پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
طراحی قاب‌های فولادی با مهاربندی خارج از مرکز (EBF)
طراحی قاب‌های فولادی با مهاربندی خارج از مرکز (EBF)
قاب‌های فولادی مهاربندی شده کاربرد روز افزونی در ساخت و سازهای صنعتی و ساختمانی دارند. در سال‌های اخیر تحقیقات فراوانی از نقطه نظر عملکرد و رفتار این نوع سازه‌ها در حالت‌های الاستیک و غیرالاستیک انجام شده است. نتایج حاصل در بهبود ضوابط طراحی و چگونگی اجرای آنها مؤثر بوده است.
در این نوع قاب‌ها، مهاربند با خروج از مرکزیت نسبت به محل اتصال تیر و ستون قرار داده می‌شود و قطعه‌ای از تیر که مابین دو مهاربند و یا یک مهاربند و ستون قرار دارد، بنام عضو پیوند (Link) شناخته می‌شود. این عضو همانند یک فیوز شکل‌پذیر جهت جلوگیری از خرابی کل سازه عمل می‌کند.
رفتار شکل پذیر پیوندها تحت اثر زلزله باعث می‌شود تا خرابی سازه بر روی این عضو متمرکز شود و سایر قسمت‌های سازه از جمله اعضای مهاربندها، ستون‌ها به هنگام وقوع زلزله‌ای شدید در محدوده الاستیک باقی بمانند. سختی جانبی EBFها عمدتاً تابع نسبت طول پیوند به طول تیر است. هر قدر طول پیوند کوتاهتر باشد قاب سختر خواهد بود. سختی چنین سیستمی با میل کردن طول پیوند به مقدار صفر به سختی قاب با مهاربند هم مرکز نزدیک خواهد شد.
قاب‌های فولادی با مهاربندهای خارج از مرکز
هدف اصلی در طرح سیستم‌های EBF این است که اعضای خارج از پیوند در محدوده الاستیک باقی بمانند. البته می‌توان پیش بینی کرد عضو پیوند در بارگذاری نهائی دچار تغییر شکل‌های غیرالاستیک به همراه اتلاف انرژی و شکل پذیری بالا خواهد شد. اکثر ضوابط آیین نامه‌ای در طرح EBFها برای اطمینان از این موضوع است که مهاربندها، تیرها، ستون‌ها و اتصالات در محدوده الاستیک باقی بمانند و فقط اعضای پیوند به شکل پایدار وارد محدوده غیرالاستیک شوند. مهندسان سازه در طرح EBF اغلب با سه عامل مهم مواجه‌اند که شامل موارد زیر است.
- پیکربندی مهاربندها
- طول پیوندها
- مشخصات هندسی پیوندها
اگر سه عامل فوق به شکل منطقی در نظر گرفته شده باشند طرح اجزاء باقیمانده قاب تأثیری بر سه پارامتر فوق نخواهند داشت. حدس اولیه مناسب برای اعضاء مهاربند و ستون‌ها امکان پذیر است. بعد از اینکه پیکربندی و اندازه اولیه اعضاء مشخص شد جهت تحلیل الاستیک سازه و توزیع نیروها مابین اعضاء از برنامه‌های کامپیوتری موجود استفاده می‌شود. در ویرایش‌های جدید برنامه‌هایی نظیر ETABS علاوه بر امکان مدلسازی و طرح قاب‌های EBF ،امکان تحلیل غیرخطی استاتیکی (Over-Push) وجود دارد. همچنین به منظور درک بهتر رفتار شکل پذیر قاب EBF و چگونگی تشکیل مفاصل پلاستیک (برشی) در عضو پیوند، از برنامه تحلیل اجزاء محدود ABAQUS استفاده شده است.
طرح بهینه قاب‌های EBF
اولین گام در طرح EBF، نحوه قرارگیری قاب‌ها است. در صورت امکان بهتر است قاب‌های EBF به صورت متقارن در سازه بکار روند. لازم به ذکر است که پیکربندی مهاربندها در طرح قاب‌های EBF مهم است. انتخاب آرایش مهاربندها وابسته به عوامل بسیاری است این عوامل شامل ارتفاع، عرض دهانه و اندازه موقعیت فضای مورد نیاز در نمای عرضی قاب است. محدود کردن زاویه مهاربند در حد ۳۵ تا ۶۰ درجه پیشنهاد شده است. زوایای بزرگتر از مقدار حداکثر پیشنهادی منجر به در نظر گرفتن جزئیات خاص برای اتصال مهاربند به تیر و ستون خواهد شد. بطوری که ورق اتصال آنها اغلب به شکل خاص بوده و عملاً محور مرکزی اجزاء یکدیگر را در یک نقطه قطع نخواهند کرد. زوایای کوچکتر از مقدار حداقل پیشنهادی نیز سبب ایجاد نیروهای محوری بزرگ در تیر پیوند خواهد شد که عمدتاً نامطلوب است. از دیگر پارامترهای مهم در طرح EBF، طول عضو پیوند است.
رفتار غیرالاستیک پیوند به شکل قابل ملاحظه‌ای متأثر از طول آن است. به عبارت دیگر عامل تحریک کننده پیوند و انتقال دهنده آن به فاز غیرالاستیک طول آن است. کاستن از طول پیوند بیشترین اثر نیروی برشی را بر عملکرد غیرالاستیک دارد. مکانیزم تسلیم برشی پیوند کوتاهتر بهتر از مکانیزم تسلیم خمشی پیوندهای بلند است و دلیل اصلی آن این است که در پیوندهای برشی، نیروهای برشی در تمام طول پیوند ثابت است لذا کرنش‌های غیرالاستیک به طور یکنواخت در طول پیوند توزیع خواهند شد که این عمل باعث دوران‌های بزرگ غیرالاستیک پیوند، بدون ایجاد کرنش‌های موضعی زیاد خواهد شد.
خواص مقطع پیوند نیز در طرح EBFها نقش مهمی را ایفا می‌کند. تیرهای پیوند عمدتاً باید چنان طرح شوند که حداقل سطح مورد نیاز جان بتواند برش ناشی از خروج از مرکزیت مهاربند را تحمل کند. سطح جان بیش از مقدار مورد نیاز باعث افزایش اندازه سایر اعضاء قاب خواهد شد. در این حالت آنها را می‌بایستی برای اضافه مقاومت عضو پیوند طرح نمود که می‌تواند طرح را غیر اقتصادی نماید. عموماً طرح یک عضو پیوند توسط انتخاب یک مقطع با حداقل ظرفیت برش و حداکثر ظرفیت خمشی بهینه می‌شود. البته باید دقت شود که جان مقطع شرایط فشردگی را داشته باشد. با توجه به مسأله فوق عموماً استفاده از مقاطع IPE در قاب‌های EBF با مشکلاتی روبرو است. هر چند استفاده از تیر ورق‌ها می‌تواند این معضل را برطرف نماید.
ظرفیت تیر نیز از آنجائی که همانند یک فیوز شکل پذیری عمل می‌کند و مقاومت سایر اجزاء را تحت تأثیر قرار می‌دهد حائز اهمیت است. به عبارت دیگر مهندسان سازه باید از میزان تنش تسلیم فولاد بکار رفته در طرح خود اطمینان کافی داشته باشند تا بتوانند ظرفیت تیر را با دقت تعیین کنند. از سوی دیگر باید توجه شود که رفتار غیرالاستیک قاب بستگی به رفتار عضو پیوند دارد. نتایج آزمایشگاهی نشان داده توزیع نیروهای نهائی در سازه شباهت کمی به آنچه از بارگذاری الاستیک بدست می‌آید، دارد. محل نقاط عطف خمشی کاملاً متفاوت بوده و ممکن است ستون‌ها تحت خمش ساده قرار گیرند بدون آنکه هیچ تغییر لنگری در آن ایجاد شود. در سیستم‌های EBF نیازی به طرح و کنترل تیر به تنهایی یعنی تیر بدون وجود تکیه گاه مهاربند نیست چنین کنترلی برای تیر قاب با مهاربندی هممرکز اجباری است. گام بعدی در طرج بهینه، تخمین بهینه اندازه مقطع است. برش طرح عضو پیوند به علت بارهای جانبی را می‌توان مستقل از طول پیوند، پیکربندی مهاربند، خواص مقطع یا حتی تحلیل الاستیک تعیین کرد.
از نکات مهم دیگر در طرح بهینه قاب‌ها با مهاربندی خارج از مرکز، توجه به نیروهای محوری پیوند و تیر خارج از پیوند است. عموماً نیروهای محوری موجود در یک عضو پیوند سبب کاهش ظرفیت خمشی آن می‌شود. بنابراین بایستی عضو پیوند را برای اثرات توأم نیروی محوری و لنگر خمشی کنترل نمود. این ترکیب بار اخیر می‌تواند منجر به تسلیم بال قبل از تسلیم جان شود. همچنین باید توجه خاصی در تفسیر نتایج خروجی برنامه‌های کامپیوتری لحاظ شود. اغلب آنها از فرض دیافراگم صلب استفاده می‌کنند و قادر به محاسبه نیروهای محوری تیرها نیستند. بنابراین با توجه به خصوصیات نرم افزار بکار رفته باید شگرد خاصی را در ارتباط با نیروی محوری بکار برد. از آنجائی که احتمال کاهش مقاومت خمشی به علت نیروی محوری وجود دارد بنابراین لازم است که عضو پیوند را کنترل نمائید تا مبادا در ابتدا تسلیم خمشی بجای تسلیم برش اتفاق افتد.
همچنین جهت جلوگیری از کمانش جان و اطمینان حاصل نمودن از تسلیم برشی با شکلپذیری مناسب، استفاده از سخت کننده‌ها در هر یک از دو انتهای پیوند و بین آنها توصیه شده است. عوامل متعدد دیگری موجود است که همگی آنها در رفتار ایده‌آل EBFها مؤثرند.
مقایسه قاب‌های مهاربندی خارج از مرکز با سایر سیستم‌های مهاربندی
قاب‌های EBF سختی و مقاومتی مابین قاب‌های خمشی (MRF) و مهاربندی هم مرکز (CBF) دارند. در واقع مزیت EBF نسبت به MRF این است که به ازاء تغییر مکان یکسان، ظرفیت اتلاف انرزی EBF از MRF بیشتر است. این مزیت عمدتاً مربوط به رفتار شکل پذیرتر قاب‌های EBF است و از نقطه نظر اقتصادی بنظر نمی‌رسد دارای برتری قابل ملاحظه‌ای نسبت به سایر سیستم‌ها باشد. برای اینکه بتوان از تمامی خاصیت اتلاف انرژی EBFها استفاده نمود. اصولاً زمان بررسی و کنترل قاب‌های EBF بیشتر از سایر سیستم‌هاست و این کار باید با حساسیت خاصی دنبال شود. مهمترین جزء در طرح EBFها، عضو پیوند است. عموماً طرح یک عضو پیوند با انتخاب یک مقطع با حداقل ظرفیت برش و حداکثر ظرفیت خمشی بهینه می‌شود که این حالت اخیر را نمی‌توان در هیچ کدام از مقاطع متداول و موجود در کشور ایران یافت. از سوی دیگر هر گونه اضافه مقاومت برای اعضاء پیوند سبب هزینه بالای اجرای طرح خواهد شد. عموماً استفاده از پیوندهای با رفتار برشی ارجحتر از پیوندهای با رفتار خمشی است و استفاده از سخت کننده‌ها برای اطمینان از عملکرد لازم حتماً توصیه می‌شود.