وبلاگ

زلزله یکی از پدیده­های مخرب طبیعی است که تنها طی نیم قرن اخیر خسارات جانی و مالی زیادی را به جا گذاشته است و با توجه به زلزله خیز بودن کشور ما و قرارگیری آن بر روی کمربند الپ-هیمالیا ضروری است که ما بیش از این به روش­های مقابله با این پدیده از جمله مقاوم­سازی سازه­ها در برابر زلزله بپردازیم. از این رو ارزیابی لرزه­ای سازه­ها و مقاوم­سازی ساختمان­های موجود به عنوان یک ضرورت مطرح می­گردد. در سازه ­هایی که طراحی براساس نیروی زلزله است همواره باید برای مقابله با نیروی جانبی زلزله که بر سازه وارد می­ شود سیستم مقاومی را طراحی نمود که ازجمله این سیستم­ها استفاده از انواع مهاربندهای فلزی می­باشد اما نقص عمده در بادبندهای متعارف اختلاف بین ظرفیت کششی و فشاری این مهاربندها و زوال مقاومت آنها در بارگزاری­های چرخه­ای می­باشد بنابراین برای رسیدن به یک رفتار الاستوپلاستیک  ایده­ال و جلوگیری از کمانش فشاری مهاربندها باید از مکانیزم مناسبی استفاده نمود. روشی که مد نظر قرار گرفته عبارت است از محصورسازی یک هسته فلزی شکل پذیر در میان حجمی از بتن که خود توسط یک قشاء فلزی در بر گرفته شده است که اصطلاحاً بادبند کمانش تاب (BRB) نامیده می­ شود و از یک المان باربر و یک المان نگه­دارنده جانبی تشکیل شده است. المان باربر، بارهای محوری را در هر یک از دو حالت کششی و فشاری، که به BRB انتقال پیدا می­ کند، حمل می­ کند. المان­های نگه­دارنده تکیه­گاه­های جانبی را برای المان­های باربر فراهم می­­کنند تا از کمانش BRB وقتی که BRB تحت فشار بارگذاری شده است جلوگیری کند و  BRB قادر خواهد بود تا مقاومت، شکل پذیری و ظرفیت استهلاک انرژی را در المان­های فولادی که برای باربری ساخته شده ­اند افزایش دهد.
ما دراین تحقیق بنا داریم بادبندهای فوق را که ترکیبی از فولاد و بتن می باشند، طوری به کار ببریم که مسئله کمانش بادبندهای معمولی را حل نماید. عملکرد این گونه بادبندها را در سازه­های بتن مسلح در سه حالت ارتفاعی مختلف (3 و 6 و12 طبقه) مورد بررسی قرار می دهیم. طراحی اولیه تمامی سازه­های مزبور با بهره گرفتن از نرم افزار Etabs صورت گرفته و سپس با مدلسازی در نرم افزار OpenSees تحلیل غیرخطی مدلها انجام پذیرفت.
پارامترهای مورد بررسی عبارت بودند از بار نهایی (برش پایه حداکثر)، تغییرمکان حداکثر، انرژی جذب شده و شکل پذیری که با تغییر در مشخصات سازه از جمله هندسه مانند طول دهانه­ها و ارتفاع سازه مورد ارزیابی قرار گرفتند.
1-2- انواع سیستم های بتن مسلح و رفتار اعضا آنها
 1-2-1 انواع قاب های خمشی بتن مسلح
ساختار قاب خمشی شامل ستون­ها وشاهتیرهایی که به وسیله اتصالات صلب به یکدیگر متصل شده ­اند می­باشد که در آن سختی جانبی قاب به سختی ستون­ها و تیر و اتصالات آن بستگی دارد. از لحاظ رفتاری این سیستم نسبتاً شکل­پذیر می­باشد و قابلیت بالایی برای اتلاف انرژی از خود نشان می­دهد، ولی سختی این سیستم نسبتاً کم بوده و در برابر بارهای جانبی دچار ضعف سختی می­ شود به همین دلیل در این نوع سیستم­ها از اعضای مقاوم در برابر بار جانبی مثل مهاربندها استفاده می­ شود. در زیر تعاریفی از انواع سیستم قاب خمشی به بیان آیین نامه آمده است.
1-2-1-1 قاب خمشی معمولی
قابهای خمشی معمولی همان قاب­های دارای شکل پذیری کم هستند که در آیین نامه بتن ایران (آبا) به آن پرداخته شده است که در مناطق با لرزه خیزی زیاد وخیلی زیاد نمی­توان از آن استفاده نمود وباید در انتخاب این نوع سیستم برای مناطق مختلف دقت بیشتری نمود [1].
1-2-1-2 قاب خمشی متوسط
قابهای خمشی متوسط همان قاب­های دارای شکل­پذیری متوسط هستند که در آیین نامه بتن ایران (آبا) به آن پرداخته شده است که استفاده از آن برای ساختمان­های با اهمیت متوسط ومناطق لرزه­ای مختلف مجاز بوده مشروط بر انکه شرایط ارتفاع ومنظمی سازه کنترل شود [1].

1-2-1-3 قاب خمشی ویژه
قابهای خمشی ویژه همان قاب­های دارای شکل­پذیری زیاد هستند که در آیین نامه بتن ایران (آبا) به آن پرداخته شده است که در مناطق با لرزه خیزی زیاد و خیلی زیاد و ساختگاهای مختلف و سازه­های خاص مورد استفاده قرار می­گیرد [1].
1-3 انواع مهاربندی
مهاربند، سیستمی اقتصادی و پربازده برای مقابله با بار جانبی در سازه­های قابی می­باشد. مهاربندها اغلب مانعی برای طرح معماری سازه به حساب می­آیند، لذا معمولاً آنها را در دهانه­هایی قرار می­ دهند كه حداقل ممانعت ایجاد شود و ضمناً شرایط سازه­ای مهاربند در عمل نیروهای برشی و پیچی ساختمان ارضاء گردد. در بسیاری از اوقات نوع مهاربندی بر اساس فضا و بازشوی موجود تعیین می­گردد بطور كلی مهاربندها به دو دسته تقسیم می شوند [2] 

• مهاربندهای هم مركز ( همگرا )

• مهاربندهای خارج از مركز ( واگرا )

در چند سال اخیر علاوه بر دو گروه فوق سیستم های مهاربندی جدیدی (مهاربندهای دروازه ای، زانویی و كمانش تاب) نیز توسعه یافته اند كه هر كدام را به اختصار توضیح می­دهیم .
1-3-1- مهاربندهای هم مركز
این سیستم­ها در مسیر تكمیل سیستم­های سازه­ای فولادی در جهت مقابله با نیروهای باد ابداع گردیدند. در این نوع مهاربندها فرض می­ شود كه محورهای خنثی در اعضای مختلف، نظیر ستون­ها، تیرها و اعضای مهاربندی در یک نقطه مشترك در هر اتصال با هم تلاقی می­كنند. در قابهای با مهاربندی هم مركز مقاومت جانبی سازه توسط اعضای قطری كه با تیرهای قاب تشكیل یک سیستم خرپایی را می­ دهند تأمین می­ شود. انواع مهاربندهای هم مركز عبارتند از ضربدری، قطری، شورن V، v معكوس و k كه در شكل 1-1 نمایش داده شده است. به علت پیكربندی خرپا گونه، صلبیت جانبی این سیستم­ها بسیار زیاد است بطوریكه یک سیستم قاب فولادی با مهاربندهای هم مركز از نوع ضربدری در مقایسه با سیستم قاب خمشی نظیر آن می ­تواند تا 10 برابر سخت تر باشد [ 3 ].
 
الف-قطری            ب-ضربدری           پ-K             د-شورنVمعكوس       ه-شورنV
شکل 1-1 انواع مهاربندهای هم مركز [3]
از مشكلات عمده این سیستم­ها شكل­پذیری و جذب انرژی كم، عمدتاً به دلیل كمانش موضعی یا كلی عضو فشاری مهاربند و تا حدی هم ضعف و عملكرد نامناسب اتصالات آن می­باشد. در زیر به اشكالات عمده هر كدام از انواع بادبندهای فوق به روایت AISC می پردازیم [4].
الف- بادبندهای ضربدری: در هنگام زلزله در هر سیكل یكی از بادبندها به فشار و دیگری به كشش كار می­كنند. مهاربندی كه نیروی فشاری را تحمل می­نماید، كمانش كرده و از سیستم باربری جانبی خارج می­گردد. در سیكل بعدی نیز این اتفاق برای مهاربند دیگر می­افتد و بعد از چند سیكل هر دو مهاربند از سیستم باربری جانبی خارج می­شوند. همانطور كه در شكل 1-2 مشاهده می­ شود حلقه های هیسترزیس قاب فولادی با بادبندهای ضربدری بسیار ناپایدار و نامنظم هستند .
شکل 1-2 منحنی هیسترزیس مهاربندی های هم محور [4]
ب- بابندهای قطری: این بادبندها كه به صورت تك و قطری بكار می­روند، حداقل باید در دو دهانه یک قاب ساختمانی به كار گرفته شوند و در حالت كلی مشكلات بادبند ضربدری را دارند .
پ- بادبندهای شورنV و V معكوس: در این بادبندها یكی از اعضاء در كشش و دیگری در فشار قرار دارد و احتمال كمانش عضو فشاری وجود دارد. تا قبل از كمانش عضو مهاری یک نیروی متعادل به تیر وارد می­ شود كه به محض كمانش موضعی یكی از مهاربندها، نیروی متعادل مذكور به یک نیروی نامتعادل تبدیل می­ شود، كه باعث می­ شود تیر طبقه تغییر شكل زیادی بدهد ( شكل 1- 2).                     
 
الف – بعد كمانش                            ب- قبل از كمانش
شكل 1-3 نحوه عملكرد بادبندهای شورن [4]
آیین نامه AISC برای جلوگیری از مشكلات فوق دو روش زیر را پیشنهاد كرده است [4].

• استفاده از ستون های دوخت( شكل 1- 4 )

• استفاده از بادبندهای شورن بصورت X برای طبقات ( شكل 1-5 )

ت- بادبند K: استفاده از این بادبند فقط در ساختمان ها تا دو طبقه اجازه داده شده است و مشكل اساسی این بادبند وارد كردن نیروی نامتعادل شرح داده شده در بادبندهای شورن به ستون است كه باعث ایجاد یک تغییرمكانی جانبی در وسط ستون می شود این امر می تواند باعث بروز كمانش در ستون و در نتیجه فروریزی كل ساختمان می­گردد .
شكل 1-4 استفاده از ستون دوخت [4]            شكل1-5 استفاده از پیكربندی X [4]
1-3-2- مهاربندهای خارج از مركز (EBF )
این بادبندها بعد از مقایسه رفتار هیستریس بادبندهای هم مركز و قاب خمشی و تركیب آنها توسط پوپوف و همكارانش در دهه 70 شكل گرفت. بادبندهایی كه در آنها بین انتهای اعضای مهاربند تا تیر و ستون فاصله ایجاد شده باشد، بادبندهای واگرا نامیده می­شوند. فاصله ایجاد شده، تیر پیوند (طول لینك) نامیده شد و با e نمایش داده می­ شود. تیر پیوند مانند فیوز شكل­پذیر عمل می­كند و مقدار زیادی از انرژی ناشی از زلزله را جذب می­كند در این سیستم هر دو عامل شكل­پذیری و سختی با هم تركیب می­شوند. شكل­پذیری شاخصه مهم قاب­های خمشی می­باشد و سختی نیز شاخصه اصلی قابهای مهاربندی هم محور می­باشد.[5]
مزایای سیستم مهاربندی واگرا به شرح زیر می باشد:[3]

• كاهش تغییر مكانی جانبی در مقایسه با قابهای خمشی.

• استفاده از قابهای مهاربندی هم محور در ساختمان های با ارتفاع زیاد مجاز نمی باشد.

• كاهش نیروهای تكیه­گاه و لنگر ( در مقایسه با سیستم قاب خمشی ) به منظور كاهش ابعاد پی.

• امكان استفاده از این سیستم برای تغییر سختی سازه در ارتفاع برای جیران نامنظمی در توزیع ارتفاعی جرم سازه با تغییر اندازه اعضاء و طول پیوند وجود دارد . با تغییر طول تیر پیوند می توان سختی قاب مهاربندی واگرا را تغییر داد.