چشمه اتصال در سازه های بتنی چیست؟ آموزش کنترل برش چشمه اتصال در ایتبس

چشمه اتصال یا ناحیه اتصال تیر به ستون (حد فاصل عمیق ترین تیر متصل به ستون) ناحیه ای از ستون می باشد که تحت تنش های برشی بسیار زیادی قرار دارد. چشمه اتصال در یک قاب خمشی یکی از اساسی ترین عضوها می باشد که باید در حین زلزله رفتار مناسبی داشته باشد تا اعضای متصل به هم بتوانند نیروها را از تیر به ستون و در نهایت به فونداسیون ساختمان انتقال دهند. در این مقاله می خواهیم به بررسی نیروهای ایجاد شده در چشمه اتصال در سازه های بتنی و آموزش کنترل های مربوط به آن در نرم افزار ایتبس بپردازیم.

فرضیات اصلی در طراحی چشمه اتصال سازه بتنی

در طراحی چشمه اتصال در سازه بتنی ما اساس طراحی را بر الاستیک ماندن این ناحیه می گیریم و فرض می کنیم که این ناحیه از سازه باید رفتار نسبتا الاستیکی از خود داشته باشد تا در روند انتقال نیرو از تیرها به ستون مشکلی به وجود نیاید.

در طراحی سازه های بتنی فرض میکنیم که تیرها در خمش به تسلیم میرسند (مفصل پلاستیک در آن ها تشکیل می شود) که این فرض ما وقتی می تواند فرض صحیح و درستی باشد که در روند تشکیل مفصل پلاستیک خللی وارد نشود.

در واقع اگر به جای اینکه تیرها در خمش تسلیم شوند، رفتار غیرقابل پیش بینی رخ دهد تبعات بسیار ناگواری را به همراه خواهد داشت. برای مثال ما چشمه اتصال در سازه را برای نیروهایی طراحی میکنیم تا این ناحیه قبل از تسلیم خمشی تیرها تسلیم نشده و رفتار مناسب و قابل پیش بینی از خود نشان بدهد. در زلزله های گذشته یکی از بیشترین آسیب هایی که به قاب های خمشی بتنی وارد شده است، آسیب به ناحیه اتصال تیر به ستون یا چشمه اتصال بوده است که در ادامه چندین نمونه از آن ها را مشاهده می کنید.

حال با توجه به توضیحاتی که راجع به اهمیت چشمه اتصال دادیم در ادامه در ابتدا یک بررسی میکنیم که در چشمه اتصال سازه بتنی چه نیروهایی وجود دارد و باید آن را برای چه نیروهایی طراحی کنیم.

به طور کلی چشمه اتصال بتنی را می توان برای دو حالت بررسی کرد:

• تلاش های داخلی ناشی از بارهای ثقلی
• تلاش های خارجی ناشی از نیروهای جانبی زلزله

نیروهای ایجاد شده در چشمه اتصال تحت بارهای ثقلی

تحت بارهای ثقلی (بارهای مرده و زنده) وارد بر یک قاب خمشی دیاگرام لنگر در تیرها به صورت زیر می باشد:

همانطور که در شکل بالا مشاهده می کنید تحت بارهای ثقلی در تکیه گاه تیرها لنگر منفی و در وسط تیر لنگر مثبت ایجاد می شود.این لنگرهای خمشی در اتصالات داخلی به تعادل می رسند و نتیجه این تعادل این می باشد که چشمه اتصال باید قادر به انتقال نیروی محوری ستون و همچنین کشش و فشار ناشی از خمش تیر باشد. معمولا چشمه اتصال تحت بارهای ثقلی بحرانی نبوده و بدون تمهیدات خاصی قادر به انتقال نیروها می باشد.آنچه اهمیت دارد بررسی چشمه اتصال تحت بارهای جانبی و ثقلی به طور همزمان می باشد که در ادامه بررسی می کنیم.

نیروهای ایجاد شده در چشمه اتصال تحت همزمان بارهای ثقلی و جانبی

تحت بارهای جانبی به علاوه بارهای ثقلی در سازه دیاگرام لنگر به صورت زیر می­باشد:

چشمه اتصال باید قادر به انتقال نیروهای خمشی بین تیرها و ستون ها باشد که ماحصل این انتقال ایجاد تنش های برشی بسیار بزرگی می­باشد که نیازمند بررسی و طراحی دقیق چشمه اتصال در سازه بتنی تحت این تنش ها می­باشد.

برش در چشمه اتصال سازه بتنی

برای محاسبه برش ایجاد شده در چشمه اتصال باید مقادیر نیروهای خمشی،برشی و محوری در تیرها و ستون ها را محاسبه و با برقراری شرایط تعادل مقدار نیروهای برشی ایجاد شده در گره اتصال را بدست آورد. در شکل زیر یک قاب و دهانه و یک ناحیه اتصال را بررسی می کنیم.

در شکل فوق در قسمت a قاب تغییر شکل یافته تحت بارهای ثقلی و جانبی را مشاهده می کنید که ترک هایی در دو انتهای تیرها ایجاد شده است. در قسمت b نمودار جسم آزاد یک دهانه از قاب و همچنین لنگر و برش های ایجاد شده در دو انتهای تیر را نشان می دهد. در بخش c مقدار ممان و برش ایجاد شده در ستون را نشان می دهد که در واقع لنگر و برش ایجاد شده در تیر به ستون منتقل می شود.

در قسمت d با تجزیه لنگر به دو نیروی کششی و فشاری در ستون با توجه به روابط استاتیک و بحث کوپل نیروها مقدار نیروهای کششی و فشاری را نشان می دهد. در نتیجه در قسمت e برش موجود در چشمه اتصال را با Vjh نشان داده که تفسیر این بخش را در بخش بعدی با هم انجام می دهیم. در شکل f نمودار تنش برشی در ستون و چشمه اتصال را نشان می دهد که بیانگر مقدار بالای برش در این ناحیه می باشد و همچنین شکل آخر g نشان دهنده  مقدار لنگر در ناحیه چشمه اتصال است.

همانطور که توضیح داده شد لنگر در تیرهای تکیه گاهی به کوپل نیروی فشاری و کششی تبدیل می شود و در واقع اصلی ترین نیروهایی که برش در چشمه اتصال بتنی را ایجاد می کنند این نیروهای کششی و فشاری می باشند. در نهایت مقدار نهایی برش در چشمه اتصال بتنی از طریق رابطه زیر محاسبه می شود:

Vjh=Ts1+C2-Vcol

انواع اتصال تیر به ستون در سازه بتنی

ما در طراحی و اجرا ساختمان بتنی که به صورت سه بعدی می­باشد چندین نوع اتصال در سازه داریم که به صورت زیر می­باشند.

در شکل بالا a یک اتصال داخلی را نشان می دهد که به یک ستون ممتد دو تیر برخورد کرده است.

شکل b در واقع یک ستون ممتد را نشان می دهد که یک تیر از یک طرف به آن برخورد کرده است و بیانگر اتصال بیرونی می باشد.

اتصال c یک اتصال به صورت T می باشد که بیانگر یک ستون غیرممتد می باشد که دو تیر به آن برخورد کرده است و در نهایت اتصال نوع d یا اتصال گوشه که نشان دهنده یک ستون غیرممتد می باشد که یک تیر به آن برخورد کرده است.

حال چه فرقی بین این نوع اتصالات وجود دارد و چرا برای ما اهمیت دارد؟ جواب این سوال رو در قسمت های بعدی که راجع به مقاومت چشمه اتصال بحث می کنیم توضیح خواهیم داد و نشان می دهیم که فرق بین حالات فوق چه می باشد. تا به اینجا چشمه اتصال و نیروهای وارده به آن و همچنین انواع اتصالات را با هم بررسی کردیم. درادامه نحوه محاسبه مقاومت برشی چشمه اتصال را با هم بررسی و ضوابط آیین نامه ای آن را بررسی می کنیم.

محاسبه مقاومت برشی چشمه اتصال 

اینکه مقدار مقاومت برشی چشمه اتصال چگونه محاسبه و در نظر گرفته می شود از موضوع این مقاله خارج است که برای مطالعه بیشتر می توان به کتب مرجع رجوع کرد. به طور کلی مقاومت برشی چشمه اتصال را با استفاده از مدل های تحلیلی محاسبه و با مدل های آزمایشگاهی صحت سنجی می کنند و با در نظر گیری احتمالات و موارد دخیل در مقاومت به یک و یا چند فرمول واحد می رسند. طبق ضوابط آیین نامه ACI 318-19 مقدار مقاومت برشی چشمه اتصال به صورت زیر محاسبه و در نظر گرفته می شود:

مقدار Vn مقاومت برشی چشمه اتصال می باشد که آیین نامه ACI آن را به چند دسته بندی و به صورت جدول زیر ارائه کرده است:

مشابه جدول فوق در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان نیز وجود دارد که در ادامه آورده شده است:

نکته: مقدار ضریب 1.2 در استاندارد ACI 318-19 و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان صحیح نبوده و مقدار دقیق آن برابر با 1.25 می­باشد که از تبدیل واحدها محاسبه می­شود و در جدول آیین­نامه آبا (آیین نامه بتن ایران) به صورت صحیح وارد شده است.

در جدول فوق چندین تعریف و چندین پارامتر مهم وجود دارد که برای محاسبه دقیق آن ها باید ابتدا آن ها را بررسی کنیم.

اولین موردی که باید به آن توجه کنیم بحث ستون ها در چشمه اتصال می باشد. آیین نامه ACI و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران ستون ها را در بحث چشمه اتصال به دو حالت پیوسته و ناپیوسته تقسیم بندی می کنند. اینکه چه ستونی پیوسته محسوب می شود و یا چه ستونی ناپیوسته است را در ادامه بررسی می کنیم. طبق بند 15.2.6 آیین نامه ACI و مشابه آن بند 16.2.6 در مبحث نهم ویرایش 1399 یک ستون وقتی شرایط پیوستگی را اقناع می کند که دو شرط زیر برقرار باشد.

در یک ساختمان معمولا اکثرستون ها شرایط پیوستگی را اقناع می کنند فقط ستون های بام و خرپشته به دلیل اینکه ادامه داده نمی شوند شامل شرایط ناپیوستگی می شوند که یک راه حل منطقی و درست برای ستون های کناری در بام ادامه ی این ستون ها به اندازه ارتفاع جانپناه می باشد که این امر هم وضعیت چشمه اتصال را بهبود می بخشد هم استاندارد 2800 در پیوست ششم خود پیشنهاد کرده است که ستون های بام به ارتفاع 1.35 متر ادامه داده شوند.

با ادامه دادن ستون در بام و همچنین اجرای آرماتورهای طولی و عرضی تا بالا می توان ستون های بام را پیوسته فرض کرد. دومین موردی که باید بررسی کنیم تیرهای در راستای اعمال برش می باشند. آیین نامه ACI و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران تیرها را در بحث چشمه اتصال به دو حالت پیوسته و ناپیوسته تقسیم بندی می کنند. اینکه چه تیری پیوسته محسوب می شود و یا ناپیوسته را در ادامه بررسی می کنیم. طبق بند 15.2.7 آیین نامه ACI  و مشابه آن بند 16.2.7 در مبحث نهم یک تیر وقتی شرایط پیوستگی را اقناع می کند که دو شرط زیر برقرار باشد:

در سازه ها معمولا چشمه های میانی شامل تیرهای پیوسته می شوند و شرایط ناپیوستگی برای چشمه های کناری می باشد که یک راه حل برای این موضوع تیرهای کنسول یا طره می باشند که با اجرای این تیرها چشمه مورد نظر دارای پیوستگی تیرهای راستای اعمال برش می باشد. مورد بعدی که باید بررسی کنیم محصور شده و یا محصور نشده بودن چشمه اتصال می باشد که این امر بستگی به تیرهای عمود بر راستای مورد بررسی دارد. طبق بند 15.2.8 آیین نامه ACI مشابه آن بند 16.2.8 در مبحث نهم شرایط محصور شدگی برای چشمه اتصال به صورت زیر می باشد:

طبق شکلی که در ادامه مشاهده می کنید ضوابط محصور بودن چشمه اتصال باتوجه به الزامات مبحث نهم به این صورت است که:

• به هر دو سمت چشمه اتصال تیرهایی با عرض حداقل سه چهارم عرض ستون در وجه اتصال متصل شده باشد.
• تیرهای متصل شده حداقل باید به اندازه عمق تیر بعد از اتصال ادامه داشته باشند.(همانند شرایط محصور شدگی تیرها)
• تیرهای عرضی متصل شده دارای حداقل دو آرماتور پیوسته در بالا و پایین و دارای خاموت حداقل با قطر 10 باشند.

موردآخر برای بررسی مساحت موثر چشمه اتصال می باشد که با پارامتر Aj نشان داده می شود:

مساحت موثر چشمه اتصال بتنی متاثر از دو پارامتر عرض (b) و عمق (h) می باشد. مقدار h مقدار مشخصی می باشد اما مقدار b باید حداقل مقدار میان b+h  و b+2x  در محاسبه در نظر گرفته شود. مقدار x بر اساس اینکه تیر در مرکز ستون می باشد و یا دارای خروج از مرکزیت تعیین می شود. برای مثال داریم:

حال با بررسی پارامترهای موثر در مقاومت چشمه اتصال می­توانیم رابطه ی صحیح برای کنترل برش چشمه اتصال خود را مشخص کنیم و بر اساس آن محاسبات خود را انجام دهیم.

تفاوت بین قاب خمشی بتنی متوسط و ویژه در محاسبات مربوط به چشمه اتصال بتنی

همانطور که در توضیحات قبلی اشاره شد ضوابط کنترل برش چشمه اتصال در مبحث نهم ویرایش 92 فقط برای سازه های با قاب خمشی ویژه الزامی بود و در سیستم باربر جانبی  قاب های خمشی متوسط الزامی به رعایت برش در ناحیه اتصال تیر به ستون وجود نداشت. در مبحث نهم ویرایش 99 که از ضوابط آیین نامه ACI 318-19  پیروی کرده است کنترل برش در ناحیه اتصال برای سازه های با قاب خمشی متوسط و ویژه الزامی شده است و طراح سازه باید این ضابطه مهم را برای هر دو حالت در نظر گرفته و کنترل کند.

تفاوت بین ضوابط قاب خمشی متوسط و ویژه برای برش گره اتصال به صورت زیر می باشد:

1. نیروهای آرماتورهای طولی تیرها در ناحیه اتصال باید با فرض تنش تسلیم 1.25 Fy محاسبه شود.
2. ضریب کاهش مقاومت برشی در گره اتصال برای سازه های با قاب خمشی متوسط برابر با φ=0.75 و برای سازه های با قاب خمشی ویژه برابر با φ=0.85 می باشد.

طبق بند اول در بالا لنگر موجود در تیر که موجب ایجاد برش در گره اتصال می شود باید بر اساس لنگر محتمل تیر محاسبه و در نظر گرفته شود و این یعنی نیروی برشی در گره اتصال افزایش میابد. دومین موردی که تفاوت ایجاد میکرد بین قاب خمشی متوسط و ویژه ضریب کاهش مقاومت برشی می باشد که در حالت ویژه حدود 10 درصد مقاومت را بیشتر لحاظ میکند.

مثال کنترل دستی برش چشمه اتصال

طبقه بام از یک سازه بتنی با سیستم قاب خمشی متوسط را به صورت شکل زیر را در نظر بگیرید:

نسبت ظرفیت برشی ناحیه اتصال مشخص شده در راستای Y را محاسبه کنید؟ مقاومت بتن برابر 25 مگاپاسکال و مقاومت آرماتورها برابر 400 مگاپاسکال است.

ارتفاع ستون در طبقه برابر است با 340 سانتی متر. مقاطع تیرهای هر دو راستا و مقطع ستون به صورت زیر می باشد:

گام اول: محاسبه نیروی برشی موجود در چشمه اتصال

نیروی برشی موجود در گره اتصال طبق توضیحات قبل از رابطه زیر محاسبه می شود:

Vjh=Ts1+C2-Vcol

مقدار Ts1 به صورت زیر محاسبه می شود:

از تعادل نیروها مقدار C2 با مقدار Ts2 برابر است در نتیجه مقدار Ts2 برابر است با:

به دلیل اینکه ستون در بام قرار دارد و در بالای گره اتصال هیچ ستونی وجود ندارد در نتیجه مقدار برش ستون در طبقه بالا صفر در نظر گرفته می شود و مقدار نیروی گره اتصال به صورت زیر محاسبه و در نظر گرفته می شود.

گام دوم: محاسبه مقاومت موجود در گره اتصال

برای محاسبه مقاومت گره اتصال چند پارامتر تاثیر گذار را به ترتیب بررسی می کنیم در نتیجه مقاومت برشی گره اتصال را محاسبه می کنیم.

1) آیا ستون پیوسته است؟ شرط پیوستگی ستون طبق بند 16-2-6 برقراری دو شرط، ادامه داشتن ستون در طبقه بالا حداقل به اندازه یک عمق ستون و ادامه داشتن آرماتور طولی در ستون مورد نظر می باشد که در این پروژه با توجه به اینکه ستون در بام قرار دارد بنابراین ستون شرایط پیوستگی را نداشته و ناپیوسته می باشد.

2) آیا تیر در راستای اعمال برش پیوسته است؟ شرط پیوستگی تیر مطابق بند 9-16-2-7 برقراری دو شرط، ادامه داشتن تیر بعد از ناحیه اتصال حداقل به اندازه یک عمق تیر و وجود آرماتور طولی و عرضی در تیر ادامه یافته می باشد. برای گره مورد بررسی در هر دو سمت تیر وجود داشته و همچنین آرماتورها در هر دو طرف تیر ادامه دارند و بنابراین تیر شرایط پیوستگی را دارد.

3) آیا گره اتصال شرایط محصور شدگی را دارد؟ شرایط محصور شدگی گره اتصال مطابق بند 9-16-2-8 وجود دو تیر عرضی که دارای عرضی حداقل برابر با سه چهارم عرض ستون در هر وجه اتصال و همچنین ادامه داشتن این دو تیر به اندازه حداقل یک عمق بعد از گره اتصال و وجود حداقل دو آرماتور پیوسته در بالا و پایین اتصال می باشد. در گره اتصال مورد بررسی در سمت شرق یک تیر ادامه یافته با عرض 450 میلی متر(هم عرض ستون می باشد) وجود دارد و در راستای غربی گره اتصال، یک تیر طره به عرض 300 میلی متر و طول 1115 میلی متر وجود دارد حال برای اینکه بتوانیم این گره اتصال را محصور شده فرض کنیم باید هر دو تیر شرقی و غربی ضوابط را اقناع کنند. تیر شرقی ضوابط را اقناع کرده و تیرغربی حداقل به اندازه یک عمق ادامه و توسعه یافته است اما عرض آن از سه چهارم بعد ستون کم تر می باشد در نتیجه گره اتصال شرایط محصور شدگی را اقناع نمیکند.

3/4×450=337.5≥300 mm Not OK!

نتیجه کلی از ضوابط بالا به صورت زیر می­باشد:

در نتیجه مقاومت گره اتصال از رابطه زیر محاسبه میشود:

سطح مقطع موثر برشی چشمه اتصال

آخرین پارامتر برای محاسبه مقاومت برشی گره اتصال محاسبه سطح مقطع موثر برشی Aj می باشد.

بنابراین مقاومت برشی گره اتصال برابر است با:

ظرفیت گره اتصال از نقسیم عدد مقاومت برشی گره اتصال که برابر 759.38 کیلونیوتنو مقدار نیروی وارد بر گره اتصال که بنابر محاسبات بالا برابر با 879.2 کیلونیوتن شد طبق محاسبات انجام شده مقاومت برشی گره اتصال جوابگو نبوده و ضوابط را اقناع نمی­کند که نیازمند تقویت آن به روش ­های مختلف می­باشیم که در ادامه به آن اشاره می­کنیم.

تفاوت مقاومت چشمه اتصال در ACI 318-19 با مقاومت چشمه اتصال در ACI 318-14

در استاندارد ACI 318-14 مقدار مقاومت چشمه اتصال در سه حالت کلی ارائه شده است.

با توجه به جدول فوق در حالتی که به چشمه اتصال 4 تیر برخورد کرده باشد و تیرها دارای شرایط مورد انتظار آیین نامه باشند مقاومت برشی بر اساس رابطه ردیف دوم جدول بالا محاسبه می شود.

در صورتی که به چشمه اتصال 3 تیر با شرایط مورد انتظار آیین نامه برخورد کرده باشد مقاومت برشی از رابطه  ردیف سوم جدول بالا محاسبه می شود و در سایر حالات مقاومت برشی چشمه اتصال بر اساس رابطه ردیف چهارم محاسبه می شود.

دلیل بررسی تفاوت مقاومت برشی چشمه اتصال بین دو آیین نامه کنترل چشمه اتصال در نرم افزار ایتبس می باشد. در واقع چون ما از ورژن نرم افزاری استفاده می کنیم که در حال حاضر ضوابط ACI 318-19 را رعایت نمیکند لذا باید به نحوه محاسبه مقدار مقاومت برشی توسط نرم افزار واقف باشیم تا بتوانیم ضعف و کم و کاستی نرم افزار را شناسایی و اصلاح کنیم.

کنترل کفایت برش چشمه اتصال در سازه بتنی در نرم افزار ایتبس 2016

کنترل گره اتصال باتوجه به ضوابطی که توضیح داده شد برای قاب خمشی متوسط و ویژه دارای تفاوت هایی می باشد که برای کنترل آن در نرم افزار باید اقداماتی را انجام داد. برای کنترل گره اتصال در قاب خمشی ویژه فقط کافی است که نوع شکل پذیری سازه بر روی Special قرار گرفته و کنترل آن انجام شود ولی برای کنترل گره اتصال در قاب خمشی متوسط باید مراحل زیر را انجام داد:

1) برای کنترل چشمه اتصال از فایل اصلی طراحی یک Save as با نام Joint Shear می گیریم.
2) در فایل جدید ستون های سازه را انتخاب کرده و از منوی  زیر شکل پذیری ستون ها را بر روی شکل پذیری ویژه قرار می دهیم.

Design→Concrete Frame Design→View/Revise Overwrite

نرم افزار ایتبس کنترل برش در چشمه اتصال را برای قاب خمشی متوسط انجام نمی دهد و برای اینکه بتوانیم کنترل برش در چشمه اتصال را برای قاب خمشی متوسط انجام دهیم باید شکل پذیری قاب را بر روی ویژه Special قرار دهیم ولی مشکل اینجاست در صورتی که کل سازه را بر روی شکل پذیری ویژه قرار دهیم نرم افزار برای محاسبه برش چشمه اتصال از لنگر محتمل تیر (1.25Fy) استفاده می کند که صحیح نمیباشد و برای جلوگیری از این عمل فقط ستون ها را انتخاب کرده و بر روی شکل پذیری ویژه قرار می دهیم تا هم کنترل چشمه اتصال در قاب خمشی متوسط انجام شود و هم نیروها بر اساس ویژه محاسبه نگردد.

3) در مرحله بعد از منوی زیر ضریب کاهش مقاومت را برابر با 0.75 قرار می دهیم.

Design→Concrete Frame Design→View/Revise Overwrite

 

4) در مرحله بعد سازه را تحلیل و طراحی می کنیم و از منوی زیر نسبت ظرفیت گره اتصال را بررسی میکنیم.

Design→Concrete Frame Design→Display Design info

از منوی فوق به دو صورت می توانیم ظرفیت گره اتصال را بررسی کنیم. در صورتی که خروجی را بر اساس joint Shear Capacity Ratio بررسی کنیم نرم افزار نسبت تقاضا به ظرفیت را برای هر گره را نمایش می دهد.

همانطور که از نتایج بالا مشاهده می کنید نرم افزار برای هر گره و برای هر دو راستا نسبت تقاضا به ظرفیت را نمایش می دهد.

در صورتی که خروجی را بر اساس Identify Shear Failure بررسی کنیم نرم افزار گره هایی که نسبت تقاضای آن ها بیشتر از ظرفیت باشد را نمایش می دهد. تنها ایرادی که در این قسمت وجود دارد این است که نرم افزار به صورت مستقیم نسبت تقاضا های بالاتر از 1.0 را نمایش نمی دهد و نمیتوان فهمید که گره اتصال در چه وضعیتی قرار دارد.

همانطور که از شکل مشخص است نرم افزار برای گره هایی که جوابگو نبوده اند اخطار O/S را نشان می دهد و نه مقدار نسبت تقاضا را. برای اینکه متوجه نسبت تقاضا در ستون هایی که جوابگو نبوده اند بشویم ابتدا ستون مورد نظر را انتخاب می کنیم و از منوی زیر اقدام به خواندن اطلاعات می کنیم.

Display→Show table→Design→Concrete Design→Concrete Joint Envelope

در جدول فوق در ستون های مربوط به Js Major & Minor نسبت ظرفیت ها را نمایش داده است که همانطور که مشخص است ستون در راستای اصلی خود جوابگو نبوده است. Ratio=1.029 در روند کنترل چشمه اتصال ممکن است اخطارهایی نامشخص نیز وجود داشته باشد که در ادامه باهم اخطارهایی که ممکن است وجود داشته باشد را بررسی می کنیم:

1) در روند کنترل گره اتصال اخطاری با نام N/A به صورت زیر ممکن است نمایش داده شود.

این اخطار در واقع نشان دهنده عدم کنترل گره اتصال برای ستون مورد نظر می باشد. این اخطار ممکن است ناشی از عوامل متعددی باشد اما به طور کلی مهم ترین دلیل وجود این خطا برخورد تیرهای مفصلی به گره اتصال و یا تیرهای NOBeam که طراحی نشده اند، می باشد. برای مثال ستو ¬های شکل بالا که این اخطار برای آن های صادر شده است به دلیل برخورد تیرهای Nobeam داخل دیوار برشی بتنی می باشد.

در شکل بالا تیرهای راستایY که داخل دیواربرشی هستند از نوع Nobeam بوده (NoBeam ها در واقع تیر نیستند و فقط المان هایی برای بارگذاری و انتقال نیرو هستند) و به همین منظور طراحی نشده اند و نرم افزار نیز برای این گره اخطار فوق را صادر کرده است.

2) در کنترل چشمه اتصال اخطار N/C به صورت زیر نیز نمایش داده می شود که نشان دهنده عدم جوابگو بودن چشمه اتصال می باشد.

نکته اساسی و مهم: کنترل چشمه اتصال در نرم افزار با مقدار آرماتور محاسباتی انجام می شود، در صورتی که مقدار آرماتور اجرایی ممکن است از مقدار آرماتور محاسباتی بیشتر در نظر گرفته شود که این بیشتر شدن آرماتور باعث افزایش نیروهای وارده به چشمه اتصال می شود. روند کنترل صحیح چشمه اتصال به این صورت می باشد که برای هر تیر مقدار آرماتور اجرایی را در نرم افزار تعریف کرده تا نرم افزار بر این اساس کنترل چشمه اتصال را انجام دهد. برای معرفی آرماتور اجرایی برای هر تیر به محل تعریف تیر رفته و در منوی زیر مقدار آرماتور اجرایی دو انتهای تیر را برای نرم افزار تعریف می کنیم.

Define→Section Properties→Frame Sections

 

جواب گرفتن از برش در چشمه اتصال

به طور کلی برای جواب گرفتن از چشمه اتصال دو راه وجود دارد. الف: کاهش نیروی وارده به چشمه اتصال ب: افزایش مقاومت برشی چشمه اتصال.

الف: برای کاهش نیروهای وارده به چشمه اتصال باید مقدار آرماتور تیرها را به نحوی کاهش داد. از راه حل های کاهش آرماتور تیرها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. افزایش ارتفاع تیر و در نتیجه کاهش آرماتور
2. کاهش سطح بارگیر تیر و یا تغییر جهت سقف در سقف های یک طرفه مانند تیرچه بلوک
3. افزودن دیوار برشی به سیستم برای کاهش نیروهای وارده به تیر

ب: برای افزایش مقاومت برشی چشمه اتصال چندین راه حل وجود دارد که در ادامه بررسی می کنیم.

1. افزایش مقاومت فشاری بتن در رابطه مقاومت برشی چشمه اتصال مقاومت فشاری بتن رابطه مستقیم دارد و با افزایش مقاومت بتن مقاومت برشی چشمه اتصال نیز افزایش می یابد.
2. افزایش سطح مقطع ستون در رابطه مقاومت برشی چشمه اتصال، سطح مقطع موثر برشی که از حاصل ضرب عمق در عرض چشمه اتصال تعیین می شود تاثیر مستقیم داشته و با افزایش سطح مقطع ستون در نتیجه مقاومت برشی چشمه اتصال نیز افزایش می یابد.
3. فزایش عرض تیرها در محاسبه سطح مقطع موثر چشمه اتصال مقدار عرض تیر تاثیر مستقیم داشته و در نتیجه با افزایش عرض تیر مقدار سطح مقطع برشی افزایش یافته و در نتیجه مقاومت برشی چشمه اتصال افزایش می یابد
4. در رابطه مقاومت برشی چشمه اتصال چندین عامل اثرگذار وجود داشت. برای مثال در صورتی که ستون پیوسته باشد مقدار مقاومت چشمه اتصال افزایش می یابد. برای همین منظور می توان با برقراری شروط گفته شده مقدار مقاومت برشی چشمه اتصال را افزایش داد.

راه حل های گفته شده را شاید نتوان در همه ی شرایط به کار برد اما در مواقعی که نیاز باشد می توان با راه حل های توضیح داده شده از کفایت چشمه اتصال اطمینان حاصل پیدا کرد.

صحت سنجی کنترل برش چشمه اتصال در ایتبس

نرم افزار ایتبس یک ابزار مهندسی می باشد که برای کمک به مهندسین ارائه شده است و کنترل ضوابط آیین نامه ای را سریع تر و آسان تر کرده است اما استفاده از این ابزار، بدون شناخت نحوه عملکرد آن ممکن است باعث ایجاد خطاهای غیرقابل جبرانی شود.

برای این منظور باید از محاسبات انجام شده توسط نرم افزار ایتبس اطمینان حاصل پیدا کرد و سپس نسبت به کنترل سازه در آن اقدام نمود. در مراحل پیشین در یک فصل تفاوت های کنترل چشمه اتصال در استاندارد ACI 318-19 نسبت به ACI 318-14 بیان شد که هدف از آن بررسی کنترل چشمه اتصال در نرم افزار ایتبس بود.

نرم افزار ایتبس ورژن 16.2.1 که اکثر مهندسین از آن استفاده می کنند ضوابط چشمه اتصال را بر اساس استاندارد ACI 318-14 بررسی و کنترل می کند که این امر باعث می شود طراح سازه در مواقع نیاز نسبت به کنترل دستی چشمه اتصال اقدام کند. در ادامه یک نمونه از محاسبات مربوط به چشمه اتصال را در نرم افزار ایتبس باهم بررسی و با روش دستی مقایسه می کنیم. یک گره اتصال به صورت شکل زیر در ایتبس ورژن 16.2.1 را با هم بررسی می کنیم. ستون در طبقه بام بوده و ادامه ندارد.

مقاومت فشاری بتن برابر با 25 مگاپاسکال و تنش تسلیم آرماتورها برابر با 400 مگاپاسکال است. طبق استاندارد ACI 318-14 مقاومت برشی چشمه اتصال در سه حالت زیر ارائه شده است. واحدها بر حسب نیوتن بر میلی متر می باشد.

مقادیر فوق در واحد نیوتن برمیلی متر محاسبه شده است. برای بررسی گره اتصال ما از واحدهای سانتی متر استفاده می کنیم لذا روابط فوق در واحد کیلوگرم بر سانتی متر به صورت زیر می باشد.

به گره اتصال مورد بررسی سه تیر برخورد کرده است در نتیجه مقدار مقاومت چشمه اتصال از رابطه دوم در تصویر بالا به دست می آید. حال برای گره بالا مقاومت برشی را با مقدار محاسبه شده توسط ایتبس مقایسه می­کنیم.

به گره در راستای Y تیرهایی با عرض 40 سانتی­متر برخورد کرده است و همچنین مقطع ستون نیز 40X40 می­باشد در نتیجه مقدار مساحت موثر برشی برابر است با 1600 سانتی متر مربع.

مقدار مقاومت محاسبه شده در نتایج خروجی ایتبس طبق شکل محاسبه شده است.

همانطور که از نتایج مشخص است مقادیر محاسبه شده با مقادیر خروجی نرم افزار همخوانی دارد. حال همین گره را برای راستای Y بر اساس استاندارد ACI 318-19 محاسبه می کنیم. نمودار زیر را برای گره مورد نظر تشکیل می دهیم.

طبق استاندارد ACI 318-19 مقاومت برشی چشمه اتصال در این حالت برابر است با:

در واقع نرم افزار مقاومت برشی چشمه اتصال را 20 درصد بیشتر محاسبه کرده است که در جهت خلاف اطمینان می باشد و نیازمند اصلاح می باشد.

همانطور که از محاسبه و بررسی گره بالا متوجه شدیم نرم افزار در حالاتی مقاومت گره اتصال را در خلاف جهت اطمینان محاسبه می کند که برای حل این مشکل یا باید محاسبه و کنترل به صورت دستی انجام شود و یا برای ستون های بام که ناپیوسته هستند Ratio مربوط به چشمه اتصال به مقادیر کم تر از 1 محدود شود.

برای ستون های پیوسته مقاومت های ارائه شده در استاندارد ACI 318-19 نسبت به استاندارد ACI 318-14 هیچ تفاوتی ندارد و فقط اتصالات دسته بندی شده اند. اما برای ستون های بام در صورتی که ناپیوسته باشند مقادیر مقاومت باید کاهش پیدا کند که در مثال فوق به آن پرداختیم.

به این ترتیب می توان مقاومت گره اتصال را در نرم افزار به صورت صحیح کنترل کرد.

منابع

1)Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19)
2)Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-14)
3)Seismic Design of Reinforced Concrete Buildings 1st Edition – 2014 (Jack Moehle)

4) مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399
5) آیین نامه بتن ایران “آبا” ویرایش 1400
6) مقاله شماره 10 “مقاومت برشی چشمه اتصال” مهندس صمد و پویا آقازاده