مقاله در مورد بررسی رفتار سیستم سازه ای خرپای پله‌ای

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 مقاله در مورد بررسی رفتار سیستم سازه ای خرپای پله‌ای دارای ۲۴ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله در مورد بررسی رفتار سیستم سازه ای خرپای پله‌ای  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله در مورد بررسی رفتار سیستم سازه ای خرپای پله‌ای،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن مقاله در مورد بررسی رفتار سیستم سازه ای خرپای پله‌ای :

بررسی رفتار سیستم سازه ای خرپای پله‌ای

– این مقاله دارای شکل است –
چکیده:
سیستم سازه ای پله ای (staggreed truss) سیستمی است که به تازگی از جانب مهندسین سازه در کشورهای عربی مورد توجه و استفاده قرار گرفته است.در این تحقیق ابتدا خصوصیات هندسی و معماری سیستم سازه ای خرپاهای پله ای توصیف و سپس عملکرد این سیستم با مدلسازی المان محدود مورد مطالعه قرار گرفته است.در این مطالعه میزان تغییر مکان جانبی نسبی طبقات،نیروی کششی در پی (uplift) و همچنین وزن فولاد مصرفی در اسکلت این سیستم با سایر سیستم های رایج اسکلت فولادی (قاب‌های خمشی و قابهای باد بندی)مقایسه شده است.

۱- مقدمه
به منظور دستیابی به یک سیستم با کار آرایی بیشتر برای مفابله با بارهای جانبی توام با تحمل بارهای قائم و همچنین تغییر دادن فضای معماری برای رسیدن به یک فضای بزرگ بدون ستون میانی،نظریه اولیه سیستم خرپای پله ای(شکل ۱)ابتدا توسط تیم معماری و مهندسین عمران دانشگاه M.I.T. در دهه ۱۹۷۰ میلادی معرفی شد[۱] اما به دلیل عدم امکان شناخت دقیق رفتار این سیستم که ناشی از محدودیتهای تحلیل و محاسباتی است ، چندان مورد توجه قرار نگرفت . با پیشرفتهای حاصل شده درسالهای اخیر درعلم تئوری سازه ها و بخصوص روشهای عددی و

همچنین علاقه مهندسین آرشیتکت به فضاهای باز ، این سیستم از چندی قبل مجددا مورد توجه خاص قرار گرفته است . این سیستم تا کنون در ساخت انواع گوناگون سازه های نمیه مرتفع (۱۵ تا ۲۰ طبقه) مثل هتلها و ساختمانهای مسکونی و خوابگاه‌ها و بیمارستان‌ها و دانشگاهها به کار رفته است.
۲- خصوصیات سیستم خرپاهای پله ای
نظریه پایه در مورد سیستم خرپاهای پله ای این است که کل قاب سازه در مقابله با بارهای جانبی به شکل یک تیر طره قائم رفتار کند . دراین حالت تمامی ستونها در پیرامون سازه قرار می گیرند و به عنوان بال تیر طره و خر پاها بعنوان جان تیر طره عمل می کنند . بدین ترتیب در اسکلت سازه فقط دو ردیف ستون کناری خواهیم داشت که خرپاها مابین این ستونها قرار خواهند گرفت . شکل (۲) با قرار گرفتن ستونها در دیوارهای پیرامونی ساختمان ، ستونهای داخلی حذف می شوند و بنابراین در عرض ساختمان هیچگونه ستونی موجود نخواهدبود . از آنجا که ترتیب قرار گیری خرپاها در کل طبقه به صورت یک در میان در بین ستونها می باشد در نتیجه یک فضای خالی یا دو دهانه بین دو خرپای مجاور در هر طبقه ایجاد می‌شود. (شکل ۳).

در جهت طولی ساختمان عمدتا از سیستم قاب خمشی استفاده می گردد تا در محل قرارگیری پنجره‌ها در بعد طولی ساختمان هیچ عضو سازه ای (مثل اعضای بادبندی ) قرار نگیرد . در این صورت اگر دو برش از نمای طولی ساختمان از محل دو قاب مجاور را در نظر بگیریم ملاحظه می‌شود که خرپاها در قابهای متوالی هم به صورت یک درمیان در دهانه های مجاور نصب می شوند. همچنین خرپاها درهر قاب نیز بصورت یک درمیان در طبقات قرار می گیرند. (شکل ۴).

همانطور که در شکل ۴(ب و ج ) ملاحضه می شود برای اینکه خرپاها کل عرض ساختمان را مسدود نکنند یک دهانه خالی در وسط خرپاها تعبیه می شود تا یک راهرو دسترسی درهر طبقه فراهم شود.
از دیدگاه معماری، یکی از خصوصیات جالب سیستم مورد بحث آن است که در طبقه همکف نیازی به اجرای خرپا نیست و می توان با نصب مهاربندی هایی در این طبقه برش حاصل از بارهای جانبی از طبقات فوقانی را به پی سازه منتقل نمود . ازدیگرمزایای معماری وسازه ای سیستم خرپاهای پله ای می توان به موارد زیر اشاره کرد . [۱] و [۲]:

– ایجاد فضاهای خالی و بدون ستون میانی در فاصله بین دو خرپا در کل عرض سازه و به اندازه دو دهانه در جهت طولی ساختمان.
– لنگر خمشی ناچیز در ستونها ناشی از بارهای ثقلی و جانبی بدلیل عملکرد طره ای قاب ساختمان.
– بدلیل قرار گیری ستون ها در دیوارهای پرامونی ، فونداسونها فقط در خطوط ستونها قرار می گیرند که می تواند تنها شامل دوپی نواری باشد . این موضوع کاهش حجم قالب بندی و هزینه های مربوط را به دنبال خواهد داشت.

– بدلیل اینکه در بیشتر اعضای خرپاها و ستونها در حالات مختلف بارگذاری نیروهای محوری ایجاد میشود و می توان از فولاد با مقاومت بالا استفاده کرد و درنتیجه وزن سازه را کاهش داد.
– از جهات مختلف ، طراحی یک سیستم خرپای پله ای از طراحی سازه های فولادی مرسوم ساده تر و اغلب جزییات اجرایی تکراری هستند .
– سرعت در نصب و اجرا.

۳- بررسی عملکرد اجزای سیستم
۳-۱ سیستم سقف:
سقف ساختمان مابین عضو پایین یک خرپا و عضو بالایی دو خرپای مجاور گسترش می یابد و بارهای ثقلی را به صورت یک طرفه به خرپاها منتقل می کند . اما مسیر انتقال بارهای جانبی در سیستم خرپاهای پله ای بدین صورت است که بارهای جانبی از طریق کف ساختمان به شکل یک دیافراگم یا تیر عمیق عمل می کند به عضو بالایی خرپای مجاور منتقل می شوند.

نیروها سپس از طریق اعضای جان خرپا که به شکل دیوار برشی عمل می کنند (یعنی سختی آنها از سختی جانبی ستونها بیشتر است) به عضو پایینی خرپا منتقل میشوند . اما در عضو پایینی هر خرپا، بارها نمی توانند مستقیما به پایین منتقل شوند چون خرپایی درادامه این عضو نمی باشد .بنابراین نیروهای برشی با برش آن طبقه جمع شده و توسط سیستم کف به عضو بالایی خرپاهای مجاور منتقل میشوند.

بدین طریق بارهای جانبی در مسیر رسیدن به پای ساختمان ، مکررا توسط سیستم کف بین خرپاها به عقب و جلو رانده میشوند . درنتیجه سازه قادر خواهد بود یک قاب مهاربندی شده را از طریق خرپاهایی که بین دو صفحه موازی قرار گرفته اند به کمک سیستم سقف فراهم سازد. بدین ترتیب سیستم کف باید برای فراهم کردن مقاومت وسختی دورن صفحه‌ای لازم طراحی شود تا تنش های برشی و خمشی ناشی از بارهای افقی را به خوبی تحمل نماید.

نو.ع سیستم کفی که برای سیستم خرپاهای پله ای بکار میرود معمولا توسط عوامل اقتصادی و محل اجرای پروژه تعیین می گردد . سیستمهای گوناگونی برای کف می توانند بکار گرفته شوند از جمله سقف مرکب، ‌دال بتنی در جا و پیش ساخته و نیز سقف های بتنی پیش ساخته مجوف .
اتصالات سیستم کف به خرپاها باید قادر به انتقال مستقیم بارهای ثقلی و برشی درون صفحه‌ای باشد . برش درون صفحه ای توسط اتصالات برگشیر به اعضای افقی خرپا منتقل میشود و این اتصالات بگونه ای طراحی می شوند که برش در جهت عرض ساختمان رابطور مناسب در طول اعضای بالاو پایین خرپاها توزیع کنند.

۳-۲- خرپاها:
تعداد پانل های خرپا به عمق و دهانه خرپا بستگی دارد . مهمترین اثر در طراحی خرپاها که کل عرض ساختمان را می پوشاند فراهم سازی یک باز شو در وسط دهانه خرپا به منظور ایجاد راهرو در میان پلان ساختمان است دراین حالت برای حل مشکل پایداری خرپاها دربرابر بارهای جانبی این اعضا در سه پانل میانی و یا به طور کلی درسرتاسر خود یکسره ساخته میشوند بدان معنا که در محل گره پانلها می توانند لنگر تحمل کنند.

باید توجه داشت که به دلیل وجود بازشو (راهرو وسط دهانه) دراثر بارهای زلزله در اعضای افقی خرپاها، خمش موضعی ایجاد میشود . نتایج آنالیزهای انجام شده نشان میدهد که لنگر خمشی در اثر بارهای زلزله در پانل میانی و در دو پانل طرفین آن ایجاد می شود و دربقیه اعضا تنها نیروی محوری ایجاد میشود ( شکل ۵).

۳-۳-ستونها :
اصلی ترین عمل ستونها حمل کل بارهای ثقلی و جانبی وارد به ساختمان در دو جهت طولی و عرضی است. بارهای ثقلی فقط به شکل بارهای محوری به ستونها منتقل میشوند زیرا اتصال خرپاها باه جان ستونها بصورت مفصلی برقرار می باشد . بارهای جانبی بدلیل عملکرد قاب دو صفحه‌ای خرپاها، بصورت بارهای محوری به ستون ها اعمال می شود .
بارهای وارد بر بعد طولی ساختمان درصورتی که مهاربندی موجود نبیاشد به وسیله قاب پرتال تحمل میشود.

۴- آنالیز دینامیکی
در تحقیق انجام شده ، جهت بررسی رفتار دینامیکی سیستم سازه ای خرپای پله ای از روش تحلیل دینامیکی طیفی استفاده و درهر امتداد پس از یک سری مطالعات مقدماتی ، ۵ مورد در نظر گرفته شده است . همچنین مقادیر بازتابها درصورت لزوم بر اساس آیین نامه ۲۸۰۰ اصلاح شده است.

۵- مقایسه میزان تغییر مکان جانبی
در این تحقیق برای اینکه تغییر مکان ناشی از بارهای جانبی در سیستم خرپاهای پله‌ای باسیستم قاب خمشی و قاب بادبندی مقایسه گردد ، سه اندازه پلان ۱۰×۲ ، ۲۰×۲۰،۳۰،۲۰ با تعداد طبقات ۱۰و ۱۵و۲۰ انتخاب و مدلسازی گردید . در سیستم قاب خمشی و قاب بادبندی طول

دهانه‌ها ۵ متر وبرای سیستم قاب بادبندی در پلان ۱۰×۲۰و ۲۰×۲۰ در جهت عرضی ۴ دهانه بادبندی و در پلان ۲۰×۳۰ تعداد ۶ دهانه بادبند ضربدری قرار داده شد. نتیجه حاصل از تغییر مکان جانبی این سیستم هابطور نمونه درمورد ساختمان ۲۰طبقه با پلان ۲۰×۳۰ درشکل ۶ ارائه شده است.

در شکل فوق نمودارهای stage و MRF و X به ترتیب سیستم های خرپاهای پله ای ، قاب خمشی و قاب مهاربندی را نشان میدهد . همانطور که دراین شکل دیده میشود تغییر مکان جانبی در سیستم خرپاهای پله ای نسبت به سایر سیستم ها کمتر است . بدیهی است که اگر بخواهیم تغییر مکان در سیستم بادبندی کمتر شود لازم است تعداد دهانه های بادبندی را افزایش دهیم.

حال اگر نمودار تغییر مکان نسبی طبقات را رسم کنیم ( شکل ۷) ملاحظه میشود که در سیستم خرپاهای پله ای بر خلاف سیستم قاب بادبندی بیشترین میزان تغییر نسبی طبقات در طبقه اول رخ می‌دهد. در حالی که در سیستم قاب بادبندی درطبقه آخر میزان تغییر مکان نسبی ماکزیمم مقدار می‌شود. دلیل این امر این است که درسیستم خرپاهای پله ای در طبقه همکف خرپایی موجود نیست و فقط مهاربندهای زانویی در این طبقه وظیفه انتقال بارهای جانبی به پی و کنترل تغییر مکان نسبی طبقه را بر عهده دارند.

۶-مقایسه وزن فولاد مصرفی در اسکلت سازه
یکی از مسائل مهم در اقتصادی بودن یک طرح سازه ای ، میزان وزن فولاد مصرفی در اسکلت سازه است. در این تحقیق مقایسه ای که از ساخت تعداد زیادی مدل سازه ای با ابعاد پلان مختلف بدست آمده نشان دهنده این ویژگی است که اگر وزن فولاد مصرفی درسایر سیستم‌های مورد مطالعه را نسبت به وزن فولاد در سیستم خرپای پله ای بسنجیم نتایج شکل ۸ حاصل میشود. بر اساس نتایج بدست امده سیستم قاب بندی ۱۶% بطور میانگین بیشتر از سیستم خرپاهای پله ای فولاد مصرف می کنند.

۷- مقایسه نیروهای کششی پی ( uplift )
یکی از مسائل مهم در محاسبات پی ساختمان میزان نیروهای کششی ناشی از بارهای زلزله است که با افزایش ارتفاع ساختمان مقدار این نیروها افزایش یافته و گاها استفاده از پی های گسترده و حتی شمع کوبی برای مهار این نیروها لازم میشود .
یکی دیگر از نتایج استخراج شده از مدلهای ساخته شده میزان نیروهای Uplift است که در شکل ۹ نمایش داده شده است . همانطور که دراین شکل دیده می شود در سیستم خرپاهای پله ای به میزان نیروی uplift بسیار کاهش یافته و حتی حذف میشود. به عبارت دیگر تحت هیچ یک از ترکیبات بارگذاری در پای ستونها نیروی کششی (قابل توجهی) ایجاد نمی شود.

علت اینکه درسیستم قاب بادبندی نیروهای کشش در پی ها (uplift) زیاد است ، این است که به ستونهایی که در کنار اعضای بادبندی قرار دارند سهم محدودی از بارهای ثقلی به آنها اختصاص می گیرد ولی درسیستم خرپای پله ای تمام ستونها به خرپاها متصل بوده و بارهای ثقلی بطور یکسان بین آنها توزیع میشود .

۸-نتیجه گیری
همانطور که اشاره گردید استفاده از سیستم خرپاهای پله ای علاوه بر مزایای زیاد معماری ، که قبلا شرح داده شد دارای مزایای سازه ای زیر نیز می باشد :
۱- کاهش وزن اسکلت سازه در حدود ۲۰تا ۳۰ درصد درمقایسه با سایر سیستم های رایج اسکلت فولادی

۲- کاهش قابل توجه نیروی کششی پی uplift و در نتیجه کاهش در هزینه های پی سازی
۳- کاهش میزان تغییر مکان جانبی سازه در برابر نیروهای زلزله در اثر مشارکت تمام اجزای سازه
۴- بطور کلی نتایج حاصل بیانگر عملکرد مطلوب سیستم سازه ای خرپای پله ای بوده و همچنین افزایش کاربرد این سیستم در کشورهای آمریکایی و اروپایی در سالهای اخیر (۵) و (۶) به نوعی بیانگر اقتصادی بودن این سیستم نیز می باشد .
مراجع:
۱- SCALIZ, JOHN B.,”The staggred truss system-structural consideration”,AISC ENGINEERING JOURNAL. 1971.
۲- “Benefits of staggred truss system in multi-sroty residential and other Applications “.february 2002. www.archrecord.com.
۳- COHEN, MICHAEL.,P.E,”Design solution utitizing the staggred steel truss system.”THIRED QUARYTER, AISC ENGINEERING JOURNAL. 1986.

۴- ASHRAF HABIBILLAH. SE,”steeel frame design straggred truss framing using ETABS”,January 2002 CSI.inc Berkeley California . January 2002.
۵- AINE BRAZIL, PE,”staggred truss system proves economical for hotels “. Modern steel construction journal, septembr 2000.
۶- R.J. MC Namara. “ALAFFIN HOTEL 38 design – build steel structure features a staggered truss frame modern steel constructions journal”, May 1999.

شکل ۱: نمای سه‌بعدی سیستم خرپای پله‌ای

شکل ۴: الف) نمایش طولی ساختمان ب) مقطع A-A ج) مقطع B-B

شکل ۲: پلان سیستم خرپای پله‌ای و قرارگیری خرپاها در عرض اسکلت