قابهای مهاربندی کمانش تاب
قابهای مهاربندی کمانش تاب (BRBFs) نوع خاصی از قابهای مهاربندی همگرا هستند که از کمانش مهاربند در آنها با تمهیدات خاصی جلوگیری شده است. مهاربند کمانش تاب هستهای فولادی و شکل پذیر است که برای جاری شدن در فشار و کششی طراحی شده و برای حذف کمانش کلی در فشار، هسته فولادی آن درون غلافی از جنس فولاد قرار میگیرد و درون این غلاف با ملات یا بتن پر میشود. قبل از ریختن ملات، یک رابط جدا کننده یا فاصله دهنده نازک، بین هسته فولادی و ماده پر کننده برای کمیته سازی یا کاهش انتقال نیروی محوری از هسته فولادی به غلاف و مواد پرکننده آن در نظر گرفته میشود. از طرف دیگر اثر پواسون نیز باعث میشود هسته فولادی تحت فشار منبسط شده با ماده پر کننده در تماس قرار گیرد که در حقیقت فضای خالی بین هسته فولادی و بتن برای کاهش اثرات این افزایش حجم در نظر گرفته شده است.
قابهای مهاربندی کمانش تاب در طراحی لرزهای سازهها مورد توجه و کاربرد قرار میگیرند. همچنین از مهاربندهای کمانش تاب میتوان برای طراحی لرزهای و بهسازی لرزهای ساختمانهای بتنی مسلح نیز استفاده نمود.
اجزای تشکیل دهنده مهاربندهای کمانش تاب
اجزای یک مهاربندهای کمانش تاب ترکیبی از پنج بخش زیر است.
هسته تسلیم شونده
این قطعه فولادی میتواند دارای سطح مقطع مستطیلی، صلیبی یا به اشکال متنوع دیگر باشد. از آنجا که این عضو به منظور تسلیم در بارگذاری تناوبی طراحی میشود، در آن از فولاد نرمه که دارای شکل پذیری بالایی است، استفاده میشود.
هسته غیر تسلیم شونده مقاوم شده در برابر کمانش
این بخش نیز توسط پوشش و ملات احاطه شده است، اما معموٖلاً به خاطر مساحت بزرگتر، دچار تسلیم کششی نمیشود و به صورت الاستیک رفتار مینماید. این امر با عریض ترر کردن مقطع مرکزی حاصل میشود، اما باید توجه داشت که انجام تعریض ملایم باشد تا از تمرکز تنش جلوگیری شود.
مقطع غیر تسلیم شونده و حمایت نشده
این بخش ادامه بخش قبل است با این تفاوت که دارای غلاف و پوشش نبوده و از آن برای اتصال مهاربند در انتها به قاب استفاده میشود. معمولاً به صورت اتصالات پیچ و مهرهای و یا پینی برای برپایی در کارگاه طراحی میشود. طرح این بخش بر اساس کنترلهای لهیدگی و جلوگیری از کمانش موضعی صورت میگیرد.
عامل جدا کننده هسته و غلاف
برای این که بتوان انتقال نیروی برشی بین هسته فولادی مقاوم شده و ماده پرکننده را به طور موثری کاهش داد یا کمینه کرد، از موادی مانند لاستیکها، پلی اتیلن، گریس سیلیکون یا نوار ماستیک میتوان بهره برد. ضخامت و قابلیت تراکم این مواد باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا برای انبساط هسته فولادی تسلیم شونده در فشار جای خالی وجود داشته باشد ولی اگر این فضای خالی بزرگ باشد، دامنه کمانش و خمیدگی مربوط به هسته مرکزی فولادی زیاد شده و باعث میشود عمر مهاربند در اثر خستگی کاهش یابد. برای تعیین بعد مجاز، نسبت پواسون در حالت الاستیک ۰/۳ و در حالت تسلیم ۰/۵ باید مورد بررسی قرار گیرد. از طرف دیگر در طراحی ضخامت، مقدار کرنش ماکزیمم نیز باید در نظر گرفته شود.
مکانیزم مقاوم کننده در برابر کمانش
این مکانیزم عموماً ترکیبی از عملکرد مالت پرکننده و غلاف فولادی مهاربند است. در بعضی از انواع مهاربندهای کمانش تاب از مواد پرکننده استفاده نمیکنند. طرح اختلاط و عمل آوری مواد پرکننده باید مقاومت فشاری کافی را تامین نماید. به عبارت دیگر ماده پرکننده نباید در برابر دامنه کمانش هسته مرکزی تسلیم شود.
مزایا و معایب قابهای مهاربندی مقاوم در برابر کمانش و موارد کاربرد آنها
در مقایسه با سایر سیستمهای باربر جانبی از جمله قابهای خمشی یا قابهای مهاربندی شده معمولی، مهاربندهای کمانش تاب دارای مزایای پر تعداد و معایبی چند هستند.
- در مقایسه با قابهای خمشی، دارای سختی الاستیک بالایی در تحریک لرزهای هستندکه این امر سبب ارضای آسانتر ضوابط آئین نامهای در ارتباط با محدودیت تغییر مکان جانبی و گریز نسبی طبقات میشود.
- برخلاف مهاربندی همگرا دارای مکانیزم تسلیم تحت کشش و فشار بوده و دچار کمانش تحت بارهای فشاری نمیشود. این امر جذب انرژی پایدار و نسبتاً زیادی را در تحریک لرزهای توسط این اعضا امکان پذیر میسازد.
- در مقایسه با مهاربندهای EBF، دیرتر وارد محدوده رفتار خمیری شده و در رفتار الاستیک سختی جانبی بیشتری از خود نشان میدهند. بنابراین برای کاهش تغییر مکانهای جانبی تا حدود قابل قبول آیین نامه بهتر عمل میکند.
- نصب آنها به خاطر اجرای اتصالات پینی یا پینی یا پیچ و مهرهای به ورقهای اتصال باعث کاهش هزینههای اقتصادی زمان نصب و اجرا شده و از نظارت و کارهای جوشکاری در محل میکاهد.
- در زلزلههای بزرگ به صورت فیوز سازهای قابل تعویض عمل می کنند، که خرابی سایر المانها را کاهش داده و امکان جایگزینی مهاربندهای معیوب را بعد از زلزله فراهم میکند.
- امکانات طراحی انعطاف پذیری را ارائه میکنند چون هم سختی و هم مقاومت مهاربند به آسانی با یکدیگر سازگار میشود. از طرف دیگر مدلسازی رفتار تناوبی مهاربندهای کمانش تاب برای آنالیز غیرخطی آسان است.
- برای بهسازی لرزهای، مزیت بیشتری نسبت به سیستمهای مهاربندی رایج دارند زیرا ضوابط طراحی ظرفیت برای سیستم برابر جانبی معمولی ممکن است نیاز به هزینه بالایی در تقویتهای مورد نیاز فونداسیون و مقاوم سازی دیافراگم کف داشته باشد.
معایب
- اکثر مهاربندهای کمانش تاب دارای امتیاز تجاری و انحصاری هستند و در دسترس عموم قرار ندارند.
- تنوع مشخصات فولاد به خصوص در مناطقی که فولادهای با خواص مختلف بدون کنترل عرضه میشود میتواند در رفتار قابهای مهاربندی کمانش تاب تاثیر نامطلوب بگذارد.
- ممکن است تحت زلزلههای بزرگ تغییر شکلهای دائمی در سازه اتفاق بیفتد، زیرا این سیستمها همانند بسیاری از سیستمهای جاری شونده فلزی مکانیزم بازگشتی ندارند.
- در ایران ضوابط طراحی این اعضا هنوز وارد آیین نامههای طراحی نشده است و کاربرد آنها نیاز به کسب مجوز از مقامات ذی صالح و انجام آزمایش یا کسب نظر کمیتههای فنی دارد.
- معیارهای شناسایی خرابی و جایگزینی مهاربندهای معیوب، نیاز به تدوین دارد و دستورالعمل خاصی در این زمینه موجود نیست.
موارد کاربرد
مهاربندهای کمانش تاب را میتوان در سازههای فولادی یا بتن مسلح جدید و یا در سازههای پلهای فولادی تیری یا خرپایی نصب کرد. همچنین میتوان به طور موثری در ارتقاء لرزهای سازههای موجود که دارای عملکرد لرزهای ناکافی هستند و برای حفاظت از آنها در زلزلههای بزرگ و برای بدست آوردن تراز بالای عملکرد از آنها استفاده نمود.
- کاهش پاسخ سازهای تحت عملکرد لرزهای
- کاهش جابجایی طبقات میانی
- کاهش تخریب المانهای سازهای به علت میرا کردن انرژی صرفه جویی اقتصادی در مصالح به کار رفته در ساختمان
نتایج بکارگیری مهاربندهای کمانش تاب در پلها را میتوان به شرح زیر برشمرد.
- کاهش تغییر مکان روسازه پل
- کاهش تخریب المانهای زیرسازه به علت اتلاف انرژی