انواع سیستمهای مهاربندی
- شناسه : 22015
- دسته بندی ها :
- برچسب ها :
یکی از متداولترین روشها برای مقابله با نیروهای جانبی در سازههای فولادی غیربلند استفاده از مهاربند است. مهاربندها به شکلهای گوناگونی اجرا میشوند. پیکربندی سیستمهای مهاربندی عموماً از نوع هم مرکز (هم محور) یا خارج از مرکز (برون محور) است. مهاربندهای هم مرکز سختی سازه را نسبت به قاب خمشی معادل به شدت افزایش داده و تغییر مکان جانبی سازه را محدود مینمایند. سیستم مهاربندی برون محور دو ویژگی سختی مناسب جانبی و جذب انرژی بالا را با یکدیگر ترکیب کرده و به کار میگیرد. ادامه متن در ادامه مطلبدر سیستم مهاربند برون محور، برون محوری اتصال مهاربندی سبب پدید آمدن لنگرهای خمشی و نیروهای برشی بزرگی در ناحیۀ تیر نزدیک به مهار میشود. به این ترتیب، تنشهای این ناحیه از تیر وارد محدوده غیر ارتجاعی شده و سبب اتلاف انرژی ناشی از زمین لرزه میشود. این ناحیه از تیر، پیوند نام دارد.
در سیستم مهاربندی هم محور، بادبندها از محل تقاطع تیر و ستون عبور مینمایند و در بعضی از فرمهای این نوع مهاربندی، محور دو بادبند در یک نقطه مشترک بر روی تیر با هم تلاقی میکنند. این سیستم دارای سختی جانبی بسیار بالایی بوده و به این علت که نیروهای جانبی توسط اعضاء به صورت محوری منتقل میشوند، سیستمی اقتصادی هستند. مهاربندی هم محور علی رغم سختی بالا و مناسب و نیز سهولت طراحی و اجرا دارای اشکالاتی هم است. مهمترینِ این اشکالات از لحاظ معماری ایجاد محدودیت برای اجرای دربها و پنجرهها و از نظر سازهای کمانش بادبندها است. کمانش بادبندها منجر به شکل پذیری کم و ظرفیت کم اتلاف انرژی میشود. 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 میشود. قسمتی از تیر که بین تیر و ستون یا بین دو بادبند قرار میگیرد، تیر پیوند نامیده میشود و به صورت یک فیوز شکل پذیر عمل مینماید. در این سیستم تیر پیوند از وارد شدن نیروی بیش از حد به بادبندها و کمانش آن جلوگیری میکند. تیر پیوند با تغییر شکلهای پلاستیک در مود خمشی یا برشی، مقدار زیادی از انرژی وارد شده را مستهلک مینماید. سختی مناسب خاصیت عمده سیستم بادبندی هم محور است. شکل پذیری بالا نیز ویژگی عمده قاب خمشی است. در واقع میتوان گفت که سیستم بادبندی برون محور ترکیب کننده این دو ویژگی مهم است.
در بادبندهای واگرا پیوندهای کوتاه با قابلیت تغییر شکلهای پلاستیک در خمش یا برش دارای ظرفیت استهلاک انرژی بالایی هستند. در این سیستم حدود ۵ تا ۱۵ درصد از مصرف فولاد در مقایسه با قاب خمشی شکل پذیر کاسته میشود، اما به هر حال سیستم های واگرا نیز دارای نقاط ضعفی هستند. برای نمونه میتوان گفت که استهلاک انرژی توسط تیر پیوند که بخشی از اعضای اصلی قاب است، انجام میشود 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 میتوان به اعوجاج بیش از حد سقف در اثر تغییر شکلهای زیاد تیرهای پیوند اشاره کرد.
آشناترین سیستم مهاربندی در سازههای 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 قابهای خمشی (MRF) با وجود شکل پذیری بسیار بالا، از نظر سختی و کنترل تغییر مکان، به هیچ وجه رفتار مناسبی ندارند.
سیستمهایی که بر هر دو مشکل فوق غلبه میکنند به دو طیف عمده سیستمهای مهاربندی خارج از مرکز (EBF) و سسیستم مهاربندی زانویی (KBF) تقسیم میشوند. سیستم EBF علی رغم شکل پذیری بسیار عالی، سختی نسبتاً مناسب و تسهیلاتی که به لحاظ ایجاد بازشوها ایجاد میکند. به دلیل مشکل ترمیم تیر پیوند، پس از یک زلزله شدید و مشکلات طرح و اجرای خود پیوند، نقطه ضعفهایی هم دارد.
اما در سیستم KBF المان مستهلک کننده انرژی، عضو زانویی است که مانند یک فیوز شکل پذیری عمل میکند و تشکیل مفاصل پلاستیک محدود به آن است. عضوی که تعویض آن (جهت بهره برداری مجدد از سازه) پس از یک زلزله شدید سهل تر و عملی تر خواهد بود.
اصولاً در بررسی و مقایسه سیستمهای مختلف مهاربندی دو معیار عمومی زیر را باید مورد توجه قرار داد.
استفاده از دو معیار عمومی فوق الگوی ما در بررسی سیستمهای مختلف و متفاوتی است که میتوان آنها را به سه دسته عمومی، مهاربندی هم مرکز Concentrated Bracing Frames، مهاربندی خارج از مرکز Eccentric Bracing Frames و مهاربندی زانویی Knee Bracing Frames تقسیم میشود.
با توجه به خصوصیات رفتاری مهاربند زانویی، پس از زلزله فقط عضو زانویی است که دچار تخریب میشود و قاب اصلی و بادبندهای قطری عمدتاً در حالت الاستیک باقی میمانند. در نتیجه با تعویض و ترمیم زانو میتوان سیستم را به سهولت به مرحله بهرهبرداری مجدد رسانید. به همین علت این سیستم به مهاربندی زانویی تعویض پذیر DKB) Disposable Knee Bracing) هم معروف است. در حالی که در سیستم EBF ترمیم پیوند، در بیشتر مواقع مستلزم تعویض کامل تیر اصلی است.
در سیستم EBF بهتر است اتصال تیر به ستون و المانهای قطری به تیر، صلب باشد. تا امکان تسلیم و در نتیجه اتلاف انرژی وجود داشته باشد. اما سیستم KBF را میتوان در هر سه نوع اتصال صلب نیمه صلب، یا ساده به کار برد.
در سیستم KBF به طور کلی تغییر مکانها کمتر از مهاربندهای EBF است. در نتیجه در طی ارتعاشات لرزهای، خسارت غیر سازهای در این سیستم به حداقل میرسد.
به طور معول در طراحیها فرض میشود در اثر بازهای جانبی، سقف به صورت صلب باقی خواهد ماند. با بررسی شکل هندسی و سیستم رفتاری مهاربند KBF مشاهده میشود که در مقایسه با سیستم EBF در این سیستم سقفها اعوجاج کمتری دارند.
ظرفیت استهلاک انرژی و شکل پذیری سیستم KBF عمدتاً بیش از سیستم EBF است. علاوه بر آن سیستم EBF با تسلیم المان زانویی به مرحله غیر خطی گذر میکند و حتی در بخش عمدهای از مرحله غیر خطی، رفتارش به گونهای است که قاب اصلی تسلیم نشده و الاستیک باقی میماند.