ساختمان115
ساختمان115

معرفی انواع سیستم ساختمانی(قاب خمشی، دیوار برشی و …) در ساختمان فولادی

چگونگی انتقال بارهای قائم و جانبی به نحوه‌ی ترکیب و چینش اعضای باربر سازه‌ای مانند ستون‌ها، تیرها و اعضای باربر جانبی مانند مهاربندها و طریقه‎ی اتصال این اعضا، وابسته است. این ترکیب را سامانه یا سیستم ساختمانی (Structural system) می‌نامند.

مسیر انتقال بار در سازه‌های فولادی

سازه‌های فولادی از عناصر باربر قائم مانند تیر و ستون به شکل قاب و عناصر باربر جانبی مانند مهاربندها یا دیوارهای برشی، تشکیل شده است و طبیعتاً انتقال بارهای افقی و قائم به وسیله این اجزا انجام می‌پذیرد.

سامانه‌های باربر قائم

بخشی از سازه که وظیفه‌ی آن تحمل بارهای ثقلی است، سامانه‌ی باربر قائم می‌باشد. مراحل کار در این سامانه بدین شرح است:

  • الف) بارهای قائم در وهله‌ی اول به سقف سازه ( عنصر باربر اول) اعمال می‌گردد و سپس توسط سقف به شاه‌تیرها (عنصر باربر دوم) انتقال می‌یابد.
  • ب) شاه‎تیرها پس از دریافت بار از سقف، آن را به دو انتهای خود یعنی محل اتصال به ستون منتقل می‌کنند.
  • ج) ستون‌ها که عنصر باربر سوم هستند، بارها را از تکیه‎‌گاه دو سر تیر به شالوده انتقال (عنصر باربر چهارم) می‎دهند.

در شکل زیر نمونه‌ای از سامانه‌ی باربر قائم نمایش داده شده است.

سامانه‌ی باربر قائم

ماهیت انتقال بار توسط تیرها به تکیه‌گاه‌ها و شیوه قرارگیری تیرها (تیرریزی) به عوامل مختلفی وابسته است که عبارتند از:

  • مدل مقطع قابل استفاده با توجه به طراحی معماری
  • فواصل تکیه‌گاه‌ها و طول دهانه‌ی تیر برپایه طراحی
  • روش انتقال بار به وسیله اجزای باربر
  • سامانه تکیه‌گاهی منتخب ( صلب، نیمه صلب، ساده)

بارهای قائم وارد بر سازه متشکل از وزن ساختمان، وزن افراد و وزن تجهیزاتی است که در ساختمان قرار دارند.

حتما بخوانید: شستشوی نمای ساختمان

سامانه‌های باربر جانبی

این سامانه قسمتی از کل سازه است که به منظور تحمل بارهای جانبی به وجود آمده از باد و زلزله مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در ساختمان‌های بلند و در اسکلت فلزی متشکل از تیر و ستون، استحکام و مقاومت در برابر نیروهای جانبی (باد و یا زلزله) به درجه گیرداری اتصالات تیر و ستون آن‌ها وابسته است.

نمای اسکلت یک ساختمان با ارتفاع زیاد را مانند شکل زیر مدنظر قرار می‌دهیم.

چنانچه اتصالات بین تیر و ستون به نحوی پر قدرت باشد که زاویه‌ی بین آن‌ها تغییر نکند، ساختمان قادر است نیروهای جانبی را تحمل کرده و از حالت شاقولی خارج نگردد.در صورتی که هیچگونه گیرداری میان تیرها و ستون‌ها وجود نداشته باشد و اتصالات به عنوان مثال به حالت مفصلی مشابه باشند، با اعمال شدن نیروهای جانبی، زاویه‌‌ی میان تیرها و ستون‌ها تغییر خواهد کرد و ساختمان مطابق با شکل زیر به یک سمت کج می‌گردد.

کج شدن ساختمان در اثر متغیر بودن زاویه‌ی میان تیرها و ستون‌ها

بدیهی است که در این شرایط، حالت تعادل برقرار نبوده و در نهایت ساختمان تخریب خواهد شد.

در حالت مذکور، چنانچه یک دهانه از قاب‌های ساختمان را در ارتفاع، با قرار دادن قطعات چپ و راست به صورت اشکال مثلثی تبدیل کنیم (شکل بعدی)، در قسمت مرکزی ABCD، شکل با استحکام و تغییرناپذیری به وجود خواهد آمد و بخش‌های دیگر ساختمان نیز با تیکه بر آن دارای حالت پایداری می‌شوند، زیرا زاویه‌های هر یک از مثلث‌ها بدون تغییر اضلاع، تغییر نخواهند کرد؛ یعنی نیروی فراوانی به منظور تغییر طول اضلاع، موردنیاز است.

تبدیل یکه دهانه از قاب‌های ساختمان به اشکال مثلثی

سامانه‌های باربر جانبی شامل قاب خمشی، دیوار برشی و مهاربندی می‌باشند.

قاب خمشی

قابی که در آن اتصالات تیرها به ستون‌ها، به حالت گیردار است را قاب خمشی می‌گویند. در این سامانه، نیروهای جانبی اعمالی به سازه با استفاده از صلبیت اتصال میان تیر و ستون مهار می‌گردد.

شکل زیر شمای یک قاب خمشی در سازه فولادی را نمایش می‌دهد.

قاب خمشی در سازه فولادی

دیوار برشی

دیوار برشی، دیواری است که عمدتاً از بتن تشکیل شده و به منظور مقاومت در برابر نیروهای جانبی، (که در صفحه‌ی دیوار وارد می‌شوند) مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دیوارها را، دیافگرام قائم نیز می‌نامند. در شکل بعد، نمونه‌ای از دیوار برشی بتنی در سازه فولادی به تصویر کشیده شده است.

دیوار برشی بتنی در سازه فولادی

قاب‌های مهاربندی شده

قاب‌های مهاربندی شده، از اعضای قائم (ستون‌ها)، اعضای افقی (تیرها) و اعضای قطری (مهاربندها) تشکیل شده‌اند که به منظور مقابله با نیروهای جانبی در نظر گرفته شده و مانع کج شدن اسکلت ساختمان در زمان اعمال نیروی جانبی می‌گردند. بهتر است که جانمایی مهاربندها در پلان ساختمان به شکل متقارن باشد.

مهاربندها می‌توانند به حالت همگرا یا واگرا باشند. در مهاربند همگرا، محور اعضای قطری در یک نقطه از تیر یا ستون یا محل تقاطعشان به هم نزدیک هستند. اما  در مهاربندهای واگرا، قطرها می‌توانند که از یک نقطه عبور نکنند.

از انواع مهاربند تأیید شده‌ی آیین‌نامه‌های طراحی سازه  می‌توان  با توجه به معیارات معماری، استفاده کرد. به عنوان نمونه در دهانه‌هایی که قصد استفاده از پنجره، نورگیر و یا در را داریم، از حالت‌های گوناگون مهاربند مانند شکل بعد، بهره گرفته می‌شود.

انواع مهاربندهای قائم در ساختمان

سامانه‌های رایج در فولادهای ساختمانی شناخته شده

سامانه‌های مرسوم در ساختمان‌های فولادی بدین شرح می‌باشند:

  • الف) سامانه نیمه اسکلت (کلاف‌دار)
  • ب) سامانه قاب با اتصالات ساده
  • ج) سامانه قاب با اتصالات صلب (سامانه قاب خمشی)
  • د) سامانه دوگانه یا ترکیبی

همچنین ببینید: سنگ سابی

سامانه نیمه اسکلت (کلاف‌دار)

این سامانه از دیوارهای باربر آجری با کلاف‌های بتنی قائم و افقی یا ستون‌های تکی فولادی و سقفی از مدل طاق ضربی یا تیرچه بلوک، تشکیل شده است. غالب ساختمان‌های مسکونی که در شهرهای معمولی کشور می‌بینیم، با استفاده از این سامانه ساخته شده و یا در حال احداث هستند مانند شکل بعدی

یک ساختمان در حال ساخت با استفاده از سامانه نیمه اسکلت

براساس آیین‌نامه طرح ساختمان در برابر زلزله (استاندارد 2800) ، ماکزیمم تعداد طبقات سامانه‌ی مذکور بدون در نظر گرفتن طبقه‌ی زیرزمین، به 2 طبقه محدود می‌باشد و همچنین تراز روی بام در مقایسه با میانگین تراز زمین مجاور، از 8 متر نباید بیشتر گردد. طبقه‌ای که تراز روی سقف آن نسبت به میانگین تراز زمین مجاور از 5/1 متر تجاوز نکند را زیرزمین می‌گویند، در غیر این صورت، این طبقه جزو تعداد طبقات ساختمان محسوب می‌شود. همچنین در این سامانه، بیشینه ارتفاع یک طبقه برابر با 4 متر است. در مجموع در سامانه نیمه اسکلت، بار قائم به وسیله دیوارهای باربر و یا ترکیبی از دیوارهای باربر و ستون‌های فولادی تحمل می‌شود. سامانه سقف هم از ترکیبی از شاه‌تیرهای فولادی (یکسره یا ساده)  و تیرهای فولادی با طاق ضربی ( تیرچه بلوک) تشکیل شده است که بارهای اعمالی به دیوارها و ستون‌ها را منتقل می‌کنند.

دیوارها وظیفه‌ی مقابله با نیروهای جانبی را برعهده دارند که براساس ضوابط فصل سوم آیین‌نامه زلزله ایران می‌بایست کلاف‎بندی قائم و افقی داشته باشند.

شکل بعدی، سامانه نیمه اسکلت با مصالح بنایی را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌گردد، حداکثر  ارتفاع هر طبقه برابر با 4 متر است.

سامانه نیمه اسکلت با مصالح بنایی

سامانه قاب با اتصالات ساده

سامانه قاب با اتصالات ساده از تیرها و ستون‌هایی تشکیل شده است که  پس از ترکیب شدن باهم با بهره‌گیری از اتصالات مفصلی، قاب را به وجود می‌آورند. در چنین سامانه‌ای، اتصال تیر به ستون از نوع ساده بوده و هیچ لنگری بین این اعضا انتقال نمی‌یابد.

از آنجایی که این سامانه صرفاً قدرت تحمل نیروهای قائم ساختمان را داشته، لذا به منظور اینکه قدرت باربری نیروهای جانبی ساختمان (باد و زلزله) را هم دارا باشد، بایستی با استفاده از مهاربند یا دیوار برشی، تقویت شود.

ساختمان‌های فولادی که طراحی اتصال تیر به ستون در آن‌ها، به شکل نبشی نشیمن، نبشی جان و یا خورجینی صورت می‌پذیرد، در رده این نوع سامانه محسوب می‌شوند. این سامانه براساس استاندارد 2800 فقط تا ارتفاع 50 متر قابل کاربرد است.

سامانه قاب با اتصالات ساده به تنهایی کامل نیست و جهت مقابله با بارهای جانبی، به مهاربند یا دیوار برشی نیاز دارد.

در شکل زیر نمونه‌ای از سامانه قاب با اتصالات ساده در ساختمان، آورده شده است.

سامانه قاب با اتصالات ساده، کل بار قائم به وسیله قابی متشکل از تیر و ستون با اتصالات ساده و نیروی جانبی توسط مهاربندها و دیوار برشی مهار می‌گردد.

سامانه قاب با اتصالات صلب ( سامانه قاب خمشی)

این سامانه متشکل از تیرها و ستون‌هایی می‌باشد که با اتصالات صلب (خمشی) به یکدیگر اتصال یافته و قاب را به وجود می‌آورند. به عبارتی دیگر، این اتصال توانایی انتقال لنگر از تیر به ستون را دارا است. سامانه‌ی مذکور حتی بدون هیچگونه مهاربندی، می‌تواند نیروهای قائم و جانبی ساختمان را تحمل کند. در ایران، اتصال تیر به ستون با استفاده از ورق زیرسری و روسری و یا اتصال فلنجی (ورق انتهایی تیر) از جمله اتصالات رایج در اجرای قاب‌های خمشی است.

شکل بعد، نمونه‌ای از سامانه قاب با اتصالات صلب را نشان می‌دهد.

سامانه قاب با اتصالات صلب، تمام بار قائم و نیروی جانبی توسط قاب‌های خمشی (بدون مهاربندها و دیوار برشی) تحمل می‌گردد.

سامانه دوگانه یا ترکیبی

سامانه ترکیبی از قاب فضایی خمشی و دیوارهای برشی یا مهاربندی‌ها که در آن بارهای قائم به وسیله قاب خمشی و نیروهای جانبی نیز همزمان توسط قاب خمشی و دیوارهای برشی و یا توسط قاب و مهاربندی‌ها تحمل می‌گردد، تشکیل شده است.

تقسیم نیروی جانبی میان قاب خمشی و دیوار برشی و یا بین قاب خمشی و مهاربندی‌ها، براساس نسبت صلبیت آن‌ها می‌باشد. اما در هر صورت، قاب باید به تنهایی توانایی تحمل حداقل 25 درصد نیروی جانبی زلزله را دارا باشد.

شکل زیر نمونه‌ای از سامانه ترکیبی را نمایش می‌دهد.

سامانه ترکیبی قاب خمشی و مهاربندی

سامانه‌های نوین در سازه‌های فولادی بلند

سامانه قاب محیطی یا لوله‌ای (Framed tube structure)

در این سامانه، ستون‌ها در قاب محیطی سازه بیشتر متجمع شده و در ستون‌های محیطی به صورت یک لوله، سازه را در بر گرفته است و بارهای جانبی به این قاب محیطی اعمال می‌گردد. همچنین نمای مطلوبی نیز توسط قاب محیطی به ساختمان داده می‌شود. یکی از مشهورترین سازه‌هایی که از این سامانه بهره گرفته، برج‌های دو قلوی سازمان تجارت جهانی در نیویورک بود که با بعدها به هدف یک حمله تروریستی تبدیل گردید. این سامانه‌ می‌تواند برای ساختمان‌های با بیشتر از 150 طبقه، به کار گرفته شود. شکل بعدی این سامانه را نشان می‌دهد.

سامانه قاب محیطی (لوله‌ای)

سامانه لوله در لوله (Tube in tube structure)

عکس‌العمل یک سامانه لوله در لوله در برابر بارهای جانبی، شباهت زیادی به واکنش سازه مرکب از قاب صلب و دیوار برشی دارد؛ اما لوله‌ی قابی خارجی خیلی سخت‌تر از قاب صلب است.

عمده‌ی بار جانبی در قسمت بالای ساختمان به وسیله لوله‌ی خارجی تحمل می‌شود، در حالی که هسته، اکثر بار قسمت پایین ساختمان را تحمل می‌نماید. شکل زیر سامانه لوله به لوله را نشان می‌دهد. این سامانه در ساختمان 38 طبقه برانسویک شیکاگو مورد استفاده قرار گرفته است.

سامانه لوله در لوله

سامانه لوله‌های چندگانه (Multi tube structure)

سامانه لوله‌های چندگانه تا حد زیادی به سامانه قاب محیطی شباهت دارد و تفاوت آن در این است که ساختمان در سامانه لوله‌های چندگانه از چند قاب محیطی تشکیل شده است. برای نمونه برج سیرزتاور در شیکاگو که مرتفع‌ترین برج آمریکا می‌باشد، از 4 قاب محیطی تشکیل شده است. شکل زیر هم مدلی از این سامانه را نشان می‌دهد.

سامانه لوله‌های چندگانه

سامانه ابَر مهاربندی (Mega-braced structure)

در ساختمان‌های مشهور، مهاربندی ساختمان در ارتفاع طبقه و به عرض دهانه صورت می‌پذیرد. در دهه گذشته، بهره‌گیری از مهاربندی‌هایی در مقایس بزرگتر از یک طبقه و یک دهانه در سازه‌های ساختمان‌های مرتفع به دلیل راندمان بیشتر و حتی تحت عنوان ابزار معماری در نمای ساختمان، گسترش یافته است که آن را سامانه ابَر مهاربندی می‌نامند.

در شکل بعد، نمونه‌ای از این سامانه به تصویر کشیده شده است.

سامانه ابر مهاربندی

سامانه کمربند خرپایی (Out trigger-braced structure)

چنانچه تعدادی از طبقات یک ساختمان توسط یک کمربند حول سازه که از اعضای بادبندی تشکیل شده‌اند و در  نمای ساختمان به صورت خرپا رویت می‌گردند، محاصره شوند، مراکز تغییرشکل جانبی به مقدار زیادی کاهش می‌یابد. به این سامانه که در شکل زیر نمونه‌ای از آن به نمایش در آمده، سامانه کمربند خرپایی می‌گویند.

سامانه کمربند خرپایی

سامانه هسته مرکزی (Core structure)

در این سامانه، به جای اینکه عناصر مقاوم جانبی در نقاط گوناگونی از پلان واقع شوند، با بهره‌گیری از سیستم دیوار برشی، در مرکز ساختمان قرار می‌گیرند. در چنین حالتی نمای ساختمان باز خواهد بود و می‎‌توان از فضای هسته مرکزی تحت عنوان راه‌پله یا محل نصب آسانسور استفاده کرد.

سامانه هسته مرکزی

در نمودار زیر انتخاب سامانه‌های ساختمانی براساس تعداد طبقات بررسی شده است.

انتخاب سامانه‌های ساختمانی با توجه به تعداد طبقات

ساختمان 115 » مرجع قیمت چوب ترموود و لوله بازکنی با فنر

اشتراک گذاری Telegram Facebook WhatsApp Twitter

دیدگاه خود را بیان کنید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *