قاب خمشی فولادی – گروه مهندسی و بازرگانی علیرضا کافیان و همکاران

قاب خمشی فولادی

بررسی ضوابط اتصالات انواع قاب خمشی فولادی

یکی از راهکارهای مقاومت در برابر بارهای جانبی استفاده از انواع قاب خمشی بر اساس شرایط منطقه لرزه‌خیزی می‌باشد.

1) علائم و تعاریف

در این بخش علائم اختصاری و تعاریف اصطلاحات استفاده شده در این مقاله را با هم بررسی و تعریف می‌کنیم.

2) معرفی انواع قاب خمشی

سیستم قاب خمشی مجموعه‌ای از تیرها و ستون‌ها است که به وسیله‌ی اتصالات صلب به یکدیگر وصل شده‌اند. در این سیستم از هیچ‌گونه مهاربند و دیوار برشی استفاده نمی‌شود و بارهای جانبی توسط رفتار خمشی اتصالات تحمل می شود. به طور کلی سختی جانبی قاب‌های خمشی نسبت به قاب‌‌های دارای مهاربند یا دیوار برشی کمتر است به همین دلیل کنترل تغییر مکان‌‌های جانبی در ساختمان‌ های با سیستم قاب خمشی یکی از چالش‌های مهم در روند طراحی به حساب می‌آید.

قاب‌های خمشی باعث ایجاد فضا‌های آزاد معماری با کمترین تداخل سازه‌ای می‌شوند. در ساختمان‌های اداری که معمولاً نیاز به فضا‌های منعطف با کاربری‌های متنوع دارند از این سیستم استفاده می‌کنند. در شکل‌های زیر یک ساختمان با سیستم قاب خمشی و همچنین دو نمونه از اتصالات قاب‌های خمشی نشان داده شده است.

شکل 1- نمونه‌ای از یک ساختمان با سیستم قاب خمشی فولادی

شکل 2- دو نمونه از اتصالات تیر به ستون در قاب خمشی فولادی

مبحث دهم مقررات ملی ساختمان هر یک از قاب‌های خمشی معمولی، متوسط و ویژه را به صورت زیر تعریف کرده است.

2-1) قاب خمشی معمولی Ordinary moment frame (OMF)

این نوع از قاب خمشی کمترین مقاومت را در برابر تغییرمکان جانبی تأمین می‌کند و از آن‌ها انتظار تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی در برابر نیروی جانبی زلزله نمی‌رود. لازم به ذکر است که از این سیستم فقط در مناطقی بدون خطر زلزله و یا خطر نسبی کم می‌توان استفاده کرد. استاندارد ۲۸۰۰، ویرایش چهارم ضریب رفتار اینگونه قاب‌ها را R_u=3.5 در نظر می‌گیرد.

2-2) قاب خمشی متوسط Intermediate moment frame (IMF)

این قاب‌ها از نظر شکل پذیری یک سطح بالاتر از قاب‌های خمشی معمولی هستند و تغییر‌شکل‌های محدودی را در برابر بارهای جانبی دارند. در طراحی این قاب‌‌ها سعی بر آن است که در یک یا دو انتهای تیر، در خارج از محدوده اتصال تیر به ستون، مفصل‌های پلاستیک تشکیل شوند و ظرفیت دورانی آنها به حدی باشد که دوران نظیر تغییر مکان نسبی طبقه حداقل به 02/0 رادیان برسد که حدود 01/0 رادیان آن در ناحیه فرا ارتجاعی باشد. از این سیستم در مناطق با خطر نسبی کم تا متوسط می‌توان استفاده کرد. در اینگونه قاب ها R_u=5 در نظر گرفته می‌شود.

2-3) قاب خمشی ویژه Special moment frame (SMF)

قاب‌های خمشی ویژه تغییر شکل فرا ارتجاعی قابل ملاحظه‌ای را تحمل می‌کنند. در این قاب‌ها سعی می‌شود مفاصل پلاستیکی که در خارج از محدوده اتصال تیر به ستون و در یک یا دو انتهای تیر تشکیل می‌شوند بتوانند متناظر با تغییر مکان جانبی نسبی طبقه به اندازه 04/0 رادیان دوران داشته باشند که حدود 03/0 رادیان آن در ناحیه فرا ارتجاعی باشد. در ناحیه با خطر نسبی زیاد باید از قاب خمشی ویژه استفاده کرد. ضریب رفتار قاب خمشی ویژه R_u=7.5 در نظر گرفته می‌شود.

3) اتصالات تیر به ستون

اتصالات تیر به ستون در قاب‌های خمشی از نوع صلب می‌باشد. هرچند تنوع اتصالات خمشی تیر به ستون بسیار زیاد است، اما در اینجا دو نوع اتصال رایج در سازه‌های فولادی معرفی می‌شود. ازآنجایی‌که عمده لنگر خمشی تیر در بال‌های آن توسعه می‌یابد، برای فراهم نمودن یک اتصال خمشی باید به نحوه مناسبی بال‌های تیر به ستون متصل شوند. اتصال بال‌های تیر به ستون می‌تواند به‌صورت مستقیم و با استفاده از جوش نفوذی و یا به‌صورت غیرمستقیم و توسط ورق‌های فوقانی و تحتانی انجام گیرد که در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 3- اتصالات قاب خمشی فولادی با کمک جوش

شکل 4- اتصالات قاب خمشی فولادی متداول با کمک پیچ

در شکل‌های (۳) و (۴) اجزای تشکیل دهنده‌ی یک اتصال صلب نشان داده شده است که در این جا به تعریف هریک از آن ها می‌پردازیم.

ورق‌های تحتانی و فوقانی: وظیفه‌ی اصلی ورق‌های فوقانی و تحتانی انتقال لنگر خمشی از تیر به ستون است. این انتقال از طریق یک زوج نیروی فشاری و کششی انجام می‌شود. بنابراین این ورق‌ها تحت نیروی کششی و فشاری قرار می‌گیرند که براساس همین نیروها نیز طراحی می‌شوند. لازم به ذکر است که در اتصالات مستقیم تیر به ستون این لنگر خمشی از طریق بال‌های فوقانی و تحتانی به ستون منتقل می‌شود.

ورق (نبشی) جان: در یک اتصال صلب علاوه بر لنگر خمشی میزان قابل توجهی نیروی برشی نیز به وجود می‌آید. انتقال نیروی برشی از تیر به ستون از طریق ورق یا نبشی جان صورت می‌پذیرد.

ورق‌های پیوستگی: همان‌طور که توضیح داده شد در اتصالات قاب خمشی فولادی تیر به ستون، لنگر خمشی اتصال به شکل دو نیروی متمرکز هم‌اندازه و مخالف جهت هم (فشاری و کششی) به وسیله ورق‌های فوقانی و تحتانی (یا بال فوقانی و تحتانی تیر) به ستون منتقل می‌شود که مقدار این نیرو به وسیله رابطه‌ی C= T = M/d محاسبه می‌شود. اندازه‌ی بزرگ این نیروها و طول تماس‌کم (ضخامت ورق یا بال تیر) به ستون موجب بروز پدیده‌هایی از جمله تسلیم موضعی بال ستون، تسلیم موضعی، لهیدگی و کمانش در جان ستون می‌شود. برای جلوگیری از وقوع پدیده‌های ذکر شده باید یک جفت ورق تقویتی در مقابل محل اثر بار متمرکز (ورق‌ها و یا بال فوقانی و تحتانی تیر) در ستون تعبیه کرد که به آن‌ها ورق پیوستگی گفته می‌شود. الزامات مربوط به طراحی ورق‌های پیوستگی در بند ۱۰-۲-۹-۱۰ از مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش چهارم) آورده شده است که در ادامه به طور مفصل بررسی ‌شده است.

چشمه اتصال: چشمه اتصال به ناحیه‌ای از جان ستون گفته می‌شود که بین امتداد ورق‌های فوقانی و تحتانی (و یا بال‌های فوقانی و تحتانی تیر) اتصال تیر به ستون محصور شده باشد. مقدار نیروی برشی در چشمه اتصال برابر است با مجموع نیروی برشی ستون ناشی از بارگذاری سازه و نیروی متمرکز وارد شده به بال ستون از طرف ورق‌های اتصال تیر به ستون. به طور کلی مقدار این نیرو بسیار بزرگ می‌باشد و جان ستون باید قادر به تحمل آن باشد.

ورق مضاعف و سخت‌کننده قطری: در صورتی که جان ستون به تنهایی قادر به تحمل برش چشمه اتصال نباشد باید از ورق‌های مضاعف و یا سخت‌کننده قطری برای تقویت جان می‌توان استفاده کرد. الزامات مربوط به تعبیه این ورق‌های در بند ۱۰-۲-۹-۱۰-۶ مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش چهارم) آورده شده است.

1-3)ضوابط آئین‌نامه‌ای اتصالات تیر به ستونِ قاب خمشی معمولی

در ادامه برای هر سیستم، بندها و ضوابط آئین‌ نامه‌ای مربوط به آن نشان داده خواهد شد و در صورت نیاز توضیحات و شکل‌های تکمیلی، به منظور درک بهتر بند مربوطه آورده خواهند شد.

10-3-7-1 محدودیت تیرها و ستون‌ها

تیرها و ستون‌ها در قاب‌های خمشی معمولی باید دارای شرایط زیر باشند.

الف) مقاطع تیرها و ستون‌ها باید فرشده باشند.

ب) استفاده از ستون‌های با مقطع متشکل از چند نیمرخ بست‌دار مجاز است.

پ) استفاده از تیرهای با جان سوراخ‌دار متوالی (لانه‌زنبوری) به عنوان اعضای باربر جانبی مجاز نیست. در صورت لزوم ایجاد سوراخ دسترسی در جان تیر، این سوراخ باید خارج از ناحیه‌ی حفاظت شده‌ی دو انتهای تیر و در نیمه‌ی میانی طولی دهانه تیر قرار گیرد. اطراف سوراخ باید به نحوی تقویت شود که مقاومت برشی و خمشی تیر به طور کامل فراهم گردد.

ت) در ناحیه‌ی حفاظت‌شده‌ی دو انتهای تیر، ایجاد هرگونه تغییر ناگهانی در پهنای بال یا ضخامت بال مجاز نمی‌باشد. تغییر تدریجی در پهنا یا ضخامت از ورق بزرگ‌تر به ورق کوچک‌تر، باید با شیب حداکثر 1 به 5/2 صورت گیرد.

وقوع کمانش موضعی در اجزای سازه‌ای منجر به نقص در عملکرد لرزهای آن‌ها می‌شود که با اعمال کنترل‌های لازم می‌توان از وقوع آن‌ها پیشگیری نمود. اولین شرط، شرط فشردگی مقطع می‌باشد. طبق بند ۱۰-۲-۲-۲-۲ مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، مقاطع فشرده به مقاطعی گفته می‌شود که در آن‌ها اولاً بال‌ها به‌طور سراسری و پیوسته به جان یا جان‌ها متصل باشند و ثانیاً نسبت اجزای فشاری تشکیل‌دهنده مقطع عضو از مقادیر مشخص‌شده در جداول ۱۰-۲-۲-۳ و ۱۰-۲-۲-۴ تجاوز ننمایند.

در شرط (پ) و (ت) منظور از ناحیه حفاظت شده، ناحیه شکل پذیر عضو می‌باشد. ناحیه حفاظت شده در دو انتهای تیر، فاصله بین بر ستون تا نصف عمق تیر از محل تشکیل مفصل پلاستیک به سمت داخل دهانه در نظر گرفته می‌شود. ناحیه حفاظت شده که انتظار می‌‌رود در آن مفصل پلاستیک تشکیل شود دارای اهمیت بوده و به دلیل رفتار حساس این ناحیه در حرکات رفت و برگشتی سازه در اثر زلزله، لازم است از رخ دادن هر عاملی که ممکن است عملکرد مناسب این ناحیه را مختل کند جلوگیری شود. ناحیه حفاظت شده در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 5- ناحیه حفاظت شده

10-3-7-2 اتصالات تیر به ستون

اتصالات تیر به ستون در قاب‌های خمشی معمولی باید دارای شرایط زیر باشد:

الف) در طراحی اتصالات تیر به ستون و نیز وصله‌ تیرهای این نوع قاب‌های خمشی می‌توان محل تشکیل مفصل پلاستیک را در محل اتصال تیر به ستون در نظر گرفت.

ب) مقاومت خمشی (M_u) مورد نیاز اتصال تیر به ستون باید از رابطه‌ی زیر تعیین شود.

(10-3-7-1) M_u=1/1 = R_Y M_p

که در آن:

R_Y= نسبت تنش تسلیم مورد انتظار به حداقل تنش تسلیم تعیین شده‌ی مصالح تیر مطابق مقادیر جدول 10-3-2-1

M_p= لنگر پلاستیک مقطع تیر در محل اتصال تیر به ستون

پ) مقاومت بر شی مورد نیاز (V_u) اتصال تیر به ستون باید با در نظر گرفتن تعادل استاتیکی بارهای ثقلی ضریب‌داری که با نیروی زلزله ترکیب می‌شوند و برش لرزه‌ای ناشی از M_u=1/1 = R_Y M_p در دو انتهای تیر، تعیین شود.

که در این رابطه R_Y از جدول زیر تعیین می‌شود:

نوع محصول	R_Y
مقاطع لوله‌ای و قوطی شکل نورد شده	25/1
سایر مقاطع نورد شده شامل مقاطع I شکل، H شکل، ناودانی، نبشی و سپری	20/1
مقاطع ساخته شده از ورق‌، ورق‌ها و تسمه‌ها	15/1

جدول 1 مقادیرR_Y برای انواع تولیدات فولاد

اما مقاومت برشی اتصال که در قسمت پ از بند بالا به آن اشاره شده است، شامل دو بخش است: بخش اول نیروی برشی ایجاد شده تحت بارگذاری می‌باشد که آن را V_L می‌نامیم. باید در نظر داشته باشید که باری که روی تیر در نظر می‌گیریم ترکیب بار مرده و زنده ضریب‌‌دار می‌باشد که ضرایب آن‌ها مربوط به ترکیب‌ بارهایی می‌باشد که شامل نیروی زلزله هستند.

به عنوان مثال طبق بند ۶-۲-۳-۳ مبحث ششم مقررات ملی ساختمان(1398)،1.2D+1.0E+L+0.2Sیکی از ترکیب بارهایی است که شامل نیروی زلزله است. برای به دست آوردن برش اتصال نظیر این ترکیب بار، مجموع بار مرده با ضریب 2/1 و با زنده با ضریب ۱ را در نظر می‌گیریم. برای محاسبه بخش دوم مقاومت برشی فقط به دو انتهای تیر لنگر M_pr را وارد کرده و برش نظیر ایجاد شده در اتصال را به دست می‌آوریم. در شکل زیر نمودار آزاد تیر، نشان داده شده است.

شکل 6- نمودار آزاد تیر باربر جانبی

2-3)ضوابط آئین‌نامه‌ای اتصالات تیر به ستون قاب خمشی متوسط

در طراحی اعضا و اتصالات این نوع قاب‌ها الزامات سخت‌‌گیرانه‌‌تری نسب به قاب‌‌های خمشی معمولی منظور می‌شود. به همین منظور در طراحی اعضا و اتصالات این نوع قاب‌‌ها علاوه بر الزامات متعارف فصل‌های۱۰-۱ (الزامات عمومی) و ۱۰-۲ (الزامات طراحی) مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و نیز الزامات لرزه‌ای بخش‌های ۱۰-۳-۲ الی ۱۰-۳-۶، باید الزامات تکمیلی زیر نیز رعایت شوند.

10-3-8-1 محدودیت تیرها و ستون‌ها

تیرها و ستون‌ها در قاب‌های خمشی متوسط باید دارای شرایط زیر باشند.

الف) مقاطع تیرها و ستون‌ها باید از نوع فشرده‌ی لرزه‌ای با محدودیت حداکثر نسبت پهنا به ضخامت برابر مطابق مقادیر جدول 10-3-4-1 باشند.

ب) استفاده از ستون‌های با مقطع متشکل از چند نیمرخ بست‌دار مجاز است، مشروط بر آنکه خمش در ستون حول محور با مصالح باشد.

پ) استفاده از تیرهای با جان سوراخ‌دار متوالی (لانه‌زنبوری) به عنوان اعضای باربر جانبی مجاز نیست. در صورت لزوم ایجاد سوراخ دسترسی در جان تیر، این سوراخ باید خارج از ناحیه حفاظت شده دو انتهای تیر و در نیمه‌ی میانی طولی دهانه تیر قرار گیرد. اطراف سوراخ باید به نحوی تقویت شود که مقاومت برشی و خمشی تیر به طور کامل فراهم گردد.

ت) در ناحیه‌ی حفاظت شده دو انتهای تیر، ایجاد هر گونه تغییر ناگهانی در پهنای بال یا ضخامت بال مجاز نمی‌باشد. تغییر تدریجی در پهنا یا ضخامت از ورق بزرگ‌تر به ورق کوچک‌تر، باید با شیب حداکثر 1 به 5/2 صورت گیرد.

در شرط الف معیار دیگری برای مقاطع تیر‌ها و ستون‌ها عنوان شده است. مسلماً در سازه‌های با شکل‌پذیری زیاد و متوسط که از آن‌ها انتظار تحمل تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی قابل ملاحظه می‌رود، برای مقاطع اعضا ضوابط سخت‌گیرانه‌تری در رابطه با کمانش موضعی بال‌ها و جان‌ اعمال می‌شود. در نتیجه برای نسبت پهنا یا ارتفاع به ضخامت اجزا، در اعضای تحت فشار، (یا تحت فشار و خمش) رعایت اعداد کوچکتری مقرر می‌گردد. در این‌گونه سیستم‌های سازه‌ای تعریف جدیدی از مقطع فشرده، جانشین تعریف قبلی می‌‌گردد که به آن مقطع فشرده لرزه‌‌ای گفته می‌شود.

تفاوت دیگری که قاب‌های خمشی متوسط با معمولی دارند در استفاده از نیمرخ‌‌های بست‌‌دار می‌ باشد که فقط در حالتی مجاز است، که خمش در ستون حول محور با مصالح باشد. محور با مصالح به محوری گفته می‌شود که امتداد آن موازی با صفحه‌ی بست‌ها می‌باشد. در شکل زیر محور با مصالح نشان داده شده است بقیه شرایط تیر و ستون‌‌ها مشابه قاب خمشی معمولی است.

10-3-8-2 مقاومت‌های مورد نیاز و طراحی مقطع تیر

(1) به جز در طراحی تیرهای با اتصالات تیر با مقطع کاهش یافته، در طراحی مقطع تیرها برای خمش، رعایت ضابطه‌ی تکمیلی خاصی الزامی نیست. در تیرهای با اتصالات تیر با مقطع کاهش‌یافته، در دو انتهای تیر، مقاومت خمشی مورد نیاز تیر باید با در نظر گرفتن تعادل استاتیکی بارهای ثقلی ضریبداری که با نیروی زلزله ترکیب می‌شوند واثرات لرزه‌ای ناشی از لنگر خمشیM_pr=C_pr= R_Y M_pدر محل‌های تشکیل مفصل پلاستیک، تعیین شود. در این حالت در دو انتهای تیر، مقاومت خمشی طراحی تیر را می‌توان برابر R_Y M_poدر نظر گرفت.

(2) در دو انتهای تیر، مقاومت برشی مورد نیاز تیرها باید با در نظر گرفتن تعادل استاتیکی بارهای ثقلی ضریب‌داری که با نیروی زلزله ترکیب می‌شوند و اثرات لرزه‌ای ناشی از لنگر خمشیM_pr=C_pr= R_Y M_pدر محل تشکیل مفصل پلاستیک، تعیین شود. مقاومت برشی طراحی تیرها باید بر اساس الزامات فصل 10-2 تعیین شود.

در روابط فوق:

R_Y= نسبت تنش تسلیم مورد انتظار به حداقل تنش تسلیم تعیین شده‌ی مصالح تیر

M_p= لنگر پلاستیک مقطع تیر در محل تشکیل مفصل پلاستیک

M_pr= لنگر پلاستیک مقطع تیرهای با مقطع کاهش‌یافته در ابتدا و انتهای تیر

C_pr= ضریبی است که دربرگیرنده‌ی آثار عواملی از قبیل سخت‌شدگی، قیدهای موضعی و ملحقات موجود در اتصال تیر به ستون است و برای محاسبه‌ی حداکثر نیروی ایجاد شده در اعضا و وسایل اتصال به کار گرفته می‌شود. به جز در موردی که در بخش 10-3-13-6 برایC_prعدد خاصی پیش‌بینی شده است، مقدار آن باید از رابطه‌ی زیر تعیین شود.

(10-3-8-1)

که در آن:

F_y= تنش تسلیم فولاد تیر

F_u= تنش کششی نهایی فولاد تیر

10-3-8-3 اتصال تیر به ستون

کلیه‌ی اتصالات تیر به ستون در قاب‌های خمشی متوسط که نیروهای جانبی لرزه‌ای را تحمل می‌کنند، باید دارای شرایط زیر باشند.

الف) اتصالات خمشی تیر به ستون باید توانایی تحمل تغییر شکل‌های دورانی حداقل به میزان 02/0 رادیان را بدون کاهش قابل توجه در مقاومت خود دارا باشند. برای احراز این شرط لازم است اتصالات خمشی به کار رفته در قاب‌های خمشی متوسط از طریق آزمایشات توصیه شده توسط مراجع معتبر تأیید شوند. در صورت عدم دسترسی به آزمایشات فوق استفاده از اتصالات از پیش تأیید شده‌ی ارائه شده در بخش 10-3-13 بلامانع می‌باشد.

ب) اتصال تیر به ستون باید به گونه‌ای طراحی شود که شرایط ایجاد مفصل پلاستیک را در داخل تیر فراهم نماید. انجام این امر می‌تواند از طریق ضعیف کردن مقطع تیر در فاصله‌ای محدود از بر ستون صورت گیرد. روش‌های دیگر برای دستیابی به منظور فوق در اتصالات از پیش تأیید شده بخش 10-3-13 ارائه شده است.

پ) مقاومت خمشی مورد نیاز(M_u)و مقاومت برشی مورد نیاز (V_u) اتصال باید با در نظر گرفتن تعادل استاتیکی بارهای ثقلی ضریبداری که با نیروی زلزله ترکیب می‌شوند و اثرات لرزه‌ای ناشی از لنگر خمشی M_pr=C_prR_y M_pدر محل‌های تشکیل مفصل پلاستیک، تعیین شوند. (شکل 10-3-8-1) که در آن M_p، R_y وC_prمطابق تعاریف بند 10-3-8-2 می‌باشد.

همان‌طور که در تعریف قاب خمشی فولادی متوسط گفته شد اتصالات این قاب‌ها باید بتوانند دوران حداقل 02/0 رادیان را بدون کاهش قابل ملاحظه مقاومت داشته باشند و شرط الف هم به این موضوع پرداخته است. به دو طریق می توان از کفایت اتصالات اطمینان حاصل کرد. یکی از طریق انجام آزمایشات تایید شده توسط مراجع معتبر بر روی اتصالات و یا استفاده از اتصالات از پیش تایید شده که در جدول زیر آمده است استفاده کرد.

جدول 2- انواع اتصالات گیردار از پیش تعیین‌شده

در قسمت (ب) از بند 10-3-8-3، گفته شده که اتصال تیر به ستون باید به گونه‌ای طراحی شود که مفصل پلاستیک در داخل تیر تشکیل شود این در حالیست که در قاب خمشی معمولی مفصل پلاستیک، در محل اتصال تیر به ستون بود. برای اینکه مفصل پلاستیک در داخل تیر تشکیل شود یکی از راه‌ها ضعیف کردن مقطع تیر در فاصله‌ای از بر تیر می‌باشد ولی با به کار بردن اتصالات از پیش تأیید شده که در جدول بالا آمده است نیز می‌توان مفصل پلاستیک را در فاصله‌ای از برِ اتصال ایجاد کرد.

قسمت (پ) مربوط به مقاومت خمشی و برشی مورد نیاز اتصال می باشد که در شکل زیر چگونگی روال تعیین آن نشان داده شده است. شکل زیر نمودار آزاد قسمت میانی تیر با طول L_h و ناحیه ایجاد مفصل پلاستیک تا بر ستون را نشان می‌دهد.

در شکل فوق،V_prشامل دو بخش ناشی از لنگرهای M_pr و بارهای ثقلی است. با اعمال معادله تعادل لنگر در این شکل V_pr به صورت زیرتعیین می شود:

با استفاده از معادلات تعادل نیرو و لنگر در شکل (۸)، V_u و M_u به ترتیب برش و لنگر طراحی اتصال به صورت زیر به دست می‌آیند:

بنابراین اتصال تیر به ستون در قاب خمشی فولادی متوسط باید برای نیروهای بالا طراحی شود.

در ابتدای این مقاله توضیح داده شد که در صورتی که جان ستون قادر به تحمل نیروی برشی موجود در چشمه اتصال نباشد باید از ورق‌های تقویتی (ورق های مضاعف) برای افزایش مقاومت برشی جان ستون استفاده کرد. الزامات عمومی مربوط به طراحی ورق های مضاعف در بند ۱۰-۲-۹-۱۰-۶ آئین‌ نامه آورده شده است. در بند زیر آئین‌نامه، الزاماتی اضافی را برای ورق های مضاعف وضع کرده است که به شرح زیر می‌باشند:

10-3-8-4 ورق‌های تقویتی چشمه‌ی اتصال (ورق‌های مضاعف)

در صورت نیاز به تعبیه‌ی ورق‌های تقویتی چشمه‌ی اتصال (ورق‌های مضاعف) در محل اتصال تیر به ستون، ورق‌های مضاعف علاوه بر تأمین الزامات بخش 10-2-9-10 باید دارای شرایط زیر نیز باشند.

الف) اتصال ورق‌های مضاعف به بال ستون می‌تواند از نوع جوش شیاری با نفوذ کامل با جوش گوشه باشد.

ب) ورق‌های مضاعف باید به صورت متقارن و در ستون‌هایH شکل باید در دو طرف جان و در ستون‌های قوطی شکل در دو وجه ستون به کار برده شوند.

پ) در مواردی که نیاز به تعبیه‌ی سخت‌کننده‌های عرضی (ورق‌های پیوستگی) نباشد، بالا و پایین ورق‌های مضاعف باید حداقل 150 میلی‌متر از بال فوقانی و تحتانی تیر فاصله داشته باشند.

ت) در صورت وجود ورق‌های پیوستگی، ورق‌های مضاعف می‌توانند در محل ورق‌های پیوستگی قطع شده و از طریق جوش شیاری با نفوذ کامل یا جوش گوشه به ورق‌های پیوستگی جوش شوند.

ث) در مواردی که ورق‌های مضاعف از جان ستون فاصله داشته باشند، این ورق‌ها باید به صورت متقارن و در یک سوم میانی فاصله‌ی بین مرکز صفحه جان ستون و نوک بال تیر تعبیه شود.

همان‌طور که می‌دانید برای جلوگیری از تسلیم موضعی جان ستون در اثر نیروی فشاری و خمش بال ستون در برابر نیروی کششی لازم است از ورق‌های پیوستگی استفاده شود. ورق‌های پیوستگی در داخل ستون و در مقابل بال‌های تیر یا ورق‌های فوقانی و تحتانی اتصال تیر به ستون قرار می‌گیرند.

این ورق‌ها علاوه بر جلوگیری از تسلیم موضعی جان، در مقابل نیروی متمرکز کششی و فشاری (بند ۱۰-۲-۹-۱۰-۲)، لهیدگی موضعی جان در مقابل نیروی فشاری (بند ۱۰-۲-۹-۱۰-۳)، کمانش فشاری جان (بند ۱۰-۲-۹-۱۰-۴) و خمش موضعی بال (بند ۱۰-۲-۹-۱۰-۱) باید دارای شرایط زیر نیز باشند.

10-3-8-5 ورق‌های پیوستگی

ورق‌های پیوستگی (سخت‌کننده‌های عرضی) در مقابل بال‌های تیر یا ورق‌های پوششی اتصال بال بالایی و پایینی تیرهای متصل شونده به ستون علاوه بر تأمین الزامات بخش 10-2-9-10 باید دارای شرایط زیر نیز باشند.

الف) در ستون‌هایH شکل که در آن‌ها اتصال گیردار از طریق بال مقطع H شکل صورت می‌گیرد. در صورت که ضخامت بال ستون بزرگتر از مقادیر تعیین شده توسط روابط 10-3-8-2 و 10-3-8-3 باشد، تعبیه‌ی ورق‌های پیوستگی در چشمه‌ی اتصال الزامی نیست. در غیر این‌صورت تعبیه‌ی یک جفت سخت‌کننده (ورق‌های پیوستگی) در داخل ستون و با رعایت شرایط (پ) تا (ح) همین بند الزامی است.

(10-3-8-2)

(10-3-8-3)

ب) در ستون‌های قوطی شکل ساخته شده از مقاطع شکل که در آن‌ها اتصال گیردار از طریق بال مقطع شکل صورت می‌گیرد، در صورتی که ضخامت بال ستون بزرگ‌تر از مقادیر تعیین شده توسط روابط 10-3-8-4 و 10-3-8-5 باشد، تعبیه‌ی ورق‌های پیوستگی در چشمه اتصال الزامی نیست. در غیر این صورت تعبیه‌ی یک جفت سخت‌کننده (ورق‌های پیوستگی) در داخل ستون و با رعایت شرایط (پ) تا (ح) همین بند الزامی است.

(10-3-8-4)

(10-3-8-5)

در روابط فوق:

F_yb= حداقل تنش تسلیم مصالح بال تیر

F_yc= حداقل تنش تسلیم مصالح بال ستون

R_yb= نسبت تنش تسلیم مورد انتظار به حداقل تنش تسلیم تعیین شده‌ی مصالح تیر مطابق مقادیر جدول 10-3-2-1

R_yc= نسبت تنش تسلیم مورد انتظار به حداقل تنش تسلیم تعیین شده مصالح ستون مطابق مقادیر جدول 10-3-2-1

b_br= پهنای بال تیر

t_br= ضخامت بال تیر

t_cr= ضخامت بال ستون

پ) طول ورق‌های پیوستگی باید برابر با فاصله‌ی خالص دو بال ستون باشد.

ت) پهنای ورق‌های پیوستگی در ستون‌های با مقطع قوطی شکل باید برابر فاصله‌ی خالص دو جان مقطع ستون بوده و در ستون‌های با مقطعH شکل مجموع پهنای ورق‌های پیوستگی در هر طرف جان مقطع ستون نباید از پهنای بال تیر یا پهنای ورق پوششی اتصال کمتر باشد.

ث) ضخامت ورق‌های پیوستگی نباید از نصف ضخامت بال تیر یا ضخامت ورق‌های پوششی اتصال (ورق‌های روسری و زیر سری) در اتصالات گیرداری که در امتداد مورد نظر فقط به یک وجه ستون متصل هستند و از ضخامت بال تیر با ضخامت ورق‌های پوششی اتصال (ورق‌هایی روسری و زیر سری) در اتصالات گیرداری که در امتداد مورد نظر به هر دو وجه ستون متصل هستند، کمتر در نظر گرفته شود.

پ) طول ورق‌های پیوستگی باید برابر با فاصله‌ی خالص دو بال ستون باشد.

ث) ضخامت ورق‌های پیوستگی نباید از نصف ضخامت بال تیر یا ضخامت ورق‌های پوششی اتصال (ورق‌های روسری و زیرسری) در اتصالات گیرداری که در امتداد مورد نظر فقط به یک وجه ستون متصل هستند و از ضخامت بال تیر یا ضخامت ورق‌های پوششی اتصال (ورق‌های روسری و زیرسری) در اتصالات گیرداری که در امتداد مورد نظر به هر دو وجه ستون متصل هستند، کمتر در نظر گرفته شود.

ج) جوش ورق‌های پیوستگی به بال ستون باید از نوع جوش شیاری با نفوذ کامل باشد. در صورتی که ضخامت ورق پیوستگی کوچک‌تر یا مساوی 10 میلی‌متر باشد، استفاده از جوش گوشه‌ی دو طرفه نیز مجاز است.

چ) جوش ورق‌های پیوستگی به جان ستون باید از نوع جوش شیاری با نفوذ کامل یا جوش گوشه در دو طرفه باشد.

ح) نسبت پهنا به ضخامت در ورق‌های پیوستگی با یک لبه‌ متکی، نظیر ورق‌های پیوستگی ستون‌هایH شکل، نباید از و در ورق‌های پیوستگی با دو لبه‌ی متکی، نظیر ورق‌های پیوستگی ستون‌های با مقطع قوطی شکل، نباید از کوچک‌تر باشد. در این روابط E مدول الاستیسیته فولاد و F_y تنش تسلیم فولاد ورق پیوستگی می‌باشد.

در شکل زیر چشمه اتصال همراه ورق پیوستگی را مشاهده می‌کنید.

شکل 8- چشمه اتصال به همراه ورق پیوستگی

3-3) ضوابط آئین‌نامه‌ای اتصالات تیر به ستون قاب خمشی ویژه

آئین‌نامه برای طراحی اعضا و اتصالات این نوع قاب‌ها الزامات تکمیلی سخت‌گیرانه‌تری نسبت به قاب‌های خمشی متوسط در نظر گرفته است. به همین منظور در طراحی اعضا و اتصالات قاب خمشی ویژه علاوه بر الزامات متعارف فصل‌‌های ۱۰-۱(الزامات عمومی) و ۱۰-۲ (الزامات طراحی) مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و نیز الزامات لرزه‌ای بخش‌های ۱۰-۳-۲ الی ۱۰-۳-۶، باید الزامات تکمیلی زیر نیز رعایت شوند.

10-3-9-1 محدودیت تیرها و ستون‌ها

تیرها و ستون‌ها در قاب‌های خمشی ویژه باید دارای شرایط زیر باشند.

الف) مقاطع تیرها و ستون‌ها باید از نوع فشرده‌ی لرزه‌ای با محدودیت حداکثر نسبت پهنا به ضخامت برابر λ_hd مطابق مقادیر جدول 10-3-4-1 باشند.

ب) در ستون‌ها استفاده از مقطع متشکل از چند نیمرخ بست‌دار مجاز نیست. اجزای مقطع ستون باید در تمامی طول آن به صورت پیوسته به یکدیگر متصل شوند.

پ) استفاده از تیرهای با جان سوراخ‌دار متوالی (لانه زنبوری) به عنوان اعضای باربر جانبی مجاز نیست. در صورت لزوم ایجاد سوراخ دسترسی در جان تیر، این سوراخ باید خارج از ناحیه‌ی حفاظت شده دو انتهای تیر و در نیمه‌ی میانی طولی دهانه تیر قرار گیرد. اطراف سوراخ باید به نحوی تقویت شود که مقاومت برشی و خمشی تیر به طور کامل فراهم گردد.

ت) در ناحیه حفاظت‌شده دو انتهای تیر، ایجاد هر گونه تغییر ناگهانی در پهنای بال یا ضخامت بال مجاز نمی‌باشد. تغییر تدریجی در پهنا یا ضخامت از ورق بزرگ‌تر به ورق کوچک‌تر، باید با شیب حداکثر 1 به 2/5 انجام پذیرد.

محدودیت تیر‌ها و ستون‌ها برای قاب خمشی ویژه فولادی در همه موارد به جز مورد (الف) مشابه قاب خمشی متوسط فولادی می‌باشد. همان‌طور که در قسمت (الف) مشاهده می شود، حداکثر نسبت پهنا به ضخامت مقاطع باید با مقدار λ_hdکه در جدول ۱۰-۳-۴-۱ مبحث دهم مقررات ملی ساختمان آمده است مقایسه شود.

یکی از موارد مهم در رابطه با قاب‌های خمشی ویژه فولادی، کنترل نسبت مجموع مقاومت خمشی تیرها و ستون‌های وارد شده به یک گره می‌باشد. از آن جا که ستون‌ها نقش به مراتب مهم‌تری در حفظ پایداری کل سازه دارند می‌توان نتیجه گرفت که مجموع مقاومت خمشی ستون‌های وارد شده به یک گره باید از مجموع مقاومت خمشی تیرهای وارد شده به آن گره بیشتر باشد.

بند ۱۰-۳-۹-۲ شرط ستون قوی- تیر ضعیف را برای قاب خمشی ویژه فولادی کنترل می‌کند که به صورت زیر بیان می‌شود. هدف آئین‌نامه از بند مذکور این است که ستون‌های یک سازه دیرتر از تیرها دچار خرابی شوند.

10-3-9-2 نسبت لنگر خمشی ستون به لنگر خمشی تیر

در کلیه‌ی گره‌های اتصالات خمشی به ستون باید به طور مجزا در امتداد هر یک از محورهای اصلی مقطع ستون رابطه‌ی زیر برآورده گردد.

(10-3-9-1)

که در آن:

M⁰_pc∑= مجموع لنگرهای خمشی ستون‌های بالا و پایین گره اتصال در امتداد مورد نظر مطابق با رابطه‌ی زیر:

(10-3-9-2)

M⁰_bp∑= مجموع تصاویر لنگرهای خمشی تیرها در گره اتصال نسبت به راستای مورد نظر. این لنگرهای خمشی باید با در نظر گرفتن تعادل استاتیکی بارهای ثقلی ضریبداری که با نیروی زلزله ترکیب می‌شوند واثرات لرزه‌ای ناشی از لنگر خمشی M_pr =C_pr R_yb M_bp در محل تشکیل مفصل پلاستیک نسبت به محور ستون تعیین شوند (شکل 10-3-8-1).

در روابط فوق:

Z_c = اساس مقطع پلاستیک ستون

A_g= سطح مقطع ستون

F_y= تنش تسلیم فولاد ستون

P_uc= مقاومت فشاری مورد نیاز ستون حاصل از ترکیبات بار زلزله‌ی تشدید یافته

M_pr= لنگر خمشی پلاستیک تیر در محل تشکیل مفصل پلاستیک

R_yb= نسبت تنش تسلیم مورد انتظار به حداقل تنش تسلیم تعیین شده‌ی مصالح تیر مطابق مقادیر جدول 10-3-2-1

C_pr= مطابق تعیرف بند 10-3-5-4

تبصره: در صورتی‌که یکی از حالت‌های زیر برقرار باشد، رعایت رابطه‌ی 10-3-9-1 در گره‌ی فوقانی ستون الزامی نیست.

1- ستون‌هایی که در کلیه‌ی ترکیبات بار متعارف دارای (که در آن P_uc مقاومت فشاری مورد نیاز،P_c=F_yc A_g، تنش تسلیم فولاد ستون و A_g سطح مقطع ستون است) بوده و دارای شرایط زیر باشند.

الف) ستون‌های ساختمان‌های یک‌طبقه و ستون‌های طبقه آخر ساختمان‌های چند طبقه

ب) تعدادی از ستون‌های هر طبقه که مجموع مقاومت برشی طراحی آن‌ها کمتر از 20 درصد کل مقاومت برشی طراحی ستون‌های آن طبقه و مجموع مقاومت برشی طراحی آن‌هایی که بر روی یک محور قرار دارند کمتر از 33 درصد کل مقاومت برشی طراحی آن محور باشد. در این بند محور ستون به محور یا محورهای موازی اطلاق می‌شود که در فاصله‌ی کمتر از 10 درصد بعد پلان طبقه، در جهت عمود بر محور، از یکدیگر قرار گرفته باشند.

2- ستون‌های طبقه‌ای که در آن نسبت مجموع مقاومت برشی طراحی ستون‌های به مجموع مقاومت برشی مورد نیاز ستون‌های در آن طبقه 50 درصد بیشتر از این نسبت در طبقه‌ی فوقانی آن باشد.

در ادامه سایر بندهای آئین‌نامه در رابطه با قاب‌های خمشی ویژه فولادی آورده می‌شود. از آن جا موارد ذکر شده در این بندها مشابه با بندهای مربوطه در قاب‌های خمشی متوسط فولادی می‌باشد از دادن توضیحات تکمیلی صرف نظر می‌کنیم.

10-3-9-3 مقاومت‌های مورد نیاز و طراحی مقطع تیر

مقاومت‌های مورد نیاز و طراحی مقطع تیر در قاب‌های خمشی ویژه عیناً مشابه مقاومت‌های مورد نیاز و طراحی مقطع تیر در قاب‌های خمشی متوسط می‌باشد.

10-3-9-4 اتصال تیر به ستون

کلیه اتصالات تیر به ستون در قاب‌های خمشی ویژه که نیروهای جانبی لرزه‌ای را تحمل می‌کنند، باید دارای شرایط زیر باشند.

الف) اتصالات خمشی تیر به ستون با ید توانایی تحمل تغییر شکل‌های دورانی حداقل به میزان 0/04 رادیان را بدون کاهش قابل توجه در مقاومت خود دارا باشند. برای احراز این شرط لازم است اتصالات خمشی به کار رفته در قاب‌های خمشی ویژه از طریق آزمایشات توصیه شده توسط مراجع معتبر تأیید شوند. در صورت عدم دسترسی به آزمایشات فوق استفاده از اتصالات از پیش تأیید شده ارائه شده در بخش 10-3-13 بلامانع می‌باشد.

پ) در قاب‌های خمشی ویژه مقاومت خمشی مورد نیاز و مقاومت برشی مورد نیاز اتصال باید عیناً مشابه مقاومت‌های مورد نیاز اتصال تیر به ستون در قاب‌های خمشی متوسط در نظر گرفته شود.

10-3-9-5 ورق‌های تقویتی چشمه‌ی اتصال (ورق‌های مضاعف)

الزامات تکمیلی طراحی لرزه‌ای ورق‌های تقویتی چشمه‌ی اتصال (ورق‌های مضاعف) در قاب‌های خمشی ویژه عیناً مشابه الزامات تکمیلی طراحی لرزه‌ای ورق‌های تقویتی چشمه‌ی اتصال(ورق‌های مضاعف) در قاب‌های خمشی متوسط می‌باشد.

10-3-9-6 ورق‌های پیوستگی

الزامات تکمیلی طراحی لرزه‌ای ورق‌های پیوستگی در قاب‌های خمشی ویژه عیناً مشابه الزامات تکمیلی طراحی لرزه‌ای ورق‌های پیوستگی در قاب‌های خمشی متوط می‌باشد.

یکی از نکات مهمی که نیاز به استفاده از ورق‌های پیوستگی را تعیین می‌کند، وقوع انواع کمانش موضعی در محل بار متمرکز است. در ادامه با الزامات ویژه لرزه‌ای آشنا خواهید شد.

4) الزامات ویژه‌ی بال و جان اعضای تحت بار متمرکز

یکی از مواردی که ممکن است موجب ایجاد کمانش و ناپایداری موضعی در اعضای سازه‌ای گردد، اعمال نیروهای متمرکز (نقطه‌ای) روی سطح کوچکی از بال یا جان این اعضا است که در صورت لاغری آن مقطع (ضخامت کم ورق بال یا جان) منجر به وقوع پدیده‌های ناپایداری موضعی می‌گردد. در ادامه با انواع حالت‌های محتمل این ضعف در سازه آشنا می‌شویم.

شکل 9- انواع ضعف و ناپایداری‌های موضعی

10-2-9-10 الزامات ویژه‌ی بال‌ها و جان مقاطع اعضای تحت اثر بارهای متمرکز

الزامات این بند مربوط است به بررسی جان و بال (یا بال‌های) مقاطع اعضایی که به یک یا هر دو بال آن‌ها نیروهای متمرکز در امتداد عمود بر صفحه‌ی بال و به طور متقارن نسبت به جان اثر می‌کند.

نیروهای متمرکز می‌توانند به صورت تک یا زوج نیرو باشند. نیروی متمرکز تکی به صورت فشاری یا کششی، و زوج نیرو یکی کششی و دیگری فشاری بوده و ایجاد لنگر در عضو می‌نماید.

بال (یا بال‌ها) و جان اعضایی که تحت اثر بار متمرکز بر بال قرار می‌”یرند، باید دارای مقاومت طراحی کافی چهت اقناع معیارهای زیر باشند.

خمش موضعی بال در مقابل نیروهای متمرکز کششی (مطابق بند 10-2-9-10-1)
تسلیم موضعی جان در مقابل نیروی متمرکز کششی و فشاری (مطابق بند 10-2-9-10-2)
لهیدگی جان در مقابل نیروی متمرکز فشاری (مطابق بند 10-2-9-10-3)
کمانش جانبی جان در مقابل نیروی متمرکز فشاری (مطابق بند 10-2-9-10-4)
کمانش فشاری جان در مقابل یک جفت نیروی متمرکز متقابل فشاری، که به هر دو بال عضو اثر می‌کند (مطابق بند 10-2-9-10-5)
برش در چشمه‌ی اتصال (مطابق بند 10-2-9-10-6)

علاوه بر معیارهای فوق، رعای مقررات تکمیلی برای سخت‌کننده‌ها در مقابل نیروی متمرکز (مطابق بند 10-2-9-10-7)، مقررات تکمیلی برای ورق‌های تقویتی جان (ورق مضاعف) در مقابل نیروهای متمرکز (مطابق بند 10-2-9-10-8) و الزامات پایداری ورق‌های چشمه اتصال (مطابق بند 10-2-9-10-9) الزامی است.

4-1) خمش موضعی بال در مقابل نیروی متمرکز کششی

این پدیده در بال ستون‌هایی که با اتصالات گیردار به تیر متصل شده‌اند، محتمل است. هنگامی‌که لنگر خمشی انتهای تیر به ستون منتقل می‌شود، به‌صورت زوج نیروی کششی و فشاری با فاصله‌ای معادل ارتفاع مقطع تیر به ستون اثر می‌نماید. در این حالت، اگر ضخامت بال ستون کافی نباشد، تحت اثر نیروی کششی دچار انحنا شده و اصطلاحاً خم می‌شود. این خمش باعث کنده‌شدن اتصال جوشی می‌شود که بسیار خطرناک و نامطلوب است.

10-2-9-10-1 خمش موضعی بال در مقابل نیروی متمرکز کششی

الزامات این بند برای هر دو حالت نیروی کششی متمرکز تکی و مؤلفه کششی زوج نیروی مترکز کاربرد دارد. (شکل 10-2-9-16)

هرگونه تغییر شکل ناخواسته موجب کاهش عملکرد لرزه‌ای عضو سازه‌ای مهمی مانند ستون می‌شود.

چطور می‌توان از بروز پدیده‌ی خمش موضعی پیشگیری نمود؟

برای درک این موضوع باید عوامل مؤثر بر اتصال را تجزیه‌وتحلیل کنیم تا به کمک تقویت آن‌ها، مانع بروز این خمش ناخواسته شویم. همان‌طور که در شکل زیر ملاحظه می‌نمایید، بال کششی تیر و بال ستون در این اتصال، درگیر هستند. حال فرض کنید که عرض بال تیر در مقایسه با عرض بال ستون، ناچیز باشد، این بدین معناست که نیروی کششی که به ستون منتقل می‌کند، ناچیز است و قدرت خم کردن بال ستون را ندارد و مستقیماً به جان ستون منتقل می‌شود.

شکل 10- بال ستون تحت اثر کشش ناشی از لنگر خمشی انقالی از تیر

مبحث دهم مقررات ملی ساختمان نیز با توجه به این موضوع، تنها کنترل خمش موضعی بال ستون‌هایی را الزام نموده است که به تیرهایی با عرض قابل‌ملاحظه (بزرگ‌تر یا مساوی 15% عرض بال ستون) متصل باشند.

از طرف دیگر، اگر اتصال خمشی متعلق به ستون طبقه‌ی آخر باشد (فاصله‌ی نیروی متمرکز کششی از انتهای ستون، کمتر از 10 برابر ضخامت بال ستون باشد)، به دلیل اینکه امکان خم شدن موضعی بال ستون کاهش می‌یابد، یک تخفیف 50% در تعیین مقاومت طراحی خمش موضعی بال ستون، در نظر گرفته ‌شده است.

در صورتی که طول بارگزاری شده در امتداد پهنای بالb₁، کوچکتر از0/15P_f باشد، بررسی رابطه 10-2-9-23 الزامی نیست.
در صورتی‌که نیروی کششی در فاصله‌ای کمتر از 10t_fانتهای عضو اثر نماید e< 0/15P_f، مقدار R_nحاصل از رابطه‌ی باید 50 درصد کاهش یابد.

مقاومت طراحی خمشی موضعی بال در مقابل نیروی متمرکز کششی مساوی φR_a می‌باشد که در آنφ ضریب کاهش مقاومت برابر 0/9 و R_a مقاومت اسمی طبق رابطه‌ی زیر می‌باشد.

(10-2-9- 23)

در مواردی که مشمول این کنترل هستند، برای تعیین کفایت ضخامت بال ستون رابطه‌ی زیر باید برقرار باشد:

T_u≤ φR_n

تبصره: در صورتی که مقاومت مورد نیاز (T_u) از مقاومت طراحی( φR_n)بیشتر باشد، تعبیه یک جفت سخت‌کننده دارای مقاومتی حداقل برابر با اختلاف مقاومت مورد نیاز و مقاومت طراحی در محل بارهای متمرکز ضروری می‌باشد. سخت‌کننده‌های مورد نیاز باید الزامات بند 10-2-9-10-7 را تأمین نمایند.

4-2) تسلیم موضعی جان در مقابل نیروی متمرکز کششی و فشاری

یکی دیگر از نقص‌هایی که ممکن است به‌صورت موضعی در اعضای سازه‌ای (تیر یا ستون) تحت بار متمرکز (کششی یا فشاری تکی یا زوج نیروی کششی و فشاری) رخ دهد، تسلیم موضعی جان است. درصورتی‌که ضخامت(t_w) یا تنش تسلیم جان(F_yw)، کم باشد یا بار متمرکز در طول کوچکی(l_b) اعمال شود، جان عضو در محدوده‌ی نزدیک به بار متمرکز، دچار تسلیم موضعی می‌شود و ظاهری متورم پیدا می‌کند. راه‌حل پیشگیری از این پدیده، رعایت ضوابط بند 10-2-9-10-2 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان است.

10-2-9-10-2 تسلیم موضعی جان در مقابل نیروی متمرکز کششی و فشاری

الزامات این بند برای نیروی کششی متمرکز تکی، نیروی فشاری متمرکز تکی و هر دو مؤلفه‌ی فشاری و کششی زوج نیروی متمرکز کاربرد دارد (شکل 10-2-9-17)

شکل 10-2-9-17 تسلیم موضعی جان در مقابل نیروی متمرکز کششی و فشاری

مطابق شکل فوق، طول تأثیر بار متمرکز(lb)در مورد ستون، برابر با ضخامت بال تیر است؛ اما برای تیر، طول قسمت نشیمن بار متمرکزی است که در راستای جان تیر اعمال می‌شود. این حالت در مواقعی که از اتصال ساده‌ی تیر با نبشی نشیمن استفاده شود یا در مواقعی که به‌صورت غیراصولی، ستونی را روی تیر طبقه اجرا نمایند، رخ می‌دهد که بسیار خطرناک است.

کنترلی که طراح سازه باید انجام دهد، بستگی به فاصله‌ی محل اعمال بار متمرکز از انتهای عضو موردنظر دارد. به‌ طورکلی دو حالت زیر، محتمل است:

1- وقتی بار متمرکز، تقریباً در میانه‌ی عضو (تیر یا ستون) وارد شود.

2- وقتی بار متمرکز، تقریباً در انتهای عضو (تیر یا ستون) وارد شود.

برای مقابله با تسلیم موضعی جان، باید رابطه‌ی زیر برقرار باشد:

T or P ≤ φR_n

مقاومت طراحی تسلیم موضعی جان در مقابل نیروی متمرکز کششی مساویφR_nمی‌باشد که در آن ضریبφکاهش مقاومت مساوی 1 و R_n مقاومت اسمی می‌باشد که بر اساس حالت حدی تسلیم موضعی جان به شرح زیر تعیین می‌شود.

در حالتی که بار متمرکز، در فاصله‌ای بزرگتر از d از انتهای عضو وارد می‌شود:

(10-2-9- 24)

2. در حالتی که بار متمرکز، در فاصله‌ای مساوی یا کوچکتر از d از انتهای عضو وارد می‌شود:

(10-2-9-25)

در روابط فوق:

F_yw= تنش تسلیم فولاد جان

T_w= ضخامت جان

d= ارتفاع کلی مقطع تیر

k= فاصله از وجه بیرونی بال تا انتهای دو ماهیچه‌ی جان و بال در مقاطع نورد شده و فاصله از وجه بیرونی بال تا انتهای جوش گوشه اتصال بال و جان در مقاطع ساخته شده از ورق.

l_b= طول اتکای بار متمرکز (برای عکس‌العمل‌های تکیه‌گاهی مقدار نباید کمتر از k در نظر گرفته شود)

نکته: منظور از عضو در روابط فوق، ستون یا تیری است که تحت این پدیده‌ی موضعی دچار آسیب خواهد شد.

تبصره:

در صورتی که مقاومت مورد نیاز از مقاومت طراحی بیشتر باشد، تعبیه‌ی یک جفت سخت‌کننده دارای مقاومتی حداقل برابر با اختلاف مقاومت مورد نیاز و مقاومت موجود در محل بارهای مترکز ضروری است. سخت‌کننده‌های تعبیه شده باید الزامات بند 10-2-9-10-7 را تأمین نمایند.

10-2-9-10-7 مقررات تکمیلی برای سخت‌کننده‌ها در مقابل نیروهای متمرکز و در انتهای آزاد تیرها و شاه‌تیرها

در انتهای آزاد تیرها و شاه‌تیرهایی که در مقابل دوران در حول محور طولی نگهداری نشده است، باید یک جفت سخت‌کننده عرضی که در تمام ارتفاع جان ادامه دارد، تعبیه گردد.
در صورتی‌که مطابق بندهای 10-2-9-10-1 و 10-2-9-10-2 نیاز به سخت‌کننده در مقابل نیروی متمرکز کششی باشد، لازم است یک جفت سخت‌کننده در مقابل نیروی متمرکز تعبیه شود. سخت‌کننده‌ها باید دارای مقاومت کششی حداقل برابر با اختلاف مقاومت مورد نیاز و مقاومت طراحی در محل‌های بارهای متمرکز مطابق الزامات بخش 10-2-3 باشد. جوش سخت‌کننده‌ها به بال‌های فشاری و کششی باید دارای مقاومتی حداقل برابر با اختلاف مقاومت مورد نیاز و مقاومت طراحی در محل بارهای متمرکز مطابق الزامات بخش 10-2-3 باشد.

جوش سخت‌کننده‌ها به جان باید دارای مقاومتی حداقل برابر با اختلاف جبری نیروهای کششی دو انتهای سخت‌کننده باشد.

در ادامه نحوه‌ی طراحی سخت‌کننده‌ها بیان خواهد شد.

4-3) لهیدگی جان در مقابل نیروی متمرکز فشاری

عامل دیگری که باید هنگام طراحی عضو سازه‌ای بررسی شود، امکان لهیدگی جان در معرض نیروی متمرکز فشاری است که ممکن به ‌صورت تکی یا مؤلفه‌ی فشاری یک زوج نیرو اعمال گردد. رعایت ضوابط بند 10-2-9-10-3 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان الزامی است.

10-2-9-10-3 لهیدگی جان در مقابل نیروی متمرکز فشاری

الزامات این بند برای نیروی فشاری متمرکز تکی و مؤلفه‌ی فشاری زوج نیروی متمرکز کاربرد دارد. (شکل 10-2-9-18)

تفاوت لهیدگی جان با تسلیم موضعی جان عبارت است از:

1- در حالت تسلیم، هر دو نیروی متمرکز کششی و فشاری دخیل هستند اما لهیدگی جان، فقط تحت اثر نیروی فشاری رخ می‌دهد.

2- جان در اثر تسلیم موضعی، متورم می‌شود اما در اثر لهیدگی، دچار اعوجاج می‌شود.

شکل 10-2-9-18 لهیدگی جان در مقابل نیروی متمرکز فشاری

برای کنترل لهیدگی جان، باید روابط زیر برقرار باشد:

T or P ≤ φ R_n

در این حالت نیز با توجه به فاصله‌ی محل اعمال بار متمرکز تا انتهای عضو، دو حالت برای تعیین مقاومت اسمی محتمل است.

مقاومت طراحی لهیدگی جان در مقابل نیروی متمرکز فشاری مساویφR_nمی‌باشد که در آن φ ضریب کاهش مقاومت مساوی 0/75 و R_n مقاومت اسمی می‌باشد که بر اساس حالت حدی لهیدگی موضعی جان به شرح زیر تعیین می‌شود.

در حالتی که بار متمرکز، در فاصله‌ای مساوی با بزرگتر از 2/d از انتهای عضو وارد می‌شود:

(10-2-9-26)

2. در حالتی که بار متمرکز، در فاصله‌ای کوچکتر از 2/d از انتهای عضو وارد می‌شود:

– در صورتی که 0/2 ≥ l_b / d باشد:

(10-2-9-28)

– در صورتی که 0/2 < l_b / d باشد:

(10-2-9-28)

در روابط فوق:

d= ارتفاع کلی مقطع

T_w= ضخامت جان

T_f= ضخامت بال تخت بال

l_b= طول اتکایی بار متمرکز (برای عکس‌العمل‌های تکیه‌گاهی مقدار نباید کمتر از k در نظر گرفته شود)

F_yw= تنش تسلیم فولاد جان

E= مدول الاستیسیته فولاد

تبصره: در صورتی‌که مقاومت مورد نیاز از مقاومت طراحی بیشتر باشد، تعبیه‌ی یک جفت سخت‌کننده دارای مقاومتی برابر با اختلاف مقاومت مورد نیاز و مقاومت طراحی در محل بارهای متمرکز ضروری است. سخت‌کننده‌های تعبیه شده باید الزامات بند 10-2-9-10-7 را تأمین نمایند.

کمانش فشاری جان در مقابل یک جفت ‌نیروی متمرکز فشاری

این پدیده در مورد تیرهای تحت اثر بار فشاری متمرکز اتفاق می‌افتد. متناسب با مهارشدگی بال فشاری تیر، دو نوع کمانش فشاری با انتقال و دوران با صرفاً انتقال محتمل است. برای پیشگیری از این پدیده‌ها رعایت ضوابط بند 10-2-9-2-10-4 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان الزامی است.

10-2-9-10-4 کمانش جانبی جان در مقابل نیروی متمرکز فشاری

الزامات این بند مربوط است به حالتی که یک نیروی فشاری متمرکز تکی، به عضوی اعمال می‌شود که از حرکت جانبی بین بال فشاری تحت بار و بال کششی، در محل تأثیر نیروی متمرکز توسط مهای جانبی جلوگیری نشده است. (شکل 10-2-9-19).

مقاومت طراحی کمانش جانبی جان در مقابل نیروی متمرکز فشاری مساویφ R_nمی‌باشد که در آن φ ضریب کاهش مقاومت مساوی 0/85 و R_n مقاومت اسمی است که بر اساس حالت حدی کمانش جانبی جان به شرح زیر تعیین می‌گردد.

1) اگر بال فشاری (بال بارگذاری شده) در مقابل دوران زاویه‌ای نگهداری شده باشد
(شکل 10-2-9-19- الف):

– در صورتی که باشد:

(27-9-2-10)

– در صورتی که باشد، لزومی به کنترل کمالش جانبی جان نیست.

تبصره: در صورتی‌که مقاومت مورد نیاز از مقاومت طراحی بیشتر باشد، باید بال کششی را مهار نمود و یا از یک جفت سخت‌کننده در زیر بار متمرکز، یا از ورق تقویتی جان (ورق مضاعف) استفاده نمود. در صورت استفاده از ورق تقویتی جان رعایت الزامات بند 10-2-9-10-8 و در صورت استفاده از سخت‌کننده در زیر بار متمرکز رعایت الزامات بند 10-2-9-10-7 ضروری است.

2) اگر بال فشاری (بال بارگذاری شده) در مقابل دوران زاویه‌ای نگهداری نشده باشد(شکل 10-2-9-19-ب):

– در صورتی که باشد:

(28-9-2-10)

– در صورتی که باشد، لزومی به کنترل کمالش جانبی جان نیست.

تبصره: در صورتی‌که مقاومت مورد نیاز از مقاومت طراحی بیشتر باشد، تعبیه‌ی مهار جانبی برای هر دو بال فشاری و کششی در محل اثر بار متمرکز ضروری است.

در روابط فوق:

b_f= پهنای بال

t_f=ضخامت بال

t_w= ضخامت جان

l_b= بزرگترین طول بدون مهار جانبی در دو بال در محدوده ی اعمال بار متمرکز

h= ارتفاع آزاد جان (فاصله بین انتهای دو ماهیچه‌ی جان و بال در روی جان در مقاطع نورد شده و فاصله‌ی بین دو بال در مقاطع ساخته شده از ورق)

C_r=ضریبی است که به شرح زیر در نظر گرفته می‌شود:

اگر در محل اعمال بار M_u < M_yمتمرکز باشد:

(10-2-9-29)

اگر در محل اعمال بار M_u ≥ M_yمتمرکز باشد:

(10-2-9-30)

که در آن:

M_u= مقاومت خمشی مورد نیاز

M_y= لنگر خمشی تسلیم

4-5-کمانش فشاری جان در مقابل یک جفت‌نیروی متمرکز فشاری

شرط اصلی وقوع این پدیده، اعمال نیروی فشاری از دو سمت ستون و به‌صورت تقریباً مقابل هم می‌باشد. در اثر این فشار محوری، جان ستون دچار کمانش و تغییر شکل خواهد شد. پس باید در چنین مواردی،کنترل‌های بند 10-2-9-10-5 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در طراحی ستون اعمال گردند.

10-2-9-10-5 کمانش فشاری جان در مقابل یک جفت نیروی متمرکز فشاری

الزامات این بند مربوط است به حالتی‌که یک جفت نیروی فشاری تنها یا یک جفت مؤلفه‌ی فشاری زوج نیرو در یک مقطع در جهت مخالف به بال‌های مقابل عضو اعمال می‌شوند (شکل 10-2-9-20)

شکل 10-2-9-20 کمانش فشاری جان در مقابل یک جفت نیروی متمرکز فشاری

مقاومت طراحی کمانش فشاری جان در مقابل یک جفت نیروی متمرکز فشاری مساوی φ R_nمی‌باشد که در آن φ ضریب کاهش مقاومت برابر 0/9 و R_n مقاومت اسمی است که بر اساس حالت حدی کمانش موضعی جان از رابطه‌ی زیر تعیین می‌گردد.

(10-2-9-31)

که در آن:

T_w= ضخامت جان

h= ارتفاع آزاد جان (فاصله بین انتهای دو ماهیچه‌ی جان و بال در روی جان در مقاطع نورد شده و فاصله بین دو بال در مقاطع ساخته شده از ورق)

F_yw= تنش تسلیم فولاد جان

E= مدول الاستیسیته فولاد

تبصره1: در صورتی‌که جفت نیروی فشاری در فاصله‌ای کمتر از 2/d از انتهای عضو اثر نماید، مقدار R_n حاصل از رابطه‌ی 10-2-9-31 باید 50 درصد کاهش یابد.

تبصره2: در صورتی‌که مقاومت مورد نیاز از مقاومت طراحی بیشتر باشد، تعبیه‌ی یک جفت سخت‌کننده دارای مقاومتی حداقل برابر با اختلاف مقاومت مورد نیاز و مقاومت طراحی در محل بارهای متمرکز ضروری است. سخت‌کننده‌های مورد نیاز باید الزامات بند 10-2-9-10-7 را تأمین نمایند.

در صورتی‌که مطابق بندهای 10-2-9-10-3 تا 10-2-9-10-6 نیاز به سخت‌کننده در مقابل نیروی متمرکز فشاری باشد، لازم است یک جفت سخت‌کننده در مقابل نیروی فشاری متمرکز تعبیه شود. این سخت‌کننده‌ها باید به صورت یک ستون فرضی با بار محوری فشاری طراحی شوند. ارتفاع مؤثر ستون فرضی برابر 0/75h (h ارتفاع آزاد جان در فاصله‌ی بین دو بال است) در نظر گرفته می‌شود. مقطع ستون فرضی عبارت است از مقطع جفت سخت‌کننده به اضافه نواری از جان که پهنای آن برای سخت‌کننده‌های میانی برابر 25T_w و برای سخت‌کننده‌های انتهایی برابر 12T_w در نظر گرفته می‌شود ( ضخامت جان است). جوش سخت‌کننده‌ها به بال (یا بال‌ها) باید دارای مقاومتی حداقل برابر با اختلاف مقاومت مورد نیاز و مقاومت طراح در محل بارهای متمرکز باشد. جوش سخت‌کننده‌ها به جان باید دارای مقاومتی حدال برابر با اختلاف جبری نیروهای فشاری دو انتهای سخت‌کننده باشد.

به‌طور خلاصه متناسب با شرایط بارگذاری، یک یا چند پدیده به طور همزمان در تیرها و اتصالات گیردار، مطابق جدول زیر اتفاق می‌افتند؛ بنابراین با شناخت و تسلط بر ماهیت این پدیده‌ها، می‌توان از وقوع آن‌ها جلوگیری نمود.

جدول 3 وقوع انواع عیوب موضعی در تیرها و اتصالات صلب

نتیجه‌گیری:

یکی از روش‌های مقابله با بارهای جانبی در ساختمان‌ها، استفاده از سیستم قاب خمشی است. متناسب با موقعیت پروژه و سطح شکل‌پذیری مورد نیاز، میتوان طراحی را بر اساس ضوابط شکل‌پذیری معمولی، متوسط یا ویژه انجام داد. اتصالات قاب‌های خمشی فولادی از اهمیت ویژهای برخوردارند. برای جلوگیری از وقوع کمانش موضعی در اجزای اتصال که تحت بارهای متمرکز قرار دارند، لازم است الزامات ویژه لرزهای کنترل گردند و درصورت نیاز از تدابیر خاصی استفاده شود. در این مقاله جامع، انواع قاب خمشی و الزامات ویژه لرزه‌ای در اتصاالات بررسی شده است.

منابع

کتابخانه آنلاین عمران
مبحث دهم مقرراتملی ساختمان، ویرایش سال 1401
کتاب راهنمای جوش و جوشکاری در ساختمانهای فولاید، وزارت راه و شهرسازی، ویرایش 1390
آشنایی با ضوابط جوش در مناطق لرزه‌خیز، دکتر علیرضا رضایان، انجمن سازه‌های فولادی ایران
دکتر مجتبی ازهری، دکتر سید رسول میرقادری، ” طراحی سازه های فولادی به روش حالات حدی و مقاومت مجاز”، جلد ششم.
دکتر مجتبی ازهری، دکتر سید رسول میرقادری، ” طراحی سازه‌های فولادی به روش حالات حدی و مقاومت مجاز”، جلد پنجم.
” طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی “، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش 1392
AWS D1.8 / Structural Welding Code-Seismic Supplement
Specification for Structural Steel Buildings (ANSI/AISC 360-16
Seif, T. McAllister / Journal of Constructional Steel Research 84 (2013) 17–26

بررسی ضوابط اتصالات انواع قاب خمشی فولادی

آدرس شرکت:

ساعت

دسته ها