طراحی قاب هاي مهاربندي شده ویژه SCBF براي مکانیزم کششی و فشاري مهاربندها

طراحی تیرها و ستون هاي متصل به مهاربندهاي همگراي ویژه

براي سیستم هاي 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 المان ها، 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 شود لازم است که این کنترل را توسط کاربر یا به صورت دستی و یا با تکنیکی به کمک نرم افزار انجام داد. مطابق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، مقاومت طراحی تیرها و ستونها در قاب هاي مهاربندي شده همگراي ویژه نباید از نیروهاي ناشی از تحلیلهاي زیر کمتر در نظر گرفته شود.

1- آنالیزی که در آن فرض می شود نیروی مهاربندهای کششی برابر RyFyAg و نیروی مهاربندهای فشاری برابر 1.14FcrAg می باشد. این مکانیزم بر این فرض است که مهاربند کششی به حد تسلیم و مهار فشاری به مرز کمانش رسیده است.
2- آنالیزی که در آن فرض میشود نیروی مهاربندهای کششی برابر RyFyAg و نیروی مهاربندهای فشاری برابر 1.14FcrAg×0.3 می باشد. این مکانیزم بر این فرض استوار است که مهاربند کششی به حد تسلیم و مهاربند فشاری دچار کمانش شده است و همچنان به دلیل کار سختی انجام شده در فولاد امکان انتقال نیرو را دارد.

در روابط فوق Ry برابر نسبت تنش تسلیم مورد انتظار به حداقل تنش تسلیم تعیین شده مصالح است که مطابق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان تعیین می شود Fy برابر تنش تسلیم فولاد مهاربند که برابر 2400Kgf/cm2 می با شد. Age برابر سطح مقطع كلى عضو مهاربند و Fcr برابر تنش فشاری مورد انتظار ناشی از کمانش که با نحوه محاسبۀ آن در فصل ۳ آشنا شده اید. تنها نکته ای که در این بخش برای محاسبه این تنش باید رعایت کرد این است که به جای 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 برای این کار در نرم افزار انجام داد به شرح زیر می باشد. (در اقدام مراحل زیر دقت زیادی به عمل آید).

1- ابتدا لازم است که نیروهای گفته شده برای هر مهاربند را در هر طبقه محاسبه کرد این نیروها وابسته به سایز نیمرخ انتخاب شده برای مهاربندها و طول آنها برای محاسبة ضريب لاغرى عضو میباشد مقطع انتخابی برای مهاربندهای این پروژه در محور 1 و همچنین در محور 3 مشابه اند که برای دو طبقه اول از مهاربند 2UNP100 و برای مابقی طبقات از مقطع 2UNP80 استفاده شده است. مشخصات هندسی این دو مقطع در شکل ۱ نمایش داده شده است.

2- طول مهاربندها را در هر طبقه برداشت کنید برای اینکار به راحتی میتوان روی مهاربند هر طبقه کلیک راست کرده و با مراجعه به برگه Geometry میتوان طول عضو مورد نظر را در مقابل گزینه Length برداشت کرد. در این پروژه طول مهاربندها در تمامی مهاربندها مساوی و برابر 660cm خواهد بود برای سایر پروژه ها ممکن است طول مهاربندهای هر طبقه با یکدیگر متفاوت باشد.

3-در ادامه میتوان نیروهای گفته شده برای دو مکانیزم مد نظر مبحث دهم مقررات ملی ساختمان را به ترتیبی که در جدول ۱ ارائه شده است محاسبه کرد. در این مورد باید خاطرنشان کرد که با توجه به اینکه مقاطع مورد استفاده برای مهاربندها از نوع نورد شده میباشند لذا مقدار ضریب نسبت تنش تسلیم مورد انتظار به حداقل تنش تسلیم تعیین شده مصالح برابر 1.2 = Ry می باشد.

4-مطابق نیروهای مقرر شده در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در این بخش سه دسته نیرو لازم است که به شرح زیر نام گذاری و آنها را بر اساس اطلاعات محاسبه شده در جدول ۱ محاسبه خواهیم کرد.

در روابط فوق مقادیر Ft و Fc همان مقادیری هستند که در جدول ۱ محاسبه شده اند.
5- در نهایت مقادیر نیروهای جایگزین مهاربندها به شرح جدول ۲ خلاصه می شود. توجه کنید که به جهت سادگی کار، مقادیر محاسبه شده به مقدار بزرگتر رُند شده اند.

ذکر این نکته ضروری به نظر میرسد که نیروهای ارائه شده در جدول ۲ در راستای مهاربندها خواهد بود که با تکنیک های مناسبی این کار را به راحتی انجام خواهیم داد.

6-حال باید سه حالت بار گفته شده را به نرم افزار معرفی نمود ابتدا فایل جدیدی تهیه می شود. برای این کار در فایل اصلی طراحی که كليه مقاطع در آن نهایی شده است از منوی File گزینه …Save As را انتخاب کرده و فایل جدیدی را با نامی جدید در محل مورد نظر ذخیره نمایید. سپس فایل جدید را به نرم افزار فراخوان کنید.
7- در فایل جدید تهیه شده از منوی Define گزینه …Load Patterns را انتخاب کنید همچنین برای اجرای این دستور میتوان روی آیکن از نوار ابزار فوقانی نرم افزار کلیک کرد.

8- در پنجره جدید ظاهر شده ابتدا در قسمت Load نام بار را برابر FT1 ویرایش کنید در قسمت Type گزینه Seismic و در قسمت Auto Lateral Load گزینه None را انتخاب نموده و روی گزینه Add New Load کلیک کنید تا این بار به لیست بارهای قبلی اضافه شود.

9-سپس دو الگوی بار دیگر شامل FC1 و FC2 را دقیقاً به شرح گفته شده به نرم افزار معرفی خواهیم کرد شکل ۲ این سه الگوی بار سپس تعریف شده به نرم افزار را نمایش می دهد.

۱۰. حال باید ترکیب بارهای طراحی مورد نیاز برای انجام این کنترل را در نرم افزار معرفی نمود مطابق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان تیرها و ستونها باید برای این نیروها همراه با بارهای ثقلی ضریبدار طراحی شوند. لذا لازم است که از ترکیب بارهایی که در آنها نیروی زلزله وجود دارد استفاده کرد برای این کار میتوان از ترکیب بارهای ارائه شده در جدول ۳ الگو برداری نمود. در ادامه باید همین ترکیب بارهای را به نرم افزار معرفی کرد.

11-برای معرفی ترکیب بارهای ارائه شده در جدول ۳ از روش هایی که در مراحل قبلی ارائه شد استفاده می شود .بدین ترتیب ابتدا از منوی Define گزینه Load Combination را انتخاب کنید در پنجره جدید ظاهر شده روی گزینه …Add New Combo کلیک کرده و در پنجره جدید ظاهر شده برای معرفی ترکیب بار اول در جدول ۳ نام ترکیب بار را NewC1 ویرایش کنید؛ سپس در قسمت Define Combination of Load Case Combo Results مطابق شکل ۳ الگوهای بار و ضرایب آن را مطابق جدول ۳ به نرم افزار معرفی و در نهایت روی گزینه OK کلیک کنید.

۱۲- دیگر ترکیب بارها را دقیقاً به همین شکل به نرم افزار معرفی خواهیم کرد.

13-در ادامه لازم است یک نیروی فرضی زلزله را در سازه در نظر گرفت و به تبع آن مهاربندهای فشاری و کششی را در مدل تشخیص داد. در شکل ۴ نیروی زلزله به صورت فرضی از چپ به راست خواهد بود مهاربندهای فشاری و کششی در شکل ۴ مشخص شده اند. به این مسئله بیندیشید که اگر راستای نیروی زلزله تغییر کرد موقعیت مهاربندهای فشاری و کششی چگونه خواهد شد (به این سوال در بخش های بعدی پاسخ خواهیم داد).

در شکل ۴ به راحتی مهاربند فشاری و کششی قابل تشخیص است. همچنین در این شکل سایز نمیرهای استفاده شده برای مهاربندها مشخص شده است در بخشهای بعدی کاربرد این بخش از کار را متوجه خواهید شد.

۱۴. در مرحله بعد باید اثر مهاربندها را از مدل حذف نمایید برای این منظور بهترین روش این است که اثر سختی آنها را در مدل از بین برد. برای این منظور تمامی مهاربندهای موجود در مدل را انتخاب نمایید. سپس از مسير Assign دستور Frame> Property … Modifiers را انتخاب کنید در پنجره جدید ظاهر شده در مقابل گزینه های نشان داده شده در شکل ۵ مقادیر کوچکی وارد کنید این گزینه ها سختی محوری و خمشی مهاربندها را از بین می برند.

۱۵. در ادامه باید نیروهای محاسبه شده در جدول ۳ را به قابهای مهاربندی شده اعمال کرد این نیروها باید حتماً در راستای مهاربندها باشند که برای این منظور میتوان از دستورات موجود در نرم افزار استفاده کرد همانطور که از جدول ۲۰۵ واضح است، دو دسته نیرو برای مهاربندهای 2UNP100 و 2UNP80 محاسبه شده است که باید برای این مهاربندها به صورت جداگانه اعمال شود.

نکته بسیار مهمی که در این بخش وجود دارد نحوه اعمال نیرو برای مهاربندهای فشاری و کششی که در شکل ۴ مشخص شده اند خواهد بود. برای درک بهتر به شکل ۶ توجه کنید. همانطور که مشخص است چنانچه مهاربند فشاری با شه 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.

16-برای اعمال نیروی FT1 مهاربند 2UNP100 در جدول ۲ ابتدا دو مهاربند کششی طبقه 1 Story و Story2 در قاب محور 1 و 3 را همانند شکل ۷ انتخاب کنید سپس از منوی Assign مسیر … Frame Loads Point را انتخاب کنید در پنجره جدید ظاهر شده ابتدا حالت بار FT1 را در جعبه Load Pattern Name انتخاب نمایید در ادامه گزینه 1 Local را در مقابل جعبه Direction of Load Application همانند شکل ۷ انتخاب کنید مطابق جدول ۲ در بخش Point Loads در ستون 0 مقدار 77760 و در ستون 1 مقدار 77760 را وارد و بر روی گزینه OK کلیک کنید.

17- در ادامه مابقی مهاربندهای کششی در سایر طبقات را انتخاب کرده و مقدار بار 63360 را دقیقاً همانند بند ۱۶ و مطابق شکل ۸ اعمال کنید.

18-در ادامه باید نیروی FC1 را به گرههای انتهایی در مهاربندهای فشاری اعمال کرد برای این منظور ابتدا مهاربندهای 2UNP100 فشاری در دو طبقه اول همانند شکل ۹ انتخاب کنید سپس از منوی Assign مسیر … Frame Loads Point را انتخاب کنید. در پنجره جدید ظاهر شده ابتدا حالت بار FC1 را در جعبه Load Pattern Name انتخاب نمایید مطابق جدول ۲ در بخش Point Loads در ستون 2-0 مقدار -45285 و در ستون 1 مقدار 45285 را وارد و بر روی گزینه OK کلیک کنید.

۱۹. در ادامه مهاربندی فشاری 2UNP80 در سایر طبقات را انتخاب کرده و همانند دستور گفته شده در بند ۱۸ مقدار بار گره ای را برابر 31444 همانند شکل ۱۰ وارد کرده و بر روی گزینه OK کلیک کنید.

۲۰. در ادامه باید نیروی FC2 در جدول ۲ را به مهاربندهای فشاری اعمال کرد. این نیرو برای مهاربندهای 2UNP100 برابر 13586 برای مهاربند 2UNP80 برابر 9433 خواهد بود که برای اعمال آن باید مراحل گفته شده در بند ۱۸ و ۱۹ را عیناً تکرار کنید؛ با این تفاوت که اولاً مقدار بارها به شرح گفته شده است و همچنین باید الگوی بار FC2 را انتخاب کنید که این مسئله در شکل ۱۱ نمایش داده شده است.

۲۱. پس از بارگذاری به جهت اینکه نیروی محوری در تیرها ناشی از بارهای اعمال شده در آنالیز و طراحی آنها دیده شود باید دیافراگم سقف طبقات را از حالت صلب به حالت نیمه صلب خارج کرد. لازم به ذکر است که چنانچه سقف سازه صلب مدل سازی شود، نرم افزار اجازه وارد شده هیچ نیروی محوری به تیرها را نخواهد داد که در این بخش این کار خلاف ضوابط آیین نامه ای است. لذا باید حتماً دیافراگم سقف را از حالت صلب به حالت نیمه صلب تبدیل کرد برای این منظور از منوی Define گزینه Diaphragms را انتخاب نمایید. در پنجره جدید ظاهر شده مقطع دیافراگم اختصاص داده شده به مدل را انتخاب کرده و بر روی گزینه Modify/Show Diaphragm کلیک کنید و در پنجره جدید ظاهر شده همانند شکل ۱۲ گزینه Semi Rigid را انتخاب و بر روی گزینه OK کلیک کنید.

22. به جهت اینکه اثر مهاربندها در سازه به نوعی حذف شده اند مهاربندها در مدل کشته شده اند و هیچ توانی برای تحمل بارهای جانبی ندارند باید سازه را در راستای مهاربندها مقید کرد که این مسئله به صراحتاً در آیین نامه نیز آمده است. برای این منظور از منوی Analyze گزینه Set Active Degree of Freedom را انتخاب کنید در پنجره جدید ظاهر شده به جهت جلوگیری از بروز خطاهای محاسباتی همیشه درجه آزادی دورانی در راستای محور قائم (RZ) را باید مقید کرد همچنین بسته به اینکه مهاربندها در کدام راستا است باید درجه آزادی انتقالی در آن را ستا (UX) یا (UY) را باید مقید کرد به عنوان مثال اگر مهاربندها در راستای Y باشد باید درجه آزادی UY مقید گردد و چنانچه در راستای X باشد باید درجه آزادی انتقالی UX مقید می گردد. اگر در هر دو راستا مهاربند وجود داشته باشد باید هر دو درجه آزادی را مقید کرد. در این پروژه مهاربندها در راستای Yبوده و باید درجه آزادی RZ و UY را مقید کرد. که برای این منظور همانند شکل ۱۳ باید این دو گزینه را غیر فعال کرد و مابقی گزینه ها باید فعال باشند.

23. پس از انجام مراحل گفته شده سازه را آنالیز کنید برای این کار میتوان روی آیکن از نوار ابزار فوقانی نرم افزار کلیک کرد.

۲۴. قبل از شروع به طراحی ستونها و همچنین تیرهای نظیر دهانه مهاربندی شده ابتدا لازم است ترکیب بارهای معرفی شده در جدول ۲ را برای طراحی به نرم افزار معرفی نمایید. از این رو از منوی Design گزینه Steel Frame Design > Select Design …Combinations را انتخاب کنید در پنجره جدید ظاهر شده مطابق شکل ۱۴ ابتدا کلیه ترکیب بارهایی که در فایل اصلی به عنوان ترکیب بارهای 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 بارهای NewC1 تا NewC4 را انتخاب کرده و آنها را به لیست Design Combinations اضافه کنید در نهایت بر روی گزینه OK کلیک کنید.

25.در مرحله بعد سازه را طراحی کنید برای این کار میتوان روی آیکن از نوار ابزار فوقانی نرم افزار کلیک کرد.

26.پس از پایان مرحله ،طراحی تمامی ستونها و تیرهای نظیر دهانه مهاربندی شده را مورد کنترل قرار دهید. در شکل ۱۵ نسبت نیرو به ظرفیت را برای ستونها و تیرهای دهانه مهاربندی شده در قاب محور 1 نمایش داده می شود برای نمایش نسبت بار به ظرفیت آلمان Design Steel Frame Design> Display Design Info را انتخاب کنید در پنجره جدید ظاهر شده ابتدا های فولادی مسیر گزینه Design Output را انتخاب کرده و سپس در جعبه مقابل آن گزینه P-M Ratio Colors & Value را انتخاب کنید.

27. همان طور که از شکل ۱۵ ،پیداست تمامی تیرها جوابگو می باشند و نیازی به تغییر در فایل اصلی نخواهند داشت. اما ستون نشان داده شده در شکل دارای نسبت نیرو به ظرفیت بزرگتر از 1.0 می باشد و لذا باید مقطع این ستون را به مقاطع قوی تری تغییر داد. دیگر ستونهای دهانه های مهاربندی شده در این قاب مشکلی ندارند.

۲۸. برای تغییر سایز المان هایی که در این کنترل دارای ضعف هستند (که در شکل ۱۵ یک ستون این وضعیت را دارد)، روی اعضا به صورت جداگانه کلیک کرده و در پنجره جدید ظاهر شده روی گزینه Overwrites کلیک کنید در پنجره جدید ظاهر شده در مقابل گزینه Current Design Section مقطع قوی تر را انتخاب نمایید. برای ستون نمایش داده شده در شکل ۵-۱۶۰ مقطع آن را به 2×Box30 تغییر داده و روی گزینه OK کلیک می کنیم در این حالت نسبت نیرو به ظرفیت از عدد 1 کوچکتر شده و لذا مقطع انتخابی برای این ستون مناسب می باشد.

29.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.

30. پس از پایان کنترل تیرها و ستونهای دهانههای مهاربندی شده در سیستم SCBF باید جهت بار زلزله فرضی در نظر گرفته شده در شکل ۴ را تغییر داده تا عملاً جای عملکرد مهاربندهای فشاری با مهاربندهای کششی تغییر کند. در این حالت بهتر است به شکل ۱۶ توجه کرده و نوع عملکرد مهاربندهای فشاری و کششی را با شکل ۴ 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 پاسخ آن در شکل ۱۶ قابل مشاهده است. در این حالت مشاهده خواهید کرد که جای مهاربندهای فشاری با مهاربندهای کششی تغییر کرده و بالعکس.

۳۱. در این و ضعیت که راستای نیروی زلزله فرضی تغییر کرده است تنها نحوۀ اعمال بارهای گره ای تغییر می کند که مراحل کار دقیقاً همانند آنچه تا به حال گفته شده خواهد بود و تنها جای این نیروها عوض می شود از ارائه این قسمت خودداری شده و آن را به خواننده واگذار می کنیم.

۳۲. پس از بررسی کامل قابهای مهاربندی شده برای دو را ستای زلزله فرضی در ادامه فایل اصلی طراحی را به نرم افزار فراخوان کنید. دقیقاً ستونها و یا حتی تیرهایی که مقطع آنها در فایل مربوط به کنترل دهانه های مهاربندی شده تغییر کرده است را در فایل اصلی نیز اعمال نمایید.

 سازه اصلی را مجدداً آنالیز و طراحی خواهیم کرد.