نقطه تاریخی شروع استفاده از قابهای خمشی فولادی

اگرچه مفهوم قابهای خمشی ویژه در آیین نامه های ساختمانی  تقریبا طی سالهای اخیر مورد بحث قرار گرفته است، اما قاب خمشی فولادی برای بیشتر از یک قرن است که مورد استفاده قرار می گیرد. ساختمان اسکلت فولادی که از قاب به عنوان سیستم باربر ثقلی بهره می گیرد اولین بار در ساختمان بیمه خانه های شیکاگو (Home Insurance Building) به سال 1884 مورد استفاده واقع شده است. ساختمان مزبور یک ساختمان 10 طبقه با ارتفاع 42 متر می باشد که اغلب از آن به عنوان اولین آسمان خراش نیز یاد می شود (شکل زیر).

در حقیقت این ساختمان و دیگر سازه های شیکاگو بذر نسل کاملی از ساختمانهای بلند را کاشتند. این ساختمانها با قابهای فولادی باربر ثقلی طراحی شده و بارکفهای بتنی و دیوارهای غیر باربر و غیر مسلح آجری که در پیرامون آن قرار داشت را حمل می نمودند. قابهای فولادی در چنین سازه هایی به طور معمول از شکلهای H که از ورق ساخته می شد و مقاطع L وZ ساخته می شدند.

در مورد ساختمان منهتن (Manhattan Building ,Chicago, Illinois) در سال 1889، قابهای پیرامونی با استفاده از گاست پلیتهای (Gusset Plates) مثلثی با سختی زیاد، بهمراه نبشی و پرچها، اتصالات ما بین تیرها و ستونها را فراهم آورده است (شکل زیر).

به طور معمول قابهای فولادی به طور کامل توسط آجر، بتن و یا ترکیبی از اینها دورگیری می شدند و مقاومت در برابر آتش را تامین می کردند. شواهد حاکی از آنست که طراحان اولین قابهای خمشی در این سازه ها از نقش سازه ای دورگیری بتن و آجر صرفنظر می کرده اند. و فرض جالب دیگر این بود که اتصالات قاب را برای نیروهای ثقلی به صورت مفصلی و برای نیروهای جانبی گیردار در نظر می گرفتند. اما بر خلاف این فرضیات، قابهای فولادی سختی و مقاومت قابل ملاحظه ای به واسطه رفتار کامپوزیتی ناشی از محصورشدگی بتن و آجر پیدا می کردند که در نتیجه گیرداری زیادی را در اتصالات قابها، هم در برابر بارثقلی و هم بار جانبی از خود نشان می دادند.

به مرور پس از جنگ جهانی دوم با مقبولیت دیوارهای آلومینیومی و شیشه ای به عنوان جزئی از معماری مدرن و امکان ایجاد پنجره های بزرگتر که توسط این دیوارها فراهم شده بود اتصالات فولادی با گاستهای (Gusset) بزرگ که در اتصالات استفاده می شد به گونه ای نامطلوب می نمود در نتیجه مهندسان شروع به طراحی اتصالات بدون این گاستها کردند و تنها از نبشی ها برای اتصال بالهای بالا و پایین تیر به ستون استفاده گردید (شکل زیر).

در سال 1950 با معرفی "جوش" به صنعت ساختمان نبشیها و سپریها جای خود را به ورقهای فلنجی دادند که به بال ستونها جوش داده شده و سپس به بال تیرها پرچ می شدند. در سال 1960 پرچ به عنوان یک روش غیر اقتصادی حذف گردید و با پیچهای پر مقاومت جایگزین شد. در نهایت در اوایل 1970 مهندسان از اتصالاتی استفاده کردند که ما امروزه آنها را به عنوان اتصالات مستقیم جوشی بال با جان بولت شده (welded unreinforced flange bolted web) می شناسیم (شکل زیر).

قابهای فولادی تقریبا از زمانی که برای ساخت و ساز استفاده شدند به عنوان سیستمی که عملکردی فوق العاده در برابر زلزله دارند، مورد توجه مهندسان بوده است. بیش از 20 عدد از چنین سازه هایی در معرض زلزله سال 1906 سانفرانسیسکو  با بزرگای 7.8 (البته بزرگای این زلزله از 7.7 تا 8.25 پیشنهاد می شود) ، قرار گرفته و آتش سوزی بعد از این زمین لرزه را تاب آورده اند (شکل زیر)، در حالی که تعداد کمی از ساختمانهایی که از نوع دیگری بودند و در محدوده تجاری مرکزی سانفرانسیسکو قرار داشتند توانستند پس از این حوادث باقی بمانند. حتی بسیاری از این سازه های فولادی در حال حاضر وجود دارند و در حال سرویس دهی هستند. تا به امروز یعنی قریب به 100 سال زلزله های دیگری این سازه های فولادی را لرزانده است اما تنها آسیبهای ظاهری کوچکی در آنها ایجاد نموده و در نتیجه شهرتی بزرگ را به واسطه مقابله با زلزله پیدا کرده اند. قابل ذکر است که قسمت بسیاری از توانایی این سازه ها برای مقابله با زلزله و آتش ناشی از اندرکنش کامپوزیتی این قابها با محصور شدگی توسط بتن و آجر بوده است که سازه های مدرن جدید با استفاده از مواد سبک نسوز از این رفتار کامپوزیتی بهره ای نخواهند داشت.

بدنبال عملکرد مطلوب سازه های با قاب فولادی، آیین نامه های سال 1960 معیارهایی برای طراحی آنها اتخاذ نمودند. از جمله ساختمانهایی که از قابهای فضایی برای باربری قائم بهره می برند سیستمهای باربر جانبی آنها می توانند برای دو سوم نیروهای لرزه ای در قابهای مهار بندی شده و نصف نیروهای لرزه ای در سیستم دیوارهای باربر طراحی شوند. به علاوه اینکه چنین ساختمانهایی می توانستند ارتفاعی بیش از 48 متر داشته باشند. واین نقطه ای برای شروع طراحی ساختمانها با قاب خمشی فولادی درتاریخ  مهندسی است.