اثرات تاخیر برش در سیستم ساختمان های بلند، قاب بندی لوله ای

در مقاله قبل با یکی دیگر از سیستم های سازه های بلند با نام سیستم سازه ای قاب بندی لوله ای آشنا شدیم. عملکرد خمشی سیستم های لوله ای حفره دار با اثرات تاخیر برش به دلیل انعطاف پذیری شاه تیر ها پیچیده تر می شود. تاثیرات تاخیر شامل برش افزایش تنش های برشی در ستون های گوشه و کاهش این تنش ها در ستون های داخلی هر دو پنل بال و جان می باشد. حتی برای یک سازه لوله ای بدون حفره، تاخیرات برش قابل ملاحظه ای مشاهده خواهد شد.

یک سیستم لوله ای دایروی، که درارتفاع ساختمان باریک تر می شود، می تواند یک پیکربندی ایده ال برای ساختمان های با سیستم لوله ای باشد. واضح است که این سیستم، برای اسکان انسان ها مناسب نیست، اما می تواند به عنوان مدلی برای بررسی تاثیرات تاخیر برش در سیستم های  لوله ای حفره دار، قرار گیرد.

برای اثبات ایده ها، فرض می شود که باکس توخالی نشان داده شده در شکل فوق دارای ابعاد 33.5*33.5 متر متعلق به یک ساختمان فولادی  50 طبقه که دارای ارتفاع طبقه 3.94 متروارتفاع کلی 198 مترمی باشد. فرض شود که مقدار واحد فولاد مورد نیاز سطح ساختمان برابر 1149 پاسکال می باشد. همچنین فرض می شود، تمام مقدار این فولاد در دیوارهای پیرامونی این ساختمان گنجانده شده است. ضخامت دیوار فولادی متناظر به صورت زیر بدست می آید.  ابتدا وزن کل فولاد مورد نیاز از حاصل ضرب سه ایتم  وزن واحد سطح فولاد، مساحت هر طبقه و تعداد طبقات  ساختمان بدست می آید که  مقدار آن در ساختمان مورد نظر ما برابر 64473 کیلو نیوتن می شود. سپس  مساحت  کل دیوارهای محیطی از حاصلضرب مساحت یک دیوار پیرامونی در تعداد دیوار های پیرامونی که برابر با 4 است بدست می آید که نتیجه 26532 متر مربع می شود. سپس از حاصل تقسیم این دو عدد ضخامت متناظر این دیوار برابر با 38 سانتی متر حاصل می شود. درمقایسه با ابعاد پلان این ساختمان که برابر با 33.5 متر است ضخامت 38 سانتی متر نسبتا باریک است. تصدیق می شود که ساختمان مایل است تا به صورت یک تیر جدار نازک عمل کند، که در آن مقطع تنش ها و کرنش های برشی بزرگتر از یک مقطع توپر است. به دلیل کرنش های برشی بزرگ، فرض معمول قابل استفاده در تئوری خمش که صفحات پس از خمش همچنان  صفحه باقی می مانند، غیر قابل استفاده است. کرنش های برشی بزرگ که منجر به اعوجاج درون صفحه می شود در شکل فوق دیده می شود. نتیجه نهایی که حاصل می شود آن است که، در اثر بار های جانبی تنش های خمشی، متناسب با فاصله آن ها از تار خنثی نیستند. تنش های مرکز بال، از تنش های نزدیک به گوشه ها به دلیل نبود سختی برشی دیواره های پنل عقب می افتند یا اصطلاحا کمتر می شوند. این مسئله تاخیر برش نام دارد و نقش مهمی را در طراحی سازه های بلند لوله ای ایفا می کنند. تنش های خمشی در جان ها نیز به صورت مشابه مطابق با شکل زیر، تحت تاثیر قرار می گیرد.

تاثیرات تاخیر برش در ساختمان های لوله ای متشکل از تیر ها و ستون های مجزا ممکن است به سهولت با در نظر گرفتن مد اصلی  مقاومت در برابر بار های جانبی، مورد توجه قرار گیرد.مطابق شکل زیر مقاومت اصلی از قاب های جان تشکیل می شود  که به گونه ای تغییر شکل می دهند که ستون های  T در کشش قرار گرفته و ستون های C  در فشار قرار می گیرد. قاب های جان تحت اثر خمش معمول درون صفحه و عملکرد رکینگ قرار می گیرند. این عملکرد اصلی با توجه به انعطاف پذیری شاهتیر ها اصلاح می شود که این مسئله باعث افزایش تنش های محوری در ستون های گوشه و کاهش آن ها در ستون ها ی میانی می شوند.

با در نظر گرفتن شکل فوق مشخص است که اندرکنش اصلی بین قاب های بال و جان در اثر تغییر شکل های محوری ستون های گوشه به وجود می آیند. هنگامی که به طور مثال  ستون C در فشار می باشد، از آن جا که این ستون به ستون مجاور خود متصل است، این ستون مایل است تا ستون مجاور خود c1 را فشرده سازد. تغییر شکل فشاری ستون C1 مشابه با ستون گوشه  C  نخواهد بود زیرا که شاهتیر انعطاف پذیر تحت خمش قرار می گیرد. تغییر شکل محوری C1 تا اندازه ای که این اندازه وابسته با سختی تیرهای اتصال دهنده است، کمتر خواهد بود. به همین ترتیب،  تغییر شکل ستون C1  با عث به وجود آمدن تغییر شکل های فشاری به ستون مجاور C2 می شود، اما این تغییر شکل مجددا کمتر خواهد بود. بنابراین هریک از ستون های متوالی داخلی تغییر شکل کمتری را تجربه خواهد کرد و تنش کمتری را نسبت به ستون بیرونی تجربه خواهد کرد. تنش های ستون های گوشه بیشتر و تنش های ستون های میانی کمتر  از حالت عملکرد لوله ای خالص هستند. تنش ها در ستون های میانی از ستون های گوشه اصطلاحا عقب می افتند یا دچار تاخیر می شوند. به همین دلیل از اصطلاح تاخیر برش استفاده می شود. تفاوت بین توزیع تنش که توسط تئوری خمش  پیش بینی شده است و توزیع تنش واقعی نشان داده  شده در دو شکل بالا نشان داده شده است. به این دلیل که تنش های ستون نسبت به یک سیستم لوله ای ایده ال به صورت غیر موثر تری توزیع شده است، مقاومت خمشی و سختی خمشی کاهش می یابد. بنابراین، با این وجود که یک سیستم لوله ای برای تمامی ساختمان های بلند، کاملا کارامد است اما به دلیل اثرات تاخیر برش دارای محدودیت هایی می باشد.

منبع:

دپارتمان سازه سامانه کارگشا