برسی عمیق سیستم های دوگانه

متن زیر از کانال دکتر اباذر اصغری اقتباس شده است که به موضوع حداکثر ارتفاع مجاز سیستم های دوگانه و نیز فلسفه عملکردی و همچنین نگاه عمیق به این موضوعات می باشد که بسیار مفید میباشد.

حداکثر ارتفاع مجاز سیستمهای ترکیبی بر چه اساسی تعیین می شود؟

اکثر ما مهندسان محاسب تصور می کنیم وقتی از یک سیستم دوگانه (مثل قاب خمشی فولادی + قاب مهاربندی شده همگرای ویژه یا قاب خمشی بتنی + دیوار برشی بتنی ویژه) استفاده می کنیم، سیستم مهاربندی یا دیوار برشی نقش سیستم اولیه (Primary) و سیستم قاب خمشی نقش سیستم ثانویه (Secondary) را بازی می کند. این تصور برای ساختمان های کوتاه مرتبه درست بوده، لیکن برای ساختمان های میان مرتبه یا بلندمرتبه صحیح نیست. زیرا در ساختمان های میان مرتبه و بلندمرتبه به خاطر اندرکنش دو سیستم ترکیبی، در طبقات فوقانی به طور ناخواسته سیستم قاب خمشی نقش سیستم اولیه (Primary) را بازی می کند و توجه به این نکته بسیار ضروری است. در اسلاید بعدی دو سیستم متعارف از آیین نامه 2016-ASCE7 به همراه محدودیت های ارتفاعی آنها آورده شده است. به طور کاملا عجیب، در ایین نامه 2016-ASCE7، در ترکیب قاب خمشی بتنی متوسط به همراه دیوار برشی بتنی ویژه، به این نکته توجه نشده است. از نظر بنده عدم توجه به این موضوع می تواند ایمنی این گونه ساختمان ها را به مخاطره بیندازد. در همین راستا، کمیته لرزه نگاری انجمن مهندسین سازه کالیفرنیا (Seismology Committee Structural Engineers Association of California) نیز بر روی این نکته دست گذاشته و حداکثر ارتفاع مجاز این سیستم را موردانتقاد قرار داده است و در نهایت عنوان نموده است که برخی از الزامات ماهیت سیاسی و مصلحتی دارند.

مطابق توصیه های سیاک SEAOC، در سیستمهای دوگانه اگر سیستم ثانویه با سیستم اولیه سازگار باشد، در صورت تسلیم (خرابی) سیستم اولیه، سیستم ثانویه می تواند به واسطه باز توزیع نیروها وارد عمل شود و مانع ناپایداری و تخریب سیستم کلی شود. اما اگر خصوصیات تغییرشکل (رفتار این دو سیستم ناسازگار باشد، عملکرد کل سیستم ممکن است غیرقابل اعتماد باشد. به عنوان مثال، یک سیستم قاب مهاربندی شده کمانش تاب با یک سیستم قاب خمشی فولادی متوسط سازگار نبوده و ترکیب آنها توصیه نمی شود. در ساختمانهای میان مرتبه و بلند مرتبه، دوران یا چرخش موردنیاز در طبقات فوقانی ممکن است بسیار زیاد باشد و به خاطر اندرکنش دو سیستم، عملکرد دو سیستم معکوس شود (یعنی قاب خمشی نقش سیستم اولیه و دیوارهای برشی نقش سیستم ثانویه را بازی کند. با توجه به این سناریوها، در اینگونه سیستمهای ترکیبی توصیه می شود از قاب خمشی ویژه به همراه دیوار برشی بتن آرمه ویژه استفاده شود تا عملکرد کل سازه دچار خدشه نشود. اما در ساختمان های کوتاه مرتبه اساسا در طبقات فوقانی به چنین سطحی از دوران نیاز نبوده و به همین دلیل رفتار کل سازه معکوس نمی شود. زیرا در این گونه ساختمان ها در طبقات فوقانی همچنان سختی دورانی دیوارهای برشی عدد قابل توجهی بوده و وقتی به صورت سری با سختی انتقالی دیوار ترکیب می شود، سختی کل آن در مقایسه با سختی قاب خمشی کاهش قابل توجهی نخواهد داشت. به همین دلیل در این گونه ساختمان ها استفاده از چنین ترکیب هایی می تواند بلامانع باشد.

همچنین  سیاک SEAOC می نویسد، در کدهای طراحی متأسفانه هنوز به میزان کافی به این نکات توجه نشده است. به عنوان مثال در جدول ۱۲-۲-۱ آیین نامه 7

ASCE چندین سیستم دوگانه از نوع قاب خمشی متوسط وجود دارد که قابل استفاده در گروه لرزه ای D هستند و جای تأمل دارد. به طور مثال مطابق این جدول، در گروه لرزه ای D می توان یک قاب دوگانه ۱۲ طبقه (به ارتفاع حدودا ۱۶۰ فوت یا ۵۰ متر) متشکل از قاب خمشی بتنی متوسط به همراه دیوار برشی بتنی ویژه ساخت، درحالی که در طبقات فوقانی به طور ناخواسته قاب خمشی بتنی متوسط نقش سیستم اولیه را بازی می کند و این در حالی است که مطابق این آیین نامه اساسا استفاده از قاب خمشی بتنی متوسط در گروه طراحی لرزه ای D ممنوع است؟ در این گونه موارد، سیاک SEAOC عنوان می کند اگر دیوارهای برشی بتنی و قاب های مهاربندی شده برای ۱۰۰٪ برش طبقه طراحی شده باشند، این ناسازگاری چندان نگران کننده نخواهد بود. اما اگر اعضای هریک از سیستمها براساس تحلیل الاستیک و نیروی به دست آمده از توزیع برش به نسبت سختی اعضا طراحی شده باشند، در این صورت سلامت سیستم ترکیبی نگران کننده خواهد بود و برای چنین ساختمان هایی باید استفاده از سیستمهای SMF اجباری باشد. در ادامه نیز عنوان می کند که برخی الزامات آیین نامه ها اساسا فنی نیستند و ممکن است تصمیمات سیاسی و مصلحتی نیز در ایجاد این الزامات دخیل باشند.

هرچند مطالبی که سیاک بیان می نماید منطقی به نظر می رسد و قابل تأمل است، لیکن تجربه اندک بنده نشان می دهد در ساختمان های عموما زیر ۸ طبقه، اگر از سیستم دوگانه قاب خمشی بتنی متوسط + دیوار برشی بتنی ویژه یا از سیستم دوگانه قاب خمشی فولادی متوسط + مهاربند همگرای ویژه استفاده شود، سیستم های دیوار برشی بتنی ویژه و مهاربند همگرای ویژه، همچنان نقش سیستم اولیه (Primary) را ایفا خواهند کرد و تغییر رفتار (از خمشی به برشی) در ارتفاع چندان محسوس نخواهد بود. بر این اساس و نظر به اینکه توصیه های سیاک مقررات لازم الاجرا نیستند، از این رو به نظر می رسد حداکثر ارتفاع مجاز سیستم دوگانه قاب خمشی بتنی متوسط + دیوار برشی بتنی ویژه بسیار غیرمحافظه کارانه و محدودیت حداکثر ارتفاع مجاز سیستم دوگانه قاب خمشی فولادی متوسط + مهاربند همگرای ویژه بسیار محافظه کارانه است. و پیش بینی می شود در ویرایش بعدی 7

ASCE تغییراتی صورت خواهد گرفت البته اگر تصمیمات سیاسی و مصلحتی دخیل نباشند). شاید منطقی باشد که تا زمان ارائه پیشنویس ۲۰۲۲ آیین نامه 7

ASCE استفاده از این گونه سیستمهای دوگانه (قاب خمشی بتنی متوسط + دیوار برشی بتنی ویژه و قاب خمشی فولادی متوسط + مهاربند همگرای ویژه را حداکثر به ۸ طبقه محدود نماییم تا ایمنی طرح به خطر نیفتد.

منبع:کانال دکتر اباذر اصغری