحی ستون ها و همچنین تیرهاي نظیر دهانه مهاربندي شده، ابتدا لازم است ترکیب بارهاي معرفی شده در جدول 2 را براي طراحی بـه نرم افزار معرفی نمـاییـد. از این رو از منوي Design گزینـۀ Steel Frame Design > Select Design Combinations… را انتخاب کنید. در پنجره جدید ظاهر شده مطابق شکل 14 ابتدا کلیۀ ترکیب بارهایی که در فایل اصلی به عنوان ترکیب بارهاي طراحی به نرم افزار در لیست Design Combinations معرفی شده اند را به قسمت List of Combinations منتقل کنید .سپس در قسمت List of Combinations ترکیب بارهاي NEWC1 تا NEWC4 را انتخاب کرده و آنها را به لیست Design Combinations اضافه کنید. در نهایت بر روي گزینۀ OK کلیک کنید.

• در مرحلۀ بعد سازه را طراحی کنید. براي این کار میتوان روي آیکن از نوارابزار فوقانی نرم افزار کلیک کرد.
• پس از پایان مرحلۀ طراحی، تمامی ستونها و تیرهاي نظیر دهانۀ مهاربندي شده را مورد کنترل قرار دهید. در شکل 15 نسبت نیرو به ظرفیت را براي ستونها و تیرهاي دهانۀ مهاربندي شده در قاب محور 1 نمایش داده می شود. براي نمایش نسبت بار به ظرفیت المان هاي فولادي مسـیر Design >Steel Frame Design> Display Design Info را انتخاب کنید. در پنجره جدید ظاهر شـده ابتدا گزینۀ Design Output را انتخاب کرده و سپس در جعبۀ مقابل آن گزینۀ P-M Ratio Colors & Value را انتخاب کنید.
• همانطورکه از شکل 15 پیداست، تمامی تیرها جوابگو میباشند و نیازي به تغییر در فایل اصلی نخواهند داشت. اما ستون نشان داده شـده در شـکل داراي نسـبت نیرو به ظرفیت بزرگتر از 1.0 میباشـد و لذا باید مقطع این سـتون را به مقاطع قويتري تغییر داد. دیگر ستونهاي دهانههاي مهاربندي شده در این قاب مشکلی ندارند.

• براي تغییر سایز المان هایی که در این کنترل داراي ضعف هستند( که در شکل 15 یک ستون این وضعیت را دارد)، روي اعضا به صورت جداگانه کلیک کرده و در پنجرة جدید ظاهر شــده روي گزینۀ Overwrites کلیک کنید. در پنجرة جدید ظاهر شــده در مقابل گزینۀ Current Design Section مقطع قوي تر را انتخاب نمایید. براي ستون نمایش داده شده در شکل 5-160 مقطع آن را به  2×30Box  تغییر داده و روي گزینۀ OK کلیک میکنیم. در این حالت نســبت نیرو به ظرفیت از عدد 1 کوچکتر شــده و لذا مقطع انتخابی براي این ستون مناسب میباشد.
• به همین ترتیب قاب محور 3 را نیز کنترل کرده و تغییرات لازمه را در صورت نیاز به مقطع ستونها و یا تیرها اعمال کنید.
• پس از پایان کنترل تیرها و ستونهاي دهانه هاي مهاربندي شده در سی ستم SCBF، باید جهت بار زلزلۀ فر ضی در نظر گرفته شده در شکل 4 را تغییر داده تا عملاً جاي عملکرد مهاربندهاي فشاري با مهاربندهاي کششی تغییر کند. در این حالت بهتر است به شکل 16 توجه کرده و نوع عملکرد مهاربندهاي فشاري و کششی را با شکل 4 مقایسه نمایید. قبلاً این سوال از خوانندگان محترم پرسیده شده بود که در صورت تغییر جهت بار زلزله فرضی عملکرد مهاربندها چگونه خواهد شد که پا سخ آن در شکل 16 قابل مشاهده است. در این حالت مشاهده خواهید کرد که جاي مهاربندهاي فشاري با مهاربندهاي کششی تغییر کرده و بالعکس.
• در این و ضعیت که را ستاي نیروي زلزله فر ضی تغییر کرده ا ست تنها نحوة اعمال بارهاي گره اي تغییر می کند که مراحل کار دقیقاً همانند آنچه تا به حال گفته شــده خواهد بود و تنها جاي این نیروها عوض می شــود. از ارائۀ این قســمت خودداري شــده و آن را به خواننده واگذار می کنیم.
• پس از بررسی کامل قاب هاي مهاربندي شده براي دو راستاي زلزلۀ فرضی، در ادامه فایل اصلی طراحی را به نرمافزار فراخوان کنید. دقیقاً ستونها و یا حتی تیرهایی که مقطع آنها در فایل مربوط به کنترل دهانههاي مهاربندي شده تغییر کرده ا ست را در فایل ا صلی نیز اعمال نمایید.
•  سازه اصلی را مجدداً آنالیز و طراحی خواهیم کرد.