مهاربندهای همگرا

مهاربندهای همگرا معمولاً برای پایداری قاب‌ها در برابر نیروهای جانبی در طراحی لرزه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. طبق فلسفه طراحی لرزه‌ای انتظار می‌رود كه سیستم‌های مهاربندی همگرا تحت زلزله‌‌های شدید بتوانند پاسخ غیر ارتجاعی پایدار و مداومی از خود نشان دهند. در این گونه قاب‌ها بادبندها به وسیله ورق به تیرها و ستون‌ها متصل می‌شوند و تغییر شكل غیر الاستیك در زمان تسلیم عضو به صورت كششی و كمانش غیر الاستیك اتفاق می‌افتد. آزمایشات تجربی جدید نشان می‌دهند كه عملكرد لرزه‌ای بادبندهای همگرا با طراحی ورق اتصال و با اجازه یافتن ورق اتصال به تسلیم شدن بهبود می‌یابد.

با بررسی اجمالی خسارت‌های وارد بر سازه‌ها در زلزله‌های گذشته مشخص می‌شود كه سازه‌های فـولادی بـه جهـت شـكل پـذیری و قابلیـت جـذب انـرژی عملكـرد بهتـر و اقتصادی‌تری نسبت بـه سـایر سـازه‌هـا دارنـد. امـروزه از سیستم‌های مختلفی برای مقابله با بارهـای جـانبی وارد بـر ساختمان‌های فولادی استفاده می‌شود. استفاده از سیسـتم مهاربندی در این ساختمان‌ها قدمت بیشتری نسبت بـه سـایر سیستم‌های سازه‌ای دارد.

طراحی مهاربندهای همگرا

به طور كلی قاب‌های با مهاربندی همگرا به گونه‌ای طراحـی می‌شوند كه تحت بارهای لرزه‌ای، انرژی به وسیله كمانش و یا جـاری شـدن بادبنـد مسـتهلك شود. سـایر اعضـاء و اتصالات برای تحمل سطح باری طراحی می‌شوند كه منجر به كمانش و جاری شدن بادبنـد شـود. ایـن روش طراحـی ناشــی از دیــدگاه طراحــی بــرای ظرفیــت اســت كــه در دستورالعمل‌های مختلف طراحی لرزه‌ای ساختمان‌های فولادی مطرح است.

ایده اسـتفاده از ورق اتصـال بـرای متصـل نمـودن اعضـای مهاربند به قاب فولادی بهتـرین ایـده‌ای بـود كـه در ابتـدا معرفی شد و تاكنون نیز اصلی‌ ترین روش اتصال مهاربند به قاب است. ورق اتصال مهاربند عضوی صفحه‌ای است كـه نیروهای مهاربند را به قاب منتقل می‌كند. به دلیل پیچیدگی رفتـار اتصـالات بـا ورق در قاب‌هـای بـا مهاربنـدی همگـرا، طراحی این گروه از اجزای سازه‌ای معمولاً با سـاده سـازی‌های بسیاری انجام می‌گیرد.‌ه از آن جملـه مـی‌تـوان بـه روش ویتمور ‌بـرای طراحـی ورق‌هـای اتصـال تحـت بارهای كششی یكنواخـت و نیـز روش تورنتـون‌ بـرای تعیین مقاومت فشاری اتصالات با ورق اشاره نمود.

‌محققین طی یك تحقیق آزمایشـگاهی و عـددی بـر روی رفتار كمانشی اتصالات با ورق تحت بارهای فشـاری یكنواخت دریافتند كه كمانش ورق‌های نازك، تحـت بـاری بسیار پایین‌تر از باری اتفاق می‌افتد كه با اسـتفاده از روش ویتمور بدست می‌آید. همچنین تحلیـل‌هـای عـددی آنهـا نشان داد افزایش سختی بین ورق اتصال و بادبند‌، منجر بـه افزایش مقاومت كمانشی ورق اتصال میشود.

خصوصیات مهاربندها همگرا

‌قاب‌های فولادی دارای مهاربنـد هـم مركـز ویـژه (SCBFs) بسیار قوی و مقاوم هستند، به شرط اینكه مشخصات مـورد نیاز طراحی لرزه‌ای را داشته باشند. جابجایی غیر الاسـتیك در این قاب‌ها به وسیله تسـلیم كششـی و كمانشـی بادبنـدها ایجاد می‌شود. به عنوان مثال محدودیت در مـورد محـل بادبند و لاغری موضعی و كلی بادبند‌ها باعث ایجاد تغییـر شكل‌های پلاستیك و كمانش بادبند‌ها مـیشونـد. ‌برای جلو گیری از تخریـب نابهنگـام و شكسـتگی اتصـال، باید ظرفیت بـاربری محـوری ورق اتصـال بـیش از میـزان باربری محوری عضو مهاربند (ظرفیت كششـی و فشـاری) منظور شود.

ورق اتصال بایـد دوران چرخـه‌ای انتهـای بادبنـد در یـك بادبند كمانش یافته كـه در آن نیروهـای كششـی و فشـاری نسبت به ظرفیت بادبند افزایش می‌یابند، را تحمل كند.

برای بهبود نتایج رفتار لرزه‌ای این قاب‌هـا و بهبـود طراحـی آنها، بر شناسایی ابتدایی مكـانیزم تسـلیم اولیـه (كمـانش و تسلیم كششی بادبند) و موازنه كردن آن بـا مكـانیزم تسـلیم ثانویه (تسلیم ورق اتصال) تاكید میشود. در حالـت خاص، افزایش شكل پذیری اتصال در یك جابجـایی نسـبی بزرگ باعث بهبود رفتار لرزه‌ای قاب میشود و مـی‌تـوان در این حالت از بادبند HSS استفاده نمود.

با افزودن ورق اتصال بادبند به گوشه‌های قاب، سـختی جانبی ۳۰ درصد افزایش می‌یابـد. تغییـر شـكل زاویـه‌ای اتصالات قاب در حـدود ۵۰ درصـد كـاهش یافتـه وشـكل پذیری و جذب انرژی قاب به میزان ۵۵ درصد كـاهش مـی‌یابد. بنابراین فرض اتصال ساده میان تیر و ستون در طراحی قاب‌های با مهاربندی همگرا صحیح نیست و بخشی از سختی جانبی قاب بدلیل صلبیت اتصال تیر و ستون است.

افـزایش ضـخامت ورق اتصـال باعـث افـزایش سـختی اتصال، كاهش دوران انتهای بادبند‌، افزایش ظرفیت كمانش فشـاری، كـاهش تـنش در ورق اتصـال و افـزایش زودرس تنش در تیر‌ها و ستون‌ها میشود.

در قــاب بــا ورق اتصــال مخروطــی، شكســت بادبنــد دردریفت‌های مشابه با قاب دارای ورق اتصال چند ضـلعی رخ می‌دهد. در ورق‌هـای اتصـال مخروطـی میـزان تـنش محلی در تیرها و ستون‌های كنار ورق اتصال كاهش می‌یابد. همچنین استفاده از ورق اتصـال چنـد ضـلعی (مخروطـی) باعث كاهش ابعاد ورق اتصال و كـاهش سـختی در منطقـه انتهای بادبند مـیشود، بنـابراین رفتـار بهتـری در اتصـال مفصلی دارد.

منبع: عمران سافت