تاریخچه تحقیقات مقاوم سازی ساختمان توسط مهاربند واگرا

مروری بر تاریخچه و مطالعات تحقیقاتی صورت گرفته بر سیستم های با مهاربندی برون محور (واگرا)

1.علت استفاده از مهاربند

فولاد به عنوان یکی از ایده لا ترین مصلاح طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله به شمار می آید. فولاد دارای قابلیت انعطاف پذیری بالایی بوده و دارای قابلیت جذب انرژی زیاد نیز می باشد. در ضمن بایستی خاطر نشان کرد که عموما سازه های فولادی در زلزله ها بسیار خوب عمل نموده اند و قابلیت های بسیار خوبی از خود در برابر حرکات شدید نشان داده اند.

به منظور استفاده کامل از انعطاف پذیری این مصلاح و حصول قابلیت های رفتاری مطمئن در پاسخ به اثرات ناشی از زلزله، لازم است به مفاهیم بنیادی در زمینه شکل مناسب سازه و کنترل نحوه گسیختگی سازه توجه کافی مبذول گردد.

گسترش استفاده از فولاد در ساخت ساختمان ها را شاید بتوان برای نخستین بار در |سال 1885 در ساخت یک ساختمان 8 طبقه در شیکاگو توسط ویلیام لیبارون دانست. در طی یک دوره 82 |ساله ما بین |سال های1885 تا 1913  استفاده از 1 فولاد بسیار گسترش یافت تا این که از آن برای ساخت ساختمان وولورد با ارتفاع243  متری در نیویورک استفاده گردید.

به منظور مقاوم سازی سازه ها در برابر زلزله، سیستم های سازه ای مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. هر یک از این سیستم ها در فرایند مقابله با نیروهای جانبی در ناحیه خطی و غیرخطی مزیت ها و معایبی دارند. قابهای مهاربندی شدهی واگرا یکی از بهترین سیستم های مهاربندی فلزی به شمار می روند که دو شاخصهی مهم سختی و شکل پذیری را بطور همزمان دارا بوده و به شکل های مختلفی اجرا می گردد که متداول ترین آنها سیستم های واگرای متشکل از مهاربندهای قطری وسیستم های واگرای متشکل از مهاربندهای متقارن می باشد.

 از دیدگاه طرح های معماری، انعطاف پذیری خاصی در این سیستم ها دیده می شود و عامل خروج از مرکزیت مهاربندها، آزادی عمل بالایی را به معماران در اجرای طرح هایشان می دهد. به گونه ای که اجرای بعضی از آن طرح ها در قابهای مهاربندی شده هم مرکز |CBF |غیر ممکن است با توجه به این که بیشتر تحقیقات انجام شده بصورت مجزا بر روی هر یک از دو نوع مهاربندی صورت گرفته است، تاکنون مقایسه ای از نظر عملکرد لرزه ای بین این دو نوع از سیستم های مهاربندی شده صورت نگرفته و لذا انجام مطالعات بیشتر در این خصوص ضروری به نظر می رسد

کاربرد سازه های فولادی با توجه به سرعت اجرا، فراوانی مصلاح و نیروی اجرایی بسیار رایج بوده و در اکثر آن ها از قاب های مهاربندی به عنوان سیستم لرزه بر استفاده گردیده است. تجربه زلزله های اخیر نشان داده است که اهمیت طراحی سازه های مقاوم در برابر بارهای زلزله کمتر از بارهای ثقلی نمی باشد. از این رو پیش بینی تمهیدات لازم برای ایجاد ساختمانهای مقاوم در برابر این پدیده طبیعی مخرب ، در |سال های اخیر بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است.

 در ساختمان های بلند به منظور کنترل تغییرمکان های جانبی سازه ها، استفاده از قاب های مهاربندی شده نسبت به قاب های صلب خمشی اقتصادی تر می باشد و در این راستا قاب های مهاربندی شده همگرا به دلیل سختی بالا رواج بیشتری دارند. نقطه ضعف عمده این نوع مهاربندی این امر است که در محدوده غیرارتجاعی به علت سختی جانبی مهاربندها ، قابلیت جذب انرژی کمتری دارند و در نتیجه دارای شکل پذیری کمتری می باشند.

 علاوه بر آن، گاهی اوقات با نیازهای معماری طرح نیز مغایرت دارند. لذا در گذشته برای رفع این مشکل و بدون توجه به رفتارهای لرزه ای، سیستم های با مهاربندی واگرا مورد استفاده قرار گرفتند. با پیشرفت علم مهندسی سازه و توجه به مفاهیمی هم چون شکل پذیری ، ظرفیت جذب و استهلاک انرژی در سازه ها، این سیستم به عنوان جایگزینی مناسب برای سیستم های با مهاربندی همگرا مطرح شد.

2.خصوصیات مهاربندهای واگرا

پارامتر مهمی که تاثیر به سزایی بر سختی و مقاومت نهایی مهاربندهای واگرا دارد نسبت   e/L است.e طول تیر پیوند و L طول کل تیر دهانه مهاربندی واگرا می باشند. در شکل |1 |تاثیر نسبت   e/Lبر سختی ارتجاعی نمونه های ساختمانی |قابهای نمایش داده شده در شکل مذکور| با سیستم مهاربندی واگرا نمایش داده شده است. در حالتی که L = e باشد مهاربند واگرا به صورت قاب خمشی خواهد بود که سختی جانبی آن به کمترین مقدار می رسد. برای نسبت e/L بزرگتر از 0.5 سختی قابل ملاحظه ای ایجاد نمی شود. افزایش سختی به وضوح از نسبت e/L کوچگتر از 0.5  آغاز میشود.

حداکثر سختی سازه به ازای  e/L=0یا e=0   حاصل می گردد که مربوط به قاب با مهاربندی همگرا می باشد. همان طور که مشاهده می شود با افزایش طول تیر پیوند، سختی جانبی به سرعت کاهش می یابد اما از e/L=0.5   به بعد این کاهش با آهنگ کندتری ادامه می یابد و در نهایت به مجانب افقی که همان سختی قاب بدون مهاربند است، نزدیک می شود.

3.ایده  استفاده از قاب مهار بندی شده واگرا

قاب های مهاربندی شده واگرا برای نخستین بار توسط فوجیموت و همکاران در |سال1972  و تاناباشی و همکاران در |سال 1974 در ژاپن ارائه گردید. پیشرفت عمده این سیستم مرهون تحقیقات مستمر پوپوف و همکارانش از |سال 1977  تا |سال1989  میلادی بر روی تیرهای پیوند ایزوله شده و سایر مشخصات و ضوابط طراحی این نوع قاب ها در مرکز تحقیقات زلزله دانشگاه برکلی بود. در این سیستم، بین اجزای مهاربندی یک لامان به عنوان تیر پیوند ا طول e قرار گرفت که به عنوان یک فیوز، میزان شکل پذیری و رفتار سازه را تحت کنترل خود نگه می داشت.

در این زمینه آزمایش های فراوانی نیز انجام شده که می توان به آزمایش یک ساختمان اداری 6 طبقه در مقیاس واقعی در ژاپن در |سال1988  اشاره کرد. در دهه80 میلادی و پس از آن ساختمان های متعددی با این سیستم ساخته شدند که رفتار مناسبی نیز در زلزله های شدید از خود ارائه کردند، از آن جمله می توان به ساختمان19 طبقه بانک آمریکا در سان دیگو در |سال 1980و ساختمان 44 طبقه امبارکادرو در سانفرانسیسکو اشاره کرد.

 پس از آن کاربرد این سیستم ها به سرعت گسترش یافت، به طوری که در |سال 1986توسط انجمن مهندسان ساختمان کلایفرنیا SEAOC و متعاقبا در |سال 5188 در آیین نامه UBC و در |سال 1988 در آیین نامه AISC این نوع سیستم مهاربندی به رسمیت شناخته شد.

4.کارهای تحقیقاتی اخیر بر روی سیستم های با مهاربندی واگرا

پس از پوپوف و همکارانش در طی |سال های اخیر، محققان دیگر نیز مطالعاتی را در این خصوص انجام دادند که در ادامه بطور اجملای به آنها اشاره خواهد شد. 5

 کوبویک  و ریدوود در |سال 1997 مطالعاتی تحلیلی را بر روی پاسخ لرزه ای قابهای با مهاربندی واگرا با تیر پیوند کوتاه انجام دادند. ایشان در مطالعات خود پس از بیان فرایند طراحی یک ساختمان 8 و 16 طبقه ، پاسخ لرزه ای این ساختمان ها را تحت اثر تعدادی از رکوردهای زلزله بررسی کردند.

 دیده شد که در تعدادی از رکوردهای زلزله نیروها و تغییرشکل ها در طبقات بالای ساختمان از مقادیر پیش بینی شده در طراحی بیشتر است در نتیجه ظرفیت تعدادی از ستونها و بادبندها در بالاترین طبقات ممکن است کافی نباشد ایشان روشی را برای از بین بردن این نقیصه ارائه نمودند

ایتانی و همکارانش در |سال 2003 با استفاده از اجزای محدود غیرخطی مطالعاتی را بر روی تیرهای پیوند کوتاه مرکب که بر اساس آیین نامه AISC طراحی شده بودند انجام دادند و امکان استفاده از مقاطع مرکب با ضخامت جان نسبتا کم و ضخامت بالا تقریبا زیاد به عنوان تیر پیوند برشی بررسی نمودند.

سپس بعد از مقایسه نتایج به دست آمده از مدل با نتایج آزمایشگاهی و تطابق نسبتا خوب جوابهای هر دو به بررسی تاثیر تغییرات نسبت های فشردگی و فاصله بین سخت کننده ها بر روی دوران پلاستیک کلی تیر پیوند پرداختند و با استفاده از تحلیل های انجام شده معادله ای را که دوران پلاستیک را به نسبت فشردگی و فاصله سخت کننده ها ربط می داد ارائه نمودند

آرسه و همکاران در |سال2003  تیرهای پیوند کوتاه با فولاد A992| با حد جاری شدن340 تا 400 مگا پاسکلا| را به منظور بررسی محدودیتهای لاغری بالا و بر آورد ضرایب مقاومت افزون آزمایش کرده و مقادیر آیین نامه ای را تایید نمودند.

خرابی برخی از نمونه ها به علت پارگی جان تیر پیوند بود که از انتهای سخت کنندهای جان آغاز شد

مک دانیل و همکاران در |سال 2003  یکسری آزمایش بر روی دو نمونه تیر پیوند کوتاه فلزی برج اصلی پل معلق جدید واقع در خلیج اوکلند در سان فرانسیسکو انجام دادند. تیر های پیوند از مقاطع سرهم شده جان و بالا و به منظور جاری شدن در برش ساخته شده بودند. به منظور بارگذاری از پروتکل بارگذاری شبه استاتیکی استفاده گردید. نمونه ها رفتار شکل پذیری را تا بروز ترک در جوش گوشه قائم متصل کننده سخت کننده های میانی به جان تیر پیوند از خود بروز دادند.

گسترش ترکها، گسیختگی ترد جان را به دنبالا داشت. تخفیف تمرکز تنش جوشهای گوشه به وسیله دور کردن آنها از محل تقاطع سخت کننده ها به منظور جلوگیری از گسیختگی ترد و همچنین افزایش ظرفیت تغییر شکل تیر پیوند لازم است. آزمایشها نشان داد مقاومت برشی حداکثر حدود دو برابر مقاومت برشی جاری شدن مورد انتظار بود که بطور قابل ملاحظه ای از مقادیر رایج داده شده در آیین نامه ها بیشتر است

گلاوز در |سال 2004 ضمن بررسی عوامل موثر بر شکست جان در تیرهای پیوند کوتاه، راهکار هایی برای به تاخیر انداختن شکست جان و بهبود رفتار شکل پذیر این نوع تیرهای پیوند ارائه کرد.

باکل و همکاران در |سال 2005 آزمایشهایی را با مقیاس یک دوم بر روی تیرهای پیوند کوتاه پلها با فولاد با عملکرد بالا و فولاد با حد جاری شدن پایین گزارش کردند و نشان دادند که تیرهای پیوند برشی با رفتار غیر ارتجاعی در استهلاک انرژی کاملا موثرند و در پلها با هزینه کم و لازامات نگهداری جزیی قابل توجهند

یانگ و  ریچاردز در |سال 2005 تاثیر نسبت عرض به ضخامت بالا را بر روی ظرفیت دورانی قابهای مهاربندی شده واگرا بررسی کردند. ایشان با استفاده از اجزای محدود غیرخطی به مدل کردن یک نمونه آزمایش شده پرداختند و پس از مقایسه جوابهای تحلیلی و نتایج آزمایشگاهی با توجه به تطابق نسبتا خوب بین آنها از مدل تحلیلی برای آنلایز 112 تیر پیوند استفاده کردند.

مدل ها کاهش مقاومت را در تیرهای پیوند مختلف به دلیل کمانش جان یا بالا شبیه سازی می کردند. مطالعات بر روی تیرهای پیوند با طول های مختلف که در محدوده برشی ، برشی- خمشی و خمشی قرار داشتند با تغییراتی در نسبت عرض به ضخامت بالا را بررسی می کردند.

نتایج نشان می دهد که نسبت های ارائه شده در آیین نامه AISC برای نسبت عرض به ضخامت بالا درست بوده ولی دوران طراحی تعدادی از تیرهای پیوند برشی-خمشی که AISC بیان می کند در جهت عدم اطمینان می باشد و نشان داده شده است که این موضوع به فاصله بین سخت کننده ها مربوط نمی باشد و ربطی به نسبت عرض به ضخامت بالا ندارد

اکازاکی و آرسه در |سال 2005 به بررسی اثر لاغری بالا و شکل بارگذاری در تیرهای پیوند برشی پرداختند.چائو و همکاران در |سال 2006 با استفاده از مدلهای محاسبات سازه ای جهت بررسی شکست جان، معیار موجود برای قضاوت خواص شروع شکست شکل پذیر فولاد بر مبنای نتایج آزمایشات اصلاح کردند تا بتوان محل شروع شکست شکل پذیر را بهتر تعیین نمود.

 آنها طرح جدیدی برای آرایش سخت کنندهای جان |بصورت یک سخت کننده افقی به جای چند سخت کننده قائم| توصیه نمودند که در اثر آن شکست شکل پذیر جان کاهش یافته و در عین حال کاربردی و اجرایی است

برمن  و برونو در |سال 2007 تحقیقاتی را بر روی استفاده از مقاطع عرضی مستطیلی تو خلای که با استفاده از ورق ساخته شده بودند به عنوان تیر پیوند انجام دادند. آنها یک قاب یک طبقه یک دهانه را با مقطع ذکر شده ، ساخته و بدون در نظر گرفتن تکیه گاه جانبی در طول دهانه قاب |فقط در دو سر قاب تکیه گاه جانبی وجود داشت| آن را تحت بار سیکلیک آزمایش کردند.

 نتایج آزمایش نشان داد که تیر پیوند تا 0.15 رادیان دوران کرده که این مقدار دو برابر 0.08  رادیان در نظر گرفته شده در آیین نامه برای مقاطع I شکل است بدون این که شکستی در بالا اتفاق بیفتد. شکست بالا در انتها در ناحیه حرارت زده تحت اثر جوشکاری اتفاق افتاد و سپس مدل تحلیلی نمونه آزمایش شده را تهیه کرده و دیده شده است که نتایج مدل تحلیلی با آزمایش تطابق خوبی را نشان می دهد

اکازاکی و انگل هارت در |سال 2007 با مطالعات آزمایشگاهی به بررسی رفتار 27  نمونه تیر پیوند پرداختند. این نمونه ها از لحاظ مقطع بالا و جان و طول تیر با یکدیگر متفاوت بودند ولی همگی از فولاد A992 بر اساس ASTM ساخته شده بودند. در تیرهای پیوند برشی با توجه به این که شکست جان در آنها مشاهده شد مطلاعه بیشتری برای پی بردن به علت شکست انجام شد.

بر اساس نتایج آزمایش ها فرمول جدیدی برای محدودیت لاغری بالا ارائه گردید و در این آزمایش ها دیده شد که ضریب اضافه مقاومت که در آیین نامه 1.5 در نظر گرفته شده صحیح می باشد. هم چنین مشخص شد که تاریخچه بارگذاری تاثیر بسیار زیادی بر روی رفتار تیر دارد و در انتها روش جدیدی برای اجرای سخت کننده های تیر و جزییات اتصلا تیر به ستون ارائه گردید

اکازاکی و همکارانش در |سال 2007 عملکرد آزمایشگاهی اتصلا تیر به ستون در قاب های با مهاربندهای واگرا را بررسی کردند. آنها چهار تیپ مختلف اتصلا تیر به ستون با جزییات متفاوت را آزمایش کردند. هر کدام از این چهار تیپ به ازای سه طول مختلف برای تیر پیوند به منظور بررسی گستره ی وسیعی از نیرو و تغییرشکل در اتصلا تیر به ستون آزمایش گردید و لذا کلا 12 آزمایش انجام شد.

 نمونه هایی که بر اساس دیتایل اجرایی مرسوم قبل از زلزله نورتریج تهیه شده بودند ، نصف دورانی خمیری بر اساس AISC را تحمل کردند. لذا ساختمان هایی که با استفاده از قاب واگرا اجرا  شده اند و دارای دیتایل اجرایی قبل از زلزله نورتریج می باشند اساسا عملکرد مطلوبی تحت زلزله های شدید نخواهند داشت. آزمایش های دیگر نشان دادند که نحوه جوشکاری و دیتایل اجرایی تاثیر زیادی بر روی رفتار قاب خواهند داشت

ملاک  و ادیب راد در |سال 2008  به منظور بررسی کفایت کاربرد پروفیل های IPE از نظر کاربرد بعنوان تیر پیوند در قابهای با مهاربندی واگرا، یک قاب تک دهانه یک طبقه را مورد مطلاعه آزمایشگاهی قرار دادند.

 آنها رفتار کلی قاب را به شکل مجموعه شامل ستونها، تیر و اعضای مهاری و همچنین آثار انواع اتصلا، اعضای مهاری و آثار اندرکنشی مربوط در رفتار تیر پیوند، تاثیر فواصل سخت کننده تیر پیوند، فاصله و موقعیت مهارهای جانبی، ظرفیت شکل پذیری مجموعه و گونه های گسیختگی مشاهده شده از دیدگاه احتملا محدود سازی قابلیت را مورد بررسی قرار دادند.

آزمایشها نشان داد که پروفیل های IPE را مشروط به تامین سخت کنندهای جان و تکیه گاه های جانبی کافی می توان به منظور رسیدن به عملکرد مورد انتظار بعنوان تیر پیوند در این نوع از سیستم های مهاربندی بکار برد

چان و همکاران در |سال 2008  آزمایشهای بارگذاری یک طرفه و چرخه ای روی تیرهای پیوند کوتاه بصورت ورقهای نازک فولادی جوش شده داخل یک قطعه قوطی انجام دادند و با توجه به استهلاک انرژی بالا، کاربرد آن را برای بهسازی لرزه ای قابهای موجود توصیه نمودند

بوسکو و روسی در |سال 2008  رفتار لرزه ای قاب های با مهاربند واگرا را بررسی کردند. آن ها به جای ضریب اضافه مقاومت تیر پیوند که قادر نیست برخی از پاسخ های لرزه ای را توضیح دهد از ضریب جدیدی تحت عنوان ضریب ظرفیت توزیع آسیب استفاده کردند.

 آن ها تاثیر پارامتر مذکور را بر روی پاسخ لرزه ای سازه ها بدست آوردند و سپس رابطه ای بین ضریب افزایش مقاومت تیر پیوند، ضریب ظرفیت توزیع خسارت و دوران پلاستیک تیر پیوند را برای ارزیابی کمی خسارت سازه ای در قاب های با مهاربند واگرا تحت اثر مد اول خرابی به دست آوردند

پرینز و ریچاردز در |سال 2009  قاب های مهاربندی شده واگرا با مقاطع جان کاهش یافته را به شکل تحلیلی مورد مطلاعه قرار دادند. آنها به دلیل این که اتصلا تیر به ستون در قاب ها ی واگرا می بایستی لنگر و نیروی برشی زیادی را برای رسیدن به دوران پلاستیک تحمل کنند و آزمایش ها نشان داده اند که اتصالات تیر به ستون جوشی قبل از دوران زیاد پلاستیک تیر پیوند با شکست بالا تیر کارایی خود را از دست می دهند لذا با ایجاد سوراخ هایی در جان تیر پیوند |جان کاهش یافته| تنش و کرنش به وجود آمده در بالا تیر را در محل اتصلا کاهش دادند اما با این کار تنش و کرنش پلاستیک سه محوری در لبه های سوراخ در محل جان افزایش یافت. تیرهای پیوند با مقطع کاهش یافته ظرفیت دورانی مساوی یا کمتر از تیرهای پیوند کاهش نیافته |که تحت اثر شکست بالا کارایی خود را از دست می دهند| دارند لذا کاهش مقطع روش مناسبی برای حل مشکل فوق نمی باشد

اکازاکی و همکارانش در |سال 2009  مطالعات آزمایشگاهی را بر روی اتصلا تیر به ستون در قاب های با مهاربندی واگرا انجام دادند. با توجه به این که طراحی اتصلا تیر به ستون در قاب های با مهاربندی واگرا هنوز م|ساله ای حل نشده باقی مانده است لذا اکازاکی و همکارانش با ساختن 24  نمونه اتصلا تیر به ستون و آزمایش آنها، عملکرد نمونه ها را تحت بارگذاری سیکلیک بررسی کردند.

 نمونه ها از نظر دیتایل اتصلا، طول تیر پیوند، مقطع تیر پیوند و نحوه بارگذاری با یکدیگر متفاوت بودند. دو تا از نمونه های مذکور توانستند دوران پلاستیک لازم تیر پیوند را تحمل کنند ولی بقیه به دوران مورد نظر نرسیدند

نبیل منصور و همکاران در |سال 2011 با استفاده از مطالعات آزمایشگاهی و عددی با انجام 13 آزمایش سیکلی شبه استاتیکی، به بررسی عملکرد لرزه ای غیرارتجاعی چندین نمونه از تیرهای پیوند کوتاه موجود در قاب با مقیاس کامل دارای اتصلا جوش و پیچ با هدف قابلیت تعویض بعد از خرابی پرداختند و نتیجه گرفتند که ظرفیت دورانی غیرالاستیک، در تیرهای پیوند قابل تعویض با اتصلا پیچ شده ایجاد می گردد. هم چنین مقاطع تیر پیوند، حتی با وجود ایجاد تغییرشکل هایی با دریفت % 0.5 نیز مورد قبول قرار گرفت

اهساکی و ناکاجیما در |سال 2012 با استفاده از مدلسازی عددی، مطالعاتی در خصوص محل قرار گیری سخت کنندهای موجود در تیرهای پیوند انجام دادند و راهکارهایی جهت بهبود سختی و بهینه سازی حداکثر استهلاک انرژی پیش از گسیختگی در تیرهای پیوند ارائه کردند

5.نتیجه گیری

از برسی مطالعات انجام شده بر روی قابهای با مهاربندی واگرا می توان به طور خلاصه نتایج زیر را دریافت نمود:

استفاده از قابهای با مهار بندی برون محور در بسیاری از موارد بویژه از جنبه های معماری اجنتاب ناپذیر است.

این مهاربندها نسبت به مهاربندهای هم محور دارای سختی جانبی کمتر اما شکل پذیری بیشتری هستند. با افزایش طول تیر پیوند از سختی جانبی قاب کم می گردد.همچنین با افزایش طول پیوند و تغییر مکانیزم از برش به خمش، تنش در تیر پیوند افزایش مییابد. به طوری که در تیر پیوند با مکانیزم برشی، جان در کل طول تیر پیوند به تسلیم میرسد و بالا تیر در حالت الاستیک هستند یعنی جذب انرژی به وسیله ی جان تیر پیوند صورت میگیرد.

در تیرهای با مکانیزم خمشی، با توجه به تنشهای تیر پیوند مشخص میشود که بالاها کاملا تسلیم میشوند و برش حاکم نمیباشد. جذب انرژی که در این حالت توسط بالاها انجام میشود و جذب انرژی در این حالت کمتر از تیر پیوند برشی میباشد.در تیر پیوند با مکانیزم خمش-برش با بررسی تنشهای تیر پیوند مشخص میشود که جان در کل طول پیوند و بالاها در دو انتهای پیوند تسلیم شده اند. عملیات حرارتی و جوش کاری در محل های اتصلات باعث کاهش شکل پذیری می گردد.