قاب‌هاي CBF, EBF و MBF

مقدمه
نخستين گام در طراحي ساختمان‌هاي فولادي در مناطق زلزله‌خير، رسيدن به درك روشني از رفتار لرزه‌اي سيستم‌ها و شناخت رفتار كلي آنها مي‌باشد. در طراحي هر ساختمان شناخت و برآورد بارهاي موثر و احتمال اثر يك نوع بار خاص در طول طول عمر مفيد ساختمان مي‌باشد. از ويژگي‌هاي نيروي زلزله، آن است كه مقدار آن به چگونگي رفتار مصالح، رفتار لرزه‌اي سازه، نوع زلزله و شدت آن و شرايط ژئوتكنيكي محل، احداث ساختمان وابسته است. براي آيين‌نامه‌ها به اين صورت نتيجه‌گيري مي‌شود كه در هنگام طراحي بر اساس يك آيين‌نامه خاص بايد اهداف كلي آن آيين‌نامه تامين گردد و نيروها و ضوابط موجود در آيين‌نامه بايد به عنوان حداقل مدنظر قرار گيرد.

در رفتار ارتجاعي اعضاء تحت زلزله‌هاي شديد و متوسط اعضاء بايد در حالت الاستيك باقي بمانند، يعني تنش بحراني كوچكتر از تنش تسليم باشد.
بيانگر ميزان ورود سازه به ناحيه‌ي غيرخطي با يك درجه‌ي آزادي M

M: ضريب شكست‌پذيري
Δm: تغيير مكان جانبي حداكثر
Δy: تغيير مكان جانبي تسليم
معيار خسارت تحميل شده بر سازه:

بر حسب خسارت بوجود آمده در عضو يا در كل سازه انديس خراب موضعي و كلي معرفي شده است.
انديس خرابي موضعي: بر مبناي تغيير شكل عضو، بر مبناي انرژي جذب شده و بر مبناي هر دو ايده بالا تعريف شده است.
انديس خرابي كل: به دو عامل اندازه و توزيع خرابي‌هاي موضعي آن بستگي دارد. بنابراين از روش كلي ميانگين‌گيري وزني از همه اعضاء و اندازه‌گيري مستقيم پارامتر D محاسبه مي‌‌گردد.

D≥۰ سازه منهدم شده است
D=0 سازه نديده است

۰<D<0.1 سازه خسارت نسبي ديده است (براي محدوده‌هاي مختلف مقدار خسارت برآورد مي‌شود)
وقتي سازه‌ها به صورت ارتجاعي و خطي در برابر زلزله واكنش مي‌دهند، حداكثر نيروي بيشتري متحمل مي‌شوند، در نتيجه مقاومت سازه جهت پايداري، نسبت به حالتي كه وارد مرحله غيرارتجاعي مي‌شود، زيادتر خواهد بود كه اين هزينه‌هاي زيادي را متقبل مي‌شوند. بنابراين با توجه به اصل ساده‌سازي، آيين‌نامه‌هاي طراحي در برابر زلزله با بهره‌گيري از ظرفيت استهلاك انرژي در اثر رفتار غيرخطي، نيروي زلزله موثر و در نتيجه مقاومت موردنياز سازه را كاهش مي‌دهند.

ضريب كاهشي مقاومت به علت رفتار چرخه‌اي سازه به صورت
(مقاومت موردنياز حالت غيرارتجاعي/مقاومت موردنياز حالت ارتجاعي)
مي‌باشد كه نوع يك سيستم بيشترين تاثير را در مقدار ضريب بالا دارد.

min مقاومت حد تسليم براي جلوگيري از تسليم خاص
مقاومت حد تسليم كه در آن شكل‌پذير برابر Mi باشد.
همچنين يك ضريب اضافه مقاومت (Rs) به خاطر اينكه مقاومت جانبي واقعي يك سازه معمولاً ببشتر از مقاومت جانبي طراحي آن سازه بيشتر مي‌باشد، مطرح شد. اهميت ضريب اضافه مقاومت در ساختمان‌هاي با زمان تناوب كم بيشتر است كه در اثر اين ضريب در ساختمان‌هاي كوتاه مرتبه، بيشتر است.

تخمين يك بار موثر ناشي از زلزله بر پايه تحليل‌هاي الاستيك خطي قرار دارد. اين نيروها به علت اينكه سازه رفتار غيرخطي دارد با استفاده از اين ضرايب تصحيح مي‌شوند.
جهت ايجاد يك طرح اقتصادي و كاهش نيروي زلزله از طريق جذب و استهلاك انرژي در ناحيه پلاستيك بايد مقدار شكل‌پذيري را تا مقدار موردنياز افزايش داد. حركات زلزله به صورت رفت و برگشتي بوده و چون شكل‌پذيري به رفتار غيرخطي سازه ارتباط دارد، بحث شكل‌پذيري را در مرحله تعيين مقدار نيروي وارده به سازه با تقسيم نيروي زلزله به عددي مانند R [ضريب رفتار ساختمان]، بسته به نوع سيستم درنظر مي‌گيرند.

در مرحله كنترل سازه نيز به حالت كنترل شكل‌پذيري موردنياز، تغيير مكان‌ها و يا نيروي داخلي اعضاء كنترل مي‌گردد. به همين دليل اكثر مهندسين جهت كنترل سازه سعي در سخت كردن آن دارند، در حالي كه هميشه سيستم مطلوب يك سيستم سخت نيست و طبق منحني طيف غيرخطي هرچه سيستم سخت‌تر باشد، مقدار نيروي وارده به سازه بيشتر است و ممكن است باعث كاهش مقاومت نيز گردد يا هرچه سيستم سخت‌تر باشد، نياز شكل‌پذيري آن بيشتر است.

چشمه اتصال كه در ناحيه‌اي از جان ستون كه به تير اتصال دارد، واسطه انتقال لنگر تيرها به ستون‌ها مي‌باشد و در صورت ضعف آن يك دوران نسبي ايجاد مي‌شود كه دوران تير و ستون يكسان نخواهد بود. چشمه اتصال مي‌تواند به طور موثر در شكل‌پذيري مشاركت كند، ولي يك چشمه اتصال ضعيف مي‌تواند باعث ايجاد پتانسيل بيشتري براي گسيختگي ترد در دوران‌هاي پلاستيك بالا گردد.

تحقيقات نشان مي‌دهد پس از زلزله، ترك‌ها عموماً از نزديك جوش بال پايين‌تر به ستون شروع و در جهات مختلف توسعه مي‌يابد. بنابراين فاكتورهايي نظير عمق تير، طول و ضخامت بال تير اتصال، جهت قرارگيري ستون، جاري شدن چشمه اتصال اثرات قابل توجهي در رفتار لرزه‌اي يك اتصال خمشي دارند.

معرفي قاب‌هاب EBF, MRF, CBF
قاب CBF يا هم‌مركز و يا همگرا
سيستم مهاربندي همگرا (CBF)

از متداولترين سيستم‌هاي باربر جانبي هستند. سيستم‌هاي مهاربندي همگرا كه معروف‌ترين نوع آن، سيستم مهاربندي ضربدري يا x شكل هستند، از مفيدترين سيستم‌ها براي كنترل تغيير مكان ايجاد شده در برابر بارهاي جانبي هستند. به علت پيكربندي خرپا گونه، صلبيت جانبي اين سيستم‌ها بسيار زياد است، به طوري كه يك سيستم قاب فولادي با بادبندي همگرا (CBF) از نوع ضربدري در مقايسه با سيستم قاب خمشي (MRF) نظير آن، مي‌تواند تا ۱۰ برابر سخت‌تر باشد. اين سيستم‌ها در مسير تكميل سيستم‌هاي سازه‌اي فولادي جهت مقابله با نيروهاي باد ابداع گرديده‌اند. از مشكلات عمده اين سيستم‌ها، شكل‌پذيري و جذب انرژي كم عمدتاً به دليل كمانش موضعي يا كلي عضو و فشاري بادبند و تا حدي هم ضعف و عملكرد نامناسب اتصالات آن مي‌باشد. ظرفيت انرژي جذب شده توسط بادبندهاي همگراي ضربدري در حقيقت به طور كامل وابسته به رفتار چرخه‌اي غيرخطي بادبند قطري، تحت بارهاي متناوب كشش و فشار مي‌باشد.

اعضاي بادبندي درسيستم مهاربندي همگرا، وظيفه تامين سختي، شكل‌پذيري و مقاومت را برعهده دارند. بادبندها به طور متناوب و به طور كششي جاري شده و در فشار كمانش مي‌نمايند. كمانش غيرالاستيك بادبند و مفاصل كششي ايجاد شده به عنوان عوامل اصلي جذب انرژي توسعه مفاصل پلاستيك در ساير نقاط سازه را نتيجه مي‌دهند.
تعداد مفصل‌هاي ايجاد شده ارتباط مستقيم به وضعيت اتصالات انتهايي بادبند دارد. اگر مهاربندي تحت اثر بارهاي تكراي با دامنه تغيير مكان ثابت قرار گيرد كه منجر به تغيير طول پلاستيك جديد نشود، اتلاف انرژي هم روي نخواهد داد. از اين رو ظرفيت اتلاف انرژي سيستم مهاربندي همگراي فقط كششي اولاً كم بود، ثانياً به شدت داراي حالت تنزلي است. در اين سيستم شكل‌پذيري قاب از طريق تسليم تير پيوند تامين و از خسارت وارد بر ساير اعضاي سازه‌اي جلوگيري مي‌شود. بدين ترتيب تير پيوند مي‌تواند شكل‌پذيري سازه را بدون خسارت به ساير اعضاي سازه تامين كند.

مزايا و معايب اين قاب‌ها:
قاب با مهاربندي هم مركز (CBF)
1. از لحاظ اقتصادي براي دهانه‌هاي بسيار كوچك مقرون به صرفه‌تر است.
۲٫ خط محور تير ـ ستون و مهاربندي همديگر را در يك نقطه مشترك قطع مي‌كنند.
۳٫ سختي خوب در برابر بارهاي جانبي، ساده بدون اتصالات و سرعت بالاي اجراي ان.
۴٫ مقاومت و سختي زياد در برابر بارهاي استاتيكي و باد، ولي به علت عدم شكل‌پذيري مناسب از لحاظ جذب انرژي ضعيف عمل مي‌كنند.
۵٫ در مناطق با زلزله خيزي بالا استفاده از اين نوع قاب‌هاي بطور گسترده پيشنهاد نمي‌شود. چون عناصر فشاري نظير بادبند و ستون در بارهاي تناوبي ضعيف عمل كرده و بعد از چند سيكل تا حدود ۵۰درصد مقاومت خود را از دست مي‌دهد.
۶٫ به علت كمانش مهارها، قدرت جذب انرژي و رفتار غيرارتجاعي آن ضعيف مي‌باشد.

ضوابط قاب‌هاي مهاربند همگرا (CBF)
ضوابط لرزه‌اي بر اساس روش ضرايب بار و مقاومت
۱٫ گستره: قاب‌هاي CBF سيستم‌هايي هستند كه بادبندهاي آنها همديگر را در يك نقطه قطع مي‌كنند. هرگاه بادبندها همديگر را در عرض مقطع هم قطع كنند و باعث ايجاد يك خروج از مركزيت فرعي شوند، در صورتي كه اين خروج از مركزيت در طراحي درنظر گرفته شده باشد، بلامانع است.
۲٫ لاغري: رابطه‌ي بايد توسط مهاربندها ارضا شود.
توزيع نيروي جانبي

در امتداد هر يك از خطوط بادبند، بادبندها بايد به گونه‌اي در جهت عكس آن امتداد توزيع شوند كه در جهت اعمال بار (موازي بادبند) از كل نيروي افقي زلزله حداقل ۳۰درصد و حداكثر ۷۰درصد نيروي زلزله توسط بادبندهاي كششي تحمل شود. منظور از خط بادبند يك يا چند خط موازي مي‌باشد كه فاصله آنها در پلان از ۱۰درصد بعد ساختمان در جهت عمود بر خط بادبند كمتر باشد. مقاومت فشاري، طراحي يك عضو مهاربند در فشار محوري نبايد به مقدار ۰٫۸φcPn برسد.
φ: ضريب مقاومت ستون‌هاي فشاري

Pn: مقاومت محوري اسمي يك ستون
نسبت‌هاي عرض به ضخامت:
بادبندها بايد فشرده باشند، اما نبايد لاغر باشند. در مقاطع لوله‌اي نسبت قطر خارج به ضخامت ديواره نبايد از بيشتر شود.
توزيع نيروهاي جانبي (بر اساس روش تنش مجاز)
نيروهاي جانبي يك خط مهاربندي بايد به نحوي بين اعضاي آن تقسيم شوند كه جمع نيروي اعضايي كه به صورت كششي عمل مي‌كنند و يا جمع نيروي اعضايي كه به صورت فشاري عمل كنند. از ۷۰درصد كل نيروي جانبي تجاوز نكنند. استثنائاً هنگامي كه مهاربند فشاري به تنهايي با صرف‌نظر از ضريب B داراي مقاومت كافي براي مقابله با Ωo برابر نيروي زلزله باشد، نيازي به درنظر گرفتن توزيع ذكر شده بالا نمي‌باشد. در اين ضابطه منظور از خط بادبندي، يك محور سازه كه داراي بادبند است و يا محورهايي كه حداكثر به اندازه ۱۰درصد بعد ساختمان در جهت عمود بر زلزله با يكديگر فاصله دارند، مي‌باشد.

قاب‌ MRF يا ممان بر
۱٫ اتصالات آن در برابر ممان يا لنگر مقاوم است.
۲٫ داراي خاصيت جنب انرژي فوق‌العاده‌اي است، ولي نسبتاً انعطاف‌پذير مي‌باشد.
۳٫ داراي سختي نسبتاً كمي است و چنانچه سختي زيادي لازم باشد، اقتصادي نخواهد بود.

۴٫ مقاومت زيادي از مقاومت و سختي قاب صرف مقابله با لنگرهاي ناشي از آن مي‌شود.

مزايا و معايب اين قاب‌
۱٫ به طور گسترده‌اي در ساختمان‌هاي فلزي مناطق زلزله‌خيز كاربرد دارد.
۲٫ عدم تداخل تعبيه بازشوها كه براي همه دهانه‌ها آزاد هستند و فراهم آوردن بازشوهاي بزرگ جهت طراحي‌هاي معماري.
۳٫ فلسفه‌ي طراحي تير ضعيف و ستون قوي، يعني ستون‌ها بايد طوري طراحي شوند كه به صورت ارتجاعي باقي بمانند و تيرها براي جذب و استهلاك انرژي به حداكثر شكل‌پذيري خود برسند و تسليم فقط محدود به انتهاي تير مي‌باشد. یعنی تناسب بین سختی تیرها و ستون‌ها طوری رعایت شود که تغییرشکل غیرارتجاعی و مفصل‌های پلاستیک درتیرها ایجاد شود و درستون‌ها مفصل پلاستیک ایجاد نشود تا به این طریق از تمرکز تغییرشکل دریک طبقه خاص جلوگیری شود.
۴٫ شكل‌پذيري و يكپارچگي خيلي خوب آن.

۵٫ اجراي اتصالات آن مشكل است و هزينه بالاي اين اتصالات و به علت نرمي زياد سختي جانبي كمي را دارا مي‌باشد و در برابر بارهاي جانبي دچار ضعف مي‌باشد.
۶٫ براي تقويت اين سيستم نياز است كه از مقاطع بزرگتر استفاده شود كه باعث وزن سازه و غيراقتصادي شدن طرح خواهد شد.
۷٫ روابط بار تغییر مکان افقی قاب‌های خمشی چند طبقه وابسته به بارقائم می‌باشد که مقاومت یک بارخمشی با افزایش بارقائم بدلیل اثر (که نقش قابل توجهی درافزایش تغییر مکان‌های جانبی قاب خمشی ایفا می‌کند) کاهش می‌یابد که درآیین نامه‌های جدید به جای کنترل تغییر مکان الاستیک، تغییر مکان غیرالاستیک کنترل می‌شود.
سيستم مهاربندي واگرا (EBF)
هزينه اجراي قاب واگرا كمي بيشتر از هزينه اجراي قاب همگرا مي‌باشد، ولي عواملي چون كاهش تغيير مكان جانبي در مقايسه با قاب‌هاي خمشي كاهش نيروهاي تكيه‌گاهي و لنگر به منظور كاهش ابعادي، امكان تعبيه بازشو در مقايسه با قاب مهاربندي همگرا، كاهش اثر P-∆ در مقايسه با سيستم قاب خمشي و در ساختمان‌هاي با ارتفاع زياد استفاده از قاب مهاربندي هم محور مجاز نمي‌باشد، استفاده از آن را توجيه مي‌كند.

قاب‌هاي EBF يا قاب خارج از مركز
۱٫ از تركيب مقاومت و سختي قاب مهاربندي شده هم‌مركز (CBF) و با رفتار غيرارتجاعي و قدرت جذب انرژي قاب ممان بر (MRF) است.
۲٫ بين اتصال مهار و تير تعمداً خروج از مركزيت ايجاد مي‌گردد.
۳٫ وجود خروج از مركزيت اين امكان را مي‌دهد كه نيروهاي بادبندي را از طريق خود به ستون يا بادبندهاي ديگر انتقال دهد و نهايتاً نيروهاي متعادلي را به بادبند وارد سازد.
رفتار سيستم EBF

رفتار سيستم EBF چه در ناحيه خطي و چه در ناحيه غيرخطي كاملاً متاثر از طول تير پيوند مي‌باشد. تحت يك زلزله شديد، مفصل‌هاي خميري در سيستم ايجاد مي‌شوند كه نوع اين مفصل‌ها بيانگر رفتار خمشي يا برشي مي‌باشد. دوران پلاستيك تيرهاي پيوند با استفاده از مكانيسم‌هاي جذب انرژي تخمين زده مي‌شود و ممكن است ۵ تا ۱۰ برابر بزرگتر از دوران پلاستيك يك تير قاب خمشي باشد. فراهم آوردن اين دوران‌هاي پلاستيك و متمركز نمودن عمكلكرد غيرخطي قاب در تير پيوند معياري مهم در طراحي بادبندهاي واگرا است.
مزايا و معايب اين قاب

۱٫ شكل‌پذيري خوب و توانايي ايجاد سختي مناسب در ناحيه‌ي غيرخطي براي مقابله با زلزله‌هاي شديد.
۲٫ هرچه قدر طول پيوند (تير پيوند مابين يك بادبند و يك ستون و يا مابين دو بادبند قرار مي‌گيرد) بلندتر باشد، رفتار پيوند به پيوند خمشي نزديكتر مي‌شود.
۳٫ هنگام وقوع يكم زلزله‌ي شديد تغيير شكل غيرارتجاعي محدود به تير پيوند شده و نهايتاً اين جزء تير بايد طوري طراحي شود كه بتواند تغيير شكل‌هاي بزرگ غيرارتجاعي را بدون از دست دادن مقاومت تحمل كند.
۴٫ بطور كلي قاب‌هاي EBF داراي سه ويژگي اساسي‌ هستند: الف) سختي مناسب ب) شكل‌پذيري بالا و ج) جذب انرژي زياد.