تقویت و بهسازی سوله صنعتی در برابر بارهای ثقلی و جانبی با استفاده از کابلهای پیش تنیده

مقدمه

تقویت بهسازی سوله صنعتی داراي انواع گوناگونی هستند، سازه هایی یک طبقه با دهانه هایی بزرگ و سقف شیبدار که امکان طراحی آن ها جهـت جرثقیل هـاي سـقفی وجود دارد. این سازه ها براي کاربري هاي صنعتی، تولیدي، انبار، آشیانه هواپیما، سالن هاي ورزشی و یا ترکیبی از موارد یاد شده مورد استفاده قرار مـی گیرنـد. سیسـتم سقف این سوله ها شامل سازه باربر، لاپه ها (ضدها) و پوشش سازه اي سبک با عایق ضد حرارتی است. سازه هاي صنعتی (سوله) به طور کلی شامل تعدادي قاب هـاي خمشی است که اعضاي باربر اصلی آن ها، عبارتند از تعدادي قاب هاي صلب موازي هم که روي آن ها لاپه ها در جهت طولی قرار می گیرند و پوشش نهایی روي لاپه ها قرار می گیرد. قاب هاي اصلی، بارهاي شاه تیرهاي جراثقال (جهت عرضی و عمودي)، سقف سوله و بارهاي جانبی باد و زلزله را در جهت عرضی تحمـل مـی کننـد. پایداري سازه در جهت طولی معمولا به وسیله تعبیه نبشی ها یا کابل ها ایجاد می شود. یکی از ارکان اصلی پایداري سازه، اتصالات خمشی قاب هاي سوله می باشـد کـه محاسبات آن باید براي لنگر خمشی، نیروي محوري و نیروي برشی و بر مبناي آیین نامه معتبر نظیر ضوابط طرح و محاسبه ساختمان هاي صنعتی فـولادي (نشـریه شـماره325) انجام گیرد.
در مورد مقاوم سازي ساختمان ها، تحقیقات متعددي انجام گرفته است ولی این موضوع در سازه هاي صنعتی (سوله) نیاز به بررسی هاي بیشتري دارد، لذا در ایـن مقاله به روش هاي تقویت و بهسازي سوله ها پرداخته شده است. به منظور مقاوم سازي سالن در برابر بارهاي جانبی ناشی از باد یا زلزله، سقف سازه با افزودن بادبنـدهاي افقی جدید در تمام دهانه ها به سقفی صلب تبدیل یافت و در مرحله بعد ضمن پیش بینـی بادبنـدهاي جـانبی در قـاب هاي انتهـایی، بـار جـانبی ناشـی از زلزلـه و بـاد بـه فونداسیون انتقال گردید. نتیجتا سازه در جهت عرضی به صورت سیستم دوگانه قاب خمشی و بادبن و در جهت طولی بـه صـورت سیسـتم قـاب بادبنـدي شـده تحلیـل و طراحی گردید که در این راستا ضمن تحلیل و طراحی مشاهده گردید که تیرهاي قاب سوله فاقد اینرسی لازم به منظور تحمل بارهاي ثقلی سقف می باشد که بـه منظـور افزایش ظرفیت باربري سقف از بادبندهاي زانویی و سینه بند استفاده گردید. براي کنترل خیز تیرها از کابل هاي پیش تنیده استفاده شد. در گـام آخـر، سـازه آنـالیز و بـا توجه به نیروهاي به دست آمده، ستون ها با استفاده از ورق هاي فـولادي تقویـت گردیـد. در نهایـت بـراي دسـتیابی بـه طـرح شده، سازه مجددا مدل سازي و طراحی گردید که نتایج به دست آمده دستیابی به یک سالن صنعتی مقاوم و استاندارد را ارائه می نماید.

معرفی پروژه

عرض سالن سوله داراي یک دهانه به طول 18متر با طول سوله 50متر می باشد و ارتفاع ستون ها 9متر اسـت. سـازه داراي 11قـاب بـه فاصـله آکـس بـه آکس 5متر است (50 5= ×10متر). مقطع تمامی ستون ها 2IPE160+2FPL200x10 می باشد. تیرها با مقطع متغیـر 1بـه طـول 6متـر و مقطـع ثابـت 2بـه طول 3متر می باشد که قسمت مقطع متغیر در قسمت جان از برش IPE180ساخته شده است. شیب سالن %10بوده و سازه در محدوده ي خارج از شـهر و با فشار مبناي باد 60.5kg/m2 و منطقه اي با لرزه خیزي متوسط بنا گردیده است. در شکل 1و ، 2ابعاد، پلان و مقاطع تیر و ستون نشان داده شده است. (کلید واژه: تقویت بهسازی سوله صنعتی)

تحلیل و طراحی سازه موجود پیش از مقاوم سازی

نیروي باد و نیروهاي ثقلی بر اساس سطح بارگیر هر قاب محاسبه و در تحلیل لحاظ شد. نیروي ناشی از زلزله نیز با توجه به سختی قاب هـا، بـین قـاب هـا تقسیم شد. در مدل سازي از برنامه SAP2000 جهت تحلیل و طراحی استفاده گردیده است. بارهاي وارده به قاب هاي اصلی، عبارتند از: – 1بار ثقلی سقف؛ – 2بار باد و زلزله در جهت افقی. بارهاي اصلی سقف ساختمان، شـامل بـار مـرده، بار زنده و بار برف می باشد. در جدول 1خلاصه نتایج بارگذاري جهت تحلیل و طراحی قاب نشان داده شده اسـت. بارگـذاري وارده بـر اسـاس ضـوابط طرح و محاسبه ساختمان هاي صنعتی فولادي )نشریه شماره (325 و مبحث ششم مقررات ملی ساختمان محاسبه گردیده است. (کلیدواژه: تقویت سوله صنعتی)

ترکیبات بارگذاري به کار رفته در تحلیل و طراحی سازه مطابق با مبحث ششم مقررات ملـی سـاختمان و ضـوابط طراحـی سـاختمان هـاي صـنعتی فولادي به شرح زیر می باشد:

کمبودها، ایرادات اجرایی و طراحی

معمولا در ستون ها به علت وجود لنگرهاي خمشی بزرگ در راس ستون (اتصال تیر به ستون)، نیاز به ممان اینرسی به حداکثر می رسد و معمولا در پاي ستون نیاز به ممان اینرسی همانند راس ستون نیاز نم باشد. بنابراین، نماي مقطع جان ستون در قاب به صورت غیر منشوري در می آیـد و راس آن پهـن تـر و پاي آن باریک تر خواهد بود. اتصالات خمشی قاب هاي سوله یکی از مهمترین قسمت هاي طرح سـازه اسـت. در اتصـال تیـر بـه سـتون هـا از اتصـال فلنجی 3استفاده می شود و محاسبات آن باید براي لنگر خمشی، نیروي محوري و نیروي برشی انجـام گیـرد. وظـایف اصـلی اتصـال خمشـی انتقـال لنگـر انتهایی از تیر به ستون؛ انتقال برش عمودي در انتهاي تیر به ستون و انتقال برش افقی تیر به ستون است.
از سازه مورد نظر بازدید به عمل آمد و نقص هاي سازه اي آن ضمن محاسبات، بررسی گردید. به طور کلی معایب سـازه موجـود را مـی تـوان بـه صورت زیر طبقه بندي نمود: – 1اتصال تیر به ستون؛ -3ستون ها؛ – 2تیرها؛ – 4سیستم باربر جانبی؛ – 5سیستم دیافراگم سقف. یکی از نقاط ضعف اصلی سازه، اتصال تیر به ستون ها است. این اتصال هم از نظر طراحی و هم از نظر اجرا دچار نقص می باشد. همچنین سازه بـه علت نداشتن سیستم باربر جانبی مناسب و بدي کیفیت اجرا مقاومت کافی در مقابل بارهاي جانبی وارده ندارد. قاب خمشـی موجـود بـه دلیـل ضـعف در اتصالات و صلب عمل نکردن اتصالات تیر- ستون نمی تواند بـه عنـوان یـک قـاب خمشـی مقـاوم عمـل کنـد. ساخت ستون ها تنها از دو پروفیل IPE160+2FPL200x10استفاده شده است که ممان اینرسی موجود در ناحیه سقف جوابگو نمی باشـد. در سـاخت تیرهـاي این سالن، از برش هاي پروفیل IPE180در قسمت جان استفاده شده است که ارتفاع مقطع را در محل اتصال به ستون ها از 18سانتی متر به 50سانتی متر افزایش داده اسـت کـه به دلیل عدم ممان اینرسی مکفی، سازه قابلیت انتقال نیروهاي خمشی را به ستون هاي سوله را ندارد. ضمنا طـول مهاربنـدي نشـده ي تیرهـا و سـتون هـا بـه حول محورهاي قوي و ضعیف زیاد می باشد و با توجه به ممان اینرسی پایین اعضا، سازه علاوه بر اینکه قادر به مقابله با بارهاي جانبی و ثقلـی نمـی باشـد، خیز سقف در مقابل بارهاي ثقلی و نیز جایجایی سازه در برابر بارهاي جانبی بسیار بیشتر از حد مجاز آیین نامه اي می باشـد. در شـکل 6 اتصـال نامناسـب تیر به ستون نشان داده شده است. (کلید واژه:تقویت سوله صنعتی)

تشریح روش های تقویت و بهسازی سوله صنعتی

افزودن بادبندهاي افقی و جانبی جدید جهت تقویت سیستم باربر جانبی جهت تامین صلبیت سقف سازه سوله و پایداري اعضاي آن ها، از بادبندهاي افقی در سقف شیب دار سالن استفاده گردید. در شکل 7سـقف سـازه پـس از مقاوم سازي نشان داده شده است. هدف اصلی استفاده از این مهاربندها عبارت بود از: 1)تبدیل دال نـرم¹ بـه دال صـلب² مـی باشـد کـه نتیجتـا ضـمن پایداري دال موجود، پایداري کلیه قاب هاي سازه را فراهم خواهـد نمـود؛ 2)کنتـرل جابجـایی سـازه در جهـت عرضـی ضـمن انتقـال نیـروي سـقف بـه فونداسیون از طریق دیوارهاي انتهایی. در این حالت سازه را از سیستم قاب خمشی به یک سیستم دوگانه قاب خمشی به علاوه مهاربندي شده ي فـولادي تبدیل نمودیم که جهت انتقال نیروهاي جانبی از طریـق دو دیواره ي انتهایی بر اساس آیین نامه طراحی (نشـریه 325) و کنتـرل نیـروي واژگـونی یـک عضـو اسـترات³ افقی در وسط ستون اضافه گردیـد (مطـابق شـکل8) و سازه در برابـر نیروهـاي جـانبی (زلزلـه و بـاد) پایـدار و مقاوم گردید.

منظــور بــا افــزودن بادبنــدهاي زانــویی ،1لنگــر خمشــی بــه صورت دو کوپل فشار و کشش به ستون هـا منتقـل گردیـد (مطابق شکل9). استفاده از بادبندهاي زانـو نیـاز بـه تقویـت اتصال و اجراي جوش در محل را که وقت گیر و پر هزینـه می باشد مرتفع ساخت و براي جلوگیري از کمانش بال فشاري تحتانی تیرهاي قـاب از مهاربنـدهاي مـورب 45درجـه (سـینه بنـد2) در صـفحه قـائم بهـره گرفتیم (مطابق شکل1).

کنترل خیز تیر به کمک کابل هاي پیش تنیده

هر چند که بادبندهاي زانویی نسبت تنش هاي تیر را کنترل نمود ولی خیز قائم تیرها در حد آیین نامه اي محدود نگردید که نتیجتا اسـتفاده از کابـل هـاي پیش تنیده مورد بررسی قرار گرفت. کابل هاي پیش تنیده با تنش نهایی 17500 kg/cm2الی 18900 kg/cm2می باشند. با توجه بـه اینرسـی کـم تیـر و اتصالات نامناسب تیر به ستون و تیر به تیر (تاج)، سقف سالن مقاومت لازم جهت کنترل خیز در برابر ترکیب بار قائم (مرده و زنـده) را نداشـت. بـه علـت
پوشش سقف و نیز مشکلات اجرایی جوش ورق به بال تیرها، امکان تقویت با این روش میسر نبود، لـذا بـه کمـک کابـل هـاي پـیش تنیـده کـه مقاومـت بالایی را نیز دارا می باشند، سقف سالن را به یک خرپاي مثلثی با عضو افقی کششی 4تبدیل کرده و سپس با ایجاد نیروهاي کششی در کابـل هـا و ایجـاد نیروهاي معکوس، خیز تیر را کنترل نمودیم. از این کابل هاي پبش تنیده در قاب هاي دوم تا دهم استفاده شد. قـاب هـاي انتهـایی بـه دلیـل وجـود سـتون هاي باد نیازي به تقویت با این سیستم نداشتند. شکل 11 قاب تقویت شده با این سیستم را نشان می دهد. جـدول نیــز مقــدار نیروي پیش تنیدگی کابل ها در قاب هاي متوالی را نشان می دهد.

تقویت ستون

پس از تقویت سالن با روش هاي ذکر شده، سازه را مجددا آنالیز و طراحی کردیم و ستون هـاي کنـاري را بـا اسـتفاده از ورق، تقویـت نمـودیم (مطـابق شکل12).

تحلیل و طراحی و کنترل نهایی سازه پس از تقویت و بهسازی

به دنبال تقویت سیستم، سازه باید براي مقاومت کافی طراحی گردد. در این طراحی باید روش هاي ارائه شده در راهنماهاي طراحی فولادي ماننـد نشـریه325 رعایت گردد. با توجه به نوع تقویت مهاربندي در سقف، صلبیت کافی دال (سقف) سوله براي پایداري قاب ها جهت تحمـل بارهاي جـانبی پدیـد آمد. باید توجه داشت که به دلیل پیوستگی قاب ها در جهت طول سازه که ناشی از صلبیت سـقف بـه وجـود آمـده و مهاربنـدي جـانبی در دیـواره هـاي انتهایی پس از تقویت و بهسازي می باشد، ضمن انجام تحلیل سه بعدي سازه و اعمال کلیه ي بارهاي ثقلی و جانبی به همراه اعمال پـیش تنیـدگی کلیـه ی به دنبال تقویت سیستم، سازه باید براي مقاومت کافی طراحی گردد. در این طراحی باید روش هاي ارائه شده در راهنماهاي طراحی فولادي ماننـد نشـریه 325 رعایت گردد. با توجه به نوع تقویت مهاربندي در سقف، صلبیت کافی دال (سقف) سوله براي پایداري قاب ها جهـت تحمـل بارهـاي جـانبی پدیـد آمد. باید توجه داشت که به دلیل پیوستگی قاب ها در جهت طول سازه که ناشی از صلبیت سـقف بـه وجـود آمـده و مهاربنـدي جـانبی در دیـواره هـاي انتهایی پس از تقویت و بهسازي می باشد، ضمن انجام تحلیل سه بعدي سازه و اعمال کلیه ي بارهاي ثقلی و جانبی به همراه اعمال پـیش تنیـدگی کلیـه ي جابه جایی های قاوم و جانبی سازه و تنش ها در حد مجاز آیین نامهم ای کنترل گردید. در اشکال 14،13و15 نتایج تحلیل و طراحی در بحرانی ترین قاب پس از مقاوم سازی نشان داده شده است. ترکیبات بارگذاری سازه پس از تقویت و بهسازی بر اساس مبحث ششم و نشریه 325 به شرح زیر است. (کلید واژه: تقویت سوله صنعتی)

نتیجه گیری (تقویت بهسازی سوله صنعتی)

• 1- استفاده از سیستم هاي دوگانه در سالن هاي صنعتی ضمن کنترل جنبه هاي اقتصادي و ارزان تر کردن طرح، به طور قابل ملاحظه اي منجر به پایداري سازه و کنترل تنش ها و خیزها می شود.
• 2- استفاده از سینه بند در فاصله هاي طراحی شده که بستگی به ممان اینرسی مقطع تیر به حول محور ضعیف دارد می تواند به طور قابل ملاحظه اي در پایداري تیر موثر ضمن سبک تر شدن مقطع تیر شود.
• 3- استفاده از کابل هاي پیش تنیده در دهانه هاي بزرگ سالن هاي صنعتی می تواند ضمن کنترل خیز باعث سبک تر شدن مقاطع تیرها و نتیجتا اقتصادي تر شدن طرح گردد.
• 4- گیردار کردن پاي ستون ها در سیستم هاي دوگانه کمک چندانی به پایدار نمودن سازه نخواهد کرد هر چند که در سیستم قاب خمشی جهت کنترل جابجایی جانبی (افقی) بسیار موثر می باشد.(کلید واژه: تقویت سوله صنعتی)

نویسندگان اصلی این مقاله: علی اکبر پیراسته ، مهدی شانه ساز | سوله ساز این مقاله را فقط بازنشر داده است

مراجع (تقویت بهسازی سوله صنعتی)

1-دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان، مبحث دهم- طرح و اجراي ساختمان هاي فولادي، سال .1387
2-دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان، مبحث ششم- بارهاي وارد بر ساختمان، سال .1385
3-دکتر داوود مستوفی نژاد، بارگذاري سازه ها، انتشارات ارکان دانش، سال .1387
4-دکتر علیرضا خالو، طراحی ساه هاي پیش تنیده، انتشارات سینه سرخ، سال .1382
5-دکتر مجتبی ازهري، دکتر سید رسول میرقادري، طراحی سازه هاي فولادي، جلد اول، انتشارات ارکان دانش، سال .1387
6-دکتر مجتبی ازهري، دکتر سید رسول میرقادري، طراحی سازه هاي فولادي، جلد دوم، انتشارات ارکان دانش، سال .1384
7-دکتر مجتبی ازهري، دکتر سید رسول میرقادري، طراحی سازه هاي فولادي، جلد سوم، انتشارات ارکان دانش، سال .1385
8-دکتر مهدي وارسته، طرح و محاسبه قاب هاي شیب دار، انتشارات به نشر،سال .1383
9-شاپور طاحونی، طراحی سازه هاي فولادي بر مبناي آیین نامه فولاد ایران، انتشارات دانشگاه تهران، سال .1387
10-محمد جعفر کرمی، طرح و محاسبه قاب هاي شیبدار، سال .1365
11-مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، استاندارد -2800آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله، سال .1386
12-مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، نشریه شماره -325ضوابط طرح و محاسبه ساختمان هاي فولادي صـنعتی، انتشـارات سـازمان مـدیریت و برنامـه
ریزي کشور، سال.1385
13-موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی، استاندارد شماره ،519سال .1379
14-مهندس احسان عسگري، ترجمه بهسازي لرزه اي ساختمان هاي موجود- – FEMA547سازمان مدیریت بحران فـدرال آمریکـا، انتشـارات ارکـان
دانش، سال .1388
15-جزوه فولاد پیشرفته دکتر علی اکبر پیراسته، دانشگاه شهید چمران اهواز.
16- American Institute of Steel Construction, AISC- ASD89, Manual of Steel Construction