سیستم مهاربند زانویی

قاب های فولادی به چهار گروه قاب خمشی، قاب مهاربندی هم محور، قاب مهاربندی برون محور و قاب مهاربند زانویی تقسیم می شوند. سیستم قاب خمشی دارای کمترین سختی و مقاومت هستند. اگرچه سیستم قاب خمشی یک سیستم با استهلاک انرژی بسیار خوب و فوق العاده است، اما اعضای آن باید با مقاطع بزرگ غیراقتصادی طراحی شوند.

علاوه بر این، تأمین ملاحظات مربوط به شکل پذیری ویژه در اتصالات این سیستم، مخصوصاً در اتصالات جوشی با مشکلاتی همراه است. سیستم قاب با مهاربند هم مرکز، مقاومتر و سختتر از بقیه سیستم ها است اما به خاطر کمانش اعضای مهاربندی، نمی تواند شکل پذیری مناسبی ارائه نماید.

سیستم مهاربند زانویی

برای غلبه بر اشکالات موجود در قاب های خمشی و قاب های با مهاربندی هم مرکز، ابتدا قاب با مهاربندی برون محور پیشنهاد شد. این سیستم علاوه بر داشتن سختی بالا در ناحیه خطی، شکل پذیری مناسبی نیز دارد. در این قاب ها، تیرهای پیوند به عنوان المان های شکل پذیر (کنترل شونده توسط تغییرمکان)، بخشی از اعضای اصلی سازه (تیرها) هستند. بنابر این امکان تعویض سریع و کم هزینه این اعضا بعد از وقوع یک زلزله شدید وجود ندارد.

آریستیزابال اوچوآ (Aristizabal Ochoa) در سال 1986، یک قاب مهاربندی شده جدید، به نام قاب مهاربندی زانویی با همه خصوصیات مناسب قاب های ذکر شده، اما بدون داشتن نقص های آنها پیشنهاد کرد.در سیستم قاب با مهاربند زانویی، برای اطمینان از شکل پذیری لازم، به جای اتصال برشی از یک عضو سازه ای ثانویه (عضو زانویی)، استفاده می شود. در عین حال وجود مهاربند قطری، سبب ایجاد سختی جانبی قابل توجهی می شود. با تشکیل مفصل های پلاستیک در عضو زانویی، قسمت های اصلی سازه ایمن و سالم باقی می ماند. در این حالت اصلاح و ترمیم سازه، به آسانی و با تعویض عضو زانویی صورت می گیرد.

اتصال مهاربند به صورت ساده و اتصال عضو زانویی صلب است. در این سیستم سختی از طریق عضو قطری و شکل پذیری از طریق تسلیم خمشی (عضو زانوئی) تأمین می شود. رفتار غیر خطی مناسب این سیستم به رفتار زانوئی بستگی دارد.

این عضو در هنگام زلزله شدید به صورت فیوز عمل می کند و انرژی را از طریق لهیدگی خمشی عضو زانوئی مستهلک می کند. در طی یک زلزله شدید، عضو زانویی به عنوان فیوز سازه ای قاب، زودتر از اعضای دیگر به حد تسلیم خواهد رسید. طراحی عضو زانوئی دارای اهمیت خاصی است و مقطع آن می بایست با رعایت ضوابط مقاطع پلاستیک طراحی شود.

آنالیز الاستوپلاستیک (خطی-خمیری) لرزه ای سازه KBF، به فهم کامل رابطه بین پارا مترهای سازه ای و عملکرد لرزه ای، کمک و نتایج زیر را ارائه می کند.موقعیت و سختی زانویی مهم ترین عامل تأثیر گذار روی قابلیت مقاومت جانبی KBF بوده و تأثیر زیادی نیز روی رفتار استهلاک انرژی آن دارد.

به عنوان اعضای اصلی قاب، تیرها و ستون ها تأثیر زیادی روی رفتار جانبی قاب KBF دارند. تغییر سطح مقطع ستون نسبت به تغییر سطح مقطع تیر تأثیر بیشتری خواهد داشت.در یک ساختمان، بخاطر اینکه طول تیرها و ستون ها نمی تواند به آسانی تغییر کند، رفتار جانبی قاب می تواند از طریق تنظیم المان های زانویی و سطح مقطع ابعادی تیرها و ستون ها بهبود یابد.

به عنوان المان اصلی قاب، تغییر سطح مقطع عرضی ستون بیشتر از تغییر در تیر موثر است. به عنوان عضو مقاوم اصلی در برابر نیروی جانبی، المان زانویی نقش مهمی را ایفا می کند. با تعیین سطح مقطع عرضی و موقعیت مناسب المان زانویی، سازه KBF حتی در مقابل زلزله های شدید، سختی جانبی کافی و شکل پذیری مناسبی را به معرض نمایش می گذارد.