ساختارهای قاب مهار شده

یک قاب مهاربند یک سیستم ساختاری است که با تهیه اعضای فولادی مورب (برای سازه های فولادی) یا دیواره های برشی (برای ساختارهای بتونی مسلح) تحت تأثیر بارهای جانبی (برای سازه های فولادی) قرار می گیرد. بنابراین ، فریم های مهاربند راه حل های ساختاری مؤثر برای مقاومت در برابر بارهای جانبی به دلیل باد یا زلزله در ساختمانها و سازه های مهندسی عمران هستند. در واقع ، آنها ثبات جانبی مورد نیاز در ساختارها را فراهم می کنند.

اعضای تثبیت کننده در یک قاب بریده معمولاً از فولاد سازه ای ساخته می شوند که می تواند در مقاومت در برابر نیروهای کششی و فشاری بسیار مؤثر باشد. بسیاری از قاب های مهاربندی چند طبقه در انگلستان به عنوان "ساخت و ساز ساده" طراحی شده اند ، با اتصالات اسمی بین تیرها و ستون ها. مقاومت به نیروی افقی ساختمانها در ساخت و ساز ساده توسط سیستم های مهاربندی یا هسته در تجزیه و تحلیل جهانی ارائه می شود.

در نتیجه ، تیرها به سادگی پشتیبانی می شوند ، و ستون ها صرفاً برای مقاومت در برابر لحظات ناشی از حداقل خارج از مرکز در اتصال پرتو به ستون (در رابطه با نیروهای محوری) طراحی شده اند. در نتیجه ، نیازی به در نظر گرفتن بارگذاری الگوی هنگام محاسبه نیروهای طراحی در ستون ها نیست.

شکل 1: یک ساختمان مرتفع و بریده

Eurocodes رویکرد طراحی "ساخت و ساز ساده" را در نظر می گیرد. اگر مفصل مطابق BS EN 1993-1-8 به عنوان "به صورت اسمی" طبقه بندی شود ، و این طبقه بندی بر اساس عملکرد رضایت بخش قبلی در موارد مشابه ، یک مدل مشترک "ساده" است که در آن مفصل فرض می شود که خم شدن را انتقال نمی دهدممکن است از لحظات استفاده شود. واکنش های پرتو به صورت غیر عادی روی ستون ها در تنظیمات مشترک به طور مرتب استفاده شده در انگلستان اعمال می شود ، که یک اتصال پین شده را فرض می کنند ، اما همچنین فرض می کنند که واکنش های پرتو بصورت غیر عادی روی ستون ها اعمال می شوند.

بنابراین مدل تجزیه و تحلیل جهانی ممکن است اتصالات پین شده بین ستون ها و پرتوهای مربوط به فریم های مهاربند ساخته شده مطابق با BS EN 1993-1-1 را فرض کند ، به شرط آنکه ستون ها به دلیل واکنش های عجیب و غریب از تیرها برای لحظه های خمشی طراحی شوند.

سیستم مهاربندی

تیرها و ستون ها در یک ساختمان چند طبقه به طور معمول در یک الگوی متعامد در ارتفاع و برنامه قرار می گیرند. دو سیستم مهاربندی متعامد مقاومت در برابر نیروی افقی در یک ساختمان قاب بریده شده را فراهم می کنند:

• مهار عمودی ، و
• مهاربندی افقی

مهاربندی عمودی

مهاربندی عمودی (بین خطوط ستون) مسیرهای بار را فراهم می کند که نیروهای افقی را به سطح زمین منتقل می کنند و در عین حال مقاومت سختی را نیز در برابر نوسانات کلی ایجاد می کنند. هواپیماهای مهاربندی عمودی در یک ساختمان چند طبقه قاب مهار شده معمولاً توسط مهاربند مورب بین دو خط ستون ارائه می شوند ، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: خرپا کانسیلر

مورب های منفرد ، همانطور که نشان داده شده است ، باید برای تنش یا فشرده سازی طراحی شود ، اما از قطرهای عبور می توان با اجزای مهاربندی باریک استفاده کرد که در برابر تنش های فشاری مقاومت نمی کنند (سپس فقط مورب های کششی مقاومت را فراهم می کنند). پرتوهای کف هنگام استفاده از مورب ها به عنوان بخشی از سیستم مهاربندی شرکت می کنند و در نظر گرفته می شود که فقط مورب های کششی مقاومت ایجاد می کنند (در واقع یک خرپای پرات عمودی ایجاد می شود ، با مورب ها در تنش و پست در فشرده سازی).

بریس های عمودی باید برای مقاومت در برابر نیروهای زیر طراحی شوند:

• نیروهای بادی
• نیروهای افقی معادل ، که اثرات نواقص اولیه را نشان می دهد
• اثرات مرتبه دوم ناشی از نوسان (اگر قاب انعطاف پذیر باشد).

برای ترکیب مناسب اقدامات ، نیروهای اعضای خاص سیستم مهاربندی باید تعیین شوند. پیش بینی می شود که نیروهای طراحی در ULS به دلیل ترکیبی که بار باد عمل غالب است ، برای مهار کردن اعضای بسیار سنگین ترین است. اعضای مهاربندی که در حدود 45 درجه تمایل دارند ، هر زمان ممکن ترجیح داده می شوند.

این منجر به یک سیستم کارآمد با نیروهای عضو کم در مقایسه با سایر تنظیمات و همچنین جزئیات اتصال جمع و جور که در آن مهاربندی با اتصالات پرتو/ستون ملاقات می کند. حساسیت نوسان سازه توسط سیستم های مهاربندی باریک با عناصر داخلی کاملاً شیب دار افزایش می یابد. سازه هایی با مهاربندی گسترده پایدارتر خواهند بود.

شکل 3: نصب بریس ها در یک ساختمان فولادی

در یک ساختمان ، حداقل دو هواپیمای مهاربندی عمودی در هر جهت متعامد باید ارائه شود تا از فروپاشی نامتناسب جلوگیری شود. در صورت وقوع خرابی محلی در یکی از قسمت های آن ، هیچ مؤلفه قابل توجهی از ساختار که تنها با یک هواپیمای مهاربندی در جهت مورد مطالعه قرار گرفته است ، وجود ندارد.

انواع مهاربندی عمودی

انواع مختلفی از سیستم های مهاربندی را می توان برای پایداری جانبی سازه های قاب دار به کار برد. قاب های مهاربندی مورب، قاب های مهاربندی شده V و قاب های مهاربندی شده شورون سه شکل محبوب از قاب های مهاربندی متحدالمرکز هستند. مطالعات نشان داده است که تحریک لرزه ای ناشی از زلزله می تواند به طور موثر توسط قاب های مهاربندی شده متحدالمرکز مقاومت کند. این بدان معناست که مهاربندها، ستون ها و تیرها در برابر شتاب لرزه ای جانبی عمدتاً از طریق نیروهای محوری (کشش و فشار) و تغییر شکل مقاومت می کنند.

به منظور درک اثرات مهاربندی، اجازه دهید قاب بدون مهاربندی را که در شکل 4 نشان داده شده است در نظر بگیریم.

شکل 4: قاب معمولی بدون مهار

تحت بار اعمال شده، انحراف در قاب در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5: انحراف قاب بدون مهار

حال، اجازه دهید تأثیر سیستم های مهاربندی مختلف بر رفتار انحراف قاب را در نظر بگیریم.

مهاربندی تک مورب

مهاربندی تک مورب در مقاومت در برابر بارهای جانبی موثر در نظر گرفته می شود. آنها با وارد کردن اعضای تک مورب به قاب (خرپایی) تشکیل می شوند. هنگامی که بار جانبی به قاب مهاربندی شده اعمال می شود، مهاربندهای مورب تحت فشار قرار می گیرند در حالی که شبکه افقی به عنوان عضو کششی محوری به منظور حفظ ساختار قاب در تعادل عمل می کند. اگر قاب نشان داده شده در شکل 4 را در نظر بگیریم، اجازه دهید مورب هایی را با همان ویژگی عضو UB 152 x89x16 که در شکل 6 نشان داده شده است، معرفی کنیم.

شکل 6: ساختار قاب با مهاربندی تک مورب

جالب توجه است که معرفی مهاربندی تک مورب جابجایی جانبی قاب را تا 99. 34% کاهش داد، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است. در این حالت، ستون های سمت چپ و مورب های قاب مهاربندی شده در حالت کشش قرار داشتند، در حالی که افقی قاب در حالت کشش قرار داشت. تیرها و ستون های سمت راست در فشار محوری قرار داشتند.

شکل 7: انحراف سازه قاب با مهاربندی تک مورب

مهاربندی متقاطع (قاب های پرانتزی X)

در قاب های ضربدری، دو عضو مورب از یکدیگر عبور می کنند و شکل X را تشکیل می دهند. اینها صرفاً باید در مقابل کشش مقاوم باشند و بسته به جهت بارگذاری، هر بار یک مهاربند برای مقاومت در برابر بارگذاری جانبی عمل کند. بنابراین می توان از کابل های فولادی برای مهاربندی متقاطع استفاده کرد. عملکرد مهاربندهای کششی در طراحی مهاربندهای تک مورب و مهاربندی X به سختی، مقاومت و شکل پذیری بستگی دارد.

شکل 8: ساختار قاب با مهاربندی متقاطع (X-bracing)

هنگامی که مهاربندی متقاطع روی قاب اعمال می شود، انحراف در شکل 9 نشان داده شده است.

شکل 9: انحراف ساختار قاب شده با مهاربندی متقاطع (-ثبت X)

نتیجه نشان می دهد که قاب مجهز به X در کاهش جابجایی جانبی سازه کارآمدتر از مهاربندی متقاطع تک رنگ است. با این حال ، این معمولاً با هزینه هزینه اضافی و افزایش خم شدن تیرهای افقی انجام می شود. از رفتار ساختاری ، مشاهده شد که یکی از بریس ها در تنش است ، در حالی که دیگری در فشرده سازی است (بسته به جهت بار).

-بریس V (مهاربندی شورون)

مهاربندی شورون با معرفی پرانتزهای V شکل در قاب تشکیل می شود. بریس های شورون به دلیل سفتی و استحکام الاستیک بالا شناخته شده اند. بر خلاف مهاربندی متقاطع ، مهاربندی شورون نیز در افزایش عملکرد معماری مؤثر است. این امر به منظور ترتیب دادن پنجره و ورودی در خلیج بریس ضروری است.

با این حال ، تحت تأثیر بار جانبی ، نیروهای ناهموار بر روی بریس ها تشکیل می شوند. این امر به این دلیل است که مهاربندی فشرده سازی تغییر شکل می یابد در حالی که پرانتز تنش در جای خود باقی می ماند تا نیروی تنش را در حین بارگذاری جانبی حفظ کند.

شکل 10: نصب معمولی یک مهاربندی شورون در سایت

تحت بار زلزله ، بریس های تنش و فشرده سازی تأثیر قابل توجهی در نیروی توزیع شده نامتعادل دارند ، که می تواند باعث انحراف الاستیک قاب براک شده شود. در نتیجه تغییر شکل بریس ها ، کل قاب بریس عملکرد ضعیفی دارد. این بدان معناست که در هر سطح از خلیج بندها ، یک بریس در برابر تنش مقاومت می کند در حالی که بریس دیگر در برابر فشرده سازی مقاومت می کند. قبل از نقطه کمانش ، هر دو استرس جانبی را به طور مساوی در محدوده الاستیک توزیع می کنند.

از طرف دیگر ، تنش تنش تنش خود را پس از کمانش حفظ می کند ، اما بریس های فشرده سازی تمام ظرفیت بار محوری خود را از دست می دهند. این به بار جانبی توزیع شده نامتعادل کمک می کند و منجر به یک لحظه خمش قابل توجه در تقاطع پرتو می شود. در نتیجه ، پرتوی میانی یک لولا پلاستیکی ایجاد می کند و به دلیل عدم توانایی در برابر فشارهای رو به پایین ، به هم می ریزد.

برای قاب بارگذاری شده همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است ، بریس های شورون همانطور که در شکل 11 نشان داده شده است معرفی می شوند.

شکل 11: ساختار قاب بندی شده با مهار V (مهاربندی شورون)

انحراف قاب تحت بار جانبی در شکل 12 نشان داده شده است.

شکل 12: انحراف ساختار قاب شده با مهاربندی شورون

رفتار انحراف قاب X و مهاربندی شورون کاملاً قابل مقایسه است.

خلاصه انحراف جانبی در جدول زیر نشان داده شده است.

مهاربندی افقی

در هر سطح طبقه ، مهاربندی افقی (که معمولاً توسط عملکرد صفحه کف ارائه می شود) یک مسیر بار را برای نیروهای افقی (بیشتر از ستون های پیرامونی به دلیل فشار باد بر روی روکش) فراهم می کند تا به هواپیماهای مهاربندی عمودی منتقل شود.

در هر سطح طبقه ، یک سیستم مهاربندی افقی برای انتقال نیروهای افقی (بیشتر آنهایی که از انتهای ستون های محیطی منتقل شده اند) به هواپیماهای مهاربندی عمودی که مقاومت در برابر نیروهای افقی دارند ، لازم است. در قاب های مهاربند چند طبقه ، دو نوع سیستم مهاربندی افقی وجود دارد:

• دیافراگم
• مهاربندی مثلث گسسته.

در بیشتر موارد ، سیستم کف بدون نیاز به مهاربندی اضافی از فولاد به عنوان دیافراگم کار می کند. اگر در سطح سقف دال وجود نداشته باشد ، مهاربندی ، که به عنوان یک بادگیر نیز شناخته می شود ، ممکن است برای حمل نیروهای افقی در بالای ستون ها لازم باشد.

اگر سیستم مهاربندی افقی در هر سطح طبقه نسبتاً سفت باشد (همانطور که وقتی کف به عنوان دیافراگم عمل می کند) ، نیروهای حمل شده توسط هر هواپیمای مهاربندی عمودی با سفتی و قرارگیری نسبی آن و همچنین محل قرارگیری آن تعیین می شوند. مرکز فشار نیروهای افقی.

دیافراگم افقی

قالب دائمی ، مانند تزئینات فلزی متصل به پرتوهای با جوش گل میخ از طریق عرشه ، و بتن بتونی درجا ، یک دیافراگم سفت و سخت مؤثر برای انتقال نیروهای افقی به سیستم مهاربندی فراهم می کند. اگر تخته های بتونی پیش ساخته به عنوان یک دیافراگم کار کنند ، برای اطمینان از انتقال نیروی مؤثر باید به فکر مقرر باشد.

تخته ها و کارهای فولادی می توانند ضریب اصطکاک به حداقل 0. 1 و حتی در صورت رنگ آمیزی فولاد نیز داشته باشند. این باعث می شود که صفحات روی فولاد بچرخند و نسبت به یکدیگر حرکت کنند. فرار بین صفحات فقط بخشی از مشکل را حل می کند. برای برش های قابل توجه ، یک سیستم اتصال مثبت تر بین صفحات و از صفحات تا کار فولادی لازم است.

تقویت در تاپ ممکن است برای اتصال تخته ها استفاده شود. این می تواند مش یا پیوندهایی باشد که در هر دو انتهای یک ردیف از تخته ها اجرا می شود تا کل عملکردهای پانل را به عنوان یکی از آنها اطمینان دهد. در بیشتر موارد ، یک نوار 10 میلی متری در نیمی از عمق تاپ کفایت می کند.

یکی از دو رویکرد می تواند برای اتصال به فولاد استفاده شود:

• پیوندهایی بین تاپ و یک قسمت در محل به کار با فولاد (معروف به "نوار لبه") ارائه دهید.
• صفحات را با یک قاب فولادی (روی زاویه های قفسه ، یا به ویژه محدودیت ارائه شده) محصور کنید و شکاف را با بتن پر کنید. اتصالات برشی باید بر روی پرتوی فولادی نصب شود تا نیروهای بین نوار لبه در محل و فولاد انجام شود.

اگر نیروهای دیافراگم برنامه با استفاده از یاتاقان مستقیم (معمولاً خرس های دال روی صورت یک ستون) به کارگاه فولادی منتقل شوند ، ظرفیت اتصال باید تأیید شود. ظرفیت تخته اغلب با خرد کردن محلی محدود می شود. در هر سناریو ، از بتن در محل برای پر کردن شکاف بین تخته و فولاد استفاده می شود.

بدون ضمانت های اضافی ، کف و کفهای چوبی ساخته شده از پرتوهای TEE معکوس بتونی پیش ساخته و بلوک های ورودی (که اغلب به آن طبقه های "پرتو و گلدان" گفته می شود) دیافراگم های مناسبی در نظر گرفته نمی شوند.

مهاربندی مثلثی گسسته

هنگامی که به عمل دیافراگم نمی توان به آن اعتماد کرد ، یک سیستم افقی از مهاربندی فولادی مثلثی نشان داده شده است. در هر جهت متعامد ، ممکن است یک سیستم مهاربندی افقی مورد نیاز باشد. سیستم های مهاربندی افقی اغلب بین "تکیه گاه ها" که موقعیت های مهاربندی عمودی هستند ، فاصله دارند. این پیکربندی غالباً منجر به خرپا می شود که کل عرض سازه را در بر می گیرد و عمق برابر با مراکز خلیج است. Warren Trusses ، Pratt Trusses و اعضای Crossing همه تنظیمات مهاربندی کف مشترک هستند.