توضیحات
پروژه شبیه سازی سیستم بادبندی و مهاربندی همگرا ضربدری در سازه بتنی با استفاده از تحلیل استاتیکی در نرم افزار SAP2000
قاب با مهاربند همگرا CBF :
استفاده از قاب های مهاربندی شده در ساختمان ها با قاب فولادی، ایجاد سیستمی موثر برای مقاومت در برابر بارهای جانبی می کند. سال ها قبل از اینکه خوابط مربوط به زلزله وارد آیین نامه های ساختمانی شود، استفاده از مهاربند فولادی در ساختمان های صنعتی برای تامین پایداری و مقاومت در برابر بار باد مرسوم بود. با افزایش تعداد طبقات ساختمان، استفاده از سیستمن قاب صلب خمشی به جهت نداشتن سختی جانبی کافی برای محدود کردن تغییر شکل ها اقتصادی نبوده و یک جایگزین مناسب آن ، سیستم مهاربندی همگرا است. صلبیت یک سیستم مهاربندی همگرا بسیار بیشتر از سیستم قاب صلب خمشی است و در شرایطی که ابعاد تیرها و ستونها در هر دو سیستم یکسان باشند، سیستم مهاربندی شده می تواند تا ۱۰ برابر صلب تر از قاب خمشی باشد و بنابراین در ساختمانهای بلند می توان از این سیستم استفاده کرد. با اینحال در یک ساختمان با این سیستم، وقتی سازه در اثر زلزله وارد محدوده غیرارتجاعی خود می شود، شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی بالایی از خود نشان نمی دهد. این قاب ها در برابر بارهای جانبی نظیر زلزله دارای سختی زیادی بوده و در محدوده خطی دارای مقاومت و کنترل تغییر مکان های جانبی مناسبی بوده هرچند در محدوده غير ارتجاعی به علت سختی جانبی مهاربندها ، قابلیت جذب انرژی کمتری بوده و در نتیجه دارای شکل پذیری کمتری می باشند. در این قاب ها نیروی برشی واره به طبقه ابتدا توسط اعضای قطری جذب و سپس به نیروهای فشاری و کششی تبدیل شده و نهایتا به سیستم قائم قاب (ستون های مجاور مهاربندها) منتقل می شود.
انتخاب روش صحیح مهاربندی، اهمیت عمده ای در طراحی سازه ای دارد و حتی ممکن است کل اندیشه طراحی یک ساختمان بلند مرتبه را تحت تاثیر قرار دهد. مهار بندی به وسیله اعضای بادبندی یا دیوارهای بتنی به صورت دیافراگم صلب، نقاط ثابتی را در ساختمان ایجاد می کند، به گونه ای که آزادی عمل در جانمایی و معماری داخل ساختمان را محدود می کند. بادبند های فولادی از جمله سیستم هایی هستند که در برابر نیروهای جانبی مقاومت می کنند با بادبند گذاری در تعدادی از قاب های ساختمان درهر امتداد و با کمک عملکرد دیافراگم صلب کف سازه می توان آن راستا را مهار شده در نظر گرفت . بادبند گذاری به دو نوع همگرا و واگرا تقسیم می شود. در مهاربندی همگرا امتداد اعضا شامل تیر، ستون و مهاربند همگرا از یک نقطه عبور می کنند.
شکل مهاربند CBF.
از مزایا و معایب بادبندهای همگرا می توان به موارد زیر اشاره کرد: مزایا: سختی بالا برای سازه کنترل تغییر مکان جانبی سازه تا حد زیاد معایب: ایجاد محدودیت از نظر معماری برای ایجاد بازشو با توجه به سختی زیاد این مهاربندها شکل پذیری آنها کم می شود و درنتیجه قابلیت جذب و دفع نیروی زلزله در آنها کاهش پیدا می کند و ارتعاش در سازه بالا می رود. انواع مهاربندی ها به طور کلی بادبندها یا مهاربندی ها را می توان به مهاربندیهای هم محور که در آنها فقط اعضای بادبند به کشش یا فشار می افتند و باد بندهای برون محور که در آنها قسمت هایی از سازه هم به برش یا خمش افتاده و در باربری دخیل می شوند ، تقسیم کرد. و اما از اشكال مختلف آن که متداول هستند می توان به مهاربندیهای زانویی ، قطری ، ضربدری، شورون تقسیم کرد.
شکل نمونه ای از اشکال مختلف مهاربند.
مزایا:
از مزایا و معایب بادبندهای همگرا می توان به موارد زیر اشاره کرد: مزایا: سختی بالا برای سازه کنترل تغییر مکان جانبی سازه تا حد زیاد.
معایب:
ایجاد محدودیت از نظر معماری برای ایجاد بازشو با توجه به سختی زیاد این مهاربندها شکل پذیری آنها کم می شود و در نتیجه قابلیت جذب و دفع نیروی زلزله در آنها کاهش پیدا می کند و ارتعاش در سازه بالا می رود.
قابهای خمشی فولادی در اثر حرکات شدید زمین، تغییر مکان های زیادی را تجربه می کند و سه مسأله مهم یعنی آسیب دیدگی اعضای غیرسازهای،و همینطور ترک خوردگی و شکست اتصال تیر به ستون در ساختمان ها را به دنبال دارند به همین دلیل مهندسین به استفاده بیشتر از قاب های مهاربندی شده روی آوردند. مهاربندها یا بادبندها اعضایی هستند که در سازه های فولادی برای انتقال نیروی زلزله به پی ساختمان استفاده می شوند و بهتر است در یک ساختمان بصورت متقارن اجرا کردند تا سازه دچار پیچش نشود همچنین توصیه می شود حتی الامکان محل قرارگیری بادبندها در محیط پیرامون سازه باشد تا بازوی مقاوم بزرگتری را در برابر پیچش بوجود بیاورد.
مهاربندی به شکل تکی معمولا ظرفیت شکل پذیری کمی دارد. رفتار هیستریک مهاربندی در کشش و فشار متقارن نیست و در هنگام بارگذاری یک طرفه معمولا مقاومت زیادی از دست می دهد. به خاطر همین رفتار پیچیده، توزیع واقعی نیروهای داخلی و تغییر شکل ها با آنچه روش های مرسوم طراحی پیش بینی می کنند، مغایرت دارد. ساده سازی های طراحی و ملاحظات اجرایی معمولا موجب می شوند که مهاربندی های بعضی از طبقات بسیار قوی تر از آنچه مورد نیاز است طراحی شده و در بعضی طبقات نتایجی نزدیک به اهداف طراحی داشته باشند. همه مسائل گفته شده به اضافه در نظر گرفتن از دست رفتن مقاومت مهاربندی پس از کمانش موجب می شوند در یک ساختمان با بعضی از طبقات ضعیف روبرو باشیم که خرابی های ناشی از زلزله و سایر بارهای جانبی در آنها متمرکز می شود که اگر منجر به خرابی کلی نشود، خرابی اعضای غیرسازه ای را به دنبال خواهد داشت به همین خاطر از سال ۱۹۹۰ ضوابط طراحی مهارها تغییر کرد و البته تحقیقات زیادی برای بهبود وضعیت فوق به خصوص در مورد مهاربندی های همگرا صورت گرفت. در واقع سیستم مهاربندی متشکل از تیرها و ستون هایی است که با اعضای فولادی و با اتصالات مفصلی به هم متصل شده اند تا در برابر نیروهای جانبی مقاومت کنند.
اصولا در بررسی و مقایسه سیستم های مختلف مهاربندی دو معیار عمومی زیر را باید مورد توجه قرار داد.
الف- سازه باید برای حفظ تغيير شكل ها در زیر حدی که خسارت زلزله های معمولی در آن به صورت غیرسازهای بوده، دارای سختی کافی باشد.
ب- شکل پذیری آن به اندازه ای باشد که در زلزله های شدید، دچار تخریب سیستم سازه ای و انهدام عمومی نشود.
در سیستم مهاربندی هم مرکز (CBF) بادبندها فقط به کشش یا فشار می افتند با سیستم مهاربندی هم مرکز ضربدری که قدیمی ترین و معروف ترین سیستم مهاربندی است کم و بیش همه آشنا هستند. مشخصه عمده این سیستم آن است که محورهای خنثی در اعضای مختلف در یک نقطه مشترک تلاقی می کنند. یکی از مهم ترین خواص مهاربندی هم مرکز سختی بالای آن است به همین علت معمولا با افزایش تعداد طبقات و ارتفاع ساختمان یعنی وقتی اثرات تغییر مکان مهم و تعیین کننده می شود و وقتی که استفاده از سایر سیستمها غیراقتصادی میشود این مهاربند به میدان می آید.
مهاربندهای هم مرکز ضربدری(XCBF):
مهاربندهای هم مرکز ضربدری(XCBF) علی رغم سختی بسیار بالا و خویشان و علاوه بر آن سهولت طراحی و اجرا دو اشکال اساسی دارند:
١- محدودیت های معماری در مورد بازشوها
۲- شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی بسیار کم، که عمدتا به دلیل کمانش کلی یا موضعی عضو فشاری مهاربند و تاحدی هم ضعف اتصالات مفصلی حاصل می شود. مشکل اول یعنی محدودیت های معماری مهاربند ضربدری را بعضی از طراحان با فرم های دیگر این نوع مهاربندی از جمله مهاربندی ۷، مهاربندی ۸ (شورون)، مهاربندی K و … برطرف کرده اند.
به طور کلی قابهای با مهاربندی همگرا به گونه ای طراحی می شوند که تحت بارهای لرزه ای، انرژی به وسیله کمانش و یا جاری شدن بادبند مستهلک شود. سایر اعضاء و اتصالات برای تحمل سطح باری طراحی می شوند که منجر به کمانش و جاری شدن بادبند شود. این روش طراحی ناشی از دیدگاه طراحی برای ظرفیت است که در دستورالعمل های مختلف طراحی لرزه ای ساختمان های فولادی مطرح است. ایده استفاده از ورق اتصال برای متصل نمودن اعضای مهاربند به قاب فولادی بهترین ایده ای بود که در ابتدا معرفی شد و تاکنون نیز اصلی ترین روش اتصال مهاربند به قاب است. ورق اتصال مهاربند عضوی صفحه ای است که نیروهای مهاربند را به قاب منتقل می کند. به دلیل پیچیدگی رفتار اتصالات با ورق در قابهای با مهاربندی همگرا، طراحی این گروه از اجزای سازهای معمولا با ساده سازی های بسیاری انجام می گیرد.ه از آن جمله می توان به روش ويتمور برای طراحی ورق های اتصال تحت بارهای کششی یکنواخت و نیز روش تورنتون برای تعیین مقاومت فشاری اتصالات با ورق اشاره نمود. محققین طی یک تحقیق آزمایشگاهی و عددی بر روی رفتار کمانشی اتصالات با ورق تحت بارهای فشاری یکنواخت دریافتند که کمانش ورقهای نازک، تحت باری بسیار پایین تر از باری اتفاق می افتد که با استفاده از روش ويتمور بدست می آید. همچنین تحلیلهای عددی آنها نشان داد افزایش سختی بین ورق اتصال و بادبند، منجر به افزایش مقاومت کمانشی ورق اتصال میشود. قابهای فولادی دارای مهاربند هم مرکز ویژه بسیار قوی و مقاوم هستند، به شرط اینکه مشخصات مورد نیاز طراحی لرزه ای را داشته باشند. جابجایی غیر الاستیک در این قابها به وسیله تسلیم کششی و کمانشی بادبندها ایجاد میشود. به عنوان مثال محدودیت در مورد محل بادبند و لاغری موضعی و کلی بادبندها باعث ایجاد تغییر شکل های پلاستیک و کمانش بادبندها میشوند. برای جلو گیری از تخریب نابهنگام و شکستگی اتصال، باید ظرفیت باربری محوری ورق اتصال بیش از میزان باربری محوری عضو مهاربند (ظرفیت کششی و فشاری) منظور شود.
شکل نمونه هایی از قاب های هم مرکز.
قاب با مهاربندهای واگرا EBF:
یکی از سیستم هایی که در دهههای اخیر مطرح و رایج شده است، سیستم مهاربندی واگرا یا استفاده از مهاربند با خروج از مرکزیت است. این سیستم در حقیقت مزایای هر دو سیستم قاب خمشی و قاب مهاربندی شده همگرا را دارد. سیستم قاب خمشی از لحاظ معماری هیچ محدودیتی را برای طراحان ایجاد نمی کند ولی به لحاظ سازه ای از آنجاییکه دارای سختی کمی می باشد، تغییر مکان جانبی طبقات آن زیاد بوده که همین امر سبب شده برای کنترل این تغییر مکان ها در اندازه مقادیر حدی آیین نامه ها، طراحان مجبور به استفاده از مقاطع سنگین تر شوند. از طرفی دیگر اجرای دقیق به ويژه اتصالات قاب های خمشی ضامن رسیدن به عملکرد لحاظ شده حین طراحی است.
بر عکس قاب خمشی، سیستم قاب فولادی همراه با مهاربند همگرا به دلیل سختی بالا، تغییر مکان جانبی طبقات محدود بوده که این امر منجر به طراحی تیرهایی با مقاطع سبکتر می شود و از طرفی دقت و مهارت اجرای کمتری در مقایسه با سیستم قاب خمشی لازم است اما در مقابل دهانه های مهاربندی شده مشکلاتی را در طراحی معماری و بازشوها در نمای ساختمان ایجاد می کند.
سیستم مهاربندی واگرا هرچند در مقایسه با سیستم مهاربندی همگرا در اجرا نیاز به دقت بیشتری دارد ولی در ناحیه غیر خطی سختی و مقاومت آن ثابت و کاهش مقاومت و سختی کمتری دارد. بنابراین انرژی بیشتری را مستهلک می کند و شکل پذیری بیشتری از خود نشان می دهد. علاوه بر این محدودیت های معماری سیستم مهاربندی همگرا را ندارد و از سختی کافی برای کنترل تغییر مکان های جانبی در محدوده رفتار خطی برخوردار است. در سیستم مهاربندی واگرا، نقش اصلی برعهده عضوی از تیر موسوم به تیر پیوند است که کل رفتار خطی و غیرخطی سیستم در آن متمرکز می گردد و در صورتی سیستم به اهداف از پیش تعیین شده می رسد که طراحی و اجرای آن به شکل صحیح انجام شده باشد. در واقع تیر پیوند فيوز مستهلک کننده انرژی در این سیستم است. رفتار سیستم مهاربندی واگرا بستگی به طول تیر پیوند دارد و براساس همین طول است که این نوع مهاربندها به دو دسته مهاربندهای واگرا با عملکرد برشی و عملکرد خمشی تقسیم می شوند. در مهاربند واگرای برشی، قبل از آنکه مفصل خمشی در دو انتهای تیر پیوند تشکیل شود، جان تیر پیوند در اثر برش جاری شده و مفصل پلاستیک برشی تشکیل می شود. در مقابل در مهاربند واگرای خمشی، قبل از تشکیل مفصل برشی در جان تیر پیوند، مفصل خمشی در دو انتهای آن تشکیل می شود.
شکل سیستم مهاربندی واگرا.
در این سیستم سازه ای مشابه سیستم قاب ساده با مهاربند همگرا ، اعضای قطری وجود داشته ولی این اعضای قطری به صورت برون محور به تیر کف متصل می شوند. در محل اتصال تیر و ستون و مهاربند مقداری خروج از مرکزیت ایجاد کرده بطوریکه این قسمت توانایی تحمل تغییر شکلهای بزرگ را داشته باشد. به این جزء به وجود آماده اصطلاحا تیر پیوند یا تیر رابط گفته شده و مانند یک فیوز شکل پذیر عمل می کند.
شکل انواع قاب ها با مهاربند واگرا.
مهاربندهای واگرا را در انواع زیر می توان به کار برد:
بادبندهای واگرا باید حداقل در یک انتهای باد بند به تیر متصل باشند و حداقل یک انتهای بادبند به گره تقاطع تیر و ستون متصل نباشد. در این مهاربندها شکل پذیری نسبت به بادبندهای همگرا افزایش پیدا میکند و عمل دفع انرژی ناشی از نیروی زلزله بهتر انجام می شود. شکل پذیری در این مهاربندی ها توسط جاری شدن تیر بین دو سر مهاربند و با تیر بین مهاربند و ستون شكل می گیرد، که این قسمت از تیر، تیر واسط نام دارد. زمانی که طول تیر واسط زیاد باشد جاری شدن آن توسط لنگر خمشی شکل می گیرد و زمانی که طول تیر واسط کم باشد جاری شدن آن توسط نیروهای برشی اتفاق می افتد . وقتی که تیر واسط توسط نیروهای وارده از طرف مهاربند وارد رفتار غیر خطی شد آن گاه شاهد تغییر شکل های زیاد از این تیر هستیم که همین شکل پذیری غیرارتجاعی عامل دفع نیروهای زلزله خواهد شد. البته باید این تیر را در حدی تقویت کنیم که تیر اجازه تغییر شکل را داشته باشد ولی از مکانیسم شدن آن جلوگیری به عمل آید.
شکل نمونه مهاربند EBF.
شکل بادبند واگرا.
انواع روش های تحلیل سازه:
اثر زلزله بر سازه ساختمان ها را می توان به روش های خطی و غیرخطی تحلیل نمود. در تحلیل های خطی رفتار سازه را در برابر زلزله در محدوده تغییر شکلهای خطی و الاستیک بررسی می شود. هرچند این روش ساده تر می باشد ولی در مقابل سبب شده که از تمام ظرفیت سازه در مقابل نیروهای جانبی و زلزله استفاده نشود. انواع روش های تحلیل خطی عبارتند از:
1-تحلیل استاتیکی خطی
2-تحلیل دینامیکی خطی
این روش تحلیل خود به دو دسته تحلیل دینامیکی طیفی و تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی تقسیم میشود.
تحلیل های غیرخطی:
در نقطه مقابل تحلیل های خطی، روش های تحلیل غیر خطی قرار داشته که در آنها تحلیل سازه با در نظرگرفتن رفتار غیرخطی اجزای آن ناشی از رفتار غیر خطی مصالح تشکیل دهنده اعضا، ترک خوردگی و یا اثرات غیرخطی تغییر شکل ها، انجام می شود.
از جمله دلایلی که لزوم انجام تحلیل های غیر خطی به منظور دستیابی به ارزیابی دقیق تر و واقع بینانه تر، نشان می دهند عبارتند از:
١- دستیابی به ظرفیت سازه در آن سوی محدوده الاستیک و تخمین نیاز لرزه ای در سطوح عملکردی پایین مانند جلوگیری از خرابی کل سازه.
2- تحلیل غیرخطی به دلیل در نظر گرفتن رفتار غیر خطی اجزا ناشی از رفتار غیر خطی مصالح و تغییر شکل های غیرخطی، می تواند ظرفیت سازه مثل جذب انرژی را در هنگام زلزله بالا ببرد.
3- تغییر نگرش از طراحی براساس نیرو به سمت طراحی بر مبنای عملکرد مورد انتظار از سازه که به اصطلاح طراحی براساس عملکرد نامیده می شود.
4-در تحلیل های غیر خطی تمامی اعضای اصلی و غیراصلی مدل شده و اثر کاهش مقاومت و سختی اجزا در مدل وارد می گردد.
در حالت کلی تحلیل های غیرخطی به دو دسته زیر تقسیم می شوند:
1-تحلیل استاتیکی غیرخطی(پوش اور)
2-تحلیل دینامیکی غیرخطی (تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی)
طراحی براساس سطوح عملکردی:
مبنای روش طراحی براساس سطح عملکرد، عملکردی از سازه است که در هنگام زلزله از آن انتظار داریم. طراحی سازه در آیین نامه های مختلف را می توان به دو صورت کلی زیر طبقه بندی نمود:
1- طراحی براساس نیرو: این روش اساس طراحی در آیین نامه های قدیمی بوده و مطابق آن ساختمان می بایستی نیروی مدنظر طراحی را تحمل کند و رفتار مناسبی از خود در زمان اعمال نیرو نشان دهد.
۲- طراحی بر اساس سطح عملکرد: در این روش ساختمان به گونه ای طراحی می شود که مقدار نیروی اعمالی را که نظر گرفته شده است، تحمل کرده و بتواند تغییر مکان تعیین شده را از خود بروز دهد(طراحی براساس نیرو تغییر مکان). مقدار این نیرو و تغيير مكان با توجه به عملکرد ساختمان تعیین می شود. تحلیل های غیر خطی نیرو و تغيير مكان را در سازه و اعضای آن کنترل می کنند و کفایت سطح عملکرد را مورد ارزیابی قرار می دهند.
دستور العمل بهسازی لرزه ای، سطوح عملکردی را برای ساختمان در نظر گرفته است که مبنای آن عملکرد اجزاء سازه ای و غیر سازه ای در ساختمان است. در همین راستا برای اجزای سازه ای و غیرسازه ای نیز سطوح عملکردی تعریف شده که در نهایت سطوح عملکرد ساختمان را می توان نتیجه سطوح عملکرد اجزاء سازه ای و غیر سازه ای دانست.
سطوح عملکرد اجزای سازه ای به ترتیب سطح عملکرد قابلیت استفاده بی وقفه، ایمتی جانی و آستانه فروریزش است. همچنین سطوح عملکرد اجزای غیرسازه ای به ترتیب سطح عملکرد خدمت رسانی بی وقفه ، قابلیت استفاده بی وقفه، ایمنی جانی و سطح عملکرد لحاظ نشده است.
با توجه به تعریف سطوح عملکرد اجزای سازه ای و غیر سازه ای می توان سطوح عملکرد ساختمان را به صورت زیر بیان نمود:
الف) سطح عملکرد خدمت رسانی بی وقفه: در این سطح عملکرد خسارت کلی وارده به ساختمان بسیار کم است. اجزای سازه ای دارای سطح عملکرد استفاده بی وقفه و اجزای غیرسازه ای دارای سطح عملکرد خدمت رسانی بی وقفه می باشند.
ب) سطح عملکرد استفاده بی وقفه : در این سطح عملکرد خسارت کلی وارده به ساختمان کم است و اجزای سازه ای و غیر سازه ای دارای سطح عملکرد استفاده بی وقفه می باشند.
ج) سطح عملکرد ایمنی جانی : در این سطح عملکرد خسارت کلی وارده به ساختمان متوسط بوده و اجزای سازه ای و غیر سازه ای دارای سطح عملکرد ایمنی جانی می باشند.
د) سطح عملکرد آستانه فروریزش: د راین سطح عملکرد خسارت کلی وارده به ساختمان زیاد و شدید است. برای اجزای سازه ای سطح عملکرد در آستانه فروریزش تعریف شده و سطح عملکرد اجزای غیرسازه ای لحاظ نشده می باشد.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی سیستم بادبندی و مهاربندی همگرا ضربدری در سازه بتنی با استفاده از تحلیل استاتیکی در نرم افزار SAP2000 انجام شده است.
مدلسازی:
نمونه نتایج شبیه سازی:
