رفتار میان قاب‌ها و اثرات آن ها بر قاب‌های ساختمانی

امروزه معمولاً برای تحلیل و طراحی، ساختمان‌های فولادی و بتنی را صرفاً به صورت قاب‌هایی که از اعضای اصلی مانند تیر  و ستون و مهاربندی‌ها تشکیل شده اند، درنظر می‌گیرند و این در حالی است که میان قاب‌های مصالح بنایی به شکل دیوارهای خارجی و داخلی در ساختمان‌های معمول شهری دیده می‌شوند.

این ساختمان‌ها متشکل از یک سازه باربر بتن مسلح یا فولادی هستند که میان قاب‌ها به عنوان جداکننده فضاهای معماری و نیز به صورت دیوارهای پوششی، فضای بین قاب‌های سازه را پر کرده اند، که دیگر رفتار آن‌ها با رفتار قاب خالی یکسان نیست. به این نوع دیوارها میان قاب و به سیستم حاصل از ترکیب قاب و میان قاب، قاب مرکب گفته می‌شود. میانقاب‌ها بر روی مقاومت، سختی و شکل پذیری قاب‌های مرکب تأثیر دارند با این وجود هنوز هم در طراحی متداول سازه‌های قاب دار، میان قاب‌ها را به عنوان اعضای غیرسازه ای در نظر می‌گیرند و از مدل کردن آن‌ها چشم پوشی می‌کنند.

مشکلات نادیده گرفتن میان قاب‌ها :

• افزایش نیروی وارد بر اتصالات
• پدیده ستون کوتاه بر اثر اجرای دیوارهای ضخیم بین ستون‌ها با ارتفاع کمتر از ارتفاع طبقه
• ایجاد پیچش در ساختمان به علت توزیع نامتقارن و نامنظم دیوارهای داخلی
• کاهش نسبت مقاومت به وزن سازه (این امر بر خلاف اصول کلی کار طراحی لرزه ای سازه‌ها می‌باشد)

اثر میان قاب‌ها در رفتار لرزه ای قاب‌های ساختمانی :

معمولاً به علت چشم پوشی کردن از اثر سخت کنندگی میان قاب‌ها، که گاهی اوقات سختی قاب‌ها را تا 20 برابر افزایش می‌دهند، خسارات زیادی به قاب‌های مرکب وارد می‌شود. زیرا این افزایش سختی باعث کاهش پریود قاب مرکب نسبت به قاب خالی می‌شود و باعث جذب نیروی زلزله بیشتری می‌گردد و میانقاب‌ها را تحت تأثیر تنش‌های بالایی قرار می‌دهد که این افزایش تنش منجر به شکست‌های جزئی و یا کلی میانقاب‌ها می‌شود. در اثر شکست کلی میانقاب‌ها، نیروی بالایی که قبلاً توسط قاب مرکب تحمل شده بود در اثر حذف میان قاب‌ها  به طور ناگهانی به اعضای لاغر قاب (تیر و ستون‌ها) اعمال می‌گردد و چون هرگز برای چنین نیرویی تحلیل و طراحی نشده اند بشدت آسیب دیده و پایداری قاب را به مخاطره می‌اندازند.

اثرات منفی میانقاب‌ها:

 

1. میان قاب‌ها به علت وزن زیاد، مقاومت و سختی بالایی که دارند موجب افزایش نیروی زلزله وارد بر ساختمان می‌گردند.
2. توزیع نامتقارن دیوارها در پلان منجر به جابجایی مرکز سختی و تولید یک لنگر پیچشی مخرب در ساختمان می‌شود که در طراحی دیده نشده است.
3. اندرکنش قاب و میانقاب می‌تواند موجب شکست‌های برشی ترد در ستون‌های بتن مسلح گردد.
4. میانقاب‌ها می توانند با سخت تر کردن طبقات بالا در سازه، باعث ایجاد طبقه اول نرم شوند که از نظر عملکرد لرزه ای بسیار نامطلوب است.

 

اما با وجود مطالب فوق، بسیاری بر این اعتقادند که میان قاب‌ها تأثیر مثبتی بر سختی و مقاومت نهایی سازه دارند. با نگاهی به زلزله‌های گذشته در کشورمان مشاهده می‌شود در خیلی از موارد دیوارهای آجری قاب‌ها، بهبود قابل توجهی در عملکرد سازه در هنگام زمین لرزه داشته اند که بیشتر این موارد در ساختمان‌هایی دیده می‌شود که به فرم سنتی اجرا شده و فاقد یک سیستم باربر لرزه ای منسجم می‌باشند. به عنوان نمونه می‌توان به عملکرد مثبت و مؤثر میانقاب‌ها در زلزله 1369 منجیل اشاره کرد. اکثر سازه‌های این منطقه دارای اتصالات مفصلی تیر به ستون بودند و فقط میانقاب‌ها، نقش باربری جانبی را ایفا کرده اند، ضمن اینکه بسیاری از این سازه‌ها که متوسط یا کوتاه بودند بدون فرو ریزش زلزله را پشت سر گذاشته اند که این فقط به دلیل وجود میان قاب‌ها بوده است، هرچند که میان قاب‌ها دچار ترک خوردگی و خرابی شده اند.

اندرکنش بین قاب و میانقاب در قاب‌های مرکب

مجموعه قاب و میان قاب تحت اثر بارهای جانبی کم بصورت یک سیستم یکپارچه عمل می‌کنند و با افزایش مقدار نیروی جانبی، قاب پیرامونی در انتهای قطر کششی از میان قاب جدا شده و در انتهای قطر فشاری به میان قاب تکیه می‌کند.

اگرچه غالباً رفتار قاب به صورت خمشی و رفتار دیوار به صورت برشی است اما اندرکنش قاب و میان قاب مکانیزم مقاومت را تغییر می‌دهد. به بیانی دیگر میان قاب از حرکت آزاد قاب جلوگیری می‌کند و در اثر این اندرکنش انتقال نیرو از روش انتقال خمشی در قاب خالی به انتقال خرپایی در قاب مرکب تبدیل می‌گردد. انتقال نیرو به روش خرپایی باعث افزایش نیروهای محوری و کاهش لنگرهای خمشی و نیروهای برشی در ستون‌های قاب می‌گردد.

الف                                      ب                                          ج

الف) قاب خالی با عملکرد خمشی، ب) قاب میان پر با عملکرد خرپایی، ج) قاب دارای عملکرد ترکیبی

 

توزیع تنش در میان قاب

تنش‌های صفحه ای ایجاد شده در داخل میان قاب در اثر اعمال نیروی جانبی به قاب، بدین صورت است که تنش کششی حداکثر در راستای قطر کششی در مرکز میانقاب و تنش فشاری حداکثر در راستای قطر فشاری و در کنج قاب اتفاق می‌افتد. متوسط تنش کششی روی قطر کششی بسیار کمتر از متوسط تنش فشاری روی قطر فشاری است، در نتیجه افزایش طول قطر کششی از کاهش طول قطر فشاری بسیار کمتر است.

مقدم و استفورد اسمیت در تحقیقات خود به این نتیجه رسیده اند که هرچه قاب نسبت به میان  قاب سخت تر باشد، قاب در طول بیشتری به میانقاب تکیه می‌کند و در نتیجه افزایش طول تماس بین آن‌ها، نیروهای اندرکنشی در سطح وسیع تری توزیع می‌شوند و تنش وارد بر میانقاب در گوشه‌ها کمتر می‌گردد؛ و این در حالی است که تنش‌های مرکز میان قاب مستقل از سختی قاب بوده و فقط وابسته به نسبت ابعادی میان قاب است.

انواع مودهای گسیختگی در قاب‌های مرکب

ترک مرزی

این مود یکی از مشخصه‌های اصلی قاب های مرکب است و معمولاً در مراحل اولیه اتفاق می‌افتد. این مود باعث تغییر شکل هندسی قاب می‌شود به طرزیکه یک قطر آن کوتاه تر و یک قطر آن بلندتر می‌گردد. نیرو در قطر فشاری افزایش می‌یابد تا گسیختگی صورت گیرد.

مود خردشدگی گوشه

در این حالت حداقل یکی از گوشه‌های تحت فشار میان قاب خرد می‌شود. این مود به شدت تحت تأثیر سختی نسبی قاب و میانقاب قرار دارد. قاب‌های نسبتاً قوی تنش‌های فشاری زیادی را در مرکز میان قاب متمرکز می‌کنند که باعث ایجاد مود گسیختگی ترک قطری می‌شود، در حالیکه در قاب‌های ضعیف تنش‌های گوشه فقط در ناحیه کوچکی پخش می‌شوند و باعث ایجاد مود گسیختگی خردشدگی گوشه می‌گردند. بر اساس نتایج تحلیل اجزاء محدود ردینگتون، نسبت ابعادی میانقاب (h/l) هیچ تأثیری در مود گسیختگی خردشدگی گوشه ندارد مگر در حالت میانقاب خیلی بلند که تنش‌های گوشه خیلی زیاد هستند.

مود شکست برشی لغزشی

در این حالت شکست برشی لغزشی در بین درزهای افقی مصالح بنایی میان قاب ایجاد می‌شود و معمولاً در قاب‌های قوی با ملات ضعیف در بین درزها، اتفاق می‌افتد. این مود معمولاً برای نسبت ابعادی میانقاب (h/l)  بالاتر اتفاق می‌افتد.

مود ترک قطری یا کشش قطری

در این حالت یک ترک قطری در امتداد قطر فشاری از یک گوشه به گوشه دیگر شکل می‌گیرد. در میان قاب‌هایی که ملات بسیار قوی دارند و ملات مانع عبور ترک از میان درزهای افقی و قائم می‌گردد، شکست قطری از نوع کششی است؛ در حالیکه در میان قاب‌های با ملات معمولی ترک قطری از آجرها عبور نمی‌کند بلکه از میان بندهای افقی و قائم ملات می‌گذرد و شکست از نوع برشی می‌باشد.

این مود تحت تأثیر مقاومت کششی میان قاب و نسبت ابعادی میان قاب (h/l) می‌باشد. نتایج حاصل از تحلیل‌ها و اندازه گیری‌ها نشان دهنده بیشترین تنش کششی در مرکز میانقاب می‌باشد. همچنین نتایج تحلیلی ردینگتون و بنیامین و ویلیامز نشان می‌دهد که با افزایش نسبت ابعادی میان قاب (h/l) ظرفیت باربری نهایی کاهش می‌یابد. این مود را نباید به عنوان یک مود گسیختگی درنظر گرفت زیرا میان قاب پس از ایجاد این ترک هنوز قادر به تحمل بارهای بیشتری است.

 مود شکست فشاری قطری

در این حالت میان قاب در ناحیه مرکزی خود خرد می‌شود که معمولاً در قاب‌های مرکب دارای میانقاب‌های لاغر در اثر کمانش خارج از صفحه آن ها اتفاق می‌افتد؛ البته این مود بندرت اتفاق می‌افتد زیرا کمانش خارج از صفحه میانقاب مستلزم نسبت لاغری بالایی است که با توجه به ابعاد پانل‌ها و ضخامت بالای آن‌ها، این نسبت ارضاء نمی‌شود.

مود گسیختگی قاب

در این حالت در ستون‌ها یا اتصالات تیر به ستون مفاصل خمیری ایجاد می‌شود. این مود معمولاً در قاب‌های ضعیف یا قاب‌های دارای اتصالات ضعیف با اعضای قوی و میان قاب نسبتاً قوی اتفاق می‌افتد. این مود فقط در قاب‌های مرکب بتنی ایجاد می‌شود.

مود پرتاب خارج از صفحه میان قاب

دو مؤلفه طولی (در صفحه میان قاب) و عرضی (عمود بر میان قاب) به طور همزمان در هنگام زلزله به میان قاب وارد می‌شوند. در اثر خردشدگی، قابلیت کنش قوسی میان قاب که مهمترین عامل حفظ ایستایی میانقاب در برابر نیروهای عرضی است، بشدت کاهش می‌یابد.

بین حالت‌های شکست میانقاب تحت نیروهای صفحه ای و عرضی، اندرکنشی وجود دارد، بنابراین باید جابجایی قاب مرکب محدود شود تا مقاومت عرضی لازم برای ایستادگی در برابر زلزله تأمین گردد. در غیراین صورت میانقاب از قاب به بیرون پرتاب می‌شود و مقاومت و سختی سازه شدیداً دچار تغییر می‌شود و ایستایی لرزه ای آن به خطر می‌افتد.

شکست برشی در ستون

این حالت در نتیجه ترکیب نیروهای برشی (که میان قاب به قاب وارد می‌کند) و نیروی کششی (حاصل از عملکرد قاب) در ستون نزدیک گوشه فشاری قاب ایجاد می‌شود. این پدیده بیشتر در ستون‌های بتنی که اغلب برای بار فشاری طراحی می‌شوند مشاهده می‌شود ودر قاب‌های فولادی به علت مقاومت کششی بالا رخ نمی‌دهد.

شکست ستون کوتاه

در برخی ساختمان‌ها به دلیل محدودیت‌های معماری مانند وجود بازشو، دیوارهای ضخیمی که بین ستون‌ها را پر کرده اند ارتفاع کمتری از ارتفاع طبقه دارند. سختی زیاد این دیوارها باعث می‌شود تا محل نقطه بحرانی برش ستون تغییر کند و از آن جایی که هیچ تمهید خاصی مانند کاهش فاصله خاموت‌ها در این نقطه اندیشیده نشده است، ستون‌ها در این نقاط آسیب پذیر می‌باشند.

گسستن اتصالات فولادی

در اکثر اتصالات رایج ساختمان‌های فولادی برای اتصال تیر به ستون از دو نبشی فوقانی و تحتانی استفاده می‌شود که عموماً برای انتقال بارهای ثقلی جوش‌های A را جوش اصلی و جوش‌های B را جوش فرعی (خال جوش) اجرا می‌کنند، اما در هنگام زلزله نیروهای بزرگی در میان قاب ایجاد می‌شود که مؤلفه رو به بالای بزرگی خواهد داشت و در بسیاری موارد می‌تواند بر نیروی وزن وارد بر اتصال غلبه کرده و نبشی را بگسلد.

نتیجه گیری

ساختمان‌ها عموماً متشکل از یک سازه باربر بتن مسلح یا فولادی هستند که میان قاب‌ها به عنوان جداکننده فضاهای معماری و نیز به صورت دیوارهای پوششی، فضای بین قاب‌های سازه را پر کرده اند، که دیگر رفتار آن‌ها با رفتار قاب خالی یکسان نیست. به این نوع دیوارها میان قاب و به سیستم حاصل از ترکیب قاب و میانقاب، قاب مرکب گفته می‌شود. میان قاب‌ها بر روی مقاومت، سختی و شکل پذیری قاب‌های مرکب تأثیر دارند با این وجود هنوز هم در طراحی متداول سازه‌های قاب دار، میان قاب‌ها را به عنوان اعضای غیرسازه ای در نظر می‌گیرند و از مدل کردن آن‌ها چشم پوشی می‌کنند.

میان قاب‌ها اساساً رفتار ساختمان را تحت بارهای جانبی مانند باد و زلزله تغییر می‌دهند. در هنگام وقوع زلزله‌های شدید و متوسط، میان قاب‌های مصالح بنایی با قاب محیطی برخورد نموده و نیروهای اندرکنشی ایجاد شده در بین آن‌ها باعث افزایش ظرفیت باربری و سختی قاب مرکب می‌گردد.

معمولاً به علت چشم پوشی کردن از اثر سخت کنندگی میان قاب‌ها، که گاهی اوقات سختی قاب‌ها را تا 20 برابر افزایش می‌دهند، خسارات زیادی به قاب‌های مرکب وارد می‌شود. زیرا این افزایش سختی باعث کاهش پریود قاب مرکب نسبت به قاب خالی می‌شود و باعث جذب نیروی زلزله بیشتری می‌گردد و میان قاب‌ها را تحت تأثیر تنش‌های بالایی قرار می‌دهد که این افزایش تنش منجر به شکست‌های جزئی و یا کلی میان قاب‌ها می‌شود. در اثر شکست کلی میان قاب‌ها، نیروی بالایی که قبلاً توسط قاب مرکب تحمل شده بود در اثر حذف میانقاب‌‌ها  به طور ناگهانی به اعضای لاغر قاب (تیر و ستون‌ها) اعمال می‌گردد و چون هرگز برای چنین نیرویی تحلیل و طراحی نشده اند بشدت آسیب دیده و پایداری قاب را به مخاطره می‌اندازند.

با وجود مطالعات آزمایشگاهی و نظری فراوان محققین در سال‌های گذشته، هنوز بسیاری از مسائل بحث برانگیز باقی مانده اند. تحقیقات سال‌های اخیر پیشرفت شایانی را در بررسی تحلیلی رفتار قاب‌های مرکب نشان می‌دهد، اما هنوز فقدان توصیه‌های طراحی پیشرفته و شیوه‌های تحلیلی مناسب احساس می‌گردد. با توجه به این مطالب اهمیت تحقیق بیشتر در رفتار قاب‌های مرکب روشن تر می‌شود تا کمبود‌های موجود در طراحی مهندسی قاب‌های مرکب و ارزیابی صحیح آن‌ها برطرف گردد.

موارد زیر را می‌توان به صورت خلاصه نتیجه گیری کرد:

• وجود میان قاب‌ها در قاب‌های ساختمانی، باعث افزایش سختی اولیه و مقاومت و میزان استهلاک انرژی و کاهش تغییرمکان نهایی می‌گردد.
• حضور بازشو در میان قاب، همواره سبب افزایش شکل پذیری قاب‌های مرکب دارای بازشو نسبت به نمونه‌های بدون بازشو نمی‌شود؛ در حقیقت شکل پذیری قاب‌های مرکب دارای بازشو، به نوع گسیختگی جرزهای میانقاب بستگی دارد.
• وجود بازشوی میانی در دیوار میان قاب، باعث کاهش سختی و ظرفیت باربری قاب‌های مرکب می‌گردد.
• قرارگیری بازشو در گوشه‌های دیوار به علت قرارگرفتن بر روی قطر فشاری، کمترین سختی اولیه و مقاومت نهایی را نسبت به سایر حالت‌ها داراست. به همین دلیل پیشنهاد می‌گردد که بازشوها در میانه دیوار تعبیه گردند.
• قاب‌های مرکب دارای بازشو با جرز ضعیف-تیر پیشانی قوی، نسبت به نمونه‌های دیگر با تولید حلقه‌های هیسترزیس چاق و ایجاد و پخش ترک‌های زیاد در تیر پیشانی، استهلاک انرژی بالایی را از خود نشان می‌دهند. استهلاک انرژی در اثر پدیده میرایی اصطکاکی (کولمب) در سطح ترک‌ها اتفاق می‌افتد.
• میان قاب‌های مصالح بنایی غیرمسلح که دارای رفتاری ترد یا نیمه ترد هستند، در زلزله‌های شدید عملکرد خوبی را از خود نشان نداده و متحمل خسارت‌های سازه ای و غیر سازه ای به صورت ترک‌های جزئی تا خردشدگی و انهدام کامل می‌شوند؛ زیرا سختی، مقاومت و ظرفیت جذب انرژی در اثر شکست ترد دیوارهای مصالح بنایی دچار زوال می‌شود. در اینگونه مواقع در اثر خردشدگی دیوار و نیروهای عمود بر سطح مقطع میانقاب، ممکن است قطعاتی از دیوار به سمت خارج از صفحه قاب پرتاب شود و ایمنی جانی ساکنین داخل و خارج ساختمان را به مخاطره بیندازد.

سوالات متداول

تاثیر میانقاب بر قاب‌های ساختمانی چیست؟

میانقاب ها بر روی مقاومت، سختی و شکل پذیری قاب‌های مرکب تأثیر دارند

میانقاب ساختمانی جه تعریفی دارد؟

ساختمان‌های فولادی و بتنی را صرفاً به صورت قاب‌هایی که از اعضای اصلی مانند تیر و ستون و مهاربندی ها تشکیل شده اند، درنظر می گیرند و این در حالی است که میان قاب ها مصالح بنایی به شکل دیوارهای خارجی و داخلی در ساختمان وجود دارد. به این دیوارهای بین قابی، میانقاب گفته می‌شود.

نادیده گرفتن میان قاب‌ها چه تاثیری دارد؟

افزایش نیروی وارد بر اتصالات، پدیده ستون کوتاه بر اثر اجرای دیوارهای ضخیم بین ستون‌ها با ارتفاع کمتر از ارتفاع طبقه، ایجاد پیچش در ساختمان به علت توزیع نامتقارن و نامنظم دیوارهای داخلی، کاهش نسبت مقاومت به وزن سازه

در نظر گرفتن نقش میانقاب ها در طراحی سازه چقدر ضرورت دارد؟

میانقاب‌ها تاثیر زیاد در افزایش سختی و مقاومت در برابر زلزله در سازه ایجاد می‌کنند اما باعث کاهش شکل پذیری سازه در هنگام زلزله می‌شود گاهی میانقاب‌ها سختی قاب را تا 20 برابر بیشتر افزایش می‌دهد این افزایش سختی باعث کاهش پریود قاب مرکب نسبت به قاب خالی می‌شود و باعث جذب نیروی زلزله بیشتری می‌گردد. بنابراین در نظر گرفتن اثر آن‌ها بسیار اهمیت دارد و در آیین‌نامه‌های جدید بدان پرداخته شده است.