سیستم های سازه ای ترکیبی قاب های خمشی و قاب های مهاربندی شده

سیستم های مختلط قاب خمشی و قاب مهاربندی شده

حتی برای ساختمان هایی با تعداد طبقات 10 تا 15 طبقه، در صورتی که  قاب هاب مهاربندی شده تنها به هسته مرکزی ساختمان محدود شود، ممکن است ستون ها به صورت غیر منطقی سنگین شوند. این مسئله بدان دلیل است که این احتمال وجود دارد که ارتفاع دسترسی برای مهاربندها کم باشد. به علاوه به دلیل نیروهای آپ لیفت یا برکنش بالا که در سطح زیرین ستون های قاب مهاربندی رخ می دهد، ممکن است اشکالاتی را در طراحی شالوده ها به وجود آورد. در چنین حالاتی، با استفاده از قاب های خمشی  با اتصالات صلب که در تعامل با قاب های مهاربندی شده می باشند می توان به یک راه حل سازه ای رسید. اگر چه که این مهم مستلزم بکارگیری تیرهای عمیق در   قاب های خمشی است اما با این وجود با در نظر گرفتن ملاحظات طرح این راه حل دارای اشکالات کمتری نسبت به اضافه کردن ستون ها می باشد. اغلب اوقات، از لحاظ معماری این امکان وجود دارد که بتوان از تیر های عمیق و ستون های نزدیک به هم در محیط  یا پیرامون ساختمان استفاده کرد. زیرا که این ستون ها در تقسیم فضا دخالتی نداشته و همچنین به دلیل عبور داکت های تاسیساتی نیاز به تیرهایی با ارتفاع کم نداریم. پلان طبقه یک ساختمان به صورت شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است.

در این شکل، بار های جانبی در راستای شمالی جنوبی توسط هسته های مهاربندی شده در محور های 2، 3 و 4   و همچنین  توسط قاب های خمشی در محور های 1 و 5 مقاومت می شوند. همچنین در راستای شرقی-غربی، مقاومت جانبی توسط هسته های مهاربندی شده در محور های B  و C که دارای اندرکنش متقابل و تعامل با  قاب های صلب بیرونی در محور های E و D هستند، فراهم می شود. به عنوان یک جایگزین برای قاب های پیرامونی، مجموعه ای از قاب های داخلی نیزمی توانند همراه با هسته های مهاربندی شده مقاومت جانبی را فراهم سازند. چنین حالتی در شکل زیر نشان داده است که قاب های خمشی در محورهای 1، 2، 6 و 7 همراه با هسته های مهاربندی شده که در محورهای 3 ، 4 و 5 واقع شده اند عمل می کند.

با این وجود به عنوان گزینه دیگر مطابق شکل زیر می توان از اتصال صلب برای شاه تیر ها ی حد واصل هسته مهاربندی شده و ستون های خارجی استفاده کرد. در این حالت شاه تیر ها به عنوان مهاربازو هایی عمل کرده که منتج به کاهش خمش در قاب های مهاربندی می شوند. 

برای ساختمان های لاغر که دارای نسبت ارتفاع به عرض بیشتر از 6 هستند، یک سیستم ترکیبی از قاب های خمشی و قاب های مهاربندی، در صورتی که سیستم مهاربندی تنها محدود به هسته ساختمان شود، غیر اقتصادی خواهد بود. در چنین حالاتی مطابق شکل زیر یک راه حل سازه ای مناسب، قرار دادن مهاربندها در تمامی عرض ساختمان است.

با توجه به ملاحظات معماری، مهاربندهای تمام ارتفاع ممکن است که در قاب های خارجی یا قاب های داخلی قرار گیرد. در این حالت، مهاربندها ها در تمامی عرض ساختمان مشابه با یک ابرمهاربند قرار گرفته اند. لنگر های واژگونی و نیروهای برشی در این سیستم به صورت عمده توسط نیروهای محوری به وجود آمده در اعضای مهاربندی تحمل می شوند. یک مقطع جانبی از یک ساختمان که از این سیستم استفاده کرده است به صورت شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است.

هم چنین در این شکل یک مهار ثانویه نشان داده شده که هدف آن انتقال نیروهای جانبی به نقاط قابی یا پانلی ابر مهاربند است. قطری های مهاربندی K شکل که از درون ساختمان عبور می کنند منتج به تشکیل ستون های مورب می شوند که مشکلاتی که حضور آن ها از لحاظ معماری ایجاد می کند می بایست به دلیل افزایش کارآمدی سازه ای نادیده گرفته شود. سیستم هایی که در بالا بررسی شد  نمونه هایی از ترکیب قاب های صلب و مهاربندی شده هستند. هر تعدادی از آن ها می تواند به صورت منفرد و یا به صورت ترکیبی  مورد استفاده قرار گیرد. مقدار اندرکنش و تعامل بین دو سیستم می تواند توسط تغییر سختی های هر یک از دو سیستم برای حصول یک سیستم سازه ای اقتصادی استفاده گردد. 

رفتار

در صورتی که الگوی تغییر شکل جانبی قاب های مهاربندی شده و قاب های خمشی یکسان بود منطقی بود که  بار ها جانبی بین دو سیستم به نسبت سختی آن ها بین آن ها تقسیم گردد. اما این چنین نیست زیرا که قاب هاب مهاربندی شده و قاب های خمشی هر یک با توجه به ویژگی های خاص خودشان  مطابق با شکل زیر تغییر شکل می دهند.  

تا آن جایی که مقاومت جانبی مد نظر است. قاب های صلب و مهاربندی می توانند به صورت 2 واحد مجزا در نظر گرفته شوند. ویژگی های تغییر شکل قاب مهاربندی شبیه به تغییر شکل های یک تیر طره است. بدین صورت که در تراز زیرین خرپای عمودی دارای سختی زیادی است، و بنابراین تغییر شکل های طبقات کمتر از نیمی از تغییر شکل ها در تراز فوقانی خواهد بود. در نزدیکی طبقات فوقانی تغییر شکل های طبقات به سرعت افزایش می یابد و دلیل عمده آن اثرات تجمعی رانش یا دریفت یال های سیستم خرپایی است. کرنش های ستون نیز در تراز زیرین ساختمان باعث تغییر شکل جانبی در تراز فوقانی خواهد شد. و از آن جا که تاثیر یکسانی در هر طبقه به وجود می آید، رانش به وجود آمده در تراز فوقانی به صورت تجمعی خواهد بود. 

قاب های خمشی عمدتا در مد برش تغییر شکل می دهند. تغییر شکل های نسبی طبقات عمدتا به مقدار برشی که در تراز هر طبقه وارد می شود وابسته است. اگرچه که نسبت به قاب های مهاربندی شده در نزدیکی تراز زیرین تغییر شکل های برشی بیشتر و در نزدیکی تراز فوقانی تغییر شکل های برشی کمتر است. اما تغییر شکل های جانبی طبقات می تواند در اراتفاع ساختمان به صورت یکنواخت در نظر گرفته شود. هنگامی که دو سیستم قاب های مهاربندی شده و قاب های خمشی با اتصالات صلب توسط دیافراگم های صلب کف به یکدیگر اتصال یابند، برش غیر یکنواختی بین آن ها برقرار می شود. اندرکنش متقابل و تعامل بهینه ای که بین آن ها برقرار می شود باعث می شود که بازدهی و کاربری این قاب ها توسعه یافته و بتوان آن ها را در ساختمان هایی تا ارتفاع 40 طبقه نیزاستفاده کرد. 
شکل بالا الگوی تغییر شکل قاب های مهاربندی شده و قاب های خمشی تحت اثر بارهای جانبی را نشان می دهد. همچنین در این شکل نیروهای برشی افقی بین دو قاب که توسط کف های صلب به یکدیگر اتصال یافته اند، نشان داده شده است. 
دقت شود که قاب های مهاربندی به عنوان یک تیر عمودی طره ای عمل می کند که شیب تغییر شکل در تراز فوقانی بیشینه است که این مسئله بیان گر آن است که در این منطقه قاب مهاربندی شده کمترین سختی جانبی را ایجاد می کند. 
قاب خمشی دارای تغییر شکل مد برشی است. که شیب آن در تراز پایه که برش بیشینه است، بیشتر است. به دلیل تفاوت کامل ماهیت های تغییر شکلی این دو سیستم به ویژه در تراز های بالا و پایین ساختمان، قاب خمشی تمایل دارد که مهار بند ها را در قسمت بالای ساختمان  به عقب بکشاند و در قسمت فوقانی آن را به سمت جلو ببرد. در نتیجه این قاب سازه ای در قسمت فوقانی که نیروهای برشی کمترند عملکرد موثرتری دارد. قاب مهاربندی بیشتر برش را در قسمت تحتانی تحمل می کند. بنابراین دو سیستم به صورت بهینه یکدیگر را پشتیبانی می کنند. قاب خمشی تمایل دارد که در قسمت فوقانی تغییر شکل جانبی را کاهش دهد در صورتی که قاب مهاربندی شده  در نزدیکی تراز پایه قاب خمشی را پشتیبانی می کند. شکل فوق تغییر برش افقی را که توسط هر قاب تحمل می شود نشان می دهد که در آن طول بردار ها نشانگر اندازه نیروهای برش دارای اندر کنش متقابل است.  

منبع

دپارتمان سازه سامانه کارگشا