(SCBF )

مقدمه:

آمارهاي تكان دهنده منتشر شده در مورد وضعيت ساختمانهاي موجود ، مشاهده ساخت و سازهاي شهري و روستايي و نگرشي بر تلفات جاني و مالي زلزله ها در سالهاي اخير در ايران ، حاكي از آسيب پذير بودن اكثر خانه هاي روستايي و بخش بزرگي از ساختمانهاي شهري در رويارويي با يك زلزله نسبتاً شديد مي باشد كه تلفات و خسارات زلزله هاي منجيل ، اردكول ، طبس ، اردبيل و … گواهي روشن بر اين مدعاست .

با عنايت به اين مساله ، كنترل دقيق بر محاسبات و اجراي ساختمانها به عنوان عاملي مهم در پيشگيري از تلفات و يا كاهش آن امري ضروري مي باشد؛ البته ساختمانهاي بسياري نيز وجود دارند كه در گذشته ساخته شده اند و براي بهبود عملكرد لرزه اي آنها بايد تمهيداتي انديشيد . علاوه بر آن ، ساختمانهاي آسيب ديده از زلزله نياز به تقويت سازه اي دارند ، لذا به دلايل بسياري برخي از سازه هاي موجود و يا سازه هاي آسيب ديده از زلزله نيز بايد تقويت شوند .[۱]

در طراحي سازه بر اساس زلزله دو معيار اصلي بايد برآورده شود، نخست ،سازه بايد براي حفظ تغيير شكلها در زير حدي كه خسارتهاي زلزله هاي معمولي BDE(Base Design Earthquake ) در آن به صورت غير سازه اي بوده ، سختي كافي داشته باشد و دوم اينكه ، شكل پذيري آن در حدي باشد كه در زلزله هاي شديد MCE (Maximum Critical Earthquake ) دچار تخريب نشود .

به منظور بهبود و بالا بردن پاسخ سيستم در مقابل بارهاي جانبي ، مهندسان سازه ، تكنيكهاي متعددي را مورد استفاده قرار داده اند كه از آن جمله مي توان به موارد زير اشاره كرد :
۱- مسلح كردن و تقويت قابها با استفاده از ديوارهاي سازه اي و يا افزودن المانهاي قطري .
۲-استفاده از قابهاي مقاوم خمشي به منظور ايجاد ظرفيت بالاي شكل پذيري در المانهاي سازه و به ويژه در اتصالات تير و ستون .
۳- بهره گيري تركيبي از دو تكنيك ياد شده .

قابهاي با بادبندي همگرا CBF (Concentric Braced Frame ) از نظر مقاومت و سختي بسيار مناسب هستند و از همين روي به طور گسترده اي به صورت مجزا يا همراه با قابهاي صلب مورد استفاده قرار مي گيرند. اين سيستم از طريق عمل خرپايي ، تغيير شكلها را به خوبي محدود مي كند ، اما در مناطق زلزله خيز به جهت رفتار ضعيف غيرالاستيك بر اثر كمانش المانهاي قطري تحت تاثير فشار ، كاربرد آن مورد ترديد است و قادر به ايجاد يك سازوكار مناسب و پايدار براي جذب انرژي نيست .
از طرف ديگر ، قابهاي مقاوم خمشي شكل پذير به علت تشكيل مناطق پلاستيك در انتهاي تيرها داراي ظرفيت بالاي جذب انرژي بوده و همواره به دليل شكل پذيري و نرمي بالايي كه دارند مناسب شناخته مي شوند ، اما از نظر مقاومت و سختي ضعيف هستند و براي تامين احتياجات تغيير مكانهاي طبقه اي(Drift) نياز به اعضاي بزرگ دارند كه بسيار گران و پر هزينه تمام ميشوند .

از جمله سيستمهايي كه هر دوي اين معايب را بر طرف مي كنند عبارتند از:
۱-سيستم مهاربندي واگرا EBF (Eccentric Braced Frame)
2- سيستم مهار بندي زانويي تعويض پذير DKB (Disposable Knee Bracing)
اين سيستمها تركيبي از خاصيت مقاومت و سختي قابهاي با مهاربندي همگرا و خاصيت جذب انرژي مناسب در قابهاي مقاوم خمشي را دارا هستند .]۲[
نمونه هايي از انواع بادبندها در اشكال (۱) و (۲) و (۳) نشان داده شده است .

رفتار كلي بادبندها :

پيش از بررسي رفتار خاص بادبند هم مركز ويژه ،لازم است هر چند به اجمال رفتار عمومي بادبندها مورد برسي قرار گيرد :
الف) بادبنديها با ايجاد يك خرپاي طره اي در برابر بار جانبي مقاومت مي كنند . در اين خرپا تيرها و بادبندها نقش جان خرپا و ستونها نقش يال خرپا را دارا مي باشند .
ب) تغيير شكل بادبنديها در دو مود خمشي و برشي صورت مي گيرد . مود خمشي در اثر تغيير شكل محوري ستونها و مود برشي در اثر تغيير شكل محوري بادبند و تغيير شكل خمشي تير صورت مي گيرد . شكل (۴) نشان دهنده چنين پديده اي است .

ج) در مورد بادبنديهايي كه نسبت ارتفاع خرپا به دهانه بيش از ۱۰ باشد خطر بلند شدگي وجود دارد كه در چنين حالتي اگر امكان به كارگيري بادبنديها در چند دهانه وجود داشته باشد مي توان اين مشكل را همانند شكل (۵) حل نمود .

د) درمورد سيستمهاي باد بندي در مواجهه با مسائل معماري ممكن است از چند شكل مختلف در دهانه هاي موازي استفاده شود. در صورتيكه سختي باد بندها با يكديگر اختلاف زيادي داشته باشد، استفاده از دو نوع پيكر بندي با سختي هاي مختلف مجاز نيست.]۳ [

شكل پذيري باد بندها :

مقتضيات معماري ،طراحان و سازندگان را بر آن مي دارد كه از بادبندهاي با اشكال گوناگون جهت مقابله با اثر زلزله استفاده كنند . در شكل (۱) انواع اين بادبنديها نمايش داده شده است .
كاربرد اينگونه بادبنديها معمو‌‌‌لاً بدون در نظر گرفتن رفتارهاي آنها با يكديگر صورت مي گيرد . شكل پذيري هر كدام از اين بادبندها با يكديگر متفاوت است ، بنابراين در طراحي هر كدام از آنها در مقابل زلزله بايد از ضريب رفتار خاص آن و در نتيجه نيروي طراحي خاص آن استفاده نمود .
جهت روشن تر شدن اين موضوع رفتار بادبندهاي فوق را در زير توضيح مي دهيم .
– در بادبنديهاي نوع ۱ ، هر دو عضو مورب تحت فشار و كشش متوالي قرار مي گيرند ، اما عضو فشاري (در يك لحظه) هرگز به تنش تسليم خود نمي رسد و پايداري خود را از دست مي دهد . آزمايشات و تحقيقات نشان داده اند كه تنش نهايي چنين عضوي برابر است با :
Pu=Py(5/. –۶/. λe)

كه اين ميزان كمتر از Py 5/. مي باشد ، به عبارت ديگر بر خلاف نتايج حاصل از آنا ليز الاستيك كه نيروي فشار و كشش را در اين بادبنديها برابر بدست ميدهد ، نيروها يكسان نخواهد بود و تير محل اتصال اعضاي مورب، تحت اثر نيروي بزرگي قرار خواهد گرفت كه بايد جهت مقابله با آن (در حد تنش نهايي) طراحي شود .
(شكل۵ )

Pu=(Py-0/5Py)Sinθ =۰/۵PySinθ
كه در آن Py نيروي تسليم عضوهاي مورب مي باشد .
در هر صورت كمانش عضو فشاري و رفتار خمشي تير محل اتصال مورب، باعث كاهش شكل پذيري بادبند
مي گردد .

_ بادبندهاي نوع ۲ كه به بادبندهاي نامحور با بند كوتاه (برشي) مشهورند، داراي رفتاري اساسا ًَََمتفاوت با ساير انواع بادبندها مي باشد. قطعه كوچك تير در محل اتصال اعضاي مورب و يا فاصله بين محل اتصال عضو مورب و ستون در بادبندهاي S شكل به نحوي طراحي مي شود كه از كمانش اعضاي مورب تحت فشار جلوگيري كند.
(شكل۶)

اين قطعه كه به بند( Link) معروف است، به نحوي طراحي مي شود كه تحت اثر زلزله، نخست به برش تسليم شود. معيار چنين رفتاري طول بند (Link) است كه نبايد از حد معيني تجاوز كند. در اين صورت بادبند داراي شكل پذيري بسيار خوبي خواهد بود.
_ بادبندهاي نوع ۴ از انواع بسيار معمول بادبنديها است، Eurocode كاربرد اينگونه بادبندها را با قيد كلمه ((غير شكل پذير )) منع نموده است .
نكته مهم ديگر در طراحي اين بادبندها، كمانش عضو فشاري بادبندي و در نتيجه اعمال نيروي بزرگي حين زلزله به ستون است كه ستون بايد داراي مقاومت كافي جهت مقابله با آن باشد.

با توجه به نكات فوق به نظر مي رسد كه كاربرد اين نوع بادبندي بسيار خطرناك است.
_ عضو مورب بادبندي نوع ۵ به لحاظ آنكه هم تحت تنش كششي و هم تحت فشار قرار مي گيرد، بايد به نحوي طراحي شود كه هنگام كمانش تغيير شكل زيادي از خود نشان ندهد.
_ بادبند نوع ۶ مانند باد بند هاي نوع ۱ مي باشند. مهمترين مساله در مورد اينگونه بادبندها طراحي اعضاء فشاري و انتخاب ضريب كمانش در امتداد عمود بر صفحه باد بند مي باشد، زيرا كمانش اينگونه اعضاء (در صورت عدم محاسبه صحيح) باعث كاهش شكل پذيري باد بند خواهد شد.

_ باد بند نوع ۷ تنها باد بندي محسوب مي شود كه با اطمينان و با توجه به استاندارد ۲۸۰۰ ضريب R را براي آن تعيين نمود (۷=R). اين نوع باد بندي داري عضوهاي قطري است كه تنها به كشش كار مي كنند. چنين رفتاري باعث “لقي” در بادبند مي شود كه شكل پذيري آنرا كاهش مي دهد. آيين نامه SEAOC توصيه

مي كند كه حداقل ۳۰% مقاومت كل سيستم، براي اعضاي قطري فشاري در نظر گرفته شود و در اين صورت R=8 را براي چنين سيستمي توصيه مي نمايد.
در عمل استفاده از بادبندهاي شكل ناپذير براي مقابله با اثر زلزله درست نيست، زيرا نيروهاي واقعي زلزله قابل پيش بيني دقيق نيستند و مبتني بر حساب احتمالاتند، بنابراين استفاده از سازه شكل ناپذير يا ” تردشكن ” به هيچ وجه پذيرفته نيست. لذا بادبندهاي ۳ و ۴ و تحت شرايطي ۵ براي مقابله با زلزله مناسب نيست، گرچه استفاده از آنها جهت مقابله با اثر باد غير قابل قبول نيست. جالب اينجاست كه استفاده از اين بادبندها در كشور بسيار رايج است. ]۴ [

نحوه قرارگيري بادبندها:

در نحوه قرار گيري بادبندها در پلان و ارتفاع بايد دقت شود تا ضمن كاهش نيروهاي پيچشي به سازه، توزيع بارها به سازه و پي موجود مناسب تر صورت گيرد و تقويتهاي محلي كه پر هزينه و وقت گير مي باشد كاهش يابد.

هرچه مهاربند ها در كل دهانه قاب بيشتر پخش شده باشند، با توجه به توزيع نيروهاي جانبي به پي از طريق تعداد ستونهاي بيشتر، ضمن اينكه ميزان كشش احتمالي در پي ها كاهش مي يابد، سيستم از نظر اقتصادي مقرون به صرفه تر و از نظر رفتاري مناسب تر خواهد بود.
مشاهده ميشود كه با توزيع مناسب مهاربند ها در پلان و ارتفاع، مي توان توزيع نيروها را تغيير و به سمتي كه كمترين تقويتهاي محلي نياز باشد سوق داد كه اين يكي از مهمترين مزاياي تقويت سازه ها با بادبند مي باشد. ]۱ [

ارتفاع مجاز سازه فلزي:

ضريب رفتار و ارتفاع مجاز سازه فلزي، بستگي به نوع بادبند و نوع قاب از نظر شكل پذيري و تحمل نيروهاي زلزله دارد.
در جدول (۱) ضريب رفتار RW و ارتفاع مجاز (Hبر حسب متر) هر گروه سازه براي مناطق با لرزه خيزي شديد خلاصه شده است. از جدول (۱)، ديده مي شود كه براي سازه هاي مختلف، با قاب از نوع ممانگير معمولي، مقادير ضريب رفتار و ارتفاع مجاز مطابق قاب بدون بادبند تعيين شده است. از طرف ديگر ارتفاع سازه هاي مختلف با قاب ممانگير ويژه SMRF نامحدود شناخته شده و ضرايب رفتار بالايي به آنها اختصاص يافته است. از جدول (۱) ديده مي شود كه SCBF ضريب رفتاري كمتر از سيستم EBF ولي بيشتر از OBFدارد . ]۵ [

H RW سيستم مقاومتي جانبي سيستم سازه
۷۵
۷۵
۵۰ ۱۰
۹
۸ EBF
SCBF
OBF قاب ساختماني
۵۰
۵۰
۵۰ ۶

۶
۶ OMRF،EBF
OMRF،SCBF
OMRF،OBF سيستم مختلط بادبند
با قاب معمولي ممانگير

نامحدود
نامحدود
نامحدود ۱۲
۱۱
۱۰ SMRF،EBF
SMRF،SCBF

SMRF،OBF سيستم مختلط با
قاب ويژه ممانگير
۵۰
نامحدود ۶
۱۲ OMRF

SMRF قاب ممانگير

قاب هاي مهاربندي همگرايي ويژه :

قاب هاي مهاربندي شده مخصوص همگرا (SCBF) به منظور تحمل تغيير شكلهاي غيرارتجاعي زياد، ناشي از نيروهاي حاصل از حركات زلزله طراحي و به كار مي روند.SCBF به علت افت مقاومت كمتر هنگام كمانش مهارهاي فشاري، شكل پذيري را نسبت بهOCBF افزايش داده است. SCBF بايد نيازهايي را كه در اين بخش بيان مي گردد تامين كند.