پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
مقاوم سازی لرزه‌ای قاب‌های خورجینی
قاب خورجینی یکی از سیستم‌های سازهای رایج در کشور بوده و تحقیقات متعدد، مبین نیازمندی این سیستم به مقاوم سازی لرزه‌ای است. تعداد زیادی از سیستم‌های سازهای موجود در ایران را قاب‌های ساده خورجینی تشکیل می‌دهد. از آنجا که اتصالات خورجینی فاقد سختی و مقاومت کافی هستند، این نوع قاب‌ها توان مقابله با بارگذاری زلزله را نداشته و نیازمند تقویت لرزه‌ای هستند. روش‌های متفاوتی برای تقویت این قاب‌ها وجود دارد از جمله آنها می‌توان به مهاربندی کردن قاب یا تقویت اتصالات آن به منظور تقویت رفتار خمشی قاب اشاره کرد.
اصولاً قاب‌های مهاربندی شده به دلیل بروز پدیده کمانش در مهاربندها از قابلیت جذب انرژی مطلوبی برخوردار نیستند و در نتیجه باید برای نیروی زلزله بالایی طراحی شوند. این امر موجب بالا رفتن حجم عملیات مقاوم سازی و هزینه‌های آن میشود. از طرف دیگر تقویت خمشی اتصالات خورجینی نیز اگر چه موجب بهبود رفتار این نوع قاب‌ها میشود ولی از آنجا که تیرها و ستون‌های قاب‌های خورجینی موجود به منظور مقابله با لنگرهای ناشی از زلزله طراحی نشده‌اند. تقویت اتصالات به تنهایی کفایت نمی‌کند و در نتیجه هزینه مقاوم سازی از این روش نیز بسیار زیاد خواهد بود.
اثر میراگرها در مقاوم سازی لرزه‌ای
استفاده از میراگرها از آنجا که به علت قابلیت اتلاف انرژی بالا در آنها میزان نیاز به تقویت دیگر اجزای سازه را کاهش می‌دهد، می‌تواند مورد توجه باشد. امروزه استفاده از میراکننده‌های انرژی در سازه‌ها به منظور اتلاف انرژی زلزله مورد توجه فراوان قرار گرفته است. مزیت اصلی استفاده از میراگرها، جذب انرژی زلزله در اجزایی مجزا از قاب سازهای است. این امر منجر به کاهش آسیب‌های سازه اصلی در هنگام وقوع زلزله میشود. در میان انواع مختلف میراگرها، میراگرهای هیسترزیس به علت هزینه کم، قابلیت اطمینان بالا و فقدان اجزاء مکانیکی در آن از جایگاه ویژه‌‌ای برخوردار هستند.
بسیاری از نقایص رفتاری مهاربندهای همگرای متعارف نتیجه اختلاف بین ظرفیت فشاری و کششی این مهاربندها و زوال در مقاومت این مهاربندها تحت بارگذاری چرخهای است. از این رو تحقیقات بسیاری صرف بهسازی این مهاربندها جهت رسیدن به یک رفتارالستو پلاستیک ایده‌آل شده است. برای رسیدن به این هدف لازم بود تا با استفاده از مکانیزم مناسبی از کمانش فشاری مهاربند جلوگیری شود و امکان تسلیم فشاری فولاد فراهم آید. روشی که مد نظر قرار گرفت عبارت بود از محصور سازی یک هسته فلزی شکل پذیر، در میان حجمی از بتن که خود توسط یک غشای فلزی در بر گرفته شده است.
مبنای اصلی عملکرد این میراگر، جلوگیری از وقوع کمانش هسته فولادی به منظور امکان وقوع پدیده تسلیم فشاری در آن و در نتیجه امکان جذب انرژی در این عضو از سازه است. این امر با پوشاندن سراسر طول هسته فولادی در لوله فولادی پر شده با بتن یا ملات میسر میشود. در این سیستم نیاز به فراهم آوردن یک سطح لغرش یا لایه ناپیوستگی بین هسته فلزی و بتن محصور‌کننده وجود دارد.
هدف از این امر آن است که نیروی مهاربندی فقط توسط هسته فولادی تحمل شود. مصالح و هندسه لایه لغزشی مذکور باید به گونه‌ای طراحی و ساخته شود که امکان حرکت نسبی بین هسته فولادی و بتن که به سبب وجود برش و اثر پواسون ایجاد میشود، فراهم و در نتیجه ضمن جلوگیری از کمانش موضعی هسته، امکان تسلیم آن در حالت بارگذاری فشاری فراهم شود.
مهاربند کمانش ناپذیر
بتن و محفظه لوله‌ای شکل، فولادی سختی و مقاومت خمشی لازم را برای جلوگیری از کمانش کلی مهاربند فراهم آورده و امکان تحمل بار توسط هسته فولادی را تا حد تسلیم، بدون آنکه کاهشی در سختی و مقاومت مهاربند طی چرخه‌های بارگذاری ایجاد شود، فراهم می‌آورد. همچنین بتن و محفظه فولادی از کمانش موضعی هسته جلوگیری می‌کند. رفتار چرخهای غیر الاستیک این مهاربندها با انجام آزمایش‌های زیادی بررسی شده است.
مشابهت ظاهری، تفاوت زیادی با قاب‌های دارای مهاربندهای متداول هم محور دارد. در سیستم مهاربندی کمانش ناپذیر حلقه‌های هیسترزیس از نوع پایدار بوده و طی چرخه‌های بارگذاری و باربرداری متعدد، افت در مقاومت و سختی سیستم مشاهده نمی‌شود. در حالی که تحقیقات دو دهه اخیر نشان می‌دهد که در سیستم مهاربندهای هم محور این مهاربندها در مود فشاری دچار کمانش کلی می‌شوند و در نتیجه سیستم دچار زوال در مقاومت و سختی میشود. در واقع پایین افتادگی منحنی هیسترزیس را موجب میشود.
همچنین در مود کششی، جزئیات اتصالات مهاربند دچار وضعیت بحرانی میشود. به عبارت دیگر با استفاده از مهار بندهای کمانش ناپذیر شکلپذیری بالا می‌رود. مود شکننده موجود در سیستم مهاربندهای هم محور به مود شکلپذیر تبدیل میشود. مقدار نیروی طراحی حاصل از روش استاتیک معادل در این سیستم هم محور متداول به میزان قابل توجهی بیش از سیستم مهاربندهای کمانش‌ناپذیر است که باعث غیر اقتصادی بودن آن در مقایسه با سیستم مهاربندهای کمانش ناپذیر میشود. در مقایسه با سیستم مهاربندهای ۷ و ۸ نیز باید گفت نیروی نامتعادل وارد بر تیر در سیستم مهاربندهای ۷ و ۸ در سیستم کمانش ناپذیر وجود ندارد.
طراحی مهاربندهای کمانش ناپذیر
از آنجا که اساس عملکرد میراگرهای هیسترزیس تغییر شکل‌های پلاستیک ایجاد شده در فولاد است، مبانی طراحی سازه‌های دارای سیستم مهاربندهای کمانش ناپذیر مشابه با مبانی طراحی قاب‌های دارای مهاربندی خارج از محور است. بنابراین از روش استاتیک معادل در برآورد نیروی طراحی قاب‌های دارای مهاربندی خارج از محور که در استاندارد ۲۸۰۰ ارائه شده، می‌توان در برآورد نیروی طراحی قاب‌های دارای این سیستم استفاده نمود.
سایر اجزای قاب باید به گونه‌ای طراحی شوند که در حالت نهایی نیز در محدوده الاستیک باقی بمانند. زیرا به سبب افزایش نیروی مهاربندهای کمانش ناپذیر در اثر پدیده سخت شوندگی کرنشی فولاد، مقدار نیروی ایجادشده در این مهاربندها در حالت نهایی بیش از مقاومت تسلیم آنها خواهد بود. بنابراین با در نظر گرفتن این ضریب از عدم تسلیم سایر اجزاء قاب تا پایان رخداد زلزله اطمینان خاطر کسب میشود.
چون سطح مقطع هسته مرکزی به میزان قابل توجهی از سطح مقطع ناحیه انتهایی اتصال کوچکتر است، اکثر تغییر مکان‌های الاستیک و همچنین پلاستیک در این ناحیه رخ می‌دهد.
نتایج تحلیل غیر خطی قاب خورجینی
تحلیل قاب خورجینی ساده تحت مولفه افقی شتاب نگاشت‌های مقیاس شده نشان داد، که این قاب توان مقابله با بار زلزله مذکور را دارا نیست و به علت تشکیل مفاصل پلاستیک متعدد دچار فروریزش میشود.
در نهایت با استفاده از مهاربندهای مذکور این قاب خورجینی آسیب پذیر، در برابر بارگذاری زلزله محاسبه و مقاوم سازی شد. حسن مقاوم سازی به این روش در مقایسه با تبدیل قاب به یک قاب خمشی، حجم مقاوم سازی کمتر به ویژه عدم نیاز به تقویت تیرهای خورجینی و در مقایسه با مهاربندهای هم محور متعارف ظرفیت شکلپذیری بیشتر است. در نهایت رفتار این قاب خورجینی بعد از مقاوم سازی تحت شتاب نگاشت مقیاس شده با استفاده از یک تحلیل غیر خطی بررسی شد. تحلیل‌های مذکور نشان داد که این سیستم توانایی بالایی در طراحی لرزه‌ای سازهای جدید و همچنین مقاوم سازی سازه‌های موجود دارد و روش طراحی بیان شده برای مهاربندهای کمانش ناپذیر جوابگو بوده است.