نوشته‌ها

مقایسه مهاربند همگرای ویژه با سایر سیستم­ های باربرجانبی – قسمت اول

این بخش مهم را با طرح یک پرسش آغاز می کنیم: اساساً زمانی که از مقایسه چند سیستم باربر جانبی بحث می شود، مبانی این مقایسه چیست؟

به استناد مبحث دهم از مقررات ملی ساختمان، معیارهایی مثل پایداری، سختی و مقاومت(درحوزه الزامات عمومی طراحی) و شکل پذیری (دربخش الزامات طراحی لرزه­ ای) را می توان پارامترهای مناسبی برای مقایسه درنظر گرفت. به ویژه آن که موارد مهمی از قبیل ضریب رفتار و متعاقباً برش پایه تا حد بسیار زیادی از معیارهای فوق تاثیر می پذیرند.

قاب مهاربندی شده همگرا

مهاربند همگرا

اول بحث مقایسه­ ای خود را بر روی مفاهیم آیین نامه ­ای متمرکز می کنیم. بنا به تعریف مبحث دهم، قاب­ های مهاربندی شده در دو حد شکل­ پذیری معمولی و ویژه قرار می گیرند. اگر علاقه مندید در رابطه با مهاربندهای همگرای ویژه بیشتر بدانید مقاله چرا مهاربند همگرای ویژه را مطالعه کنید. اینکه ما تحت چه شرایطی بایست از کدام سیستم استفاده کنیم بستگی به شرایط پروژه و پهنه ­لرزه­ خیزی آن دارد.

در استاندارد2800 زلزله ایران ویرایش شماره4، در زیر جدولی انواع سیستم ­های باربرجانبی را معرفی و پارامترهای لازم و نیز حد ارتفاع مجاز را برای آنها مشخص کرده است. بنابر جدول که بخشی از آن در ادامه آورده شده است مشاهده می کنید که برای مهاربندهای همگرای معمولی ما با مشکل ارتفاع مجاز مواجه هستیم و امکان کاربرد چنین سیستمی برای سازه ­هایی حتی با ارتفاع متوسط نیز امکان پذیر نمی باشد. این در حالیست که قاب هایی با سیستم مهاربند همگرای ویژه فولادی در حالت عادی امکان رسیدن به ارتفاع 50متر را دارند.

جدول ضریب رفتار

جدول ضریب رفتار

شاید با مشاهده محدودیت ارتفاعی برای مهاربند همگرای ویژه این سوال مطرح شود که اساساً کاربرد چنین سیستم­ هایی برای سازه­ های بلند مرتبه مقدور نباشد اما بایست دو نکته را متذکر شد و آن تبصره­اییست که استاندارد 2800 برای مهاربندهای همگرا قرار داده و دیگری سیستم­ های ترکیبی که در قسمت بعد به آنها خواهیم پرداخت.

نکته1.

تبصره مذکور اشاره به وضعیتی دارد که:

  • سازه ما در زمین نسبتاً مقاومی قرار داشته باشد
  • و اصطلاحاً تیپ خاک یک، دو یا سه باشد
  • و نیز سازه دارای نامنظمی در پلان از نوع شدید پیچشی نباشد،
  • بعلاوه سیستم ­های مقاوم جانبی توزیع مناسبی در امتداد­های اصلی داشته باشند، بگونه­ ای که در هرطرف مرکز جرم سیستم مقاوم جانبی وجود داشته باشد.

در اینصورت امکان افزایش محدودیت ارتفاع تا 75 متر وجود خواهد داشت.

قاب مهاربندی شده همگرا

قاب مهاربندی شده همگرا

نکته2.

در مواردی که نیاز به افزایش محدودیت ارتفاع به میزانی بیش از 75متر داشته باشیم تغییر سیستم باربرلرزه ­ای چاره ­ساز خواهد بود. بعنوان یکی از این سیستم­ های جایگزین میتوان به سیستم­های ترکیبی قاب و مهاربند اشاره نمود.

حال که با رویکرد مقایسه ­ای آشنا شده­ ایم، پروسه کاری خود را به شکل مثال محور تغییر خواهیم داد تا جذابیت مسئله نیز افزون گردد. در مقاله قسمت بعد مثال زیر را با هم بررسی خواهیم کرد:

طرح یک مثال.

برای یک پروژه فرضی با ارتفاع کمتر از 50متر انواع سیستم­ های باربرجانبی فولادی را از حیث الزامات آیین­ نامه­ای و رفتارلرزه ذ­ای ارزیابی نمایید. سیستم­هایی که بعنوان کاندیدا مورد ارزیابی قرارخواهند گرفت:

مهاربند همگرای ویژه –قاب خمشی فولادی ویژه – مهاربند واگرای ویژه

 

چرا مهاربند همگرای ویژه

مطمئنا این نکته را تایید می کنید که مهاربندهای همگرا به وفور در سازه های فولادی اجرا می شوند. سوال اینجاست که چرا مهاربندهای همگرای ویژه برای نخستین بار قد علم کردند؟

در این مقاله رایگان که در راستای دوره طراحی مهاربندهای همگرا تولید شد، قصد داریم علت بوجود آمدن اولین مهاربندهای همگرای ویژه را ذکر کرده و مزیت های آن را نسبت به نوع معمولی بیان کنیم. هر چند دید مهندسی شما عزیزان قابل ستایش است.

علت پیدایش مهاربند همگرای ویژه

خسارت شدید مهاربندهای همگرای معمولی در زلزله هایی از قبیل لوما پریتا ۱۹۸۹، نورتریج ۱۹۹۴ و مکزیکو ۱۹۸۵ که ناشی از سختی بالای این نوع مهاربندها و عدم شکل­ پذیری مناسب آن­ها بود منجر به بازبینی در طراحی این سیستم­ ها شد. در نتیجه پس از وقوع این زلزله­ ها مهاربندهای همگرای ویژه معرفی شدند.

هولناک ترین معضل برای اعضای مهاربندی، پدیده کمانش می باشد که برای یک عضو تحت فشار ممکن است اتفاق بیفتد. مهاربند ها بسته به معمولی یا ویژه بودنشان دو نوع رفتار ممکن است داشته باشند. چون از مهاربندهای معمولی انتظار رفتار فرا ارتجاعی محدودی داریم در نتیجه پس از کمانش، این مهاربندها ظرفیت باربری خود را از دست داده و دچار ضعف شدیدی در تحمل نیروی فشاری می شوند؛ در صورتی که مهاربندهای همگرای ویژه در حکم فیوز سازه بوده و بعد از کمانش رفتار غیر ارتجاعی خوبی از خود نشان می دهند. پس از رخداد کمانش با تشکیل مفصل پلاستیک در سه نقطه از مهاربندها، ظرفیت باربری مهاربند حفظ شده و عضو هنوز هم می تواند با شکل پذیری خود در برابر نیروهای زلزله مقاومت کند.

علاوه بر تفاوت رفتاریِ مهاربندهای معمولی و ویژه، اعضای این مهاربندها در طراحی نیز با هم تفاوت دارند:

  • به دلیل تفاوت در نیروی زلزله که به علت وارد کردن ضریب زلزله های متفاوت ایجاد می شود، این مهاربندها شکل پذیری های متفاوتی از خود نشان می دهند؛ به این صورت که مهاربند معمولی دارای ضریب رفتار کمتری(۳/۵) بوده در نتیجه ضریب زلزله و نیروی زلزله بیشتری را در طراحی برای آن متصوریم در صورتی که مهاربند ویژه ضریب رفتار بیشتری(۵/۵) و نیروی زلزله کمتری دارد. پس این کمتر در نظر گرفتن نیروی زلزله برای مهاربند ویژه باعث می شود سبک تر و شکل پذیرتر طراحی شود و رفتار خوبی در زلزله از خود نشان دهد. و این رفتار خوب به واسطه تشکیل مفصل پلاستیک در سه نقطه از طول مهاربند رخ می دهد.
  • تفاوت بعدی اعضای مهاربندی در فشردگی مقاطع آن ها می باشد(جدول۱۰-۴-۳-۱ مبحث دهم مقررات ملی ساختمان)
این عکس نمونه ای از خرابی زلزله لوما پریتا را نشان می دهد

زلزله لوما پریتا

این عکس نمونه ای از خرابی زلزله نورتریج را نشان می دهد

زلزله نورتریج

این عکس نمونه ای از خرابی زلزله مکزیکو را نشان می دهد

زلزله مکزیکو

مکانیزم رفتاری این نوع مهاربندها

طراحی این مهاربندها به گونه­ ای است که در هنگام وقوع زلزله تغییرشکل­ های غیرارتجاعی قابل ملاحظه­ ای در مهاربندهای فشاری و کششی آن­ها به وجود می ­آید؛ به گونه ای که در مهاربندهای کششی، ناحیه شکل ­پذیر در تمام طول عضو به وجود می ­آید. در مهاربندهای تحت فشار نیز، کمانش غیرارتجاعی باعث ایجاد مفصل پلاستیک در دو انتها و همچنین وسط مهاربند می­ شود.

بنابراین این مهاربندها به علت شکل پذیری مناسب خود پس از سیکل های متوالی بارگذاری در عضو کششی به تسلیم و در عضو فشاری به کمانش غیر ارتجاعی می رسند.

کمانش عضو فشاری و تسلیم عضو کششی

اعضای بادبندی

مزیت های  این نوع مهاربند نسبت به مهاربند معمولی

کمانش اعضای بادبندی در مهاربند همگرای معمولی منجر به کاهش باربری و شکل­ پذیری محدود این سیستم می­ شود. در نتیجه این سیستم­ ها ایمنی جانی را آنچنان که باید تامین نمی­ نمایند. درصورتی که برای قاب­ مشابه با مهاربند ویژه، تشکیل مفصل پلاستیک در اثر کمانش و نهایتا وقوع خرابی پس از سیکل­ های بارگذاری بیشتر، تامین ایمنی جانی را به همراه دارد. در واقع استفاده از مهاربند همگرای معمولی در سازه های بلند تر از ۴ طبقه در مناطق با لرزه خیری بالا توصیه نمی شود که این خود محدودیت بزرگی محسوب می شود. مهاربند شکل­ پذیر نه تنها موجب بهبود رفتار لرزه ­ای سازه می­ شود بلکه از لحاظ اقتصادی نیز کاهش در وزن ستون­ ها و مهاربندها منجر به سبک­تر شدن فونداسیون می­ شود.

استفاده از مهاربند همگرای ویژه علاوه بر کاهش برش پایه ساختمان و افزایش شکل پذیری منجر به کاهش سختی سازه به مقدار ناچیزی نسبت به همگرای معمولی می شود.

 

نمونه تصویری از مهاربند هشتی

مهاربند همگرا