کاربرد بادبند کمانش‌ناپذیر و دیوار برشی در مقاوم‌سازی سازه بتنی

ساختمان‌های آسیب پذیر و مقاوم سازی آنها از مسائل مهم برای مناطق زلزله خیز هستند. در دهه‌های اخیر مطالعات روی بهسازی و مقاوم سازی سازه‌های گوناگون منجر به ابداع روش‌های جدید و متنوع در این زمینه شده است. اکثر این روش‌ها مستلزم وقفه در بهرهبرداری به منظور اتمام عملیات مقاوم سازی هستند. روش‌های زیادی همچون اضافه کردن اجزای سازه‌ای (دیوار برشی فولادی و بتنی، بادبندهای فولادی و بادبندهای کمانش ناپذیر)، تقویت اعضای سازه‌ای ضعیف و تغییر کاربری سازه را می‌توان برای بهبود عملکرد لرزه‌ای سازه نام برد.

در پاسخ به بسیاری از مسائل عملی و ملاحظات اقتصادی، مهندسان معمولاً از قاب‌های بادبندی شده‌ی همگرای کمانش‌ناپذیر به عنوان سامانه‌ی مقاوم در برابر بارهای جانبی در طول یک زمین لرزه استفاده می‌کنند. این نوع بادبندها باعث افزایش سختی و مقاومت در سازه‌های بتنی می‌شوند. ‌بادبند کمانش ناپذیر باعث شده دریفت طبقات به حد قابل قبول کاهش یافته و سازه در سطح عملکرد ایمنی جای رفتار می‌کند.

امروزه استفاده از میراکننده‌های انرژی در سازه به منظور اتلاف انرژی زلزله مورد توجه فراوان قرار گرفته است. مزیت اصلی استفاده از میراگرها، جذب انرژی زلزله در اجزایی مجزا از قاب سازه است که این امر منجر به کاهش آسیب‌هایی سازه اصلی در هنگام وقوع زلزله می‌شود. در میان انواع مختلف میراگرها، میراگرهای هیسترزیس به دلیل هزینه کم، قابلیت اطمینان بالا و فقدان اجزای مکانیکی در آن از جایگاه ویژه‌ای برخوردار هستند.

مطالعات نشان داده‌ که موثرترین و اقتصادی‌ترین روش افزایش سختی و مقاومت جانبی سازه موجود افزودن عضو جدید به سازه موجود است. استفاده از دیوار برشی و بادبندهای قطری فولادی به عنوان روش‌های جالب به منظور بهبود عملکرد لرزه‌ای مورد توجه قرار گرفته‌اند. به هرحال به این نکته باید توجه شود که بابندهای معمول و مرسوم موقعی که تحت تاثیر تنش‌های فشاری قرار می‌گیرند تمایل به کمانش دارند که منجر به رفتار ناپایدار در بارهای چرخه‌ای می‌شوند‌. مطالعات انجام گرفته روی مقاوم سازی لرزه‌ای سازه بتنی با استفاده از بادبند کمانش ناپذیر نشان می‌دهد که این سیستم تاثیر چشمگیری بر افزایش مقاومت و سختی سازه بتنی دارد و عملکرد لرزه‌ای سازه را بهبود می‌بخشد‌. این بادبندها می‌توانند در قاب‌های پیرامونی و همچنین قاب‌های داخلی ‌سازه نصب شوند.

در هرحال همه این موارد مقاوم سازی، سختی و مقاومت سازه را در حد رضایت بخشی افزایش می‌دهند اما اکثر آنها بغیر از بادبندهای پیرامونی نیازمند عملیات اجرایی در داخل سازه بوده که منجر به ایجاد مزاحمت برای بهره برداری از ساختمان می‌شوند و در نتیجه سازه برای مدتی قابل استفاده نباشد. ‌تحقیقات به سمت استفاده از روش‌هایی که این مشکل را برطرف کنند متمرکز شده است.

بسیاری از نقایص رفتاری مهاربندهای همگرای متعارف نتیجه اختلاف بین ظرفیت فشاری و کششی این مهاربندها و زوال در مقاومت این مهاربندها تحت بارگذاری چرخه‌ای است. از این رو تحقیقات بسیاری صرف بهسازی این مهاربندها جهت رسیدن به یک رفتارالاستوپلاستیک ایده‌آل شده است. برای رسیدن به این هدف لازم بود تا با استفاده از مکانیزم مناسبی از کمانش فشاری مهاربند جلوگیری شود و امکان تسلیم فشاری فولاد فراهم شود روشی که مدنظر قرار گرفت عبارت بود از محصورسازی یک هسته فلزی شکلپذیر در میان حجمی از بتن که خود توسط یک غشای فلزی در برگرفته شده است‌. وقتی این نوع بادبندها به صورت مناسب طراحی و جزییات‌بندی شوند، غلاف فولادی نباید هیچگونه نیروی محوری را تحمل کند.

بادبند کمانش ناپذیر

مبانی اصلی عملکرد این میراگر، جلوگیری از وقوع کمانش هسته فولادی به منظور امکان وقوع پدیده تسلیم فشاری در آن و در نتیجه امکان جذب انرژی در این عضو از سازه است. این امر با پوشاندن سراسر طول هسته فولادی در لوله فولادی پر شده با بتن یا ملات میسر می‌شود. در مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش BRB به دلیل جلوگیری از کمانش مهاربند در کشش و فشار، قابلیت اتلاف انرژی و شکل پذیری سیستم بالا رفته و سازه رفتار بسیار پایدارتری را از خود نشان می‌دهد‌. رفتار قاب‌های دارای مهاربندهای کمانش ناپذیر به رغم مشابهت ظاهری، تفاوت زیادی با قاب‌های مهاربندی متداول هم محور دارد‌. درسیستم مهاربندی کمانش ناپذیر حلقه‌های هیسترزیس از نوع پایدار بوده و طی چرخه‌های بارگذاری و باربرداری متعدد، افت در مقاومت و سختی سیستم مشاهده نمی‌شود. در حالی که تحقیقات دو دهه اخیر نشان می‌دهد که در سیستم مهاربندی‌های هم محور این مهاربندها درمود فشاری دچار کمانش کلی می‌شوند و در نتیجه سیستم دچار زوال در مقاومت و سختی می‌شود و در واقع پایین افتادگی منحنی هیسترزیس را موجب می‌شود.

برای جلوگیری از این رفتار نامطلوب و کمانش بادبندها، سیستم بادبندهای هیسترزیس را موجب می‌شود. برای جلوگیری ازاین رفتار نامطلوب و کمانش بادبندها، سیستم بادبندهای BRB به وجود آمد. در این سیستم نیاز به فراھم آوردن یک سطح لغزش یا لایه ناپیوستگی بین هسته فلزی و بتن محصور کننده وجود دارد‌. سطح مقطع هسته فولادی در دو انتهای بادبند که خارج از غلاف فولادی است. برای اطمینان جهت عدم کمانش بیشتر است. در طراحی سیستم‌هایی که از بادبند کمانش ناپدیر استفاده می‌شود، آگاهی از تاثیر این نوع بادبند بر رفتار سازه مهم است. از جمله این موارد شامل مباحث زیر است.

• تاثیر بر سختی سازه

• تاثیر بر مقاومت سازه

• تاثیر بر جذب انرژی، که مورد اول و دوم بر منحنی ظرفیت سازه تاثیر می‌گذارند.

مطالعه نشان داد که بادبندهای کمانش ناپذیر یک سیستم مناسب به منظور رفع بسیاری از نقایص ساختمان‌های بتنی است. نتایج بصورت کلی در زیر ارائه شده‌اند.

• افزودن ‌مهاربندهای فولادی به قاب‌های بتنی، بارهای خمشی وارده بر ستو‌ها را محوری نموده لذا نسبت تنش‌ها را در آنها به کمتر از یک تقلیل می‌دهد.

• در سیستم سازه‌ای با مهاربند ‌BRB به علت قابلیت شکل پذیری بالا و تمرکز نیرو‌های ناشی از زلزله در مهاربندها، ابعاد تیر و ستون کاهش یافته و سازه سبک می‌شود.

• پس از افزودن مهاربند تغییر مکان جانبی ساختمان بسیار کاهش یافته و ساختمان رفتار خوبی از خود نشان می‌دهد. ‌

• نصب مهاربند بر روی سازه باعث افزایش سختی سازه و کاهش زمان تناوب سازه می‌شود که باعث افزایش برش پایه سازه می‌شود.‌

• با افزایش طبقات، تشکیل مفاصل پلاستیک از ستون‌ها به تیرها انتقال می‌یابد و ستون‌ها از آسیب مصون می‌مانند که در مطالعه‌ای که در‌ سال ۲۰۰۸ در کشور امریکا انجام شد، نیز به این مورد اشاره شده است.

• در حالت کلی سیستم‌های مهاربندی باعث افزایش سختی و ظرفیت باربری و مقاومت و شکلپذیری سازه شده و تغییر مکان جانبی و ‌زمان تناوب سازه را کاهش می‌دهد.

منبع: عمران سافت