رفتار و طراحی‌ قاب های EBF

رفتار و طراحی‌ قاب های EBF

چکیده:

فولاد به‌ عنوان‌ یكی‌ از ایده‌ آل‌ترین‌ مصالح‌ طراحی‌، سازه‌های‌ مقاوم‌ در برابر زلزله‌ بشمار می‌آید. فولاد دارای‌ قابلیت‌ انعطاف‌ پذیری‌ بالایی‌ بوده‌ و همچنین‌ دارای‌ قابلیت‌ جذب‌ انرژی‌ زیادی‌ نیز می‌باشد. به‌ همین‌ خاطر عموماً سازه‌های‌ فولادی‌ در زمین‌ لرزه‌ها بسیار خوب‌ عمل‌ می‌نمایند و قابلیت‌های‌ بسیار خوبی‌ را از خود در مقابل‌ حركات‌ شدید زمین‌ نشان‌ می‌دهند ولیكن‌ باید توجه‌ داشت‌ كه‌ برای‌ استفاده‌ كامل‌ از انعطاف‌ پذیری‌ این‌ مصالح‌ رعایت‌ روابط‌ و ضوابط‌ طراحی‌ و بخصوص‌ توجه‌ به‌ امر اجرای‌ صحیح‌ جزئیات‌ الزامی‌ است‌.

 در این‌ رابطه‌ پدیده‌ جدیدی‌ نیز در فلسفة‌ طراحی‌ مقاوم‌ سازه‌های‌ فولادی‌ در چند دهه‌ اخیر توسط‌ آقای‌ پوپوف‌ معرفی‌ شده‌ است‌ كه‌ بنام‌ بادبندهای‌ خارج‌ از مركز ( EBF ) معرفی‌ شده‌ است‌.

 این‌ پدیده‌ با زیركی‌ و هوشیاری‌ فردی‌ همچون‌ دكتر پوپوف‌ پس‌ از بررسی‌ رفتار هیسترتیك‌ قابهای‌ خمشی‌ و یا ممان‌ بر و بادبندهای‌ هم‌ مركز و مقایسه‌ آنها با هم‌ و نهایتاً با تعریف‌ سیستم‌ سازه‌ای‌ كه‌ از قابلیت‌ هر دوی‌ قابهای‌ لنگر بر و بادبندهای‌ هم‌ مركز بهره‌ جسته‌ باشد پدید آمده‌ است‌.

 سیستم‌ یادشده‌ هم‌ دارای‌ قابلیت‌ انعطاف‌ پذیری‌ خوبی‌ می‌باشد و هم‌ تغییر مكان‌ زیادی‌ را در صورت‌ طراحی‌ صحیح‌ ارائه‌ نمی‌نماید، لذا به‌ عنوان‌ سیستم‌ كاملاً مناسب‌ در طراحی‌ سازه‌های‌ مقاوم‌ می‌توان‌ مطرح‌ باشد.

 این‌ سیستم‌ كه‌ بوسیله‌ پوپوف‌ و همكارانش‌ در دانشگاه‌ كالیفرنیا ابداع‌ شده‌، بین‌ اتصال‌ مهار و تیر تمعمداً خروج‌ ازمركزیت‌ ایجاد می‌گردد. طول‌ این‌ جزء كوچك‌ تیر (قسمتی‌ از تیر كه‌ بین‌ مهار و ستون‌ و یا بین‌ دو مهار قرار می‌گیرد.) باكلمه‌  (e)  نشان‌ داده‌ شده‌ و دارای‌ این‌ مزیت‌ می‌باشد كه‌ می‌تواند نیروهای‌ بادبندی‌ را از طریق‌ خود به‌ ستون‌ یا بادیندهای‌ دیگر انتقال‌ دهد. نهایتاً نیروهای‌ متعادلی‌ را به‌ بادبند وارد سازد. در این‌ سیستم‌ جزء كوچك‌ تیر مانند فیوز شكل‌ پذیری‌ عمل‌ می‌كند و در حالیكه‌ از كمانش‌ مهار جلوگیری‌ می‌نماید مقدار زیادی‌ انرژی‌ وارده‌ از زلزله‌ را نیز جذب‌ می‌كند.

 مقایسه‌ بین‌ قابهای‌ مختلف‌:

 1ـ قابهای‌  MRF  (یا ممان‌ بر یا خمشی‌):  قابهایی‌ هستند كه‌ اتصالات‌ آنها در مقابل‌ لنگر مقاوم‌ می‌باشد و دارای‌ خاصیت‌ جذب‌ انرژی‌ فوق‌ العاده‌ خوبی‌ هستند ولی‌ نسبتاً انعطاف‌پذیر بوده‌ و چنانچه‌ سختی‌ زیادی‌ لازم‌ باشد دیگر اقتصادی‌ نخواهند بود. تغییر مكان‌ جانبی‌ زیاد در قابهای‌ خمشی‌ باعث‌ می‌شود كه‌ اثر  P- بطور قابل‌ ملاحظه‌ای‌ ایجاد شود و در نتیجه‌ مقدار زیادی‌ از مقاومت‌ و سختی‌ قاب‌ صرف‌ مقابله‌ با لنگرهای‌ ناشی‌ از آن‌ گردد. در طراحی‌ این‌ قابها در مناطق‌ زلزله‌خیز فلسفه‌ طراحی‌ تیر ضعیف‌ و ستون‌ قوی‌ باید اعمال‌ گردد یعنی‌ تناسب‌ بین‌ سختی‌های‌ تیر و ستون‌ به‌ حدی‌ باشد كه‌ تغییر شكل‌های‌ غیر ارتجاعی‌ مفاصل‌ خمیری‌ در تیرها تشكیل‌ شود نه‌ در ستونها. به‌ همین‌ منظور ستونها باید طوری‌ طراحی‌ شوند كه‌ در حد ارتجاعی‌ باقی‌ بمانند و تیرها برای‌ جذب‌ و استهلاك‌ انرژی‌ باید به‌ حداكثر شكل‌ پذیری‌ خود برسند.

 2ـ قاب‌  CBF :  در بادبندهایی‌ كه‌ اعضای‌ قطری‌ به‌ محل‌ اتصال‌ تیرو ستون‌ متصل‌ می‌شوند یابه‌ عبارت‌ دیگر محور بادبندها از محل‌ تقاطع‌ محورهای‌ تیرو ستون‌ عبور می‌كند به‌ این‌ گونه‌ قابها CBF  می‌گویند یا قابهای‌ هم‌ مركز گفته‌ می‌شود. قاب‌ با بادبند هم‌ مركز عموماً برای‌ مقاومت‌ در برابر بار باد استفاده‌ می‌ شود و برای‌ بارهای‌ متناوب‌ از شكل‌ پذیری‌ كم‌ برخوردار می‌باشد اگر چه‌ مقاومت‌ و سختی‌ قابل‌ ملاحظه‌ای‌ از خود نشان‌ می‌دهند ولی‌ به‌ علت‌ كمانش‌ مهارها قدرت‌ جذب‌ انرژی‌ و رفتار غیر ارتجاعی‌ آنها ضعیف‌ است‌ و چونه‌ همیشه‌ یك‌ عضو مورب‌ از جفت‌ باد بندها در كشش‌ قررا می‌گیرد، امكان‌ شكست‌ ترد وجود دارد. یك‌ اشكال‌ دیگر كه‌ در استفاده‌ از بادبندهای‌  x  شكل‌ یا ضربدری‌ وجود دارد  امكان‌ تعبیه‌ بازشو می‌باشد و این‌ یك‌ محدودیت‌ بزرگ‌ در معماری‌ ساختمان‌ ایجاد می‌نماید.

 3ـ قاب‌  EBF :  (Ecentric Braced Frames) :  چنانچه‌ اعضای‌ قطری‌ از یك‌ طرف‌ به‌ اتصال‌ تیر و ستون‌ و از طرف‌ دیگر به‌ بال‌ تیر افقی‌ متصل‌ شوند بادبندهای‌ خارج‌ از مركز یا  EBF گفته‌ می‌شود. مهاربندی‌ خارج‌ از مركز یا  EBF  مقاومت‌ و سختی‌ قاب‌ مهاربندی‌ شده‌ هم‌ مركز  CBF را با رفتار غیر ارتجاعی‌ و قدرت‌ جذب‌ انرژی‌ قاب‌ خمشی‌  MRF  تركیب‌ نموده‌ و نهایتاً رفتار بسیار مناسبی‌ از خود ارائه‌ می‌نماید. نخستین‌ فایده‌ قابهای‌  EBF  این‌ است‌ كه‌ اساساً امكان‌ شكل‌ پذیری‌ بیشتری‌ را به‌ قاب‌ می‌دهند و دومین‌ مزیت‌ آنها امكان‌ تعبیه‌ آنها در داخل‌ ساختمان‌ بدلایل‌ معماری‌ می‌باشد یكی‌ از اشكالات‌ اساسی‌ این‌ قابها امكان‌ خسارت‌ در كف‌ ساختمان‌ و در مجاورت‌ تیر پیوند در حین‌ زمین‌ لرزه‌های‌ بزرگ‌ می‌باشد. البته‌ در مقایسه‌ با حدود خساراتی‌ كه‌ معمولاً به‌ ساختمان‌ در اثر این‌ مسأله‌ وارد می‌شود، خیلی‌ جدی‌ نیست‌.