اتصال درختی ستون در قاب‌های خمشی

سیستم باربر سازه‌ای به مجموعه‌ای از عناصر سازه‌ای اطلاق می‌شود که وظیفه‌ی انتقال و توزیع بارهای وارده اعم از ثقلی، جانبی (شامل قاب خمشی) یا دینامیکی را از نقاط اثر تا فونداسیون بر عهده دارند. این سیستم که به دو دسته کلی سیستم باربر ثقلی و جانبی تقسیم بندی می­شود ممکن است شامل قاب‌ خمشی، دیوارهای برشی، مهاربندها یا ترکیبی از آن‌ها باشد و نقش بنیادینی در پایداری و ایمنی ساختمان ایفا می‌کند. انتخاب نوع سیستم باربر، مستقیماً تحت تأثیر عواملی چون نوع کاربری، هندسه سازه، شرایط زمین، و الزامات آیین‌نامه‌ای است.

سیستم باربری جانبی

عملکرد سیستم باربر جانبی در سازه‌ها به نقش آن در مقاومت در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله و باد مرتبط می­شود. این سیستم با استفاده از اجزایی مانند قاب‌های خمشی، مهاربندها یا دیوارهای برشی، تلاش می‌کند تا نیروهای جانبی را به صورت ایمن به فونداسیون منتقل کند و از واژگونی یا تغییرشکل‌های بیش از حد جلوگیری نماید. عملکرد مناسب این سیستم به تأمین سختی جانبی کافی، کنترل جابجایی نسبی طبقات و توزیع مناسب نیروها در سازه بستگی دارد. انتخاب نوع سیستم باربر جانبی باید با توجه به شرایط لرزه‌خیزی منطقه، ارتفاع و شکل سازه، و الزامات آیین‌نامه‌ای انجام شود. به صورت کلی، یک سیستم باربر جانبی خوب، علاوه بر پایداری سازه، نقش مهمی در کاهش خسارات جانی و مالی در هنگام بروز زلزله ایفا می‌کند. با نگاهی اجمالی می‌­توان سیستم باربری جانبی در اسکلت­‌های فولادی و بتنی را به شرح ذیل تقسیم بندی کرد:

• اسکلت بتنی

  • قاب خمشی
  • قاب ساده با دیوار برشی
  • سیستم دو گانه

• اسکلت فولادی

  • قاب ساده با مهاربند
  • قاب ساده با دیوار برشی
  • قاب خمشی
  • سیستم کنسولی

در ادامه به تعریف سیستم قاب خمشی که یکی از انواع سیستم­‌های باربر جانبی است پرداخته شده است.

سیستم قاب خمشی

قاب خمشی به‌عنوان یکی از رایج‌ترین سیستم‌های باربر جانبی، بر اتصال صلب میان تیرها و ستون‌ها تکیه دارد تا بتواند در برابر نیروهای جانبی ناشی از زلزله یا باد مقاومت کند. در این سیستم، برخلاف مهاربندها یا دیوارهای برشی، اعضا و اتصالات با جذب و انتقال لنگرهای خمشی و نیروهای برشی، پایداری سازه را بدون استفاده از عناصر تقویتی خارجی تأمین می‌کنند. ویژگی برجسته‌ی قاب‌های خمشی، شکل‌پذیری بالای آن‌هاست؛ بدین معنا که سازه می‌تواند در برابر زلزله‌های شدید تغییرشکل‌های زیادی را بدون گسیختگی تحمل کرده و انرژی واردشده را مستهلک کند. شکل شماره 2 سیستم قاب خمشی و انواع آن را نشان می­‌دهد. بر اساس ضوابط آیین‌نامه‌ای، قاب‌های خمشی به سه دسته تقسیم می‌شوند:

1- قاب خمشی با شکل‌پذیری کم (قاب خمشی ساده Ordinary Moment Frame / OMF):

مهندسان این نوع قاب را، که ساده‌ترین شکل قاب خمشی به شمار می‌رود، برای سازه‌هایی با اهمیت کم یا واقع در مناطق با خطر لرزه‌ای پایین توصیه می‌کنند. در قاب‌های ساده، طراحان اتصالات صلب میان تیر و ستون را در نظر می‌گیرند، اما جزئیات اجرایی و سطح شکل‌پذیری آن‌ها را تا حد ممکن کاهش می‌دهند. این قاب‌ها عمدتاً بر مقاومت اعضا تکیه دارند، نه بر ظرفیت جذب انرژی. به همین دلیل، عملکرد لرزه‌ای آن‌ها محدود بوده و استفاده از آن‌ها در مناطق زلزله‌خیز نیازمند احتیاط و کنترل‌های خاص است. استفاده از این سیستم برای ساختمان­‌های با اهمیت خیلی زیاد و زیاد در تمام مناطق لرزه­­‌خیزی و برای ساختمان­‌های با اهمیت متوسط در مناطق لرزه­‌خیزی 1 و 2 مجاز نیست. ارتفاع حداکثر این سیستم برای ساختمان­‌های با اهمیت متوسط در مناطق لرزه­‌خیزی 3 و 4 به 15 متر محدود می­‌گردد.

2- قاب خمشی با شکل‌پذیری متوسط (قاب خمشی متوسط Intermediate Moment Frame / IMF):

در قاب‌های خمشی متوسط، سطحی میانه از شکل‌پذیری، سختی و مقاومت دنبال می‌شود. این سیستم برای سازه‌هایی طراحی می‌شود که در مناطق با لرزه‌خیزی متوسط قرار دارند. اتصالات در این قاب‌ها نسبت به قاب‌های ساده، مقاوم‌تر و شکل‌پذیرتر طراحی می‌شوند، اما در عین حال نیازمند جزئیات اجرایی پیچیده قاب‌های ویژه نیستند. آیین‌نامه‌ها، معیارهای خاصی برای کنترل نسبت تغییرشکل‌ها، ظرفیت جذب انرژی و اتصالات این نوع قاب‌ها تعریف کرده‌اند. در طراحی اعضا و اتصالات این نوع قاب­‌ها، چنانچه بخشی از سیستم باربر لرزه‌­ای سازه باشند، باید الزامات تکمیلی سخت­گیرانه‌­تری نسبت به قاب­‌های خمشی معمولی منظور شود.

3- قاب خمشی با شکل‌پذیری زیاد (قاب خمشی ویژه Special Moment Frame / SMF):

این نوع قاب، پیشرفته‌ترین و مقاوم‌ترین نوع قاب خمشی است که برای ساختمان‌های مهم یا واقع‌شده در مناطق با خطر لرزه‌ای بالا طراحی می‌شود. ویژگی اصلی قاب‌های خمشی ویژه، شکل‌پذیری بسیار بالا، اتصالات کاملاً صلب و توانایی جذب و پخش انرژی زلزله از طریق تغییرشکل‌های غیرالاستیک کنترل‌شده است. در طراحی این قاب‌ها، رعایت دقیق جزئیات اجرایی و آیین‌نامه‌ای نظیر مقاومت اتصالات در برابر دوران زیاد، کنترل برش در ناحیه اتصال تیر به ستون، و تقویت گره‌ها ضروری است. قاب خمشی ویژه، به دلیل رفتار مطلوب در برابر زلزله، یکی از مؤثرترین گزینه‌ها برای تضمین ایمنی جانی ساکنان به شمار می‌آید. شکل پذیری زیاد این سیستم­‌ها از طریق تسلیم برشی کم در چشمه اتصال و تغییر شکل­‌های دورانی در انتهای تیرها و ستون­‌های تراز پایه تأمین می­شود. در این نوع قاب لازم است از اتصالات از پیش تأیید شده استفاده نموده و آزمایش کنترل کیفیت نیز برای اتصالات انجام گیرد.

اتصال درختی در سیستم قاب خمشی:

پیش از وقوع زمین‌لرزه نورثریج در سال ۱۹۹۴، طراحان و مهندسان به دلیل صرفه‌جویی اقتصادی و سهولت در طراحی، اتصالات قاب‌های خمشی جوشی را به‌طور گسترده‌ای در مناطق زلزله‌خیز، به ویژه ایالت کالیفرنیا، انتخاب می‌کردند. آن‌ها این اتصالات را مطابق با استانداردهای متداول به صورت اتصال صلب خمشی طراحی و اجرا می‌کردند؛ همان‌طور که شکل ۲ این موضوع را نشان می‌دهد.

با این حال، زلزله نورثریج نشان داد که چنین اتصالاتی می‌توانند دچار آسیب‌دیدگی قابل توجهی شوند. خسارات وارده به این نوع اتصالات صلب خمشی موجب بازنگری اساسی در عملکرد آن‌ها شد. این اتفاق در زلزله کوبه ژاپن نیز قابل مشاهده بود.

این موضوع، مهندسان و پژوهشگران را بر آن داشت تا با بررسی‌های دقیق‌تر، به بازنگری در ضوابط طراحی و اجرای اتصالات قاب خمشی جوشی بپردازند. در این راستا، آیین‌نامه‌های طراحی نیز مورد بازبینی قرار گرفتند و نمونه‌های آزمایشگاهی متعددی به‌منظور ارزیابی مجدد عملکرد این نوع اتصالات تحت بارگذاری زلزله، طراحی و آزمایش شد.

برخی گزارش‌ها نشان دادند که در طول زمین‌لرزه نورثریج، ترک‌هایی در نزدیکی بال پایینی تیر و نزدیک به پشت بند و ریشه محل جوش پدید آمده و گسترش یافته‌­اند.

در نهایت، تمامی این موارد نشان داد که اتصالات صلب جوشی نیازمند بررسی مجدد و به‌کارگیری ضوابط دقیق‌تری در طراحی و اجرای سازه‌های مقاوم در برابر زلزله هستند.

 اتصالات درختی ستون‌ها

با گذشت زمان و انجام پژوهش‌های متعدد، به منظور افزایش ایمنی و بهبود عملکرد اتصالات و کیفیت ساخت، ایده اتصال تیرهای کوتاه به ستون در کارخانه ساخت اسکلت مطرح گردید. این اتصالات به دلیل شکل ظاهری خاص خود، به اتصال درختی معروف هستند .

در سیستم اتصال درختی، کارخانه تکه‌های کوتاه تیر را طبق برخی از اتصالات از پیش تأییدشده در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (مانند WUF-W) به ستون‌ها جوش می‌دهد. پس از نصب ستون‌ها در کارگاه، تیر اصلی به انتهای دو تکه تیر جوش‌خورده به ستون، پیچ یا جوش می‌شود. شکل 3 نمایی از این ستو­‌ن‌­ها را نشان می‌­دهد.

شکل ۴ نشان می‌دهد که قاب‌های خمشی با سیستم اتصال درختی، بر اساس جزئیات اتصال، به چهار دسته کلی تقسیم می‌شوند.

از مزایای این سیستم اتصال می­توان به افزایش کنترل و کیفیت ساخت و هدایت کنترل شونده مفصل پلاستیک اشاره کرد.

منابع:

• مبحث دهم مقررات ملی ساختمان
• Seismic Design of Steel Column-Tree Moment-Resisting Frames Written by Prof. Astaneh-Asl
• وبسایت سبزسازه