ساختمانهای یک طبقه ساخته شده از شاهتیرهای فولادی به عنوان فضای کار برای صنایع تولید، ذخیره سازی، خرده فروشی یا سایر موارد تجاری استفاده می‌شوند. هزاران مورد از این ساختمانهای کم ارتفاع در نقاط مختلف دنیا وجود دارند و از آنجا که نقشه‌های جدید الزامات طراحی لرزه‌ای را در مناطق بزرگتر تحت تاثیر قرار می‌دهد، توسعه روش‌های طراحی منطقی برای طراحی لرزه‌ای این نوع سازه‌ها به یک الزام فوری تبدیل شده است.
تغییر طراحی لرزه‌ای به سمت رویکردهای مبتنی بر عملکرد، بدان معنی است که حتی سازه‌های صنعتی نیز دارای انعطاف پذیری لازم بوده و حداقل برخی جزئیات اصلی لرزه‌ای را در خود جای دهند تا از خسارات دیدن‌های عظیم اقتصادی آنها در هنگام زلزله‌های کوچک تا متوسط جلوگیری شود.
از نقطه نظر طراحی لرزه‌ای، تیرچه ها با قاب‌های شاهتیری دارای طراحی منحصر به فرد از چندین نقطه نظر هستند:
- ستون‌ها بسیار بلند بوده و بارهای محوری نسبتا کمی به آنها اعمال می‌شود و در نتیجه بسیار انعطاف پذیر هستند.
- طراحی آنها بر مبنای معیارهای جابجایی افقی (رانش) بسیار آزادتر از سازه‌های سنتی است (محدوده جابجایی افقی (رانش) اغلب در محدوده H / 100 تا H / 250 بر خلاف H / 400 برای ساختمانهای سنتی تحت بار طراحی باد است، که H ارتفاع سازه است).
- بیشتر قاب‌های شاهتیری با فرض اتصالات ثابت و مقاوم تیر به ستون و اتصالات مفصلی در پایه، در نظر گرفته شده‌اند بدون این که الزامات خاصی برای بررسی این فرضیات وجود داشته باشد.
- برای این دسته از سازه‌ها، هیچ گونه تجزیه و تحلیل و توصیه‌های خاصی برای طراحی لرزه‌ای در دسترس نیست.
این مقاله در مورد یک تحقیق تحلیلی / تجربی ترکیبی با هدف:
- ارزیابی رفتار قاب‌های ساخته شده از تیرچه فولادی با صلبیت‌های مختلف در پایه ستون (مفصلی و نسبتا صلب).
- ارزیابی سختی و استحکام پایه‌های ستون با استفاده از روش‌های تجربی و تحلیلی.
- توسعه روش‌های طراحی لرزه‌ای متناسب با شرایط واقعی پایه ستون، انجام شده باشد.
پیشینه تحقیق در مورد شاهتیرهای فولادی
طراحی لرزه‌ای سازه‌های با شاهتیرهای فولادی معمولا با معیار جابجایی افقی تحت بارهای باد کنترل می‌شود. رانش مجاز توسط انعطاف پذیری سیستم دیواره خارجی تعیین می‌شود، که می‌تواند از کاملا انعطاف پذیر (پوشش فلزی) تا کاملا صلب (بتن پیش ساخته) متغیر باشد.
در حالی که از انعطاف پذیری برای انتخاب معیار رانش استفاده می‌شود، معمولا تاثیر سیستم دیواره در تجزیه و تحلیل در نظر گرفته نشده است، بنابراین مدل تحلیلی حاصل هنگام بررسی معیارهای رانش لرزه‌ای فعلی بسیار انعطاف پذیر است. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل این سازه‌ها با استفاده از ساده سازی معمولی فرضیات اتصالات صلب یا مفصلی انجام می‌شود و هیچ گونه بررسی خاصی برای ارزیابی ظرفیت تغییر شکل فراتر از حد الاستیک انجام نمی‌شود.
این فرضیات برای طراحی لرزه‌ای باید مورد تجدید نظر قرار بگیرد و تا آنجا که ممکن است نباید محافظه کارانه باشد. علاوه بر این، راهنمایی جزئی باید بر اساس آیین نامه‌ها در مورد چگونگی جزئیات اتصال صلب تیر به ستون این سازه‌ها یا چگونگی دستیابی به اتصال مفصلی در پایه ستون برای طراح در نظر گرفته شود.
فرض می‌شود که طراحی اتصال تیر به ستون مقاومت کافی در برابر خمش و انعطاف پذیری خمشی لازم را با ایجاد مکانیسم ستون ضعیف و تیر قوی ایجاد می‌کند. پایه‌های ستون در قاب‌هایی با شاهتیر فولادی به طور کلی با دو یا چهار میله نگهدارنده نصب می‌شوند که درون یک فونداسیون بتنی قرار می‌گیرند. فرض بر این است که پایه‌های ستون فقط نیروهای محوری و برشی را به پایه منتقل می‌کنند، زیرا ظرفیت و سختی خمشی آنها بسیار محدود و کم است.
برای توجیه این رویکرد اغلب دو دلیل ارائه می‌شود. رویکرد اول، نادیده گرفتن ظرفیت خمشی و سختی پایه‌های ستون، محافظه کار تلقی می‌شود. رویکرد دوم، هیچ روش ساده‌ای برای محاسبه مقاومت و سختی پایه‌های ستون وجود ندارد و در بیشتر مشخصات طراحی به آنها توجه کمی می‌شود. حداقل دو دلیل قوی برای عدم پذیرش این استدلال‌ها وجود دارد.
اول، برای سازه‌ها در مناطق لرزه خیز، یک لنگر خمشی عظیم ممکن است به دلیل بارهای اینرسی در پایه‌های ستون ایجاد شود که باعث توزیع مجدد قابل توجهی از نیروها و بارگذاری‌های بالقوه در اعضای بحرانی شود. دوم، آخرین مقررات OSHA مربوط به ایمنی سازه‌های فولادی (OSHA، 2001) بر استفاده از حداقل چهار میله نگهدارنده تاکید دارد که در نتیجه باعث ایجاد پایه‌های ستون محکم‌تر و قوی‌تر می‌شود.
مطالعات موجود در مورد شاهتیرهای فولادی نشان می‌دهد که معرفی یک مدل با مقاومت بیشتر (تحت عنوان PR) برای پایه‌های ستون ممکن است منجر به تاثیر قابل ملاحظه‌ای بر پایداری ستون‌ها و رفتار کلی قاب شود. مدل‌های تحلیلی ساده که طیف وسیعی از صفحات پایه انعطاف پذیر تا صلب را در بر می‌گیرد، اخیرا با استفاده از روش به اصطلاح "مولفه محور" در دسترس قرار گرفته‌اند. در این روش اروپایی صفحات اتصال پایه به یک سری از مولفه‌ها (میله‌های نگهدارنده در کشش و برش، صفحات اتصال در خمش، فلنج ستون‌ها در کشش و فشار و غیره) تقسیم می‌شوند و پاسخ صفحه از مدلی تعیین می‌شود که تمام حالت‌های مربوط به تسلیم و خرابی را در قالب فنرهای خطی مشخص می‌کند.