سیستم سازه ای قاب خمشی با تیر فولادی و ستون های بتنی RCS

در زمینه مطالعه اتصالات RCS تحقیقات زیادی در سالهای گذشته صورت گرفته است. در این مسیر کشورهای ژاپن و آمریکا با بررسی های آزمایشگاهی فراوان پیرامون اتصالات RCS پیشرو بوده اند، به طوری که تاکنون بیش از 400 اتصال در ژاپن و بیش از 50 اتصال در آمریکا با هدف تعیین مکانیزم انتقال نیروی داخلی در اتصال، مورد بررسی های آزمایشگاهی قرار گرفته اند. نتایج این آزمایشات نشان می دهند که انتقال نیرو بین تیر و ستون مناسب بوده و اتصال دارای شکل پذیری کافی برای طراحی لرزه ای می باشند.

مطابق شکل جزئیات اتصال استاندارد در قاب RCS شامل صفحات تکیه گاهی سطحی FBP [1]برای محبوس کردن بتن بین دو بال تیر فولادی و صفحات نوار فولادی SBP [2]در دور ستون، در بالا و پایین تیر فولادی برای محبوس کردن بتن کل اتصال می باشد.

جایگزین کردن تیرهای فولادی با تیرهای بتن مسلح و بهره گیری از اتصال مرکب RCS ظرفیت جانبی قاب خمشی را به طور قابل ملاحظه ای افزایش می دهد. به عبارت دیگر تغییر سیستم سازه از سیستم قاب خمشی بتنی به سیستم قاب RCS و ترکیب تیر فولادی با ستون بتنی منجر به بهبود رفتار لرزه ای می گردد.

---

[1] Face Bearing Plate

[2] Steel Band Plate

 

 

 

 

 

 

   معرفی فناوری و اجزای تشکیل دهنده

این سیستم به وسیله اتصالات ممان­گیر آن در مقابل بارهای جانبی مقاومت می‌کند. در سیستم قاب خمشی RCS با تیر پیوسته که به عنوان جایگزینی برای قاب خمشی فولادی ویژه می‌باشد، جهت کم کردن هزینه‌ها، ستون بتنی با مقاومت بالا جایگزین ستون فولادی می‌گردد. بر اساس ارزیابی‌های به عمل آمده در مرکز تحقیقات راه مسکن و شهرسازی استفاده از این سیستم مشروط بر رعایت الزامات آن حداکثر ۵۰ متر از تراز پایه در کلیه پهنه‌های لرزه خیزی کشور مجاز می‌باشد و از لحاظ رده‌بندی قاب خمشی فولادی ویژه رده‌بندی می‌گردد.

مبانی طراحی و اجرا

·        مشخصات کلیه مصالح مورد استفاده در سازه اعم از فولاد، بتن و فلز جوش باید مطابق استانداردهای ملی یا بین المللی رعایت شود.

·        حداقل مقاومت فشاری ۲۸ روزه نمونه استوانه‌ای استاندارد بتن سازه برابر ۲۵ مگاپاسکال باشد.

·        بارگذاری ثقلی این سیستم باید بر اساس آخرین ویرایش مبحث ششم مقررات ملی ساختمان و بارگذاری لرزه‌ای آن با در نظر گرفتن ضریب رفتار R=7 بر اساس استاندارد ۲۸۰۰ انجام شود.

·        طراحی کلیه اجزا و اتصالات آن باید بر اساس ضوابط قاب‌های خمشی ویژه مختلط C-SMF مطابق با آیین نامه AISC 341 راهنمای طراحی اتصالات تیر فولادی به ستون بتنی ASCE1994 و گزارش شماره ۱۵۵ دانشگاه استنفورد صورت گیرد.

·         اجرای تسمه‌های فولادی دور ستون در بالا و پایین تیر طبق ضوابط ASCE1994 الزامی است

·        اجرای ورق‌های اتکایی جانبی در جان تیر در محل اتصال طبق ضوابط ASCE1994 الزامی است

·        ستون‌های بتنی در محل اتصال با تیر فولادی باید دارای خاموت گذاری طبق ضوابط ASCE1994 و یا ورق پوششی باشد

·        حداکثر جابجایی جانبی نسبی مجاز در این سیستم ۵۰ درصد مقادیر مجاز در استان ۱۸۰۰ برای قاب خمشی فولادی ویژه می‌باشد

·        جوش های اتصال تیر باید برای تمام ظرفیت مقاطع طراحی شوند

·        در صورت استفاده از کوپلر در ناحیه اتصال باید از کفایت جزئیات اتصال آن به نحو مناسبی اطمینان حاصل شود

·        میلگردهای اتصال تراز بام باید به منظور جلوگیری از لغزش آرماتورها و شکست اتکایی، به نحو مناسبی در سقف مهار شوند

·        رعایت کلیه ضوابط آیین نامه  ACI 318-05به خصوص روابط ویژه لرزه‌ای (شکل پذیری ویژه) فصل ۲۱ این آیین نامه برای طراحی مقاطع بتن مسلح الزامی است.

·        ضوابط مربوط به طراحی و جوشکاری تمام اتصالات به ویژه چشمه اتصال پیش ساخته شامل اتصال تیر فولادی به حلقه نواری بالا و پایین تیر در چشمه اتصال، اتصال ورق‌های سخت کننده داخل چشمه اتصال به بال تیر در حلقه نواری بالا و پایین و همچنین اتصال سخت کننده‌های جان تیر در وجه ستون باید بر اساس آیین نامه‌های AWS و AISC رعایت شود

·        قالب‌بندی و بتن‌ریزی ستون هر طبقه با توجه به محدودیت ایجاد شده توسط چشمه اتصال باید در دو تراز میانه ارتفاع طبقه و تراز طبقه نسبت به طبقه زیرین صورت گیرد استفاده از مواد فوق روان کننده مناسب برای تامین کارایی بتن سازه بدون افت مقاومت آن و تامین ضوابط مربوط به صلبیت دیافراگم سقف های سازه الزامی است.

·        به طور کلی در خصوص این سیستم سازه‌ای ضروریست اقدامات و تمهیدات لازم برای تامین و رعایت ضوابط مبحث سوم مقررات ملی ساختمان ایران با عنوان "حفاظت ساختمان‌ها در مقابل حریق"، مربوط به مقاومت اجزای ساختمان در مقابل حریق با در نظر گرفتن نوع کاربری و تصرف ساختمان، ابعاد ساختمان، تعداد طبقات ساختمان، مساحت ساختمان و وظیفه عملکردی اجزای ساختمان در نظر گرفته شود. الزامات مقاومت در برابر آتش برای اجزای غیر سازه‌ای در فصول ویرایش سوم مبحث سوم مقررات ملی ساختمان ارائه شده است. رعایت تمهیدات لازم متناسب با شرایط مختلف اقلیمی و محیط های خورنده ایران الزامی است.

·        ضروریست تمهیدات لازم برای عدم مشارکت پانل‌های غیرسازه‌ای و جدا کننده‌ها در سختی جانبی سازه مطابق پیوست ششم استاندارد ۲۸۰۰ به عمل آید

ویژگی های سیستم RCS 

قاب RCS از جمله سیستم های سازه ای می باشند که برای قاب های با دهانه های بزرگ و با ارتفاع های متعارف به کار می­رود. مطابق تحقیقات انجام شده در قاب های بتن آرمه با دهانه بزرگ، تیر دارای عمق زیادی می باشد که ارتفاع چنین تیری فضای زیادی از معماری ساختمان را اشغال می­کند، ولی در سیستم RCS با جایگزین شدن تیر فولادی به جای تیر بتنی این مشکل برطرف می شود. همچنین در قاب های فولادی با دهانه بزرگ در بسیاری از موارد سطح مقطع تیر بیشتر از ستون بوده که این امر می تواند سبب بروز رفتار غیر خطی نامناسب سازه تحت بارهای زلزله شود. یکی از بهترین روش ها برای اجرا و محصور کردن بتن، استفاده از نوارهای فولادی پیچیده شده دور ستون در بالا و پایین محل اتصال تیر به ستون است، که باعث افزایش 50 درصدی مقاومت اتصال و نیز افزایش چشمگیر اتلاف انرژی می گردد، در حالی که استفاده از کمربند سرتاسری در ارتفاع اتصال، تا این اندازه مقرون به صرفه نیست.

     ویژگی های منفی سیستم:

·        عدم شناخت کافی از مکانیزم های انتقال نیروی داخلی در اتصال

·        کاهش قابلیت اعتماد سازه با افزایش درجه نامعینی برخلاف قاب های معمولی

·        وجود استاندارد و آئین نامه های محدود در خصوص طرح و ساخت قاب های مرکب

·        اختلاط جبهه های کاری مختلف و اکیپ های متفاوت در سایت و مراحل اجرا

ویژگی های مثبت سیستم:

·        وزن کمتر سازه در حدود 12-16 درصد به دلیل جایگزینی تیر های بتنی با تیر های فولادی

·        کاهش برش پایه و دریفت قاب RCS به دلیل وزن کمتر و سختی بیشتر ستون ها

·        استهلاک انرژی و Damping بیشتر نیروی زلزله

·        افزایش سرعت ساخت به دلیل عدم نیاز به اجرای قالب بندی و آرماتوربندی برای تیرها

·        امکان ایجاد دهانه های بزرگ بدون تداخل و کاهش مانور معماری طرح

·         افزایش احتمال تشکیل مفصل پلاستیک در تیرها

·        تقویت ضابطه ستون قوی-تیر ضعیف به خصوص در دهانه های طویل

·        اتصال کاملا گیردار ستون به زمین و رفتار صلب تر نسبت به فولاد

·        امکان اجرای سقف های مختلط و تطبیق بهتر با روش های نوین ساخت