قاب خمشی فولادی :هنگام ایجاد فضاهای باز با دهانه های بلند چه مواردی را باید در نظر بگیریم؟

شکل1- مطالعه اخیر انجام شده بر روی هزینه های ساختمان های فولادی ، حاکی از افزایش 250 درصدی هزینه ها در صورت استفاده از قاب خمشی در مقایسه با قاب های مهاربندی شده می باشد.

پایداری یک ساختمان مقوله مهمی در طراحی است که مهندسان سازه باید درک خوبی از آن داشته باشند. سازه هایی که در هزاران سال گذشته تا کنون ساخته شده‌اند بر مبنای یکی از این سه نوع سیستم پایداری و یا در برخی موارد ترکیبی از آن ها بنا گردیده‌اند: دیوار برشی، قاب مهاربندی و یا قاب‌های خمشی. این مقاله به معرفی قاب‌های خمشی می‌پردازد که با فضاهای باز دهانه بلند همخوانی دارند.

قاب‌های خمشی

یک قاب خمشی از سیستمی از ستون‌ها و تیر‌هایی که با اتصالات کاملا گیردار و یا نیمه گیردار به هم متصل شده‌اند، تشکیل می شود. با وجود اتصالات خمشی، هنگام تحلیل سازه، ستون بدون هیچ آزادی در نقطه اتصال به تیر وصل می‌شود. بارهای وارد بر قاب خمشی، توسط خمش ایجاد شده در تیرها و ستون ها که برش و خمش را به تیر ها و ستون ها و اتصالات خمشی آن ها منتقل می کنند، تحمل می‌شوند. به طور کلی سه نوع قاب خمشی وجود دارد: قاب خمشی ساده(OMF)، قاب خمشی متوسط(IMF) و قاب خمشی ویژه(SMF). این قاب ها در ادامه تعریف شده‌اند:

قاب‌های خمشی ساده(OMF) :

از این قاب ها انتظار می رود تا تغییر شکل های غیرالاستیک محدودی را که در اثر بارهای جانبی حاصل شده‌اند، در اعضا و اتصالاتشان تحمل کنند. قاب‌های خمشی ساده معمولا در مناطق غیر لرزه‌خیز و یا با لرزه‌خیزی کم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

قاب‌های خمشی متوسط(IMF):

از این قاب ها انتظار می رود تا تغییر شکل های غیر الاستیک محدودی را که در اثر بارهای جانبی حاصل شده‌اند، در اعضا و اتصالاتشان تحمل کنند و باید در آن ها از اتصالات تایید شده توسط انجمن سازه های فولادی آمریکا (AISC) و یا اتصالاتی که جهت تایید تحت تست سایکلیک قرار گرفته اند و از تست جواب مثبت گرفته اند استفاده کرد. IMF ها باید دریفت طبقات را تا زاویه 0،02 رادیان تحمل کنند و معمولا در مناطق با زلزله خیزی کم و متوسط مورد استفاده قرار می گیرند.

قاب‌های خمشی ویژه(SMF):

از این قاب ها انتظار می رود تا تغییر شکل‌های غیر الاستیک قابل توجهی را در اعضا و اتصالاتشان تحمل کنند. این تغییر شکل ها در اثر بارهای جانبی به وجود می آیند. در SMF ها باید از اتصالات تایید شده توسط انجمن سازه‌های فولادی آمریکا (AISC) و یا اتصالاتی که جهت تایید تحت تست سایکلیک قرار گرفته اند و از تست جواب مثبت گرفته اند استفاده کرد. IMF ها باید دریفت طبقات را تا زاویه 0،04 رادیان تحمل کنند و معمولا در مناطق با زلزله خیزی زیاد و خیلی زیاد مورد استفاده قرار می گیرند.

در نظر گرفتن نقاط ضعف و قوت

قاب‌های خمشی معمولا از سیستم‌های دیوار برشی و قاب‌های مهاربندی گرانتر هستند، به‌ویژه زمانی که برای سختی مشابهی برای سطح سرویس طراحی شوند. هزینه بر بودن قاب‌های خمشی دلیل اصلی برای قرار گرفتن این سیستم ها به عنوان آخرین گزینه در ذهن مهندسان سازه است.

دیوار برشی ها و قاب‌های مهاربندی، در فاصله ی بین طبقات مانع ایجاد می کنند که موضوع آن ها را برای استفاده در ساختمان هایی که پارتیشن های زیادی دارند قابل قبول می‌سازند. با این حال، معماران و مالکین ساختمان ها تمایل دارند در پلان ساختمان، فضاهای باز و کمترین موانع را داشته باشند. اتصالات تیر به ستون قاب‌های خمشی این امکان را فراهم می‌کند تا فضاهای باز بدون عضوهای مورب و یا دیوار داشته باشیم که موضوع ارزش هزینه بیشتر را دارد.

مقایسه هزینه ها

برخی ار فاکتورهای کلیدی در هزینه‌های مربوط به قاب‌های خمشی به شرح زیر هستند:

ابعاد تیرها و ستون های قاب خمشی در هر طول فوت می تواند خیلی بیشتر از قاب‌های مهاربندی باشد چراکه در قاب‌های خمشی اعضا وظیفه ی انتقال نیروها و تحمل دریفت جانبی را برعهده دارند مقاطع سنگین تر منجر به افزایش توناژ مصالح مصرفی و احتمالا نیاز به ادوات نصب بزرگتری می‌شوند.
ممکن است نیاز باشد از ورق های دوبل در ستون ها در محل اتصالات خمشی به منظور تقویت موضعی جان ستون استفاده کنیم. علت هزینه بر بودن ورق های دوبل در اصل به خاطر زمانی است که طول می کشد تا آن‌ها را روی ستون طول نصب کنیم.
معمولا عملیات جوشکاری در محل برای قاب‌های خمشی بیشتر از قاب‌های مهاربندی شده است که این امر موجب افزایش هزینه‌های نصب اسکلت فولادی می شود.
در مقایسه با مهاربندها، به تعداد قاب‌های خمشی بیشتری برای تامین سختی کافی نیاز است تا ساختمان بتواند الزامات مربوط به دریفت را ارضا کند.
تعداد محدودی از اتصالات تایید شده در مناطق با زلزله خیزی متوسط و زیاد مجاز هستند که البته می‌توانند از اتصالات مورد استفاده در مناطق با لرزه خیزی کم و مهاربندها، پرهزینه تر باشند.

مطالعه بر روی مقایسه ی هزینه ها

شکل 1 ، یک قاب خمشی رایج و یک قاب مهاربندی را برای یک قاب فولادی دو بعدی باعرض 15 فوت و ارتفاع 15 فوت نشان می‌دهد. ابعاد سازه ایی نشان داده شده مطابق با ضوابط مقاومت به روش LRFD در AISC، برای بار جانبی kip10 ± (با استفاده از ضریب 1،3 برای مدلسازی باد) و برای سرویس‌دهی با تحمل دریفت ( که در این مثال برابر 0،45 است)، طراحی شده است. همچنین ستون های این مثال برای اینکه نیاز به ورق های دوبل نباشد، با سایز بالا طراحی گردیده و به پی متصل شده‌اند. بر مبنای برآوردهای صورت گرفته توسط W&W Steel LLC در شهر اوکلاهاما، مجموع هزینه‌ها (مصالح، حمل، ساخت و نصب) برای قاب خمشی مثال حدود 8141 ، و برای قاب مهاربندی حدود 3185 دلار خواهد بود.که بررسی افرایش 250 درصدی را نشان می‌دهد. رنج صنعتی افزایش قیمت از مهاربندی به قاب خمشی می تواند مقادیر مختلفی داشته باشد اما معمولا این میزان بین 200 تا 400 درصد است.

نتیجه گیری

مهندسین سازه باید سیستم پایداری سازه ای طرح را در مراحل ابتدایی پروژه مشخص کنند. درک دیدگاه معمار و مالک نسبت به پروژه و موارد مرتبط با برنامه ریزی ها برای تصمیم درباره ی اینکه چه سیستم یا سیستم‌های پایداری در پروژه مورد استفاده قرار بگیرند و اینکه در نهایت در کجا قرار داده‌شوند بسیار لازم و ضروری است.

زمانی که دهانه های بلند و فضاهای باز در ساختمان نیاز باشد و اگر فضای کافی برای اضافه کردن دیوار برشی و یا مهاربند نداشته باشیم، استفاده از قاب خمشی منطقی است.

اگر تصمیم داریم قاب خمشی را به عنوان سیستم پایدار سازی انتخاب کنیم، رعایت این قوانین کاربردی و توجه به آنها می‌تواند هزینه‌ها را به حداقل برساند:

عدم استفاده از ورق های دوبل با افزایش ابعاد ستون
استفاده از جوش های نفوذی جزئی به جای جوش نفوذی کامل در اتصالات خمشی تیر به ستون در هر جایی که امکان داشته باشد.(تنها برای مناطق با لرزه خیزی کم و یا مناطقی که لرزه خیز نیستند)
اتصال گیردار پایه‌ ستون‌ها به منظور کاهش دریفت قاب خمشی. این اتصالات نسبت به اتصالات مفصلی پایه ستون‌ها، قاب‌های سخت تری ایجاد می‌کنند که منجر به تغییر شکل های دریفت کمتری می‌شوند.

برای اطلاعات بیشتر در زمینه قاب‌های خمشی فولادی به منابع زیر مراجعه کنید:

A Policy Guide to Steel Moment-Frame Construction (FEMA 354, November 2000)
Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications (ANSI/AISC 358-05, Dec. 13, 2005)
AISC Design Guide 13—Stiffening of Wide-Flange Columns at Moment Connections: Wind and Seismic Applications (AISC, 1999 Edition with 2003 Revisions)
AISC Design Guide 12—Modification of Existing Steel Welded Moment Frame Connections for Seismic Resistance (AISC, 1999 Edition)