بررسی رفتار انواع سیستم های مقاوم جانبی و ملاحظات آیین نامه در خصوص ساخت سازه مقاوم در برابر زلزله

خانه / طراحی لرزه ای

 

systemhay mogavem

 

 

معرفی کلی سیستم های باربر
سیستم های باربر قائم:
دیوارهای باربر
سیستم قاب ساده در یک جهت یا دو جهت
سیستم قاب خمشی در یک جهت یا دو جهت
سیستم دوگانه
سیستم سازه های فضاکار

سیستم های باربر جانبی:
سیستم باربر جانبی اصلی
سیستم باربر جانبی فرعی

معرفی کلی سیستم های باربر
در تقسیم بندی سیستم ها باید به نکات زیر دقت کرد :
١) سیستم باربرجانبی اصلی بایستی قادر به تحمل کلیه بارهای جانبی زلزله باشد.
۲) سیستم باربر فرعی بایستی توانایی تحمل بارهای ثقلی را در وضعیتی که تحت اثر تغییر شکلهای ناشی از زلزله می باشد، داشته باشد.
۳) تفکیک سیستم باربر به اصلی و فرعی در شرایطی انجام می پذیرد که سختی سیستم باربر اصلی بیش از ۷۵ درصد سختی کل سازه باشد.

در این مطلب با تمامی مطالب مرتبط با سیستم های مقاوم و مزایا و معایب ان ها و ملاحظات ایین نامه ای و … اشنا می شوید.

 

دانلود بررسی رفتار انواع سیستم های مقاوم جانبی و ملاحظات آیین نامه در خصوص ساخت سازه مقاوم در برابر زلزله

مقایسه سیستم های مقاوم در برابر بار جانبی در سازه های فولادی

خانه / طراحی لرزه ای

 

mogayese badbandha

 

سازه های ساختمانی تحت اثر نیروهای ناشی از زلزله دچار تغییر مکان می شوند متداول ترین روش کنترل تغییر مکان ها در سازه های فولادی که معمولاً از نوع جانبی هستند ، مهاربندها می باشند که به شکل های گوناگونی اجرا می شوند. پیکربندی سیستم های مهاربندی عموماً از نوع هم مرکز(هم محور) یا خارج از مرکز (برون محور ) می باشد . مهاربندهای هم مرکزسختی سازه را نسبت به قاب خمشی معادل به شدت افزایش داده و تغییر مکان جانبی سازه را محدود می نمایند .سیستم مهاربندی برون محور دو ویژگی ” سختی مناسب جانبی ” و “جذب انرژی بالا” را با یکدیگر ترکیب کرده و به کار می گیرد .در این سیستم، برون محوری اتصال مهاربندی سبب پدیدآمدن لنگرهای خمشی و نیروهای برشی بزرگی در ناحیۀ تیر نزدیک به مهار ، می شود . به این ترتیب، تنش های این ناحیه از تیر وارد محدوده غیر ارتجاعی شده و سبب اتلاف انرژی ناشی از زمین لرزه می شود.این ناحیه از تیر” پیوند” نام دارد.

در این نوشتار به طور مختصر به بررسی رفتار قابهای خمشی (MRF ) ، مهاربندهای هم محور (CBF) و برون محور (EBF )و نیز به معرفی نوعی مهاربند موسوم به مهاربند زانویی(KBF) می پردازیم. در این سیستم مهاربندی، حداقل یک انتهای بادبند به جای اتّصال به محل برخورد تیر و ستون به عضو زانویی که به طور مایل بین تیر و ستون قرار می گیرد، وصل می شود. عضو قطری مهاربند تأمین کننده سختی سیستم است، در حالی که شکل پذیری تحت اثر بارهای شدید جانبی از طریق جاری شدن خمشی عضو زانویی بدست می آید. این سیستم مهاربندی، روشی کاملاً جدید است که هنوز وارد آیین نامه ها نشده است، اما با توجه به مقاومت، سختی، شکل پذیری بالا و سایر ویژگی های مناسبی که دارد، ممکن است به زودی به عنوان سیستمی مناسب در مقابله با نیروهای جانبی در طراحی ها لحاظ گردد. در ادامه مشخصات برخی از سیستم های متداول مقابله با زلزله و مزایا و معایب آنها تشریح می شود .

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 . مهم ترین 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 آن چنان 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

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

معمول ترین نوع مهار های هم محور، مهار های قطری ، k ، ضربدری ، ۷و۸ می باشند . طبق آئین نامۀ فولاد ایران،مهاربندی ۷و۸ و K باید ضوابط زیر را بر آورده سازند:

الف: مهار بندی ۷ و ۸ :

اعضای مهار بند باید برای ۵/۱ برابر نیروی زلزله طراحی گردند.

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

در مهاربندی های نوع ۸ تیر افقی باید قادر به تحمل نیروهای قائم در حد فاصل دو ستونبدون توجه به وجود مهاربند باشد.

ب: مهاربندی های k

استفاده از مهاربندیهای k ممنوع است مگر در ساختمانهای یک و دو طبقه مجاز دانسته شده در بند مربوط به ساختمانهای منظم تا پنج طبقه و کوهتاهتر از ۱۸ متر که در این صورت باید ضوابط بند الف نیز رعایت گردد.

در مورد مهار های ۷ و ۸ و k آئین نامه لازم می داند که این مهارها برای ۵/۱ برابر نیروی زلزله طرح گردند. اگر یکی از دو عضو یک مهاربند ۸ در فشار کمانش نماید، نیروی مهار کششی افزایش خواهدیافت و بیشتر از مهار فشاری 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 نماید که تیر افقی میان دو ستون پیوسته بوده و دارای وصله ای نباشد . حتی در صورتیکه تیر دچار مشکلی نشود در بازگشت بار لرزه ای 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 ، عضوی که در رفت بار، کششی بوده است ، در بازگشت بار باید بار بیشتری را در فشار تحمل کند و امکان کمانش همزمان هر دو عضو دستگاه مهاربندی پدید می آید .

علت به کار بردن ضریب ۵/۱برابر نیروی زلزله ، پیشگیری از چنین وضعیتی است .اتصالات مهار ها نیز یکی از مهمترین بخشهای یک سیستم مهار شده است . در واقع شکل پذیری و اتلاف انرژی در این نوع سازه ها بسیار وابسته به عملکرد مناسب اتصالات مزبور می باشد

قاب بادبندی شده خارج محور (EBF)

این سیستم مهاربندی برای اولین بار در سال ۱۹۹۷ 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

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 ۵ تا ۱۵ 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.

مهاربند زانوئی 

این نوع مهاربندها از دو عضو قطری( یا مهاربند ) و زانوئی تشکیل شده است

اتصال مهاربند به صورت ساده و اتصال زانو صلب می باشد سیستم مهاربند زانوئی روشی کاملاً جدید است  این سیستم مهاربندی هنوز وارد آیین نامه ها نگردیده ، اما با توجه به سختی ، مقاومت ، شکل پذیری بالا و سایر ویژگی های بسیار مناسب آن، پیش بینی می شود که به زودی به عنوان سیستمی مناسب در مقابله با نیروهای جانبی ، در طراحی ها مد نظر قرار گیرد .در این سیستم سختی از طریق عضو قطری و شکل پذیری 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 انرژی را از طریق لهیدگی خمشی عضو زانوئی مستهلک می کند. طراحی عضو زانوئی دارای اهمیت خاصی است و مقطع آن می بایست با رعایت ضوابط مقاطع پلاستیک طراحی شود.

در سیستم (KBF ) ، عضو زانوئی ، در حقیقت نقش تیر پیوند در سیستم(EBF )  را بازی می کند وبسته به طول و مشخصات مقطع در برش و یا خمش تسلیم می گردد به طوری که هریک از قسمت های 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 گیری گردد . در روش(KBF) ، صلب و یا ساده بودن اتصال تأثیر چندانی بر رفتار قاب ندارد.

در این سیستم نیز مهاربند ها می بایست برای۵/۱ برابر بار طراحی ، طرح گردند و با در نظر گیری ویژگیهایی درانتخاب مقطع زانو ، به گونه ای 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 های شدید تعداد تسلیم ها در تیرها ، ستونها، مهاربند ها و همچنین کمانش مهاربند ها ، نسبت به سیستم مهاربندی هم مرکز، به شدت کاهش می یابد. قابهای (KBF) شکل پذیری بسیار بالایی دارند . این شکل پذیری بالا سبب افزایش ضریب رفتار(R) گردیده و نتیجتاً نیروی 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 قاب ها پس از زلزله های شدید ارزانتر و سریع تر صورت می پذیرد.

جمع بندی و نتیجه گیری:

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

– سختی جانبی ارتجاعی قابهای KBF بیشتر از سختی جانبی قابهای EBF مشابه و کمتر از قابهای CBF مشابه است. لذا قابهای KBF از لحاظ سختی جانبی رفتار مناسبتری نسبت به قابهایEBFدارند.

– تغییر مکان جانبی قابهای با مهاربندی KBF کمتر از قابهای EBF و بیشتر از قابهای CBF است. بنابراین قابهای KBF تحت تأثیر زلزله از لحاظ تغییر مکان جانبی از مدلهای EBF مشابه رفتار مناسب تری دارند.

– قابهای KBF از لحاظ کنترل تغییر مکان قائم (افت) طبقه از مدلهای ( EBF)مشابه بهتر عمل می کنند

تیرهای کف در قاب های EBF به علت تشکیل فیوز شکل پذیر بر روی آنها ، پس از تسلیم افت شدیدی دارند، در نتیجه خسارات و آسیب دیدگی های شدیدی بر کف های ساختمانی وارد خواهند ساخت لذا از این نظر قابهای KBF بر قابهای EBF مشابه برتری دارند.

– ترتیب تشکیل مفاصل پلاستیک در قابهای مورد مطالعه به صورت زیر است

قابهای:KBF زانوئی – تیر- ستون

قابهای: EBF تیر- ستون

قابهای:CBF بادبند- ستون- تیر

لذا از لحاظ تشکیل و گسترش مفاصل پلاستیک و نوع مکانیزم ، قابهای KBF تحت تأثیر زلزله بهتر عمل می کنند.

– شکل پذیری قابهای KBF از شکل پذیری قابهای EBF مشابه بیشتر است . شکل پذیری قابهای KBF با زانویی کوتاه بیشتر از قاب های با زانویی بلند است.

– استفاده از سیستم های مهاربندی مؤثرتر(KBF و EBF) می تواند عملکرد قاب تقویت شده را به صورت مناسب تری بهبود بخشد.

– 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 به کارگیری آن اهتمام بیشتری مبذول دارند

– 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.

– 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.

– و نکته آخر اینکه استفاده از مهار بند زانویی (KBF )،جهت بهسازی و تقویت سازه های موجود ضعیف ارزیابی شده ،توصیه می گردد.