انواع سیستم مهاربندی

سیستم های مهار بندی

یکی از متداول ترین روش ها برای مقابله با نیروهای جانبی در سازه های فولادی غیربلند استفاده از مهاربند است. مهاربندها به شکل های گوناگونی اجرا می شوند. پیکربندی سیستم های مهاربندی عموماً از نوع هم مرکز یا خارج از مرکز است. مهاربندهای هم مرکز سختی 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 سیستم مهاربند برون محور، برون محوری اتصال مهاربندی سبب پدید آمدن لنگرهای خمشی و نیروهای برشی بزرگی در ناحیه 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 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 این علت که نیروهای جانبی توسط اعضاء به صورت محوری منتقل می شوند، سیستمی اقتصادی هستند. مهار بندی هم محور علی رغم سختی بالا و مناسب و نیز سهولت طراحی و اجرا دارای اشکالاتی هم است. مهم ترینِ این اشکالات از لحاظ معماری ایجاد محدودیت برای اجرای درب ها و پنجره ها و از نظر سازه ای کمانش بادبند ها است. کمانش بادبندها منجر به شکل پذیری کم و ظرفیت کم اتلاف انرژی می شود.

در قاب بادبندی شده برون محور 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 نامیده می شود و به صورت یک فیوز شکل پذیر عمل می نماید. در این سیستم تیر پیوند از وارد شدن نیروی بیش از حد به بادبندها و کمانش آن جلوگیری می کند. تیر پیوند با تغییر شکل های پلاستیک در مود خمشی یا برشی، مقدار زیادی از انرژی وارد شده را مستهلک می نماید.

سختی مناسب خاصیت عمده سیستم بادبندی هم محور است. شکل پذیری بالا نیز ویژگی عمده قاب خمشی است. در واقع می توان گفت که سیستم بادبندی برون محور ترکیب کننده این دو ویژگی مهم است.در بادبندهای واگرا پیوندهای کوتاه با قابلیت تغییر شکل های پلاستیک در خمش یا برش دارای ظرفیت استهلاک انرژی بالایی هستند. 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 های واگرا نیز دارای نقاط ضعفی هستند.

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 است. از دیگر معایب این سیستم می توان به اعوجاج بیش از حد سقف در اثر تغییر شکل های زیاد تیرهای پیوند اشاره کرد.

ویژگی های اساسی سیستم مهاربندی

• شکل پذیری محدود است
• نامعینی بالایی ندارند
• مشارکت کلیه اعضای سازه در باربری جانبی فراهم نیست
• دیافراگم ها نقش عمده تری در رفتار لرزه ای ایفا می نمایند
• ظرفیت باربری الاستیک زیادی دارند
• در این سیستم ها عناصر تعیین کننده رفتار غیر ارتجاعی مهاربندها هستند
• ستون های طرفین دهانه مهاربندی در این سیستم عناصر مقاومتی هستند.

نقش سیستم های مختلف مهاربندی در مقاوم سازی سازه های فولادی

آشناترین سیستم مهاربندی در سازه های فولادی، مهاربندی ضربدری هم مرکز است که با وجود سختی مناسب از لحاظ شکل پذیری و جذب انرژی، عملکرد عمدتاً ضعیفی دارد. از سوی دیگر قاب های خمشی با وجود شکل پذیری بسیار بالا، از نظر سختی و کنترل تغییر مکان، به هیچ وجه رفتار مناسبی ندارند.

سیستم هایی که بر هر دو مشکل فوق غلبه می کنند به دو طیف عمده سیستم های مهاربندی خارج از مرکزو سسیستم مهاربندی زانویی تقسیم می شوند. سیستم EBFعلی رغم شکل پذیری بسیار عالی، سختی نسبتاً مناسب و تسهیلاتی که به لحاظ ایجاد بازشوها ایجاد می کند. به دلیل مشکل ترمیم تیر پیوند، پس از یک زلزله شدید و مشکلات طرح و اجرای خود پیوند، نقطه ضعف هایی هم دارد.

اما در سیستم KBFالمان مستهلک کننده انرژی، عضو زانویی است که مانند یک فیوز شکل پذیری عمل می کند و تشکیل مفاصل پلاستیک محدود به آن است. عضوی که تعویض آن پس از یک زلزله شدید سهل تر و عملی تر خواهد بود.اصولاً در بررسی و مقایسه سیستم های مختلف مهاربندی دو معیار عمومی زیر را باید مورد توجه قرار داد:

• در زلزله های معمولی که خسارت در آن به صورت غیر سازه ای است، سازه باید برای حفظ تغییر شکل ها در زیر حدی، دارای سختی کافی باشد.
• شکل پذیری آن به اندازه ای باشد که در زلزله های شدید، دچار تخریب سیستم سازه ای و انهدام عمومی نشود.

استفاده از دو معیار عمومی فوق الگوی ما در بررسی سیستم های مختلف و متفاوتی است که می توان آنها را به سه دسته عمومی، مهار بندی هم مرکز Concentrated Bracing Frames، مهاربندی خارج از مرکز Eccentric Bracing Framesو مهاربندی زانویی Knee Bracing Framesتقسیم می شود.

مهاربند های هم مرکز CBF

مشخصه عمده این سیستم آن است که محورهای خنثی در اعضای مختلف در یک نقطه مشترک تلاقی می کنند.یکی از مهم ترین خواص مهاربندی هم مرکز سختی بالای آن است. به همین دلیل معمولاً با افزایش تعداد طبقات و ارتفاع ساختمان و وقتی که استفاده از سایر سیستم ها غیر اقتصادی می شود این مهاربندی به میدان میآید.مهاربندهای هم مرکز ضربدری علی رغم سختی بسیار بالا و خوبشان و علاوه بر آن سهولت طراحی و اجرا دو اشکال اساسی دارند.

محدودیت های معماری در مورد در و پنجره

شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی بسیار کم، که عمدتاً به دلیل کمانش کلی یا موضعی عضو فشاری مهاربند و تا حدی ضعف اتصالات مفصلی حاصل می شود.مشکل اول یعنی محدودیت های معماری مهاربند ضربدری را بعضی از طراحان با فرم های دیگر این نوع مهاربندی از جمله مهاربندی Z (یک طرفه)، مهاربندی V، مهاربندی شورون، مهاربندی K برطرف کرده اند.

اما نکته حائز اهمیت این است که فرم های متفاوت با فرم ضربدری الزاماتی خاصی را نیز در طراحی ایجاد می کند. که در صورت عدم توجه به آن مهاربند و به تبع آن سازه اصلی دچار مسائلی خواهند شد.در مهاربندی ضربدری معمولاً از اثرات بار ثقلی بر اعضای قطری صرف نظر می شود اما در فرمهای Vو K مهارها، تکیه گاه تیری که به آن وصل شده اند خواهند بود و طبعاً باید اثرات بارهای ثقلی را برای آنها در نظر گرفت.

در بادبندهای Vو 8 اگر یکی از اعضا در فشار، کمانش کند، در تیر کف، خیزهای قائم بزرگی در نقطه اتصال مهاری به آن رخ می دهد. که نهایتاً موجب گسیختگی تیر می شود. بنابراین طراحی تیر باید به گونه ای باشد که بتواند نیروهای بزرگ ناشی از مهاری را هم تحمل کند.

عملاً در بادبندهای Kو لوزی به علت تغییر مکان وسط ستون لنگرهای اضافی در ستون حتی در ناحیه الاستیک ایجاد می شود که ممکن است موجب خرابی شود.بادبند Z (یک طرفه) را فقط باید موقعی به کار برد که در همان محور در دهانه دیگری بادبند طرف دیگر موجود باشد. مگر آنکه عدم کمانش عضو قطری قابل اطمینان باشد.

در ارتباط با مشکل دوم یعنی شکل پذیری و با توجه به منحنی هیسترزیس نمونه این نوع مهاربند، مشاهده می شود که حلقه های هیسترزیس بسیار ناپایدار و نامنظم است و مخصوصاً تحت بارهای متناوب دیده می شود. که بعد از چند سیکل بر اثر کمانش اعضای فشاری سیستم مهاربندی حتی تا 50٪ مقاومت خود را از دست می دهد. به دلیل ضعف در جذب انرژی و شکل پذیری است که در مناطق زلزله خیز شدید استفاده از این مهاربند به شکل گسترده پیشنهاد نمی شود.در مورد مهاربند هم مرکز برای یک طراحی بهینه، مفصل های خمیری ابتدا باید در اعضای قطری ایجاد شوند نه در تیر یا ستون.

مهاربندهای خارج از محور EBF

یکی از مهم ترین مزایای این نوع مهاربندها انعطاف پذیری بالای آنها از لحاظ مسائل معماری است. در این سیستم محل اتصال اعضای مهاربند به طور عمد در محل تلاقی تیر و ستون قرار نمی گیرد و در نتیجه از پیچیدیگی محل اتصال جلوگیری می شود.

در این سیستم قسمتی از تیر که بین عضو قطری تا ستون یا بین دو مهار بند قرار می گیرد دارای این خاصیت است که می تواند نیروهای مهاربندی را از طریق خود به ستون یا عضو قطری دیگر انتقال دهد و نهایتاً نیروهای متعادلی را به مهاربند وارد سازد. در واقع پیوند در اینجا مانند فیوزِ شکل پذیری عمل می کند و خود مقادیر عمده ای از انرژی جانبی را جذب می کند.

در یک طراحی درست برای سیستم EBF، این تیر پیوند است که باید با تشکیل مفصل های خمیری، تغییر شکل های بزرگ غیر ارتجاعی را تحمل کند. عناصر قطری باید طوری طراحی شوند که حتی در مقابل بارهای جانبی شدید هم کمانش نکنند. به همین علت طول پیوند و کم یا زیاد شدن آن در رفتار سیستم نقش مهمی دارد.

با نزدیک شدن محل اتصال به اتصال تیر و ستون، سختی سیستم به مهاربندی CBFنزدیک می شود و با دور شدن از آن سختی کمتر شده و در عوض انعطاف پذیری سیستم بیشتر شده و به سیستم به قاب خمشی شبیه می شود. سیستم EBFترکیب کننده سختی مناسب CBFو شکل پذیری و قابلیت جذب انرژی بسیار خوب سیستم MRFاست.

استفاده از قاب های مهاربندی شده خارج از مرکز برای مقابله با زلزله این روزها مورد توجه قرار گرفته است. عملکرد شکل پذیری بسیار خوب این سیستم تحت بارهای تناوبی، نسبت مستقیمی با تسلیم برشیِ تیر پیوند دارد. بنابراین در پروسه طراحی تعیین طول بهینه پیوند و فراهم آوردن سخت کننده های مناسب برای جان تیر از اساسی ترین نکات است.

سیستم EBFنقاط ضعفی هم دارد که مهم ترین آنها عدم قابلیت تعویض تیر پیوند پس از یک زلزله شدید است. چرا که پیوند بخشی از تیر قاب اصلی است که تعویض آن به سهولت میسر نخواهد بود. علاوه بر ان به منظور فعال کردن ظرفیت استهلاک انرژیِ پیوندهای برشی، المان های قطری سنگین، مورد نیاز است که این المان های سنگین فقط در هنگام اعمال بارهای جانبی شدید به کار خواهند افتاد.

المان های پیوند به دلیل اندازه و محل قرار گیریشان در معرض حالت های بسیار پیچیده تنش - کرنش هستند. این امر باعث پیچیده تر شدن پروسه تحلیل و طراحی قاب می شود. نکته دیگر آن که سیستم به منظور فعال کردن پیوندهای برشی، به اتصالات صلب نیاز دارد. صلب کردن اتصال مسائل و مشکلات خاص خود را به همراه دارد.

کمانش بادبند ها

پدیده کمانش یا چروکیدگی رفتاری است که از عضو تحت فشار سر می زند. برای ساده سازی یک ترکه چوب را درنظر بگیرید؛ اگر این ترکه را به طور مستقیم و در راستای خود ترکه تحت فشار قرار دهید نیروی زیادی لازم است تا بتوانید آن را خم کنید. چون نیرویی که به ترکه وارد می کنید از مرکز آن فاصله چندانی ندارد، لنگر خمشی حاصل نیز دارای بازوی کوچکی خواهد بود. ولی همین که ترکه کمی خم شود بازوی لنگر زیاد شده و شما ادامه کار خم کردن را به راحتی می توانید انجام دهید.

رخداد انواع کمانش، به محل و جهت اعمال نیرو به جسم، وابسته است. در حالت های مختلف این نیرو می تواند فشاری، خمشی و یا حتی پیچشی باشد و باعث کمانش بشود. یک استوانه کاغذی را اگر از دو سر بپیچانید دچار چروکیدگی یا همان کمانش می شود. پس شکل و فرم کمانش متفاوت است و می توان از یک شکم دادن ساده باشد تا چروکیدگی ورق یا پیچ خوردگی و …

در بادبندها نیز به علت رفتار رفت و برگشتی زلزله، تحت فشار و کشش بودن مداوم بادبند، مقاوم بودن آن را در برابر انواع کمانش می طلبد. و عموما این پدیده در بادبندهایی که اصطلاحا لاغر هستند یعنی طول زیاد یا سطح مقطع کوچک دارند رخ می دهد.

انواع کمانش در مهاربند ها

• کمانش به طور کلی به دوصورت کمانش کلی وموضعی ممکن است رخ دهد.
• کمانش کلی عضو یعنی ناپایداری و از بین رفتن عضو تحت اثر تغییر شکل های جانبی زیاد ناشی از نیروها یا تنش های فشاری در کل عضو که گاهاً ممکن است همزمان با کمانش موضعی عضو صورت گیرد.
• کمانش موضعی در اجزای نازک رخ داده و عضو اگر به دلایلی (لنگر خمشی یا نیروی محوری) تحت تنش های فشاری قرار گیرد، ناپایدار شده و کمانش می کند و در نتیجه قسمتی از نیمرخ خاصیت باربری مناسب خود را از دست داده و به این پدیده کمانش موضعی می گویند

پس نتیجه می گیریم عضو بادبندی در کل طول خود نباید لاغر باشد؛ همچنین ضمن الزامی بودن استفاده از لقمه ها در فواصل معین این فواصل به گونه ای طراحی شود که بادبند در حدفاصل بین دو لقمه نیز لاغر نباشد و کمانش صورت نگیرد.