سیستمی نوین درساختمان سازی بانگرشی نوبه سازه های فضایی

چکیده

امروزه مسئله بهینه سازی و صرفه جویی در مصالح مصرفی در ساختمان سازی بسیار مورد توجه مهندسان و دست اندرکاران امر ساخت و ساز می باشد. روش های معمول طرح و محاسبه ساختمان ها اعم از فولادی یا بتنی، استفاده از قابهای مهاربندی شده، قابهای خمشی معمولی و یا سیستم های دو گانه می باشد. تحقیقاتی که تاکنون انجام گرفته در جهت سبک سازی مصالح مصرفی در این نوع  ساختمانها و باهدف کاهش بار زلزله وارده بر ساختمان بوده است. در این 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 فضایی 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 های فضایی 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 وجانبی، مناسب تر از دیگر سیستم های سازه ای متداول می باشد.

کلید واژه : سازه های فضایی شبکه دولایه، سبک سازی.

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 گروها عبارتند از : شبکه های تک لایه ،دولایه و سه لایه، چلیک های تک لایه و دولایه، گنبدهای تک لایه و دولایه، دکل های فضایی و غیره.در دهه های اخیر استفاده از این سازه ها بسیار معمول شده  و اکثرا 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 معمولی استفاده نشده است. ساختمان های فضایی،سازه هایی  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 دولایه تشکیل دهنده سقف ساختمان های فضایی نیز عملکردی همانند سقف صلب در ساختمان های معمولی را داشته و نیروی ناشی از بارهای جانبی باد 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.

سیستم ساختمانی فضایی

بدیهیست اشکالی ازسازه های فضاکار که برای استفاده جهت پوشش سقف درساختمانهای چند طبقه قابل استفاده هستند،شبکه های تخت میباشند.
شبکه های تک لایه بدلیل دارابودن اتصالات گیردار بمنظورارضای شرایط پایداری،دارای اعضایی قویتر برای تحمل لنگرخمشی ناشی ازبارهای اعمالی میباشند.
همچنین لنگرخمشی ایجاد شده درآنها باعث ایجاد خیز زیاد درسقف وخیزجانبی بیش از حد در شبکه های قائم باربر میگردد.
شبکه های سه لایه نیز بدلیل داشتن ارتفاع زیاد وغیراقتصادی بودن برای دهانه های کوچک،دراین نوع ساختمانها قابل استفاده نیستند.
بنابراین مناسب ترین سازه فضاکار، برای استفاده به عنوان سقف در این ساختمان ها،شبکه دولایه می باشد.

دراین مطالعه ارتفاع این شبکه برابر 50سانتیمتربوده وهریک ازلایه ها بصورت مربع هایی با ابعاد 1مترشبکه بندی شده اند(شکل 1)

دیواره های این سازه هاکه علاوه برتحمل بارهای قائم،بعنوان سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی نیزمورد استفاده قرارمیگیرند،ازجنس شبکه های تک لایه با اتصالات صلب میباشند.
فاصله اعضای قائم تشکیل دهنده این دیوارها 1متر وفاصله اعضای افقی برابر با 2/1 متر در نظر گرفته شده است.

در ضمن اعضای مورب در دیوارها برای تحمل بارهای جانبی به کار گرفته شده اند.( شکل 2)

شایان ذکر است برای کاهش طول آزاد اعضای افقی دیوارها،از پشتنبدهای فضاکار در فواصل 5 متری استفاده می گردد.(شکل 3)

باید توجه داشت که اگر برای ساخت دیوارای 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 دراین تحقیق مورد مطالعه قرارگرفته،یک ساختمان چهارطبقه باطول وعرض 30متر میباشد،که هرطبقه به چهارواحد مجزا تقسیم شده است.

اتصالات در سازه های فضایی

تاکنون انواع متنوعی ازاتصالات در سازه های فضایی معرفی گردیده اند که عبارتنداز:سیستمهای اتصال گوی سان،سوکتی،صفحه ای و دیگر سیستمها.

معمولترین اتصالی که دراکثر سازه های فضایی مورداستفاده قرارمیگیرد،نوعی ازاتصال گوی سان بنام اتصال مرومیباشد(شکل4)که ازلحاظ اجرادارای کارکردی ساده وکارآمداست.

جنس گوی اتصال ازآهن فورج شده میباشدکه درجهات مختلف حفره هایی برای پیونداعضابصورت پیچی وبازوایای مختلف درآن تعبیه گردیده است.

قابهای ساختمانی مورد مطالعه

سیستمهای سازه ای که دراین مطالعه برای مقایسه با سیستم ساختمانی فضاکار مورد استفاده قرارگرفته اند،شامل سیستم قاب ساختمانی ساده، سیستم قاب خمشی و سیستم دوگانه یاترکیبی میباشند.

قابهای ساختمانی درنظر گرفته شده نیز با ابعاد مشابه و دارای 6 دهانه 5 متری درهر راستا می باشند.

در سیستمهای دارای بادبند،بادبندها از نوع ضربدری بوده و در قاب های فرد(1،3،5،7) جای  گرفته اند.( شکل 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 مترمربع برای ساختمان های معمولی و 300 کیلوگرم در هر مترمربع برای ساختمان فضاکار بدست آمده است.

شایان ذکراست که بارزنده برای همه ساختمانهای موردمطالعه برابر مقدار 200کیلوگرم در هرمتر مربع در نظر گرفته شده است.

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.

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 جداول 2 و 3 می باشند.

آنالیز و طراحی

آنالیز و طراحی همه ساختمان های ذکر شده در این مقاله توسط برنامه SAP 2000 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 های فضاکار 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.

مقایسه وزن اسکلت سازه ها

باتوجه به نتایج حاصله از تحلیل و طراحی،وزن اسکلت سیستمهای سازه ای مورد مطالعه دراین تحقیق مطابق جدول 4 میباشد.
مشاهده میشود که وزن اسکلت ساختمان فضاکار باسیستمهای بادبندی ودوگانه تقریبا برابربوده و کمتراز وزن اسکلت سیستم قاب خمشی میباشد.

مقایسه تغییر مکان جانبی و خیز در سازه ها

حداکثرمقدار تغییر مکان جانبی وخیز ماکزیمم سیستمهای سازه ای مطرح شده باتوجه به نتایج طراحی درجدول 5 آورده شده است.

بامقایسه اعداد بدست آمده مشاهده میگرددکه ساختمان فضاکاربه همراه سیستم دوگانه دارای حداقل تغییرمکان جانبی بوده وبیشترین خیزرادر بین سایرسیستمهادارامیباشد.

که البته این خیز فراتر از محدوده مجاز آیین نامه نبوده و قابل قبول است.

نتیجه گیری

با توجه به نتایج حاصل از تحلیل و طراحی سازه های مورد اشاره در این مقاله، میتوان نتیجه گرفت که استفاده از سازه های فضایی باعث کاهش قابل ملاحظه ای در بار مرده ساختمان می گردد، در حالیکه وزن اسکلت سازه در هر مترمربع آن تقریبا با سیستم های ساده و دو گانه برابر، و بسیار کمتر از وزن اسکلت سیستم قاب خمشی می باشد. همچنین سازه های فضاکار رفتار بسیار خوبی در برابر بارهای جانبی از خود نشان می دهند، بطوریکه تغییرمکان جانبی ناشی از این بارها در این سازه ها نسبت به سیستم قاب ساختمانی ساده و سیستم قاب خمشی کمتر می باشد و بدلیل تعدد اعضای سازه ای ، نیروهای داخلی اعضا تحت تاثیربارهای جانبی تغییرات بسیار اندکی از خود نشان می دهند.

تغییر مکان 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 با تعبیه دیوارهای میانی ( از جنس شبکه تک لایه فضایی) تا حد زیادی کاهش داد. شایان ذکر است مدت زمان لازم برای تحلیل و طراحی سازه های فضایی به علت تعدد اعضا، نسبت به سایر سیستم های ساختمانی طولانی تر می باشد. در ضمن سازه های فضایی به دلیل داشتن تعداد زیاد اعضا، درجه نامعینی بالا و همچنین اتصالات کارخانه ای، از ضریب اطیمنان قابل ملاحظه ای برخوردار بوده و به علت سادگی اجرا و کوتاهی مدت زمان ساخت دارای صرفه اقتصادی می باشند.

تهیه کنندگان : رضا کمالی صالح آباد،علیرضا آهنگرعصر