پایان نامه بررسي پارامترهاي هندسي مهاربند زانويي
-1- مقدمه:
سختي و شكل‌پذيري دو موضوع اساسي در طراحي ساختمانها در برابر زلزله‌اند. ايجاد سختي و مقاومت به منظور كنترل تغييرمكان جانبي و ايجاد شكل پذيري براي افزايش قابليت جذب انرژي و تحمل تغييرشكلهاي خميري اهميت دارند. در طراحي ساختمانهاي فولادي مقاوم در برابر زلزله، استفاده از سيستمهاي قابهاي مقاوم خمشي MRF ، قابهاي با مهاربند همگرا CBF و قابهاي با مهاربند واگرا EBF رايج است.
قابهاي مقاوم خمشي MRF ، شامل ستونها و تيرهايي است كه توسط اتصالات خمشي به يكديگر متصل شده‌اند. سختي جانبي اين قابها به سختي خمشي ستونها، تيرها و اتصالات در صفحه خمش بستگي دارد. در طراحي اين قابها فلسفه تير ضعيف و ستون قوي حاكم است. اين امر ايجاب مي‌كند كه تيرها زودتر از ستونها تسليم شوند و با شكل پذيري مناسب خود، انرژي زلزله را جذب و مستهلك كنند و اتصالات دربارهاي حدي با شكل پذيري غيرارتجاعي مناسب خود، قابليت تحمل تغيير شكلهاي خميري را بالا ببرند.اين قابها داراي شكل پذيري مناسب ولي سختي جانبي كمتري هستند(شكل1-1 ).
شكل 1 – 1 – قابهاي مقاوم خمشي [1]
قابها با مهاربند همگرا CBF ، در برابر زلزله از نظر سختي، مقاومت و كنترل تغييرمكانهاي جانبي در محدوده خطي داراي رفتار بسيار مناسبي‌اند، ولي در محدوده غيرارتجاعي به علت سختي جانبي مهاربندها، قابليت جذب انرژي كمتري دارند و در نتيجه داراي شكل پذيري كمتري‌اند. قابهاي با مهاربند همگرا شكلهاي مختلفي دارند كه در آئين نامه 2800 ايران برخي از آنها معرفي شده است. در اين قابها برش وارده در ابتدا توسط اعضاي قطري جذب شده و سپس مستقيماً به نيروي فشاري و كششي تبديل شده و به سيستم قائم انتقال مي‌يابند (شكل 1-2 ) .
شكل 1-2 – قاب با مهار بند هم محور [1]
در قابهاي با مهاربند واگرا EBF ، عضو قطري بصورت برون محور به تير كف متصل مي‌گردد. در محل اتصال تير و ستون و مهاربند مقداري خروج از مركزيت ايجاد مي‌شود به نحوي كه تير رابط توانايي تحمل تغيير شكلهاي بزرگ را داشته باشد و همانند فيوز شكل پذير عمل كنند (شكل 1-3 ).
شكل 1-3 – نمونه‌هايي از قابهاي خارج از مركز [2]
لذا يكي از اهداف اصلي در طراحي اين قابها در برابر زلزله، جلوگيري از كمانش مهار بندها از طريق بوجود آمدن مفاصل پلاستيك برشي و خمشي در تيرهاي رابط مي‌باشد. قابهاي با مهاربند واگرا از قابليت هر دوي قابهاي مقاوم خمشي و قابهاي با مهاربند همگرا بهره گرفته‌اند و بنابراين سختي و شكل پذيري مناسب را به صورت توام تامين مي‌كنند. تعيين صحيح طول تيرهاي رابط و طراحي مناسب آنها بسيار حائز اهميت‌اند. اگرچه قابهاي EBF داراي رفتار بسيار مناسبتري‌اند، ولي با تسليم تير رابط در اثر بارهاي زلزله، خسارات جدي به كف وارد خواهد شد و چون اين عضو به عنوان يك عضو اصلي سازه‌اي محسوب مي‌شود، ترميم سازه نيز مشكل خواهد بود. اين موضوع و گسترش مفاصل پلاستيك به تيرها و سپس به ستونها در قابهاي EBF ، تمايل به يافتن سيستمهاي جديد مقاوم در برابر زلزله با رفتار مناسبتر از لحاظ شكل پذيري و سختي جانبي را افزايش مي‌دهد. در اين راستا تلاشهاي صورت گرفته ، منجر به پيشنهاد سيستمي به نام مهاربند زانويي KBF شده است [ 3 ] ( شكل1-4 ) .
در اين سيستم وظيفه تامين سختي جانبي به عهده مهاربند قطري بوده كه حداقل يك انتهاي آن به جاي اتصال به محل تلاقي تير و ستون، به ميان يك عضو زانويي متصل است و دو انتهاي اين عضو زانويي به تير و ستون اتصال دارد.
شكل 1-4 – قاب با مهاربند زانويي
در واقع با وارد آمدن نيروي مهاربند به اين عضو، سه مفصل پلاستيك در دو انتها و محل اتصال آن به مهاربند تشكيل مي‌گردد و باعث جذب و استهلاك انرژي زلزله خواهد شد. از آنجا كه در اين سيستم پيشنهادي، مهاربندهاي قطري براي عدم كمانش طراحي نمي‌گردند، رفتار آن تحت بار رفت و برگشتي، بسيار شبيه رفتار سيستم مهاربند ضربدري يا همگرا بوده و منحني رفتار هيسترزيس آن به صورت ناپايدار و نامنظم بوده و سطح خالص زير منحني، كاهش مي‌يابد. بنابراين قادر به جذب انرژي زيادي نيست.
به همين دليل در تكميل اين سيستم پيشنهاد گرديد [4] تا همانند مهاربند واگرا EBF ، عضو مهاربندي براي عدم كمانش و تسليم، طراحي گردد. در اين صورت مي‌توان تنها از يك عضو مهاربندي استفاده كرد.
هدف نهايي در طرح و كاربرد اين سيستم اين است كه در پايان زلزله وارده، تنها عضو زانويي دچار تسليم و خرابي شده باشد و قاب و مهاربند آن همچنان ارتجاعي مانده و دچار كمانش يا تسليم نگرديده باشد تا بتوان تنها با تعويض عضو زانويي، مجدداً سيستم را مورد استفاده قرار داد.
در ادامه برخي از مفاهيم لرزه‌اي و همچنين سيستمهاي مختلف مهاربندي جانبي سازه‌ها با بيان ويژگيهاي آنها به طور مختصر بيان خواهد شد. سپس به بررسي بيشتر سيستم مهاربندي جانبي زانويي خواهيم پرداخت و بهترين نمودار براي ابعاد هندسي اين سيستم كه سختي و شكل‌پذيري توام را نتيجه دهد، معرفي خواهيم نمود.
1-2 – شكل‌پذيري سازه‌ها:
بطور معمول مي‌توان منحني برش پايه – تغيير مكان سازه‌ها را با يك نمودار دو خطي ايده‌آل ارتجاعي – خميري جايگزين نمود. اين نوع ساده سازي در سازه‌هاي معمول تقريب قابل قبولي دارد. در يك سيستم يك درجه آزادي نسبت تغيير مكان جانبي حداكثر به تغييرمكان جانبي تسليم ضريب شكل پذيري ناميده مي‌شود و بصورت زير بيان مي‌گردد [ 2 ] .
(1 – 1 )
پارامترهاي فوق در شكل 2-1 مشخص گرديده است.
شكل 1 – 5- منحني ايده‌آل و واقعي نيرو – تغيير مكان يك سيستم [2]
در واقع ضريب شكل پذيري () بيانگر ميزان ورود سازه در ناحيه خميري است. در سازه‌هاي چنددرجه آزادي تعريف ضريب شكل پذيري قدري مشكل‌تر است، چون در اين نوع سازه‌ها براي هر درجه آزادي مي‌توان ضريب شكل پذيري جداگانه‌اي تعريف نمود. پوپوف (popov) شكل پذيري يك قاب را بصورت نسبت تغييرمكان حداكثر به تغيير مكان تسليم در بالاترين نقطه سازه پيشنهاد كرده است. بطور خلاصه مي‌توان گفت هر چه تغييرمكان يك سازه بعد از تسليم و قبل از انهدام بيشتر باشد شكل پذيري آن بيشتر است. جهت كاهش نيروهاي جانبي وارده به سازه و ايجاد طرحي اقتصادي از طريق جذب و استهلاك انرژي در ناحيه خميري بايد اين مشخصه را تا مقدار مورد نياز افزايش داد. با توجه به اين موضوع كه حركات زلزله بصورت رفت و برگشتي بوده و سازه مي‌تواند در هر سيكل مقداري از انرژي زلزله را بصورت هيسترزيس مستهلك نمايد.
1-3- مفصل ولنگر خميري :
مفصل خميري در يك قطعه به حالتي گفته مي‌شود كه در آن (يا مقطعي از آن) با افزايش بسيار اندك نيرو، تغييرشكل قابل توجهي ايجاد شود. به عنوان مثال اگر يك تير ساده (شكل 1-6 ) تحت اثر بار افزايشي قرار گيرد, منحني نيرو – تغيير مكان آن مشابه شكل 1-7 خواهد بود [ 2 ] .
همانگونه كه در شكل 1-7 ديده مي‌شود در ناحيه AB ، تغييرمكان تير افزايش قابل توجهي مي‌يابد در حاليكه بار وارده آنچنان افزايش نيافته است. اين بدان مفهوم است كه با افزايش بارهاي خارجي، لنگرخمشي در مقطع مورد نظر زياد شده و به تدريج تارهاي انتهايي مقطع وارد مرحله تسليم مي‌شوند. با افزايش بار تمامي تارهاي مقطع تسليم شده و به اين ترتيب مقطع خميري كامل و مفصل خميري تشكيل مي‌گردد. لنگر ايجاد شده در اين مقطع كه تا زمان انهدام تقريباً ثابت باقي مي‌ماند لنگر خميري MP ناميده مي‌شود. ( شكل 1-8 ).
شكل 1-6- تير دو سر مفصل تحت اثر بار افزايش [2]
شكل 1-7- منحني نيرو – جابجايي وسط دهانه تير [2]
شكل 1-8- نمودار تغييرات كرنش در يك مقطع تحت اثر خمش [2]
1-4- منحني هيسترزيس و رفتار چرخه‌اي سازه‌ها:
يكي از خصوصيات مصالح معمول ساختماني داشتن ناحيه غيرخطي بعد از گذر از مرحله خطي است، مصالح بعد از تسليم (ورود به ناحيه غيرخطي) توانايي تحمل نيروي خود را بطور كامل از دست نداده و مي‌توانند مقداري نيرو تحمل نمايند. اين موضوع در رفتار فولاد بعنوان شاخص ترين مصالح ساختماني به خوبي قابل مشاهده است (شكل 1-9 ).
پایان نامه بررسي پارامترهاي هندسي مهاربند زانويي