تاثیر میزان سفت شدگی پیچ اتصال مرو بر رفتار استاتیکی شبکه دو لایه

چکیده

میزان سفت شدگی پیچ در رفتار سازه های فضاکار پیش ساخته با اتصالات MERO اثر می گذارد. در این مطالعه یک شبکه دو لایه با مقیاس واقعی تحت شرایط تکیه گاهی مختلف و میزان متفاوت سفت شدگی پیچ مورد آزمایش قرار گرفت در هر حالت تمام پیچ های شبکه تا میزان معینی سفت شدند و میزان خیز تعدادی از گره ها تحت اثر یک بار متمرکز(در وسط دهانه) اندازه گیری گردید. نتایج بدست آمده نشان می دهد که میزان سفت شدگی پیچ اتصال اثر قابل ملاحظه بر روی رفتار شبکه داشته و پاسخ های بار- تغییر مکان شبکه های دو لایه با اتصال نوع MERO در یک ناحیه قرار دارند که حد بالا و پایین این ناحیه به شرایط تکیه گاهی شبکه وابسته است.

کلمات کلیدی: اتصال مرو، سفت شدگی پیچ،شبکه دو لایه

مقدمه

شبکه دو لایه با اتصال نوع مرو شامل تعدادی المان های لوله ای می باشد که توسط پیچ به تعدادی گوی متصل می شوند. هر پیچ می تواند دارای درجه سفت شدگی متفاوتی باشد. مطالعات انجام شده توسط محققان نشان می دهد که درجه سفت شدگی پیچ اثر قابل ملاحظه ای بر رفتار اتصالات نوع مرو دارد. رفتار اتصالات نیز به نوبه خود نقش مهمی بر روی پاسخ کلی شبکه دو لایه دارد و مطالعه این پاسخ، هدف مقاله حاضر می باشد.

روش تحلیلی محض برای مطالعه رفتار شبکه دو لایه با اتصال نوع مرو مناسب نیست. زیرا حالت تنش و کرنش در اتصال نوع مرو پیچیده است. این پیچیده گی ناشی از ناپیوستگی ها، خصوصیات مختلف مصالح و غیره می باشد.همچنین وجود تعداد زیادی پیچ با درجات سفت شدگی مختلف،سبب پیچیده تر شدن مسئله می شود.

لذا تحقیق حاضر بر پایه مطالعات تجربی استوار است که با استفاده از یک شبکه دو لایه با مقیاس واقعی انجام پذیرفته است. به این جهت از مدل با مقیاس واقعی استفاده شده است که مدل های با مقیاس کوچک،قادر به نشان دادن اثر سفت شدگی پیچ بر روی رفتار شبکه های دو لایه ای که در عمل ساخته می شوند نمی باشند.

مطالعات تجربی بر روی یک شبکه دو لایه ساخته شده از اجزایی که در عمل مورد استفاده قرار می گیرند انجام شده است. این اجزا توسط کارخانه صنعتی سپاه در ایران ساخته شده اند. آزمایش برای حالتهای متعددی،شامل سه نوع شرایط تکیه گاهی مختلف و چهار درجه متفاوت سفت شدگی پیچ انجام شده است. در هر حالت بار متمرکزی در گره مرکزی لایه بالایی اعمال شده است و تغییر مکان تعدادی از گره های لایه پایینی به عنوان پاسخ شبکه اندازه گیری شده است.

سیستم اتصالی نوع مرو

سیستم اتصالی نوع مرو مورد استفاده در آزمایشات،امکان اتصال 14 عضو با زوایای گوناگون را میسر می سازد. جزئیات این اتصال در شکل 1 نشان داده شده است. اتصال نشان داده شده در شکل شماره 1 شامل:

v      گوی فلزی آهنگری شده با سوراخ رزوه شده

v      قطعه مخروطی انتهایی که به انتهای المان لوله ای جوش می شود.

v      پیچ با مقاومت کششی زیاد که انتهای مخروطی می گذرد و به داخل گوی پیچ می شود.

v      غلاف که از آن جهت چرخاندن پیچ استفاده می شود(غلاف دو دریچه در دو سوی مخالف دارد).

v      پین زبانه ای که از آن جهت مقید کردن پیچ به غلاف استفاده می شود تا چرخاندن پیچ را مقدور سازد می باشد.

دریچه های روی غلاف جابجایی پین زبانه ای را مقدور می سازد و این جابجایی میزان نفوذ پیچ در گوی را نشان میدهد.

با توجه به وجود خطا در ساخت اجزاء مختلف تشکیل دهنده اتصال،فضای خالی بین سطوح تماس غلاف ها با گوی و مخروط انتهایی وجود خواهد داشت .عرض این فضای خالی که بر مکانیزم انتقال بار اثر می گذارد،به درجه سفت شدگی پیچ ها و هم چنین میزان عدم تطابق بستگی دارد.یک شبکه دو لایه معمولا شامل تعداد زیادی از این اتصالات است که درجه سفت شدگی پیچهای آن ها دقیقا مشخص نیست بنابراین مدلهای با مقیاس کوچک قادر به منعکس کردن اثر اتصالات بر روی رفتار شبکه های دو لایه ای که در عمل ساخته می شوند نیستند. به همین خاطر در تحقیق حاضر شبکه دو لایه مورد آزمایش از اجزائی ساخته شده که در عمل مورد استفاده قرار می گیرد.

شبکه مورد آزمایش

کار تجربی بر روی شبکه دو لایه ای که در دانشگاه مازندران ساخته شده،انجام پذیرفته است. شبکه بر روی 12 ستون بتنی مسلح به ابعاد 600*600 میلیمتر که به عنوان تکیه گاه عمل می کنند قرار گرفته است. یک صفحه فولادی در بالای هر ستون قرار داده شده که توسط 4 پیچ مهاری به ستون متصل گردیده است. شمای کلی شبکه دو لایه تحت آزمایش در شکل 2 نشان داده شده است.

پلان شبکه مورد آزمایش در شکل 3 نشان داده شده است. در این شکل المان های لایه به بالایی با خطوط ضخیم و المان های لایه پایینی و مورب با خطوط نازک نشان داده شده اند. فاصله مرکز تامرکز لایه های بالا و پایین برابر با 1000 میلیمتر می باشد. زوایای المان های مورب با سطح افقی 45 درجه است و همه المان ها دارای طول برابر می باشند. شبکه شامل 84 المان در لایه بالایی ،180 المان مورب و 96 المان در لایه پایینی می باشد. المانها توسط 109 اتصال نوع مرو به یکدیگر متصل شده اند. کلیه اجزا شبکه مشابه هستند. المان های لوله ای شبکه،لوله های فولادی با قطر خارجی اسمی 4/76 میلیمتر و ضخامت 5/3 میلیمتر می باشند. ابعاد المان ها در شکل 4 نشان داده شده اند.

تکیه گاه ها

تمام تکیه گاه های شبکه در دو راستای افقی بصورت غلتکی عمل می کنند. اجزاء تکیه گاه غلتکی که پلان و مقطع آن در شکل 5 نشان داده شده است، شامل دو صفحه فولادی سخت، یک صفحه PVC صلب با 7 سوراخ و 7 گوی فلزی می باشد. صفحه فولادی سخت پایینی روی صفحه ای که در بالای ستون واقع شده قرار داده شده است. صفحه pvc و 7 گوی فلزی روی صفحه فولادی سخت پایینی قرار می گیرند و صفحه فولادی سخت بالایی نیز روی آن ها قرار می گیرد. بنابراین صفه سخت بالایی به راحتی قادر به حرکت افقی در هر راستای می باشد. شبکه برای سه حالت تکیه گاهی مختلف به شرح زیر مورد آزمایش قرار گرفته است.

v      اولین نوع قرارگیری تکیه گاه شامل4 تکیه گاه در 4 گوشه می باشد شبکه با این نوع قرارگیری تکیه گاه “شبکه 4” نامیده می شود.

v      دومین نوع قرارگیری تکیه گاه مشابه “شبکه 4” است با 4 تکیه گاه اضافی در 2 سوی روبروی شبکه . این نوع قرارگیری تکیه گاه ها “شبکه 8” نامیده می شود.

v      سومین نوع قرار گیری تکیه گاه، مشابه”شبکه 4″ است با 8 تکیه گاه اضافی در 4 سوی شبکه.شبکه با این نوع قرار گیری تکیه گاه ها،”شبکه 12″ نامیده می شود.

تکیه گاه های غلتکی در مقابل بارهای جانبی مقاومتی ندارند.به محض اعمال بار جانبی از هر نوع بر روی صفحه سخت بالایی،به راحتی می غلتند.به منظور پایدار کردن شبکه تحت بارهای افقی تصادفی ، تغییر مکان افقی شبکه با استفاده از تعدادی نبشی کنترل می شود. دو نبشی به صفحه های فولادی بالای ستون های بتنی کناری دروجه خارجی شبکه مطابق شکل 6جوش می شوند. این نبشی ها مانع حرکت افقی بخش متحرک تکیه گاه غلتکی به سمت خارج شبکه می شوند.

آماده سازی شبکه ای دو لایه با ایجاد سفت شدگی معین در پیچ های اتصال

هدف اصلی از تحقیق حاضر، بررسی اثرات درجه سفتی پیچ اتصالات بر روی رفتار شبکه های دو لایه می باشد. به این منظور”شبکه 4″،”شبکه 8″،و “شبکه 12 “،4 بار با درجات مختلف سفتی پیچ مورد آزمایش قرار گرفتند. برای هر آزمایش ابتدا تمام پیچ ها شل شده و سپس تا میزان سفتی مشخصی(240،180،120،60 نیوتن متر) سفت شدند. این کار با استفاده از آچار پیچشی(Torque Wrench) قابل تنظیم،مطابق زیر انجام شده است.

v      تمام گره های لایه پایینی شبکه توسط شمع های فولادی قابل تنظیم مطابق شکل 7 مهار شدند.

v      سپس تمام پیچ های شبکه با استفاده ازآچار شل شدند.

v      سپس تمام گره های لایه پایینی با تنظیم شمع ها هم تراز گردیند.

v      سپس تمام پیچ ها با استفاده از آچار پیچشی قابل تنظیم تا میزان مورد نیاز،سفت شدند.

v      نهایتا شمع های فولادی قابل تنظیم برداشته شدند.

روند آزمایش

از جک هیدرولیکی به منظور اعمال نیروی قائم تا 300 کیلو نیوتن بر روی گره مرکزی لایه بالایی شبکه استفاده شده است(این گره با دایره کوچکی در شکل 3 نشان داده شده است).میزان اعمال بار توسط دستگاه اندازه گیری بار(Load Cell) که بین جک هیدرولیکی و گره مرکزی قرار گرفته ،اندازه گیری شده است. تغییر مکان قائم گره های 1 تا 12 در لایه پایینی(که با دوایر توپر کوچک در شکل 3 نشان داده شده اند) توسط 12 تغییر مکان سنج(Transducer) اندازه گیری شده اند.

به منظور اندازه گیری دقیق تغییر مکان های شبکه،کلیه تغییر مکان سنج ها بر روی دو تیر بلند که بر روی پایه های فلزی خارج از فنداسیون واقع اند قرار داده شده اند (شکل 7).

با توجه به تقارن موجود در هندسه شبکه و همچنین شرایط تکیه گاهی و بارگذاری، تغییر مکان های گره های واقع در هریک از گروه های زیر باید مشابه می شدند:

v      گروه یک شامل گره های 1،6،7،12(شکل 3)

v      گروه دو شامل گره های 2،5،8،11

v      گروه سه شامل گره های 3،4،9،10

اندازه گیری تغییر مکان گره های 1 تا 12 کنترل نتایج و میزان دقت نتایج آزمایش را با توجه به تقارن گره ها ممکن ساخت. همچنین به منظور دستیابی به نتایج دقیق تر،میزان میانگین تغییر مکان های هر گروه برای تغییر مکان هر گره در آن گروه لحاظ شده است.

تحلیل شبکه

جهت مقایسه پاسخ های تحلیلی و تجربی ، هریک از شبکه های مورد آزمایش از روش متعارف تحلیل شدند. هر شبکه دو بار تحلیل شد. تحلیل اول با فرض مفصلی بودن تمام اتصالات و تحلیل دوم با فرض صلب بودن اتصالات انجام پذیرفت. در تحلیل، سطح مقطع تمام المان های شبکه،یک لوله با قطر خارجی4/76 میلیمتر و ضخامت جدار 5/3 ملیمتر فرض شدند. مدول الاستیسه لوله ها با استفاده از آزمایش کشش 206 کیلو نیوتن بر میلیمتر مربع بدست آمد.

شرایط تکیه گاهی برای مدل تحلیلی به صورت زیر انتخاب شد:

v      سه درجه آزادی انتقالی یکی از تکیه گاه کناری مطابق شکل 8 بسته شد.

v      دو درجه آزادی انتقالی در دیگر تکیه گاه انتهایی مطابق شکل 8 بسته شد.

v      دیگر تکیه گاه ها فقط در جهت قائم مقید بودند.

وزن شبکه در تحلیل منظور نشده است. این امر به این دلیل بود که اندازه گیری های خیز گره ها در حین آزمایش شامل اثر وزن خودشبکه نمی شد. مقایسه مقادیر متناظر نشان می دهد که خیز گره ها در حالت های اتصال مفصلی و صلب بسیار به هم نزدیک هستند.بنابراین نتایج حاصل از تحلیل با گره های مفصلی در اشکال 9 تا 17 نشان داده شده اند.

نتایج تجربی و تحلیلی

نتایج پاسخ بار- تغییر مکان گرههای 1،2،3 در شبکه با شرایط تکیه گاهی مختلف “شبکه 4″،”شبکه 8″ و” شبکه12″ و نیز درجات مختلف سفت شدگی پیچ در اشکال 9 تا 17 نشان داده شده اند. هر شکل متناظر با یک گره در شبکه با شرایط تکیه گاهی مختلف است و شامل پاسخ های بار – تغییر مکان برای آن گره می باشد. در این اشکال پاسخ های مربوط به گره های با درجه سفت شدگی 60 نیوتن متر به ترتیب نقطه چین،نقطه خط و خط ممتدترسیم گردیده اند. درجات سفت شدگی 120،180،240 نیوتن متربه ترتیب نقطه چین،نقطه خط و خط ممتد ترسیم گردیده اند. درجات سفت شدگی با T60,T120,T180,T240 نشان داده شده اند نتایج تحلیلی با استفاده از تحلیل الاستیک خطی شبکه برای گره های مربوطه در این اشکال با خط ممتد که روی آنها عبارت Analysis نوشته شده است مشخص هستند.

نتیجه گیری

با مشاهده کلی پاسخ بار- تغییر مکان گره های شبکه با شرایط تکیه گاهی مختلف نتایج زیر حاصل می شود.

• اگرچه شبکه در محدوده الاستیک بررسی شد،نتایج نشان می دهند که پاسخ های تجربی بار- تغییر مکان مخصوصا در اوایل بارگذاری غیرخطی هستند. به نظر می رسد که پاسخ غیرخطی به علت رفتار غیرخطی اتصال می باشد.
• مقایسه پاسخ های بار- تغییر مکان تجربی با نتایج تحلیلی نشان می دهد که اختلاف زیادی بین تغییر مکان های شبکه در دو حالت تجربی و تحلیلی وجود دارد.
• نتایج تجربی نشان می دهند که در تمام موارد خیز تجربی شبکه بیشتر از نتایج بدست آمده از تحلیل آن می باشد.
• پاسخ های بار- تغییر مکان در همه موارد نشان می دهند که درجه سفت شدگی پیچ اتصالات اثر قابل ملاحظه ای بر خیز شبکه دارد.
• مطالعات نشان می دهند که پاسخ های بار- تغییرمکان هر شبکه با شرایط تکیه گاهی خاص بین دو حد بالایی و پایینی قرار می گیرند هر یک از این حدود به درجه سفت شدگی خاصی مربوط است. حد پایین مربوط به کمترین درجه سفت شدگی پیچ می باشد که به نظر می رسد در عمل در حدود 60 نیوتن متر می باشد. درجه سفت شدگی پیچ مربوط به حد بالایی به شرایط تکیه گاهی شبکه بستگی دارد. به نظر می رسد که حد بالایی پاسخ مربوط به سفت شدگی پیچ در حدود 180 نیوتن متر می باشد.
• نتایج تجربی نشان می دهند عرض ناحیه پاسخ به میزان سختی شبکه بستگی دارد. هر چه سختی شبکه افزایش یابد عرض ناحیه نیز افزایش می یابد.
• پاسخ های تجربی بار – تغییر مکان بر روی شبکه مورد آزمایش نشان می دهند که وقتی درجه سفت شدگی پیچ ها افزایش می یابد سختی شبکه نیز افزایش می یابد. این رفتار تا رسیدن به حد بالایی پاسخ بار- تغییر مکان ادامه می یابد. پس از آن دیگرسفت کردن پیچ ها اثر زیادی بر روی رفتار شبکه نداشته و یا باعث انعطاف پذیرتر شدن شبکه می شود.

تهیه کنندگان:محمدرضا داودی،امین مصطوفیان،میثم قاسمی نقیب دهی

بررسی سیستم کابلی برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی و بهینه سازی فرم کابل

خلاصه

در اغلب ساختمانهای بتنی برای مقابله با نیروهای جانبی از قابهای خمشی،دیوارهای برش بتنی و … استفاده می شود.موضوع این مقاله بررسی سیستم جدیدی بنام سیستم کابلی یکپارچه و بهینه سازی آن می باشد که شامل کابلهای پیش تنیده جهت افزایش سختی جانبی می باشد. این سیستم به دلیل مقاومت کششی کابل،سهولت اجرا و …. می تواند جایگزین سیستم های دیگر شده یا برای مقاوم سازی سازه های موجود استفاده می گردد. جهت بررسی،قابهای سه و شش طبقه با مدلسازی سیستم در نرم افزار SAP 2000 در نظر گرفته شدند و با ایجاد مدلهای مختلف حالت بهینه ی فرم کابل انتخاب شد. نتایج نشان می دهد که با استفاده از سیستم کابلی علاوه بر ایجاد کاهش چشمگیر در تغییر مکان های جانبی نسبی ،در مقادیر آنها یکنواختی ایجاد می گردد.

مقدمه

همگام با پیشرفت علم مهندسی زلزله و تاکید بر امر مقاوم سازی سازه ها در مقابل نیروهای ناشی از زلزله استفاده از سیستم های مناسب و با عملکرد مطمئن برای مقابله با نیروها احساس می شود.سیستم متداول مقابله با نیروهای جانبی در ساختمان های بتنی متعارف کشور،5 الی 35 طبقه ،عبارتند از قاب خمشی،دیوار برشی و یا ترکیبی از آنها،در ساختمانهای بلندتر سیستم های دیگر نظیر سیستم لوله ای و … بکار می روند.
نتایج بررسی ها در زلزله های مختلف جهان بر روی ساختمانها،حاکی ازآن است که خسارات ناشی از زلزله در ساختمان های دارای قاب خمشی زیاد بوده است، بنابراین استفاده از دیوارهای برشی به عنوان سیستم مقاوم در برابر نیروهای جانبی توصیه می گردد.البته در ساختمانهای بلند معمولا دیوارهای برشی را به تنهایی بکار نمی برند چرا که تغییر مکان کنسولی شکل دیوار در طبقات بالا به حدی است که ممکن است به عوامل غیرسازه ای آسیب وارد کند.برای حل این مشکل،بدون افزایش ابعاد دیوارها که عملی غیر اقتصادی است می توان از قاب خمشی به همراه دیوار برشی استفاده نمود که اصطلاحا سیستم قاب – دیوار گفته می شود. در این سیستم ها به علت ناسازگاری حرکت جانبی قاب (مود برشی) و دیوار(مود خمشی) در ارتفاع،نیروهای اندرکنشی بین دیوار و قاب ایجاد می شوند بگونه ای که این نیروهای اندرکنشی باعث افزایش نیروهای داخلی در طبقات فوقانی می گردند(درواقع دیوار به نفع بارهای خارجی عمل می کند).بنابراین منطقی به نظر می رسد که با قطع دیوارهای برشی در مناطق فوقانی سازه از این پدیده ی نامناسب جلوگیری شود. این کار تاثیرات پیچیده ای بر توزیع لنگرها و برشها بین قاب و دیوار و اندرکنش نیروهای افقی مربوط به تیرها و تاوه های اتصالب بخصوص در مورد سازه های نامتقارن حول بارگذاری دارد که تعیین تراز قطع دیوار و اندرکنش نیروهای افقی مربوط به تیرها و از دیگر مشکلات سیستم های دارای برشی می توان به ایجاد بازشوها در دیوارها به دلایل معماری اشاره کرد.در محل ایجاد بازشو نیروهای زیادی به دیوارها اعمال میگردد. تجربیات نشان داده است که گسیختگی دیوارهای برشی اغلب در اطراف بازشوها متمرکز است و بازشوهای نابجا باعث بروز شکست های غیرمنتظره و ناخواسته می شوند.
سیستم دیگری که در چندین سال اخیر مورد توجه قرار گرفته و بصورت عملی در کشورهایی مانند آمریکا و ژاپن اجرا شده،دیوار برشی فولادی است.این سیستم به دلیل صرفه جویی اقتصادی،افزایش سرعت اجرا و وزن کم نسبت به دیوارهای بتنی،همچنین شکل پذیری و جذب انرژی بالا مورد توجه می باشد. اساس ایده ی این دیوارها بهره گیری از میدان کشش قطری است که پس از کمانش ورق فولادی در آن ایجاد می گردد. این موضوع برای اولین بار توسط واگنر در سال 1931 با آزمایش روی پانل برشی آلومینیومی ارائه شد.پس از وی دانشمندان بسیاری چون کوهن،باسلر،راکی،پورتر و… بر روی میدان کشش قطری تیر ورق ها مطالعه نمودند. در دهه 80 میلادی در دانشگاه آلبرتای کانادا برای اولین بار طرح استفاده از دیوار برشی فولادی با ورق نازک توسط کولاک و همکاران ایشان مطرح گردید و در اواخر دهه ی 80 میلادی دکتر سعید صبوری و همکاران ایشان نیز برای اندرکنش ورق فولادی و قاب محیطی آن مدل ریاضی ارائه نمودند. ایجاد بازشوها در این سیستم نیز به دلیل کاهش مقاومت و سختی دیوار برشی فولادی، مشکل ساز می باشند این سیستم رفتار نسبتا پیچیده ای دارد و هنوز هم توسط محققین زیادی بررسی می شود.
گاهی در سازه های بتنی از انواع مهارت های فلزی نیز استفاده شده است.از آن جمله ماهری و همکارانش از مهارهای فلزی X و زانویی استفده کرده اند.
این مهارها برای مقاوم سازی ساختمان های موجود بصورت خارجی و برای سازه های جدید بصورت داخلی تعبیه شده اند. در مورد مقاوم سازی با این نوع مهاربندی ها سکیگوچی،دل واله و همکاران، بادوکس و جیرسا مثالهای عملی را ذکر کرده اند.آزمایش این نوع مهاربندی ها هم توسط بوش و همکاران ایشان گزارش شده استو گفته شده است که این مهاربندی های ظرفیت مقاومت برشی سازه را افزایش می دهند،ولی مسائل مانند مشکلات اجرایی و ملاحظات معماری در معایب این گونه بادبندی های آورده شده است. در حالت قرار دادن مهاربندی های بصورت داخلی مهارها مستقیما و یا بصورت غیر مستقیم به قاب بتنی بصورت غیر مستقیم و از طریق قاب فولادی انجام می گیرد. در برخی حالات بهسازی،فراهم کردن قاب فولادی در محلی از قاب بتنی که قبلا آسیب دیده یا ضعیف شده است،لازم می باشد. در موارد دیگر قاب فولادی یک مکانیزم اتصال هزینه بر می باشد.
موضوع تحقیق این مقاله،بررسی مقاومت و سختی سیستم کابلی بعنوان یک سیستم کاملا جدید جهت مقاوم سازی در برابر نیروهای جانبی می باشد. در این سیستم از کابلهای پیش تنیده ی یکپارچه برای افزایش سختی جانبی می باشد. در این سیستم از کابلهای پیش تنیده ی یکپارچه برای افزایش سختی جانبی سازه استفاده می شود و برای افزایش استهلاک انرژی نیز می توان در انتهای هر کابل یک میراگر فنری با مایع ویسکوز قرار داد. این سیستم را می توان به صورت داخلی و خارجی اجرا نمود بطور مثال برای مقاوم سازی سازه های موجود می توان با تقویت محل اتصال از این سیستم براحتی به صورت خارجی استفاده کرد. شکل(1) ساختمان بتنی را نشان می دهد که سیستم کابلی در آن بصورت خارجی اجرا شده است. به دلیل جدید بودن این سیستم، علیرغم جستجوی زیادی که توسط مولفین انجام یافت. بجز اطلاعات مختصری که توسط شرکت جرت در قلب یک فایل نمایشی ارائه شده بود اطلاعات دیگری پیدا نشد.

به نظر مولفین این سیستم کارا بوده و می تواند، با انجام تحقیقات تئوریکی و آزمایشگاهی، جایگزین خوبی برای سیستم های دیگر باشد. مزایای این سیستم را می توان به شرح زیر عنوان کرد.
مقاومت کششی بالای که اجازه ی اعمال نیروهای پیش تنیدگی قابل توجهی را در کابلها داده و سختی سیستم را هر چه بیشتر افزایش می دهدو
سطح مقطع کوچک و وزن کم کابل در مقابل اعضای مقاوم دیگر (دیوارهای برشی بتنی و فولادی و مهاربندی فلزی) که علاوه بر کاهش هزینه ی سازه نسبت به سایر سیستم های مقاوم سازی، به دلیل ارتباط نیروهای زلزله با وزن سازه، می تواند در کاهش نیروهای زلزله نیز موثر باشد.
سهولت و سرعت بالای اجرا به دلیل یکپارچه بودن کابلها در طبقات .
عدم نیازبه نگهداری در مورد خود کابل و نگهداری راحت میراگرهای فنری با توجه به تعداد کم آنها در کل سازه.
عدم نیاز به تعمیر و یا تعمیر سریع آن بعد از زلزله .
افزایش ایمنی با افزایش قابل ملاحظه ی سختی جانبی .
ممانعت کمتر برای ملاحظات معماری در مقایسه با دیوارهای برشی و مهاربندها .
مقاومت بالای کابل در برابر خوردگی،سایش و خستگی .
در این تحقیق نحوه ی مدلسازی سیستم کابلی با اتصالات لغزشی در کف طبقات شرح داده شده و فرم بهینه ی کابل، با ایجاد مدلهای مختلف و بررسی نتایج آنها،در دو قاب بتنی سه و شش طبقه انتخاب می شود. سپس نتایج حالت بهینه ی سیستم کابلی با نتایج قاب خمشی مقایسه می شوند تا میزان و نحوه ی تاثیر سیستم مذکور بر سختی و مقاومت قابها مشخص شود.در ضمن اثرات استفاده از میراگرها،که در حال بررسی در تحقیقات بعدی اضافه خواهد شد.

معرفی سیستم کابلی و نحوه عملکرد آن

در این سیستم به دلیل یکپارچگی کابل مهاری و اتصال لغزشی آن به دال کف در طبقات ایجاد می شوند در همه ی طبقات با هم برابر خواهند بود. این نیروهای کششی به دلیل شکستگی امتداد کابل در محل عبور از کف طبقات مختلف و با توجه به زوایای کابل نسبت به افق در هر طبقه، مولفه های افقی متفاوتی خواهد داشت . برایند این مولفه ها در دو طبقه مجاور، نیرویی است که بر خلاف جهت نیروی زلزله به کف طبقه اعمال می شود و مانع تغییر مکان بیشتر آن می گردد. عملکرد شرح داده شده برای این سیستم، بصورت شماتیک،تحت اثر بارهای جانبی در دو جهت مخالف در شکل(2) نشان داده شده است. همچنین نحوه ی اتصال کابل به کف طبقه و اتصال آن در اولین طبقه به ستون و پی در شکل (3) نشان داده شده است.

با توجه به توضیحات بالا در مورد عملکرد سیستم، مطمئنا تعیین محل عبور کابل از کف هر طبقه و یا زوایای امتداد کابل نسبت به افق در هر طبقه، که یکی از پارامترهای تعیین کننده ی سختی جانبی کابل می باشد، از اهمیت خاصی برخودار می باشد، از اهمیت خاصی برخودار می باشد و باید حالت بهینه ی آن پیدا شود. در قاب های خمشی، تغییر مکان های جانبی نسبی طبقات پایینی هستند . پس برای رسیدن به حالت بهینه می توان زوایای امتداد کابل نسبت به افق را طوری انتخاب کرد که سختی بیشتری به طبقات پایین تر برسد. در واقع در این حالت بیشترین مقادیر تغییر مکان جانبی نسبی در سیستم قاب خمشی،بیشترین کاهش را خواهند داشت و به این ترتیب تغییر مکان های جانبی نسبی طبقات یکنواخت تر خواهد شد.

مدلسازی سیستم

مدلسازی این سیستم با نرم افزار SAP 2000 انجام گرفت. ابتدا برای اطمینان از صحت مدلسازی عضو کابلی، مثالی حل شده از NONSAP که جوابهای آن با برنامه ی اجزای محدود FINELE نیز بدست آمده بود(6) توسط مولفین در این برنامه مدل گردید. اطلاعات مربوط به این مثال در شکل (4) و جدول (1) آورده شده است(7).

در حالت اول وزن کابل مثل مدل ساخته شده در FINELE بصورت گرهی و سپس بصورت بار گسترده ی روی عضو اعمال گردید. هریک از مدلها، با در نظرگرفتن 20،40….و 100 درصد نیروها تحلیل شدند. پس از اطمینان در مورد صحت مدلسازی، که با توجه به شکل(5) مشخص می شود، قابهای مختلفی تحلیل شدند . در تحلیل این مدلها لنگرهای خمشی در دو انتهای کابل و لنگر پیچشی در یک انتها آزادسازی شدند. عضو کابلی به اعضای کوچکتر تقسیم گردید و اثر تغییر مکان های بزرگ در انجام تحلیل غیر خطی انتخاب شد تا انعطاف پذیری کابل منظور شود. بدلیل اینکه کابل ها تنها به کشش کار می کنند حد بالای فشار در این اعضا برابر صفر اعمال شد تا هنگام ایجاد فشار،بدون هیچگونه سختی کوتاه شده،سختی کابل ها از سختی سیستم حذف گردد.با عوض شدن جهت نیرو،کوتاه شدگی قبلی بدون دخالت سختی برطرف گشته و عضو با تمامی سختی بکار گرفته می شود(8).

برای مدل کردن اتصال لغزشی کابل با کف طبقه در نرم افزار SAP 2000 ابتدا گره اتصال کابل به کف طبقه واپاشی (Disconnect) شده و سپس اعضای تیری به هم و اعضای کابلی به هم متصل شدند(شکل 6). در این حالت در محل اتصال، دو گره بایک مکان هندسی در فضا ایجاد می شود که کاملا مجزای از هم عمل می کنند. در مرحله ی بعدی محورهای محلی گرهها به اندازه ی Өave دوران داده شدند که با این کار یکی از محورهای محلی گرهها بر امتداد AB منطبق شد. سپس با استفاده از قید Local، درجه ی آزادی دو گره در امتداد عمود بر امتداد AB، به هم بسته شده و سایر درجات آزادی آزاد گذاشته شدند. در واقع با این کار به کابل اجازه داده می شود که در محل اتصال به تیر، در جهت امتداد AB، آزادنه حرکت کند و در جهت عمود بر امتداد مذکور به دلیل مقید شدن با تیر، در برابر حرکت جانبی طبقه ممانعت ایجاد نماید که این همان عملکرد مورد انتظار از اتصال لغزشی می باشد.

برای وارد کردن نیروی پیش تنیدگی کابل ها در نرم افزار SAP 2000، با توجه به اینکه اعمال این نیرو بصورت مستقیم امکان پذیر نبود، از روش کاهش درجه ی حرارت در اعضای کابلی استفاده شد که میزان کاهش با توجه به رابطه ی(1) محاسبه می گردد.
∆T=-P/EAα
دراین رابطه :p: نیروی پیش تنیدگی، A: سطح مقطع کابل، E : مدول الاستیسیته ی کابل، α : ضریب انبساط حرارتی کابل

مقایسه ی قاب خمشی مهار شده توسط کابل

با توجه به اینکه دو عامل تعیین کننده برای سیستم های مقاوم جانبی، مقاومت و سختی آنها می باشد، در این بخش دو سیستم قاب خمشی و قاب خمشی همراه با کابل، از این نظر با هم مقایسه می شوند تا میزان کارایی سیستم کابلی نشان داده شود. برای این منظور دو ساختمان بتنی، سه و شش طبقه، که در هر جهت دارای پنج متری بوده و ارتفاع طبقات آن سه متر می باشد، باسیستم پوششی دال بتنی،در نظر گرفته شدند. بارگذاری آنها مطابق ضوابط آیین نامه های 519 و 2800 انجام شد(9)، یک قاب کناری از هر ساختمان،بعنوان نماینده انتخاب گشته و تحلیل شد. طراحی این قابها با فرض قاب خمشی متوسط و مطابق آیین نامه ی ACI318-02 انجام گردید(11). برای رعایت محدودیت مربوط به تغییر مکان های جانبی طبقا غالبا لازم است که پس از طراحی قابهای خمشی برای نیروهای داخلی ، ابعاد مقاطع آنها بزرگتر شوند ولی بجای این کار، سیستم قاب خمشی همراه با کابل جهت کنترل این محدودیت در نظر گرفته شد. پس از اتمام طراحی قابهای خمشی، با ثابت نگه داشتن مقاطع قابهای طراحی شده و همچنین نیروهای جانبی اعمالی،برای قاب سه طبقه از کابلی به قطر 3 سانتی متر و نیروی پیش تنیدگی 18000 کیلوگرم بطوری استفاده شد که سیستم کابلی سه دهانه از قاب را پوشش دهد. در قاب شش طبقه نیز از کابلی به قطر 5 سانتی متر و نیروی پیش تنیدگی 50000 کیلوگرم، با پوشش هر پنج دهانه استفاده شد. برای پیداکردن نقاط بهینه ی اتصال کابل به کف طبقات،تمامی نقاط ممکن جهت اتصال کابل، با گامهای 0/5 متری در نظر گرفته شدند. پس از مدلسازی و تحلیل تمامی مدلهای ایجاد شده، حالات بهینه با توجه به نتایج تحلیلی انتخاب گشتند. فرم کلی کابل در حالت بهینه برای هر دو قاب در شکل(7) نشان داده شده است. مختصات نقاط اتصال کابل به کف طبقات مختلف با توجه به شکل(7) برای کابل مهاری سمت راست در جدول(2) آورده شده است. در مورد کابل مهاری بعدی مختصات مربوطه در جهت x، قرنیه مختصات کابل سمت راست می باشد.

نکته ی قابل ذکر در مورد بهینه سازی فرم کابل این است که زاویه ی کابل با افق در طبقاتی از قاب خمشی که دارای تغییر مکان جانبی نسبی بزرگتری بودند، کوچکتر است. پس با توجه به تغییر شکل قاب خمشی می توان چنین گفت که زاویه ی کابل با افق در طبقه ی پایین کمترین مقدار را داشته و با حرکت به سمت طبقات بالاتر این زاویه افزایش می یابد. اما این مطلب در مورد طبقه ی اول صدق نمی کند، این طبقه به دلیل اتصال به زمین دارای سختی زیادی بوده و تغییر مکان جانبی نسبی آن کوچکتر از چندین طبقه ی روی خود می باشد. پس همانطور که از شکل (7) و جدول (2) فهمیده می شود، حالت بهینه موقعی رخ می دهد که کابل از طبقه ی اول بدون شکستگی عبور کند،یعنی زوایای کابل با افق در طبقات اول و دوم برابر باشند.
نتایج مربوط به تغییر مکان های جانبی نسبی در طبقات قابهای سه و شش طبقه، در شکل(8) آورده شده است. جداول (3) و (4) نیز شامل همین نتایج بصورت عددی و درصدهای کاهش تغییر مکان جانبی نسبی طبقات مختلف به دلیل استفاده از کابل نسبت به سیستم قاب خمشی می باشد.

اولین مطلبی که از نتایج مذکور استنباط می شود، کاهش چشمگیر تغییر مکان نسبی طبقات می باشد که علاوه بر کاهش محسوس لنگر در ستون ها،از اثرات پدیده ی P-∆ نیز می کاهد و نشان می دهد که کابل های پیش تنیده حتی با سطح مقطع کوچک تاثیر زیادی در افزایش سختی جانبی قاب ها دارند.
مقادیر مربوط به تغییر مکان های جانبی نسبی در اکثر طبقات، خارج از محدوده ی آیین نامه ی 2800 هستند. این محدوده برای قاب های سه و شش طبقه با توجه به زمان تناوب آن ها برابر 0/25h یا 75 میلی متر می باشد. مثلا برای مقادیر ماکزیمم که در طبقه ی دوم رخ داده است داریم:
صدق نمی کند 0/7* R * ∆ – 0/7* 7* 19/25 – 95/65 <75 → : قاب سه طبقه
صدق نمی کند 0/7* R * ∆ – 0/7* 7* 27/51 – 134/8 <75 → : قاب شش طبقه
حال با فرض ثابت ماندن ضریب رفتار برای سیستم قاب خمشی با کابل خواهیم داشت:
صدق می کند 0/7* R * ∆ – 0/7* 7* 8/50 – 41/65 <75 → : قاب سه طبقه با کابل
صدق می کند 0/7* R * ∆ – 0/7* 7* 10/49 – 51/40 <75 → : قاب شش طبقه با کابل
با توجه به نتایج قاب شش طبقه، این نکته مشاهده می شود که تغییر مکان های جانبی نسبی طبقات دوم و سوم که در سیستم قاب خمشی بیشترین مقادیر را داشتند، در سیستم کابلی بیشترین درصد کاهش را دارا می باشند. در ضمن نتایج سایر طبقات نیز با مقادیر این دو طبقه دارای یکنواختی هستند که نتیجه ی بسیار خوبی می باشد. البته یکنواختی تغییر مکان های جانبی نسبی برای طبقات اول و آخر در مقایسه با سایر طبقات کمتر است که دلیل آنرا می توان در سختی زیاد طبقه ی اول به دلیل اتصال به زمین و نرمی طبقه ی آخر به دلیل انتهای آزاد آن دانست. این امر در نتایج قاب سه طبقه به دلیل وجود فقط یک طبقه ی میانی مشهودتر می باشد.
وجود کابل مهاری با نیروی کششی بالا،باعث می شود که قسمت قابل توجهی از برش طبقات توسط مولفه ی افقی کشش کابل خنثی شود و کاهش قابل ملاحظه ای در نیروی برشی ستون های قاب ایجاد گردد. میزان این کاهش را از روی نتایج آمده در شکل(9) می توان بخوبی مشاهده کرد. لازم به ذکر است که با توجه به کاهش چشمگیر نیروهای برشی و لنگرهای خمشی اعضای قاب، میزان میلگرد مورد نیاز اعضا کاهش خواهد یافت که در مقایسه با سطح مقطع و وزن کم کابل اضافه شده،طرح اقتصادی تر می شود.

نتیجه گیری

سیستم کابلی باعث ایجاد کاهش قابل ملاحظه در تغییر مکان های جانبی نسبی طبقات و نیروهای برشی و لنگرهای خمشی اعضای قاب شده و سختی جانبی قاب را،حتی با سطح مقطع کوچک کابل،بطور چشمگیری افزایش می دهد. علاوه بر مطلب فوق، بهینه سازی فرم کابل باعث می شود که بیشترین درصدهای کاهش در مقابل تغییر مکان های جانبی نسبی، مربوط به طبقاتی باشد که در سیستم قاب خمشی دارای بیشترین مقادیر بودند و به این طریق یکنواختی در نتایج تغییر مکانی ایجاد می شود.
برای حصول فرم بهینه ی کابل لازم است که زوایای امتداد آن با افق در طبقات اول و دوم با هم برابر بوده و برای طبقات بالاتر به تدریج کاهش داده شود.
با توجه به مطالب فوق و در نظر داشتن مزایای ذکر شده برای این سیستم، می توان آنرا جایگزین مناسبی برای سایر سیستم های مقاوم سازی دانست.

تهیه کننده:مجید برقیان، صمد مقصود پور

چکیده

ایران بر روی کمربند کوهزایی آلپ هیمالیا و لاجرم در خط زلزله خیز جهان قرار گرفته است و نتایج حاصل از مطالعات باستان شناسی، متون تاریخی و آمارهای ثبت شده از زمین لرزه ها در 100 سال اخیر موید این مطلب است.با توجه به این که درصد بالائی از ساختمانهای موجود در اکثر شهرهای و روستاهای کشور در زمانی ساخته شده اند که آئین نامه ها و مقررات زلزله به قوت امروز حاکم و مطرح نبوده است،بیم آن می رود که با یک زمین لرزه نسبتا شدید، مخصوصا در مراکز جمعیتی کشور خسارات کلان به مردم و دولت تحمیل گردد.لذا جهت کاهش و به حداقل رساندن این خسارت مقاوم سازی ساختمان ها و ابنیه موجود بطور جدی در بین مهندسین و متخصصین کشور مطرح شده است.

در این مقاله که به سهم خود قدم کوچکی است برای تقویت ساختمانهای بنائی نمونه ائی از شیوه مقاوم سازی با استفاده از کابل ارائه و مورد بحث قرار گرفته است و به نظر می رسد که استفاده از کابل های فولادی از ابعاد گوناگون اجرائی-فنی – اقتصادی عنصر مناسبی جهت تقویت پاره ای از ساختمان ها و ابنیه مهم می تواند مطرح گردد و همچنین چند نمونه از بناهای تقویت شده توسط کابل ارائه و معرفی شده است.

کلید واژه ها: کابل های فولادی،نیروهای رانشی،کرنش ناپایداری سازه ای،مرمت،تقویت،کلاف کشی،نیروهای کششی،مقاوم سازی بناها.

1-مقدمه

موضوع تقویت، تعمیر و نگهداری ساختمان در سه بخش مستقل قابل بررسی و تعمق است،بخش نخست،ساختمان را به عنوان ثروت های غیر منقول ملی می نگرد که دارای عملکرد مشخصی در جامعه است،بنابراین توجه نمودن بر آن،ضروری و اجتناب ناپذیر خواهد بود.مصداق این تفکر ،کلاف کشی و تقویت ساختمانهای عام المنفعه،دولتی،خصوصی و عمومی ایست که اگر اندکی هم از سال ساخت آنها سپری شده باشد، اما در ردیف بناهای ستادی طبقه بندی و هم اکنون در چرخه ی زندگی و مدیریت جامعه نقش اساسی دارند.

در بخش دوم که بسیار پیچیده تر و حساس تر از بخش نخست است،ساختمان نه تنها از جهت ارزشهای اقتصادی،بلکه از نقطه نظر طرح تمدن های ملی،استمرار پدیده های فرهنگی،تداوم بخشیدن به سنتهای معماری، عنایت به پدیده های جهانگردی،طرح آرمانها و ایده آل های فکری-مذهبی و مسایل متعددی از این قبیل را مورد توجه قرار می دهد.

مصداق این تفکر،آثار و بناهای تاریخی و یادمانهای فرهنگی می تواند باشد که در مقیاس وسیعتر در اقصی نقاط ایران و از دورانهای مختلف،باقی مانده و به عنوان حفظ ارزشهای ملی – مذهبی – فرهنگی، از حساسیت نسبتا زیادی هم برخور دارند-تقویت و تعمیر آنها دارای اهمیت زیادی است.

بخش سوم،قرار گرفتن قسمت اعظمی از کشور بر روی کمربند زمین لرزه ها و تبعات اجتماعی ، سیاسی و اقتصادی ناشی از این پدیده طبیعی را،که بطور متعدد و پیوسته ظهور می نماید مورد لحاظ قرار می دهد. بنابراین مسئله تقویت انواع سازه ها،اعم از بناهای قدیم،جدید و سایر ابنیه فنی بدلایل عدیده،همانند تغییر کاربری در ساختمان،افزایش طبقات، ضعف در اجراء، اشکال در محاسبات،قدمت ساختمانها،و تغییر استانداردها،ضوابط و معیارهای فنی،شایسته انجام تحقیقات نسبتا جامع و استفاده بهینه از ابزارآلات و فناوری جدید است.

2-نیروهای رانشی

یکی از پدیده های مهمی که سازه ها را تحت تاثیر قرارداده و آن را از حیز انتفاع ساقط می سازد، نیروهای رانشی است. این نیروها عمدتا و بسته به شدت و ضعف آنها سازه را در جهت افق به کرانش،نهایتا به گسیختگی وامی دارد و عوامل عمده تولیده کننده رانش در سازه ها عبارتنداز:

• بارهای متمرکز وارد به سازه ها و اندامهای باربر
• فرم معماری همانند گنبدها،قوسها و ایوان ها
• تحلیل رفتن مقاومت مصالح و اجزاء تشکیل دهنده سازه ها
• انقباض و انبساط لایه های رسی واقع در زیر شالوده ها
• نشست تکیه گاهی و ایجاد جابجایی در فونداسیون

به وجودآمدن نیروهای رانشی ممکن است منجر به خرابیهای زیر شود:

• ناپایداری کلی سازه
• ایجاد تغییر شکل در سازه
• ایجاد ترکهای افقی،عمودی و مورب
• جدا و دو پوسته شدن عناصر و اجزای آمودی(نازک کاری) در بنا
• کمانه کردن ستون ها و عناصر تزئیناتی
• ناشوقل شدن عناصر سازه ها و اندامهای معماری
• گسیختگی و تخریب شدن کلی بنا

بنابرآنچه که بیان گردید چنین استباطی می شود که نیروهای رانشی یکی از عوامل مخرب در بناها و سازه هاست و جلوگیری از گسترش این نیروها قبل از ایجاد بحران در ساختمان،از نظر مرمتی و تقویت سازه می تواند موثر باشد.

3- روش های تقویت:

برای تقویت سازه ها روشهای گوناگونی توسط مرمت گران و مهندسان ابداع و به مرحله ی اجراء گذاشته شده اند که روش های معمول عبارتند از:

• کلاف کشی با استفاده از تیرهای فولای
• کلاف کشی با استفاده از بتون مسلح
• کلاف کشی با استفاده از ستون های فولادی مرکب
• کاهش فشار از طریق سبک سازی سازه ها
• کلاف کشی با استفاده از دوخت و دوزهای موضعی
• ایجاد نیروهای عکس العمل و فرعی در مقابل نیروهای رانشی
• کلاف کشی با استفاده از تسمه های فولادی
• تقویت با استفاده از کابل های فولادی

4- استفاده از کابل های فولادی

از آنجایی که کابل های فولادی با داشتن مشخصات فنی می توانند در تحمل نیروهای کششی در سازه نقش موثری ایفا نمایند و نسبت به روش های مزبور از مزایائی برخوردار است، در این مقاله مورد توجه قرار گرفته است که ذیلا برخی از مزیت های استفاده از کابل در مرمت و مقاوم سازی سازه ها نسبت به روش های دیگر ذکر می گردد:

1. کم حجم بودن سطح تخریبی در اجرای کابل در مقایسه با گسترده بودن سطح تخریب در اجرای تیرهای فولادی و بتن مسلح
2. بالا بودن مقاومت کششی کابل در مقایسه با تیرهای فولادی و بتن مسلح
3. مخفی و غیر قابل رویت شدن کابل های فولادی استفاده شده در ساختمان نسبت به دیده شدن عناصر فولادی و بتنی که منجر به تغییر نمای معماری می گردد.
4. سهولت اجرای کابل های فولادی نسبت به تیرهای فولادی و بتنی
5. سبک و کم حجم بودن کابل در مقایسه با تیرهای فولادی و بتنی که موجب افزایش بار مرده ی ساختمان می شود.
6. مقرون به صرفه بودن عملیات اجرایی تقویت سازه با کابل های فولادی نسبت به هزینه های نسبتا زیاد روش های دیگر
7. قابلیت و سهولت اجرای کابل در هر نوع سازه مخصوصا سازه های بزرگ و محدود بودن استفاده از تیرهای فولادی و بتن آرمه در سازه های حجیم و طویل
8. حداقل بودن زمان مورد نیاز برای اجرای کابل های فولادی در مقایسه با روش های دیگر.

5-نمونه های اجرا شده

به منظور بهره مندی از مزایای مذکور،در سالهای اخیر ساختمانهای متعددی در مقیاس های مختلف با استفاده از کابلهای فولادی مقاوم سازی شده اند که عبارتنداز:

1. بنای تاریخی مسجد جامع زنجان
2. بنای تاریخی رختشویخانه زنجان
3. قسمتی از بازار قدیمی زنجان
4. پژوهشکده علوم انسانی(حکمت و فلسفه)

که ذیلا نحوه و روش های تقویت در موارد(1) و(2) تشریح می گردد.

الف- مقاوم سازی بنای تاریخی مسجد جامع زنجان

مسجد و مدرسه ای است موسوم به مسجد جامع زنجان و از مستحدثات دوران قاجار است و این مجموعه تاریخی همانند سایر بناهای دوران قاجار از نظر مصالح استفاده شده ضعیف بوده است. این بنا در اثر بالا آمدن سطح آبهای زیرزمینی که خود معلول گرفتگی فاضلاب های منطقه ای است بطور ناهماهنگ فرونشسته و در اثر همین فرآیند،ایوان جنوبی مشرف به شبستان گنبددار را تحت تاثیر قرار داده و خرابی هائی به شرح زیر در اندامهای سازنده این بنا قابل مشاهده است.

• ایوان 5 سانتیمتر فرونشسته و 7 سانتیمتربه طرف بیرون (صحن مسجد) رانده شده و حدود 10 سانتیمتر از حالت شاقولی خارج شده است.حرکت مزبور باعث جابجایی اجزاء تزئیناتی و دو پوسته شدن قسمتی از تزئینات ایوان را فراهم ساخته بود.(شکل 2)
• در شبستان زیر گنبد در جهت شرقی به غربی شکاف های عمودی به عرض 6 سانتیمتر و به عمق مقطع دیوار،باز گردیده و ترکهای مزبور تا بالای گنبد سرایت نموده، به طوری که افتادگی کاشی کاری را موجب شده است.
• جرزهای طرفین ایوان 10 سانتیمتر به طرف خارج رانده شده و در نتیجه عرقچین(خوانچه پوش) ایوان شکسته شده و تزئینات آمودی (کاشی کاری) گسیخته است.

مشخصات بنا شامل:عمق ایوان 7 متر عرض آن 9 متر و شبستان دارای پلان مربع به طول 7 متر و ارتفاع گنبد 28 متر،با عنایت بر آنچه بیان گردید معلوم می شود که عناصر سازه ایی گنبد، ایوان و شبستان حداقل در سه جهت رانش نموده و این پدیده تعادل و ایستایی را به شدت مورد تهدید قرار داده بود.

از آنجایی که قسمت اعظمی از سطوح ایوان را تزئینات آمودی پرکار و کتیبه های زیبا پوشانیده بود و از طرف دیگر داشتن ابعاد نسبتا زیاد (حدود 20 متر طول و 12 متر عرض) مشکلاتی عدیده ای بر اجرای کلاف کشی های معمولی مترتب می گردید، بنابراین، ضمن انجام مطالعات لازم، گزینه کلاف کشی با استفاده از کابل های فولادی انتخاب و جزئیات کار طراحی و به مرحله ی اجرا در آمد.

براساس این طرح و در مرحله ی نخست سه فونداسیون در ضلع جنوبی و دو فونداسیون در ضلع شرقی و غربی اجراء شد. جان دیوارها در محل فونداسیون ها به عرض 25cm و به عمق (ضخامت) 22cm شکافته شده و در هریک ازآنها ستونی متشکل از 2INP.18 قرار گرفته و به صفحه فونداسیون متصل و به حالت کشش قرار گرفتند. با انجام این عمل کلیه حرکتهای افقی در عناصر گسیخته در جهت شمالی جنوبی سلب و ایستایی بنا در این جهت تامین گردید. کلاف مزبور در جهت شرقی به غربی انجام و بنا از هر چهار طرف به همدیگر دوخته و کلیه ی نیروهای رانشی خنثی و تعادل بنا اعاده گردید.

با اجرای این کلاف ها هیچگونه الحاقات جدید و نوظهوری در بنا مشاهده نمی شود.شایان ذکر است که هزینه های اجرایی این روش نسبت به کلاف کشی با استفاده از تیرهای فولادی نزدیک 1 به 3 و زمان اجرای آن 1 به 4 تقلیل یافته است.

ب- مقاوم سازی بنای تاریخی رختشویخانه

بنای رختشویخانه به مثابه ی یکی از زیباترین مونمانهای تاریخی – فرهنگی در منطقه و از مستحدثات اوایل پهلوی می باشد.

بنای رختشویخانه (شکل 5) شامل سالنی به طول 78 متر و به عرض 13 متر و ارتفاع نزدیک به 5/5 متر قابل اندازه گیری است. جرزهای بنا از شالوده ها تارقوم پاطاق ها از لاشه سنگ و در طاق ها و تویزه ها ازآجرهای ختایی استفاده شده است شکل هندسی و پائین بودن رقوم شالوده ها و بالاآمدن سطح آبهای زیرزمینی موجب شده است که قسمت اعظمی از جرز و شرقی این بناء حدود چهار سانتیمتر از هر طرف به خارج رانده شود. تامین ایستایی بنا از طریق اجرای کلاف محرز شد و با توجه به پهنای نسبتا زیاد بنا(20/13متر)استفاده از کابل های فولادی منطقی ترین روش به نظر رسید.بر این اساس طراحی تقویت بنای مزبور آغاز و به مرحله ی اجراء درآمد.براساس طراحی مذکور در رقوم 00/0± در پشت کلیه تویزه ها و در دوطرف آنها فونداسیون ها تعبیه و ستون های فولادی متشکل از 2INP14 در آنها نصب گردید. ستون های مقابل هم با نصب کابل های فولادی با تمهیداتی به همدیگر متصل و بدین سان نیروهای فعال رانش خنثی شده اند.

6- نحوه انتقال نیروهای رانشی در سیستم سازه ای

وضعیت اعمال نیروهای رانشی به سیستم تقویت متشکل از کابل – ستون در سه حالت قابل بررسی است. 1) تمام نیروهای رانشی به ستونهای سمت راست اعمال گردد.(شکل1-ب) 3) نیروهای رانشی همزمان به هر دو طرف به طور مساوی اعمال گردد.(شکل1-ج)

نیروهای رانشی در کابل ها ایجاد نیروهای کششی نموده و انتقال نیرو نهایتا بصورت نیروهای برشی و خمشی از طریق ستون ها به فونداسیون ها منتقل میگردند.

7- نتیجه گیری

بنا برآنچه که بیان گردید، استفاده از کابل های فولادی ، در تقویت و کلاف کشی انواع سازه ها اعم از قدیم، جدید و سازه های بتنی،فولادی، آجری و چوبی یکی از روش های موثر و مفید می تواند مطرح شود که در مقایسه با سایر روش های ممکن از نظر معماری ، اقتصادی، سهولت اجرا و زمان اجرا نسبت به آنها ارجحیت دارد.

سازه های فضاکار گروهی از سازه ها هستند که دارای رفتار مسلط سه بعدی بوده،معمولا در خور تولید صنعتی انبوه بوده و در این حالت،قیود فنی و اقتصادی را با تلفیق مناسبی از مفاهیم سازه ای، اصول ایمتی،دیدگاه زیباشناختی و جنبه های اقتصادی ارضا می نمایند .

نشریه 400

چکیده

در نیم قرن اخیر جستجو برای یافتن راه حلی مناسب و اقتصادی برای پوشش دهانه های بزرگ مورد توجه مهندسان بوده و تقاضای روز افزون برای این نوع سازه ها مطالعه و تحقیق در این زمینه شدت بخشیده است. کابلهای فولادی یکی از مصالح ساختمانی است که امروزه برای پوشش فضاهای وسیع از آنها استفاده می شود و به شکل کنونی پدیده ای نسبتا جدید به شمار می آید.

سازه های کششی سازه هایی هستند که در آنها اعضای اصلی باربر، بارهای وارد را به شکل تنشهای کششی و بدون اعمال فشار یا خمش به پی یا تکیه گاهها انتقال می دهند. ابعاد سطح مقطع و طرز ساخت قطعات تشکیل دهنده این گونه سازه ها چنان است که صلابت برشی و خمشی و مقاومت کمانش آنها قابل اغماض است.بنابراین مکانیزم به کار رفته در مهار سازه های کششی باید با این خاصیت مطابقت داشته باشد.

سازه های کششی به سبب سختی اندکی خود در مقابل تغییر مکان های بزرگ تحت اثر بارهای متمرکز و تاثیرات دینامیکی از خود ضعف نشان می دهند. پاسخ آن ها ،بدون توجه به خطی بودن بارها و یا رفتار مواد،در مقابل نیروهای پیش تنیدگی و یا بارهای زنده وارده همواره غیرخطی است و به دلیل غیرخطی بودن پاسخ سازه جمع آثار نیروهای مختلف سرویس معتبر نیست. نیروهای پیش تنیدگی یکی از عوامل اصلی در تعادل استاتیکی سازه بوده و باعث تثبیت سازه و موجب سختی آن در مقابل خیز بیشتر می شوند.

در این مقاله سعی برآن است که روش تحلیل استاتیکی سازه های کششی –به ویژه سازه های کابلی- مورد بررسی قرار گرفته و فرمولهای خلاصه شده و گویا و نمودارهای تقریبی حاصل از فرض های ممکن تهیه شود. و به صورت خلاصه رفتار کابل ابتدا در مقابل بارهای متمرکز و سپس در مقابل بارهای متمرکز و سپس در مقابل بارهای گسترده مورد بررسی قرار گیرد.

کلمات کلیدی:سازه های کابلی-تغییر مکان – بارهای متمرکز – بارهای گسترده

1-    مقدمه:

سازه های کششی سازه هایی هستند که در آنها اصلی باربر بارهای وارده را به شکل تنشهای کششی و بدون اعمال فشار یا خمش به پی یا تکیه گاه انتقال می دهند. ابعاد سطح مقطع و طرز ساخت قطعات تشکیل دهنده این گونه سازه ها چنان است که صلابت برش و خمش و مقاومت کمانش آنها قابل اغماض است. این نوع سازه ها تحت اثر بارهای وارد تغییر شکل داده و بدین ترتیب از افزایش میزان تنش جلوگیری می کنند. سازه های کششی برای تحمل بارهای گسترده بسیار مناسبند و به همین سبب تعادل آنها تحت اثر بارهای مرده و زنده مطالعه می شود. چون سختی سازه های کششی کم است در مقابل بارهای متمرکز و تاثیرات دینامیکی حساسیت زیادی از خود نشان می دهند و در نتیجه تاثیرات بارهای دینامیکی مختلف را باید مطالعه کنیم.

2-کاربرد سازه های کششی:

این نوع سازه ها برای حمل بارهای مرده و زنده گسترده از قبیل باد،جریان های دریایی و نیروی رانشی ناشی از امواج به کار می روند.برخی از مزایای عضوهای کششی برای کاربرد به منزله قطعات سازه ای از این قرار است:

v    این نوع سازه ها معمولا سبک وزن بوده و به آسانی می توان آنها را حمل،نصب و تخریب کرد.

v    می توان آنها را در کارخانه در مقیاس انبوه ساخت،هزینه نصب آنها اندک است و می توان آنها را از جایی به جای دیگر انتقال داد.

v    در سازه های متکی به هوا،مکانیزم اصلی محل بار،همان محیط اطراف یعنی مخلوطی از گازهای تحت فشار است.

v    بارهای محیطی به وسیله تنش مستقیم و بدون خمش حمل می شوند.

v    عضوهای این نوع سازه ها تحت اثر بارهای وارد تغییر می دهند تا تاثیرات مقدار و الگوی بار را بهتر پذیرا باشند.

از کاربردهای زمینی این نوع سازه ها می توان به پناهگاه ها و انبارهای موقتی ،چادرهای صحرایی،سقف های آویزان و سیستم های معلق اشاره کرد.و از کاربردهای دریایی به شناور و سایر تجهیزات پشتیبانی،موج شکنها،مخرن های ذخیره شناورت یا غوطه ور وسکوهای شناور می توان اشاره نمود.

سازه های کششی به دو دسته عمده پوسته ها و کابل ها تقسیم می شوند که در این مقاله بر روی مقوله کابلها بحث خواهیم نمود.

3-رفتارسازه های کابلی:

کابل ها به سبب سختی اندک خود در مقابل تغییر مکان های بزرگ تحت اثر متمرکز و تاثیرات دینامیکی از خود ضعف نشان می دهند و پاسخ آنها بدون توجه به خطی بودن بارها و یا رفتار مواد در مقابل نیروهای پیش تنیدگی و یا بارهای کاری همواره غیرخطی است . نیروهای پیش تنیدگی به صورت عامل اصلی در تعادل استاتیکی سازه ایفای نقش کرده و باعث تثبیت سازه می شوند و موجبات سختی آن را در مقابل خیز بیشتر فراهم می سازند.

رفتار فیزیکی هر سازه کششی در حین اعمال بار را می توان به سه مرحله اصلی تقسیم نمود.

• مرحله گسترش
• مرحله پیش تنیدگی
• مرحله سرویس دهی

مرحله گسترش که در آن سیستم کابل از حالت فشرده اولیه باز شده و به وضعیت شروع کرنش می رسد.در مرحله پیش تنیدگی سیستم کابل تحت اثر نیروهایی از قبیل بار مرده ،فشار هوا و یا دیگر بارهای ثابت به حالت تعادل اولیه می رسد.و در مرحله سرویس دهی سیستم کابل کاملا پیش تنیده در معرض بارهای زنده مختلف ویا بارهای دینامیک نیز قرار می گیرد.

4- مصالح ساخت کابل:

کابلها عموما از فولاد، کولار(Kevlar)، فایبر گلاس و پولیستر ساخته می شوند. طناب و رشته های سازه ای عموما به عنوان کابل به کار می روند. هر رشته از سیم های فولادی تشکیل می شود که به شکل مارپیچ در اطراف یک سیم نسبتا ضخیم به صورت لایه های متقارن بافته شده اند. طناب از چندین رشته تشکیل می شود که در اطراف یک هسته مرکزی به صورت مارپیچ پیچیده شده اند.(شکل 1)

از خواص طناب سیمی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• استحکام کششی بالا
• عمر خستگی طولانی
• مقاومت در برابر خوردگی و سایش
• انعطاف پذیری زیاد
• رفتار کششی و چرخش خوب

البته این خواص به شیوه تولید طناب و کنترل رشته های سیم بستگی دارد.

مواد اولیه کابلها به تنها در بخشی از استحکام قابل استفاده خود رابطه تنش – کرنش خطی از خود نشان می دهند. و بعد از این مرحله یعنی پس از حد کشسانی رابطه تنش – کرنش از حالت خطی بودن خارج می شود.(نمودار1)

بازده استجکام گسیختگی، نسبت استحکام کابل به مجموع استحکام تک تک رشته هاست و این نسبت برای طنابها و برخی از کابل های رشته ای بزرگتر است.البته با افزایش تعداد سیم ها در هر رشته بازده استحکام گسیختگی کابل کاهش می یابد.

تهیه کننده:امین قنادی

مقایسه ای بین استحکام یک رشته و یک طناب کابلی در حدود یک آمده است.