مقدمه
در این مقاله به مقایسه سیستم اولیه مقاوم در برابر بارهای جانبی یعنی CBF (قاب ساختمانی با مهاربند همگرا) و سیستم نوین BRBF (قاب ساختمانی با مهاربند کمانش تاب) از جنبه اقتصادی می‌پردازیم. جهت مقایسه قیمت BRB با CBF، بهای تمام‌شدهِ دو سازه فولادی 3 و 7 طبقه با سه گزینه متفاوت مهاربندی بررسی و پیش بینی می‌گردد.
سیستم اول یک قاب مهاربندی شده شامل اعضای قطری خاص موسوم به مهاربند کمانش تاب است که ویژگی آن رفتار متعادل و بسیار شکل‌پذیر است. دومین سیستم نیز یک خرپای قائم معمولی است و طراحی آن به گونه‌ایست که تسلیم مهاربندها در حالت کشش، پیش از تسلیم یا کمانش تیرها و ستون‌های غیرشکل‌پذیر و یا قبل از گسیختگی اتصالات صورت می‌گیرد. در واقع سیستم دوم شامل دو نوع CBF است: یک CBF با شکل‌پذیری بسیار محدود و یک CBF نسبتاً شکل‌پذیر با مهاربند X.
لازم به ذکر است که نیروهای لرزه‌ای طراحی نیز از میزان شکل‌پذیری پیش‌بینی‌شدۀ هر سیستم تأثیر می‌پذیرند؛ بنابراین بارهای لرزه‌ای جهت طراحی ساختمان های دارای سیستم BRBF در مقایسه با ساختمان‌های مجهز به CBF به شکل قابل‌توجهی کمتر هستند.
BRB در آیین‌نامه‌های اتحادیۀ اروپا
متأسفانه هنوز مقررات مرتبط با طراحی سیستم های BRBF در آیین‌نامه‌های اتحادیۀ اروپا گنجانده نشده و بنابراین هیچ ضریب رفتاری نیز برای تحلیل استاتیکی خطی این سیستم‌ها نیز تعریف نشده است. شایان ذکر است طراحی BRB در آیین نامه‌های ایران از جمله آیین نامه 2800 و همچنین مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش جدید دارای پشتوانه علمی است و از سوی دیگر شرکت ویرا بریس به عنوان تولید کننده مهاربند کمانش تاب (BRB) در ایران، دارای تائیدیه از مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی می‌باشد.
با مختصر توضیحات فوق، بر اساس یوروکد 8 قسمت 1 بخش 4.3.3.4.2.1، بررسی شرایط عدم فروریزش لرزه‌ای با روش تحلیل استاتیکی غیرخطی (پوش اور) یا دینامیکی غیرخطی (تاریخچۀ زمانی، تاریخچۀ پاسخ) جایگزینی برای طراحی استاتیکی خطی است. بنابراین عملکرد سازه‌های مجهز به BRBF را می‌توان با استفاده از یکی از تکنیک‌های غیرخطی بررسی کرد. از آنجایی که استاندارد اروپایی EN 15129 در رابطه با تجهیزات ضد زلزله، BRBF را جزء تجهیزات وابسته به جابه‌جایی به شمار می‌آورد، احتمال دارد که یوروکد 8 پس از بازنگری بعدی در آیندۀ نزدیک، شامل جزئیات طراحی سیستم BRBF باشد.
هدف از مطالعۀ قیمت تمام‌شده
هدف از این مطالعه آن است که نشان دهیم با وجود هزینه بیشتر BRBF به‌عنوان المان مهاربندی نسبت به مهاربند های سنتی، استفاده از آن در مناطقی با لرزه‌خیزی متوسط یا زیاد به‌واسطۀ کاهش تقاضای لرزه‌ای در وهله اول و در ادامه کاهش ظرفیت موردنیاز اعضای سازه‌ای، منجر به کاهش قابل‌توجه قیمت تمام‌شده سازه می‌گردد. به منظور اشاره به این موضوع که افزایش میزان صرفه‌جویی با افزایش تعداد طبقات رابطه مستقیم دارد نیز، سه نوع راهکار مهاربندی که در قبل اشاره شد، در دو سازه با ارتفاع‌های متفاوت بررسی می‌شود.
معرفی مختصر شرکت استار سایزمیک (نوع شرکت: مسئولیت محدود)
با افزایش آگاهی مهندسین نسبت به زلزله توسط استانداردهای اروپایی، حتی در مناطق با خطر لرزه‌خیزی متوسط، اهمیت راهکارهای اقتصادی جهت تأمین مقاومت کافی برای سازه‌ها رو به افزایش است. توجه به ترندهای اروپایی در رابطه با نیاز به سیستم‌های سازه‌ای با عملکرد بالا و در عین حال اقتصادی باعث شده شرکت Star Seismic دامنه فعالیت‌هایش را پس از آمریکای شمالی و جنوبی به اروپا نیز گسترش دهد. با این تفاسیرStar Seismic با هدف پاسخگویی حرفه‌ای به تقاضاهای روزافزون در این رابطه، در اروپا تأسیس شده است و یک سیستم سازه‌ای ضد زلزلۀ جدید و مقرون‌به‌صرفه‌تر را در بازار اروپا عرضه می‌کند. مهاربندهای کمانش‌تابStar Seismic نیز هم در ساختمان‌های جدید و هم در پروژه‌های مقاوم‌سازی لرزه‌ای در سازه‌های فولادی و بتنی قابل استفاده هستند. Star Seismic از فناوری اثبات شده‌ای استفاده می‌کند که حاصل تجربه ساخت هزاران مهاربند کمانش تاب است.
مفروضات و معیارهای طراحی
ساختمان‌های مدل‌سازی‌شده، سازه‌های فولادی با پلان منظم و با سقف عرشه سبک هستند و مهاربندهای مقاوم در برابر نیروی جانبی نیز در دیوارهای محیطی قرار دارند.
ویژگی‌های کلیدی مدل به شرح زیر است:
استاندارد: یوروکد (EC) 0، EC 1-1، EC 2-1، EC 3-1، EC 7-1، EC 8-1، EC 8-5
حداکثر شتاب زمین: 0.25g
نوع خاک: C
کلاس و ضریب اهمیت: II، γI = 1.0
روش تحلیل: روش نیروی جانبی معادل
طیف پاسخ: طیف الاستیک نوع I
مدل سازه: سه‌بعدی
بار مرده:
طبقات: 4.15 کیلونیوتون بر مترمربع
بام: 3.25 کیلونیوتون بر مترمربع
بار زنده:
طبقات: 3 کیلونیوتون بر مترمربع
بام: 1 کیلونیوتون بر مترمربع
بار باد: در محاسبات فعلی قابل اغماض است
بار برف: در محاسبات فعلی قابل اغماض است
ضریب رفتار:
CBF: q=1.5 (شکل‌پذیری پایین)
CBF: q=4.0 (شکل‌پذیری متوسط)
Star Seismic BRBF: q=7.0 (شکل‌پذیری بالا)
فونداسیون – شمع‌ها: قطر 100 و 120 سانتی‌متر
فونداسیون – شمع‌ها: طول 8 تا 18 متر
شمع‌ها برای هر دو حالت کششی و فشاری طراحی شده‌اند.
سیستم‌های قاب با مهاربند کمانش‌تاب
مهاربندهای کمانش‌تاب از هسته فولادی داخلی و غلاف بیرونی تشکیل شده‌اند. به دلیل وجود مصالح جداکننده از عملکرد ترکیبی غلاف و هسته جلوگیری شده و در اصل صرفا هسته است که در برابر نیروهای محوری وارد بر مهاربند، مقاومت می‌کند. در واقع غلاف فولادی، تنها از کمانش هسته تحت فشار ممانعت می‌کند.
بدلیل عدم کمانش مهاربندهای کمانش تاب و رفتار متقارن آنها در کشش و فشار می‌توان از مقاطع کوچک‌تری در مقایسه با مهاربندهای معمولی استفاده کرد. همچنین به دلیل کرنش‌های پلاستیک قابل توجه و رفتار هیسترزیس متقارن، قاب BRBF شکل پذیری بالایی دارد.
نتایج تست‌های آزمایشگاهی نیز تأیید کننده این رفتار است، به نحوی که هیچ کاهش (یا افت) مقاومت در عملکرد مهاربند کمانش تاب پس از چندین چرخه بارگذاری مشاهده نشده است. بنابراین می‌توان گفت BRB تحت بارگذاری چرخه‌ای قادر به اتلاف مقدار زیادی انرژی است.
در استانداردهای ایالات متحده، این ویژگی با واجد شرایط بودن سیستم‌های BRBF برای بالاترین ضرایب اصلاح پاسخ (ضرایب رفتار – q) 7 یا 8 بسته به جزئیات طراحی به رسمیت شناخته شده است، به نحوی که این سیستم می‌تواند علاوه بر ایجاد شکل‌پذیری بالا و انعطاف‌پذیری در سازه، با افزایش زمان تناوب اصلی ارتعاش، بارهای لرزه‌ای را نیز به مقدار بیشتری کاهش دهد.
جهت کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با مهاربندهای کمانش تاب، بر روی مقاله مهاربند کمانش تاب (Buckling Restrained Brace) کلیک کنید.
مهاربند همگرا
برخلاف BRBF، اعضای سیستم‌های قاب مهاربندی همگرا تحت عنوان المان‌هایی با طول زیاد و بدون مهار شناخته می‌شوند. مقاطع این اعضا غالبا باید بزرگ‌تر از نیازهای استاتیکی باشند تا از کمانش زودرس جلوگیری گردد. علاوه بر این، تحت تحریک لرزه‌ای، این اعضای کششی هستند که باید بخش عمده‌ای از بارهای جانبی را تحمل‌کنند، زیرا انتظار می‌رود بدون تحمل بار توسط المان‌های کششی، اعضای تحت فشار کمانش کنند. در نتیجه این رفتار منجر به بهره‌برداری نامناسب از اعضا و نیروهای نامتعادل در قاب مهاربندی می‌شود.
ساختمان‌های مدلسازی شده
جهت مقایسۀ BRBF و CBF، سازه‌های مستطیلی با چهار قاب مهاربندی محیطی مدل و طراحی شدند. زیربنای ناخالص ساختمان‌های سه طبقه و هفت طبقه به‌ترتیب 5،800 و 13،600 متر مربع است. در شکل‌های 3 تا 10، پلان طبقات و ارتفاع قاب نشان داده شده است.
در مدل سازه‌ای، تمام اجزای ستون پیوسته هستند و اتصال آنها به فونداسیون نیز مفصلی است. تیرها و مهاربندهای متصل به ستون‌ها نیز مفصلی هستند، بنابراین فقط بخش‌های مهاربندی‌شده در برابر بارهای لرزه‌ای مقاومت می‌کنند.
تحلیل جانبی
اگرچه کنترل سازه با سیستم BRBF نیازمند تحلیل غیرخطی است، اما مهندسان تمایل دارند در مرحله اولیه طراحی از روش q-factor استفاده کنند. در مثال فعلی نیز با در نظر گرفتن اتصالات مفصلی بین ستون‌ها و تیرها، ضریب رفتار q = 7 باید اعمال شود. همانطور که در شکل‌های 11 و 12 نشان داده شده است، ضریب رفتار بالاتر سازه‌ها با سیستم BRBF باعث کاهش قابل‌توجه شتاب طراحی اعمالی می‌گردد. انعطاف‌پذیری اجزای BRB، که قبلاً به آن اشاره شد، از طریق زمان تناوب اصلی (T) ساختمان نیز بر این مقدار تأثیر می‌گذارند (به‌ویژه در ساختمان‌های بلندتر). در پروسه طراحی ساختمان‌های مورد بررسی، دریفت نیز کنترل شده است. (معیارهای آسیب محدود حاکم است) که توسط صلبیت یکسان و در نتیجه زمان‌های تناوب اصلی دو سیستم اتلافی نشان داده می‌شود.
در جدول زیر ضریب رفتار، زمان تناوب اصلی و نیروی برشی پایه حاصل برای هر سازه خلاصه شده است. سازه‌های با سیستم BRBF در هر دو حالت دارای کمترین نیروهای برش پایه هستند.
نیروی برش پایه به‌صورت عمودی در امتداد ارتفاع سازه توزیع شده و اثرات پیچش تصادفی طبق مقررات یوروکد 8 نیز در نظر گرفته شده است. نیروهای داخلی در عرشه‌ها و کلکتورها مطابق با استانداردهای فعلی متأثر از حداقل الزامات هستند و بنابراین در تمام ساختمان‌های مورد بررسی، طراحی این اجزا یکسان است.
طرح‌های ساختمان
به دلیل بارهای جانبی کاهش یافته، مقاطع اعضای سیستم BRBF عموماً کوچک‌تر از مقاطع اعضای سیستم CBF بودند و اعضای غیرشکل پذیر در هر سازه با در نظر گرفتن ضریب اضافه مقاومت طراحی شدند. ظرفیت اعضای خاص نیز در قاب‌های BRB با محدودیت‌های جابه‌جایی سراسری تنظیم می‌شود و نه بارهای طراحی.
در جداول 2 و 3، بخش‌های مورد استفاده در ساختمان‌های مدل‌سازی‌شده خلاصه شده است.
برای هر یک از ساختمان‌های مدل شده، هم پی سطحی و هم پی عمیق در نظر گرفته شد. سازه‌های با سیستم CBF به دلیل نیروهای واژگونی جانبی بیشتر، به پی‌های عمیق‌تری احتیاج دارند. شدت نیروهای کششی نیز استفاده از شمع را در پیِ ساختمان‌ها الزام می کند. لکن از طرفی می‌توان از سیستم BRBF استفاده کرد که با کاهش نیروهای کششی به حد کافی، امکان استفاده از پی گسترده را فراهم می‌سازد.
در جداول و شکل‌های زیر، کاهش چشمگیر تعداد شمع‌های موردنیاز و حجم کلاهک شمع‌ها نشان داده شده است. به منظور بهره‌مندی کامل از مزایای هزینه‌ای مهاربند های کمانش تاب، طراحی BRB باید در مراحل اولیه پروژه مدنظر قرار گیرد.
شکل 13: چیدمان شمع
از آنجایی که طراحی اتصالات باید متناسب با نیروی اعضایی باشد که به هم متصل می‌شوند، مقاطع کوچک‌تر اعضای سازه‌ای به واسطه استفاده از BRB در مقایسه با CBF می‌تواند منجر به طراحی و ساخت اتصالات با ابعاد کوچک‌تر شود. همانطور که در شکل 14 نشان داده شده است، استفاده از BRB منجر به کاهش ابعاد گاست پلیت و طول جوش کوچک‌تر می‌شود.
به‌عنوان مثال، جدول 5 جزئیات یک اتصال را در طبقۀ اول ساختمان 3 طبقه نشان می‌دهد. به کاهش قابل‌ملاحظه ابعاد موردنیاز گاست پلیت در سیستم BRBF در مقایسه با سیستم‌های CBF توجه کنید.
مقادیر و هزینۀ مصالح
پس از لحاظ کردن هزینه تمام اجزای سازه‌ای، سازه‌های با سیستم BRBF در بین سه گزینه مورد بررسی کم‌هزینه‌ترین هستند. با توجه به تفاوت چشمگیر در هزینه مهاربندها، استفاده از BRBF باعث صرفه‌جویی زیادی در سایر بخش‌های سازه می‌شود که آن را به راهکار توصیه‌شده از نظر مقرون به صرفه بودن تبدیل می‌کند. در جداول 6 تا 8 و شکل‌های 15 تا 18 جزئیات تحلیل هزینه و نتایج آن برای سیستم مقاوم جانبی (LFRS) ساختمان‌ها نشان داده شده است. توجه داشته باشید که قیمت‌ها ممکن است بسته به قیمت واقعی فولاد، موقعیت جغرافیایی، خورندگی محیط و غیره متفاوت باشد.
با توجه به جدول 7 و شکل 16، با استفاده از سیستم BRBF صرفه‌جویی قابل‌توجهی در مقایسه با سازه‌های مجهز به CBF حاصل می‌شود. نه تنها به دلیل نیروهای لرزه‌ای کمتر در سیستم BRBF می‌توان از ستون‌ها و تیرهای سبک‌تری استفاده کرد بلکه در هزینه اتصالات نیز مزیت اقتصادی قابل‌توجهی نهفته است. مهمتر از همه، در سیستم BRBF بار وارده بر پی به میزان قابل‌توجهی کمتر است و بنابراین تعداد و طول شمع‌ها، و حجم کلاهک شمع‌ها نیز کاهش چشمگیری می‌یابد.
همانطور که شکل‌های 17 و 18 تأیید می‌کنند، میزان صرفه‌جویی متناسب با ارتفاع ساختمان است. BRBF یک سیستم مقاوم در برابر نیروی جانبی با کمترین بهای تمام‌شده سیستمی و کمترین بهای تمام‌شده درکل سازه (شامل تک‌تک ستون‌ها، تیرها، مهاربندها، اتصالات و پی ساختمان) در میان راهکارهای بررسی‌شده است.
جدول 8 حاکی از امکان دستیابی به صرفه‌جویی قابل‌توجه 30 یورو در متر مربع در مقایسه با سیستم شکل پذیری متوسط CBF q=4 است. در مقایسه با سیستم‌های با شکل پذیری پایین، CBF q=1.5، میزان صرفه‌جویی از این هم بیشتر است و در مورد ساختمان‌های 3 طبقه و 7 طبقه به‌ترتیب می‌توان 86 و 95 یورو در مترمربع صرفه‌جویی کرد؛ که می‌تواند مزیت رقابتی شرکت‌های طراحی را بسیار بهبود بخشد.
استفاده از قاب BRBF نه‌تنها می‌تواند منجربه کاهش وزن اسکلت سازه‌ای شود، بلکه منجربه کاهش هزینه و زمان ساخت و اجرای پروژه‌ها می‌شود. علاوه بر این، مالک پروژه سریع‌تر می‌تواند از ساختمان بهره‌برداری کند. تیرها، ستون‌ها و اتصالات به گونه‌ای طراحی نشده‌اند که در صورت وقوع زلزله متحمل رفتار غیرارتجاعی شوند؛ انرژی لرزه‌ای تنها در مهاربندها مستهلک می‌شود. بنابراین، در صورت لزوم کافیست فقط اجزای BRB پس از وقوع زلزله تعویض شوند که بسیار ساده‌تر از تعویض تیرها، ستون‌ها یا تیرهای پیوند برشی است.
جمع‌بندی
این مقاله مزایای هزینه‌ای استفاده از BRBF به‌عنوان یک سیستم نوین مقاوم در برابر نیروی جانبی زلزله را در مقایسه با دو راهکار CBF تأیید می‌کند. با وجود هزینۀ بیشتر مهاربند کمانش تاب نسبت به مهاربند معمولی، با استفاده از فولاد کمتر، اتصالات ساده‌تر و پی‌های کوچک‌تر می‌توان به صرفه‌جویی مالی قابل‌توجهی در کل پروژه دست یافت. اختلاف هزینه‌ها به‌ویژه هنگام مقایسه BRBF با CBF با شکل‌پذیری پایین (q=1.5) بسیار زیاد است؛ هنگام استفاده از CBF با شکل‌پذیری متوسط (q=4) برای مقایسه نیز اختلاف هزینه‌ها قابل‌توجه است. همچنین نتایج نشان می‌دهند میزان صرفه‌جویی در محدودۀ سازه‌های مورد بررسی، متناسب با ارتفاع ساختمان است. اولویت اصلی این مقاله آشنایی با مهاربند کمانش تاب یا BRB بود که شرکت ویرا بریس به عنوان تولید کننده BRB و فروشنده BRB در ایران مشغول به فعالیت است، اما در مرحلۀ احداث و همچنین پس از رخدادهای لرزه‌ای بزرگ‌تر، منابع مختلفی برای صرفه‌جویی غیرمستقیم وجود دارد.
(جهت مشاهده پروژه های این شرکت در ایران، کلیک کنید)
منابع
Dasse Design Inc.: Cost Advantages of Buckling Restrained Braced Frame Buildings, 2009
W. A. López and R. Sabelli: Seismic Design of Buckling-Restrained Braced Frames. Steel Tips, 2004
CEN: EN 1998, Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance CEN: EN 15129: Anti-seismic devices
Star Seismic Europe Ltd.: Preliminary design of BRBF system – Use of equivalent lateral force method, 2009
American Institute of Steel Construction: AISC 341-05: Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, 2005
ثبت ديدگاه