شرکت فضا سازه
مقاله
شیوه ای نو در مقایسه سازی خرپای سقف مرکز همایش های بین الملی تهران
شرح مقاله

چکیده

پس از اجرای سقف سالن اصلی مرکز همایش بین الملی تهران به دهانه 42 متر که متشکل از خرپاهای فلزی به فواصل 4.2 متر و یک پوشش سبک از جنس ساندویچ پانل بود،به دلایلی تصمیم براین شد که یک لایه بتن بر روی سقف اجرا گردد. از آنجا که قبلا در طراحی خرپاهای سقف این بارگذاری در نظر گرفته نشده بود،لازم بود که برروی این خرپاها مجددا بررسی شده و طرح تقویت مناسب ارائه گردد.

به طور معمول جهت تقویت این گونه سازه ها،یک سری پلیت و یا مقطع نورد شده در تمام طول به اعضاء اصلی خرپا جوش می گردد. در این شیوه به دلایلی که در بخش های آتی تشریح می گردد،وزن آهن آلات مصرفی بسیار زیاد بوده و علاوه بر این،حجم جوشکاری بر روی خرپا در ارتفاع،قابل توجه می باشد.

در خرپای سقف سالن اصلی مرکز همایش ،شیوه ای نوین طراحی و مورد استفاده گرفت که درآن،اعضاء تقویتی جدید در مجاورت اعضاء اصلی به خرپا اضافه شده و با ایجاد نیروی اولیه کششی و یا فشاری در آن ها ،میزان مشارکت این اعضاء تقویتی جدید افزایش یافت.ضمنا به منظور ایجاد نیروی اولیه در اعضاء تقویتی،مکانسیم هایی برای ایجاد فشار و کشش طراحی گردید.

مقدمه

مرکز همایش های بین الملی تهران یکی از بخش های اصلی مجموعه یادمان بوده و دارای یک سالن اصلی به ظرفیت 1500 نفر، تعدادی سالن فرعی و فضاهای جانبی مربوطه می باشد.سالن اصلی این مرکز به ابعاد 42*42 متر مربع بوده و به منظور پوشش سقف آن تعدادی خرپای فلزی به طول 42 متر و با فواصل 4.2 متر طراحی شده بود. مشخصات هندسی این خرپاها در شکل شماره 1 نشان داده شده است.در طرح اولیه این خرپاها،یک پوشش سقف بسیار سبک از جنس ساندویچ بر روی بام و یک سقف کاذب در زیر سقف به همراه سایر متعلقات مربوطه در نظر گرفته شده بود. بر این مبنا،بار مرده فوق العاده بام(Superimosed Dead Load)  برابر 200kg/m2  بوده و بار زنده نیز برابر 250kg/m2 فرض شده بود.[1]

 

پس  از تکمیل عملیات اجرایی این سقف، به دلایل امنیتی تصمیم بر این شد که یک لایه بتن آرمه به ضخامت حدود 8 سانتی متر بر روی  سقف اجرا گردد.بدین ترتیب،میزان بار مرده اعمالی بر روی خرپاها از 200kg/m2 به 400kg/m2 افزایش یافته و در نتیجه طرح اولیه خرپاهای سقف،دیگر جوابگوی بارهای وارده نبود.در شکل شماره 2 نسبت "نیرو به مقاومت " در اعضاء اصلی خرپای سقف تحت اثر بارهای جدید نشان داده شده است.لازم به ذکر است که کنترل طراحی،براساس آئین نامه AISC-ASD89 انجام گرفته است.

همانگونه که در شکل شماره 2 مشخص می باشد در صورت اعمال بارهای جدید در بسیار از اعضاء،خرپا،نسبت"نیرو به مقاومت" بزرگتر از 1 بوده و در نتیجه بایستی طرح موجود،مجددا مورد بررسی قرار گرفته و طرح تقویت مناسب ارائه می گردید.

اگرچه مطالعات نشان داد که با توجه به عدم اعمال برخی از بارها نظیر بار سقف کاذب و همچنین پائین تر بودن میزان بار زنده اعمالی نسبت به بار زنده مفروض، می توان لایه بتن مورد نظر را بدون انجام تقویت،اجرا نمود ولی قبل از اعمال بارهای نهایی لازم بود که عملیات مقاوم سازی خرپاها انجام گیرد.

 

روش مقاوم سازی و آنالیزهای مربوطه

به منظور ارائه طرح تقویت،بارهای اعمالی بر سازه تا آن زمان و همچنین بارهای آتی وارده مطابق با گزارش مورد اشاره در مرجع [1]،به شرح ذیل در نظر گرفته شد:

الف- وزن خرپاهای سقف (به طور اتوماتیک توسط نرم افزار در نظر گرفته می شود):    حدود 100kg/m2

ب- بار مرده موجود شامل وزن ساندویچ پانل،وزن لایه بتن و وزن پرلین ها و مهاربندی ها:   250Kg/m2

ج-با مرده آتی شامل وزن سقف کاذب در زیر سقف و یک لایه شن تزئینی:     150 kg/m2

د- بار زنده،بار تاسیسات و برف :          250Kg/m2

(توضیح: بار زنده براساس مبحث شش مقررات ملی ساختمان[5] برابر 150Kg/m2 می باشد و بار تاسیسات در زیر سقف نیز برابر 100Kg/m2 در نظر گرفته شده که مجموع این دو،به عنوان بار زنده بر روی مدل اعمال شده است.)

در روش متداول برای تقویت این گونه سازه ها،معمولا تعدادی پلیت و یا مقطع نورد شده در تمامی طولی که نیاز به تقویت دارد به اعضاء اصلی خرپا جوش می گردد. در این شیوه لازم است که اعضاء اصلی خرپا،بارهای وارده تا زمان مقاوم سازی شامل وزن خرپا،وزن ساندویچ پانل ها و وزن بتن سقف(بندهای الف و ب فوق) که در برگیرنده بخش عمده بارهای وارده نهایی سقف می باشد را تحمل کرده و تنها بارهای وارده پس از عملیات مقاوم سازی شامل وزن سقف کاذب و بارهای زنده(بند ج و د فوق) بین اعضاء اصلی خرپا و پلیت های تقویتی توزیع می گردد. از سوی دیگر بارهای وارده به خرپاها تا زمان مقاوم سازی (بندهای الف و ب فوق)بسیار نزدیک به مجموع بارهای مرده و زنده ابتدایی سازه می باشد که در طرح اولیه،سازه بر مبنا طراحی شده بود.

در واقع به دلیل آن که تنش موجود دربسیاری از اعضاء اصلی خرپا در اثر بارهای وارده تا آن زمان،به تنش مجاز آن اعضاء نزدیک شده بود،ابعاد ورق ها ی تقویتی باید به اندازه بزرگ انتخاب می شد که در اثر بارهای آتی تنش موجود در اعضاء اصلی،افزایش کمی یافته و از تنش مجاوز تجاوز ننماید.بدین ترتیب عملا وزن ورق های تقویتی در این شیوه بسیار زیاد بوده و کارآیی آن بسیار کم بود.به علاوه،با توجه به این که ورق های تقویتی می بایستی در حدود دو سوم طول خرپا به طور کامل به اعضاء اصلی خرپا متصل می شد حجم عملیات جوشکاری در ارتفاع قابل توجه بوده و هزینه اجرای عملیات،بسیار زیاد بود.

در خرپای سقف سالن اصلی مرکز همایش به منظور افزایش کارآیی سیستم مقاوم سازی،شیوه ای نوین طراحی و مورد استفاده قرار گرفت که در آن،ایده اصلی مبتنی بر مشارت اعضای تقویتی در تحمل بارهای وارده تا آن زمان با ایجاد نیروی کششی و فشاری مناسب در این اعضا بوده است. در واقع در این روش ،یک تیر تقویتی در مجاورت تیر فوقانی خرپا و یک تیر تقویتی در مجاورت تیر پائینی خرپا و با طول حدود دو سوم طول خرپا قرار گرفته و در دو انتها با اتصالات مناسب به تیرهای اصلی خرپا متصل شد.به منظور ایجاد نیروی اولیه در وسط تیر تقویتی فوقانی مکانیسمی برای ایجاد فشار و در وسط تیر تقویتی پائینی،مکانیسمی برای ایجاد کشش طراحی و اجرا گردید.[2]

بدین ترتیب با اعمال فشار در عضو تقویتی فوقانی،نیروی فشاری تیر اصلی فوقانی کاهش یافته و مشابها با اعمال کشش در عضو تقویتی پائینی،ازنیروی کششی تیر اصلی پائینی کاسته شده و عملا این اعضاء تقویتی ،به طور کامل در باربری مشارکت داشته اند.بنابراین این شیوه در قیاس با حالت قبل بازدهی بیشتری داشته و درنتیجه وزن اعضاء تقویتی نسبت به روش متداول کاهش یافته است .درشکل شماره 3 شمای کلی طرح مقاوم سازی و موقعیت تیرهای تقویتی بالایی و پائینی نشان داده شده است.[3]

 

مطابق با شکل 3 در مجاورت تیر بالایی خرپا،2UNP240  و در مجاورت تیر پائینی آن، 2UNP200 به عنوان اعضاء تقویتی به خرپا اضافه شدند.جزئیات مربوط به مکانیسم اعمال فشار(Compression Inducing Part) و همچنین مکانیسم اعمال کشش (Tension Inducing Part) در بخش های بعد ارائه می گردد.

به منظور آنالیز و کنترل طراحی خرپای فوق،حالت بارگذاری به شرح ذیل در نظر گرفته شد:[2]

LCI: در این حالت بارهای مرده وارده تا زمان انجام مقاوم سازی شامل وزن خرپاها،وزن ساندویچ پانل،وزن بتن بام و سایر متعلقات مربوطه(بند الف و ب فوق) به سازه اعمال شد.البته در این حالت اعضاء تقویتی جدید در مدل سازه ای وارد نشده اند .مدل سازی و بارهای وارده در این حالت در شکل 4 نشان داده شده است.

LC2: در این حالت در عضو تقویتی فوقانی (2UNP240) معادل 42 تن نیروی فشاری و در عضو تقویتی پائینی (2UNP200) معادل 40 تن نیروی کششی اعمال شد.بارهای وارده بر مدل در این حالت در شکل 5 آورده شده است.

LC3: در این حالت بارهای مرده آتی شامل وزن سقف کاذب و .....و همچنین بارهای زنده به سازه اعمال گردید .لازم به ذکر است که در این حالت،اعضا تقویتی جدید به عنوان عضوی از سازه مدل شده و در باربری به طور مشارکت داشته اند.مدل سازه ای و بارهای وارده در این حالت به تفکیک بارهای مرده آتی و بارهای زنده در شکل 6و 7 نشان داده شده است.

 

با توجه به این که درسه حالت بارگذاری فوق،مدل سازه ای تفاوت هایی با یکدیگر داشتند،آنالیزهای مربوطه برای هر حالت به طور جداگانه انجام شده و نتایج مربوط به این حالات،توسط نرم افزار EXCEL با یکدیگر ترکیب شده و کنترل طراحی با توجه به ضوابط AISC-ASD89 در این نرم افزار انجام گرفته است.[4]

در جدول شماره1،دو نمونه از محاسبات انجام شده برای یک عضو اصلی فشاری و یک عضو اصلی کششی آورده شده است.همانگونه که در این جدول مشاهده می شود نیروهای محوری،برشی و خمشی اعضاء در مقاطع مختلف آن از نرم افزار SAP2000 استخراج شده و نتایج آنالیزهای مربوط بارگذاری مختلف با یکدیگر ترکیب شده است.به علاوه نتایج نسبت "نیرو به ظرفیت" مطابق روابط 1-6-10 و 2-6-10 آئین نامه AISC در مقاطع مختلف این اعضاء کمتر از یک می باشد.

لازم به ذکر است که علاوه بر مقاوم سازی تیرهای اصلی افقی خرپاها براساس مشروح در این مقاله،برخی از اعضاء قائم و قطری خرپا در حوالی تکیه گاه های دو طرف نیز نیاز به تقویت داشتند که به شیوه رایج و با استفاده از جوشکاری تعدادی پلیت به آن ها،مقاوم سازی مناسب صورت گرفت.

 

جزئیات مکانیسم های اعمال فشار و کشش و نحوه کارکرد آن ها

همانگونه که قبلا اشاره شد نکته بسیار با اهمیت در طرح مقاوم سازی،طراحی و اجرای مکانیسم های مناسب برای ایجاد فشار و کشش در اعضاء می باشد. این مکانیسم ها باید به گونه ای طراحی می شدند که ساخت آن ها به سهولت انجام گرفته و علاوه بر این،عملکرد آن ها بسیار ساده و قابل کنترل باشد.

ایده اصلی در طراحی مکانیسم های فوق،مبتنی بر رابطه بین نیرو و تغییر شکل در اعضاء می باشد.بدین معنی که با اعمال تغییر شکل محوری در راستای مناسب در هر عضو،می توان نیروی کششی و یا فشاری دلخواه در آن را ایجاد نمود.


در شکل 8 حالت بسیار ساده شده مکانیسم های اعمال کشش و فشار نشان داده شده است.مطابق این شکل،در صورتی که دو انتهای تیر در جهت محور عضو کاملا ثابت شده باشد و پلیت های میانی این عضو به اندازهδ به یکدیگر نزدیک شوند،در داخل عضو نیروی کششی به اندازه δAE/L=Tایجاد خواهد شد. متشابها در صورتیکه این پلیت ها به اندازهδ از یکدیگر دور شوند،در داخل عضو نیروی فشاری به اندازه δAE/L=P ایجاد می گردد.

 

البته در خرپای سقف سالن به دلیل انعطاف پذیری خرپا و ایجاد تغییر شکل در آن اثر نیروهای فوق و درنتیجه ثابت نبودن کامل دو انتها اعضاء تقویتی بالایی و پائینی،میزان تغییر شکل مورد نیاز جهت دستیابی به نیروهای پیش تنیدگی مورد نظر،با رابطه فوق کمی متفاوت می باشد.اگرچه میزان این نیرو نیز با محاسبات دستی و همچنین آنالیزهای کامپیوتری قابل تعیین است.

براساس آنالیزها و بررسی های انجام شده،تغییر شکل مورد نیاز در وسط تیر تقویتی فوقانی(2UNP240) جهت اعمال نیروی فشاری 42 تنی در آن برابر 14mm بوده و تغییر شکل لازم در وسط تیر تقویتی پائین(2UNP200) برای ایجاد نیروی کششی 40 تنی در آن برابر 14mm می باشد.

جزئیات مکانیسم اعمال فشار در شکل شماره 9 نشان داده شده است.[3] مطابق این شکل، 6 عدد مهره M24 بر روی یکی از پلیت های میانی اصلی جوش شده است . موقعیت قرار گیری این مهره ها به گونه ای است که با سفت کردن بولتهای مربوطه در داخل آنها،فاصله بین دو پلیت افزایش یافته و در تیر نیروی محوری فشاری ایجاد می گردد. در این مکانیسم،پس از رسیدن به تغییر شکل و در نتیجه نیروی فشاری مورد نظر،در فاصله بین دو پلیت میانی اصلی،یک عدد شیم پلیت با ضخامت مناسب قرار می گیرد. سپس بولت های فشاری شل شده و سایربولت ها که دو پلیت طرفین و همچنین از شیم پلیت عبور می کند در جای خود قرار گرفته و محکم می گردد.

جزئیات مکانیسم اعمال کشش نیز در شکل شماره 10نمایش داده شده است.[5] مطابق این شکل،در ابتدا یک فاصله اولیه بین دو پلیت میانی اصلی پیش بینی می گردد. سپس یک عدد شیم پلیت با ضخامت مناسب که از رابطه زیر محاسبه می شود بین دو پلیت میانی قرار می گیرد.

تغییر شکل مورد نیاز- فاصله اولیه بین دو پلیت میانی =ضخامت شیم پلیت

 

نهایتا 10 عدد بولت m24 نشان داده شده در شکل، سفت می شود به گونه ای که پلیت های میانی اصلی و شیم پلیت به طور کامل به یکدیگر متصل گردند.بدین ترتیب با توجه به اعمال تغییر شکل مناسب در این مکانسیم،نیروی کششی مورد نظر در آن تامین شده است.

همانطور که ملاحظه می گردد،اعمال فشار و کشش به سادگی و تنها از طریق سفت کردن تعدادی پیچ صورت می گیرد.به علاوه مکانیسم های اعمال فشار وکشش در روی زمین و در شرایط کاری مناسب ساخته

 شده و کلیه آزمایشات کنترل کیفیت لازم بر روی آنها انجام گرفته است.در واقع به کارگیری این شیوه،از نظر سهولت و امکان کنترل کیفیت ،بسیار مطلوب بوده است.

 
 

آزمایشات در حین اعمال نیروهای پیش تنیدگی

به منظور حصول اطمینان از دستیابی به نیروهای مورد نظر در اعضاء تقویتی و همچنین مشاهده تغییرات نیروها در اعضاء اصلی خرپا ومقایسه آن با نتایج آنالیزها،آزمایشات خاصی تدارک دیده شد.بدین منظور بر روس 2 خرپا از 9 خرپا،کرنش سنج های مناسب در نقاط حساس نصب شده و در حین اعمال نیروهای اولیه فشاری و کششی در اعضاء تقویتی،میزان نیرو در نقاط مختلف خرپا ثبت گردید.به علاوه میزان بالا رفتن خرپا در وسط دهانه و همچنین میزان جابجایی دو انتهای خرپا بر روی تکیه گاه ها اندازه گیری شد. با توجه به نتایج این آزمایشات،مقادیربرخی از پارامترهای که در آنالیزها به صورت تقریبی فرض شده بود نظیر میزان ضریب اصطکاک خرپا بر روی کربلهای تکیه گاهی و همچنین میزان سختی محوری بتن سقف مشخص شده و در نتیجه میزان تغییر شکل مورد نیاز در مکانیسم های فشاری و کششی برای دستیابی به نیروی پیش تنیدگی مورد نظر،با دقت بیشتری تعیین گردید.

لازم به ذکر است که نتایج این آزمایشات،بیانگر کاهش قابل توجه نیروها در اعضاء اصلی خرپا وهمچنین مشارکت قابل توجه اعضاء تقویتی در تحمل بارهای وارده بود که بدین ترتیب عملکرد مناسب روش تقویت،به خوبی نشان داده شد.

نتیجه

در این مقاله،روش نوین به کار گرفته شده جهت مقاوم سازی خرپای سقف سالن اصلی مرکز همایش های بین الملی تهران تشریح شد.به طور کلی این شیوه در مقایسخ با روش متداول دارای مزایای ذیل می باشد:

-          کاهش وزن آهن آلات مصرفی به دلیل بازدهی مناسب روش و مشارکت اعضاء تقویتی جدید در تحمل بارهای اعمالی در زمان قبل از مقاوم سازی

-          کاهش میزان جوشکاری در ارتفاع بر روی خرپا

-          ساخت مکانیسم های اعمال فشار و کشش در فضای مناسبی بر روی زمین همراه با آزمایشات کنترل کیفی مناسب و در نتیجه افزایش کیفیت کار

-          افزایش سرعت اجرای کاربه دلیل استفاده از مقاطع نورد شده همراه با جوش های بسیار محدود در ارتفاع

-          کاهش هزینه های مقاوم سازی

تشکر و قدردانی

از مسئولین و کارشناسان شرکت یادمان سازه که مساعدتهای لازم را در خصوص تهیه این مقاله به عمل آورده و اطلاعات و مدارک مورد نیاز را در اختیار تهیه کنندگان آن قرار دادند تشکر و قدردانی می گردد.

تهیه کنندگان:سید رسول میرقادری،سعید چشمه کانی

فهرست مراجع و ماخذ

1-      مهندسین مشاور ستیم،گزارش طرح تقویت خرپای سقف مرکز همایش های بین الملی تهران،شماره آرشیو شرکت یادمان سازه C-DI-DS-S-YS-01 to 05 ،1382

2-      سید رسول میر قادری و سعید چشمه کانی(شرکت یادمان سازه)،گزارشات داخلی طرح مقاوم سازی خرپای سقف مرکز همایش،1382

3-      سید رسول میرقادری و سعید چشمه کانی(شرکت یادمان سازه)،نقشه های مقاوم سازی خرپای سقف مرکز همایش به شماره های آرشیو C-DS-S-YS-01 to 05،1382

4-      آئین نامه طراحی سازه های فولادی آمریکا (AISC-ASD89)

      5-دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان مبحث 6 بارهای وارد بر ساختمان،چاپ سوم،نشر توسعه ایران،1382
1287 تعداد مرور
پس از اجرای سقف سالن اصلی مرکز همایش بین الملی تهران به دهانه 42 متر که متشکل از خرپاهای فلزی به فواصل 4.2 متر و یک پوشش سبک از جنس ساندویچ پانل بود،به دلایلی تصمیم براین شد که یک لایه بتن بر روی سقف اجرا گردد. از آنجا که قبلا در طراحی خرپاهای سقف این بارگذاری در نظر گرفته نشده بود،لازم بود که برروی این خرپاها مجددا بررسی شده و طرح تقویت مناسب ارائه گردد. خلاصه مقاله
پست الکترونيک نويسنده
نويسنده مقاله
فايل
منبع مقاله
1394/03/03 تاريخ
end
امتیازدهی
میانگین امتیازها:0 تعداد کل امتیازها:0
مشاهده نظرات تعداد نظرات : 0
ارسال نظرات
نام
آدرس پست الکترونیکی شما    
توضیحات  
تغییر کد امنیتی  
کد امنیت  
 
کلیه حقوق این وب سایت متعلق به شرکت فضا سازه نقش جهان می باشد.
Powered by DorsaPortal