اصول طراحی بادبندکمانش تاب BRB

بادبند‌های BRB یا کمانش تاب از قرار دادن یک هسته ی فولادی درون یک لوله ی فولادی پر شده با ملات، بتن و یا گروت ساخته می‌شوند که هسته‌ی فولادی آن، به طور کنترل شده ای ضعیف ساخته شده تا جاری شود و انرژی‌های رفت و برگشتی در هنگام زلزله را به خود جذب کند. این قابلیت بادبند‌های کمانش تاب موجب شکل پذیری وایجاد رفتار هیستریکی پایدار در آن‌ها شده و برخی پژوهشگران آن‌ها را به عنوان میراگر هیستریکی معرفی می‌کنند.

در شکل زیر مولفه‌های تشکیل دهنده ی بادبند کمانش تاب آورده شده که شامل هسته، مولفه ی جدا کننده و مولفه ی کمانش ناپذیر است.

در شکل زیر، رفتار هیستریس بادبند کمانش نشان داده شده است.

 

برای درک بهتر، رفتار این بادبند در فشار و کشش در مقایسه با مهاربندهای معمولی در شکل زیر، نمایش داده شده است.

 

در آیین‌نامه ی ASCE7  و AISC341  الزامات طراحی این بادبندها آورده شده است. سیستم بادبند کمانش تاب، بزرگترین ضریب رفتار را در میان سیستم‌ها دارد و این موضوع به علت رفتار غیرالاستیک آن در زلزله است که موجب کنترل تغییر شکل‌های سازه می‌شود.

گام‌های طراحی سیستم‌های بادبندهای BRB شامل موارد زیر است:

1- اولین گام انتخاب روش طراحی ایست. با توجه به آیین نامه ی ASCE7 سه روش برای طراحی بادبند‌های کمانش تاب وجود دارد که عبارتند‌از :

• روش بارجانبی معادل (ELF)
• روش تحلیل طیفی (MRSA)
• روش تحلیل تاریخچه زمانی

روش تحلیل اول و دوم رایج ترند و علیرغم اینکه روش بارجانبی ساده‌ ترین روش تحلیل است، اما آیین‌نامه‌ها معمولاً محدودیت‌‌هایی را برای استفاده از این روش قائل می‌شوند اما استفاده از روش تحلیل طیفی محدودیتی ندارد و در تمام سازه‌ها قابل استفاده است.

2-در مرحله ی بعد باید چیدمان و موقعیت مهاربندها تعیین گردد، در طراحی این قسمت دقت شود که نیازی به طراحی بادبندهای فشاری و کششی نمی‌باشد زیرا مهاربند کمانش تاب در فشار و کشش رفتار یکسانی دارد.

در شکل زیر انواع پیکر بندی بادبند‌ها، آورده شده:

توصیه می گردد که دو چیدمان (مهاربند X چند طبقه و مهاربند قطری زیگ زاگ) در اولویت قرار گیرند.

3- سپس ابعاد بادبند باید بر اساس ترکیب بارهای موجود در ASCE7 برای نیروی زلزله (کاهش یافته با ضریب رفتار ساختمان R=7) تعیین گردد. که باید مقاومت طراحی از مقاومت لازم بزرگتر باشد به طور کلی به علت اینکه پروزه اقتصادی باشد تعداد مقاطع در سایز‌های مختلف از 4 تا 5 مورد بیشتر نمی‌گردد.

 

4- میزان مجاز دریف غیر الاستیک سازه، پایداری سازه و نامنظمی‌ها باید مطابق آیین‌نامه ی ASCE7 و AISC341 کنترل شود.

Δ_x   (دریفت طراحی) در شکل زیر نشان داده شده و فرمول آن آورده شده:                             

دریفت مورد انتظار آیین‌نامه برابر است با حداکثر مقدار دو پارامترِ دریفت طبقه‌ای 2 درصد و یا دو برابر دریفت طراحی طبقه.

در جدول زیر مقادیر ضریب رفتار، ضریب اضافه مقاومت و ضریب بزرگ نمایی تغییر مکان مهاربند کمانش ناپذیر برای محاسبه ی دریفت طبقات مطابق ASCE7-10 آورده شده است.

5- در این مرحله باید مقاومت طراحی مهاربند‌های کمانش تاب (بر اساس تسلیم هسته ی فولادی) با توجه به سخت شدگی کرنشی و اضافه مقاومت فشاری تعیین گردد.

مقاومت طراحی مهاربند از فرمول زیر بدست می‌آید که در آن:             

Φ: ضریب کاهش مقاومت بوده و مقدار آن برابر 0.9 می‌باشد.

A: سطح مقطع هسته فولادی (قسمت جاری شونده)

F: حداقل تنش تسلیم فولاد هسته، یا تنش تسلیم واقعی که از آزمایش به دست می‌آید.

سخت شدگی کرنشی بدین معناست که افزایش مقاومت پس از تسلیم ماده تا رسیدن به تنش نهایی همچنان ادامه یابد و به مقداری که مقاومت افزایش می‌یابد، اضافه مقاومت فشاری گفته می‌شود.

ضریب اصلاح کرنش سخت‌شوندگی با ω نشان داده می‌شود که نسبت نیروی کششی حداکثر به نیروی تسلیم کششی اندازه‌گیری شده برای مهاربند است.

ضریب اصلاح مقاومت فشاری با β نشان داده می‌شود که نسبت حداکثر نیروی فشاری به حداکثر نیروی کششی است. این دو ضریب که بازه ی آن‌ها آورده شده، در حداکثر نیروی فشاری و کششی و در مقاومت طراحی ضرب شده و میزان مقاومت طراحی را افزایش می‌دهند.

 

6- در گام آخر باید تیر، ستون و اتصالات بر اساس مقاومت مهاربند طراحی گردند.

رفتار این المان‌ها بر خلاف مهاربند باید به صورت الاستیک باقی بماند.

مقاومت طراحی باید برای حداکثر نیروی کششی وفشاری کنترل گردند.

       در فرمول رو به رو R ضریب تنش تسلیم است.       

           

سیستم‌های پیشنهادی برای بادبند‌های کمانش‌تاب

بادبند‌های کمانش تاب ممکن است تغییر مکان جانبی (دریفت) را در یک طبقه متمرکز کنند و این موضوع موجب کاهش سختی قابل توجه ای در برابر تغییر مکان زاویه ای گردد. این تغییرات ممکن است پیش بینی نشده باشد و بر روی P-Delta تاثیر گذاشته و یا با تغییر مکان بالقوه مقاومت سازه را کاهش داده و مشکل ساز شوند.

سختی کلی سازه را می‌توان با استفاده از سیستم دوگانه حفظ کرد و از تمرکز دریفت در یک طبقه جلوگیری کرد. دو نمونه از سیسم‌های دو گانه مناسب برای این بادبند‌ها در شکل زیر آورده شده است.

a) استفاده از قاب خمشی مقاوم به صورت موازی

b) استفاده از خرپا با رفتار الاستیکی در کنار مهاربند کمانش تاب

اتصال بادبند کمانش‌تاب

از موارد دیگری که بر عملکرد ایمن بادبند‌ها تاثیر گذار است اتصال بادبند است.

معمولا از اتصال پیچی برای بادبند استفاده می‌گردد ولی اتصالات جوشی و مفصلی هم رایج اند. نکته ی مهم در اتصال بادبند‌ها این است که در اتصال انتهایی آن‌ها کمانش موضعی رخ ندهد.

دراین راستا توصیه می‌شود که اگر صفحه ی بادبند سخت شده نباشد، طول موثر 2 در نظر گرفته شود.

روش رایح دیگر هم که برای تقویت مقاومت فشاری توصیه می‌گردد، استفاده از سخت کننده‌های لبه ایست.

برای رفع مشکل اعواج بادبند نیز یک اتصال پیشرفته بر روی آن تعبیه گردیده است که از کمانش صفحه ای بادبند جلوگیری می‌کند.