چکیده
مهاربند کمانش تاب (BRB) به‌عنوان یک المان سازه‌ای مقاوم در برابر زلزله، علاوه بر افزایش مقاومت و سختی، قابلیت جذب انرژی بالایی را نیز برای سازه ایجاد می‌کند. از زمان معرفی مهاربند کمانش تاب در اواخر دهۀ 1980 تا به امروز، پژوهشگران زیادی به مطالعه جوانب مختلف آن پرداخته‌اند و عمدتاً پژوهشگران و متخصصان در ژاپن، ایالات متحده و چین برای پاسخگویی به الزامات سازه‌ای متنوع، انواع مختلف مهاربندهای کمانش تاب را پیشنهاد کرده‌اند. به نحوی که پژوهش‌ها در راستای ساختِ مهاربندهای کمانش تابِ کارآمدتر، سبک‌تر، کم‌هزینه‌تر با ابعاد کوچکتر و نصب آسان‌تر، همچنان ادامه دارد.
در این مقاله، به بررسی معیارهای انتخاب مهاربند کمانش تاب، کاربردهای BRB ، مهاربند کمانش تاب از منظر معماری، استفاده ترکیبی از مهاربندهای کمانش تاب و میراگرهای ویسکوز و پیشرفت‌های مرتبط با موضوع مهاربند کمانش تاب طی چند دهه گذشته تا به امروز ، به صورت خلاصه پرداخته‌ایم.
مقدمه
طی چند دهۀ گذشته، با پیشرفت در زمینه فناوری کنترل انرژی، امکان کنترل انرژی لرزه ای در ساختمان‌ها با استفاده از سیستم‌های میراگر مکمل فراهم شده، به نحوی که با اثبات کارآمدی سیستم‌های میراگر در برابر آسیب‌های شدید سازه‌ای ناشی از زلزله‌های بزرگ، استفاده از آن ها رواج زیادی یافته است. علاوه بر این، المان‌های سازه‌ای مقاوم در برابر بار جانبی مانند مهاربندها، دیوارهای برشی، تیرهای پیوند و اتصال‌دهنده‌های اصطکاکی نیز با استهلاک انرژی زلزله از طریق اصطکاک یا هیسترزیس غیرالاستیک ناشی از تغییر شکل‌های خمشی، برشی و پیچشی می‌توانند برای محافظت از سازه‌ها در برابر آسیب یا فروریزش استفاده شوند؛ از اصلی ترین ضعف های سیستم های متعارف، می توان به وقوع کمانش، تعمیر ناپذیری و تعویض ناپذیری، دامنه بالای خسارات و قابلیت اطمینان پایین برای رفتار چرخه ای و میرایی نام برد.
مهاربند کمانش تاب و مهاربند فولادی معمولی
غالباً از مهاربندهای فولادی جهت طراحی لرزه‌ای و مقاوم سازی سازه های فولادی استفاده می‌شود، این موضوع نیز اثبات شده است که قاب‌های مهاربندی شده فولادی تحت اثر زلزله های مخرب، عملکرد لرزه‌ای خوبی از خود به نمایش می‌گذارند. با این حال، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، مهاربندهای فولادی تحت اثر بارهای دینامیکی ناشی از زلزله و باد، مستعد کمانش هستند که می‌توان مشکل کمانش را با تعبیه تکیه گاهی پیوسته در خارج یا داخل مهاربندها کاهش داد یا از میان برد. مهاربندهای کمانش تاب علاوه بر افزایش مقاومت و سختی ساختمان، قادر به کنترل انرژی زلزله هستند.
شکل 1. عملکرد مهاربند فولادی معمولی در مقایسه با مهاربند کمانش تاب تحت نیروی فشاری محوری
جهت جلوگیری از ناپایداری، مهاربند کمانش تاب در هر دو حالت کشش و فشار می‌تواند به مقاومت و سختی تقریباً مساوی دست یابد. در مقایسه با مهاربندهای فولادی معمولی، مهاربند های کمانش‌تاب ظرفیت استهلاک انرژی را افزایش می‌دهند و از زمان اولین کاربرد آنها در سال 1989 در ژاپن تا به امروز در طراحی مهندسی زلزله و پروژه‌های مقاوم سازی سازه به طور گسترده استفاده می‌شوند.
توسعۀ مهاربندهای کمانش تاب
پیدایش مهاربند کمانش تاب
اولین نمونه عملی مهاربند کمانش تاب در سال 1988 ساخته و توسعه داده شد که تا حد زیادی مدیون پژوهش‌های صورت‌گرفته در ژاپن بود. در اوایل قرن بیستم، مطالعات پژوهشگران ژاپنی بر روی بتن تقویت شده با فولاد (SRC) متمرکز شد که در آن زمان به دلیل عملکرد لرزه‌ای مناسب، در ساختمان‌های بلند مرتبه به صورت گسترده استفاده می‌شد. علیرغم بیشتر بودن ظرفیت باربری SRC نسبت به سازه فولادی و بتنی، شکل‌پذیری و ظرفیت اتلاف انرژی آن مطلوب قلمداد نمی‌شد.
در اواخر قرن بیستم، چند پژوهشگر ژاپنی به منظور بهبود پاسخ لرزه‌ای دیوارهای برشی SRC، پیشنهاد جداسازی مهاربند فولادی از بتن اطراف را مطرح کردند. این پیشنهاد را می‌توان به عنوان یک شکل ابتدایی از مهاربندهای کمانش تاب تلقی کرد. در سال 1976، کیمورا و همکاران به منظور تقلیل مشکل افت ظرفیت باربری، سختی و همچنین کاهش شکل‌پذیری و ظرفیت استهلاک انرژی مهاربند فولادی معمولی تحت فشار، این مفهوم را در ساخت خود مهاربند به کار گرفتند. در سال‌های 1979 و 1980، موچیزوکی و همکاران پژوهش‌هایی را به منظور حل مشکل پایداری سراسری مهاربندهای فولادی محدود شده توسط بتن مسلح انجام دادند. بر مبنای تلاش‌های پژوهشی، فوجیموتو و همکاران در سال 1988 با همکاری یک تیم فنی از شرکت نیپون استیل اولین نمونه عملی مهاربند کمانش تاب را با موفقیت ساختند. آنها علاوه بر دستیابی به فرمول‌های نظری دقیق برای توصیف رفتار این مهاربندها، صحت پاسخ‌های پیش‌بینی‌شده را نیز به‌روش تجربی تأیید کردند. این کار تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر ساخت مهاربندهای کمانش تاب داشت.
مهاربند کمانش تاب-ژاپن
علیرغم عدم ارائه ضوابط طراحی مهاربند کمانش تاب توسط مؤسسه معماری ژاپن (AIJ) تا سال 1996، مهاربندهای کمانش تاب طراحی‌شده در سال 1988 برای اولین بار در سال 1989 در دو ساختمان اداری فولادی به کار رفتند و پس از آن تا دهۀ 1990 در حدود 160 ساختمان در ژاپن استفاده شدند. به دلیل رواج BRB در ژاپن، این سیستم نوین که عملکرد لرزه‌ای خوبی از خود نشان داده بود، به سرعت مورد توجه پژوهشگران کشورهای دیگر قرار گرفت و در حال حاضر در سراسر جهان در کشورهایی نظیر ایالات متحده، کانادا، چین، ترکیه و نیوزیلند به‌طور گسترده استفاده می‌گردد.
مهاربند کمانش تاب-ایالات متحده
پس از زلزله نورتریج در سال 1994، پژوهشگران در ایالات متحده شروع به بازنگری طرح‌های فولادی موجود کردند و علاقه بسیاری به بررسی پتانسیل و مزایای قاب‌های مهاربند کمانش تاب نشان دادند. این امر سبب تسریع پژوهش‌ها در زمینه مهاربندهای کمانش تاب شد. در ایالات متحده نیز اولین بار در سال 1998، مهاربند کمانش تاب، در ساختمان دانشکدۀ علوم گیاهی و زیست‌محیطی در پردیس دانشگاه کالیفرنیا، دیویس استفاده شد.
در سال 2000 نیز در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، یک پژوهش تجربیِ بزرگ مقیاس در زمینه مهاربند کمانش‌تاب صورت گرفت. پس از ارائه اولین مجموعه دستورالعمل‌های طراحی قاب‌های مهاربندی شده کمانش‌تاب (BRBF) در قالب «ضوابط لرزه‌ای ساختمان‌های سازه فولادی»، در سال‌های بعد کاربردهای متعددی برای مهاربندهای کمانش تاب مطرح شد. در سال 2015 نیزکرستینگ و همکاران با انتشار «راهنمای طراحی لرزه‌ایBRBF برای مهندسان»، راهنمایی‌هایی در زمینه ساخت مهاربندهای کمانش تاب و همچنین تحلیل و طراحی سیستم‌های BRBF ارائه کردند.
مهاربند کمانش تاب-چین
چین به‌عنوان کشوری با مناطق لرزه خیز بسیار، در پذیرش استفاده از فناوری کنترل انرژی در ساختمان‌ها بسیار فعال بوده است به نحوی که معیار طراحی مربوط به استفاده از سیستم‌های کنترل انرژی در سال 2001 در آیین‌نامه طراحی لرزه‌ای ساختمان‌ها گنجانده شد. در سال 2013، چین آیین‌نامه‌ای ویژه با عنوان «مشخصات فنی جهت کنترل انرژی لرزه‌ای ساختمان‌ها» منتشر کرد و در سال 2015، «مشخصات فنی ساختمان‌های بلند با اسکلت فولادی» منتشر شد که در پیوست آن به طور خاص به استاندارد طراحی مهاربند کمانش تاب پرداخته شده بود. در سال 2021، «مشخصات فنی استفاده از مهاربندهای کمانش تاب» منتشر شد که شامل دستورالعمل‌های طراحی مربوط به مهاربندهای کمانش تاب و همچنین صفحات اتصالی بود که مهاربندهای کمانش تاب به آنها متصل می‌شوند. به‌عنوان یک سیستم مهم و متداول اتلاف انرژی، همچنان انجام پژوهش‌ها و بررسی کاربردهای مهاربند کمانش تاب در جریان است.
مهاربند کمانش تاب-ایران (شرکت ویرا بریس به عنوان تولید کننده مهاربند کمانش تاب (BRB) در ایران)
بنیانگذاران شرکت پویا تدبیر ویرا (ویرابریس)، سابقه چندین سال فعالیت در زمینه طراحی، تولید، تأمین و ترویج فناوری‌های نوین لرزه‌ای از جمله جداسازها و میراگرهای لرزه‌ای را در کارنامه خود دارند و با در نظر گرفتن نیاز مبرم صنعت ساخت و ساز کشور به فناوری‌های نوین حفاظت سازه‌ها در برابر زمین لرزه، از اواخر سال 1390 موضوع بومی‌سازی و تولید داخلی تجهیزات کنترل ارتعاشات لرزه‌ای را در دستور کار خود، قرار داده‌اند. این مجموعه از رهگذر بررسی علمی وضعیت اقتصادی کشور و اولویت‌های صنعت ساختمان، و همچنین جذب مشاوره از شرکت‌های بزرگ و متخصص بین‌المللی در این عرصه، مهاربند کمانش تاب را به عنوان مناسب‌ترین فناوری برای آغاز این تولیدات، برگزید.
معیارهای انتخاب مهاربندهای کمانش تاب
ظرفیت بالای اتلاف انرژی
ظرفیت اتلاف انرژی مهاربند کمانش تاب با طراحی صحیح، در وهله نخست به هسته آن بستگی دارد. هسته به عنوان میراگر فلزی عمل می‌کند و هنگام وارد آمدن تنشی فراتر از محدوده الاستیک، از طریق تغییر شکل غیرالاستیک ماده تشکیل‌دهنده، انرژی را کنترل می‌کند. هر چه هیسترزیس غیرالاستیک تولید شده در بخش تسلیم هسته (نشان داده شده در شکل 3) بیشتر باشد، مقدار انرژی تلف‌شده نیز بیشتر خواهد بود.
بالابودن ظرفیت اتلاف انرژی مهاربند کمانش تاب، سختی، ظرفیت‌های کششی و فشاری، مقرون‌به‌صرفگی، و در عین حال حفظ سبکی و دوام آن، همواره در کانون توجه مهندسان و پژوهشگران بوده است.
نکات:
1. هسته‌های ساخته‌شده از مواد‌ی با ظرفیت تسلیم پایین و شکل‌پذیری بالا مانند فولاد به دلیل برخورداری از ظرفیت بالای کنترل انرژی، مطلوب هستند.
2. هسته های ساخته‌شده از آلیاژهای آلومینیوم چندان مطلوب نیستند زیرا میزان شکل پذیری آلیاژهای آلومینیوم به اندازه فولاد نیست.
3. هسته های سوراخ‌دار نیز مطلوب هستند زیرا رفتار هیسترزیک پایداری از خود نشان می‌دهند.
4. ظرفیت اتلاف انرژی مهاربندهای کمانش تاب اغلب با ظرفیت تغییر شکل پلاستیک تجمعی (CPD) و میرایی ویسکوز معادل اندازه‌گیری می‌شود. تغییر شکل پلاستیک تجمعی برابر است با مجموع مساحت سطح محصور شده توسط حلقه‌های هیسترزیس در مرحلۀ پلاستیک.
5. میرایی ویسکوز معادل با مساوی قرار دادن انرژی تلف‌شده توسط سیستم واقعی (یعنی مهاربند) و انرژی تلف‌شده توسط سیستم میراگر ویسکوز تحت یک چرخۀ تحریک هارمونیک محاسبه می‌شود.
بسته به ملاحظات اولیه طراحی می‌توان از انواع مختلف مهاربندهای کمانش تاب استفاده کرد.
جهت کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با مزایای ساختمان‌های با قاب مهاربندی شده کمانش‌تاب از منظر قیمت تمام‌شده مطابق با آیین‌نامه اتحادیۀ اروپا (یوروکد)، کلیک کنید.
ظرفیت باربری و سختی بالا
مهاربند کمانش تاب علاوه بر عملکرد به عنوان میراگر، به‌عنوان عضو مقاوم در برابر نیروی جانبی نیز عمل می‌کند که قادر به تحمل بار قابل توجهی است و سختی قابل توجهی را برای سازه به ویژه در ساختمان‌های بلند مرتبه ایجاد می‌کند. اگر ظرفیت باربری و سختی جزو ملاحظات اصلی طراحی باشند، مهاربندهای کمانش تاب ساخته‌شده با لوله‌های فولادی و مقاطع صلیبی مطلوب قلمداد می‌شوند زیرا دو محور تقارن دارند و حول هر دو محور اصلی مقاومت خمشی و سختی مساوی ارائه می‌دهند.
کم‌هزینه بودن
طراحی و تولید مهاربند کمانش تاب در شرکت پویا تدبیر ویرا (ویرا بریس) به شکلی بهینه صورت گرفته و از این رو تاکنون در انواع ساختمان ها با کاربری های مختلف در کشور اعم از مسکونی، اداری، تجاری، درمانی و دارویی و … به کار رفته است. این سیستم که به صورت پیش ساخته و البته سفارشی سازی شده برای هر پروژه طراحی و ساخته می شود، در مقایسه با هزینه سایر سیستم های ساختمانی سنتی، کاملاً رقابتی بوده و مزایای فنی و اجرایی قابل توجه آن عموماً نظر کارفرمایان و مهندسین را جلب می کند.
جمع‌وجور بودن
غالباً از دیدگاه معماری، المان‌های مهاربندی نامطلوب تلقی می‌شوند، زیرا معمولاً دید ساکنان را محدود و یا مسدود کنند و بر زیبایی‌شناختی ساختمان تأثیر منفی می‌گذارند. یکی از ملاحظات مهم طراحی برای پژوهشگران و متخصصان، کاهش ابعاد مهاربندهای کمانش تاب است. همچنین نصب و حمل مهاربندهای کمانش تاب با مقطع کوچکتر، راحت‌تر است.
اگر بنا باشد مقاومت و سختی مشخصی را در نظر بگیریم، مهاربند کمانش تابِ تمام‌فولادی احتمالاً جمع‌وجورترین گزینه است. ابعاد مهاربند کمانش تاب نیز غالباً وابسته به ابعاد غلاف است و بررسی نحوه کاهش ابعاد غلاف بدون تحت تاثیر قرار دادن عملکرد مهاربند کمانش تاب همواره یکی از ملاحظات مهم در مطالعات پژوهشی و کاربردی است.
سبک بودن
یکی از ملاحظات عملی مهم، وزن مهاربندهای کمانش تاب است زیرا تعداد مهاربندهای کمانش تاب مورد استفاده در یک ساختمان معمولی میان‌مرتبه تا بلندمرتبه می‌تواند قابل‌توجه باشد. مهاربند کمانش تاب سبک‌تر به معنای مونتاژ راحت‌تر و نصب سریع‌تر است و می‌تواند باعث کاهش قابل‌توجه وزن کلی ساختمان گردد. اگر موضوع کاهش وزن اهمیت زیادی دارد، می‌توان استفاده از آلیاژهای آلومینیوم برای هسته را مد نظر قرار داد، که البته به قیمت کاهش سختی و مقاومت سازه تمام می‌شود.
در رابطه با غلاف، مهاربند کمانش‌تاب تمام‌فولادی که به درستی طراحی‌شده اغلب سبک‌تر از مهاربند کمانش‌تاب پر شده با بتن است. علاوه بر این، با توجه به نسبت استحکام به وزن بالای پلیمر تقویت‌شده با الیاف (FRP) (مثلاً چگالی GFRP تنها حدود یک سوم فولاد است)، استفاده از آن به عنوان غلاف مهاربندهای کمانش‌تاب می‌تواند گزینه جذابی باشد.
مقاومت در برابر خوردگی
در سازه‌های فولادی و هر المان سازه‌ای فولادی مانند مهاربندهای کمانش تاب، جلوگیری از خوردگی فرایندی اجتناب‌ناپذیر است. زنگ‌زدگی (به‌ویژه در هسته) تهدیدی جدی برای عملکرد لرزه‌ای مهاربند کمانش‌تاب محسوب می‌شود. با وجود استفاده از برخی اقدامات پیشگیری از خوردگی مانند استفاده از پوشش اپوکسی یا رنگ ضدخوردگی، باز هم احتمال دارد این اقدامات در محیط‌های خاصی که اعضای سازه در معرض هوا و مستعد نفوذ آب هستند، چندان مؤثر نباشند. در این شرایط، استفاده از آلیاژهای آلومینیوم و FRP به عنوان اجزای مهاربند کمانش تاب توصیه می‌شود.
ثبت ديدگاه