عمران فایل

طراحی مهاربند کمانش تاب (brb) و مقایسه آن با بادبند معمولی 

چگونه می توانید سازه ای ایمن و در عین حال اقتصادی داشته باشید؟ یکی از کارهای آسان، اقتصادی و سریعی که می توانید برای مقاوم سازی ساختمان انجام دهید استفاده از مهاربند کمانش ناپذیر است اما آیا استفاده از این بادبند در ایران مجاز است؟ طراحی مهاربند کمانش تاب به چه صورتی است؟ تفاوت بادبند کمانش ناپذیر با انواع بادبند معمولی در چیست؟

در این مقاله جامع ابتدا به بررسی کامل بادبند کمانش ناپذیر brd خواهیم پرداخت و درنهایت گام به گام طراحی مهاربند کمانش تاب را آموزش خواهیم داد.

در این مقاله ضمن پاسخ به پرسش های فوق به بیان مطالب زیر خواهیم پرداخت:

  1. مهاربند کمانش ناپذیر چیست؟
  2. مقایسه ی عملکرد مهاربندهای کمانش تاب با مهاربندهای معمولی
  3. مزایا و معایب مهاربندهای کمانش تاب
  4. روش ها و مراحل طراحی مهاربند کمانش تاب

 

مهاربند کمانش تاب

استفاده از مهاربندهای کمانش تاب برای مقاوم سازی سازه

 

مهاربند کمانش ناپذیر چیست؟

مهاربندهای کمانش تاب نوعی از مهاربندها است که اولین بار در سال ۱۹۸۹، در ژاپن با هدف کاهش اختلاف مقاومت فشاری و کششی مهاربند در بارگذاری سیکلی (رفت و برگشتی) و درنتیجه جذب بهتر و بیشتر نیروهای جانبی ابداع شدند.
مهاربندهای ضد کمانش (
Buckling Restrained Brace) که از این به بعد با نام اختصاری BRB در مقاله از آن ها نام خواهیم برد، از یک هسته ی فولادی از جنس فولاد نرمه تشکیل شده اند که می تواند اشکال مختلفی مانند صلیب یا تسمه داشته باشد، این هسته ی فولادی درون غلافی از جنس فولاد محصور بوده و بین هسته و غلاف را معمولاً با ماده ای مانند بتن پر می کنند. به جهت جلوگیری از چسبندگی و عملکرد مختلط هسته و بتن، اطراف هسته با ماده ای جداکننده پوشانده می شود.
چنانچه گفته شد، بادبندهای کمانش تاب با هدف کاهش اختلاف مقاومت فشاری و کششی مهاربند در بارگذاری سیکلی ابداع شدند. حالا ممکن است این سؤال برایتان مطرح شود که چه نیازی به کاهش اختلاف مقاومت فشاری و کششی در مهاربند وجود دارد؟ و چرا طراحی مهاربند کمانش تاب به صورت هسته ی فولادی محصور در بتن (ماده ی پرکننده) و غلاف فولادی است؟ در بخش های بعدی مقاله به پاسخ این سؤال ها خواهیم پرداخت. 

 

انواع شکل های هسته ی مهاربند کمانش ناپذیر

اشکال مختلف هسته ی مهاربند کمانش تاب

 

مقایسه مهاربندهای کمانش تاب با بادبندهای معمولی

طراحی مهاربند کمانش تاب و مهاربند های معمولی بر اساس عملکردشان تحت بارهای سیکلی انجام می شود، هدف از طراحی تحت این گونه بار، ماهیت رفت و برگشتی بارهای زلزله است. طراحی و مطالعه بر روی عملکرد مهاربندها تحت چند سری بارگذاری رفت و برگشتی، منجر به رسم منحنی ای، تحت عنوان منحنی هیسترزیس (منحنی نیرو-تغییر مکان در بارگذاری رفت و برگشتی) می شود. طبق مطالعات انجام شده هر چه این منحنی متقارن تر باشد به این معناست که مقاومت فشاری و کششی مهاربند به یکدیگر نزدیکتر بوده (اختلافشان کمتر است) و جذب انرژی بیشتری صورت گرفته و درنتیجه مهاربند عملکرد مناسب تری را در برابر زلزله خواهد داشت.

بر اساس آزمایش های انجام شده منحنی هیسترزیس مهاربندهای معمولی متقارن نیست، این عدم تقارن ناشی از اختلاف زیاد بین مقاومت فشاری و کششی مهاربند تحت بارگذاری سیکلی است، به این معنا که مهاربند درکشش عملکرد مطلوبی دارد اما تحت فشار دچار کمانش می شود.

حال این سؤال مطرح می شود که منظور از عملکرد مطلوب مهاربند چیست؟ برای پاسخ به این سؤال باید ابتدا اساس کار مهاربندها را توضیح دهیم. اساس کار مهاربندها بدین صورت است که این اعضاء تحت اثر بارهای جانبی تسلیم شده و انرژی زلزله را بیشتر جذب کنند که درنتیجه بار جانبی کمتری به سایر اعضای سازه واردشده و خرابی ها به صورت متمرکز بر مهاربندها باقی بماند (به المان هایی که با جذب بار جانبی مانع از آسیب رسیدن به سایر اعضا می شوند فیوز سازه گویند).

 

مقایسه مهاربند کمانش تاب با مهاربند معمولی

مقایسه منحنی هیسترزیس مهاربند کمانش تاب (شکل سمت راست) و منحنی هیسترزیس مهاربند معمولی (شکل سمت چپ)

 

حال منظور از عملکرد مطلوب مهاربند در کشش مشخص می شود، عملکرد مطلوب درکشش به این معنا است که تحت بار جانبی کششی مهاربند تسلیم شده و درنتیجه از حداکثر ظرفیت خود برای جذب انرژی استفاده می کند؛ اما هنگامی که مهاربند تحت فشار قرار میگیرد این عملکرد مطلوب را ندارد، چراکه تحت بار جانبی فشاری دچار کمانش می شود.

اما چرا کمانش فشاری مانع از عملکرد مطلوب مهاربند میشود؟ می دانید که اعضای فشاری باید بر اساس بار بحرانی کمانش طراحی شوند (منظور از بار بحرانی کمانش مقدار باری است که تحت آن المان دچار کمانش می شود). بار بحرانی کمانش بسیار کمتر از مقدار باری است که تحت آن المان تسلیم میشود (بار تسلیم) و همانطور که می دانیم پس از کمانش، عضو بار بیشتری را تحمل نمیکند. از مجموع این تعاریف می توان چنین نتیجه گرفت که با توجه به اینکه پس از کمانش، عضو نیروی بیشتری تحمل نمیکند؛ درنتیجه نمی تواند به حد بار تسلیم خود برسد که این امر موجب می شود که عضو نتواند از حداکثر ظرفیت خود در جذب انرژی استفاده کند و این موضوع باعث عملکرد نامطلوب مهاربندها تحت بار فشاری (پس از چند دوره بارگذاری) می شود.

همانطور که متوجه شدید مسئله ی اصلی پیش روی مهندسان در طراحی مهاربند کمانش تاب و مهاربند های معمولی اختلاف زیاد بین مقاومت فشاری و مقاومت کششی مهاربندها است و برای عملکرد مطلوب مهاربندها باید مقاومت فشاری مهاربند افزایش یابد، شاید این نکته به نظرتان برسد که می توان با افزایش مقطع مهاربند مقاومت فشاری را زیاد کرد. باید گفت که این راه عملی نیست، زیرا در این صورت صرفاً مقاومت فشاری را زیاد کرده ایم و اختلاف بین مقاومت فشاری و مقاومت کششی که معضل اصلی است همچنان باقی می ماند و علاوه بر آن موجب افزایش سختی سازه نیز می شود که ازنظر طراحان مطلوب نیست (تآمین سختی ای بیش از حد سختی مورد نیاز سازه مطلوب نبوده و مشکلات جدیدی را برای سازه به وجود خواهد آورد).

برای اینکه مهاربند به صورت مطلوب عمل کند باید مانع از کمانش فشاری آن شد، نتیجه ی این بحث ها منجر به ساخت مهاربندهای BRB شد.

بادبند کمانش تاب چگونه مانع کمانش فشاری می شود؟

با توضیح وظیفه ی هر بخش از مهاربند می توان به چگونگی عملکرد و عدم کمانش مهاربندهای BRB پی برد. چنانچه پیشتر بیان شد مهاربندهای BRB از چهار جزء هسته، غلاف، ماده ی پرکننده و ماده ی جداکننده تشکیل شده اند. در ادامه به توضیح نقش هر جزء به صورت جداگانه و ذکر نکاتی در مورد اجزاء خواهیم پرداخت.

کمانش فشاری مهاربند

کمانش فشاری مهاربندهای معمولی

هسته: همانطور که در بخش اول مقاله بیان شد، هسته ی بادبند BRB از جنس فولاد نرمه است (فولاد نرمه مقاومت تسلیم کمتری در برابر بارهای سیکلی دارد، این امر سبب می شود که نیروی زلزله را به خوبی مستهلک کند.) هسته ی فولادی در برابر نیروی زلزله چه در فشار و چه تحت کشش به خوبی عمل کرده و جاری می شود. جاری شدن هسته باعث می شود که نیروی زلزله مستهلک شده و سایر اعضای سازه از آسیب ها در امان بمانند. برای درک بهتر این مورد مثال معروفی که ذکر میشود مثال حلقه های زنجیر است، به این صورت که اگر المان های یک سازه را به صورت حلقه های متصل به هم در یک زنجیر تصور کنید، اگر جنس و سختی همه ی حلقه های زنجیر یکسان باشد تحت اثر نیروهای وارد به زنجیر همه ی حلقه ها همزمان دچار گسیختگی میشوند، حال تصور کنید که اگر در محلی که نیروی بیشتری متمرکز میشود به جای حلقه ای از جنس سایر حلقه ها، حلقه ای با جنس متفاوت مانند یک حلقه پلاستیکی قرار دهیم در صورت اعمال نیرو، این حلقه با تغییر شکل و گسیختگی خود نیرو را مستهلک کرده و مانع صدمه دیدن حلقه های قبل و بعد از خود می شود. عملکرد مهاربندها و هسته های BRB نیز مانند آن حلقه با جنس متفاوت و شکل پذیری بیشتر در زنجیر است. درواقع ویژگی شکل پذیری بیشتر هسته ی BRB عامل مستهلک کردن و مهار نیروهای جانبی است. استفاده از فولادهای نرم تر در یک ضخامت یکسان به نسبت فولادهای سخت تر موجب می شود که مهاربند در تغییر مکان های کمتری وارد حد پلاستیک شده و انرژی بیشتری را مستهلک کند.

خود هسته از سه بخش تشکیل شده است:

  • هسته ی فولادی مهارشده و تسلیم شونده: بخشی از هسته که در غلاف محصور بوده و تحت اعمال بار جانبی جاری میشود. این بخش شکل پذیری موردنیاز مهاربند را تأمین میکند.
  • هسته ی فولادی مهارشده و تسلیم نشونده بخشی از هسته ی محصور در غلاف که تحت بارگذاری جاری نمیشود.
  • هسته ی فولادی مهار نشده و تسلیم نشونده دو بخش انتهایی مهاربند که به ورق های اتصال، وصل می شوند. این بخش ها در غلاف محصور نمی باشند، شایان ذکر است که عملکرد این بخش از هسته باید در محدوده ی پلاستیک بوده و جاری نشود، درنتیجه این قسمت ها سطح مقطع بیشتری به نسبت هسته ی محصور شده دارند (به جهت جلوگیری از کمانش این محدوده). برای اعمال این افزایش مقطع در طراحی باید توجه داشت که این امر نباید به صورت ناگهانی رخ دهد، بلکه باید به تدریج شروع شده و ادامه یابد (به محدوده ی تغییر تدریجی ناحیه انتقال گویند).

ازجمله نکات دیگری که در مورد هسته می توان بیان کرد موارد زیر است:

  • تحقیقات نشان داده است که استفاده از فولاد ST37 به جای فولاد نرمه در هسته ی مهاربند موجب کاهش ۳۲ درصدی حداکثر نیروی فشاری و کششی در مهاربند می شود.
  • استفاده از هسته از جنس فولاد نرم مطلوب تر بوده، اگر فاصله ی هسته از غلاف بیشتر از ۳ میلی متر نشود. چراکه اگر فاصله ی هسته از غلاف بیش از ۳ میلی متر باشد، رفتار هیسترزیس مهاربند به شدت ناپایدار و نامتقارن شده و از میزان شکل پذیری و اتلاف انرژی آن کاسته میشود. حالت بهینه برای این فاصله ۲میلی متر به دست آمده است.


غلاف: غلاف یک مقطع جدار نازک فولادی اطراف هسته است. همانطور که بیان شد برای دستیابی به عملکرد مطلوب مهاربند باید از کمانش فشاری آن جلوگیری کرد، در مهاربندهای BRB این امر به وسیله ی غلاف صورت می پذیرد. درواقع می توان چنین گفت که غلاف به عنوان تکیه گاه جانبی برای هسته عمل میکند، البته غلاف هیچ نقشی در انتقال نیروی محوری نداشته و صرفاً به جهت سختی خمشی خود می تواند مانع از کمانش شود. تحقیقات نشان داده است که استفاده از غلاف با جنسی غیر از فولاد و بتن میتواند نیروی تسلیم و تغییر مکان مهاربند را کاهش دهد. باید به این نکته نیز اشاره کرد که فاصله ی غلاف و هسته پارامتری تأثیرگذار بر عملکرد مهاربند است.

 

هسته و غلاف در بادبند کمانش تاب

هسته ی فولادی و غلاف جدار نازک فولادی مهاربند کمانش تاب

 

ماده پرکننده: در اکثر مهاربندهای BRB فضای بین غلاف و هسته را با ماده ای مانند بتن پر میکنند. این ماده به کمک غلاف مانع از کمانش هسته می شود. مهاربندهای BRB را می توان بر اساس ماده پرکننده شان به سه گروه مهاربند با هسته فولادی محصور در ملات پرکننده و غلاف (BRBS)، مهاربند با هسته فولادی محصور در بتن مسلح و غلاف و مهاربند با هسته محصور شده فقط در غلاف (بدون ماده پرکننده) تقسیم کرد. در مهاربندهای بدون ماده پرکننده باید توجه داشت که می توان با انتخاب شکل و مشخصات مناسب هسته و غلاف، کاهش مقاومت ناشی از نبود ماده پرکننده را جبران کرد و ظرفیت مهاربند را افزایش داد.

ماده جداکننده: همانطور که از اسم این جزء پیدا است، ماده جداکننده ماده ای است که مانع از تماس مستقیم هسته فولادی با بتن (ماده پرکننده) می شود؛ اما چرا باید هسته را از ماده پرکننده جدا کرد؟ علت این مسئله را می توان اینگونه توضیح داد که برای اینکه هسته تحت تأثیر نیروی محوری قرار نگیرد و تحت فشار منبسط نشود نیاز است که هسته را از ماده پرکننده جدا نگه داشت، درنتیجه این عمل، هسته می تواند به صورت آزادانه حرکت کند. همچنین تحقیقات ثابت کرده اند که وجود فاصله بین هسته و ماده پرکننده موجب کاهش کرنش پلاستیک میشود. درواقع برای جلوگیری از کمانش الاستیک هسته باید کاری کرد که عضو مهاری در مُدهای بالاتر دچار کمانش شود، افزایش فاصله تا حد مجاز بین هسته و بتن محصورکننده باعث می شود که مهاربند در مُدهای بالاتری کمانش کند.
چنانچه بیان شد نمودار هیسترزیس، همان نمودار تنش کرنش عضو بوده اما تحت بارگذاری سیکلی، سطح زیر نمودار هیسترزیس بیانگر قابلیت اتلاف انرژی عضو بوده که در صورت وجود فاصله ی مناسب بین هسته و ماده پرکننده سطح زیر این نمودار و درنتیجه قابلیت اتلاف انرژی مهاربند افزایش مییابد.

مزایا و معایب مهاربند کمانش ناپذیر

مزایای مهاربندهای BRB

همانطور که پیشتر بیان شد، مهمترین مزیت مهاربندهای کمانش تاب، عدم کمانش فشاری پس از چند دوره بارگذاری سیکلی و عملکرد مطلوب تر و شکل پذیری بیشتر نسبت به سایر مهاربندها است که این مهاربندها را گزینه ی مناسبی برای جایگزینی مهاربندهای معمولی و دیواربرشی ها قرار داده است. سایر مزیت های اینگونه مهاربند را در ادامه به صورت موردی و خلاصه بیان خواهیم کرد:

  1. افزایش سطح عملکرد سازه به سبب افزایش شکل پذیری.
  2. به دلیل عدم کمانش پس از زلزله به دیوارهای غیر سازه ای آسیبی وارد نمیکند.
  3. امکان نصب در انواع سازه های بتن آرمه و اسکلت های فولادی بدون ایجاد محدودیت در طول مهاربند.
  4. تنظیم و تغییر جداگانه مقاومت و سختی مهاربندهای BRB
  5. کاهش مدت اجرای پروژه به سبب نصب آسان و سریع و پیش ساخته بودن
  6. قابلیت مدل سازی آسان و طراحی به کمک تحلیل خطی.
  7. قابلیت تعویض و تعمیر با هزینه ی کمتر در زلزله های شدید
  8. با توجه به بزرگ بودن ضریب رفتار ( یا همان ضریب Ru در محاسبه ی نیروی زلزله در تحلیل استاتیکی، که بیانگر مقاومت پنهان سازه در محدوده ی پلاستیک می باشد)، قاب های BRB و به دلیل عدم کمانش فشاری، میزان جذب نیرو جانبی وارد به پی کمتر از سایر سیستم های مهاربندی است که درنتیجه باعث کاهش حجم و وزن مصالح مصرفی میشود.
  9. به دلیل عدم تأثیرپذیری از شرایط محیطی در هنگام بهره برداری از سازه نیاز به نگهداری ندارد
  10. تکمیل مسیر انتقال نیرو به تیر پیوند (حدفاصل بین محل اتصال اعضای قطری مهاربند در تیر و یا حدفاصل محل اتصال عضو قطری مهاربند تا محل اتصال تیر به ستون) و استهلاک انرژی بیشتر در تیر پیوند.
  11. افزایش مقاومت جانبی سازه.
  12. پیکربندی و ساختار یکپارچه اجزای مستحکم آن.
  13. امکان استفاده مناسب و مؤثر در معماری و نما، چراکه میتوان از BRBها به صورت تکی استفاده کرد.
  14. ایجاد امکان استفاده ی حداقل از اتصالات غیر جوشی.
  15. با توجه به فعال شدن مهاربند فقط در زمان اعمال نیروی جانبی، به صورت عادی سیستم های غیرفعال به حساب می آیند.
  16. امکان خستگی کمتری برای عضو فراهم میشود چراکه احتمال به وجود آمدن مفصل محوری در این مهاربندها وجود دارد.

معایب مهاربندهای BRB

  1. با توجه به پیش ساخته بودن این مهاربندها، پارامترهای طراحی برای هر مهاربند بسته به شرکت تولیدکننده تغییر میکند.
  2. مسائل و معضلات اجرایی مانند بتن ریزی در محل.
  3. به دلیل وجود ماده پرکننده مانند بتن باعث افزایش وزن سازه میشود؛ برای برطرف کردن این ایراد استفاده از مهاربند بدون ماده ی پرکننده پیشنهاد شده است که پیش از این توضیحاتی راجع به آن داده شد.
  4. با توجه به محصور بودن هسته در غلاف فولادی در صورت بروز مشکل در هسته امکان بازرسی از آن وجود ندارد.
  5. تحقیقات نشان داده است که سخت شدگی در اعضای فشاری محصور، موجب می شود که بیشینه مقاومت فشاری ٪۱۰ بیشتر از بیشینه مقاومت کششی شود که درنتیجه استفاده از این مهاربند به صورت شورون (هفت و هشتی شکل) موجب به وجود آمدن یک نیروی نامتعادل در هنگام زلزله میشود (البته این نیرو به نسبت سایر سیستم ها کمتر است.)
  6. با توجه به اینکه در اینگونه مهاربندها تنها پارامتر قابل تغییر توسط طراح، سطح مقطع مهاربند است و همچنین با توجه به اینکه در سازه های مرتفع کنترل دریفت طبقات اهمیت پیدا میکند، درنتیجه طراحان مجبور به استفاده از مهاربند BRB با سطح مقطع زیاد می شوند که این امر موجب غیراقتصادی شدن طرح میشود.
  7. حدوداً ۴۰ الی ۶۰ درصد تغییر مکان پسماند در سازه ها با سیستم مهاربندی BRB وجود دارد، برای کنترل این اثر پیشنهاد شده است که از مهاربندهای (HBRB مهاربندهای کمانش تاب با هسته ی مرکب تشکیل شده از فولاد LYP و فولاد HPS) استفاده شود، چراکه موجب کاهش تغییر مکان پسماند در سازه می شوند. راه حل دیگر استفاده از سیستم دوگانه ( BRB منظور از سیستم دوگانه استفاده همزمان از دیوار برشی و مهاربند است، در این سیستم دیوارهای برشی در برابر بارهای ثقلی و مهاربندها در برابر بارهای جانبی مقاومت می کنند) است. البته راه های ذکرشده هزینه ی زیادی را طلب میکنند که این امر موجب می شود خیلی کاربردی نباشند.
  8. سختی الاستیک این مهاربندها کم بوده و طی بارگذاری سیکلی کمتر نیز میشود.
  9. ضوابط آیین نامه ای درباره این مهاربندها کامل نیست، درنتیجه معیاری برای تشخیص میزان خسارت وجود ندارد.
  10. مهاربند کمانش تاب موجب افزایش دوران و برش تیر پیوند می شود، همچنین لنگر خمش تیر پیوند مقداری بیشتر از خودش به دست می آید. (برای کسب اطلاعات بیشتر به منبع ۲ مراجعه کنید.)

 

آموزش نصب مهاربند کمانش تاب

نصب مهاربندهای کمانش تاب به روش شورون

 

طراحی مهاربند کمانش تاب

حال که با مهاربند کمانش تاب به طور کامل آشنا شدید، در ادامه قصد داریم تا مراحل گام به گام طراحی این مهاربندها را ارائه دهیم. به طور خلاصه می توان مراحل طراحی مهاربندهای BRB را در چند گام به صورت زیر شرح داد:

  1. محاسبه ی مقاومت طراحی مهاربند درکشش و فشار (نیروی طراحی عضو مهاربند)
  2. محاسبه ی ضرایب ω و β با استفاده از نمودار تنش-کرنش حاصل از آزمایش مهاربند تسلیم شده
  3. محاسبه مقاومت های مهاربند درکشش و فشار با اعمال ضرایب β ،ω ،Ry (نیروی طراحی سایر اعضای قاب)
  4. محاسبه ی بزرگترین تغییر مکان ها
  5. محاسبه ی سختی واقعی مهاربند
  6. محاسبه نیروی طراحی اتصالات مهاربند
  7. تعیین مقطع تیرها و ستون ها در قاب مهاربند کمانش تاب
  8. انجام کنترل های لازم

حال به شرح گام های طراحی و بیان فرمول های موردنیاز می پردازیم.

محاسبه ی مقاومت طراحی مهاربند در کشش و فشار (نیروی طراحی عضو مهاربند)

چنانچه بیان شد هسته ی مهاربند باید وارد محدوده ی پلاستیک شود، ازاین رو مقاومت طراحی مهاربند درکشش و فشار از رابطه ی زیر محاسبه می شود:

𝑃𝑌𝑆𝐶 = ɸ𝐹𝑌𝑆𝐶𝐴𝑌𝑆𝐶

در این رابطه PYSC مقاومت طراحی، ɸ ضریب کاهش مقاومت برابر AYSC ،۰٫۹ سطح مقطع قسمت تسلیم شده ی هسته و FYSC حداقل تنش تسلیم فولاد هسته (تنش تسلیم به دست آمده از آزمایش ها) است.

محاسبه ی ضرایب ωو β با استفاده از نمودار تنش-کرنش حاصل از آزمایش مهاربند تسلیم شده

برای محاسبه ی ضرایب β (نسبت حداکثر نیروی فشاری به حداکثر نیروی کششی که از آزمایش ها به دست می آید) و ω (ضریب بیانگر اثرات سخت شدگی کرنشی) که یکی از مراحل طراحی مهاربند کمانش تاب است باید کارهای زیر را انجام دهید:

  • محاسبه ی میزان تغییر طول قسمت تسلیم شده ی هسته در امتداد محور طولی مهاربند با استفاده از رابطه ی زیر:

محاسبات مهاربند کمانش تاب

 

 

 

که در آن Lysc طول تسلیم مهاربند، Pbx نیروی محوری مهاربند، E مدول الاستیسیته، ASC سطح مقطع هسته فولاد (قسمت جاری شونده) و L1 طول مهاربند است، در مهاربندهای قطری از ۰٫۶۷L1و در مهاربندهای شورون از ۰٫۵L1استفاده می شود.

  • محاسبه ی مقدار تغییر مکان محوری پلاستیک مهاربند از رابطه زیر:


𝑏𝑚= 𝐶𝑏𝑏𝑥

که در آن Cd ضریب بزرگ نمایی تغییر مکان است و با توجه به نوع سیستم مهاربندی سازه از جدول ۳-۴ فصل سوم آیین نامه ۲۸۰۰ قابل برداشت است.

  • محاسبه ی مقدار کرنش متوسط مهاربند از رابطه زیر:

محاسبه ی مقدار کرنش متوسط

 

 

  • نهایتاً با استفاده از نمودار تنش-کرنش مقدار ضرایب ωو βرا محاسبه میکنیم.


محاسبه مقاومت های مهاربند در کشش و فشار با اعمال ضرایب ( β ،ω ،Ry نیروی طراحی سایر اعضای قاب)

با توجه به حد بالای تسلیم مقادیر Tmax (نیرو کششی حداکثر) و Cmax (نیروی فشاری حداکثر) را از رابطه زیر محاسبه میکنیم:


Tmax = ωRyFyscAsc
𝐶𝑚𝑎𝑥 = 𝛽𝜔𝐹𝑦𝑠𝑐𝐴𝑠𝑐

در معادلات بالا Tmax حداکثر نیروی کششی، Cmax حداکثر نیروی فشاری، ω ضریب بیانگر اثر سخت شدگی کرنشی، β نسبت حداکثر نیروی فشاری به حداکثر نیروی کششی، Ry ضریب تنش تسلیم مورد انتظار مهاربند (مطابق مبحث دهم با توجه به نوع نیمرخ مقطع قابل استخراج است و درصورتی که تنش تسلیم مهاربند از آزمایش به دست آید برابر یک در نظر گرفته می شود،) Fysc حداکثر تنش تسلیم فولاد و Asc سطح مقطع هسته فولاد (قسمت جاری شونده) می- باشد.

محاسبه ی بزرگترین تغییر مکان ها

با توجه به اینکه قاب کمانش ناپذیر تا به حد تسلیم نرسیدن هسته باید پایدار باقی بماند، باید بتواند در برابر دو تغییر مکان بزرگ (دو برابر تغییر مکان واقعی طبقه و تغییر مکان متناظر با ۲ درصد تغییر مکان نسبی طبقه (ϴ=۰٫۰۲) مقاومت کند. این دو تغییر مکان از روابط زیر محاسبه میشوند:

  • دو برابر تغییر مکان واقعی طبقه

۲𝐶𝑏𝑤=∆

که در آن Δw تغییر مکان نسبی الاستیک طبقه و Cd ضریب بزرگنمایی طبقه است.

  • تغییر مکان متناظر با ۲ درصد تغییر مکان نسبی طبقه (ϴ=۰٫۰۲)


 𝜃ℎ = ۰٫۰۲ℎ=∆

که در آن h طبقه است.

لازم به ذکر است که می توان ضرایب ،Ruو Cd را از جدول ۳-۴ فصل سوم آیین نامه ۲۸۰۰برداشت کرد.

آیین نامه مقادیر ضریب رفتار ساختمان

محاسبه ی سختی واقعی مهاربند

برای انجام طراحی در نرم افزار ها، میزان سختی واقعی مهاربند را از رابطه ی زیر محاسبه کنیم:

محاسبه ی سختی مهاربند

 

 


که در آن KF ضریب اصلاح (به عنوان فرض اولیه برابر ۱٫۳۵در نظر گرفته می شود)، Asc مساحت هسته، Lwp-wp طول مهاربند بین نقاط کار است.

محاسبه نیروی طراحی اتصالات مهاربند

در یک گام از طراحی مهاربند کمانش تاب باید اتصلات آن را تعیین کنیم. در طراحی اتصالات باید به مسئله ی کمانش موضعی و کلی دقت کرد. نیروی طراحی اتصالات را باید ٪۱۰بیشتر از ظرفیت فشاری مهاربند طراحی کرد، این نیرو از رابطه زیر محاسبه می شود:


𝑃𝑢= ۱٫۱𝛽𝜔𝑅𝑦𝑃𝑦𝑠𝑐


که در آن Pu نیروی طراحی اتصالات مهاربند، β نسبت حداکثر نیروی فشاری به حداکثر نیروی کششی، ω ضریب بیانگر اثرات سخت شدگی کرنشی، Ry ضریب تنش تسلیم مورد انتظار مهاربند و Pysc نیروی تسلیم فولاد است.

تعیین مقطع تیرها و ستون ها در قاب بادبند کمانش تاب

مقطع تیرها و ستون ها با استفاده از مقاومت های مهاربند در ترکیب با بارهای ثقلی و مطابق آیین نامه AISC341-10 طراحی می شوند.
برای طراحی ستون ها ابتدا باید نیروهای طراحی ستون را با استفاده از
Fymax ،Asc و در نظر گرفتن تغییرات مصالح هسته از رابطه ی زیر تعیین میکنیم:

  • تعیین مقاومت فشاری ستون:


𝛽𝜔𝑃𝑦𝑠𝑐 𝑚𝑜𝑥 = 𝛽𝜔𝐴𝑠𝑐𝐹𝑦𝑠𝑐 𝑚𝑎𝑥


که در آن β نسبت حداکثر نیروی فشاری به حداکثر نیروی کششی، ω ضریب بیانگر اثرات سخت شدگی کرنشی، Asc سطح مقطع هسته فولاد (قسمت جاری شونده)، Fysc mox حداکثر تنش تسلیم فولاد و βωPysc mox مقاومت فشاری ستون است.

  • تعیین مقاومت کششی ستون:


ωPysc max = ωAscFysc max


که در آن ω ضریب بیانگر اثرات سخت شدگی کرنشی، Asc سطح مقطع هسته فولاد (قسمت جاری شونده)، Fysc mox حداکثر تنش تسلیم فولاد و ωPysc mox مقاومت کششی ستون است.

  • تعیین نیرو محوری فشاری ستون:
    نیروی محوری فشاری ستون از مجموع مؤلفه های قائم نیروهای تنظیم شده مهاربندهای فشاری و نصف نیروهای نامتعادل کننده ی قائم وسط تیر به دست می- آید.
  • مجموع مؤلفه های قائم نیروهای تنظیم شده مهاربندهای فشاری از رابطه زیر به دست می آید:


 𝛽𝜔𝑃𝑦𝑠𝑐 𝑚𝑎𝑥𝑆𝑖𝑛𝜃∑

که در آن βω Pysc mox مقاومت فشاری ستون و ϴ زاویه مهاربند با افق است.

  • نصف نیروهای نامتعادل کننده ی قائم وسط تیر:


F𝑢𝑛𝑏𝑙𝑎𝑛𝑎𝑐𝑒 = (𝛽 – ۱)𝜔𝑃𝑦𝑠𝑐 𝑚𝑎𝑥𝑆𝑖𝑛𝜃

که در آن β نسبت حداکثر نیروی فشاری به حداکثر نیروی کششی، ωPysc mox مقاومت کششی ستون و ϴ زاویه مهاربند با افق است. درنتیجه نیروی محوری فشاری وارد بر ستون برابر است با:

مهاربند

 

 

که در آن βωPysc maxSinϴ مجموع مؤلفه های قائم نیروهای تنظیم شده مهاربندهای فشاری و (β-۱)ωPysc maxSin)½ نیروهای نامتعادل کننده ی ستون است.

  • تعیین نیروی محوری کششی ستون:
    نیروی محوری کششی ستون از مجموع مؤلفه های قائم نیروهای تنظیم شده مهاربندهای کششی و نصف کل نیروهای نامتعادل کننده قائم وسط تیر به دست می آید.

 

  • مجموع مؤلفه های قائم نیروهای تنظیم شده مهاربندهای کششی از رابطه زیر به دست می آید:


 𝜔𝑃𝑦𝑠𝑐 𝑚𝑎𝑥𝑆𝑖𝑛𝜃∑

که در آن ωPysc mox مقاومت کششی ستون و ϴ زاویه مهاربند با افق است.
کل نیروی محوری کششی ستون در اثر مهاربندها برابر است با:

نیروی محوری کششی ستون در اثر مهاربندها

 


نهایتاً با توجه به اینکه نیازی به در نظر گرفتن اثرات – Pو 𝜕– Pنیست، می توان پروفیل ستون را تعیین کرد.

انجام کنترل های لازم

در طراحی مهاربند کمانش تاب ، آیین نامه سه دسته کنترل را مشخص کرده که پس از پایان طراحی باید این کنترل ها را مطابق آیین نامه انجام دهیم، این کنترل ها عبارت اند از: کنترل های مربوط به اجزاء مهاربند، کنترل های مربوط به اتصال انتهای مهاربند به ورق گاست و نهایتاً کنترل های مربوط به اتصال ورق گاست و تیر و ستون ها.

نتیجه گیری

مهاربندهای کمانش تاب معروف به مهاربندهای BRB، گونه ای از مهاربندها می باشند که به جهت برطرف کردن معضل کمانش فشاری (در اثر اختلاف زیاد میان مقاومت فشاری و مقاومت کششی) در مهاربندهای معمولی ابداع شدند. این مهاربندها شامل سه بخش کلی هسته، ماده ی پرکننده و جداکننده و غلاف فولادی می باشند.

در این گونه مهاربندها غلاف فولادی در نقش تکیه گاه جانبی عمل میکند (تحت اثر هیچگونه نیروی محوری قرار نمیگیرد و به واسطه ی سختی خمشی عمل میکند) و درنتیجه مانع کمانش محوری میشود.

این مهاربند در کنار مزایای فراوان، معایبی را نیز با خود همراه دارد که البته با وجود این معایب باز هم استفاده از آن ها (به خصوص گونه هایی مانند مهاربند BRB بدون ماده پرکننده و مهاربند HBRB)، در ساخت سازه های میان مرتبه و بلندمرتبه مقرون به صرفه بوده و با توجه به افزایش ضریب اطمینان سازه استفاده از آن ها توصیه می شود.
ازجمله نتایج به کارگیری این مدل مهاربند در پل ها و سازه ها می توان موارد زیر را نام برد:

  • اتلاف انرژی بیشتر و کاهش پاسخ سازه به نیروهای جانبی
  • کاهش دریفت طبقات
  • کاهش دریفت روسازی در پل ها
  • تمرکز تخریب بر روی این المان ها و کاهش آسیب دیدن سایر اعضا

در مورد طراحی مهاربند کمانش تاب هم باید بگویم میتوانید به متن اصلی مقاله برگردید و با حوصله مطالعه کنید.


منابع

  • تبرک معین، اربابی فریدون، زمستان ۱۳۹۲، مطالعه ی آزمایشگاهی نوع جدید مهاربند کمانش تاب تمام فولاد (S-BRB)، نشریه علمی-پژوهشی مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه امیرکبیر، دوره ۴۶، شماره۲، صفحه ۱۶۴-۱۵۷
  • حسین شاهی آرش، صالح ابوذر، بهار۱۳۹۷، بررسی عملکرد تیر پیوند قاب های با مهاربندهای واگرای کمانش پذیر و کمانش تاب، فصلنامه آنالیز سازه-زلزله، دوره ۱۵، شماره ۱
  • رییسی دهکردی مرتضی، فروغی امیرمحمد، اقبالی مهدی، تابستان ۱۳۹۶، تأثیر طول ناحیه ی تسلیم در عملکرد لرزه ای مهاربندهای کمانش تاب، نشریه مهندسی عمران شریف، دوره ی ۳۳-۲، شماره۲-۲، صفحه ی ۷۷-۶۹
  • رضوانی شریف مصطفی، غفاری سارا، پاییز۱۳۹۷، بررسی رفتار لرزه ای مهاربندهای کمانش تاب با غلاف فولادی بدون ماده ی پرکننده، نشریه ی مهندسی عمران شریف، دوره۲-۳۴، شماره ۲/۳، صفحه ۱۲۴-۱۱۷
  • البرزی ورکی مهدی، تحقیقی حسین، سال ۱۳۹۸، ارزیابی رفتار لرزه ای قاب های فولادی مقید شده با مهاربندهای کمانش تاب هسته مرکب، نشریه مهندسی عمران امیرکبیر، دوره ۵۱، شماره ۴، صفحات ۶۸۴-۶۷۱
  • قدرتی امیری غلامرضا، ویس مرادی سجاد، درویشیان احسان، اردیبهشت ۱۳۹۲، مقایسه عملکرد لرزهای قاب های با مهاربندی کمانش تاب و قاب های مجهز به فیوز سازه تسلیم شونده، نشریه علمی-پژوهشی سازها فولاد، شماره ۱۹،صفحه ۷۹-۶۷
  • عاطفی فرد، خیری مهدی، داوودی سعید، قنبری کاشانی مصطفی، مروری بر عملکرد مهاربندهای ضربدری و کمانش تاب در طراحی و بهینه سازی ابنیه، دبیرخانه دائمی اجلاس ملی پدافند غیرعامل و توسعه ی پایدار
  • قلهکی مجید، پیاچیده قاسم، لشکری رحیم، رضائی فرد امیر، سال ۱۳۹۷، مطالعه آزمایشگاهی و عددی رفتار مهاربند کمانش ناپذیر با غلاف ترکیبی فولادی و پلی آمید، نشریه علمی-پژوهشی مهندسی سازه و ساخت، دوره ۵، شماره ویژه ۴، صفحه ۱۰۸-۸۸
  • شریعتمدار هاشم، عباس زاده حسین، پاییز۱۳۸۸، مدل سازی مهاربندهای مقید شده در برابر کمانش تحت اثر بارهای دینامیکی، مجله ی مدل سازی در مهندسی، سال۷، شماره ۱۸
  • قلهکی مجید، جمالی ورامین، رضائی فر امید، بهار۱۳۹۶، بررسی اثرات فاصله هسته از بتن محصورکننده بر رفتار مهاربندهای کمانش ناپذیر، نشریه ی علمی- پژوهشی مهندسی سازه و ساخت، سال۴، شماره۱، صفحه ۶۱-۵۱
  • سلمان پور امیرحسین، اربابی فریدون، تابستان ۱۳۸۹، مطالعه رفتار لرزه ای قاب های مهاربندی شده کمانش ناپذیر، مجله علمی- پژوهشی عمران مدرس، دوره ۱۰، شماره ۲


مهندس فاطمه محمدی

نوشته‌های مرتبط

قوانین ارسال دیدگاه

  • دیدگاه های فینگلیش تایید نخواهند شد.
  • دیدگاه های نامرتبط به مطلب تایید نخواهد شد.
  • از درج دیدگاه های تکراری پرهیز نمایید.
دیدگاه‌ها

*
*

0