فیوز سازه ای؛ بررسی 6 نوع از فیوز های سازه ای و بررسی ناحیه حفاظت شده در المان های سازه

فیوز سازه ای چیست؟

همانطور که شما هم می دانید یکی از روش های کاهش خسارت های ناشی از زلزله، متمرکز ساختن خرابی ها در اعضای از پیش تعیین شده است به طور مثال ما باید در طراحی مهاربند واگرا، تیر پیوند را به عنوان فیوز سازه ای انتخاب کنیم.

در این مقاله جامع ابتدا به تعریف فیوز سازه ای می پردازیم سپس انواع فیوز سازه ای در المان های متفاوت ساختمان را بررسی خواهیم کرد و در انتها به ناحیه حفاظت شده انواع سیستم باربر جانبی خواهیم پرداخت.

⌛  آخرین به روز رسانی: 12 مهر 1401

📕 تغییرات به روز رسانی: آپدیت بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1401

1. نقش فیوز سازه‌ ای در سازه چیست؟

مبنای طراحی بر اساس ظرفیت این است که اجزایی از سازه که شکل‌ پذیری بیش‌تری نسبت به سایر اعضا دارند را  با نیروهای کمتری نسبت به نیروی زلزله طراحی ‌کنیم. این کار بدان منظور انجام می‌شود که پس از وارد شدنِ نیروهای واقعی زلزله، اجزا حتماً وارد محدوده خمیری (پلاستیک) شوند تا بقیه اجزای سازه را از خطر تخریب کامل در امان نگه دارند. برای درک بهتر عملکرد فیوز سازه‌ای می‌توان چنین گفت که این اعضا مانند یک فیوز برق عمل می‌کنند. یعنی چنانچه فیوز برق تحت جریان غیرمجاز برق، قطع شده و بدین‌گونه از آسیب به سیم‌کشی و وسایل برقی مورداستفاده جلوگیری می‌کند، فیوز سازه‌ای نیز در اثر بار غیر مجاز، خراب شده و از آسیب دیدن سایر اعضا جلوگیری می‌کند. برای بهتر جا افتادن مطلب، ایده Park and Paulay که اولین بار روش طراحی بر پایه ظرفیت را بیان کردند، مورد بررسی قرار می‌دهیم. آن‌ها فرض کردند که سازه همانند چند حلقه متصل به هم هست.

شکل 1 ایده طراحی بر اساس ظرفیت توسط Park and Paulay

مطابق نظر این محققین، در طراحی لرزه‌ای حتماً لازم است تا یکی از این حلقه‌ها را به عمد ضعیف‌تر طراحی کنیم تا در زلزله حتماً وارد ناحیه غیرخطی شود و باعث اتلاف انرژی زلزله گردد. در همین راستا بایستی دو نکته‌ی زیر را مد نظر قرار داد:

1. جزئیات بندی در ناحیه ضعیف‌تر به گونه‌ای باشد که در تغییر شکل‌های بزرگ دچار ناپایداری و زوال نشود.
2. بقیه حلقه‌های زنجیر به‌ گونه‌ای طراحی شوند که دارای چنان مقاومتی باشند که با رسیدن حلقه شکل‌پذیر به حد مقاومتش همچنان در ناحیه ارتجاعی باقی بمانند.

2. مفهوم فیوز سازه ای در آیین نامه

روش کار در آیین‌نامه به این صورت هست که کلیه اعضا ابتدا بایستی تحت اثر نیروهای کاهش‌یافته زلزله طراحی شوند و سپس با ضرایبی مثل Ω₀ (ضریب اضافه مقاومت) در آیین‌نامه AISC و استاندارد 2800، بار زلزله ورودی برای طراحی اعضای کنترل شونده توسط نیرو (Force Control ) یعنی اعضایی که حتماً می­ بایست تا رسیدنِ اعضای کنترل ­شونده توسط تغییر مکان ( فیوزهای سازه‌ ای) به تغییرمکان حدیشان، ارتجاعی باقی بمانند و وارد ناحیه غیرخطی نشوند، توسط نیرو تشدید شود.

به عبارت ساده‌تر:

نیروهای طراحی برای کلیه اجزای سازه:

نیروهای طراحی برای اجزای کنترل شونده توسط نیرو:

(F_res  و Max (F_exp: نیروی طراحی برای اجزای کنترل­ شونده توسط نیرو

که در این رابطه داریم:

به‌ طوری‌که در روابط بالا داریم:

F_eq : نیروی زلزله

F_red : نیروی کاهش‌ یافته زلزله توسط ضریب رفتار Ru

F_res : نیروی تشدید یافته توسط ضریب Ω₀

F_exp: نیروی مورد انتظار عضو شکل ­پذیر

در جدول 3-4 استاندارد 2800، ضریب رفتار (Ru) و ضریب اضافه مقاومت () برای سیستم‌های سازه‌ای مختلف قید شده است. به‌طور خلاصه می‌توان بیان کرد که در این رویکرد، طراحی اجزای مختلف سازه  به‌گونه‌ای انجام میشود که بعضی از اعضا (نقاط پیش‌بینی‌شده) به‌عمد ضعیف باشند تا در هنگام زلزله حتماً وارد ناحیه غیر ارتجاعی شده و باعث اتلاف انرژی زلزله گردد (فیوز سازه‌ای) و باقی اعضا که بر اساس نیرو طراحی می‌شوند باید در حالت ارتجاعی باقی بمانند.

روشی که در آیین‌نامه بیان شده است به این صورت است که کلیه اعضا را برای نیروی کاهش‌یافته زلزله طراحی می‌کنیم این کار در جهت اطمینان انجام می‌شود تا مطمئن باشیم که در هنگام زلزله اعضا وارد ناحیه خمیری (پلاستیک) شوند. همچنین نیروهای زلزله را با اعمال ضرایبی تشدید کرده و اعضای کنترل شونده توسط نیرو(اعضایی که تا روی کار آمدن فیوزهای سازه‌ای باید در حالت ارتجاعی باقی بمانند) را برای این نیروها طراحی کنیم.

3. ساز و کار فیوز سازه‌ ای

یک سازه‌ی فیوز دار را می ­توان به دو بخش زیر تقسیم کرد:

1. قاب سازه که بایستی در ناحیه‌ی ارتجاعی باقی بماند.
2. فیوز سازه‌ ای که عضو مستهلک کننده‌ی انرژی هست.

پارامترهای کلیدی که سیستم فیوز سازه‌ ای را توصیف می‌کنند شامل سختی، تغییر مکان و مقاومت برشی جانبی است. علاوه بر این ضرایب، شکل‌ پذیری و نسبت‌ های مقاومت به‌ منظور ارزیابی اثرات فیوز سازه ­ایِ اضافه‌ شده به سازه مهم هستند. در شکل زیر منحنی نیروی برشی – تغییر مکان برای یک سیستم تک درجه آزادی با دو فنر ارتجاعی – خمیری در حالت موازی نشان داده‌ شده است.

شکل 2 منحنی نیروی برشی – تغییر مکان یک سیستم تک درجه ازادی

در منحنی فوق K_Total برابر مجموع سختی جانبی قاب K_f و سختی فیوز سازه‌ ای K_a می باشد.

و نسبت سختی a، نسبت بین K_a و K_f  هست:

ضریب شکل‌پذیری تغییر مکان سیستم، μ_D ، حداکثر شکل‌ پذیری است که فیوز سازه‌ ای می‌تواند پیش از تسلیم‌شدگی قاب به وجود آورد که به‌صورت زیر بیان می‌شود:

که در آن:

نسبت کرنش سخت شدگی : α

سختی کل : K₁

تغییر مکان قاب در هنگام تسلیم‌شدگی فیوز سازه‌ ای: Δ_ya

تغییر مکان تسلیم‌شدگی قاب: Δ_yf

برشی قاب ظرفیت: V_yf

ظرفیت برشی سیستم میرایی: V_ya

مقاومت تسلیم کل سیستم: V_y

V_P : ظرفیت برشی کل سیستم

یکی از نتایجی که از این نمودار فوق می‌توان گرفت این است که بیشترین کارایی استفاده از فیوز سازه‌ ای، هنگامی به دست می‌آید که اختلاف بین تغییر مکان تسلیم‌شدگی قاب و فیوز، حداکثر باشد.

4. بررسی فیوز سازه‌ای در سازه‌های بتنی و سازه‌های فلزی

فیوز سازه‌ای هم برای سازه‌های بتنی و هم برای سازه‌های فولادی قابل استفاده است. با اینکه طراحان می‌توانند انواع مختلفی از فیوزهای سازه‌ای را برای ساختمان‌های فولادی طراحی کنند، اما طراحی فیوز سازه‌ای بتنی با محدودیت زیادی روبرو است. امروزه مهندسین از تیرهای هم بند در دیوارهای کوپله در نقش فیوز سازه‌ای استفاده می‌کنند.

شکل 3 عملکرد تیرهای هم بند در دیوارهای کوپله در نقش فیوز سازه ای

یکی دیگر از روش‌هایی که در سازه‌های بتنی فیوزسازه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد، تضعیف تیر و تقویت ستون است. برای تقویت محل اتصال تیر به ستون از FRP استفاده می‌کنند. تیر نیز به وسیله یک لوله داخل آن، در نزدیکی اتصال تیر به ستون تضعیف می‌شود.

شکل 4 تضعیف تیر و تقویت ستون برای ایفای نقش فیوز سازه ای در ساختمان های بتنی

5. انواع متداول فیوزهای سازه‌ ای

با آنکه هر نوع فیوز سازه‌ای را می‌توان با هدف کنترل لرزش ساختمان در حین زلزله مورد استفاده قرار داد، اما بنا به دلایلی نظیر جزئیات ساخت و ساز، محل قرار گیری سازه، نوع ساختمان و… ممکن است برای گرفتن نتیجه‌ای مطلوب انواع مختلفی از فیوز سازه‌ای بکار گرفته شود. این مدل از فیوزهای سازه‌ای اکثرا در سازه‌های فولادی بکار گرفته می‌شوند. انواع متداول فیوزهای سازه‌ای به شرح زیر است:

1.5. مهاربند کمانش ناپذیر

بسیاری از نقایصی که در مهاربندهای همگرا اتفاق می‌افتد، ناشی از اختلاف ظرفیت فشاری و کششی و مقاومت آن‌ها در حین بارگذاری دوره‌ای است. مسئله مهم دیگر مقاومت پس از کمانش مهاربندها است که در آن، مهاربند با یک افت مقاومت می‌تواند تغییر شکل ­های بیشتری را تحمل کند که این موضوع سبب افزایش جذب انرژی و کمک به رفتار بهتر سازه می‌شود.

قاب ­های مهاربند کمانش ناپذیر  یک رده خاص از قاب‌ های مهاربندی‌ شده هم‌ مرکز هستند. در شکل زیر می‌توان مشاهده کرد که تقاطع محورهای اعضای مهاربندهای کمانش تاب در یک نقطه اتصال، یک سیستم خرپای عمودی که نیروی جانبی را تحمل می‌کند، تشکیل می‌دهد.

شکل 5 مهاربندهای مقید در برابر کمانش

مهاربندهای مقید در برابر کمانش از شکل‌پذیری و جذب انرژی بیشتری در مقایسه با SCBF (مهاربند همگرای ویژه) برخوردار است؛ زیرا از کمانش کلی مهاربند و کاهش مقاومت مربوط به آن در نیروها و تغییر شکل‌های مربوط به جابه‌جایی نسبی طرح در طبقه‌ها جلوگیری می‌شود.

مهاربندهای مقید در برابر کمانش، مانند شکل زیر، از یک هسته‌ی فولادی و یک سیستم پوششی مقیدکننده‌ی کمانشِ هسته‌ی فولاد تشکیل یافته است. هسته فولادی المان مهاربندی، منبع اولیه جذب انرژی است. همان گونه که در شکل زیر دیده می‌شود اشکال مختلفی از غلاف محصورکننده را مشاهده می‌کنید که البته گونه‌ی رایج غلاف محصورکننده، یک غلاف فولادی مربع شکل هست که داخل آن با بتن پر شده است. بر طبق گزارش پژوهشگاه ملی زلزله تایوان به‌غیراز بتن، چوب و ماسه نیز می‌تواند به‌عنوان ماده پرکننده استفاده شود.

شکل 6 مهاربندهای مقید در برابر کمانش

شکل 7 اشکال مختلف هسته فولادی و محفظه محصور کننده

اعضای مهاربندی طراحی‌شده به طور مناسب در این قاب‌ها، رفتار هیسترزیس پایدار و متقارنی را تحت اثر نیروهای کششی و فشاری طی تغییر شکل‌های غیر ارتجاعی فراوان ارائه می‌دهند.

شکل 8 سازوکار استهلاک انرژی در قالب با مهاربند همگرای ویژه و قاب با مهاربند مقید در برابر کمانش

در شکل 9 دو قاب مهاربند مقید در برابر کمانش (BRB) و قاب با مهاربند همگرا (CBF) تحت بار جانبی رفت و برگشتی مورد مقایسه قرار گرفتند، همان‌طور که مشاهده می‌شود در قاب با مهاربند همگرا، مهاربندها تحت یک دوره‌ی بار کمانش می‌کنند اما در اعضای مهاربندی‌شده مقید در برابر کمانش، جذب انرژی طی چرخه‌های تسلیم پایدار کششی – فشاری در فشار همانند کشش هست.

قابلیت شکل‌پذیری و جذب انرژی این قاب‌ها قابل‌مقایسه با قاب خمشی ویژه و بیشتر از یک سیستم قاب با مهاربندی همگرای ویژه است. این شکل‌پذیری بالا توسط محدودسازی کمانش هسته فولادی به دست می‌آید. طی یک زلزله متوسط تا شدید، انتظار می‌رود هسته فولادی تغییر شکل‌های غیر ارتجاعی زیادی را تحمل کند. در یک قاب مهاربند مقید در برابر کمانش مهاربند (فشاری و کششی) به‌عنوان المان فیوز طراحی می‌شود و تمامی بخش‌های دیگر قاب و اتصالات در محدوده‌ی ارتجاعی باقی می‌مانند.

شکل 9 مقایسه قاب با مهاربند مقید در برابر کمانش و قاب با مهاربندی همگرا

2.5.مستهلک کننده‌ های انرژی صفحه فولادی

مستهلک کننده‌های انرژی صفحه فولادی Added Damping And Stiffness) ADAS) و Triangular Added Damping And Stiffness) TADAS) مثال دیگری از اعضای تسلیم شونده فولادی ثانویه هستند که برای استهلاک انرژی استفاده می‌شوند.

یکی از اولین کاربردهای سیستم TADAS به‌ عنوان میراگر بوده است که نحوه عملکرد میراگرهای فولادی ADAS و TADAS به این صورت است که هنگام اعمال بار جانبی زلزله، حرکت نسبی طبقات نسبت به یکدیگر موجب حرکت نسبی ورقه بالایی میراگر نسبت به ورقه پایینی آن می‌شود. این عمل موجب جاری شدن تعداد زیادی از ورقه‌ های فلزی میراگر شده و نهایتاً موجب استهلاک مقدار زیادی از انرژی زلزله‌ی وارده به سازه می‌شود.

این میراگرها ضمن تأمین میرایی از سختی جانبی بالایی برخوردار بوده و به همین دلیل با عنوان میرایی و سختی افزوده (ADAS)، نام‌ گذاری شده‌اند. همچنین این میراگرها به‌ عنوان فیوز سازه ای عمل نموده و با تمرکز رفتار غیرخطی در خود، مانع از بروز رفتار غیرخطی و آسیب در سایر اجزای اصلی و فرعی سازه می‌شوند.

میراگرهای   ADAS و TADAS در حقیقت نوعی تیر پیوند، در سیستم با مهاربندهای واگرا هستند که به شکل قائم قرار گرفته­ اند.

شکل 10رفتار میراگرهای مستهلک کننده ی انرژِی

3.5. پانل برشی

پانل برشی (shear panel damper) به‌ عنوان یک فیوز سازه ای شکل‌ پذیر در مسیر انتقال نیرو از مهاربندها به تیرهای بالا و پایین طبقه عمل می‌کند. نتایج عددی و آزمایشگاهی نشان می‌دهند که با انتخاب صحیح پانل‌های برشی، می‌توانند قابلیت استهلاک انرژی یک سازه را بدون کاهش چندان سختی سازه، به طرز قابل‌ توجهی افزایش دهد. از امتیازات دیگر این نوع میراگرها، تمرکز خرابی‌ ها در ناحیه از پیش تعیین شده است که امکان تعویض آسان آن را پس از زلزله میسر می‌کند.

شکل 11چگونگی رفتار پانل برشی به عنوان فیوز سازه ای

شکل 12 نمونه ای از کاربرد میراگر پانل برشی

4.5. قاب‌های با مهاربند واگرا

در سیستم مهاربند واگرا نقش اساسی جذب و استهلاک انرژی ناشی از زلزله توسط تیر پیوند ایفا می‌شود. به‌ بیان‌ دیگر، تیرهای پیوند عملکرد فیوز سازه ای دارند و با رفتار شکل‌پذیر خود اولاً ضریب رفتار سازه را در سیستم باربر جانبی لرزه‌ای تأمین می‌کنند و ثانیاً تلاش‌های طراحی در سایر اعضا (تیر خارج از تیر پیوند، مهاربندها و ستون­ها) توسط تیر پیوند کنترل می‌شود.

بنابر اصول طراحی بر اساس ظرفیت، تیر پیوند با رفتار شکل‌ پذیر و پایدار خود به‌ عنوان فیوز، به‌ صورت یک عضو تغییر مکان کنترل، انرژی زلزله را مستهلک می‌ کند و سایر اعضای قاب نظیر ستون‌ ها، مهاربند ها و تیر های خارج از تیر پیوند به‌ عنوان اعضای نیرو کنترل، در محدوده ارتجاعی رفتار کرده و نیروهای طراحی آن‌ها متأثر از نیروهای ایجاد شده در تیر پیوند است.

شکل 13 هندسه ی تیر پیوند (فیوزسازه ای) در قاب با مهاربندی واگرا

5.5. تیرهای پیوند برشی قابل تعویض

تعمیر تیر پیوند آسیب‌ دیده پرهزینه و زمان‌ بر است. به‌ منظور رفع این مشکل ایده تیر پیوند قابل تعویض توسعه یافت و نتایج بررسی و آزمایش‌ ها حاکی از آن بود که اتصالات جوشکاری تیر پیوند نسبت به اتصالات پیچی از انعطاف‌ پذیری بیشتری برخوردار می‌ باشند.

شکل 14انواع متداول تیر پیوند

6.5. تیرهای همبند در دیوارهای برشی کوپله

دو دیوار برشی مجزا را که به دلیل وجود بازشوی بزرگ به فاصله‌ای از یکدیگر جدا شده‌اند، می‌توان به‌وسیله اعضای سازه‌ای مقاوم در برابر بارهای محوری و لنگرهای خمشی به یکدیگر متصل نمود. در این حالت دیوارهای برشی متصل شده بنام دیوار برشی همبسته و تیر رابط بنام تیر همبند یا تیر پیوند نامیده می‌شود.

برای کسب اطلاع بیشتر در زمینه تیرهای همبند در دیوارهای برشی همبسته می‌توانید مقاله “تیر همبند در دیوار برشی کوپله” را مطالعه نماید.

در شکل زیر که یک نمونه آزمایشگاهی و تحلیلی Chen and Lu سال 2012، مشاهده می‌کنید، یک مقطع تیر پیوند ضعیف در وسط دهانه تیر همبند قرار می‌دهند تا پتانسیل آسیب در اطراف پایه‌های دیوار را به حداقل برساند به این تیر پیوند ضعیف، تیر همبند فیوز می‌گویند.

شکل 15نمونه آزمایشگاهی و تحلیلی chend and Lu سال2012

به‌طورکلی تیرهای همبند را می‌توان به‌عنوان یک سیستم مقاوم در برابر بار جانبی یا به همراه سایر سیستم‌های سازه‌ای همانند قاب‌های خمشی یا قاب‌های مهاربندی فولادی استفاده کرد. سیستم تیرهای همبند مرکب فولادی، شامل یک تیر فولادی و یک صفحه فولادی است که در پایه‌های دیوار مدفون شده است.

تیرهای همبند مرکب فولادی مزایایی را در مقابل بتن مسلح دارد. مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهد که تیرهای همبند فولادی مرکب، مقاومت بالا، سختی و پاسخ هیسترزیس مناسبی را ارائه می‌کنند همچنین این تیرها کم‌عمق‌تر از تیرهای همبند بتنی با ظرفیت‌های برابر هستند که در موارد با محدودیت ارتفاع طبقه مفید است. تیر همبند بتن مسلح قطری باعث افزایش شکل‌پذیری و جذب انرژی تیرهای همبند بتن مسلح سنتی می‌شود. در ادامه مطالعات گسترده‌ای در دانشگاه   Cincinnati روی انواع تیرهای همبند بتن مسلح انجام شده است.

شکل 16نمونه آزمایشگاهی دانشگاه Cincinnati

شکل 17نمونه آزمایشگاهی انجام شده روی یک ساختمان بتنی 4 طبقه با تیر همبند بتنی

6. نواحی حفاظت‌شده در انواع سیستم باربر جانبی

برای اینکه فیوزهای سازه‌ای بتوانند به‌درستی جاری شده و انرژی ورودی را به‌خوبی مستهلک نمایند، بایستی در برابر عواملی که این اتلاف انرژی را کم می‌کنند، محافظت شوند. مثلاً در این المان‌ها نبایستی کمانش موضعی رخ دهد یا نباید از زیر بار فرار کنند بدین منظور بخشی از سازه که انتظار رفتار فرا ارتجاعی در آن می‌رود، بایستی در برابر عواملی همچون کمانش کلی، کمانش موضعی و … محافظت شود. مثلاً در این نواحی نباید وصله المان (تیر، مهاربند، فیوز سازه‌ای) صورت گیرد.

در آیین‌نامه AISC 341 اصطلاحی به نام ناحیه حفاظت‌شده  (Protected zone)تعریف شده است که به ناحیه شکل‌پذیر عضو اطلاق می‌شود که انتظار می‌رود در آن مفصل پلاستیک تشکیل شود. نظر به اهمیت و رفتار حساس، این ناحیه نباید برای هیچ نوع عمل ساخت و نصب عناصر مورداستفاده قرار گیرد.

  الزامات عمومی در جزئیات ناحیه حفاظت‌شده اعضا در بند 10-3-2-17 مبحث دهم ویرایش 1401 شرح ذیل هست:

1. در ناحیه حفاظت شده اعضای سیستم‌های باربر جانبی لرزه‌ای متوسط و ویژه، به کار بردن وصله مستقیم یا غیر مستقیم جوشی یا پیچشی نیم رخ‌ها یا ورق‌های تشکیل دهند عضو ممنوع است.
2. هرگونه ناپیوستگی ناشی از عملیات اجرایی اضافی در ساخت و نصب مانند سوراخ کاری جوش‌های موضعی، تخلیه جوش، وسایل کمکی برای نصب، ناصافی‌های ناشی از برش‌های حرارتی در ناحیه حفاظت شده اعضا ممنوع بوده و در صورت وجود باید به نحوه مناسبی برطرف شده و تعمیر گردد.
3. درناحیه حفاظت شده به کارگیری گل میخ‌های فولادی و یا هر نوع برشگیر فولادی در تیرها ممنوع است، مگر آنکه در اتصالات پیش تایید شده مجاز دانسته شده باشد.
4. خال جوش کردن عرشه فولادی تیرهای مختلط در ناحیه حفاظت شده در صورتی که در این ناحیه بال تیر را دچار آسیب ننماید، مجاز است.
5. به‌کارگیری هرگونه اتصال جوشی یا پیچی برای اتصالات اجزا نما، دیوارهای خارجی و داخلی، تیرهای نعل درگاهی، تیرهای فرعی سقف، نگه دارنده‌های تأسیساتی در محدوده شکل‌پذیر ناحیه حفظ شده اعضای سیستم باربر جانبی لرزه‌ای ممنوع است.

1.6. سیستم قاب خمشی

اتصالات سیستم قاب خمشی همگی از نوع گیردار هستند و بارهای جانبی به‌ واسطه‌ی قاب خمشی که در اعضا ایجاد می‌شود، تحمل می‌گردند. در واقع، در این سیستم‌ها نیروهای جانبی به علت رفتار خمشی تیرها و ستون‌ها تحمل می‌شوند.

برای نمونه قاب‌ های خمشی ویژه فولادی به‌ گونه‌ای طراحی می‌شوند که عمده رفتار غیر الاستیک آن‌ ها در تیرها و در نزدیکی یا داخل اتصالات تیر به ستون به وجود آید. بسیاری از موارد این رفتار غیر الاستیک می‌تواند در فاصله‌ای تقریباً برابر عمق تیر یا کمی بیشتر، از بَر ستون متمرکز شود.

نظر به امکان به وجود آمدن کرنش‌های غیرالاستیک بزرگ در این نواحی، هرگونه ناپیوستگی مصالح فولادی تیر می‌تواند نقطه آغاز شکست این مفاصل پلاستیک باشد. جهت جلوگیری از به وجود آمدن چنین آسیب‌ هایی، AISC 341 الزام می‌دارد که از هرگونه ناپیوستگی در این نواحی تا حد ممکن احتراز شود.

روش‌ های زیر جهت حفاظت این نواحی در سیستم قاب خمشی هست.

1.1.6. اتصال مستقیم تیر با مقطع کاهش‌یافته  (RBS)

به‌عنوان‌ مثال ناحیه حفاظت‌شده یک تیر با مقطع کاهش‌یافته (RBS (Reduce beam section را در شکل زیر ملاحظه می‌نمایید. به‌ عنوان‌ مثال اگر در این حالت تیر در نقش فیوز سازه‌ ای عمل کند و یا اگر طراح ملزم دانست که در این مقطع از مهاربند استفاده شود برای عملکرد هرچه بهتر عضو فیوز سازه‌ ای باید از هرگونه اتصال در این ناحیه (ناحیه حفاظت‌شده) جلوگیری کنیم.

شکل 18 نمونه حفاظت شده یک تیر با مقطع کاهش یافته RBS

در شکل زیر یک نمونه اتصال اشتباه در ناحیه محافظت‌ شده تیر (RBS) مشاهده می ­کنید که در ناحیه‌ی حفاظت‌ شده‌ی اتصال، جوشکاری انجام شده است.

شکل 19نمونه اشتباه در ناحیه محافظت شده تیر (RBS)

2.1.6. اتصال‌دهنده‌ های برشی

یکی از موارد رعایت ناحیه حفاظت‌ شده که AISC 341 به آن اشاره می‌کند، اتصال‌ دهنده‌ های برشی است، مانند همان گل‌ میخ‌ هایی که برای سقف‌های کامپوزیت بکار می‌روند.

در آزمایش‌های مختلف شکست این اتصال‌ دهنده‌ های برشی که دال بتنی و عرشه فولادی را به تیر قاب خمشی فولادی ارتباط می‌دهد، مشاهده شده است.

در این قسمت استفاده از اتصال‌ دهنده‌ ها و جوش‌ های با مقاومت بالاتر برای رفتار کامپوزیتی دال می‌تواند قابل‌ قبول باشد. همچنین برای رفع این مشکل ACI 341 الزام می‌ دارد که موقعیت و ابعاد تمامی قسمت‌ های محافظت‌ شده می‌بایست بر روی نقشه‌ های سازه‌ ای، ساخت و اجرا مشخص شوند. با رعایت موارد ذکر شده در بالا می‌توانیم از اتصال فیوز سازه‌ ای به تیر طبقه اطمینان حاصل کنیم.

در دو شکل زیر قابل‌ مشاهده است که ناحیه حفاظت‌ شده، (که در آن ناحیه از اتصال هرگونه فیوز سازه‌ ای، تیر، مهاربند و … به‌ جز پلیت­ هایی جهت اتصال تیر به ستون باید خودداری کنیم)، طول این ناحیه (ناحیه هاشور خورده) به‌اندازه 83 درصد عمق تیر متصل به ستون در نظر گرفته می‌شود.

شکل 20 ناحیه حفاظت شده اتصال دهنده های برشی

3.1.6. اتصال مستقیم تیر به ستون با اتصالات پیچی

در اتصال تیر به ستون با اتصال پیچی و ورق بالاسری و پایین سری (به‌صورت نبشی و یا ورق لچکی)، ناحیه حفاظت‌شده از فرمول زیر قابل محاسبه هست:

(Protected zone: min (s, d, bf

که در آن:

S: طول نبشی

d: ارتفاع تیر

bf: عرض بال تیر

شکل 21 اتصال مستقیم تیر به ستون با اتصال پیچی

شکل 22 اتصال مستقیم تیر به ستون با اتصال پیچی

در شکل زیر ناحیه حفاظت‌ شده برای قاب خمشی قوی نشان داده شده است و چون تیر در این اتصال عضو تسلیم‌شده نیست، ناحیه حفاظت‌ شده شامل محل اتصال تیر به ستون و بال تیر و محل برش جان تیر هست.

شکل 23 اتصال مستقیم تیر به ستون با اتصالات پیچی قوی

2.6. مهاربند همگرا

محل وصله مهاربند فقط نبایستی در محل تشکیل مفصل باشد. درواقع طبق مبحث دهم بند 10-3-2-17 در مکان‌های حفاظت‌شده بایستی از ایجاد وصله خودداری نمود.

در ادامه مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1401 و AISC-341-16 مکان‌های زیر را به عنوان نواحی حفاظت شده در مهاربند‌های همگرا ویژه نشان داده است، که در آن‌ها وصله مجاز نیست.

3.6. مهاربند واگرا

مانند مهاربند همگرای ویژه برای بررسی مهاربند واگرا و ناحیه‌های حفاظت شده آن به سراغ ویرایش جدید مبحث دهم رفته و مشاهده می‌شود که برخلاف مهاربندهای همگرا، محدودیتی برای مکان وصله در این مهاربند وجود ندارد و طبق بند 10-3-4-3-5-3 مبحث دهم برای تیرهای پیوند قاب‌های مهاربندی‌شده واگرا، تمام طول آن به‌عنوان طول محافظت‌شده در نظر گرفته می‌شود؛ لذا تیر پیوند به‌عنوان فیوز سازه‌ای ایفای نقش خواهد کرد.

نتیجه گیری

فیوز سازه‌ای استاندارد از جمله از روش‌های حفاظتی برای جلوگیری و کاهش خسارات سازه‌ها در برابر بار زلزله محسوب می‌شود. فیوز سازه‌ای در حقیقت بر روی خرابی اعضای از پیش تعیین شده در یک سازه، به هنگام وارد شدن نیروی ناشی از زلزله تمرکز دارد. فیوز سازه‌ای بتنی و فولادی، انواع مختلفی داشته و مطابق با نظر مهندس طراح، بهترین نوع آن برای یک سازه انتخاب می‌شود.

منابع

1. آیین‌نامه زلزله استاندارد 2800
2. آیین‌نامه AISC
3. مبحث دهم مقررات ملی ایران
4. توسعه و کاربرد ایده فیوز سازه ای در طراحی لرزه‌ای سازه‌ها، مازیار حسینی، محمدصادق روحانیمنش، مجید طارمی
5. مدل‌سازی مهاربندهای مقید شده در برابر کمانش تحت اثر بارهای دینامیکی، هاشم شریعتمداری، حسین عباس زاده، مجله مدل‌سازی در مهندسی، سال هفتم، شماره 18، پاییز 1388
6. Chen, C.C. “Recent Advances of seismic Design of Steel Building in Taiwan , International Training Programs for Seismic Design of Building Structures Hosted by National Center for Research on Earthquake Engineering Sponsored by Department of International Programs, National Science Council.

• مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!

• ارسال سوال برای تولید محتوا