ملاحظات طراحی سیستم خرپای متناوب

 این سیستم در مقالات قبل معرفی و بررسی گردید. در این مقاله  به بررسی برخی ملاحظات طراحی این سیستم می پردازیم.

سیستم های سقف

همانند سایر سیستم ها ، سقف ها در ساختمان هایی با سیستم خرپای متناوب می بایست دو عملکرد مهم راداشته باشند. اول آنکه می بایست بارهای ثقلی را به اعضا عمودی انتقال دهند. دوم آنکه به عنوان دیافراگم در برابر بارهای جانبی مقاومت کنند تا انکه بتوانند یک مسیر بار پیوسته را برای انتقال بار های جانبی از یال تحتانی یک خرپا را تا یال فوقانی خرپای مجاور در تمام ارتفاع ساختمان فراهم کنند. بنابر این می توان از دال های بتنی پیش ساخته، سقف های عرشه فولادی ، سیستم های تیری با جان باز، و یا هر سیستم سازگار دیگر که پاسخ گوی نیاز مندی های معماری و سازه باشد استفاده کرد. برای سیستم های سقف عرشه فولادی، عرشه ای با ضخامت 19 سانتی متر برای دهانه هایی تا طول 9.15 متر مورد نیاز است و برای دهانه هایی تا طول 7.3 متر ضخامت عرشه 15.2 سانتی متر کفایت می کند. در این سیستم انتقال برش مناسب توسط جوش دادن عرشه های فولادی به خرپاها حاصل می شود. انتخاب سیستم سقف به محل جغرافیایی سایت، ملاحظات پیمانکار و هم چنین به عرف محلی مرتبط است. 
از انجا که خرپاها در طبقات یک در میان متناوب هستند، بار جانبی معادل که توسط هر خرپا تحمل می شود برابر با بار روی دو دهانه می باشد. بنابراین، پنل های طبقات در هر طرف خرپا می بایست نیمی از بار را به خرپای مجاور زیرین منتقل کنند. 

ستون ها

در سیستم های خرپای متناوب، خرپاها در برابر بار های جانبی مقاومت می کنند و به عنوان مهار های عمودی عمل می کنند. بنابراین، بار های جانبی به عنوان کشش و فشار مستقیم در ستون ها توزیع می شوند. هیچ برشی در ستون ها وجود ندارد تا در راستای جانبی ساختمان خمش ایجاد کند. بنابراین، ستون ها می توانند به عنوان اعضای مهاری برای مقاومت در برابر کمانش حول محور ضعیف طراحی شوند. جنبه دیگر طراحی ستون ها که می بایست در نظر گرفته شود اثر تغییر شکل های خرپا در به وجود آوردن خمش بیش از حد حول محور ضعیف ستون هاست. فشار محوری در یال فوقانی  و افزایش طول در یال تحتانی باعث به وجود آمدن خمش در ستون ها می شود. این مسئله را می توان با به وجود آوردن تعمدی یک انحنا در خرپا به صورت کم کردن طول یال پایینی خرپا نسبت به یال فوقاتی آن حل کرد. به عنوان جایگزین، اتصال بین یال پایین و و ستون می تواند به صورت اتصال اتکایی طراحی شود. سفت کردن پیچ ها پس از اعمال بار های مرده به خرپا باعث کاهش لنگر های خمشی در ستون ها می شود. روش های دیگری نیز برای حل این مسئله وجود دارد، در صورتی که نتوان از هیچ کدام از روش ها استفاده کرد این ممان ها می بایست در طراحی ستون ها در نظر گرفته شوند.

خرپاها

طراحی خرپاها به صورت کاملا متداول انجام می شود. به دلیل آنکه خرپاها فضاهای سقف نسبتا بزرگی را پشتیبانی می کنند، طراحی اجازه کاهش بار زنده  بیشینه را می دهد. خمش های ثانویه ناشی از بازشوهای راهرو که در یال های خرپا به وجود می آید می بایست برای طراحی در نظر گرفته شود. نسبت طول به ارتفاع خرپا معمولا در بازه 6 به1 قرار می گیرد، که باعث ایجاد عمق کافی برای طراحی موثر یال های بالا و پایین خرپا را می دهد. عرض پنل های خرپا معمولا به عنوان معیار کنترل کننده در نظر گرفته نمی شود. پنل هایی با طول بیشتر با اعضای جان کمتر باعث کاهش هزینه های ساخت می شود و اقتصادی تر محسوب می گردد. برای بازدهی حد اکثری، بهتر است تا فواصل یکسانی برای خرپاها در نظر گرفته شود. زیرا که این مسئله باعث تیپ بندی خرپاها و در نتیجه کاهش هزینه های ساخت می شود . سیستم خرپای متناوب معمولا برای ساختمان هایی در بازه 6 تا 25 طبقه قرار می گیرند.  و مزایای این سیستم در ساختمان های معمولی با پلان طبقات مستطیلی کاملا خود را بروز می دهند.

طراحی لرزه ای سیستم خرپای متناوب

در اثر بار های لرزه ای جانبی، پنل های ویرندیل تحت اثر تغییر شکل های بزرگی قرار می گیرند. (بیشتر شبیه پنل های مشابه در سیستم قاب خمشی خرپایی) و در نتیجه می بایست به گونه ای طراحی شوند تا توسط جاری شدن در خمش انرژی را مستهلک کنند. خرپاها در برابر برش جانبی، نیروهای واژگونی و دریفت بین طبقات مقاومت می کنند؛ و دیافراگم های کف به عنوان فراهم کننده مسیر بار بین خرپاهای مجاور عمل می کنند. سیستم مقاوم در برابر بار جانبی طولی عموما قاب خمشی یا قاب مهاربندی شده محیطی است. 
اکثر سیستم های خرپای متناوب که تا سال 2010ساخته شده اند در نواحی با خطر لرزه ای کم ساخته شده اند. علاوه بر ان که می بایست ذکر شود سیستم خرپای متناوب به عنوان سیستم باربر لرزه ای در آیین نامه ASCE-7-05  در جدول 12.2.1اشاره نشده است و بنابراین متناظر با سیستم های سازه ای نامشخص است. بنابراین، استفاده از آن نیاز به بازدید داده های استخراج شده از بارگذاری های متناوب و مطالعات تحلیلی می باشد. کمیته لرزه شناسی انجمن مهندسین سازه کالیفرنیا SEAOC استفاده از این سیستم را در به عنوان سیستم باربر جانبی برای ساختمان هایی در ساختگاه های با خطر  لرزه ای مطابق با دسته بندی آیین نامه  ASCE-7 در طبقه C تا F توصیه نکرده است.

پاسخ سیستم سازه ای خرپای متناوب به بار های لرزه ای

عملکرد لرزه ای قابل قبول برای برای سیستم های سازه ای خرپای متناوب به خصوصیات زیر وابسته است. 

سیستم های باربر جانبی و ثقلی ساختمان یکی بوده و یکسان باشد. همه خرپاها و ستون های باربر ثقلی به سیستم باربر جانبی یکپارچه شده باشد. 

دهانه های عرضی با طول زیاد به هنگام رخداد شکست ستون ها،توانایی باز توزیع بارهای ثقلی سیستم را محدود می کند. 

طبقه زیرین ساختمان، معمولا از طبقات بالا تر انعطاف پذیر تر است. معمولا قاب خمشی در طبقه زیرین با قاب خرپایی متناوب جابه جا می شود. 

دیافراگم ها با توزیع نیروی تقریبا زیادی بین المان های عمودی، برای مسیر بار های جانبی حیاتی هستند. این مسئله در طبقات زیرین کاملا مشهود است. به طوری که اتصالات دیافراگم به خرپا می بایست تقریبا تمامی برش پایه را از یک طبقه به طبقه دیگر انتقال دهند.

 نکات دیگر طراحی لرزه ای و ضوابط طراحی این سیستم ها در مقالات آتی بررسی خواهد شد.

منبع:

دپارتمان سازه شرکت کارگشا