مقایسه لرزهای قابهای مهاربندی کمانش تاب و قابهای فیوز تسلیم شونده
به دلیل عملکرد نامطلوب قابهای مهاربند همگرا در زلزلههای شدید، تاکنون راهکارهای مختلفی برای بهبود این سیستم باربر ارائه شده است که میتوان به استفاده از مهاربندهای کمانش تاب BRB به جای بادبندهای معمولی و همچنین اضافه کردن فیوز فولادی CSY جانبی به انتهای مهاربند، برای جذب انرژی وارده بر آن، اشاره کرد. از آن جا که فیوز CSY به تازگی معرفی گشته است، بررسی عملکرد لرزهای آن نیازمند تحقیقات بیشتری است. یکی از ابزارهای مهم جهت بررسی عملکرد لرزهای یک سیستم، استفاده از تحلیل دینامیکی افزایشی برای ایجاد منحنیهای شکنندگی سازه در سطوح عملکرد مختلف است.
عملکرد مطلوب سازههای طراحی شده در برابر نیروهای وارده در طول عمر مفید آن از اهداف طراحی سازهها است. قابهای مهاربندی همگرا علیرغم ویژگیهای مطلوبی نظیر دقت در طراحی و راحتی در اجرا، به دلیل کمانش بادبند تحت بارهای فشاری حاصل از زلزلههای شدید، عملکرد مطلوبی از خود نشان نمیدهند. تا به حال راهکارهای متفاوتی برای بهبود عملکرد این سیستم ارائه شده که دو راهکار مهم آن شامل استفاده از مهاربند کمانش تاب به جای مهاربند معمولی و اضافه کردن فیوز فولادی تسلیم شونده به انتهای بادبند معمولی برای جذب انرژی وارده به بادبند و جلوگیری از کمانش آن است.
دو سیستم مهاربندی ذکر شده دارای تفاوتها و شباهتهایی هستند. از آنجا که سیستم مهاربندی با فیوز CSY به تازگی ابداع و معرفی گشته است، بررسی عملکرد لرزهای آن نیازمند تحقیقات بیشتری است.
برای این کار میتوان به کمک نتایج حاصل از تحلیلهای دینامیکی افزایشی IDA منحنیهای شکنندگی سازه در سطوح مختلف را به دست آورد.
سیستم مهاربندی BRB
از آنجا که اکثر مشکلات قابهای مهاربند همگرا ناشی از کمانش بادبند، تفاوت بین ظرفیت فشاری و کششی و همچنین تنزل ظرفیت مهاربند تحت بارهای سیکلی است، تحقیقات زیادی از سوی محققین برای ساخت مهاربند بارفتار ایدهآل الاستوپلاستیک در کشش و فشار صورت گرفته است. در واقع مهاربند در کشش رفتار مناسبی داشته و اگر بتوان با محصور ساختن بادبند از کمانش آن جلوگیری کرد، ظرفیت فشاری بادبند نیز افزایش پیدا میکند و یک رفتار هیسترزیس کاملاً متقارن به بادبند اعطاء میشود.
برای جلوگیری از کمانش بادبند آن را به کمک یک پوستهی فلزی محصور کرده و درون این پوسته را به کمک بتن پر میکنند و برای جلوگیری از انتقال تنش برشی از هستهی فلزی بادبند به بتن و پوسته باید یک فضای خالی به اندازه ۰/۷ تا ۳/۵ میلیمتر بین ملات و هسته ایجاد کرد و سطح هستهی بادبند را نیز به مواد جداکنندهای نظیر روغن سیلیکون آغشته نمود.
به دلیل وجود پوسته فلزی اطراف هسته مهاربند، امکان بازبینی و مشاهده آن وجود نداشته و لذا شناسایی خرابی در این مهاربندها مشکل است. ضمن آن که بیشینه مقاومت فشاری مهاربند، اندکی بیشتر از بیشینه مقاومت کششی آن بوده (در حدود ۱۰٪) و لذا در صورت استفاده از مهاربند
، یک نیروی نامتعادل در هنگام زلزله در تیر تشکیل میشود. هر چند که این نیروی نامتعادل در مقایسه با نیروی نامتعادل در قابهای مهاربند معمولی کاهش فراوانی پیدا کرده است. همچنین یک موضوع مهم در بادبندهای BRB وابستگی مقاومت نهایی بادبند به سختی آن است. از آنجا که در یک دهانهی بادبندی، تنها پارامتر قابل تغییر توسط مهندس طراح، سطح مقطع بادبند BRB است و در ساختمانهای با تعداد طبقات زیاد، رعایت ضوابط آییننامه مبنی بر کنترل جابهجایی نسبی بین طبقات، اهمیت مییابد، به ناچار نیاز است که در این قابها از بادبندهای BRB با سطح مقطعع زیاد برای تامین سختی مورد نیاز استفاده شود. در حالی که مقاومت سیستم در این حالت بیش از حد نیاز خواهد بود و لذا طراحی سیستم، غیراقتصادی تلقی خواهد گشت.
سیستم مهاربندی با فیوز CSY
بازبینی و تعمیر سازه پس از وقوع زلزلههای شدید، یکی از مهمترین مباحث پیشروی مهندسین عمران است. و در جهت تسهیل و تسریع این فرآیند، رویکرد مبتنی بر متمرکز ساختن خسارتهای سازهای در یک المان یا یک دسته المان میتواند پاسخ مناسبی باشد. بدین صورت که المان مذکور بتواند در حین زلزله بخش اعظم یا تمامی انرژی ورودی به سازه را در خود متمرکز کند و دیگر اعضای سازهای را از آسیب مصون دارد، ضمن این به راحتی قابل تعویض باشد. چنین عضوی در نقش یک فیوز عمل میکند که وظیفهی آن جلوگیری از آسیب رسیدن به سایر المانهای سازه است.
فلسفهی اصلی طراحی فیوز بدین صورت است که زودتر از اجزای سازهای وارد مرحلهی پلاستیک شود، در حالی که سایر اجزاء همچنان الاستیک باقی میمانند. لذا پس از زلزله تنها بازدید و بررسی فیوزها کفایت میکند و در وقت و هزینه بازرسی از سازهها صرفه جویی میشود. محققین به تازگی نوعی فیوز فولادی را ابداع کردهاند که می تواند در قابهای مهاربندی همگرا به کار رود. این فیوز را به اصطلاح فیوز فولادی جاری شونده و قابهای مهاربندی مجهز به این فیوز را قاب YBS میگویند. این فیوز که به انتهای بادبند متصل میشود، به نوعی طراحی شده تا بتواند یک پاسخ پایدار غیرالاستیک از طریق خمش یک سری انگشت را فراهم آورد و با این کار تمامی اثرات ناشی از کمانش فشاری بادبند و تسلیم کششی آن را از بین ببرد.
استفاده از سیستم مهاربندی با فیوز موجب بهبود عملکرد سازه در سطح عملکرد خدمت رسانی بیوقفه میشود که نتیجهی آن آسیب کمتر به اجزای غیر سازهای در اثر زلزلههای خفیف است.
به طور کلی میتوان گفت که قابهای مهاربندی با فیوز تسلیم شونده، از نظر فرو ریزش سازه، به دلیل داشتن خاصیت سخت شوندگی فیوز پس از تسلیم، بهتر از سیستمهای مهاربندی با بادبند BRB عمل میکنند. ولی چون سختشوندگی ثانویه در فیوز، وابستگی زیادی به شکلپذیری سازه دارد که این پارامتر به طور معمول با افزایش ارتفاع، کاهش مییابد، لذا منحنیهای شکنندگی فروریزش سازه BRB، با افزایش ارتفاع سازه به منحنیهای شکنندگی فروریزش قابهای YBS نزدیک شده و در سازههای بلند، عملاً عملکرد بهتری از آنها نشان میدهند.
با توجه به منحنیهای شکنندگی فروریزش برای قابهای YBS و BRB میتوان گفت که استفاده از فیوز YBS در سازههای تا ارتفاع متوسط موجب بهبود رفتار لرزهای آنها شده و این نوع سازهها عملکرد بهتری در مقابل پدیدهی ایجاد طبقهی نرم در سازه از خود نشان میدهند.