بررسی انواع سیستم های مهاربندی

سیستم های مهار بندی

یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای مقابله با نیروهای جانبی در سازه‌های فولادی غیربلند استفاده از مهاربند است. مهاربندها به شکل‌های گوناگونی اجرا می‌شوند. پیکربندی سیستم‌های مهاربندی عموماً از نوع هم مرکز (هم محور) یا خارج از مرکز (برون محور) است. مهاربندهای هم مرکز سختی سازه را نسبت به قاب خمشی معادل به شدت افزایش داده و تغییر مکان جانبی سازه را محدود می‌نمایند. سیستم مهاربندی برون محور دو ویژگی سختی مناسب جانبی و جذب انرژی بالا را با یکدیگر ترکیب کرده و به کار می‌گیرد. در سیستم مهاربند برون محور، برون محوری اتصال مهاربندی سبب پدید آمدن لنگرهای خمشی و نیروهای برشی بزرگی در ناحیۀ تیر نزدیک به مهار می‌شود‌. به این ترتیب، تنش‌های این ناحیه از تیر وارد محدوده غیر ارتجاعی شده و سبب اتلاف انرژی ناشی از زمین لرزه می‌شود. این ناحیه از تیر، پیوند نام دارد.
‌در سیستم مهاربندی هم محور‌، بادبند‌ها از محل تقاطع تیر و ستون عبور می‌نمایند و در بعضی از فرم‌های این نوع مهاربندی، محور دو بادبند در یک نقطه مشترک بر روی تیر با هم تلاقی می‌کنند‌. این سیستم دارای سختی جانبی بسیار بالایی بوده و به این علت که نیروهای جانبی توسط اعضاء به صورت محوری منتقل می‌شوند، سیستمی اقتصادی هستند. مهار‌بندی هم محور علی رغم سختی بالا و مناسب و نیز سهولت طراحی و اجرا دارای اشکالاتی هم است. مهمترینِ این اشکالات از لحاظ معماری ایجاد محدودیت برای اجرای درب‌ها و پنجره‌ها و از نظر سازه‌ای کمانش بادبند‌ها است. کمانش بادبندها منجر به شکل پذیری کم و ظرفیت کم اتلاف انرژی می‌شود. در قاب بادبندی شده برون محور به جای برخورد بادبند به محل اتصال تیر و ستون یا تقاطع محورهای دو بادبند در یک نقطه، با ایجاد یک انحراف، بادبند به تیر متصل می‌شود. قسمتی از تیر که بین تیر و ستون یا بین دو بادبند قرار می‌گیرد، تیر پیوند نامیده می‌شود و به صورت یک فیوز شکل پذیر عمل می‌نماید. در این سیستم تیر پیوند از وارد شدن نیروی بیش از حد به بادبندها و کمانش آن جلوگیری می‌کند. تیر پیوند با تغییر شکل‌های پلاستیک در مود خمشی یا برشی، مقدار زیادی از انرژی وارد شده را مستهلک می‌نماید. سختی مناسب خاصیت عمده سیستم بادبندی هم محور است. شکل پذیری بالا نیز ویژگی عمده قاب خمشی است. در واقع می‌توان گفت که سیستم بادبندی برون محور ترکیب کننده این دو ویژگی مهم است.

در بادبندهای واگرا پیوندهای کوتاه با قابلیت تغییر شکل‌های پلاستیک در خمش یا برش دارای ظرفیت استهلاک انرژی بالایی هستند. در این سیستم حدود ۵ تا ۱۵ درصد از مصرف فولاد در مقایسه با قاب خمشی شکل پذیر کاسته می‌شود، اما به هر حال سیستم های واگرا نیز دارای نقاط ضعفی هستند. برای نمونه می‌توان گفت که استهلاک انرژی توسط تیر پیوند که بخشی از اعضای اصلی قاب است، انجام می‌شود که در نتیجه تعمیر یا تعویض آن بعد از یک زلزله شدید مشکل و پر هزینه خواهد بود. همچنین به منظور فعال کردن تیرهای پیوند، نیاز به اتصالات صلب در قاب است. از دیگر معایب این سیستم می‌توان به اعوجاج بیش از حد سقف در اثر تغییر شکل‌های زیاد تیرهای پیوند اشاره کرد.


ویژگی های اساسی سیستم مهاربندی
 

شکل پذیری محدود است

نامعینی بالایی ندارند

مشارکت کلیه اعضای سازه در باربری جانبی فراهم نیست

دیافراگم‌ها نقش عمده‌تری در رفتار لرزه‌ای ایفا می‌نمایند

ظرفیت باربری الاستیک زیادی دارند

در این سیستم‌ها عناصر تعیین کننده رفتار غیر ارتجاعی مهاربندها هستند

ستون‌های طرفین دهانه مهاربندی در این سیستم عناصر مقاومتی هستند.

نقش سیستم های مختلف مهاربندی در مقاوم سازی سازه های فولادی
 

آشناترین ‌سیستم مهاربندی در سازه‌های فولادی‌، مهاربندی ضربدری هم مرکز است که با وجود سختی مناسب از لحاظ شکل پذیری  و جذب انرژی‌، عملکرد عمدتاً ضعیفی دارد. از سوی دیگر قاب‌های خمشی (MRF)با وجود شکل پذیری بسیار بالا، از نظر سختی و کنترل تغییر مکان‌، به هیچ وجه رفتار مناسبی ندارند.

سیستم‌هایی که بر هر دو مشکل فوق غلبه می‌کنند به دو طیف عمده سیستم‌های مهاربندی خارج از مرکز (EBF)و سسیستم مهاربندی زانویی (KBF)تقسیم می‌شوند. سیستم EBFعلی رغم شکل پذیری بسیار عالی، سختی نسبتاً مناسب و تسهیلاتی که به لحاظ ایجاد بازشوها ایجاد می‌کند. به دلیل مشکل ترمیم تیر پیوند‌، پس از یک زلزله شدید و مشکلات طرح و اجرای خود پیوند، نقطه ضعف‌هایی هم دارد.

اما در سیستم KBFالمان مستهلک کننده انرژی‌، عضو زانویی است که مانند یک فیوز شکل پذیری عمل می‌کند و تشکیل مفاصل پلاستیک محدود به آن است. عضوی که تعویض آن (جهت بهره برداری مجدد از سازه) پس از یک زلزله شدید سهل تر و عملی تر خواهد بود.

اصولاً در بررسی و مقایسه سیستم‌های مختلف مهاربندی دو معیار عمومی زیر را باید مورد توجه قرار داد.

1. در زلزله‌های معمولی که خسارت در آن به صورت غیر سازه‌ای است، سازه باید برای حفظ تغییر شکل‌ها در زیر حدی، دارای سختی کافی باشد.
2. شکل پذیری آن به اندازه‌ای باشد که در زلزله‌های شدید، دچار تخریب سیستم سازه‌ای و انهدام عمومی نشود.

استفاده از دو معیار عمومی فوق الگوی ما در بررسی سیستم‌های مختلف و متفاوتی است که می‌توان آنها را به سه دسته عمومی، مهار‌بندی هم مرکز Concentrated Bracing Frames‌، مهاربندی خارج از مرکز  Eccentric Bracing Framesو مهاربندی زانویی Knee Bracing Framesتقسیم می‌شود.

مهاربند های هم مرکز CBF

‌مشخصه عمده این سیستم آن است که محورهای خنثی در اعضای مختلف در یک نقطه مشترک تلاقی می‌کنند.

یکی از مهمترین خواص مهاربندی هم مرکز سختی بالای آن است. به همین دلیل معمولاً با افزایش تعداد طبقات و ارتفاع ساختمان و وقتی که استفاده از سایر سیستم‌ها غیر اقتصادی می‌شود این مهاربندی به میدان میآید.

مهاربندهای هم مرکز ضربدری علی رغم سختی بسیار بالا و خوبشان و علاوه بر آن سهولت طراحی و اجرا دو اشکال اساسی دارند.

محدودیت‌های معماری در مورد در و پنجره

شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی بسیار کم، که عمدتاً به دلیل کمانش کلی یا موضعی عضو فشاری مهاربند و تا حدی ضعف اتصالات مفصلی حاصل می‌شود.

مشکل اول یعنی محدودیت‌های معماری مهاربند ضربدری را بعضی از طراحان با فرم‌های دیگر این نوع مهاربندی از جمله مهاربندی Z (یک طرفه)، مهاربندی V، مهاربندی شورون، مهاربندی K‌‌برطرف کرده‌اند.

اما نکته حائز اهمیت این است که فرم‌های متفاوت با فرم ضربدری الزاماتی خاصی را نیز در طراحی ایجاد می‌کند. که در صورت عدم توجه به آن‌ مهاربند و به تبع آن سازه اصلی دچار مسائلی خواهند شد.

در مهاربندی ضربدری معمولاً از اثرات بار ثقلی بر اعضای قطری صرف نظر می‌شود اما در فرمهای Vو K مهارها، تکیه گاه تیری که به آن وصل شده اند خواهند بود و طبعاً باید اثرات بارهای ثقلی را برای آنها در نظر گرفت.

در بادبندهای Vو ۸ اگر یکی از اعضا‌ در فشار، کمانش کند، در تیر کف، خیزهای قائم بزرگی در نقطه اتصال مهاری به آن رخ می‌دهد. که نهایتاً‌ ‌موجب گسیختگی تیر می‌شود. بنابراین طراحی تیر باید به گونه‌ای باشد که بتواند نیروهای بزرگ ناشی از مهاری را هم تحمل کند.

عملاً در بادبندهای Kو لوزی به علت تغییر مکان وسط ستون لنگرهای اضافی در ستون حتی در ناحیه الاستیک ایجاد می‌شود که ممکن است موجب خرابی شود.

بادبند Z (یک طرفه) را فقط باید موقعی به کار برد که در همان محور در دهانه دیگری بادبند طرف دیگر موجود باشد. مگر آنکه عدم کمانش عضو قطری قابل اطمینان باشد.

در ارتباط با مشکل دوم یعنی شکل پذیری و با توجه به منحنی هیسترزیس نمونه این نوع مهاربند، مشاهده می‌شود که حلقه های هیسترزیس بسیار ناپایدار و نامنظم است و مخصوصاً تحت بارهای متناوب دیده می‌شود. که بعد از چند سیکل بر اثر کمانش اعضای فشاری سیستم مهاربندی حتی تا ۵۰٪ مقاومت خود را از دست می‌دهد. به دلیل ضعف در جذب انرژی و شکل پذیری است که در مناطق زلزله خیز شدید استفاده از این مهاربند به شکل گسترده پیشنهاد نمی‌شود.

در مورد مهاربند هم مرکز برای یک طراحی بهینه، مفصل‌های خمیری ابتدا باید در اعضای قطری ایجاد شوند نه در تیر یا ستون.

مهاربندهای خارج از محور EBF

یکی از مهمترین مزایای این نوع مهاربندها انعطاف پذیری بالای آنها از لحاظ مسائل معماری است. در این سیستم محل اتصال اعضای مهاربند به طور عمد در محل تلاقی تیر و ستون قرار نمی‌گیرد و در نتیجه از پیچیدیگی محل اتصال جلوگیری می‌شود.

در این سیستم قسمتی از تیر که بین عضو قطری تا ستون یا بین دو مهار‌بند قرار می‌گیرد دارای این خاصیت است که می‌تواند نیروهای مهاربندی را از طریق خود به ستون یا عضو قطری دیگر انتقال دهد و نهایتاً نیروهای متعادلی را به مهاربند وارد سازد. در واقع پیوند در اینجا مانند فیوزِ شکل پذیری عمل می‌کند و خود مقادیر عمده‌ای از انرژی جانبی را جذب می‌کند. در یک طراحی درست برای سیستم EBF، این تیر پیوند است که باید با تشکیل مفصل‌های خمیری‌، تغییر شکل‌های بزرگ غیر ارتجاعی را تحمل کند. عناصر قطری باید طوری طراحی شوند که حتی در مقابل بارهای جانبی شدید هم کمانش نکنند. به همین علت طول پیوند و کم یا زیاد شدن آن در رفتار سیستم نقش مهمی دارد. با نزدیک شدن محل اتصال به اتصال تیر و ستون (پیوند برشی)، سختی سیستم به مهاربندی CBFنزدیک می‌شود و با دور شدن از آن (پیوند خمشی) سختی کمتر شده و در عوض انعطاف پذیری سیستم بیشتر شده و به سیستم به قاب خمشی شبیه می‌شود. سیستم EBFترکیب کننده سختی مناسب CBFو شکل پذیری و قابلیت جذب انرژی بسیار خوب سیستم MRFاست.

استفاده از قاب‌های مهاربندی شده خارج از مرکز برای مقابله با زلزله این روزها مورد توجه قرار گرفته است. عملکرد شکل پذیری بسیار خوب این سیستم تحت بارهای تناوبی، نسبت مستقیمی با تسلیم برشیِ تیر پیوند دارد. بنابراین در پروسه طراحی تعیین طول بهینه پیوند و فراهم آوردن سخت کننده‌های مناسب برای جان تیر از اساسی ترین نکات است.

سیستم EBFنقاط ضعفی هم دارد که مهمترین آنها عدم قابلیت تعویض تیر پیوند پس از یک زلزله شدید است. چرا که پیوند بخشی از تیر قاب اصلی است که تعویض آن به سهولت میسر نخواهد بود. علاوه بر ان به منظور فعال کردن ظرفیت استهلاک انرژیِ پیوندهای برشی‌، المان‌های قطری سنگین، مورد نیاز است که این المان‌های سنگین فقط در هنگام اعمال بارهای جانبی شدید به کار خواهند افتاد.

المان‌های پیوند به دلیل اندازه و محل قرار گیریشان در معرض حالت‌های بسیار پیچیده تنش – کرنش هستند. این امر باعث پیچیده‌تر شدن پروسه تحلیل و طراحی قاب می‌شود. نکته دیگر آن که سیستم به منظور فعال کردن پیوندهای برشی، به اتصالات صلب نیاز دارد. صلب کردن اتصال مسائل و مشکلات خاص خود را به همراه دارد.

کمانش بادبند ها
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 …

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 وموضعی 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

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.
 

برچسب ها :