نوشته‌ها

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

این بخش مهم را با طرح یک پرسش قبل از توضیح در مورد مهاربند همگرای ویژه 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 تبصره ه­اییست که استاندارد 2800 برای مهاربندهای همگرای ویژه 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 می توان به سیستم­ های 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 نامه ­ای و رفتار لرزه ­ای ارزیابی نمایید. سیستم ­هایی که بعنوان کاندیدا مورد ارزیابی قرارخواهند گرفت:

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

 

سخت کننده های تیر پیوند

چرا تیرپیوند روی کار آمد؟

شاید بتوان گفت هدف نهایی هر سیستم سازه ای در پاسخ لرزه ای به زلزله، دستیابی همزمان به سختی و شکل پذیری باشد، به گونه ای که:

  • قاب های خمشی را می توان سمبل شکل پذیری بالا
  • و قاب های مهاربندی شده ی هم محور (ضربدری) را سمبل سختی بالا دانست.

در این بین نیاز به سیستمی که هر دو ویژگی مذکور را به طور همزمان دارا باشد، قابل احساس است. در اوایل دهه 70 میلادی مهندسین ژاپنی سیستم جدیدی را معرفی نمودند که از نظر شکل پذیری و سختی حالت بینابینی قاب خمشی و مهاربند همگرا را دارا بود. بعدها با مطالعات و آزمایشات پروفسور پوپوف و رودِر در سال 1978، زمینه ی ورود این سیستم سازه ای جدید را با نام «سیستم قاب مهاربندی شده برون محور» به آیین نامه ها و استانداردهای آمریکایی فراهم نمود. این سیستم در آیین نامه های کشورمان و در میان مهندسین عمران، با نام «مهاربند واگرا» شناخته می شود که ما نیز در این یادداشت بر این نام پایبند خواهیم بود.

تیر پیوند

مهاربند واگرا

مهاربند واگرا شکل پذیری بسیارمناسب (در حد قاب خمشی ویژه) و سختی مطلوب (نزدیک به قاب مهاربندی شده ی همگرا) خود را مدیون تعبیه ی یک عضو فولادی به نام «تیر پیوند» یا «لینک» در پیکربندی این سیستم سازه ای است. اگر مایلید در مورد تیر پیوند بدانید مقاله 3 نکته جامع تیر پیوند را مطالعه کنید. وجود همین المان  سبب بهبود خواصی چون استهلاک انرژی(به سبب ضریب رفتار Ru=7)، رفتار لرزه ای کنترل شده­ تر، انطباق با معماری بازشوها و … در مقایسه با سیستم قاب خمشی و مهاربند همگرا شده است.

تیر پیوند

تیر پیوند

سخت کننده های تیر پیوند

تحت بارهای چرخه ای (رفت و برگشتی) زلزله، تیر پیوند نیروی برشی بسیار بزرگی را نسبت به سایر اجزای سیستم تحمل می کند. برای جلوگیری از کمانش موضعی جان قبل از تسلیم برشی تیر پیوند بایستی سخت کننده هایی را در جان به منظور افزایش مقاومت برشی تعبیه نمود.

نتایج آزمایشات و مقایسه ی نمودارهای هیسترزیس بین تیر پیوندِ با و بدون سخت­ کننده حاکی از آن است که افزودن سخت کننده نه تنها افزایش مقاومت برشی تیر پیوند، بلکه افزایش شکل پذیری و جذب انرژی آن را نیز در پی دارد.

کمانش قطری جان تیر پیوند

کمانش قطری جان

کمانش قطری جان تیر پیوند فاقد سخت­ کننده که نهایتاً منجر به پارگی ورق جان در مرکز پانل خواهد شد

خرابی تیر پیوند

خرابی تیر پیوند

شکل سمت چپ: ایجاد میدان کشش قطری در  تیر پیوند با سخت کننده

شکل سمت راست: پارگی ورق جان بعد کمانش سخت کننده ­های عرضی

  • سخت کننده های انتهایی در دو انتهای محل اتصال مهاربند(اعضای مایل) به تیر تعبیه می شود که آیین نامه آن ها را به صورت یک جفت در دو طرف جان و در تمام ارتفاع جان در نظر می گیرد. توجه شود که محل این سخت کننده ها ثابت و مشخص است و امکان جابجایی آن توسط طراح یا مجری وجود ندارد.
سخت کننده

سخت کننده

اجرای سخت کننده های انتهایی به صورت تمام ارتفاع

  • از آنجایی که زلزله به صورت رفت و برگشتی اعمال می شود، لازم است استیفنرها در کل ارتفاع جان ادامه داشته باشند.
  • سخت کننده های میانی در حد فاصل دو سخت کننده انتهایی قرار می گیرند که با توجه ضوابط آیین نامه امکان طراحی به صورت تکی و در یک سمت جان را دارد. از آیین نامه می توان استنباط کرد که در طول تیرپیوند که ناحیه حفاظت شده است، فقط جوشکاری سخت کننده های میانی به تیر پیوند قابل انجام است.

 

3 نکته جامع در مورد تیر پیوند مهاربند واگرا

1- تیر پیوند از نظر آیین نامه چیست؟

طبق بند 10-3-12 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، به ناحیه ­ای که بین نقاط تلاقی محورهای دو عضو قطری مهاربندی روی تیر یا بین نقطه تلاقی محور عضو مهاربندی تا گره اتصال تیر به ستون قرار دارد، تیر پیوند یا رابط گفته می­ شود.

در شکل (1) سه نمونه از قاب­ های مهاربندی شده واگرا یا EBF نشان داده شده ­است که فاصله e مشخص شده در روی شکل بیان­گر طول تیر پیوند می­ باشد. قاب­های مهاربندی شده واگرا در واقع ترکیبی مناسب از قاب­های خمشی و قاب­های مهاربندی هم­گرا بوده که هر دو خاصیت سختی و شکل­ پذیری را توأمان دارا می­ باشد.

نمونه ­ای از قاب­های مهاربندی شده واگرا

نمونه ­ای از قاب­های مهاربندی شده واگرا

شکل (1)

در سیستم­ های مهاربندی واگرا، نقش اساسی جذب و استهلاک انرژی القایی ناشی از زلزله توسط تیر پیوند ایفا می­شود. به بیان دیگر این تیرها مانند فیوز عمل می­کنند و با رفتار شکل­ پذیر خود:

  • اولاً ضریب رفتار Ru  را در سیستم باربر جانبی لرزه­ ای تأمین می ­کنند.
  • ثانیاً تلاش­های طراحی در سایر اعضا (تیر خارج از ناحیه پیوند، مهاربندها و ستون­ها) توسط تیر پیوند تعیین می­ گردد.

2- تغییر طول؟

رفتار تیر پیوند به طول آن e بستگی دارد. برای طول کوتاه e رفتار از نوع برشی، طول­ های متوسط e رفتار آن برشی – خمشی و طول­ های بلند e رفتار خمشی را برای تیر پیوند به همراه خواهد داشت. در قاب­ های مهاربندی شده واگرا جزئیات­ بندی تیر پیوند و تناسب بندی سایر اعضا باید به گونه­ ای انجام شود تا شکل ­پذیری مناسب آن تأمین گردد.

متر مهندسی

متر

شکل (2)

3- برشی یا خمشی؟

نقش مهم تیر پیوند این است که عمل تسلیم در برابر بارهای جانبی را در خود متمرکز ساخته و مهاربند را از ناپایداری ناشی از کمانش حفظ کند. با طراحی صحیح تیر پیوند می­ توان شکست را به­ صورت کنترل شده و مطلوب درآورد و در نتیجه شکل­ پذیری سازه را در برابر بارهای جانبی بالا برد. در حالت کلی تیر پیوند دارای دو حالت شکست می­ باشد:

  1. شکست خمشی
  2. شکست برشی

در شکست خمشی، عمل تسلیم و جذب انرژی به صورت باز و بسته شدن مفاصل پلاستیک (لولاهای خمیری) در تیر پیوند تحت اثر نیروهای جانبی متناوب انجام می­ گیرد.

در شکست برشی این عمل با تسلیم برشی ورق جان و ایجاد مفاصل پلاستیک در بال تیر پیوند صورت می­ پذیرد. تحقیقات در این زمینه نشان می­ دهد شکست برشیِ تیر پیوند مطلوب­ تر از شکست خمشی آن است که به منظور دست­یابی به این هدف می­ توان با کاهش طول تیر پیوند تا یک حد خاص، شکست برشی را به آن اعمال نمود.

 تیرهای پیوند

تیرهای پیوند

شکل (3)

در سیستم­ های مهاربندی شده واگرا این انتظار می­ رود که تغییر شکل­ های غیر ارتجاعی (پلاستیک) زیادی در ناحیه تیر پیوند آن­ ها ایجاد گردد. برای حصول شرایط شکل­ پذیر در نظر گرفته شده برای این ناحیه، لازم است ضمن رعایت الزامات ویژه برای تیر پیوند، قسمت­ هایی از تیر دهانه مهاربندی که در خارج از ناحیه پیوند قرار دارند و نیز ستون­ های طرفین دهانه مهاربندی، مهاربندها و کلیه اتصالات طوری طراحی شوند که عموماً در محدوده الاستیک باقی بمانند. با توجه یه این موضوع تیر ناحیه پیوند تحت اثر بارهای لرزه ­ای شدید می­ تواند مانند یک فیوز سازه ­ای در نظر گرفته­ شود که با تغییر شکل پلاستیک کنترل شده در آن باعث جذب انرژی می­ شود.

سخت کننده های تیر پیوند

سخت کننده های تیر پیوند

شکل (4)

مراجع

[1] ازهری، مجتبی. و میرقادری، رسول. 1393. طراحی سازه‌‌های فولادی، جلد چهارم. انتشارات ارکان دانش.

[2] American Institute of Steel Construction. 2016. ANSI/AISC 341-16, Seismic Provisions for Structural Steel Buildings.

[3] دفتر مقررات ملی ساختمان. 1392. مبحث دهم، طرح و اجرای ساختمان‌‌های فولادی. نشر توسعه ایران.

[4] مقدم، حسن. 1387. مهندسی زلزله: مبانی و کاربرد.

 

با تشکر از مهندس وامق حجازی

تفاوت سیستم مهاربندی و قاب خمشی به زبان ساده

اصولا در بررسی و مقایسه سیستم های مختلف دو معیار عمومی زیر را باید مورد توجه قرار داد:

  1. سازه باید برای حفظ تغییر شکل ها تا حدی که خسارت زلزله های معمولی به صورت غیرسازه ای باشد دارای سختی کافی باشد.
  2. شکل پذیری سازه باید به اندازه ای باشد که در زلزله های شدید دچار تخریب سیستم سازه ای و انهدام عمومی نشود.

سیستم مهاربندی :

سیستم مهاربندی مجموعه ای از اعضای قائم(ستون ها)، اعضای افقی(تیرها) و اعضای مورب (بادبندها) است که توسط اتصالات مفصلی به یکدیگر متصل شده اند. در این سیستم، مهاربند ها با ایجاد سختی در برابر نیروهای جانبی مقاومت کرده و مانع از خرابی سازه می شوند.

سیستم مهاربندی

سیستم مهاربندی

 اتصالات سیستم مهاربندی :

از آن جایی که مهاربند ها در سیستم های مهاربندی سختی ایجاد می کنند نیاز به اتصالاتی دارند که اجازه ی حرکت آزادانه را به اعضا بدهند. تصور کنید که اتصالات نیز مثل مهاربندها سختی ایجاد کنند؛ چه اتفاقی رخ می دهد؟ مسلما تا حدی سازه در برابر نیروی جانبی مقاومت می کند ولی پس از افزایش نیرو، به دلیل سختی بالا، دچار خرابی شدیدی می شود. پس لازمه ی عملکرد بهینه سازه این است که سختی اعضای مهاربندی و شکل پذیری اتصالات آنها در کنار هم و به صورت مکمل در برابر بار جانبی وارد عمل شوند.

اتصال مفصلی

اتصال مفصلی

اتصال مفصلی اتصالی است که در برابر چرخش هر یک از اعضای متصل به آن هیچ مقاومتی از خود نشان نداده و فقط مانع جدا شدن اعضا از یکدیگر می­ شود. درست مشابه کاری که مفصل زانوی انسان انجام می­ دهد.

مفصل زانوی انسان

مفصل زانوی انسان

مزایا و معایب سیستم مهاربندی :

  • سختی زیاد
  • کنترل تغییرمکان های جانبی (دریفت)
  • سادگی اجرا
  • اقتصادی بودن
  • محدودیت معماری در بازشوها
  • ارتعاش زیاد
عدم زیبایی نما بخاطر وجود مهاربند

عدم زیبایی نما بخاطر وجود مهاربند

سیستم قاب خمشی :

سیستم قاب خمشی مجموعه ای از تیرها و ستون ها و اتصالات صلب را شامل می شود که به طور همزمان نیروهای جانبی و ثقلی را تحمل می کنند.

در این سیستم چون هیچ عضو اضافی(مثل مهاربند یا دیوار برشی) وجود ندارد، که در برابر تغییرشکل های جانبی مقاومت کند، بنابراین سازه از شکل پذیری بالایی برخوردار است؛ به عبارتی در صورت وارد شدن نیروهای جانبی، قاب سازه مشابه موم در برابر این نیروها تغییرشکل داده و بدین ترتیب مانع از خرابی ساختمان می شود.

سیستم قاب خمشی

سیستم قاب خمشی

اتصالات سیستم قاب خمشی :

ویژگی های سیستم قاب خمشی ما را ملزم می کند، اتصالات پیچیده و صلبی برای این سیستم در نظر بگیریم تا در هنگام وارد شدن بار جانبی، شکل پذیری این سیستم را کنترل کرده و از جدا شدن اعضا به دلیل تغییرشکل ­های جانبی جلوگیری کند.

به بیان ساده اعضای سیستم قاب خمشی شکل پذیرند و اتصالات سخت می باشند در نتیجه عملکردهای مکملی را در برابر بارهای جانبی خواهند داشت.

اتصال صلب اتصالی است که علاوه بر مقاومت در برابر جدا شدن اعضا از یکدیگر، از چرخش اعضا نسبت به هم جلوگیری می­ کند. در این نوع اتصالات زاویه اجزای متصل شونده قبل از بارگذاری ۹۰ درجه می باشد و بعد از بارگذاری نیز ثابت (یعنی همان ۹۰ درجه) باقی می ­ماند.

اتصال صلب

اتصال صلب

مزایا و معایب سیستم قاب خمشی :

  • آزادی عمل بالا در معماری
  • انعطاف پذیری مناسب
  • اتصالات سنگین و پیچیده
  • بالا رفتن وزن سازه
  • هزینه بالا
  • تغییرمکان های جانبی (دریفت) زیاد
زیبایی نما به خاطر عدم وجود مهاربند

زیبایی نما به خاطر عدم وجود مهاربند

برگرفته از آموزش تحلیل و طراحی مهاربندهای همگرا

آشنایی با مقاطع نوین مهاربندها

مقاطع ساختمانی توخالی نوعی پروفیل فولادی با ظاهر لوله ای هستند که با توجه به خواص ویژه و منحصر به فردشان به شکل های مختلف، مورد استفاده قرار می گرفته اند. یکی از برجسته ترین نمونه ها، پل «فُرس آو فِرس» است که در سال ۱۸۹۰ میلادی در اسکاتلند با استفاده از این مقاطع ساختمانی ساخته شده‌ است. در سال های اخیر نیز استفاده از این مقاطع شاهد پیشرفت چشمگیری بوده است به طوری که مهندسان به خاطر خواص ویژه اش به آن لقب متریال قرن بیست و یک را داده اند.

پل «فُرس آو فِرس»

پل «فُرس آو فِرس»

ایده ساخت این نوع مقاطع برای نخستین بار از گیاه بامبو گرفته شد که ساقه ای توخالی و در عین حال مقاوم دارد. مقاطع HSS کارآمدترین شکل را برای تحمل بارهای محوری دارند به همین جهت برای ساخت اعضای کششی و فشاری مورد توجه قرار می گیرند. یکی از این اعضا مهاربند است که به وفور در ساخت سازه های فولادی استفاده می شود.

بامبو

بامبو

مهاربندهایی که با این مقاطع ساخته می شوند، عملکرد بسیار خوبی داشته و به راحتی به ورق گوشه(Gusset plate) متصل می شوند. در واقع دو انتهای این اعضا به گونه ای قالب ریزی شده که دارای شکاف می باشد و در هنگام اتصال، ورق گوشه داخل این شکاف قرار گرفته و نیاز به هیچ ورق مضاعف یا جوشی برای اتصال نمی باشد در نتیجه عضو و ورق اتصال، به صورت یکپارچه عمل می کنند و ضعف های اتصالات پیشین در آن ها مرتفع می شود.

قسمت انتهایی مهاربند برای اتصال به ورق گوشه

قسمت انتهایی مهاربند

متاسفانه ثابت شده طراحی این مقاطع برای مقاومت در برابر زلزله های بسیار شدید دشوار است. اخیرا به علت عدم درک درست از رفتار این مهاربندها در زلزله های شدید، شکست های تردی از آنها مشاهده شده که مهندسان را ملزم می دارد تحقیقات و آزمایشات بیشتری در خصوص این مقاطع داشته باشند.

مقاطع توخالی برای مهاربند

مقاطع توخالی برای مهاربند

مقاطع توخالی برای مهاربند

مقاطع توخالی برای مهاربند

برگرفته از آموزش تحلیل و طراحی مهاربندهای همگرا

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، نورثریج 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 مهاربند همگرای ویژه :

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

مزایای مهاربند ویژه 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 خیزی 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 سبک ­تر 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

آنچه درباره معضلات بادبندها باید بدانیم – قسمت سوم

در قسمت های قبل دو موضوع کمانش و معضلات ورق گوشه بادبند را بررسی کردیم و دانستیم طراحی عضو بادبندی و نیز ورق گوشه حساسیت هایی را می طلبد که گاه طراح و یا مجری از آن چشم پوشی می کنند و عواقب این سهل انگاری ها در هنگام وقوع زلزله خود را نشان می دهد. در این قسمت نکات مربوط به ورق میانی بادبند را با هم مرور می کنیم.

۸۵۳۴۱۱۵-۷۸۱۸-l

ورق میانی بادبند

فلسفه وجودی ورق میانی بادبند چیست ؟

در گام اول بررسی می کنیم که اصلا فلسفه وجودی ورق میانی چیست و به چه کار این جهان هستی می آید!

اتصال دو عضو بادبندی به همدیگر گاهی بدون واسطه امکان پذیر نیست. بسته به مقطع انتخابی برای عضو بادبندی استفاده از ورق میانی می تواند صورت بگیرد یا نگیرد.

مثلا مقطع نبشی، یکی از مقاطعی است که برای اتصال بسیار مناسب بوده و نیازی به عنصر سوم برای اتصال دو نبشی به هم وجود ندارد. ولی برای اتصال دو ناودانی استفاده از ورق میانی الزامی می باشد.

حال اگر در مجموعه بادبندی سازه خود ورق میانی داشته باشیم باید نکاتی را جهت عملکرد درست این ورق رعایت کنیم که در هنگام وقوع زلزله با مشکلاتی مثل مشکل زیر روبرو نشویم:

bam-earthquake-4

جدایی ورق میانی از دو عضو بادبندی

نکات طراحی ورق میانی بادبند :

  • اگر دو انتهای عضو بادبندی روی ورق در امتداد هم جوش داده نشوند و راستای آنها دارای خروج از مرکزیت باشد؛ عضو بادبندی قادر نخواهد بود به اندازه ظرفیت خود نیرو جذب کند و تنها نیروی کمی برای جدایی این دو عضو از ورق کافی خواهد بود.
zaf15

خروج از مرکزیت در راستای عضو بادبندی

دقت کنید؛ در شکل فوق اشتباهات دیگری نیز وجود دارد.
استفاده از تیر لانه زنبوری در دهانه مهاربند همگرا ؛ و بدتر از آن، استفاده از تیر زنبوری بعنوان تیر پیوند در مهاربند واگرا.

  • اگر در یک بادبند ضربدری، ورق میانی به صورتی اجرا شود که فاصله دو عضو بادبندی بریده شده از هم زیاد باشد. ممکن است در حد فاصل انتهای اعضای بریده شده، اثر فشار بر اعضای بادبندی موجب کمانش آنها شود و  فرصت از بادبند جهت جذب نیرویی در حد ظرفیتش گرفته شود.
zaf15

فاصله زیاد دو عضو بریده شده

  • در طراحی و اجرای ورق میانی، علاوه بر حساسیت اتصال اعضای بادبندی روی ورق، خود وسیله اتصال نیز بسیار مهم است و بسته به پیچ یا جوش بودن رعایت نکاتی ضروری است.
    برای مثال طراح باید طول جوش لازم را تامین کند و جوشکار نیز بالطبع باید تامین این طول جوش را به طور عملی و با کیفیت بالا رعایت کند. و یا اگر اتصال پیچی است باید کنترل های مهمی از جمله کنترل برش قالبی ورق میانی حتما انجام شود.
۱۴۱۹۴۲۵۲۵۲_۰۳۱

خرابی به علت ضعف جوش

  • مهمترین نکته، طراحی درست ابعاد ورق اتصال و همچنین استفاده از فولاد با کیفیت برای ورق اتصال است. گاه طراحی و اجرا بی نقص بوده ولی در کمال ناباوری شاهد عکس العمل ضعیف ورق میانی در برابر نیروهای زلزله می باشیم که این بستگی به کیفیت ورق و نحوه ی تولید آن دارد.
kfj2_Fixd

ورق های فولادی

با ما همراه باشید تا در قسمت بعد معضلاتی از بادبند را بیان کنیم که تنها در سرزمین عجیب با آن روبرو می شوید!!!

در صورت تمایل به خواندن مقالات جذاب مشابه  بر روی لینک های زیر کلیک کنید:

آنچه درباره معضلات بادبندها باید بدانیم – قسمت دوم

ورق گوشه یا گاست پلیت، ورق متصل کننده عضو بادبندی به تیر و ستون می باشد. همانطور که می دانید و نیز در مقاله ی آنچه درباره معضلات بادبندها باید بدانیم – قسمت اول مطالعه نمودید در صورت طراحی و اجرای صحیح بادبندها، مشکلی در هنگام وقوع زلزله متوجه آن ها نخواهد بود. ولی اگر بادبند و یا هر یک از اجزای آن به درستی طراحی، جانمایی و اجرا نشود در هنگام وقوع زلزله نقش خود را به خوبی ایفا نکرده و نهایتا زوال سازه را به علت نقص منجر می شود.

sf1x8w7yprvpbabv36wk

ورق گوشه

 

در این قسمت قصد داریم معضلاتی را که متوجه ورق گوشه یا گاست پلیت است بررسی کنیم.

در ابتدا ذکر نکاتی در مورد طراحی ورق گوشه خالی از لطف نیست:

گاست پلیت باید به گونه ای طراحی شود که ابعاد آن و نیز اتصال آن به تیر و ستون، پاسخگوی کشش و فشار وارده از زلزله باشد، و در این میان گسیخته نشود.

یکی از مودهای گسیختگی، کمانش موضعی، به ویژه در انتهای گاست پلیت می باشد که بر اساس تئوری های رایج این ناحیه، ناحیه حساسی به شمار می رود. در نتیجه به منظور کنترل ناحیه مذکور، استفاده از سخت کننده میانی در گاست پلیت پیشنهاد می شود. همچنین افزایش ضخامت این سخت کننده ها موجب افزایش خطی ظرفیت باربری و شکل پذیری گاست پلیت می گردد.

حال اگر به هر دلیلی طراحی به درستی صورت نگرفت عواقبی به دنبال خواهد داشت که در زیر آنها را با هم بررسی می کنیم:

  • اگر طول جوش کافی برای اتصال بیس پلیت و ورق گوشه تامین نشود: بادبند به علت کم بودن طول جوش، تنها بخشی از نیروی خود را به ستون و بیس پلیت و سپس فونداسیون انتقال داده و نقش انتقال نیروها را به طور کامل انجام نمی دهد.
DDCD

اتصال ورق گوشه و بیس پلیت

  • اگر طول اتصال عضو بادبندی با ورق گوشه کم باشد: پیش از اینکه بادبند به اندازه تحمل خود به فشار و کشش افتد، ورق در اثر فشار چین خورده و با وقوع این کمانش، مقاومت خود را کاملا از دست می دهد.
nosazi_madares_2_0

اتصال عضو بادبندی با ورق گوشه

  • اگر اتصال ورق گوشه و ورق تقویتی ستون مناسب باشد ولی ورق تقویتی به درستی به ستون جوش نشده باشد: ورق گوشه در اثر کشش بادبند به جلو کشیده شده و ورق تقویتی را از ستون جدا می کند، در نتیجه دیگر بادبند وظیفه خود را به درستی ایفا نخواهد کرد.
۰۰۳-۳۰۰x225

اتصال ورق گوشه و ورق تقویتی ستون

  • اگر ابعاد ورق گوشه کمتر از مقدار مورد نیاز طراحی شده باشد: مسلما طول جوش و یا تعداد پیچ مورد نیاز نیز تامین نشده و در هنگام زلزله به دلیل ضعف در تحمل نیروهای رفت و برگشتی جدا خواهد شد.
۰۰۶-۳۰۰x225

کوچک بودن ورق گوشه

  • اتصال نامناسب بین تیر و ورق گوشه : در این صورت نیز نیروهای فشاری و مخصوصا کششی زلزله منجر به جدایی بادبند و تیر می شوند.
bam-earthquake-12

اتصال تیر و ورق گوشه

در همه موارد بالا در صورت دقت در طراحی و انتخاب ابعاد مناسب ورق گوشه و همچنین تامین طول جوش کافی ( و یا تامین تعداد پیچ مورد نیاز) برای ورق گوشه و بادبند، ورق گوشه و تیر و ستون، ورق گوشه و بیس پلیت معضلات نامبرده در هنگام وقوع زلزله گریبان گیر بادبند که یکی از مهم ترین اعضا در سازه های فولادی است نخواهد شد.

در صورت تمایل به خواندن مقالات جذاب مشابه  بر روی لینک های زیر کلیک کنید:

آنچه درباره معضلات بادبندها باید بدانیم – قسمت اول

همانطور که می دانید، بادبند یا مهاربند عضوی در سازه های فولادی است که جهت انتقال نیروی زلزله از دیافراگم صلب کف، به فونداسیون مورد استفاده قرار می گیرد. جایگزین بادبند در سازه های بتنی همان دیوار برشی است که جهت مهار نیروی زلزله و انتقال آن به پی ساختمان به کار می رود.

badband

بادبند

 

ejfnbseckbo6f8tg7i73(1)

دیوار برشی

 

بدیهی است که در صورت طراحی و اجرای صحیح بادبند ها، مشکلی در هنگام وقوع زلزله متوجه آن ها نخواهد بود. اما گاها شاهد خرابی ها و معضلاتی در بابند ها هستیم که بهتر است به عنوان یک مهندس عمران با این خرابی ها و علل آن ها آشنایی کامل پیدا کنیم. در اولین قسمت از سری مقالات معضلات بادبندها به پدیده کمانش پرداخته و آن را به طور کامل تحلیل می کنیم. برای شروع چند نمونه از کمانش بادبندها را در هنگام رخداد زلزله بررسی می کنیم:

  • در تصویر زیر بادبندی را می بینیم که در عین دوبل اجرا شدن به علت عدم استفاده از لقمه اتصال دچار پدیده کمانش شده است:
Untitled-225x300

تصویر۱ – کمانش موضعی

bam-earthquake-8

کمانش بادبند

  • در این تصویر نیز پدیده کمانش بادبند مشهود است:
brace_buckling

تصویر ۲ – کمانش کلی

اکنون به تعریف پدیده کمانش که در بالا نمونه هایی از آن را دیدید پرداخته،انواع و علل وقوع آن را بررسی می کنیم:

کمانش بادبند :

پدیده کمانش یا چروکیدگی رفتاری است که از عضو تحت فشار سر می زند. برای ساده سازی یک ترکه چوب را درنظر بگیرید؛ اگر این ترکه را بطور مستقیم و در راستای خود ترکه تحت فشار قرار دهید نیروی زیادی لازم است تا بتوانید آن را خم کنید. چون نیرویی که به ترکه وارد می کنید از مرکز آن فاصله چندانی ندارد، لنگر خمشی حاصل نیز دارای بازوی کوچکی خواهد بود. ولی همین که ترکه کمی خم شود بازوی لنگر زیاد شده و شما ادامه کار خم کردن را به راحتی می توانید انجام دهید.

رخداد انواع کمانش، به محل و جهت اعمال نیرو به جسم، وابسته است. در حالت های مختلف این نیرو می تواند فشاری، خمشی و یا حتی پیچشی باشد و باعث کمانش بشود. یک استوانه کاغذی را اگر از دو سر بپیچانید دچار چروکیدگی یا همان کمانش می شود. پس شکل و فرم کمانش متفاوت است و می توان از یک شکم دادن ساده باشد تا چروکیدگی ورق یا پیچ خوردگی و …

ایزی وال ۰۷

کمانش

در بادبندها نیز به علت رفتار رفت و برگشتی زلزله، تحت فشار و کشش بودن مداوم بادبند، مقاوم بودن آن را در برابر انواع کمانش می طلبد. و عموما این پدیده در بادبندهایی که اصطلاحا لاغر هستند یعنی طول زیاد یا سطح مقطع کوچک دارند رخ می دهد.

انواع کمانش در مهاربند ها :

کمانش به طور کلی به دوصورت کمانش کلی و موضعی ممکن است رخ دهد.

کمانش کلی عضو یعنی ناپایداری و از بین رفتن عضو تحت اثر تغییر شکل های جانبی زیاد ناشی از نیروها یا تنش های فشاری در کل عضو که گاهاً ممکن است همزمان با کمانش موضعی عضو صورت گیرد.

کمانش موضعی در اجزای نازک رخ داده و عضو اگر به دلایلی (لنگر خمشی یا نیروی محوری) تحت تنش های فشاری قرار گیرد، ناپایدار شده و کمانش می کند و در نتیجه قسمتی از نیمرخ خاصیت باربری مناسب خود را از دست داده و به این پدیده کمانش موضعی می گویند.

همانطور که در دو تصویر ۱ و ۲ در بالا مشاهده کردید؛

تصویر اول کمانش موضعی بود که در بخشی از بادبند و به علت عدم استفاده از لقمه های اتصال رخ داده بود .

تصویر دوم نیز کمانش کلی بادبند را در زلزله و به علت لاغر بودن بیش از حد عضو نشان می داد.

پس نتیجه می گیریم عضو بادبندی در کل طول خود نباید لاغر باشد؛ همچنین ضمن الزامی بودن استفاده از لقمه ها در فواصل معین این فواصل به گونه ای طراحی شود که بادبند در حدفاصل بین دو لقمه نیز لاغر نباشد و کمانش صورت نگیرد.

شکل۱ تصویر یک سازه لوله¬ای قبل و بعد از کمانش

سازه لوله ای قبل و بعد از کمانش

در صورت تمایل به خواندن مقالات جذاب مشابه بر روی لینک های زیر کلیک کنید:

مهاربند کمانش ناپذیر

یکی از مشکلات مهمی که در مهاربند های معمولی در هنگام زلزله رخ می دهد، مسئله کمانش عضو فشاری است. در واقع در هنگام زلزله به تدریج طول مهاربند افزایش ِ ماندگار یافته و در برگشت این افزایش طول غیرالاستیک منجر به کمانش زودرس مهاربند می گردد. و در سیکل های بعدی مقاومتی دیرهنگام ازخود نشان می دهد و این باعث جذب بیشتر انرژی در اعضا و اتصالات غیرقابل تعویض قاب خمشی و همچنین افزایش بیشتر تغییر مکان جانبی سازه می گردد. این مشکلات در مهاربند کمانش ناپذیر (مهاربند کمانش تاب )برطرف گردیده است.

بادبند

بادبند

مهاربند کمانش تاب چیست

این سیستم از یک غلاف و یک هسته فلزی تشکیل شده است. هسته فلزی در برابر نیروی محوری وارد شده مقاومت می کند و سختی خمشی غلاف نیز مانع از کمانش هسته می شود.
به منظور جلوگیری از کمانش در فشار، هسته فلزی درون یک غلاف فلزی که با بتن یا ملات پر شده است قرار می گیرد. قبل از پر کردن غلاف با بتن، مقداری ماده جداکننده یا خلا بین هسته فلزی و ملات قرار می گیرد تا انتقال نیروی محوری را از هسته فلزی به پوشش بتنی جلوگیری کند و یا آن را به حداقل برساند.
اثر ضریب پواسون نیز باعث می شود تا هسته فلزی در فشار منبسط شده و این موضوع ایجاب می کند تا این فاصله لازم فراهم گردد.
مهاربند کمانش تاب

مهاربند کمانش تاب

مبانی اصلی عملکرد این میراگر، جلوگیری از وقوع کمانش هسته فولادی به منظور امکان وقوع پدیده تسلیم فشاری در آن و در نتیجه امکان جذب انرژی در این عضو از سازه می باشد.

عملکرد مهاربند کمانش ناپذیر

در این سیستم نیاز به فراهم آوردن یک سطح لغزش یا لایه ناپیوستگی بین هسته فلزی و بتن محصورکننده وجود دارد. مصالح و هندسه لایه لغزشی مذکور باید به گونه ای طراحی شود که امکان حرکت نسبی بین هسته فولادی و بتن که به سبب وجود برش و اثر پواسون ایجاد می گردد، فراهم شود؛ در نتیجه ضمن جلوگیری از کمانش موضعی هسته، امکان تسلیم آن در حالت بارگذاری فشاری فراهم شود.

سطح مقطع هسته فولادی در دو انتهای بادبند که خارج از غلاف فولادی می باشد برای اطمینان جهت عدم کمانش بیشتر می باشد. هدف از این امر آن است که نیروی مهاربندی فقط توسط هسته فولادی تحمل شود.

بتن و محفظه لوله ای شکل فولادی سختی و مقاومت خمشی لازم را برای جلوگیری از کمانش کلی مهاربند فراهم آورده و امکان تحمل بار توسط هسته فولادی را تا حد تسلیم بدون آن که کاهشی در سختی و مقاومت مهاربند طی چرخه های بارگذاری ایجاد گردد فراهم می آورد. همچنین بتن و محفظه فولادی از کمانش موضعی هسته جلوگیری می کند.

رفتار چرخه ای غیر الاستیک این مهاربندها با انجام آزمایش های زیادی بررسی شده است. این آزمایش ها که با مطالعات اجزا محدود نیز همخوانی داشت، نشان داد که برخلاف مهاربندهای معمول چرخه های هیستریسیس پایدار در کشش و فشار حاصل می گردد و در نتیجه ظرفیت بالایی برای جذب انرژی زلزله در سازه ایجاد می گردد.

همچین برای آشنایی بیشتر با این نوع مهاربندها می توانید به قسمت پنجم ویدئو طراحی حدی سازه های فولادی و قسمت هفتم ویدئو تفسیر استاندارد۲۸۰۰ مراجعه کنید.

Buckling-restrained braces

مهاربند کمانش ناپذیر