چکیده
سیستمهای سازه‌ای که در آیین‌نامه‌های ساختمانی وجود دارند برای عملکرد قابل قبول در حیطه‌ی اهداف عملکردی شدید (مانند ایمنی جانی ) تحت اثر سطوح بالایی از خطر زلزله کالیبره می‌شوند. هرچند که عملکرد سازه تحت مخاطرات لرزه‌ای، قطعی نیست و عملکرد بهینه لرزه‌ای سازه مستقیماً به توانایی مهار انرژی چرخه‌ای پایدارِ سیستم‌هایِ شکل‌پذیر بستگی دارد. در این مقاله نوعی سیستم سازه‌ای فولادی جدیدی به نام قاب مجهز به مهاربند کمانش تاب هیبریدی (BRBF) معرفی می‌شود. لغت هیبرید برای سیستم BRBF به استفاده از مصالح فولادی مختلف از جمله فولاد کربنی (A36)، فولاد با عملکرد بالا (HPS) و فولاد با نقطه‌ی تسلیم پایین (LYP) در هسته‌ی مهاربند، اشاره دارد. بدین منظور تحلیل‌‌های پوش اور استاتیکی غیرخطی و همچنین دینامیکی فزاینده غیرخطی برای مدل‌های مختلف BRBF انجام شدند تا رفتار لرزه‌ای سیستمهای BRBF استاندارد و هیبریدی با یکدیگر مقایسه شوند. نشان داده شده است که سیستمهای BRBF هیبریدی نسبت به سیستمهای BRBF استاندارد، بهبود قابل توجهی در معیارهای آسیب دیدگی مختلف من جمله کاهش قابل توجه در تغییرمکان‌های پسماند مسئله ساز در سیستمهای BRBF استاندارد یافته‌اند.
مقدمه
قاب مجهز به مهاربند کمانش تاب (BRBF) نوع خاصی از قاب‌های مهاربندی شده‌ی همگرا با ویژگی منحصر به فرد هستند که در آن، مهاربندها تحت فشار، کمانش نمی‌کنند. در حالت کلی مهاربندهای کمانش تاب (BRBs) به صورت شکل پذیری هم تحت فشار و هم کشش تسلیم می‌شوند و رفتار ایده‌آلی از مهار انرژی را به نمایش می‌گذارند. مهم‌ترین مشکل قاب‌های مجهز به مهاربند کمانش تاب تغییرشکل‌های پسماند زیاد احتمالی است که در سطوح بالایی از زلزله رخ می‌دهد، زیرا قاب‌های مجهز به مهاربند کمانش تاب مکانیزم مرکزگرایی نداشته و سختی پساتسلیم پایینی دارند.
سابلی و همکاران یک پژوهش عددی انجام دادند و گزارشی را ارائه کردند که دریفت‌های پسماند طبقه به میزان 40% الی 60% بیشینه دریفت‌ها تحت بارهای لرزه‌ای مبنای طراحی هستند. بنابراین، هرچند که BRBF ها ویژگی‌های بسیار مطلوبی در مهار انرژی دارند، اما وجود دریفت‌های پسماند شدید موجب افزایش هزینه‌های تعمیر سازه پس از وقوع زلزله می‌شود. یکی از راه‌حل‌ها برای مسئله تغییر شکل ماندگار بالا در قاب‌های با مهاربند کمانش تاب استفاده از سیستم قاب خمشی پشتیبان در قاب‌های دوگانه است تا تغییرشکل‌های پسماند به حداقل برسند.
مطالعات قبلی نشان داده‌اند هر زمان که از سیستم دوگانه استفاده شود، می‌توان دریفت‌های پسماند را تا بیش از 50 درصد کاهش داد. یک شیوه دیگر جهت حذف تغییرشکل‌های ماندگار در قاب‌های مجهز به مهاربند کمانش تاب، استفاده از مهاربندهای مهارکننده انرژی هم مرکز است که در آنها پاسخ‌های پسماند هیسترتیکِ به شکل پرچم با ظرفیت برگشت‌پذیری کامل را می‌توان با استفاده از متدهای مختلفی مانند به‌کارگیری میلگردهای آلیاژی نیکلی- تیتانیومی در مهاربندها به دست آورد.
نقطه ضعف مهاربندهای هم‌مرکز، هزینه زیاد ساخت سیستم است. مشکل دیگر سیستمهای مهار انرژی هیسترتیک تسلیم مانند قاب‌های مجهز به مهاربند کمانش تاب این است که این سیستم‌‌ها تنها پس از قرارگیری در گردش غیرالاستیک فعال می‌شوند. بنابراین آنها در میرایی تحت ارتعاشات با شدت پایین مؤثر نخواهند بود. هدف اصلی مطالعه‌ی قاب‌های مجهز به مهاربند کمانش تاب هیبریدی (ترکیبی)، داشتن توالی پلاستیسیته بهتر و کنترل شده‌تر در اعضای مدنظر در سازه است.
شکل 1 نشان‌دهنده تفاوت رفتار قاب استاندارد و قاب هیبریدی پیشنهادی در منحنی پوش است.
همان‌طور که در این شکل دیده می‌شود، انتظار می‌رود تا قاب‌های هیبریدی زودتر از قاب‌های معمولی تسلیم شوند و سختی گلوبال مثبت را حفظ کنند یا در سطوح دریفت بالاتر در شیب پساتسلیم منفی تأخیر داشته باشند. رفتار هیبریدی را می‌توان با استفاده از استراتژی‌های متفاوتی شامل مصالح مرکب و سیستمهای مرکب به دست آورد. در استراتژی مصالح هیبریدی، رفتار هیبریدی نشان داده شده در شکل 1 را می‌توان با استفاده از ترکیب فولاد با نقطه تسلیم پایین (LYP) و فولاد با عملکرد بالا (HPS) در BRB های چندهسته‌ای، به دست آورد و در استراتژی سیستم مرکب، می‌توان قاب‌های خمشی فولادی مختلف مانند ویژه (SMF)، متوسط (IMF) و معمولی (OMF) با الزامات دیتیل و شکل‌پذیری مختلف را در یک قاب خمشی هیبریدی با یکدیگر ترکیب کرد.
یک نوع از استراتژی‌های مصالح هیبریدی با استفاده از هسته‌های BRB ساخته شده از چندین مصالح در این مقاله بررسی شده است. در BRBF هیبریدی (ترکیبی)، مؤلفه LYP هسته BRB در زمان کمتری نسبت به فولاد کربنی تسلیم شده و مهار انرژی ناشی از تسلیم اولیه موجب کمک به BRBF هیبریدی (ترکیبی) جهت به حداقل رساندن پاسخ تحت زلزله‌های با شدت کم تا متوسط می‌شود. فولاد با عملکرد بالا (HPS) موجب ایجاد مقاومت مهاربند شده و سخت شدگی کرنش زیاد فولاد LYP موجب بی‌اثر شدن سختی ناچیز پسا تسلیم BRBF های استاندارد و کاهش احتمال ناپایداری دینامیکی تحت وقوع زمین‌لرزه‌های با شدت زیاد می‌شود. شایان‌ذکر است که ناپایداری دینامیکی که می‌توان آن را به‌عنوان پیش‌درآمد فروریزش و فروریزش واقعی تعریف کرد (خرابی کامل سازه)، در این متن به‌جای یکدیگر استفاده شده‌اند.
جهت مطالعه مقاله ارزیابی و سنجش پاسخ لرزه‌ای سازه‌های بتنی مجهز به مهاربند کمانش تاب کلیک کنید.
هدف مقاله
هدف و انگیزه این مقاله، اصلاح قوانین طراحی و اجرا به‌منظور بهبود عملکرد سیستمهای BRBF قدیمی در صورت وقوع خطرات در سطوح مختلف است. ازجمله اهداف اصلی این مقاله، می‌توان به تحقق عملکرد بهتر در زمین‌لرزه‌های خفیف، به حداقل رساندن تغییر مکان‌های پسماند در پایه طراحی و حداکثر سطوح زلزله در نظر گرفته شده (DBE/MCE)، افزایش قابلیت اطمینان سیستمهای کنونی و کاهش احتمال ناپایداری دینامیکی اشاره کرد. همچنین حفظ اثر اقتصادی این فرآیند با کمترین هزینه‌ها در عین بهبود عملکرد، موردتوجه قرار دارد.
مصالح مهاربند هیبریدی (ترکیبی) و کاربرد آنها در عمل
فولاد کم مقاومت
درحالت کلی می‌توان به تسلیم اولیه در اعضا با استفاده از مصالح دارای نقطه تسلیم پایین (LYP) در مقایسه با فولاد سازه‌ای استاندارد با رده‌های A36 و A572 دست یافت. این مصالح با کرنش تسلیم پایین، سبب بروز رفتار غیر الاستیک شده و انرژی را تحت دریفت های ناچیز، مهار می‌کنند. رسیدن به شکل‌پذیری بهتر با استفاده از این مصالح برای کاربردهای لرزه‌ای ضروری است. می‌توان این موضوع را با الزامات طراحی مهاربند کمانش تاب (BRBF) توصیف کرد.
مطابق با الزامات ضوابط آزمون چرخه‌ای در مورد طراحی BRBF، وجود ظرفیت کافی جهت تحمل تعداد مشخصی از بارهای چرخه‌ای متناظر با دریفت طراحی طبقه ضروری است. اگر متریال دارای کرنش تسلیم ناچیزی باشد، تغییر شکل غیر الاستیک تجمعی در انتهای سیکل‌های بارگذاری، بسیار بیشتر از تغییر شکل غیر الاستیک تجمعی مشاهده شده برای رده فولادهای سازه‌ای استاندارد است. بنابراین، افزایش قابلیت مهار انرژی بدون بروز شکست خستگی ناشی از سیکل‌های تکراری کشش و فشار ضروری است.
لازم به ذکر است که دو آلیاژ فولادی کم‌کربن (درصد کربن: 0.01% الی 0.1% یا کمتر) شناسایی شده‌اند که دارای مقاومت تسلیم کمتر و شکل‌پذیری بیشتر در قیاس با فولاد سازه‌ای است. این مصالح، LYP نامیده شده و در دو رده LYP100 و LYP235 در دسترس بوده و تنش تسلیم متوسط آنها به ترتیب، 100MPa و 235MPa است. هنگام مقایسه LYP100 با فولادهای دارای کربن متوسط معادل با ASTM36، مشاهده شد که این دو فولاد دارای مدول الاستیسیته یکسانی بوده، تنش در حالت تسلیم اولیه، تقریباً به میزان یک‌سوم حداکثر تنش است، هیچ نوع فلات (ثابت‌شدگی) از تسلیم پلاستیک متفاوت پدیدار نشده است، سخت شدگی کرنشی نسبتاً زیاد بوده و کرنش گسیختگی فولاد LYP100، تقریباً به میزان 1.5 الی 2 برابر بیشتر است. عمر کلی خستگی برای ورق‌های فولادی با مقاومت تسلیم متفاوت، یکسان است. هنگامی‌که دامنه کرنش کلی بیش از %0.8 است، ظرفیت مهار انرژی فولادهای با نقطه تسلیم پایین، بیشتر از ظرفیت فولادهای نرم نیست، اما هنگامی‌که دامنه کرنش کلی کمتر از %0.7 باشد، ظرفیت فولاد بسیار مطلوب خواهد بود. مخصوصا وقتی دامنه کرنش در بازه بین %0.1 و %0.3 باشد جایی که فولادهای نرم به‌صورت الاستیک بوده و هیچ نوع ظرفیت جذب انرژی ندارند، در واقع فولادهای با نقطه تسلیم پایین دارای ظرفیت مهار انرژی بسیار مطلوبی هستند.
فولادهای LYP در دستگاه‌های کنترل لرزه‌ای به‌ویژه در BRB ها و دیوارهای برشی فولادی در ژاپن استفاده می‌شوند. بر اساس پژوهش چن و همکاران که بر روی یک قاب سه طبقه ساده با نمونه‌های BRB شامل فولاد LYP100 به‌عنوان المان‌های باربر انجام شده است، گزارش شده که این المان‌ها عملکرد بسیار مطلوبی با تخصیص نسبت مقاومت بالاتر (مقاومت لازم تقسیم بر مقاومت فراهم شده) برای مهاربندها و نسبت مقاومت کمتر در تیرها و ستون‌ها دارند.
طی استفاده از این روش، تسلیم در اعضای مهاربند با حفظ الاستیک بودن اعضای دیگر در طی وقوع زمین‌لرزه‌های اصلی رخ می‌دهد. همچنین درگذشته، دستگاه‌های دارای تسلیم برشی با فولاد LYP نیز مطالعه شده‌اند. مطابق یکی از این پژوهش‌ها که توسط ناکاشیما و همکاران انجام شده است، فولاد نوع LYP100 به‌عنوان پانل برشی استفاده شد. پانل‌های برشی آزمایش شده با نیروی برشی تقریباً به میزان یک‌سوم نیروی برشی تسلیم پانل‌های برشی معادل از جنس فولاد نرم، تسلیم شدند. پانل‌های برشی رفتار هیسترسیس پایداری را با تضمین ظرفیت مهار انرژی بالا نشان دادند. همچنین سخت شدگی کرنشی کافی در پانل‌های برشی تحت آزمایش مشاهده شد و ظرفیت مهار انرژی نیز به میزان تقریباً 1.5 برابر بیشتر از یک سیستم معادل الاستیک خطی- پلاستیک ایده آل به دست آمد.
جهت مطالعه مقاله رفتار کامپوزیت در ساختمان‌های RC (بتن آرمه) مقاوم سازی شده با استفاده از مهاربندهای کمانش تاب (BRB) با قاب‌های فولادی الاستیک کلیک کنید.
ثبت ديدگاه