سیستم‌های سازه‌ای باربر جانبی

قاب‌های فولادی به چهار گروه قاب خمشی، قاب مهاربندی هم محور، قاب مهاربندی برون محور و قاب مهاربند زانویی تقسیم می‌شوند. ‌ سیستم قاب خمشی دارای کمترین سختی و مقاومت هستند. اگرچه سیستم قاب خمشی یک سیستم با استهلاک انرژی بسیار خوب و فوق العاده است، اما اعضای آن باید با مقاطع بزرگ غیراقتصادی طراحی شوند. علاوه بر این، تأمین ملاحظات مربوط به شکل‌پذیری ویژه در اتصالات این سیستم، مخصوصاً در اتصالات جوشی با مشکلاتی همراه است. سیستم قاب با مهاربند هم‌مرکز، مقاومتر و سختتر از بقیه سیستم‌ها است اما به خاطر کمانش اعضای مهاربندی، نمی‌تواند شکل‌پذیری مناسبی ارائه نماید.

برای غلبه بر اشکالات موجود در قاب‌های خمشی و قاب‌های با مهاربندی هم‌مرکز، ابتدا قاب با مهاربندی برون‌محور  پیشنهاد شد. این سیستم علاوه بر داشتن سختی بالا در ناحیه خطی، شکل‌پذیری مناسبی نیز دارد. در این قاب‌ها، تیرهای پیوند به عنوان المان‌های شکل‌پذیر (کنترل شونده توسط تغییرمکان)، بخشی از اعضای اصلی سازه (تیرها) هستند. بنابر این امکان تعویض سریع و کم هزینه این اعضا بعد از وقوع یک زلزله شدید وجود ندارد.

مهاربند زانویی

آریستیزابال اوچوآ (Aristizabal Ochoa) در سال ۱۹۸۶، یک قاب مهاربندی شده جدید، به نام قاب مهاربندی زانویی با همه خصوصیات مناسب قاب‌های ذکر شده، اما بدون داشتن نقص‌های آنها پیشنهاد کرد.

در سیستم قاب با مهاربند زانویی، برای اطمینان از شکل‌پذیری لازم، به جای اتصال برشی از یک عضو سازه‌ای ثانویه (عضو زانویی)، استفاده می‌شود. در عین‌حال وجود مهاربند قطری، سبب ایجاد سختی جانبی قابل توجهی می‌شود. با تشکیل مفصل‌های پلاستیک در عضو زانویی، قسمت‌های اصلی سازه ایمن و سالم باقی می‌ماند. در این حالت اصلاح و ترمیم سازه، به آسانی و با تعویض عضو زانویی صورت می‌گیرد.

اتصال مهاربند به صورت ساده و اتصال عضو زانویی صلب است.‌ در این سیستم سختی از طریق عضو قطری و شکل پذیری از طریق تسلیم خمشی (عضو زانوئی) تأمین می‌شود‌. رفتار غیر خطی مناسب این سیستم به رفتار زانوئی بستگی دارد. این عضو در هنگام زلزله شدید به صورت فیوز عمل می‌کند و انرژی را از طریق لهیدگی خمشی عضو زانوئی مستهلک می‌کند. در طی یک زلزله شدید، عضو زانویی به عنوان فیوز سازه‌ای قاب، زودتر از اعضای دیگر به حد تسلیم خواهد رسید. طراحی عضو زانوئی دارای اهمیت خاصی است و مقطع آن می‌بایست با رعایت ضوابط مقاطع پلاستیک طراحی شود.

آنالیز الاستوپلاستیک (خطی-خمیری) لرزه‌ای سازه‌ KBF، به فهم کامل رابطه بین پارا‌مترهای سازه‌ای و عملکرد لرزه‌ای، کمک‌ و نتایج زیر را ارائه می‌کند.

• موقعیت و سختی زانویی مهمترین عامل تاثیر گذار روی قابلیت مقاومت جانبی KBF بوده و تاثیر زیادی نیز روی رفتار استهلاک انرژی آن دارد.
• به عنوان اعضای اصلی قاب، تیرها و ستون‌ها تاثیر زیادی روی رفتار جانبی قاب KBF دارند. تغییر سطح مقطع ستون نسبت به تغییر سطح مقطع تیر تاثیر بیشتری خواهد داشت.
• در یک ساختمان، بخاطر اینکه طول تیرها و ستون‌ها نمی‌تواند به آسانی تغییر کند‌، رفتار جانبی قاب می‌تواند از طریق تنظیم المان‌های زانویی و سطح مقطع ابعادی تیرها و ستون‌ها بهبود یابد.
• به عنوان المان اصلی قاب‌، تغییر سطح مقطع عرضی ستون بیشتر از تغییر در تیر موثر است. به عنوان عضو مقاوم اصلی در برابر نیروی جانبی‌، المان زانویی نقش مهمی را ایفا می‌کند. با تعیین سطح مقطع عرضی و موقعیت مناسب المان زانویی‌، سازه KBF حتی در مقابل زلزله‌های شدید، سختی جانبی کافی و شکل پذیری مناسبی را به معرض نمایش می‌گذارد.

خصوصیات اصلی‌ سیستم مهاربند زانویی

یکی از مهم‌ترین خصلت‌های رفتاری سیستم مهاربند زانویی (KBF) آن است که در زلزله‌هـای کـوچـک، تـأمین سـختی و مقابله با بارهای ارتعاشی توسط المان‌های قطری صورت می‌گیرد و در زلزله‌های شـدید اسـت کـه بـا بـه میـدان آمدن عناصر زانویی‌، ساز و کار استهلاک انرژی و تامین شکل پذیری به کار می‌افتد. این سیستم برای دو سطح نیروی ارتعاشی به شکل بسیار مناسب پاسخگو است.

قابلیت ترمیم

با توجه به خصوصیات رفتاری مهاربند زانویی پس از زلزله فقط عضو زانویی است که دچار تخریب شده و قاب اصلی و مهاربندهای قطری در حالت الاستیک باقی می‌مانند. در نتیجه با تعویض و ترمیم زانو می‌توان سیستم را به سهولت به مرحله بهره‌برداری مجدد رساند. به همین علت این سیستم به مهاربند زانویی تعویض پذیر (Disposable Knee Bracing) هم معروف است. در حالی که در سیستم EBF ترمیم پیوند در بیشتر مواقع مستلزم تعویض کامل تیر اصلی است.

نوع اتصال

در سیستم EBF اتصال تیر به ستون و المان‌های قطری به تیر بهتر است صلب باشد، تا امکان تسلیم و نتیجتاً اتلاف انرژی وجود داشته باشد. اما سیستم KBF را می‌توان در هر سه نوع اتصال صلب‌، نیمه صلب‌، یا ساده به کار برد.

سختی سیستم

تغییر مکان‌ها به طور کلی در سیستم KBF کمتر از مهاربندهای EBF است. در نتیجه خسارت غیر سازه‌ای در این سیستم در طی ارتعاشات به حداقل می‌رسد.

وضعیت دیافراگم سقف

با بررسی شکل هندسی و سیستم رفتاری مهاربند KBF مشاهده می‌شود که این سیستم به دلیل اعو‌جاج زیاد کف در مقایسه با سیستم EBF به فرضیات معمول طراحی مبنی بر صلبیت سقف نزدیکتر است.

شکل پذیری

ظرفیت استهلاک انرژی و شکل پذیری سیستم KBF عمدتاً بیش از سیستم EBF است. علاوه بر آن سیستم EBF با تسلیم المان زانویی به مرحله غیر خطی گام می‌گذارد و حتی در بخش عمده‌ای از مرحله غیر خطی رفتارش به گونه‌ای است که قاب اصلی تسلیم نشده و الاستیک باقی می‌ماند.

در قاب‌های با مهاربند زانویی ، مهاربند به جای اتصال به محل تقاطع تیر و ستون به المان زانویی متصل می‌شود. این سیستم مهاربندی به دلایلی همچون داشتن سختی جانبی کافی در عین رفتار شکل پذیر مناسب، تمرکز خسارت در المان سازه‌ای درجه دو زانویی، سهولت تعمیر و تعویض این المان پس از زلزله، بر سیستم‌های متداول ارجحیت دارد. سختی جانبی این سیستم توسط عضو بادبند تامین شده و شکل پذیری قاب بسته به طول زانویی، با تسلیم خمشی یا برشی عضو زانویی تامین می‌شود. ‌

در سیستم (KBF )‌، عضو زانوئی‌، در حقیقت نقش تیر پیوند در سیستم(EBF) را بازی می‌کند و بسته به طول و مشخصات مقطع در برش و یا خمش تسلیم می‌شود به طوری که هریک از قسمت‌های زانو که طرفین مهاربند قرار گرفته، می‌بایست روابط طول تیر پیوند در سیستم (EBF) را ارضا نماید‌ . توصیه بر این است که در حالت سیستم با تسلیم خمشی زانو از مقاطع قوطی شکل استفاده شود. تا از کمانش جانبی پیچشی زانو جلو گیری شود. در روش(KBF)‌، صلب‌ یا ساده بودن اتصال تأثیر چندانی بر رفتار قاب ندارد.

در این سیستم، مهاربند‌ها می‌بایست برای ۱/۵ برابر بار طراحی‌، طرح شوند و با در نظر گیری ویژگی‌هایی در انتخاب مقطع زانو‌، به گونه‌ای عمل نمایند که اولین تسلیم‌ها در زانوها ایجاد شده و تیرها، ستون‌ها و مهاربندها در حالت الاستیک و بدون کمانش باقی بمانند‌. بدین ترتیب در زلزله‌های شدید تعداد تسلیم‌ها در تیرها‌، ستون‌ها، مهاربند‌ها و همچنین کمانش مهاربند‌ها‌، نسبت به سیستم مهاربندی هم مرکز، به شدت کاهش می‌یابد. قاب‌های (KBF) شکل پذیری بسیار بالایی دارند‌. این شکل پذیری بالا سبب افزایش ضریب رفتار (R) شده و نتیجتاً نیروی برش طراحی کاهش می‌یابد.

از آنجایی که زانوها جزء اعضاء اصلی باربر قائم نیستند (‌بر خلاف سیستم EBF که تیر پیوند قسمتی از تیر اصلی است)، ترمیم این قاب‌ها پس از زلزله‌های شدید ارزانتر و سریعتر صورت می‌پذیرد.

طراحان و کارشناسان ساختمان لازم است پس از طراحی سازه‌ها با مهاربند زانویی بر اساس آئین‌نامه معتبر، بر اساس سطح عملکردی مورد نظر کارفرما، نسبت به مدل‌سازی و انجام تحلیل غیر خطی، اقدام نموده و ساختمان را برای سطح عملکردی مورد نظر کنترل و ارزیابی نمایند و در صورت لزوم نسبت به تقویت اعضای لازم و انجام دوباره عملیات تحلیل و طراحی اقدام نمایند. در هر حال طراحی بر اساس عملکرد روشی نو و نوین است که لازم است مهندسین و طراحان نسبت به بکارگیری آن اهتمام بیشتری مبذول دارند.

به طور کلی سیستم مهاربند زانویی، یک نوع سیستم مهاربندی است که به شرط انتخاب مناسب پارامترهای مؤثر، می‌تواند سختی و شکل‌پذیری بالایی را برای سازه تأمین نماید و بعد از زلزله، با تعویض عضو زانویی مجدداً مورد بهره‌برداری قرار گیرد.