مقاوم سازی ساختمانهای با اتصال خورجینی
یکی از متداولترین ساختمانهای فولادی که در ایران از آن استفاده میشود، ساختمانهای با اتصال خورجینی است. در این قاب تیرها به صورت یک سره و بدون قطع در محل اتصال قرار میگیرند. اما این قاب، در محل اتصال در هنگام زلزله به سرعت دچار گسیختگی شده و باعث انهدام قاب میشود. این مشکل ناشی از عدم تشخیص قطعی صلبیت قاب است.
طبق تحقیقات صورت گرفته برای افزایش صلبیت اتصال استفاده از ورق تقویت افقی در ساختمانهای کوتاه و سخت کنندههای دو طرفه جان تیر با لچکی در ساختمانهای بلند توصیه شده است. با وجود اینکه این کار تا حدودی مشکل عدم صلبیت قاب را مرتفع میکند اما اتصال هنوز هم جوابگوی مناسبی برای مقابله با نیروهای جانبی زلزله نیست. راه دیگر استفاده سیستم بادبندی است. طبق کارهای صورت گرفته مشخص شد، استفاده از مهاربند ضربدری نمیتواند کمک زیادی به رفع ضعف اتصال در چرخش داشته باشد. سیستم بادبند زانویی از سختی و بخصوص شکل پذیری مناسبتری نسبت به سیستمهای دیگر بادبندی برخوردار است.
اجرای اتصالات خورجینی
اجرای اتصالات به این صورت است که قبل از برافراشتن ستون، نبشیهای فوقانی تیرهای اصلی به ستون در روی زمین جوش داده میشوند و ستون برپا شده و تیرهای اصلی که بصورت سرتاسری و چند دهانه است، با جرثقیل بر روی نبشیهای تحتانی قرار میگیرند و سپس بال فوقانی تیر به نبشیهای فوقانی جوش داده شده و نبشی فوقانی بوسیله جوش به ستون متصل میشود. چنین اتصالی قادر به انتقال تمام نیروی تیر به ستون نبوده و به عبارت دیگر تیر و ستون دارای چرخش مستقل از هم خواهند بود. طبق بررسی این ساختمانها در زلزلههای گذشته، مشخص شد، خرابی این ساختمانها از تشکیل مفصل پلاستیک در اتصال ناشی میشود،که باعث خارج شدن تیرهای اصلی ساختمان از محل خود و در نتیجه انهدام سازه میشود. در گذشته در شناخت صلبیت این اتصالات اختلاف نظر وجود داشته است. گروهی آن را کاملاً صلب و گروهی دیگر ساده در نظر گرفتهاند. اما مشاهده شد، فرض صلبیت کامل یا ساده بودن اتصال منجر به نتایج غیر محافظه کارانهای در رابطه با پایداری قاب و نیز تغییر مکان جانبی سازه میشود. یکی از راههای رفع عیب از این گروه ساختمانها در نظر نگرفتن صلبیت قاب و طراحی بادبند برای آن است.
ضرورت مقاوم سازی ساختمانهای با اتصال خورجینی
اتصلات اکثر ساختمانهای اسکلت فولادی در ایران، از نوع اتصالات نیمه صلب، خورجینی است. علاوه بر ایران، این ساختمانها در کره و اسپانیا نیز دیده شده است. با توجه به توضیحاتی که در مورد ساختمانهای با اتصال خورجینی داده شد، نیاز به تقویت این ساختمانها بسیار ضروری است.
خصوصیات ساختمانهای با اتصال خورجینی
سازههای با اتصال خورجینی در ناحیه اتصال بسیار ضعیف و شکننده هستند. از این رو مقاوم سازی این ساختمانها امری ضرورری است. نتایج بدست آمده بر روی مدلهای انتخابی نتایج زیر را نشان میدهد.
در تمام مدلها، قرار دادن بادبند زانویی به میزان قابل ملاحظهای لنگر وارده به اتصال را کاهش میدهد. این کاهش لنگر در قابهای چهار و پانزده طبقه، بیشتر از قاب هشت طبقه است. اما کاهش لنگر در قاب هشت طبقه نیز آنقدر مناسب است که بتوان این روش مقاوم سازی را به تمام قابها تعمیم داد. از سویی مقاوم کردن قابهای با اتصال خورجینی توسط بادبند بسیار مناسبتر از روشهای قبلی مقاوم سازی با افزایش صلبیت اتصال است. زیرا از یک سو ایجاد اتصال صلب کاری بسیار مشکل بوده و از سویی دیگر، اگر هم افزایش صلبیت به درستی صورت پذیرد، در نهایت قاب خمشی مشکلات مختص خود مانند کمبود سختی در حین زلزله را خواهد داشت. که اگر چنین مشکلاتی وجود نداشت، اصولاً سیستمی بنام بادبند اختراع نمیشد.
تقویت قابهای خمشی فولادی با مهاربند
ساختمانهای موجود را به دو روش میتوان تقویت کرد.
- مقاوم سازی
- کاهش نیروهای اعمالی به سازه (مستهلک کنندهها)
در روش اضافه نمودن مهاربند به سازه موجود، با توجه به اینکه سختی سازه افزایش و پریود کاهش مییابد، نیروهای اعمالی به سازه درساختمانهای کوتاه مرتبه و متوسط معمولاً کاهش نمییابند، بنابراین تقویت در این نوع ساختمانها از نوع مقاوم سازی است.
مزایای استفاده از مهاربندی در تقویت سازهها
- افزایش مهاربند به سازه، سبب افزایش درجات نامعینی سازه میشود. در سازههای با درجات نامعینی بالا (سازهای که مسیرهای زیادی برای انتقال بار دارد)، تنشهای اضافی در اعضاء میتوانند از مسیرهای دیگر انتقال بار و اعضای دیگر که دارای ظرفیت هستند، باز توزیع شوند و این گونه سازهها در مقابل نیروهای لرزهای نسبت به سازههای با درجات نامعینی پایین، مقاومت بیشتری دارند. توضیح اینکه ظرفیت لرزهای سازههای معین به ضعیفترین عضو محدود میشود.
- فاصله ساختمانهای مجاور باید به اندازهای باشد که تحت نیروهای لرزهای به یکدیگر ضربه نزنند. در صورت عدم رعایت این مساله، ساختمان با سختی پایینتر یا ساختمانی که تراز طبقاتش با ساختمان مجاور متفاوت است، تحت نیروهای جانبی به دیوارها و ستونهای ساختمان مجاور ضربه زده و آسیب میرساند. افزایش مهاربند سبب افزایش سختی سازه و کاهش خسارات ناشی از اثر پاندینگ (ضربه زدن دو ساختمان به یکدیگربر اثر بارهای جانبی) میشود.
- چنانچه قاب خمشی موجود بدلیل ضعف در اتصالات و صلب عمل ننمودن اتصالات تیر- ستون، عملاً نتواند به عنوان یک قاب مقاوم خمشی عمل نماید، استفاده از مهاربندی، نیاز به تقویت اتصال و اجرای جوش در محل را که وقت گیر و پرهزینه است، مرتفع میسازد (سیستم قاب ساده + مهاربند).
- افزودن مهاربندی به یک قاب خمشی ضعیف میتواند سیستم قاب خمشی را به سیستم دوگانه تبدیل نموده (قاب خمشی + مهاربند) که در نتیجه افزایش ضریب رفتار (R) سیستم و کاهش نیروهای اعمالی به سازه را بدنبال خواهد داشت.
- مهاربندی، سختی جانبی سازه را بشدت افزایش داده و با کنترل تغییر مکانها، علاوه بر کاهش تغییر مکان به کمتر از مقادیر مجاز آیین نامهای، سبب کاهش خسارات به اجزای غیرسازهای میشود.
علت استفاده از بادبند زانویی
سازههای مقاوم در برابر زلزله باید طوری طراحی شوند که در برابر زلزلههای قوی بتوانند تغییر شکلهای زیادی را متحمل شده و از این طریق جذب و استهلاک انرژی نمایند. در عین حال مقاومت و سختی کافی برای انتقال نیروها به فونداسیون، بدون فروریختگی کامل را دارا باشند.
معایب سیستم بادبند زانویی
یکی از این معایب بادبند زانویی در تیر پیوند روی میدهد. زیرا ظرفیت جذب انرژی توسط پیوند برشی که قسمتی از شاه تیر اصلی قاب است، تامین میشود که تعمیر و یا جایگزینی آن بعد از یک زلزله شدید، وقت گیر و پر هزینه است. زیرا این تیر علاوه بر نیروهای جانبی زلزله، قسمتی از نیروهای ثقلی ساختمان را نیز تحمل میکند. از اینرو در زمان تعویض تیر پیوند، میبایست به نحوی بار ثقلی قسمتی از ساختمان را که به وسیله تیر پیوند حمل میشده، با تمهیداتی جایگزین کرد.
در ضمن المان بادبندی و پیوند برشی وقتی فعال میشود که سازه تحت اثر زلزلههای قوی و مخرب قرار گیرد و در زلزلههای کوچک، پیوند برشی در حالت الاستیک باقی میماند. بنابراین تیر پیوند بخاطر اندازه و محل قرار گیریش یک محل مناسب برای حالتهای نهایی ترکیب تنش و کرنش میشود که آنالیز و طراحی سازه را بسیار پیچیده میکند. در نهایت اینکه در این سیسستم برای فعال شدن تیر پیوند باید اتصال تیربه ستون بصورت صلب باشد. بطور خلاصه هزینه ساخت این نوع سیستم بالا است. حال اگر بتوان تیر پیوند را در محلی دور از عناصر سازهای (اعضایی که بار ثقلی را حمل میکنند) قرار داد، هم از تخریب سقف قرار گرفته بر روی تیر پیوند جلوگیری کرده و هم پس از زلزله میتوان براحتی تیر پیوند را جایگزین کرد.