فرسوده سازی پشت نقاب نوسازی مسعود شهبازی نیا – مدیر تحقیق و توسعه گروه مهندسی باستان پل خانه ها و سازه ها در کشورهای توسعه یافته سرمایه های ملی آن کشور محسوب میشوند از این رو نظارت جدی بر شیوه ساخت و ساز وجود دارد و قوانین مشخص و محکمی جهت تایید فنی مصالح و […]
پروژه خانه بازیگر سازهای بتنی در ۴ طبقه واقع در محدوده لواسان میباشد ایده سازه این پروژه استفاده از المانهای معماری به عنوان عناصر سازهایی بوده که در آن سازه در ۳ طبقه ابتدایی دارای ستونهای بتنی به علاوه پوسته های منحنی شکلی بوده که به وسیله دالهای بتنی کفها به هم دوخته شدهاند در آخرین طبقه به لحاظ محدودیت معماری و کاهش سختی در بام ستونهای طبقه آخر حذف شده و المانهای قارچی شکل پوستهای وظیفه انتقال نیروی از سقف را به عهده میگیرند همچنین با توجه به سختی قابل توجه پوسته ها وظیفه اصلی مقابله با نیروی زلزله به عهده این عناصر میباشد گرچه به لحاظ ساختار معماری محاسب مجبور به استفاده از المانهای با سختی بالاتر در طبقات بالا شد که به وسیله استفاده از ضخامتهای متفاوت این المانها سختی آنها متوازن گشت. همچنین در پایینترین تراز به دلیل کوچک بودن عناصر قیفی شکل در نقطه اتصال به فونداسیون از دو دیوار برشی L شکل استفاده شد.
سازه پروژه بازیگر
این شیپورها میتوانند به نوعی برای ایجاد پتانسیل بابری از عملکرد قوسی برای کنترل مقاومت و سختی استفاده کنند. این مکانیزم با بسیج کردن درون صفحهایی می تواند بسیار موثر عمل نماید اصولا سیستم سازه این ساختمان به نوعی به طرح معماری آن منطبق میباشد و تمام المانهای معماری در باربری سازه نقشی بازی میکنند بدین ترتیب با یک سازه دیواری مواجه هستیم که شاید رفتار پوستهای و درون صفحهایی آن نقش اساسی در باربری را بازی میکند.
نحوه مدلسازی
المان Shell یک مساحت دارای سه یا چهار نقطه است که برای مدلسازی رفتار membrane
و رفتار خمش خارج صفحه به کار میرود. از این نوع المان در مدلسازی کفها، دیوارها و سطوح منحنی بهره میگیرند. المان Shell میتواند به صورت همگن یا لایهای باشد. میتوان برای المانهای Shell شرایط مرزی تعریف کرد و یا المان را در هر جهت بارگذاری نمود.
در این پروژه هندسه دیوارها و پوسته ها پیچیده بوده و بسیاری از پوسته ها به شکل منحنی هستند. بنابراین تمام مولفه های تنشی و سختی آنها مهم میباشد. به همین علت از المان Shell در مدلسازی بهره گرفتهایم.
در نرم افزار ETABS میتوان المانهای Shell را به دو صورت thick و thin مدلسازی کرد. تفاوت اصلی بین این دو المان در نظر گرفتن تغییر شکلهای برشی در رفتار خمش خارج صفحه میباشد. المانهای thin از قوانین Kirchhoff پیروی میکنند و از تغییر شکل برشی در رفتار خارج از صفحه صرفنظر مینماید. لازم به ذکر است که هر دو این مدلها در رفتار داخل صفحه (membrane) نتیجه یکسانی را در بر دارند و تفاوت عمده آنها در نتایج مربوط به خمش خارج از صفحه است.
سازه پروژه بازیگر
در صورتی که ضخامت المان Shell بین ۵/۱ تا ۱۰/۱ دهانه باشد، المان از نوع thick و در غیر این صورت thin خواهد بود. لازم به ذکر است که اگرچه المانهای thick تغییر شکل برشی خارج صفحه را در نظر میگیرند استفاده از آنها الزاما نتیجه بهتری را در پی نخواهد داشت. زیرا این نوع المان دارای سختی بیشتری است و در صورتی که المان به گونهای باشد که تغییر شکل برشی قابل اغماض باشد، استفاده از آن سختی غیرواقعی را به مدل تحمیل میکند. همچنین نتایج این نوع المان وابستگی بیشتری به نوع و توزیع مشبندی خواهد داشت. در واقع در صورتی که مشبندی درشت باشد المان thick دارای سختی کاذب خواند بود. همچنین میتوان گفت که در این شرایط المانهای thin نتایج دقیقتری در تحلیل نیرویی را ارائه میدهند.
با توجه به به دلایل ذکر شده مدلسازی این پروژه بر اساس المانهای thin Shell صورت پذیرفته است. به طور عمومی المانهای پوسته دارای ۸ مولفه تنشی هستند. سه مورد از این مولفه ها f11 f22 f12 مربوط به عملکرد membrane بوده و درون صفحه میباشند. دیگر مولفه ها شامل دو مولفه خمشی m11 و m22 بوده و یک مولفه پیچشی m12 و دو مولفه برشی v13 و v23 میباشند.
بر اساس معادلات تعادل، معادلات سازگاری و رابطه بین تنش و کرنش، تنش در نقاط انتگرال گیری محاسبه میشود. سپس این نقاط به نقاط المان منتقل شده و تنش در نقاط المان محاسبه میگردد. باید توجه داشت که در یک سازه پوستهای نقاط لبهای بین المانهای مختلف مشترک بوده، و تنش محاسبه شده درهر المان در این نقاط متفاوت است. نرمافزار ETABS در این مرحله از روش متوسطگیری بهره میگیرد. به این صورت که تنش محاسباتی از هر المان در نقطه مشترک محاسبه شده و میانگین تنشهای محاسباتی به عنوان تنش آن نقطه پذیرفته میشود.
در مرحله بعدی بر اساس تنشهای محاسبه شده کانتور نیرو محاسبه میگردد. باید توجه داشت نیروهای داخلی المان پوستهای در داخل المان توزیع شدهاند. در واقع این نیروها نیروهای موجود در لایه وسطی المان هستند. لازم به ذکر است نیروها و لنگرهای گزارش شده توسط نرمافزار بر حسب یک متر طول درون صفحه المان می باشد. نیروهای گزارش شده توسط نرمافزار به صورت F11,F22,F12,M11,M22,M12,V13&V23 است. فرض بر این است که f21=f12 و m21=m12 است و نیازی به گزارش کردن این مقادیر توسط نرمافزار نیست.
همانطور که در شکل زیر مشخص است نیروها توسط نرمافزار در نقاط گوشه در لایه میانی تقریب زده شده و توزیع نیرویی به صورت خطی فرض میگردد.
در شکل زیر جهت مثبت برای نیروهای F11,F22,F12,V13&V23 نشان داده شده است. تمامی نیروها در نقاط گوشه پوسته بر حسب متر طول محاسبه شده و توزیع آنها در طول تار خطی فرض میگردد.
در شکل زیر جهت مثبت برای نیروهای بیشینه مشخص شده است. لازم به ذکر است تعریف برش بیشینه به صورت زیر میباشد.
لازم به ذکر است جهت مثبت برای لنگرها نیز بر اساس قوانین دست راست تعیین میگردد. در شکلهای زیر جهت مثبت برای لنگرهای بیشینه نشان داده شده است.
مدل در نظر گرفته شده برای المان پوسته شامل سه بخش میباشد. بتن دارای دو بخش هسته و پوسته و دو لایه آرماتور میباشد. به این مدل در اصطلاح، مدل ساندویچی میگویند. بخش هسته و پوسته و آرماتور تامین کننده ظرفیت خمشی و بخش هسته تامین کننده ظرفیت یرشی است.
فرضیات طراحی بر این مبنا استوار است که هیچ ترک قطری در هسته بتن ایجاد نمیشود. بلکه برش خالص در هسته رخ خواهد داد. به همین دلیل نیازی به آرماتورگذاریعمودی المان پوسته نیست. لازم به ذکر است ظرفیت لایه های آرماتور را در ظرفیت برشی در نظر نمیگیریم.
لازم به ذکر است که اصولا تمامی اجزای سازهای این ساختمان بتنی به صورت عمودی یا عضو دیواری طبقهبندی میگردند و یا یک دال بنابراین میتوان دو نوع عضو سازهای برای ساختمان در نظر گرفت که ماهیت رفتاری آنها رفتار پوستهای خالص میباشد که با تلاش خمشی خارج صفحه و داخل صفحهای خود امکان انتقال بارهای وارده به ساختمان را به وجود می آورند. همچنین با توجه به سطح قابل توجه دیوارهای سازه نسبت به سطح پلان به نظر میرسد که تلاشهای درون صفحهای برای این المانها به هیچ وجه کنترل کننده نخواهد بود.
در ادامه طراحی عناصر مختلف سازهای نمایش داده شده است. کلیات طرح بر دو روش سختی و مقاومت مبتنی خواهد بود. با توجه به ضریب رفتار در نظر گرفته شده اصولا معیار شکل پذیری را میتوان در نظر گرفت.
طراحی المانهای دیواری وشیپورها
طراحی خمشی
به منظور طراحی خمشی المانهای دیواری میبایست مقادریر لنگر خمشی در جهات طولی و عرضی m11 و m22 را با ظرفیت طراحی مدنظر مقایسه کرد. ظرفیت طراحی حداقل در واقع مطابق با آرماتورهای حداقل درون دیوارها میباشد و این ظرفیت برای یک متر طول محاسبه میگردد و به عنوان کران بال و پایین برای گرفتن کانتورهای خمشی ارائه میشود. با این کانتورها نواحی که نیاز به آرماتور تقویتی دارند نمایش داده میشوند و میتوان بر اساس این کانورها و تعیین ظرفیت کانتورهای مقاطع دیوارها با آرماتورهای تقویتی اصولا آرایش آرماتورها در مقاطع دیوار را محاسبه کرد.
در اولین گام باید یک شبکه آرماتور سراسری برای سازه طراحی گردد. در این بخش یک شبکه آرماتور f22@20 در نظر گرفته میشود. در این حالت ظرفیت این شبکه آرماتور به صورت زیر محاسبه شده و به عنوان کران بالا و پایین m22 و m11 به نرمافزار وارد میگردد. در صورتی که کانتور لنگر از این حد بیشتر باشد با قرار دادن آرماتور تقویتی در این نقاط ظرفیت اضافه تامین میگردد. باید در نظر داشت ضخامت المان پوسته شیپوری برابر ۲۰ سانتیمتر است.