لوگوسازه فضایی
شرکت فضاسازه نقش جهان
سقفی به اندازه یک جهان
 ایران پرچم
پرچم
پرچم

سیستمی نوین در ساختمان با نگرش نو به سازه های فضاکار

سیستمی نوین در ساختمان سازی با نگرش نو به سازه های فضاکار

چکیده:

امروز مسئله بهینه سازی و صرفه جویی در مصالح مصرفی در ساختمان سازی بسیار مورد توجه مهندسان و دست اندرکاران امر ساخت وساز می باشد.روشهای معمول طرح و محاسبه ساختمان ها اعم از فولادی یا بتنی، استفاده از قابهای مهاربندی شده،قابهای خمشی معمولی و یا سیستم های دوگانه می باشد.تحقیقاتی که تاکنون انجام گرفته در جهت سبک سازی مصالح مصرفی در این نوع ساختمان ها و با هدف کاهش بار زلزله وارده بر ساختمان بوده است.دراین مطالعه روشی برای به کارگیری سازه های فضاکار در احداث ساختمان های چند طبقه که بخش اعظمی از ساخت و سازها را به خود اختصاص داده اند،ارائه می گردد.مدلسازی ساختمان فضاکار با استفاده از برنامه SAP2000 و به روش استاتیک معادل و براساس آیین نامه 2800 انجام گرفته و از مقایسه آن با ساختمان هایی با سیستم های مختلف سازه ای،نتیجه شده است که ،وزن اسکلت و همچنین تغییر مکان ناشی از بارهای جانبی در این سازه ها به سیستم های دارای بادبند بسیار نزدیک می باشد.در ضمن استفاده از سازه  فضاکار از لحاظ سادگی اجرا و کاهش زمان ساخت،دارای صرفه اقتصادی بوده و مهمتر از آن به علت دارا بودن اتصالات مطمئن و مشارکت تعداد قابل ملاحظه ای از اعضای سازه ای در انتقال بارهای ثقلی و جانبی ، مناسب تر از دیگر سیستم های سازه ای متداول می باشد.

1-    مقدمه

سازه های فضاکار گروهی از سازه ها هستند که از تعداد زیادی اعضا با عملکرد محوری تشکیل می گردند.این سازه ها دارای اشکال متفاوتی می باشند، که بر همین اساس در چند گروه طبقه بندی می شوند.

این گروه ها عبارتند از:شبکه های تک لایه ، دو لایه و سه لایه، چیلک های تک لایه و دو لایه ، گنبدهای تک لایه و دو لایه ، دکل های فضاکارو غیره.در دهه های اخیر استفاده از این سازه ها بسیار معمول شده و اکثرἴ برای پوشش دهانه های بزرگ مانند ژیمناسیوم ها،استادیوم ها،سالن های تئاتر و غیره ، به کار گرفته می شوند.ولی تاکنون در ایران از این سازه ها، در احداث ساختمان های مغمولی استفاده نشده است.ساختمان های فضاکار،سازه های هستند که سقف و دیوارهای جانبی آنها را شبکه ها تشکیل می دهند. اگر ساختمان های فضاکار را با ساختمان های معمول مقایسه کنیم،خواهیم دید که شبکه های به کار رفته در دیوارها، نقش ستون های یک ساختمان معمولی را بازی کرده و بارهای قائم و همچنین بارهای جانبی ناشی از باد و زلزله را به پی منتقل می نمایند.شبکه دو لایه تشکیل دهنده سقف ساختمان های فضاکار نیز عملکردی همانند سقف صلب در ساختمان های معمولی را داشته و نیروی ناشی از بارهای جانبی باد و زلزله را به نسبت سختی بین دیوارهای باربر تقسیم می کند.طراحی تمامی اعضا و اتصالات این سازه ها به دلیل عدم وجود آیین نامه ای بخصوص برای این سازه ها، همانند سایر ساختمان های معمول ،براساس مراجع معتبر و آیین نامه های رایج طراحی،AISC یا آیین نامه فولاد ایران و آیین نامه 2800،انجام می گیرد.

2-    سیستم ساختمانی فضاکار

بدیهیست اشکالی از سازه های فضاکار که برای استفاده جهت پوشش سقف در ساختمان های چند طبقه قابل استفاده هستند،شبکه های تخت می باشند. شبکه های تک لایه به دلیل دارا بودن اتصالات گیردار به منظور ارضای شرایط پایداری،دارای اعضایی قوی تر برای تحمل لنگر خمشی ناشی از بارهای اعمالی می باشند. هم چنین لنگر خمشی ایجاد شده در آنها،باعث ایجاد خیز زیاد در سقف و خیز جانبی بیش از حد در شبکه های قائم باربر می گردد.شبکه های سه لایه نیز به دلیل داشتن ارتفاع زیاد و غیراقتصادی بودن برای دهانه های کوچک، در ایننوع ساختمان ها قابل استفاده نیستند.بنابراین مناسب ترین سازه فضاکار، برای استفاده به عنوان سقف در این ساختمان ها،شبکه دو لایه می باشد.در این مطالع ارتفاع این شبکه برابر 50 سانتیمتر بوده و هریک از لایه ها به صورت مربع هایی با ابعاد 1 متر شبکه بندی شده اند.(شکل1)

1

دیوارهای این سازه ها که علاوه بر تحمل بارهای قائم، به عنوان سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی نیز مورداستفاده قرار می گیرند،از جنس شبکه های تک لایه با اتصالات صلب می باشند.فاصله اعضای قایم تشکیل دهنده این دیوارها 1 متر و فاصله اعضای افقی برابر با 2/1 متر در نظرگرفته شده است در ضمن اعضای مورب در دیوارها برای تحمل بارهای جانبی به کار گرفته شده اند.(شکل 2)

2

شایان ذکراست برای کاهش طول آزاد اعضای افقی دیوارها،از پشتبندهای فضاکار در فواصل 5 متری استفاده می گردد.(شکل3) باید توجه داشت که اگر برای ساخت دیوارهای داخلی نیز از شبکه های تک لایه استفاده گردد،این شبکه ها علاوه بر قابلیت انتقال بارهای ثقلی و جانبی،قادر به ایفای نقش پشتبندها نیز بوده و تاثیر زیادی در کاهش خیز سقف و ابعاد پروفیل های مصرفی خواهند داشت.

ساختمانی که در این تحقیق مورد مطالع قرار گرفته،یک ساختمان چهار طبقه با طول و عرض 30 متر می باشد،که هر طبقه به 4 واحد مجزا تقسیم شده است.

3

3-    اتصالات در سازه های فضاکار

تاکنون انواع متنوعی از اتصالات در سازه های فضایی معرفی گردیده اند 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 می گیرد،نوعی از اتصال گوی سان به نام اتصال مرو می باشد.(شکل4) که از لحاظ اجرا دارای کارکردی ساده و کارآمد است.

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

44

4-    قابهای 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 می باشند.در سیستم های دارای بادبند،بادبندها از نوع ضربدری بوده و در قاب های فرد(7،5،3،1) جای گرفته اند.(شکل5)

5

شکل 5: پلان تیپ طبقات در قابهای بادبندی

5-    بارگذاری

جزئیات سقف های در نظر گرفته شده برای ساختمان ها،مطابق شکل 6 می باشد،که بار مرده بر همین اساس 500 کیلوگرم در هر متر مربع برای ساختمان های معمولی و 300 کیلوگرم در هر متر مربع برای ساختمان فضاکار بدست آمده است. شایان ذکر است که بار زنده برای همه ساختمان های مورد مطالعه برابر مقدار 200 کیلوگرم در هر مترمربع در نظر گرفته شده است.

7                            6

شکل 6 : جزئیات سقف در قابها و ساختمان فضاکار

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 می گردد.ضمنا جزییات بارگذاری زلزله هر چهار سیستم ساختمانی مطابق جدول 1 می باشد.

جدول 1 : برآورد نیروی زلزله به روش استاتیک معادل

jadval1

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 می باشند.

جدول 2: مقاطع مصرفی در قابهای ساختمانی

jadval2

جدول 3 : مقاطع مصرفی در ساختمان فضاکار

jadval3

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 می دهند.

8-    مقایسه وزن اسکلت سازه ها

با توجه به نتایج حاصله از تحلیل و طراحی، وزن اسکلت سیستم ها سازه ای مورد مطالعه در این تحقیق مطابق جدول 4 می باشد.مشاهده می شود که وزن اسکلت ساختمان فضاکار با سیستم های بادبندی و دو گانه تقریبا برابر بوده و کمتر از وزن اسکلت سیتم قاب خمشی می باشد.

جدول 4 : وزن اسکلت سازه ها

jadval4

9-    مقایسه تغییرمکان جانبی و خیز در سازه ها

حداکثر مقدار تغییر مکان جانبی و خیز ماکزیمم سیستم های سازه ای مطرح شده با توجه به نتایج طراحی در جدول 5 آورده شده است.با مقایسه اعداد به دست آمده مشاهده می گردد که ساختمان فضاکار به همراه سیستم دو گانه دارای حداقل تغییر مکان جانبی بوده و بیشترین خیز را در بین سایر سیستم ها دارا می باشد.که البته این خیز فراتر از محدوده مجاز آیین نامه نبوده و قابل قبول است.

جدول 5 : مقایسه خیز و تغییر مکان جانبی

jadval5

10-نتیجه گیری

با توجه به نتایج حاصل از تحلیل و طراحی سازه های مورد اشاره در این مقاله ، می توان نتیجه گرفت که استفاده از سازه های فضاکار باعث کاهش قابل ملاحظه ای در بار مرده ساختمان می گردد،در حایکه وزن اسکلت سازه در هر مترمربع آن تقریبا با سیستم های ساده و دوگانه برابر، و بسیار کمتر از وزن اسکلت سیستم قاب خمشی می باشد.همچنین سازه فضاکار رفتار بسیار خوبی در برابر بارهای جانبی از خود نشان می دهند،به طوریکه تغییر مکان جانبی ناشی از این بارها در این سازه ها نسبت به سیستم قاب ساختمانی ساده و سیستم قاب خمشی کمتر می باشد و به دلیل تعدد اعضای سازه ای،نیروهای داخلی اعضا تحت تاثیر بارهای جانبی تغییرات بسیار اندکی از خود نشان می دهند.تغییرمکان قائم در سازه های فضایی در مقایسه با سازه های دیگر مورد مطالعه بیشتر ولی در محدوده مجاز آیین نامه های طراحی می باشد،که می توان 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 می باشد.در ضمن سازه های فضا کار به دلیل داشتن تعداد زیاد اعضا،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 می باشند.

گردآورندگان:

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

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

تمامی حقوق سایت محفوظ می باشد