نظام مهندسی ساختمان میبد

Meybod Construction Engineering Organization

بررسی مقايسه اي سيستمهاي مقاوم در برابر بار جانبي در سازه هاي فولادي

سازه هاي ساختمانی تحت اثر نیروهاي ناشی از زلزله دچار تغییر مکان می شوند .متداولترین روش کنترل تغییر مکانهادر سازه هاي فولادي که معمولاً از نوع جانبی هستند ، مهاربندها می باشندکه به شکلهاي گوناگونی اجرا میشوند. پیکربندي سیستمهاي مهاربندي عموماً از نوع هم مرکز(هم محور) یا خارج از مرکز (برون محور ) می باشد . مهاربندهاي هم مرکزسختی سازه را نسبت به قاب خمشی معادل به شدت افزایش داده و تغییر مکان جانبی سازه را محدود می نمایند .سیستم مهاربندي برون محور دو ویژگی " سختی مناسب جانبی " و "جذب انرژي بالا" را با یکدیگر ترکیب کرده و بکار می گیرد .در این سیستم، برون محوري اتصال مهاربندي سبب پدیدآمدن لنگرهاي خمشی و نیروهاي برشی بزرگی در ناحیۀ تیر نزدیک به مهار ، می شود . به این ترتیب، تنشهاي این ناحیه از تیر وارد محدودة غیر ارتجاعی شده و سبب اتلاف انرژي ناشی از زمین لرزه می شود.این ناحیه از تیر" پیوند" نام دارد.

در این نوشتار به طور مختصر به بررسی رفتار قابهاي خمشي (MRF ) ، مهاربندهاي هم محور (CBF) و برون محور (EBF نیز به معرفی نوعی مهاربند موسوم به مهاربند زانویی(KBF) می پردازیم. در این سیستم مهاربندي، حداقل یک انتهاي بادبند به جاي اتّصال به محل برخورد تیر و ستون به عضو زانویی که بطور مایل بین تیر و ستون قرار می گیرد، وصل می شود. عضو قطري مهاربند تأمین کنندة سختی سیستم است، در حالیکه شکل پذیري تحت اثر بارهاي شدید جانبی از طریق جاري شدن خمشی عضو زانویی بدست می آید. این سیستم مهاربندي، روشی کاملاً جدید است که هنوز وارد آیین نامه ها نشده است، اما با توجه به مقاومت، سختی، شکل پذیري بالا و سایر ویژگی هاي مناسبی که دارد، ممکن است به زودي به عنوان سیستمی مناسب در مقابله با نیروهاي جانبی در طراحی ها لحاظ گردد. در ادامه مشخصات برخی از سیستم های متداول مقابله با زلزله و مزایا و معایب آنها تشریح میشود .

1- قاب مقاوم خمشی (MRF)

این سیستم به خاطر نوع رفتاری که در برابر بارهای جانبی دارد ، در بسیاری از سازه ها ی فولادی به کار برده می شود . مهمترین مشخصه آن، نحوه اتصال اعضاء می باشد، به نحوی که اتصالات در قاب مقاوم خمشی دارای چنان سختی می باشد که زاویه میان اعضاء تحت اثر بار ، بدون تغییر باقی می ماند. قاب خمشی از نظر سختی رفتار مناسبی نداشته آنچنان که برای جواب گویی به نیاز های تغییر شکل نسبی نیاز به مقاطع بزرگ و پر هزینه پیدا می کند . مزایای عمده این سیستم عبارت است از :

- فواصل بین ستون ها به صورت آزاد در اختیار عملکرد معماری است .

- قاب های خمشی به محض اجرا قابلیت تحمل نیروی جانبی را دارند .

- قابلیت شکل پذیر و استهلاک انرژی بالایی دارند .

- سیستم مقاوم در برابر زلزله در همه قسمت های سازه پخش شده و در یک جا متمرکز نمی باشد .

معایب اصلی قاب خمشی به شرح ذیل است:

- مشکل عمده گیر دار کردن اتصال در این سیستم وجود دارد .

- از سیستم های دیگر به طور معمول هزینه بیشتری دارد .

- مقطع ستون ها معمولاً بسیار بزرگ بوده و جای زیادی می گیرند که در این صورت مزیت عمده سازه فولادی نسبت به بتنی که جایگیری کم اعضاء می باشد خدشه دار می شود .

- به علت سختی جانبی کم، تغییر مکان افقی زیادی درمقابل نیروهای جانبی از خود نشان داده و ممکن است عناصر غیر سازه ای در معرض آسیب قرار گیرند .

2- قاب بادبندی شده هم محور (CBF)

در سیستم مهاربندی هم محور ، بادبند ها از محل تقاطع تیر و ستون عبور می نمایند و در بعضی از فرم های این نوع مهاربندی، محور دو بادبند در یک نقطه مشترک بر روی تیر با هم تلاقی می کنند . این سیستم دارای سختی جانبی بسیار بالایی بوده و به علت اینکه نیروهای جانبی توسط اعضاء به صورت محوری منتقل می شوند سیستمی اقتصادی می باشند . مهار بندی هم محور علی رغم سختی بالا و مناسب و نیز سهولت طراحی و اجرا دارای اشکالاتی هم می باشد که از جمله مهمترین آن ها محدودیت معماری در مورد درب ها و پنجره ها و نیز شکل پذیری و ظرفیت اتلاف انرژی کم آن به دلیل کمانش بادبند ها می باشد. در شکل 1 نمونه ای از این سیستم نشان داده شده است .

شكل 1 نمونه هايي از سيستم بادبندي هم محور (CBF)

معمولترین نوع مهار هاي هم محور، مهار هاي قطري ، k ، ضربدري ، 7و8 می باشند . طبق آئین نامۀ فولاد ایران،مهاربندي 7و8 و K بايد ضوابط زير را بر آورده سازند:

الف: مهار بندي 7 و 8

(I) اعضاي مهار بند باید براي 5/1 برابر نيروي زلزله طراحي گردند.

(II)تیر افقی باید در حد فاصل دو ستون به صورت پیوسته باشد.

(III)در مهاربندي هاي نوع 8 تیر افقی باید قادر به تحمل نیروهاي قائم در حد فاصل دو ستون

بدون توجه به وجود مهاربند باشد.

ب: مهاربندي هاي k

استفاده از مهاربندیهاي k ممنوع است مگر در ساختمانهاي یک و دو طبقه مجاز دانسته شده در بند مربوط به ساختمانهاي منظم تا پنج طبقه و کوهتاهتر از 18 متر که در این صورت باید ضوابط بند الف نیز رعایت گردد.

در مورد مهار هاي 7 و 8 و k آئین نامه لازم می داند که این مهارها براي 5/1 برابر نیروي زلزله طرح گردند. اگر یکی از دو عضو یک مهاربند 8 در فشار کمانش نماید، نیروي مهار کششی افزایش خواهدیافت و بیشتر از مهار فشاري خواهد بود . در این صورت ، مؤلفۀ قائم این نیروها یکدیگر را خنثی نکرده و باعث تغییر شکل قائم بزرگی در تیر می گردند. تیر در صورتی دچار شکست نمی شود که در محل اتصال به مهار پیوسته باشد به این خاطر ، آئین نامه مقرر می نمایدکه تیر افقی میان دو ستون پیوسته بوده و داراي وصله اي نباشد . حتی در صورتیکه تیر دچار مشکلی نشود در بازگشت بار لرزه اي عضو کمانش کرده در گا م پیشین به خاطر تغییر شکل قائم زیاد گره اتصال دوباره به وضعیت مستقیم قبلی خود باز نمی گردد . به این ترتیب ، عضوي که در رفت بار، کششی بوده است ، در بازگشت بار باید بار بیشتري را در فشار تحمل کند و امکان کمانش همزمان هر دو عضو دستگاه مهاربندي پدید می آید .

علت به کار بردن ضريب 5/1برابر نیروي زلزله ، پیشگیري از چنین وضعیتی است .اتصالات مهار ها نیز یکی از مهمترین بخشهاي یک سیستم مهار شده است . در واقع شکل پذیري و اتلاف انرژي در این نوع سازه ها بسیار وابسته به عملکرد مناسب اتصالات مزبور می باشد.

3- قاب بادبندی شده خارج محور (EBF)

این سیستم مهاربندی برای اولین بار در سال 1997 به وسیله پروفسور پوپوف در دانشگاه برکلی پیشنهاد و عرضه شد. در این قاب 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 می شود. قسمتی از تیر که بین تیر و ستون یا بین دو بادبند قرار می گیرد، تیر پیوند(Link) نامیده می شود و به صورت یک فیوز شکل پذیر عمل می نماید. در این سیستم تیر پیوند در حالی که از وارد شدن نیروی بیش از حد به بادبندها و کمانش آن جلوگیری می کند، خود با تغییر شکلهای پلاستیک در مود خمشی یا برشی، مقدار زیادی انرژی وارد شده از زلزله را مستهلک می نماید. نمونه هایی از سیستم(EBF) در شکل 2 نشان داده شده است.

شكل2- نمونه هايي از سيستم بادبندي خارج از محور (EBF)

در واقع می توان گفت که سیستم(EBF) ترکیب کننده سختی مناسب(خاصیت عمده سیستم CBF) و شکل پذیری بالا(خاصیت عمده سیستم MRF) می باشد. در بادبندهای واگرا پیوندهای کوتاه با قابلیت تغییر شکل های پلاستیک در خمش یا برش دارای ظرفیت استهلاک انرژی بالایی می باشند. در این سیستم حدود 5 تا 15 درصد از مصرف فولاد در مقایسه با قاب خمشی شکل پذیر کاسته می شود، اما به هر حال سیستم(EBF) دارای نقاط ضعفی نیز می باشد. برای نمونه می توان گفت که استهلاک انرژی توسط تیر پیوند که بخشی از اعضای اصلی قاب است، انجام می شود 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 می باشد. از دیگر معایب این سیستم می توان به اعوجاج بیش از حد سقف در اثر تغییر شکلهای زیاد تیرهای پیوند اشاره کرد.

4- مهاربند زانوئی : این نوع مهاربندها از دو عضو قطري) یا مهاربند ( و زانوئی تشکیل شده است.

شکل ( 3).

اتصال مهاربند به صورت ساده و اتصال زانو صلب می باشد. سیستم مهاربند زانوئی روشی کاملاً جدید است . این سیستم مهاربندي هنوز وارد آیین نامه ها نگردیده ، اما با توجه به سختی ،مقاومت ، شکل پذیري بالا و سایر ویژگیهاي بسیار مناسب آن، پیش بینی می شود که بزودي به عنوان سیستمی مناسب در مقابله با نیروهاي جانبی ، در طراحی ها مد نظر قرار گیرد .در این سیستم سختی از طریق عضو قطري و شکل پذیري از طریق تسلیم خمشی عضو زانوئی تأمین می شود . رفتار غیر خطی مناسب این سیستم به رفتار زانوئی بستگی دارد، که به صورت فیوز در هنگام زلزله شدید عمل می کند و انرژي را از طریق لهیدگی خمشی عضو زانوئی مستهلک می کند. طراحی عضو زانوئی داراي اهمیت خاصی است و مقطع آن می بایست بارعایت ضوابط مقاطع پلاستیک طراحی شود.

شکل3 نمونه هايي از سيستم بادبندي زانويي (KBF)

در سیستم (KBF ) ، عضو زانوئی ، در حقیقت نقش تیر پیوند در سیستم(EBF ) را بازي می کند وبسته به طول و مشخصات مقطع در برش و یا خمش تسلیم می گردد به طوري که هریک از قسمت هاي زانو که طرفین مهاربند قرار گرفته است می بایست روابط طول تیر پیوند در سیستم (EBF) را ارضا نماید . توصیه بر این است که در حالت سیستم با تسلیم خمشی زانو از مقاطع قوطی شکل استفاده گردد. تا از کمانش جانبی پیچشی زانو جلو گیري گردد . در روش(KBF) ، صلب و یا ساده بودن اتصال تأثیر چندانی بر رفتار قاب ندارد.

در این سیستم نیز مهاربند ها می بایست براي5/1 برابر بار طراحی ، طرح گردند و با در نظر گیري ویژگیهایی درانتخاب مقطع زانو ، به گونه اي عمل نمود که اولین تسلیم ها در زانوها ایجاد گردیده وتیرها، ستونها و مهاربندها در حالت الاستیک و بدون کمانش باقی بمانند . بدین ترتیب در زلزله هاي شدید تعداد تسلیم ها در تیرها ، ستونها، مهاربند ها و همچنین کمانش مهاربند ها ، نسبت به سیستم مهاربندي هم مرکز، به شدت کاهش می یابد. قابهاي (KBF) شکل پذیري بسیار بالایی دارند . این شکل پذیري بالا سبب افزایش ضریب رفتار(R) گردیده و نتیجتاً نیروي برش طراحی کاهش می یابد.

از آنجایی که زانوها جزء اعضاء اصلی باربر قائم نیستند ( بر خلاف سیستم EBF که تیر پیوند قسمتی از تیر اصلی می باشد ) ، ترمیم این قابها پس از زلزله هاي شدید ارزانتر و سریعتر صورت می پذیرد.

5- جمع بندي و نتیجه گیري:

نتیجه اي که از مقایسه قابها با این سه نوع مهاربند می توان گرفت به طور خلاصه عبارت است از :

1- سختی جانبی ارتجاعی قابهاي KBF بیشتر از سختی جانبی قابهاي EBF مشابه و کمتر از قابهاي CBF مشابه است. لذا قابهاي KBF از لحاظ سختی جانبی رفتار مناسبتري نسبت به قابهايEBF

دارند.

2- تغییر مکان جانبی قابهاي با مهاربندي KBF کمتر از قابهاي EBF و بیشتر از قابهاي CBF است. بنابراین قابهاي KBF تحت تأثیر زلزله از لحاظ تغییر مکان جانبی از مدلهاي EBF مشابه رفتار مناسبتري دارند.

3- قابهاي KBF از لحاظ کنترل تغییر مکان قائم (افت) طبقه از مدلهاي EBF)) مشابه بهتر عمل می کنند

تیرهاي کف در قابهاي EBF. به علت تشکیل فیوز شکل پذیر بر روي آنها ، پس از تسلیم افت شدیدي دارند، در نتیجه خسارات و آسیب دیدگی هاي شدیدي بر کف هاي ساختما نی وارد خواهند ساخت لذا از این نظر قابهاي KBF بر قابهاي EBF مشابه برتري دارند.

4- ترتیب تشکیل مفاصل پلاستیک در قابهاي مورد مطالعه به صورت زیر است:

قابهاي:KBF زانوئیتیر- ستون

قابهاي: EBF تیر- ستون

قابهاي:CBF بادبند- ستون- تیر

لذا از لحاظ تشکیل و گسترش مفاصل پلاستیک و نوع مکانیزم ، قابهاي KBF تحت تأثیر زلزله بهتر عمل میکنند.

5- شکل پذیري قابهاي KBF از شکل پذیري قابهاي EBF مشابه بیشتر است . شکل پذیري قابهاي KBF با زانویی کوتاه بیشتر از قابهاي با زانویی بلند است.

6- استفاده از سیستم هاي مهاربندي مؤثرتر(KBF و EBF)می تواند عملکرد قاب تقویت شده را به صورت مناسبتري بهبود بخشد.

7- طراحان و کارشناسان ساختمان لازم است پس از طراحی سازه‌ها با مهاربندی زانویی براساس آئین‌نامه معتبر، براساس سطح عملکردی مورد نظر کارفرما، نسبت به مدل‌سازی و انجام تحلیل غیر خطی، اقدام نموده و ساختمان را برای سطح عملکردی مورد نظر کنترل و ارزیابی نمایند و در صورت لزوم نسبت به تقویت اعضای لازم و انجام دوباره عملیات تحلیل و طراحی اقدام نمایند. در هر حال طراحی بر اساس عملکرد روشی نو و نوین می‌باشد که لازم است مهندسین و طراحان نسبت به بکارگیری آن اهتمام بیشتری مبذول دارند

8- به طور کلی سیستم بادبند زانویی، یک نوع سیستم مهاربندی است که به شرط انتخاب مناسب پارامترهای مؤثر، می‌تواند سختی و شکل‌پذیری بالایی را برای سازه تأمین نماید و بعد از زلزله، با تعویض عضو زانویی مجدداً مورد بهره‌برداری قرار گیرد.

9- با توجه به تأمین سختی مطلوب و شکل‌پذیری مناسب لازم است نسبت خروج از محوری تیر و ستون از محل تلاقی عضو زانویی به عدد محدود گردد.

10-و نكته آخر اينكه استفاده از مهار بند زانويي (KBF )،جهت بهسازي و تقويت سازه هاي موجود ضعيف ارزيابي شده ،توصيه ميگردد.

گرد آوري و تدوين : مهندس مجيد فلاح يخداني (كارشناس ارشد عمران -سازه )

(این آدرس ایمیل توسط spambots حفاظت می شود. برای دیدن شما نیاز به جاوا اسکریپت دارید)

دیدگاه‌ها  

# ز. 1395-06-27 18:44
واقعا دانشگاه آزاد هم دامشگاه است
پاسخ دادن

نوشتن دیدگاه

تصویر امنیتی
تصویر امنیتی جدید

ارتباط با نظام مهندسی ساختمان میبد

ارتباط مستقیم از طریق پیام کوتاه : 09218176390

ریاست : 32329002

روابط عمومی : 32329001
تلفن سازمان  : 5-32329001
پست الکترونیک :
Mh.sabbaghi@yahoo.com
آدرس : میبد ، بلوار مدرس .مجتمع اداری مادر.
دفتر نظام مهندسی میبد

عناوین خبری

عضویت در خبرنامه

نظرسنجی

    آیا از اطلاع رسانی و نحوه ارسال اخبار موجود در کانال مذکور رضایت دارید؟

آدرس : میبد ، بلوار مدرس .مجتمع اداری مادر.
دفتر نظام مهندسی میبد

ریاست : 32329002

روابط عمومی : 32329001
تلفن سازمان  : 5-32329001
پست الکترونیک :
Mh.sabbaghi@yahoo.com

تقویم

ش ی د س چ پ ج
28 29 30 31 1 2 3
4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15 16 17
18 19 20 21 22 23 24
25 26 27 28 29 30 1
Template Design:Dima Group