مهاربندهای کمانش تاب

از آنجا که کمانش مهاربندها در فشار، عامل اصلی عملکرد نامطلوب قاب های 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 می شود. تاکنون روش های 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 می شوند 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 می شود توسط هسته تحمل می شود. با جلوگیری از کمانش هسته، این المان می تواند در فشار همانند کشش جاری شده و بدین ترتیب توانایی جذب انرژی آن به طور چشمگیری افزایش می یابد.

تاکنون آزمایش های متعددی بر روی انواع مختلف مهاربندهای کمانش تاب انجام شده است. نتایج این آزمایش ها نشان داده که مهاربندهای کمانش تاب رفتار چرخه ای پایدار، منظم و نسبتاً متقارنی دارند و منحنی چرخه ای آنها نزدیک به منحنی چرخه ای دوخطی ایده ال است. همچنین در منحنی چرخه ای این مهاربندها، سخت شدگی ایزوتروپیک و کینماتیک دیده می شود. سختی غیرالاستیک مهاربندهای کمانش تاب نسبتاًکم است و در هر چرخه، نسبت به چرخه پیش، کاهش می یابد.

نکته قابل توجه در مورد مهاربندهای کمانش تاب 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 6/5 تا 133 درصد گزارش شده است.

توانایی تغییر شکل غیرالاستیک مهاربندهای کمانش تاب بسیار بالاست، به گونه ای که در بیشتر آزمایش ها ظرفیت شکلپذیری تجمعی آنها بیش از 400 و در مواردی تا بیش از 1000 گزارش شده است. همچنین آزمایش های 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 کمانش تاب بیشتر به عنوان میراگرهای هیسترتیک در قاب های خمشی فولادی به کار می روند و برای طراحی آنها از فلسفه طراحی سازه های مقاوم در برابر خسارت استفاده می شود.در این فلسفه، طراحی به گونه ای انجام می شود که در هنگام زمین لرزه، سازه اصلی الاستیک باقی مانده و فقط میراگرها (مهاربندهای کمانش تاب)، انرژی زمین لرزه را مستهلک می کنند. بنابراین پس از زمین لرزه بزرگ انتظار داریم که سازه با تعویض مهاربندها به حالت اولیه خود باز گردد.

قاب های مهاربندی شده کمانش ناپذیردر امریکا معمولاً با روش استاتیکی معادل و مشابه با سیستم مهاربندی همگرای متداول (اما با پارامترهای لرزه ای متفاوت) طراحی می شوند.قاب مهاربندی شده کمانش ناپذیر در طراحی بسیار قابل انعطاف است، زیرا با انتخاب دقیق مصالح، هسته سطح مقطع و طول قسمت جاری شونده آن، می توان مقاومت و سختی این مهاربند را به آسانی تنظیم کرد. هر چند معمولاً قاب های مهاربندی شده کمانش ناپذیر، عملکرد لرزه ای بسیار مطلوبی دارند، اما نگرانی هایی نیزدر زمینه عملکرد لرزه ای این سیستم وجود دارد.

مهم ترین نگرانی، سختی غیرالاستیک کم مهاربندهای کمانش تاب است که ممکن است باعث ایجاد تمرکز خسارت و همچنین تغییرشکل های ماندگار بزرگ درسازه شود. مسأله اخیر می تواند هزینه های بازسازی را افزایش دهد. از سوی دیگر، استفاده از مهاربندهای کمانشتاب این امکان را به طراحان می دهد که سازه را به گونه ای طراحی کنند که نسبت نیاز به ظرفیت در مهاربندهای سازه، بسیار نزدیک به یک باشد. این مسئله نگرانی هایی را درباره عملکرد این سیستم در زمین لرزه های کوچک و متوسط ایجاد می کند. زیرا ممکن است مقاومت موجود در سیستم آنقدر کم باشد که سازه در زمین لرزه های کوچک و متوسط (مانند زمین لرزه هایی با احتمال 50 درصد در 50 سال) نتواند سطح عملکرد قابلیت استفاده بی وقفه را برآورده کند و سازه تغییرشکل های غیرالاستیک بزرگی را تجربه نماید.

سیستم مهاربندی کمانش ناپذیر، رفتار و عملکرد لرزه ای مطلوبی دارد و تنها نگرانی در مورد این سیستم، عملکرد آن در زمین لرزه های کوچک و متوسط است. مطالعات مقدماتی نشان داد که قاب های مهاربندی شده کمان ناپذیر، در سطح خطر 50درصد در 50 سال، تغییر شکل غیرالاستیک نسبتاً زیادی را تجربه می کنند. در حالی که انتظار می رود در این سطح خطر سطح عملکرد قابلیت استفاده بی وقفه برآورده شود. این مساله نشان دهنده نیاز به بازنگری در ضوابط طراحی لرزه ای قاب های مهاربندی شده کمانش ناپذیر است.