اتصالات تیر به ستون در قاب خمشی بتنی ویژه

فلسفه طراحی اتصالات تیر به ستون در قاب خمشی بتنی ویژه و کاربرد در ETABS2016

فلسفه کلی طراحی اتصالات در مبحث نهم، باقی ماندن اتصال در محدوده ارتجاعی می‌باشد. زیرا که اتصالات در زمره نامناسب‌ترین قسمت سازه برای استهلاک انرژی به شمار می‌روند. اگر چنانچه شکل پذیری قابل توجهی برای سازه مورد نظر باشد یا هنگامی‌که پیش‌بینی می‌شود اعضای سازه‌ای به احتمال زیاد دچار خسارت می‌شوند، در اینصورت مبحث نهم اجازه می‌دهد که رفتار اتصال وارد محدوده غیر‌ارتجاعی شود. مبحث نهم توصیه می‌کند اتصال به عنوان بخشی از ستون به شمار آید و هدف طراحی را، ایجاد اولین لولای خمیری در تیر قرار داده است. هنگام ایجاد مفصل خمیری، بیشترین نیروی برشی در محل اتصال تیر به ستون تولید می‌شود، این نیروهای برشی در اتصال موجب شکست هسته اتصال بر اثر برش یا چسبندگی یا هر دوی آنها می‌گردد، لذا مقاومت اتصال در هیچ شرایطی کمتر از مقاومت لولای خمیری‌ای که در قاب تشکیل می‌شود و قاب را تبدیل به مکانیزم می‌کند، در نظر گرفته نمی‌شود. در صورت رخداد زلزله و وارد آمدن خسارت به ساختمان، به نحوی که قابل تعمیر و مرمت باشد، این معیار اتصال‌ها را از تعمیر که معمولاً دسترسی به آنها خیلی مشکل است، بی نیاز می‌کند. همچنین اگر قرار باشد که اتصال در استهلاک انرژی سهیم باشد، بطور جدی دچار کاهش سختی می‌شود.

برنامه ETABS قادر به کنترل کفایت ظرفیت برشی چشمه اتصال است.

To ensure that the beam-column joint of Special Moment Frames possesses adequate shear strength, the program performs a rational analysis of the beam-column panel zone to determine the shear forces that are generated in the joint. The program then checks this against design shear strength.

این روند تنها برای قاب‌های خمشی با شکل‌پذیری ویژه استفاده می‌شود و مثل کنترل ستون قوی-تیر ضعیف، اجباری برای کنترل آن در قاب‌های خمشی متوسط وجود ندارد. برنامه تنها گره‌هایی از مدل که در آنها ستونی در زیر گره وجود داشته باشد را بررسی می‌کند. در این کنترل برنامه فرض می‌کند، مشخصات گره همان مشخصات استفاده شده در ستون است. این کنترل در هر دو جهت برای هر گره انجام می‌شود. در ابتدا نیروی برشی چشمه اتصال تعیین شده، سپس سطح موثر گره تعیین شده و در نهایت تنش برشی چشمه اتصال بدست می‌آید. طبق ACI و مبحث نهم (بند 9-23-4-4-1-2) نیروی برشی چشمه اتصال باید برابر اساس ظرفیت‌های مورد انتظار تیرهای دو سمت چشمه اتصال تعیین شود. برای این منظور برنامه تنش تسلیم فولاد تیرها را در تعیین این ظرفیت 25% افزایش داده و ملاک تعیین نیروی برشی چشمه اتصال قرار می‌دهد. نیروهای برشی نهایی موثر بر اتصال باید بر مبنای بیشترین نیروی کششی که در میلگردهای اصلی تیر دو طرف اتصال و برش موجود در ستون‌های بالا و پایین اتصال بوجود می‌آیند، محاسبه گردد. بیشترین نیروی کششی در میلگردهای اصلی تیرهای طرفین وقتی ایجاد می‌شود که در تیر لولای خمیری تشکیل شده باشد. بنابراین نیروی برشی موجود در اتصال برای شرایطی که تیرهای دو طرف اتصال تشکیل لولای خمیری داده‌اند، محاسبه می‌گردد.

In the design of Special Moment Resisting concrete frames, the evaluation of the design shear force is based on the moment capacities (with reinforcing steel overstrength factor, α, where, α = 1.25 and no φ factors) of the beams framing into the joint (ACI 18.8.2.1).

در نهایت تنش برشی چشمه اتصال (Panel Zone Shear Stress) براساس بند 21.5.3 آیین‌نامه ACI318-14 تعیین می‌شود. در بند 9-23-4-4-2 مبحث نهم نیز به این مورد اشاره شده است. برای اینکه اتصال تحت اثر کششهای قطری تخریب نشود لازم است فولادهای افقی و قائم برشی تعبیه شود. این فولادها موجب می‌شود تا تعادل منطقی در هسته اتصال برای نیروهای فشاری و کششی که متناوباً جایشان به دلیل بار زلزله عوض می‌شود، برقرار گردد. هنگامی‌که فولادهای برشی اتصال کافی نباشد، حلقه خاموتها به حد جاری شدن می‌رسند، که در این وضعیت این فولادها بدون توجه به جهت ترکهای قطری ناگزیر می‌شوند که نیروی کششی را تحمل نمایند که در نتیجه کرنش‌های غیر‌ارتجاعی غیر‌متناوب در آنها ایجاد می‌شود.

این پدیده موجب می‌شود تا سختی اتصال در سطح پایینی از نیروی برشی بشدت کاهش یابد. نتیجه چنین رفتاری، عدم توانایی کل سیستم برای استهلاک و جذب انرژی زلزله می‌باشد. هنگامی‌که به قدر کافی فولاد برشی در محل اتصال تعبیه شود تا جاری شدن آنها محدود باشد و لولای خمیری در مجاورت اتصال و در تیر تشکیل شود، در این صورت خرد شدن بتن محل اتصال را باید مورد ارزیابی و توجه قرار داد تا شکست اتصال با شکست بتن آغاز نشود. چنین حالتی زمانی پیش می‌آید که میانگین تنش‌های برشی و فشاری محوری که قرار است تحمل شوند، زیاد باشند. می‌توان با در نظر گرفتن حد بالا یا کرانه فوقانی فشار قطری، از این مود تخریب جلوگیری کرد.
مقاومت برشی در گره اتصال توسط میلگردهای قائم میانی ستون، میلگردهای طولی تیر و میلگردهای برشی به کار رفته در گره تامین می‌شود. بتن به صورت قطری در گره زیر اثر نیروهای فشاری، تحت فشار قرار گرفته و در واقع در گره، یک دستک قطری فشاری شکل می‌گیرد. در اثر انتقال نیروهای کششی، تنشهای پیوستگی بزرگی در گوشه گره اتصال پدید می‌آید.

اگر میلگردهای کششی در وجه ستون جاری شده باشند، امکان سر خوردن آنها در بتن وجود دارد. باید افزود، زیر اثر تنشهای سیکلی منطقه مهار میلگردها گسترش می‌یابد. کشیده شدن فولاد بین ناحیه مهاری در گوشه کششی گره، منجر به پیدایش ترکهایی در بر ستون می‌گردد. اگر نیروی برشی موجود در اتصال از مقاومت برشی اتصال بیشتر شود، باید با افزایش ارتفاع تیرها نیروها را کاهش داد و یا با افزایش سطح موثر مقاومت اتصال را بیشتر کرد. برای کنترل در ETABS بعد از تحلیل و طراحی، از مسیر Design menu > Concrete Frame Design > Display Design Info اقدام نموده و گزینه Joint Shear Capacity Ratio را ملاحظه نمایید.

@AlirezaeiChannel