پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
رفتار لرزه‌ای قاب‌های مهاربندی شده کمانش ناپذیر
رفتار لرزه‌ای قاب‌های مهاربندی شده کمانش ناپذیر
یکی از متداولترین سیستم‌ها برای مقابله با بارهای لرزه‌ای در سازه‌های فولادی، مهاربندی همگرا است که استفاده از آن به دلایل اقتصادی و طراحی و اجرای آسان رواج روز افزونی یافته است. تمایل مهندسان به استفاده از این سیستم و خسارت‌های غیر منتظره‌ای که در جریان آن به قاب‌های خمشی فولادی وارد آمد، به طور چشمگیری در سراسر جهان افزایش یافته است.
گرچه پس از تحقیقات گسترده درباره علت‌های این خسارت‌ها، راه حل‌های مناسبی برای بر طرف ساختن مشکلات قاب‌های خمشی وجود دارد، اما با وجود این، از پیشنهاد کاربرد مهاربندهای همگرا کاسته نشده است.
رفتار چرخه‌ای مهاربندهای متداول به دلیل کمانش مهاربند در فشار، بسیار نامنظم و ناپایدار بوده و زوال زیادی را در مقاومت نشان می‌دهد. به دلیل رفتار چرخه‌ای پیچیده این مهاربندها، توزیع واقعی نیروهای داخلی و تغییرشکل‌ها در قاب‌های مهاربندی شده با آنچه که به وسیله روش‌های متداول طراحی پیش‌بینی می‌شود، بسیار متفاوت است. از سوی دیگر ملاحظات اجرایی معمولاً به طرح‌هایی منجر می‌شود که در آنها ظرفیت مهاربندهایی که برای برخی طبقات انتخاب شده بسیار بیشتر از نیاز لرزه‌ای آنها است. در حالی که در طبقات دیگر، ظرفیت مهاربندها به نیاز لرزه‌ای آنها بسیار نزدیک است. این دو عامل به همراه کاهش شدید مقاومت مهاربندها در مرحله پس کمانشی، باعث تمرکز خسارت در برخی از طبقات و در نتیجه افزایش نیاز لرزه‌ای مهاربندها و اتصالات آنها در طبقات مذکور می‌شود. چنین نیاز لرزه‌ای معمولاً در طراحی سازه پیش بینی نشده و در اکثر موارد بیش از ظرفیت لرزه‌ای مهاربندها و اتصالات آنها است.
در حال حاضر مهمترین نگرانی در باره مهاربندهای متداول گسیختگی آنها بر اثر خستگی سیکل کم است.گسیختگی مهاربندهای متداول بر اثر خستگی، در زمین لرزه‌های گذشته و در آزمایش‌ها بسیار مشاهده شده است. مطالعات گذشته نشان داده است که احتمال فروریزش قاب‌های مهاربندی شده همگرای متداول در زمین لرزه‌هایی با احتمال وقوع ۲ درصد در ۵۰ سال، به دلیل گسیختگی مهاربندها بر اثر خستگی، بیشتر است.
در دو دهه گذشته تلاش‌های زیادی برای ارتقای عملکرد لرزه‌ای قاب‌های مهاربندی شده همگرا انجام شده که مهمترین آنها ایجاد سیستم مهاربندی کمانش ناپذیر است. در این سیستم از مهاربندهای ویژه‌ای استفاده می‌شود که در فشار کمانش نمی‌کنند. این مهاربندها که مهاربندهای کمانش ناپذیر یا کمانش تاب نامیده می‌شوند، می‌توانند هم در کشش و هم در فشار (بدون کمانش) جاری شوند. استفاده از مهاربندهای کمانش تاب به جای مهاربندهای متداول، علاوه بر بهبود عملکرد لرزه‌ای سازه، موجب صرفه‌جویی قابل ملاحظه‌ای در هزینه‌های ساخت می‌شود. عوامل فوق موجب شده که تمایل به استفاده از این مهاربندها در ساخت و سازها افزایش روز افزونی یابد. پیش بینی می‌شود که این سیستم در آینده سهم زیادی از ساخت و سازها را به خود اختصاص دهد.
مهاربندهای کمانش تاب
از آنجا که کمانش مهاربندها در فشار، عامل اصلی عملکرد نامطلوب قاب‌های مهاربندی شده همگرای متداول است؛ تحقیقات بسیاری به منظور توسعه مهاربندهایی با رفتارالاستوپلاستیک بهتر انجام شده است. ابداع و توسعه مهاربندهای کمانش تاب یکی از نتایج این تحقیقات بوده است. قسمت اصلی مهاربند کمانش تاب، هسته فلزی (معمولاً فولادی) است که با سازوکاری خارجی از کمانش آن در فشار جلوگیری می‌شود. تاکنون روش‌های مختلفی برای جلوگیری از کمانش هسته در فشار پیشنهاد شده است.
متداولترین روش برای جلوگیری از کمانش هسته در فشار، قرار دادن هسته در غلاف فولادی و پر کردن غلاف با ملاتی پرکننده (مانند بتن) است.
مهاربندهای کمانش تاب طوری ساخته می‌شوند که هسته بتواند در راستای طولی مستقل از ساز و کار جلوگیری از کمانش عمل کند. به بیان دیگر، تمام نیروی محوری که به مهاربند وارد می‌شود توسط هسته تحمل می‌شود. با جلوگیری از کمانش هسته، این المان می‌تواند در فشار همانند کشش جاری شده و بدین ترتیب توانایی جذب انرژی آن به طور چشمگیری افزایش می‌یابد.
تاکنون آزمایش‌های متعددی بر روی انواع مختلف مهاربندهای کمانش تاب انجام شده است. نتایج این آزمایش‌ها نشان داده که مهاربندهای کمانش تاب رفتار چرخه‌ای پایدار، منظم و نسبتاً متقارنی دارند و منحنی چرخه‌ای آنها نزدیک به منحنی چرخه‌ای دوخطی ایده‌ال است. همچنین در منحنی چرخه‌ای این مهاربندها، سخت شدگی ایزوتروپیک و کینماتیک دیده می‌شود. سختی غیرالاستیک مهاربندهای کمانش تاب نسبتاًکم است و در هر چرخه، نسبت به چرخه پیش، کاهش می‌یابد.
نکته قابل توجه در مورد مهاربندهای کمانشتاب آن است که مقاومت این مهاربندها در فشار، بیش از مقاومت آنها در کشش است. دلیل این پدیده انتقال نیروی محوری در فشار از هسته به ساز و کار جلوگیری از کمانش است. مقدار این اضافه مقاومت، بیشتر به شکل هسته و نوع ساز و کار جلوگیری از کمانش بستگی دارد و بین ۶/۵ تا ۱۳۳ درصد گزارش شده است.
توانایی تغییر شکل غیرالاستیک مهاربندهای کمانشتاب بسیار بالاست، به گونه‌ای که در بیشتر آزمایش‌ها ظرفیت شکلپذیری تجمعی آنها بیش از ۴۰۰ و در مواردی تا بیش از ۱۰۰۰ گزارش شده است. همچنین آزمایش‌های انجام شده نشان داده که این مهاربندها از نظر پدیده خستگی عمر بالایی دارند. یعنی، برخلاف مهاربندهای متداول، احتمال شکست آنها بر اثر خستگی سیکل کم بسیار پایین است.
در ژاپن مهاربندهای کمانشتاب بیشتر به عنوان میراگرهای هیسترتیک در قاب‌های خمشی فولادی به کار می‌روند و برای طراحی آنها از فلسفه طراحی سازه‌های مقاوم در برابر خسارت استفاده می‌شود.
در این فلسفه، طراحی به گونه‌ای انجام می‌شود که در هنگام زمین‌لرزه، سازه اصلی الاستیک باقی مانده و فقط میراگرها (مهاربندهای کمانشتاب)، انرژی زمین‌لرزه را مستهلک می‌کنند. بنابراین پس از زمین‌لرزه بزرگ انتظار داریم که سازه با تعویض مهاربندها به حالت اولیه خود باز گردد.
قاب‌های مهاربندی شده کمانش ناپذیردر امریکا معمولاً با روش استاتیکی معادل و مشابه با سیستم مهاربندی همگرای متداول (اما با پارامترهای لرزه‌ای متفاوت) طراحی می‌شوند.
قاب مهاربندی شده کمانش‌ناپذیر در طراحی بسیار قابل انعطاف است، زیرا با انتخاب دقیق مصالح، هسته سطح مقطع و طول قسمت جاری شونده آن، می‌توان مقاومت و سختی این مهاربند را به آسانی تنظیم کرد. هر چند معمولاً قاب‌های مهاربندی شده کمانش‌ناپذیر، عملکرد لرزه‌ای بسیار مطلوبی دارند، اما نگرانی‌هایی نیزدر زمینه عملکرد لرزه‌ای این سیستم وجود دارد. مهمترین نگرانی، سختی غیرالاستیک کم مهاربندهای کمانشتاب است که ممکن است باعث ایجاد تمرکز خسارت و همچنین تغییرشکل‌های ماندگار بزرگ درسازه شود. مسأله اخیر می‌تواند هزینه‌های بازسازی را افزایش دهد. از سوی دیگر، استفاده از مهاربندهای کمانشتاب این امکان را به طراحان می‌دهد که سازه را به گونه‌ای طراحی کنند که نسبت نیاز به ظرفیت در مهاربندهای سازه، بسیار نزدیک به یک باشد. این مسئله نگرانی‌هایی را درباره عملکرد این سیستم در زمین لرزه‌های کوچک و متوسط ایجاد می‌کند. زیرا ممکن است مقاومت موجود در سیستم آنقدر کم باشد که سازه در زمین لرزه‌های کوچک و متوسط (مانند زمین لرزه‌هایی با احتمال ۵۰ درصد در ۵۰ سال) نتواند سطح عملکرد قابلیت استفاده بی وقفه را برآورده کند و سازه تغییرشکل‌های غیرالاستیک بزرگی را تجربه نماید.
سیستم مهاربندی کمانش‌ناپذیر، رفتار و عملکرد لرزه‌ای مطلوبی دارد و تنها نگرانی در مورد این سیستم، عملکرد آن در زمین‌لرزه‌های کوچک و متوسط است. مطالعات مقدماتی نشان داد که قاب‌های مهاربندی شده کمان‌ناپذیر، در سطح خطر ۵۰درصد در ۵۰ سال، تغییر شکل غیرالاستیک نسبتاً زیادی را تجربه می‌کنند. در حالی که انتظار می‌رود در این سطح خطر سطح عملکرد قابلیت استفاده بی‌وقفه برآورده شود. این مساله نشان دهنده نیاز به بازنگری در ضوابط طراحی لرزه‌ای قاب‌های مهاربندی شده کمانش‌ناپذیر است. منبع: همیار ناظر