رفتار سیستم سازه ای قاب-دیوار

سیستم قاب-دیوار

همان طور که در مطلب قبل گفته شد، در صورتی که مود(mode) خیز(جانبی)[دریفت  یا رانش] دیوار های برشی و قاب های خمشی یکسان می بود، بارهای جانبی بین دو سیستم کمابیش به نسبت سختی نسبی آن ها توزیع می شد. اگرچه که، به طور معمول دو سیستم مطابق با ویژگی های خود تغییر شکل می دهند. اندرکنش بین دو سیستم، به ویژه در طبقات فوقانی ساختمان، منتج به توزیع بار جانبی کاملا متفاوتی می شود. 

خیز جانبی دیوار برشی به صورت مشابه با یک ستون کنسولی در نظر گرفته می شود. نزدیک به تراز زیرین سازه، دیوار برشی تقریبا سخت بوده و بنابراین خیز های طبقه به طبقه کمتر از نیمی از مقدار مشابه خود در طبقات فوقانی است. در طبقات فوقانی، عمدتا به دلیل اثرات فزاینده دوارن دیوار، خیز نسبتا سریع تر افزایش می یابد. 

شکل1- ستون کنسولی تحت بار جانبی، نمودار برش، نمودار خمش و نمودار تغییر شکل الاستیک

از سوی دیگر، قاب های خمشی غالبا در مود برش تغییر شکل می دهند. خیزهای طبقاتی نسبی، اساسا وابسته به مقدار برش اعمال شده به هر طبقه است. اگرچه که مقادیر خیز در نزدیک به تراز زیرین ساختمان بیشتر  و نزدیک به تراز فوقانی کوچکتر از مقادیر مشابه برای دیوار های برشی می باشد، اما خیز طبقه به طبقه را تقریبا می توان به صورت یکنواخت تری در ارتفاع در نظر گرفت. هنگامی که دو سیستم دیوار های برشی و قاب های خمشی توسط دیافراگم های صلب به یکدیگر متصل می شوند، نیروی برشی غیریکنواختی بین دو سیستم توزیع می شود. اندرکنش پدید آمده معمولا منتج به سیستم سازه ای اقتصادی تری می شود. 

با توجه به شکل 2 که الگوی تغییر شکلی از دیوار برشی و قاب خمشی را تحت اثر بارها جانبی نشان می دهد، می توان بارهای برشی افقی بین دو سیستم را مشاهده کرد، طول پیکان ها به صورت شماتیک مقدار اندرکنش را نشان می دهد. دقت شود که دیوار برشی به صورت یک ستون کنسولی با شیب بیشتر در تراز فوقانی عمل می  کند. از سوی دیگر قاب خمشی در مد برش تغییر شکل داده  که خیز در تراز زیرین ساختمان که مقادیر برش بزرگتری دارد، بیشتر است. از ان جا که ماهیت خیز جانبی دو قاب کاملا از یکدیگر متفاوت است، قاب خمشی تمایل دارد تا دیوار برشی را در طبقات فوقانی ساختمان به عقب کشانده و در طبقات زیرین به جلو براند. در نتیجه، قاب در قسمت بالایی ساختمان، که برشهای جانبی ضعیف تر هستند، به صورت بهتری مشارکت می کند، در صورتی که دیوار برشی بیشتر برش را در قسمت پایین ساختمان جذب می کند.

به دلیل ماهیت متفاوت ویژگی های خیز جانبی، دو سیستم به صورت بسیار کارامدی به یکدیگر کمک می کنند. قاب تمایل دارد تا خیز جانبی دیوار برشی را در بالای ساختمان کاهش دهد، در صورتی دیوار برشی در تراز پایه از قاب پشتیبانی می کند. تغییرات برش افقی که توسط هر سیستم حمل می شود در شکل 2 نشان داده شده است، که در آن طول هر پیکان به صورت مفهومی نشانگر مقدار نیروی های برشی متقابل است. 

شکل2- اندرکنش سیستم قاب-دیوار

بدون شک، سیستم قاب-دیوار یکی از متداول ترین- اگر نه متداول ترین-سیستم باربر جانبی است. سیستم دارای کاربرد وسیعی بوده و برای ساختمان های به کوتاهی 10 طبقه تا بلندی 50 طبقه و یا بلند تر کاربرد دارد. با اختراع تیر های ماهیچه ای(haunch grider)، کاربرد این سیستم  به سادگی به ساختمان هایی تا 70 الی 80 طبقه رسیده است. 

همان طور که پیش تر بیان شد، رانش خطی قاب خمشی، هنگامی که با تغییر شکل غیرخطی دیوار برشی ترکیب می شود، منتج به سختی ارتقا یافته کل سیستم شده، به این دلیل که دیوار توسط قاب در قسمت فوقانی مقید شده در صورتی که در طبقات پایینی، دیوار برشی توسط قاب مقید می شود. اگرچه که، همیشه به این سهولت نمی توان بین دو مود فرق گذاشت به این دلیل که قاب شامل ستون های نزدیک به هم و تیر های عمیق تمایل دارد تا بیشتر مشابه با دیوار برشی عمل کند که عمدتا در مد خمش پاسخ می دهد. بنابراین عملکرد سازه ای ترکیبی وابسته به سختی نسبی بین دو سیستم و مودهای تغییر شکل آن هاست. بیشتر آن که، دیاگرام اندرکنش سازه نشان داده شده در شکل 2 تنها در صورتی معتبر است که:

–    دیوار برشی و قاب دارای سختی ثابتی در ارتفاع بوده و یا

–    در صورتی که سختی متغیر باشد-سختی نسبی دیوار و قاب در ارتفاع ثابت باقی بماند. 

از آن جا که الزامات معماری و کاربردی اغلب بر پیکره المان های سازه ای تاثیر می گذارند، شرایط فوق به ندرت در ساختمان های کاربردی معمول دیده می شود. در ساختمان های بلند مدرن، به ندرت مشاهده می شود که هندسه دیوار ها و قاب ها در ارتفاع ساختمان یکسان باشد. برای مثال، دیوار های پیرامون آسانسور ها به طور معمول در برخی تراز ها تعبیه نمی شوند، ستون ها با افزایش ارتفاع مقطعشان کاهش می یابد، و هندسه ساختمان به ندرت برای تمام ارتفاع ساختمان یکسان خواهد بود.

به دلیل تغییرات زیاد سختی دیوار ها و قاب ها همراه با تغییرات هندسه ساختمان، اندرکنش ساده نشان داده شده در شکل 2 حتی نزدیک به مقادیر واقعی رفتار سازه در ساختمان نخواهد بود. اگرچه که با وجود نرم افزار های کامپیوتری، حصول رفتار اساسی سیستم قاب و دیوار از عرف معمول مهندسی محسوب می شود. 

به شکل زیر دقت شود:

شکل3- مقایسه تغییر شکل سه سیستم دیوار برشی، قاب خمشی، و قاب-دیوار در ساختمان 10 طبقه

 دپارتمان سازه سامانه کارگشا

مطلب مورد تایید انجمن (ICC(International code council می باشد.

برای بهره مندی از خدمات محاسبات طراحی سازه در موارد ذیل ، در خواست خود را در لینک مشاوره فنی و مهندسی سازه ثبت نمایید.