سیستمی امروزی برای ساختمان سازی با نگرشی جدید نسبت به سازه های فضاکار

سیستمی امروزی برای ساختمان سازی با نگرشی جدید نسبت به سازه های فضاکار

خلاصه:

در حال حاضر مسئله بهینه‌سازی و صرفه جویی مصالح در ساختمان‌ سازی برای مهندسان و  دیگر مشاغل دخیل با ساخت وساز مهم و بااهمیت است.

شیوه های عادی طرح و محاسبه ساختمان ها از قبیل :

سیستمی امروزی برای ساختمان سازی با نگرشی جدید نسبت به سازه های فضاکار

فولادین یا بتنی، استفاده  از قاب های خمشی مرسوم، قاب های مهاربندی شده و سیستم های دوگانه می‌باشد.

تاامروز تحقیقات وسیعی راستای سبک‌سازی مصالح مصرفی این ساختمان‌ها و بدلیل کم کردن بار زلزله‌وارده بر ساختمان انجام شده.

این مطلب برای استفاده سازه های فضاکار در ایجاد ساختمان‌های چندطبقه که قسمت بزرگی از ساخت و سازها را دارند، روشی ارائه می‌دهد.

مدلسازی ساختمان فضاکار از طریق استاتیک معادل و برپایه آیین‌نامه2800 و با برنامه‌یSAP2000 انجام شده. از مقایسه با ساختمان‌هایی با سیستم های متفاوت سازه‌ای،دریافت شده که ،وزن اسکلت و همینطور تغییر مکان حاصل بارهای جانبی در سازه‌ها به سیستم های دارای بادبند بسیار نزدیک می‌باشد.

سازه فضاکار از لحاظ سهولت اجرا و زمان ساخت کم،صرفه اقتصادی دارد. همینطور بدلیل اتصالات ایمن و شراکت تعداد مورد توجهی از اعضای سازه ای در انتقال بارهای ثقلی و جانبی، بهتر از سیستم های سازه ای معمول دیگر می‌باشد.

1- مطالب ابتدایی

سازه های فضاکار

سازه هایی که از تعداد اعضای بالا و عملکرد محوری ساخته می‌شوند. اشکال مختلفی دارند. چندین گروه دارند.

گروه‌ها شامل:

شبکه‌های تک لایه،دو لایه و سه لایه،چیلک های تک لایه و

دو لایه،گنبدهای تک لایه و دو لایه،دکل های فضاکار و غیره.

در دهه‌های جدید این سازه ها رایج شده. بیشتر جهت پوشش دهانه های بزرگ مثل ژیمناسیوم ها،استادیوم ها،سالن های تئاتر و غیره، کاربرد دارد.

اما در ایران از این سازه ها، برای ساخت ساختمان های عادی استفاده نشده. ساختمان های فضاکار،سازه های هستند که سقف و دیوارهای جانبی آنها را شبکه ها تشکیل می‌دهند.

تفاوت ساختمان های فضاکار با ساختمان های عادی

شبکه های مورد استفاده دیوارها،وظیفه ستون های ساختمان عادی را بر عهده دارد.

بارهای قائم و بارهای جانبی حاصل باد و زلزله را به پی انتقال می‌دهد. شبکه دو لایه

شکل دهنده سقف ساختمان‌های فضاکار همینطور کاربردی شبیه سقف صلب ساختمان های

عادی دارد. نیروی برآیند بارهای جانبی باد و زلزله را به نسبت سختی میان دیوارهای باربر توزیع

می‌کند. طراحی همه اجزا و اتصالات این سازه ها بخاطر نبودن آیین‌نامه ویژه این سازه ها، مثل دیگر

ساختمان های عادی ،براساس مراجع معتبر و آیین نامه های رایج طراحی،AISC یا آیین‌نامه فولاد ایران

و آیین نامه2800،انجام می‌گیرد.

2-سیستم ساختمانی فضاکار

شبکه‌های تخت اشکالی از سازه های فضاکار هستند. جهت استفاده پوشش سقف در ساختمان های چند طبقه قابل استفاده اند. شبکه‌های تک لایه اتصالات گیردار بخاطر ارضای شرایط پایداری دارند. دارای اعضای قوی‌تر تحمل لنگر خمشی حاصل بارهای اعمالی می‌باشند. لنگر خمشی در آنها قرار دارد. باعث ایجاد خیز زیاد در سقف و خیز جانبی بیش از اندازه در شبکه های قائم باربر می‌گردد. شبکه های سه لایه ارتفاع زیادی دارند. غیراقتصادی هستند. برای دهانه‌های کوچک، در این ساختمان‌ها مناسب نیستند. درنتیجه بهترین سازه فضاکار،برای سقف ساختمان‌ها،شبکه دو لایه است.

ارتفاع این شبکه در این مطالع 50سانتی‌متر است. هریک از لایه ها به حالت مربع‌هایی به بعد 1متر شبکه بندی شده اند.(شکل1)

ساختمان

دیوارهای این سازه ها

علاوه بر تحمل بارهای قائم، بعنوان سیستم مقاوم در مقابل بارهای جانبی استفاده می‌شوند. از جنس شبکه های تک لایه با اتصالات صلب هستند. اجزای قائم این دیوارها 1متر فاصله دارند. 2/1متر فاصله فرض شده.  اعضای مورب در دیوارها جهت تحمل بارهای جانبی استفاده شده‌اند.(شکل 2)

ساختمان

همچنین برای کم کردن طول آزاد اعضای افقی دیوارها،از پشتبندهای فضاکار با فاصله 5متر استفاده می‌شود. (شکل3)

باید دقت کرد

اگر برای ساخت دیوارهای داخلی نیز از شبکه های تک لایه استفاده شود. این شبکه ها اضافه بر توانایی انتقال بارهای ثقلی و جانبی،می‌توانند نقش پشتبندها را اجرا کنند. تاثیر بسزایی در کاهش خیز سقف و ابعاد پروفیل‌های مصرف شده خواهند داشت.

ساختمانی 4طبقه به طول و عرض 30متر که هر طبقه به 4واحد مجزا تقسیم شده. در این تحقیق مورد مطالعه قرار گرفته.

ساختمان

3- اتصالات در سازه های فضاکار

تاکنون انواع مختلفی از اتصالات سازه های فضایی معرفی شد که عبارتند از:

سیستم های اتصال گوی سان،سوکتی،صفحه ای ودیگر سیستم ها.معمول ترین اتصالی که در اکثر سازه های فضا کار مورد استفاده قرار می‌گیرد،نوعی از اتصال گوی سان به نام اتصال مرو می‌باشد.(شکل4)

که از لحاظ اجرا دارای کارکردی ساده و کارآمد است.

جنس گوی اتصال از آهن فورج شده می‌باشد که در جهات مختلف حفره هایی برای پیوند اعضا به صورت پیچی و با زوایای مختلف در آن تعبیه گردیده است.

ساختمان

4- قاب های ساختمانی مورد مطالعه

سیستم های سازه ای که در این مطالعه برای مقایسه با سیستم ساختمانی فضاکار مورد استفاده قرار گرفته اند،شامل سیستم قاب ساختمانی در نظر گرفته شده نیز با ابعاد مشابه و دارای 6 دهانه 5 متری در هر راستا می‌باشند. در سیستم های دارای بادبند،بادبندها از نوع ضربدری بوده و در قاب های فرد(7،5،3،1) جای گرفته اند. (شکل5)

ساختمان

5- بارگذاری

جزئیات سقف های در نظر گرفته شده برای ساختمان ها،مطابق شکل 6 می‌باشد.

بار مرده بر همین اساس 500کیلوگرم در متر مربع برای ساختمان های معمولی و

300کیلوگرم در هر متر مربع برای ساختمان فضاکار بدست آمده است.

بار زنده برای همه ساختمان های مورد مطالعه برابر مقدار 200کیلوگرم در مترمربع در نظر است.

ساختمان ساختمان

لازم به توضیح است که در ساختمان های معمولی سقف ها صلب بوده و بار زلزله به مرکز جرم هر طبقه به طور مجزا وارد می شود.در ساختمان فضاکار، شبکه دولایه در برابر بارهای جانبی به صورت صلب عمل کرده و به همین دلیل بار جانبی به نسبت سطح بارگیر بین گره های فوقانی شبکه،توزیع می‌گردد. ضمنا جزییات بارگذاری زلزله هر چهار سیستم ساختمانی مطابق جدول 1 می‌باشد.

ساختمان

6- مقاطع مورد استفاده

سازه فضاکار مورد مطالعه دارای 35268 عضو بوده که در طراحی آنها از پروفیل های لوله ای با ضخامت و قطرهای مختلف استفاده گردیده و با توجه به نتایج حاصل از طراحی،24 تیپ مقطع از همین نوع برای ساختمان فضاکار بدست آمده است. مقاطع تشکیل دهنده همه ساختمان های مورد مطالعه مطابق جدول 2 و3 می‌باشند.

ساختمان

ساختمان

7- آنالیز و طراحی

آنالیز و طراحی همه ساختمان های ذکر شده در این مقاله توسط برنامه SAP2000 انجام گرفته و اثرات زلزله با استفاده از روش استاتیک معادل اعمال گردیده است.

با توجه به این موضوع که هنوز آیین نامه ای برای طراحی سازه  فضایی تدوین نگردیده است،لذا آیین نامه های مورد استفاده در بارگذاری و طراحی تمامی سازه ها را آیین نامه حداقل بار وارده بر ساختمان ها و ابنیه فنی(استاندارد 519)، آیین نامه 2800، AISC و یا آیین نامه فولاد ایران تشکیل می‌دهند.

8- وزن اسکلت سازه ها

با توجه به نتایج حاصله از برسی و طراحی، وزن اسکلت سیستم ها سازه ای مورد مطالعه در این تحقیق مطابق جدول4 می‌باشد. مشاهده می‌شود وزن اسکلت ساختمان فضاکار با سیستم های بادبندی و دوگانه تقریبا برابر بوده و کمتر از وزن اسکلت سیتم قاب خمشی می‌باشد.

ساختمان

9- قیاس کردن تغییرمکان جانبی و خیز در سازه ها

بیشترین مقدار تغییر مکان جانبی و خیز ماکسیمم سیستم های سازه ای مذکور با توجه به نتایج طراحی در جدول5آورده شده است. با مقایسه اعداد به دست آمده مشاهده می‌گردد که ساختمان فضاکار به همراه سیستم دو گانه دارای حداقل تغییر مکان جانبی بوده و بیشترین خیز را در بین سایر سیستم ها دارا می‌باشد. که البته این خیز فراتر از محدوده مجاز آیین نامه نبوده و قابل قبول است.

ساختمان

10-نتیجه گیری

با توجه به نتایج برسی و طراحی سازه های مذکور این مقاله

می‌توان نتیجه گرفت که استفاده از سازه های فضاکار باعث کاهش قابل ملاحظه بار مرده ساختمان می‌گردد. درحالیکه وزن اسکلت سازه در هر مترمربع آن تقریبا با سیستم های ساده و دوگانه برابر، و بسیار کمتر از وزن اسکلت سیستم قاب خمشی می‌باشد.

سازه فضاکار رفتار قابل قبولی برابر بارهای جانبی نشان می‌دهند. تغییر مکان جانبی حاصل بارهای سازه‌ها نسبت به سیستم قاب ساختمانی ساده و سیستم قاب خمشی کمتر می‌باشد. به دلیل تعدد اعضای سازه ای،نیروهای داخلی اعضا تحت تاثیر بارهای جانبی تغییرات بسیار اندکی از خود نشان می‌دهند.

تغییرمکان قائم در سازه های فضایی در مقایسه با سازه های دیگر مورد مطالعه بیشتر ولی در محدوده مجاز آیین‌نامه های

طراحی می‌باشد،که می‌توان این خیز را باتعبیه دیوارهای میانی(از جنس شبکه تک لایه فضاکار) تا حد زیادی کاهش داد.

شایان ذکر است مدت زمان لازم برای تحلیل و طراحی سازه های فضاکار به علت تعدد اعضا،نسبت به سایر سیستم های ساختمانی طولانی تر می‌باشد.

همینطور سازه های فضاکار به دلیل تعداد زیاد اجزا،درجه نامعینی بالا و هم چنین اتصالات کارخانه ای،از ضریب اطمینان

قابل ملاحظه ای برخوردار بوده و به علت سادگی اجرا و کوتاهی مدت زمان ساخت،دارای صرفه اقتصادی می‌باشند.

گردآورندگان:

رضا کمالی صالح آباد،دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده عمران-دانشگاه شهید باهنرکرمان

علیرضا آهنگرعصر،دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده عمران-دانشگاه شهید باهنرکرمان

 

فهرست مطالب