Kbr سختی محوری مهاربند
Lbr طول هسته مرکزی
E مدول الاستیسیته
brδ کرنش ناحیه تسلیم
εbr تغییر مکان نسبی
R ضریب رفتار
βeef ضریب میرایی
Keff سختی موثر
Δ جابه‌جایی
be عرض ناحیه ویتمور
فصل اول
مقدمهمقدمه
برای مقابله با نیروی جانبی ناشی از زلزله می‌توان از سیستمهای مختلفی استفاده کرد. تعدادی از آنها که در ساختمان‌های معمولی کاربرد دارند عبارت است از:
دیوارهای برشی بتن آرمه[۱]
دیوارهای برشی فولادی[۲]
قابهای خمشی) بتنی و فولادی)[۳]
سیستم مهاربندی[۴]
سیستم دیوارهای برشی بتنی
چنانچه تیر و ستون‌های سازه بتنی قابلیت تحمل بارهای ثقلی را داشته اما تحت بارهای لرزه‌ای آسیب‌پذیر باشد، اضافه نمودن دیوار برشی باعث جذب نیروی جانبی لرزه‌ای توسط این دیوارها شده و از اعمال نیروها و تغییر شکل‌های لرزه‌ای به تیرها و ستونها جلوگیری می کند. در نتیجه اضافه نمودن تنها دو یا چهار دیوار برشی باعث کاهش آسیب‌پذیری تمامی تیرها و ستونها می‌گردد. البته باید توجه داشت که بعلت سختی زیاد دیوارهای برشی، معمولا نیروهای زیادی در فونداسیون زیر آنها ایجاد می‌گردد که مقابله با آنها مستلزم تقویت شدید فونداسیون موجود و یا اضافه نمودن شمع در پای دیوارهای برشی می‌باشد.
اتصال دیوار برشی به سازه باید به نحوی باشد که بتواند نیروی طبقه را به دیوار منتقل نماید تا دیوار بتواند نیروی زلزله را به خود جذب کند و با سختی خود تغییر شکل‌های جانبی ساختمان را کاهش دهد. برای این منظور در تراز سقف‌ها باید اتصالات مناسبی توسط کاشت بولت بین دیوار برشی و دال برقرار گردد. همچنین می‌توان با بهره گرفتن از کاشت بولت در تیر و ستون و پوشاندن این المان‌ها در بتن دیوار برشی انسجام خوبی بین دیوار و سازه موجود برقرار نمود.
سیستم دیوارهای برشی فولادی
این نوع از سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی که بویژه در سه دهه اخیر رواج یافته، برای ساخت سازه‌ها و مقاوم‌سازی و تقویت ساختمان‌های قدیمی به کار می‌رود. نکتۀ مثبت این سیستم در تقویت ساختمان‌های قدیمی، امکان سرویس دهی ساختمان به دلیل نصب سریع و راحت آن است. از مزایای آن صرفه‌جویی در مصرف فولاد تا حتی %۵۰ ، سادگی اجرا، سرعت نصب و هزینۀ کمتر را می‌توان نام برد. از این سیستم می‌توان هم در سازه‌های فولادی و هم در سازه‌های بتنی استفاده کرد. سختی برشی آن از سایر سیستمهای مقاوم جانبی مثل سیستم مهاربندی و دیوار برشی بتنی، بیشتر بوده و جذب انرژی آن بهتر است.
رفتار آن در برابر کمانش و پس‌کمانش مناسب و بطور کلی از پایداری خوبی برخوردار است. دیوارهای برشی نه تنها برای مقابله با خطراتی مثل انفجار و طوفان مناسب است. بلکه برای مقاومت در برابر نیروهای ناشی از شدیدترین زلزله‌ها هم بهترین سیستم محسوب می‌شود. از بزرگترین و مهمترین خاصیتهای استفاده از این سیستم، صرفه‌جویی قابل ملاحظه در فضا به دلیل کاهش ضخامتها است. بررسی اقتصادی سیستم نشان میدهد که استفاده از آن خصوصاً به جای قابهای خمشی صرفه‌جویی قابل ملاحظه‌ای در مصرف فولاد، به دنبال دارد.
سیستم قابهای خمشی
این اصطلاح زمانی به یک قاب اطلاق می‌شود که در گره‌های موجود در قاب اتصالات مفصلی نداشته و به جای آن، گره‌ها کاملا صلب بوده و در برابر چرخش مقاومت کنند. معمولاً از لحاظ استاتیکی نامعین هستند. اعضای قابهای خمشی رفتاری مثل تیرستونها دارند. البته چرخش کل یک گره با حفظ حالت و زوایای اعضای متصل به آن صورت می‌پذیرد، که مقدار چرخش و پخش لنگر در بین اعضا به سختی اعضای متصل بستگی دارد. گیرداری ستونها، طول مؤثر آنها را کاهش و اجازه میدهد ستونها لاغرتر باشند. به خاطر صلب بودن اتصالات، لنگرها و چرخشهای تیرها هم کاهش می‌یابد. قابهای خمشی به نشست بسیار حساس می‌باشند، زیرا کرنشهای موجود در قاب را تشدید کرده و توزیع تنش در آنها را تغییر میدهد.
اتصالات در قابهای خمشی فولادی به این صورت است که بال اعضاء به طور کامل به بال اعضای دیگر متصل می‌شوند. این کار را می‌توان با جوشکاری یا صحفات پیچ و مهره‌دار انجام داد. و در قاب خمشی بتنی اتصالات بطور یکپارچه با آرماتورهای خمشی پیوسته، اجرا می‌شوند. برش را با بهره گرفتن از قیود لازم کنترل می‌کنند.
سیستم مهاربندی فولادی
قابهای خمشی فولادی در اثر حرکات شدید زمین، تغییرمکانهای زیادی را تجربه می‌کنند و سه مسأله مهم یعنی آسیب‌دیدگی اعضای غیرسازه‌ای، تشدید اثر Ρ-Δ و همینطور ترک‌خوردگی و شکست اتصال تیر به ستون در ساختمانها را به دنبال دارند. به همین دلیل مهندسین به استفاده بیشتر از قابهای مهاربندی شده روی آورده‌اند. مهاربندی به شکل تکی معمولا ظرفیت شکل‌پذیری کمی دارد. رفتار هیسترتیک مهاربندی در کشش و فشار متقارن نیست و در هنگام بارگذاری یک طرفه معمولا مقاومت زیادی از دست می‌دهند. به خاطر همین رفتار پیچیده، توزیع واقعی نیروهای داخلی و تغییرشکلها با آنچه روش های مرسوم طراحی پیش‌بینی می‌کنند، مغایرت دارد. ساده سازیهای طراحی و ملاحظات اجرایی معمولا موجب می‌شوند که مهاربندیهای بعضی از طبقات بسیار قوی‌تر از آنچه مورد نیاز است و در بعضی طبقات نتایجی نزدیک به اهداف طراحی داشته باشند.
همۀ مسائل گفته شده به اضافه درنظرگرفتن از دست رفتن مقاومت مهاربندی پس از کمانش موجب می‌شوند در یک ساختمان با بعضی از طبقات ضعیف روبرو باشیم که خرابیهای ناشی از زلزله وسایر بارهای جانبی در آنها متمرکز می‌شود که اگر منجر به خرابی کلی نشود، خرابی اعضای غیرسازه‌ای را به دنبال خواهد‌داشت. به همین خاطر از سال ۱۹۹۰ ضوابط طراحی مهاربندها تغییر کرد و البته تحقیقات زیادی برای بهبود وضعیت فوق به خصوص در مورد مهاربندیهای همگرا صورت گرفت. در واقع سیستم مهاربندی متشکل از تیرها و ستون‌هایی است که با اعضایی فولادی و با اتصالاتی مفصلی به هم متصل شده‌اند تا در در برابر نیروهای جانبی مقاومت کنند.
انواع مهاربندیها
به طور کلی مهاربندها را می‌توان به مهاربندیهای هم‌محور که در آنها فقط اعضای مهاربند به کشش یا فشار می‌افتند و مهاربندهای برون‌محور که در آنها قسمتهایی از سازه هم به برش یا خمش افتاده و در باربری دخیل می‌شوند، تقسیم کرد. و اما از اشکال مختلف آن که متداول هستند می توان به مهاربندیهای زانویی یا شورون، ضربدری، قطری تقسیم کرد.
قابهای مقاوم در برابر کمانش [۵](BRBF) نوع جدیدی از سیستمهای مهاربندی هستند. با توجه به جلوگیری از کمانش مهاربند، همان طور که در شکل ۱-۱ نشان داده دارای چرخه‌ی متقارن انرژی می‌باشند.
شکل ۱.۱ رفتارکلی مهاربندمعمولی و مهاربندBRB تحت بارگذاری چرخه‌ای
ضوابط طراحی (BRBF)هنوز در هیچ یک از آیین نامه‌های معتبر دنیا به‌طور کامل پوشش داده نشده است. با این وجود پیشنهادهایی دردستور العملFEMA-450 و نیز بخش لرزه‌ای آیین نامه AISC برای طراحی این قاب‌ها مطرح شده‌است.
اجزای مهاربند کمانش‌ناپذیر متداول
شکل ۱.۲ اجزای سازندهBRBF [۱]
-
- قطعه جاری شونده‌ی محصور شده: این قطعه می‌تواند مستطیلی، صلیبی و … باشد. به دلیل اینکه این قطعه برای جاری شدن تحت بار سیکلیک طراحی می‌شود، فولاد نرمه که شکل پذیری بیشتری را از خود نشان میدهد کاربرد بیشتر دارد.
-
- قطعه الاستیک محصور شده: این قطعه معمولا دارای مساحت بزرگتری نسبت به هسته مرکزی می‌باشد تا از پاسخ الاستیک آن اطمینان حاصل شود. این امر می‌تواند با عریض کردن هسته فولادی میسر گردد. همچنین برای افزایش مساحت استفاده از سخت‌کننده جوش شده به هسته فولادی بلامانع است. این قسمت در بعضی از مهاربندهای کمانش‌ناپذیر وجود ندارد.
-
- قطعه الاستیک محصور نشده: این قطعه ادامه قطعه الاستیک محصور شده می‌باشد که مهاربند را به اتصال صفحه اتصال ( گاست پلیت) وصل می‌کند. در طراحی این قطعه باید به کمانش موضعی آن و تسهیل نصب و جدا کردن این مهاربند توجه شود.
-
- مصالح جداکننده و انبساطی: مصالح لغزنده‌ای که به طور موثری انتقال برش بین هسته فولادی و ملات را حذف کنند و یا به حداقل برسانند. موادی مثل لاستیک، پلی اتیلن، روغن سیلیکون، نوار ماستیک و …… از جمله این مواردند.
اهداف و دامنه پژوهش
بررسی و مرور مقالات و گزارش ها نشان میدهد، مهاربندهای کمانش‌ناپذیر عمدتا به شکل‌های قطری و شورون مورد استفاده قرار می‌گیرند. در نتیجه مطالعات بسیار وسیعی روی آنها شده‌است. در فصل دوم بخشی از این مطالعات بیان می‌شود. در پژوهش حاظر ایده‌ای برای طراحی مهاربند کمانش‌ناپذیر به شکل ضربدری با بهره گرفتن از صحفه صلب در وسط اتصال اجزای مهاربند و مقایسه رفتار مهاربند قطری با آن بیان می‌گردد. برای مدل‌سازی از نرم افزار اجزای محدود آباکوس (ABAQUS) استفاده شده. در فصل سوم مدل آزمایشگاهی مطالعه شده برای صحت‌سنجی نرم‌افزار، در فصل چهارم طراحی مدل ضربدری و قطری، فصل پنجم بحث و بررسی و فصل ششم نتیجه‌گیری و پیشنهادها مطرح می‌گردد.
فصل دوم
پیشینه و مرور تحقیقات انجام شدهپیشینه و مرور تحقیقات انجام شده
هرچند که در طول سال‌های متمادی، روش‌های ساخت و طراحی سازه‌ها گسترش یافته‌است. اما همچنان اثر زلزله از مهمترین مشکلات طراحی ساختمانها در مناطق لرزه‌خیز می‌باشد. مهاربندهای معمولی در مقابل بارهای جانبی زمین‌لرزه یا نیروی باد دچار تغییرشکلهای جانبی زیادی می‌شوند. در صورتی که این تغییرشکلها از حد معینی زیادتر شود، موجب بروز خرابی سازه‌ای و غیر سازه‌ای شده ایمنی و یکپارچگی سازه به خطر می‌افتد. خرابی تحت اثر P-Δ تشدید شده و تغییر شکل‌های مخرب افزون‌تر می‌گردد. برای مقابله با چنین تغییرشکل‌هایی انواع مختلف المان‌ها و سیستم‌ها در قابهای فولادی به کار برده می‌شوند.
المان‌های قطری در مهاربندهای هم‌مرکز معمولی علی‌رغم اینکه سختی و مقاومت سازه را افزایش می‌دهند، اما استهلاک انرژی قابل توجهی را در حین زلزله نشان نمی‌دهند. رفتار پس‌کمانشی ضعیف، زوال سختی و مقاومت و خستگی سیکل کم مشکل عمده و اساسی در عملکرد اعضای فشاری است. وقتی کمانش اتفاق می‌افتد سختی جانبی به شدت افت کرده و پایداری قاب کاهش یافته، باعث خرابی شدید در اعضای سازه‌ای و غیرسازه‌ای شده و در پاره‌ای موارد باعث فرو ریختن سازه می‌گردد.
بدین ترتیب مهاربندهای معمولی دارای ظرفیت شکل‌پذیری محدود و چرخه‌ای نامتقارن انرژی هستند.[۲] برای غلبه بر مشکلات ذکر شده، انواع جدیدی از مهاربندها از حدود سه دهه پیش و برای اولین بار در ژاپن توسط Yashino و همکاران[۳] گسترش یافته‌است. و تکنولوژی این سیستم در سال ۱۹۸۸ به آمریکا منتقل شد، و اولین بار Tremblayو همکاران در سال ۱۹۹۹ آزمایشات تئوری و عملی بر روی مهاربند کمانش‌ناپذیر به منظور استفاده در یک سازه ۴ طبقه در شهر Quebec در کانادا انجام دادند.[۴]
