آموزش etabs

ستون کوتاه در تیرهای میان طبقه (قسمت اول)

بازدید: ۲۱۸

مقدمه

ستون کوتاه یکی از عوامل مخرب در سازه‌های ساختمانی (فولادی و بتنی) محسوب می‌شود و امروزه نیز به یکی از بحث‌های چالش برانگیز بین مهندسین سازه تبدیل شده است.

هدف این نوشتار  که توسط مهدس رضا سلطان آبادی مدرس آموزش Etabs -بسته محاسب سازه و مهندس صلاح الدین مام عزیزی تهیه شده، بررسی امکان تشکیل ستون کوتاه در صورت وجود تیرهای میان طبقه در سازه‌های بتنی است.

بررسی ستون کوتاه در تیر های میان طبقه-قسمت اول

سؤال اصلی که مطرح می‌شود این است که آیا تیرهای میان طبقه در سازه‌های بتنی که اتصالات آن‌ها به صورت گیردار است، می‌تواند موجب تشکیل ستون کوتاه شود؟

این سؤال در کانال تلگرامی مهندس سلطان آبادی به صورت نظر سنجی مطرح شد که حدود ۶۲ درصد از مهندسین به تشکیل قطعی ستون کوتاه اعتقاد داشتند.

اما همانطور که در ادامه خواهید دید، با رعایت ضوابط لرزه ای آیین نامه ACI318-14 می‌توان نشان داد که پدیده ستون کوتاه به همچین موقعیتی از سازه‌های بتنی تشکیل نخواهد شد و در صورت رعایت ضوابط لرزه ای در طرح برشی همچین ستون‌هایی می‌توان از عدم شکست برشی ستون­ها اطمینان حاصل کرد و نیازی به اجرا با جزئیات ویژه و ناشناخته در رفتار لرزه­ای نظیر پاگردهای آویز و یا دیوارک‌های بتنی نخواهد بود.

با رعایت ضوابط لرزه­ای آیین­نامه  می­توان نشان داد که  پدیده ستون کوتاه در ستون­های متصل به تیر میان طبقه تشکیل نخواهد شد.

 

تعریف ستون کوتاه

سازه‌های ساختمانی امروزی از قاب‌های فضایی تشکیل می‌شوند. قاب‌های فضایی از به هم متصل شدن تیر و ستون تشکیل می‌شوند که ستون‌ها نقش بسیار مهمی در باربری ثقلی و جانبی خواهند داشت.

از علم مکانیک جامدات به خاطر داریم که یک عضو میله­ای نظیر ستون‌ها دارای بی نهایت درجه آزادی در طول خود می‌باشد و اگر به خاطر داشته باشیم برای تحلیل دقیق آن‌ها باید از معادلات دیفرانسل استفاده شود.

هر عضوی در طول خود دارای یکسری شرایط تکیه گاهی می‌باشد که در فرضیات طراحی سازه‌های متعارف تکیه گاه و قیود آن‌ها در ابتدا و انتهای اعضا در نظر گرفته شده و سازه با این شرایط تحلیل و ارزیابی می‌شود. حال چنانچه در بخشی از طول ستون قیود جانبی و یا اینکه طول آن بسیار کوتاه­تر از سایر ستون‌ها باشد، و اگر این اثرات در طراحی سازه در نظر گرفته نشود، رفتار خمشی ستون (که بسیار مورد پسند طراحان و آیین­نامه است) به رفتار مخرب برشی تبدیل شده که رفتاری بسیار نامناسب سازه ای محسوب می‌شود. توجه شما را به مطلب زیر نقل از یکی از مراجع معتبر در این زمینه، جلب می‌کنیم:

There are two types of short column problems; firstly, where some columns are shorter than others in a moment frame, and secondly, where columns are so short they are inherently brittle. The short columns of the second group are usually normal length columns that are prevented from flexing and undergoing horizontal drift over most of their height by partial-height infill walls

ستون ایده آل و ستون مقید شده

از این جمله خصوصاً بخش برجسته شده کاملاً واضح است که پدیده ستون غالباً برای اعضایی میله­ای رخ می‌دهد که درصد زیادی از طول آن‌ها با قیود جانبی همچون دیوار غیر سازه­ای مقید شده و مانع حرکت جانبی آن‌ها خواهد شد. برای درک بهتر به شکل (۱) توجه کنید.

 

ستون ایده آل و ستون مقید شده               شکل (۱) ستون ایده آل و ستون مقید شده

 

مکانیسم ستون کوتاه

همانطور که از شکل (۱) واضح است به دلیل حضور دیوار غیر سازه ای در درصد زیادی از طول ستون، کل طول منعطف ستون تنها به درصدی از آن تبدیل می‌شود و همین مسئله موجب سوق پیدا کردن رفتار خمشی به رفتار مخرب برشی خواهد شد. حال این سؤال مطرح است چرا این اتفاق می‌افتد؟ برای پاسخ به این سؤال به شکل (۲) توجه کنید.

 

مکانیسم ستون کوتاه             شکل (۲) مکانیسم ستون کوتاه

جلوگیری از شکست برشی

مطابق آیین نامه‌های طراحی سازه‌های بتنی، برای جلوگیری از شکست برشی که یک شکست ناگهانی و نامطلوب در سازه‌های بتنی شمرده می‌شود، نیروی برشی طراحی در ستون باید از طریق تعادل ظرفیت خمشی با فرض تشکیل مفصل پلاستیک در دو انتها عضو محاسبه شود.

البته این ضابطه برای قاب‌های خمشی ویژه و متوسط مقداری متفاوت است اما کلیات و مفهوم هر دو یکسان است. حال با در نظر گرفتن شکل واقعی (۱) و مدل ریاضی در نظر گرفته شده در شکل (۲) نیروی برشی محاسبه شده از ظرفیت خمشی ستون از طریق رابطه (۱) محاسبه می‌شود.

 

رابطه 1

(۱-الف)

 

 

رابطه 2

(۱-ب)

 

چون در هر دو ستون شکل (۱) و (۲) دارای یک مقطع یکسان هستند بنابراین مقدار ظرفیت خمشی هر دو ستون نیز برابر است. اما همانطور که واضح است نیروی برشی حاصل شده از ظرفیت خمشی به طول آزاد عضو وابسته است که برای ستون معمول طول L۱ و برای ستون متصل شده طول آزاد برابر L۲ می‌باشد.

 

آموزش etabs

 

به عنوان مثال

فرض کنید که دیوار ۷۵ درصد طول ستون را پوشش می‌دهد که در این حالت نیروی برشی در این ستون حدود ۴ برابر می شود! به همین دلیل نیروی برشی در ستون متصل شده به دیوار به دلیل اینکه طول آزاد آن در مخرج رابطه (۱-ب) حضور دارد نیروی برشی را به شدت افزایش می‌دهد.

حال که با علت وقوع این پدیده آشنا شدیم، در شکل‌های زیر نمونه‌هایی از ستون کوتاه را می‌توان مشاهده کرد.

 انواع حالات وقوع پدیده مخرب ستون کوتاه

           شکل (۳)  انواع حالات وقوع پدیده مخرب ستون کوتاه

 

شکل (۳-الف) پدیده ستون کوتاه در یک ستون فولادی در زلزله آبان ماه ۱۳۹۶ سرپل ذهاب می‌باشد که توسط نگارنده تهیه شده است.

همانطور که از شکل‌های فوق پیدا است، ستون کوتاه به دلایل پیش بینی نشده در بخشی کوتاهی از ستون اتفاق می‌افتد. به عبارتی مهندس طراح فرض کرده است که در طول ستون هیچ قیدی به جز سقف طبقات وجود ندارد اما در اجرا این مسئله رعایت نمی‌شود و به خاطر مسائل معماری از دیوارهای غیر سازه ای کوتاه استفاده می‌کنند.

ایجاد بازشو نامناسب در دیوارهای حائل سازه ای

همچنین یک حالت بسیار رایج که امروزه توسط مهندسین محاسب استفاده می‌شود، طراحی دیوارهای حائل بتنی است که کل ارتفاع زیر زمین را پوشش نمی‌دهد و درصدی از ارتفاع ستون متصل به دیوار حائل هیچ اتصالی با دیوار ندارد که در شکل (۴) این مسئله نمایش داده شده است.

 

ایجاد بازشو نامناسب در دیوارهای حائل سازه ایشکل (۴)  ایجاد بازشو نامناسب در دیوارهای حائل سازه ای

 

همانطور که از شکل (۴) واضح است، ستون مشخص شده مستعد دریافت برش‌های بسیار زیادی است که متاسفانه نرم افزار ETABS این مسئله را به خوبی نمی‌تواند اعمال کند و ممکن است مهندس محاسب نتایج ایتبس را پذیرفته و اقدام به نهایی کردن محاسبات سازه نماید در صورتی که چنانچه این ستون برای ضوابط یاد شده طرح شود ممکن است جوابگوی برش وارده نباشد (که احتمال بسیار زیاد همینگونه نیز خواهد شد).

مجدداً تاکید می‌شود که این پدیده برای رفتارهای پیش بینی نشده در طراحی اتفاق خواهد افتاد.

 

برای خواندن مطلب ستون کوتاه در تیرهای میان طبقه بخش دوم ، بر روی لینک کلیک کنید.

 

اگر میخواهید یک محاسب سازه حرفه ای شوید بر روی لینک زیر کلیک کنید.

آموزش etabs

نظر شما چیست؟

لطفاً نظرات خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید