مقاوم سازی ساختمانهای با اتصال خورجينی
یكی از متداولترین ساختمانهای فولادی كه در ایران از آن استفاده میشود، ساختمانهای با اتصال خورجینی است. در این قاب تیرها به صورت یك 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 مشكل ناشی از عدم تشخیص قطعی صلبیت قاب است.
طبق تحقیقات صورت گرفته برای افزایش صلبیت اتصال استفاده از ورق تقویت افقی در ساختمانهای كوتاه و سخت كنندههای دو طرفه جان تیر با لچكی در ساختمانهای بلند توصیه شده است. با وجود اینكه این كار تا حدودی مشكل عدم صلبیت قاب را مرتفع میكند اما اتصال هنوز هم جوابگوی مناسبی برای مقابله با نیروهای جانبی زلزله نیست. راه دیگر استفاده سیستم بادبندی است. طبق كارهای صورت گرفته مشخص شد، استفاده از مهاربند ضربدری نمیتواند كمك زیادی به رفع ضعف اتصال در چرخش داشته باشد. سیستم بادبند زانویی از سختی و بخصوص شكل پذیری مناسبتری نسبت به سیستمهای دیگر بادبندی برخوردار است.
اجرای اتصالات خورجینی
اجرای اتصالات به این صورت است كه قبل از برافراشتن ستون، نبشیهای فوقانی تیرهای اصلی به ستون در روی زمین جوش داده میشوند و ستون برپا شده و تیرهای اصلی كه 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 تشكیل مفصل پلاستیك در اتصال ناشی میشود،كه 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 كاملاً صلب و گروهی دیگر ساده در نظر گرفتهاند. اما مشاهده شد، فرض صلبیت كامل یا ساده بودن اتصال منجر به نتایج غیر محافظه كارانهای در رابطه با پایداری قاب و نیز تغییر مكان جانبی سازه میشود. یكی 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 اكثر ساختمانهای اسكلت فولادی در ایران، از نوع اتصالات نیمه صلب، خورجینی است. علاوه بر ایران، این ساختمانها در كره و اسپانیا نیز دیده شده است. با توجه به توضیحاتی كه 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 شكننده 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 كاهش میدهد. این كاهش لنگر در قابهای چهار و پانزده طبقه، بیشتر از قاب هشت طبقه است. اما كاهش لنگر در قاب هشت طبقه نیز آنقدر مناسب است كه بتوان این روش مقاوم سازی را به تمام قابها تعمیم داد. از سویی مقاوم كردن قابهای با اتصال خورجینی توسط بادبند بسیار مناسبتر از روشهای قبلی مقاوم سازی با افزایش صلبیت اتصال است. زیرا از یك سو ایجاد اتصال صلب كاری بسیار مشكل بوده و از سویی دیگر، اگر هم افزایش صلبیت به درستی صورت پذیرد، در نهایت قاب خمشی مشكلات مختص خود مانند كمبود سختی در حین زلزله را خواهد داشت. كه اگر چنین مشكلاتی وجود نداشت، اصولاً سیستمی بنام بادبند اختراع نمیشد.
تقویت قابهای خمشی فولادی با مهاربند
ساختمانهای موجود را به دو روش میتوان تقویت كرد.
- مقاوم سازی
- كاهش نیروهای اعمالی به سازه (مستهلك كنندهها)
در روش اضافه نمودن مهاربند به سازه موجود، با توجه به اینكه سختی سازه افزایش و پریود كاهش مییابد، نیروهای اعمالی به سازه درساختمانهای كوتاه مرتبه و متوسط معمولاً كاهش 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 كه مسیرهای زیادی برای انتقال بار دارد)، تنشهای اضافی در اعضاء میتوانند از مسیرهای دیگر انتقال بار و اعضای دیگر كه 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 اینكه ظرفیت لرزهای سازههای معین به ضعیفترین عضو محدود میشود.
- فاصله ساختمانهای مجاور باید به اندازهای باشد كه تحت نیروهای لرزهای به یكدیگر ضربه نزنند. در صورت عدم رعایت این مساله، ساختمان با سختی پایینتر یا ساختمانی كه 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 كاهش خسارات ناشی از اثر پاندینگ (ضربه زدن دو ساختمان به یكدیگربر اثر بارهای جانبی) میشود.
- چنانچه قاب خمشی موجود بدلیل ضعف در اتصالات و صلب عمل ننمودن اتصالات تیر- ستون، عملاً نتواند به عنوان یك قاب مقاوم خمشی عمل نماید، استفاده از مهاربندی، نیاز به تقویت اتصال و اجرای جوش در محل را كه وقت گیر و پرهزینه است، مرتفع میسازد (سیستم قاب ساده + مهاربند).
- افزودن مهاربندی به یك قاب خمشی ضعیف میتواند سیستم قاب خمشی را به سیستم دوگانه تبدیل نموده (قاب خمشی + مهاربند) كه در نتیجه افزایش ضریب رفتار (R) سیستم و كاهش نیروهای اعمالی به سازه را بدنبال خواهد داشت.
- مهاربندی، سختی جانبی سازه را بشدت افزایش داده و با كنترل تغییر مكانها، علاوه بر كاهش تغییر مكان به كمتر از مقادیر مجاز آیین نامهای، سبب كاهش خسارات به اجزای غیرسازهای میشود.
علت استفاده از بادبند زانویی
سازههای مقاوم در برابر زلزله باید طوری طراحی شوند كه در برابر زلزلههای قوی بتوانند تغییر شكلهای زیادی را متحمل شده و از این طریق جذب و استهلاك انرژی نمایند. در عین حال مقاومت و سختی كافی برای انتقال نیروها به فونداسیون، بدون فروریختگی كامل را دارا باشند.
معایب سیستم بادبند زانویی
یكی از این معایب بادبند زانویی در تیر پیوند روی میدهد. زیرا ظرفیت جذب انرژی توسط پیوند برشی كه قسمتی از شاه تیر اصلی قاب است، تامین میشود كه تعمیر و یا جایگزینی آن بعد از یك زلزله شدید، وقت گیر و پر هزینه است. زیرا این تیر علاوه بر نیروهای جانبی زلزله، قسمتی از نیروهای ثقلی ساختمان را نیز تحمل میكند. از اینرو در زمان تعویض تیر پیوند، میبایست به نحوی بار ثقلی قسمتی از ساختمان را كه به وسیله تیر پیوند حمل میشده، با تمهیداتی جایگزین كرد.
در ضمن المان بادبندی و پیوند برشی وقتی فعال میشود كه سازه تحت اثر زلزلههای قوی و مخرب قرار گیرد و در زلزلههای كوچك، پیوند برشی در حالت الاستیك باقی میماند. بنابراین تیر پیوند بخاطر اندازه و محل قرار گیریش یك محل مناسب برای حالتهای نهایی تركیب تنش و كرنش میشود كه آنالیز و طراحی سازه را بسیار پیچیده میكند. در نهایت اینكه 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 كه بار ثقلی را حمل میكنند) قرار داد، هم از تخریب سقف قرار گرفته بر روی تیر پیوند جلوگیری كرده و هم پس از زلزله میتوان براحتی تیر پیوند را جایگزین کرد.