بررسی سیستم کابلی برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی چیست؟

بررسی سیستم کابلی برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی ، با پیشرفت علم مهندسی زلزله و تاکید بر تقویت بتن در برابر نیروهای لرزه ای، استفاده از سیستم هایی که برای عملکرد قابل اطمینان مناسب هستند برای مقابله با نیروها احساس می شود. سیستم متداول مقابله با نیروهای جانبی در مقاوم سازی ساختمان های بتنی مرسوم دولتی، 5 تا 35 طبقه، قاب انعطاف پذیر، دیوار برشی یا ترکیبی از آنها است، در ساختمان های بلندتر از سیستم های دیگر مانند سیستم لوله ای و … استفاده می شود. نتایج مطالعات بر روی ساختمان ها در زلزله های مختلف نشان می دهد که آسیب های ناشی از زلزله در ساختمان های دارای قاب انعطاف پذیر زیاد است، بنابراین استفاده از دیوارهای برشی به عنوان سیستمی مقاوم در برابر نیروهای جانبی توصیه می شود. البته در ساختمان های بلند معمولاً از دیوارهای برشی به تنهایی استفاده نمی شود زیرا جابجایی کنسولی شکل دیوار در طبقه فوقانی آنقدر زیاد است که می تواند به عوامل غیر سازه ای آسیب برساند. برای حل این مشکل، بدون افزایش ابعاد دیوار، عملی است. استفاده از یک قاب خمشی با دیوارهای برشی که سیستم قاب – دیوار نامیده می شود غیر اقتصادی است. در این سیستم به دلیل عدم تطابق حرکت سمت قاب (حالت برشی) و ارتفاع دیوار (حالت خمشی)، نیروی فعل و انفعالی بین دیوار و قاب ایجاد می شود به طوری که این نیروی اندرکنش باعث افزایش نیروی داخلی در طبقه فوقانی می شود (در واقع دیوار به نفع خارجی عمل می کند. بنابراین، اجتناب از این پدیده نامناسب با برش دیوار برشی در ناحیه فوقانی سازه، منطقی به نظر می رسد. این امر تأثیر پیچیده ای بر توزیع لنگرها و برش ها بین قاب و دیوار و برهمکنش نیروهای افقی مرتبط با تیرها و تاوه های اتصال، به ویژه در مورد سازه های نا متقارن در اطراف بار دارد. از دیگر مشکلات سیستم های برشی می توان به ایجاد بازشو در دیوارها به دلایل معماری اشاره کرد. در دهانه، نیروی زیادی به دیوار وارد می شود. تجربه نشان داده است که دیوارهای برشی ‘گسیخته شده اغلب در اطراف دهانه ها متمرکز می شوند و بازشو های نامناسب باعث خرابی های غیر منتظره و ناخواسته می شوند.

  سیستم کابلی برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی دیگری که در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته و در کشورهایی مانند آمریکا و ژاپن اجرا شده است دیوار برشی فولادی است. این سیستم به دلیل صرفه جویی اقتصادی، افزایش سرعت اجرا و وزن کم نسبت به دیوارهای بتنی و همچنین شکل پذیری و جذب انرژی بالا مورد توجه قرار گرفته است. 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 بازشو ها در این سیستم نیز به دلیل کاهش مقاومت و سختی دیوار برشی فولادی مشکل ساز است. این سیستم رفتار نسبتاً پیچیده ای دارد و هنوز هم توسط بسیاری از محققان در حال بررسی است. گاهی اوقات مهارت های فلزی مختلفی در سازه های بتنی به کار رفته است که از جمله آنها، ماهری و همکارانش از مهار های فلزی X  و زانویی استفاده کرده اند. این موانع در خارج برای تقویت و در داخل برای سازه های جدید نصب می شوند. سکیگوچی، دل واله و همکاران،  بادوکس و جیرسا نمونه های عملی تقویت با این نوع مهاربند ها را ذکر کرده اند. آزمایش این نوع مهار بندی ها توسط بوش و همکاران نیز گزارش شده است. برش سازه را افزایش می دهند اما این گونه مسائل به دلیل مشکلات اجرایی و ملاحظات معماری در معایب این گونه سیم پیچ ها ذکر می شود. هنگام قرار دادن براکت ها در داخل، براکت ها به طور مستقیم یا غیرمستقیم از طریق اسکلت فولادی به اسکلت بتنی ساخته می شوند. در برخی موارد بهبود، باید یک اسکلت فولادی برای جایگزینی قاب بتنی آسیب دیده یا ضعیف تهیه شود. در موارد دیگر، قاب فولادی مکانیزم اتصال گران قیمت است. موضوع این مقاله بررسی استحکام و سختی سیستم های کابلی و مقاوم سازی به عنوان یک سیستم کاملا جدید برای تقویت در برابر نیروهای جانبی می باشد. این سیستم از کابل یک تکه پیش تنیده برای افزایش استحکام جانبی ساخته شده است. در این سیستم برای افزایش سختی جانبی سازه از کابل پیش تنیده یک تکه استفاده می شود و برای افزایش اتلاف انرژی می توان در انتهای هر کابل یک میراگر فنری با مایع چسبناک قرار داد. این سیستم را می توان به صورت داخلی و خارجی پیاده سازی کرد، به عنوان مثال برای تقویت سازه های موجود، استفاده از سیستم به صورت خارجی با تقویت مفاصل آسان است. با توجه به جدید بودن این سیستم، علیرغم جستجوهای فراوان نویسندگان. هیچ اطلاعات دیگری به جز اطلاعات مختصری که شرکت جرت در قلب یک فایل نمایشی ارائه کرده بود، یافدالت نشد. به گفته نویسندگان، این سیستم کارآمد بوده و با انجام مطالعات نظری و آزمایشگاهی می تواند جایگزین مناسبی برای سایر سیستم ها باشد. از مزایای این سیستم می توان به شرح زیر اشاره کرد. استحکام کششی بالا که باعث می شود نیروهای پیش تنیدگی قابل توجهی به کابل وارد شود و سختی سیستم را تا حد امکان افزایش دهد و سطح مقطع کوچک و وزن کم کابل در برابر سایر اعضای مقاوم (دیوارهای بتن الیافی و فولادی و براکت های فلزی علاوه بر کاهش هزینه های سازه ای نسبت به سایر سیستم های تقویتی، به دلیل تماس بین نیروهای لرزه ای و وزن سازه، می تواند در کاهش نیروهای لرزه ای نیز موثر باشد.  

سهولت و سرعت بالا در اجرا به دلیل یکپارچگی کابل روی زمین

• نیازی به نگهداری خود کابل و نگهداری آسان فنر میراگر به دلیل تعداد کم آن در کل سازه نیست.
• بدون نیاز به تعمیر و یا تعمیر سریع بعد از زلزله.
• مقاومت بالای کابل ها در برابر خوردگی، سایش و خستگی.
• افزایش ایمنی با افزایش قابل ملاحظه ی سختی جانبی .
• ممانعت کمتر برای ملاحظات معماری در مقایسه با دیوارهای برشی و مهاربند ها .

 

آشنایی با سیستم های کابلی و نحوه عملکرد آنها

در این سیستم به دلیل یکپارچگی کابل مهاری و اتصال لغزشی آن به دال کف روی کف، در تمامی طبقات یکسان خواهد بود. این نیروی کششی به دلیل ترک خوردگی کابل در طول تقاطع طبقات مختلف و با توجه به زاویه کابل نسبت به افق در هر طبقه دارای اجزای افقی متفاوتی خواهد بود. حاصل این اجزا در دو طبقه مجاور نیرویی است که بر خلاف جهت نیروی لرزه ای به کف وارد شده و از جابجایی بیشتر جلوگیری می کند. عملکرد توصیف شده برای این سیستم به صورت شماتیک تحت بار جانبی در دو جهت مخالف است.   سیستم با توجه به توضیحات بالا در مورد عملکرد سیستم کابلی برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی ، البته تعیین محل عبور کابل از کف هر طبقه یا زاویه اتصال کابل به افق در هر طبقه که یکی از پارامترهای تعیین کننده سختی جانبی است.کابل و وضعیت بهینه آن باید پیدا شود. در یک قاب انعطاف پذیر، جابجایی جانبی نسبی از سطح پایین است. بنابراین برای دستیابی به شرایط بهینه، می توان زاویه کابل را نسبت به افق انتخاب کرد تا رسیدن به طبقه همکف را دشوارتر کند. در واقع در این حالت مقدار حداکثر جابجایی جانبی نسبی در سیستم قاب خمشی بیشترین کاهش را خواهد داشت و در نتیجه جابجایی جانبی نسبی کف یکنواخت تر خواهد بود.

 

مدل سازی سیستم

سیستم با نرم افزار SAP 2000 مدلسازی شد، ابتدا برای اطمینان از صحت مدلسازی اعضای کابل، یک مثال حل شده از NONSAP که پاسخ آن نیز با برنامه اجزای محدود FINELE بدست آمده بود، توسط نویسندگان در این برنامه مدلسازی شد. در حالت اول از وزن کابل مانند مدل ساخته شده در FINELE به عنوان گرهی و سپس به عنوان بار گسترده ای روی عضو استفاده شد. هر مدل با توان 20.%40% و…. 100% آنالیز شد. پس از اطمینان از دقت مدل ‌سازی، فریم‌ های مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. در تحلیل این مدل، لنگر های خمشی در دو سر کابل و لنگر های پیچشی در یک سر آن آزاد شدند. اعضای کابل به اعضای کوچکتر تقسیم می شوند و تأثیر جابجایی های بزرگ در تحلیل غیرخطی برای در نظر گرفتن انعطاف پذیری کابل انتخاب شده است. از آنجایی که کابل فقط با کشش کار می کند، حد بالایی فشار روی این عضو صفر است، به طوری که با کوتاه شدن فشار، سفتی کابل بدون هیچ مشکلی از سفتی سیستم حذف می شود. با تغییر جهت نیرو، کوتاه شدن قبلی بدون دخالت سختی از بین می رود و با تمام سختی از عضو استفاده می شود. برای مدل سازی اتصال لغزش کابل با کف در نرم افزار SAP 2000 ابتدا اتصال کابل به کف قطع شد و سپس عضو تیر و عضو کابل متصل شدند. در این حالت، در محل تقاطع، دو گره با مکان های هندسی در فضا ایجاد می شود که به طور کاملاً مجزا عمل می کنند. برای اعمال نیروهای پیش تنیدگی کابل در نرم افزار SAP 2000 با توجه به اینکه این نیروها نمی توانند مستقیما اعمال شوند، از روش کاهش دما در اعضای کابل استفاده شده است.

مقایسه ی قاب خمشی مهار شده توسط کابل

  با توجه به اینکه دو عامل تعیین کننده برای سیستم های جانبی مقاوم جانبی، مقاومت و سختی آنها می باشد، در این بخش، هم سیستم قاب انعطاف پذیر و هم قاب انعطاف پذیر با کابل در این مورد با کارایی سیستم کابلی مقایسه می شود. بدین منظور دو ساختمان بتنی سه و شش طبقه در هر جهت پنج متر و ارتفاع کف سه متر با سیستم پوشش دال بتنی در نظر گرفته شد. آنها مطابق با قوانین 519 و 2800 بارگذاری می شوند، قاب های جانبی هر ساختمان به عنوان نماینده انتخاب و تجزیه و تحلیل می شوند. این قاب با فرض قاب خمشی متوسط و مطابق با AC I318-02 طراحی شده است. برای رعایت محدودیت های مربوط به جابجایی جانبی کف، اغلب لازم است بعد از طراحی قاب خمشی برای نیروهای داخلی، ابعاد قطعات آن افزایش یابد، اما در عوض سیستم قاب خمشی با کابل برای کنترل این حد در نظر گرفته می شود. پس از اتمام طراحی قاب خمشی، با نگه داشتن قسمت قاب طراحی شده و همچنین نیروی جانبی اعمال شده، کابلی به قطر 3 سانتی متر و نیروی پیش تنیدگی 18000 کیلوگرم به قاب سه طبقه اعمال می شود تا سه دهانه سیستم کابلی قاب را می بندد. در چهارچوب شش سطحی از کابل هایی با قطر 5 سانتی متر و نیروی پیش تنیدگی 50000 کیلوگرم استفاده شد که هر پنج دهانه را پوشش می داد. برای یافتن نقطه اتصال بهینه کابل به کف، تمامی نقاط ممکن برای اتصال کابل در مراحل 0.5 متری در نظر گرفته شده است. پس از مدل‌سازی و تحلیل تمامی مدل‌های ایجاد شده، سناریوی بهینه با توجه به نتایج تحلیل انتخاب شد. اما در مورد طبقه اول که اتصال آن به زمین بسیار مشکل است و جابجایی جانبی نسبی آن نسبت به برخی از طبقات بالای آن کوچکتر است، اینطور نیست. بنابراین، شرایط بهینه زمانی رخ می دهد که کابل بدون شکستگی از طبقه اول عبور کند، یعنی زاویه کابل برابر با افق در طبقات اول و دوم باشد. با توجه به نتایج اسکلت شش طبقه مشاهده می شود که جابجایی جانبی نسبی طبقات دوم و سوم که بیشترین مقادیر را در سیستم کابلی برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی قاب انعطاف پذیر دارند، بیشترین درصد کاهش را در سیستم کابلی دارند. علاوه بر این، نتایج سایر کلاس ها با مقادیر این دو کلاس یکسان است که نتیجه بسیار خوبی است. البته یکنواختی جابجایی جانبی نسبی برای طبقات اول و آخر نسبت به سایر طبقات کمتر است که می توان به سختی زیاد طبقه اول به دلیل اتصال به زمین و نرمی طبقه آخر به دلیل آزاد بودن انتهای آن اشاره کرد.  

 

نتیجه گیری

سیستم کابلی به طور قابل توجهی جابجایی جانبی نسبی کف و نیروهای برشی و لنگرهای خمشی اعضای قاب را کاهش می دهد و سختی جانبی قاب را حتی با مقاطع کابلی کوچک به طرز چشمگیری افزایش می دهد. علاوه بر موارد فوق، بهینه سازی شکل کابل منجر به بیشترین درصد کاهش در جابجایی جانبی نسبی مرتبط با طبقاتی با بالاترین مقدار در سیستم قاب خمشی می شود و در نتیجه یکنواختی در نتایج جابجایی ایجاد می شود.