مقاله تحلیلی: شکل‌ پذیری در قاب‌ های مهاربندی‌ شده

پس از زلزله نورثریچ بود که احساس شد به روش هوشمندانه‌تری برای طراحی لرزه‌ای نیاز است. در مورد قاب‌های مهاربندی‌شده، این موضوع باعث آزمایش دقیق‌تر رفتار سیستم و اجزای آن در دریفت های بزرگ شده است. مهندسان رویکرد خود در تحلیل، تعیین ابعاد و تهیه جزئیات قاب‌های مهاربندی‌شده را به‌منظور جلوگیری از گسیختگی اتصال و دیگر رفتارهای نامطلوب مشاهده‌شده تغییر دادند. همچنین از درس آموخته‌های تحقیقات راجع به قاب‌های خمشی فولادی همچون آزمایش مقاومت مورد انتظار مصالح برای طراحی قاب‌های مهاربندی‌شده استفاده گردید. همچنین پس از زلزله نورثریچ مهاربند کمانش تاب به‌عنوان ابزاری مفید در طراحی لرزه‌ای معرفی شد.

پیشینه

قبل از زلزله نورثریچ قاب‌های مهاربندی‌شده سیستم سازه‌ای متعارفی در مجموعه‌های غیرصنعتی نبودند. عملکرد پیشین قاب‌های فولادی دارای مهاربند و تحقیقات اولیه محققان ایالات‌متحده و ژاپن نشان داد که استهلاک انرژی پلاستیک این سیستم‌ها ضعیف است؛ لذا در نواحی با لرزه‌خیزی بالا قاب‌های خمشی در سازه‌های فولادی گزینه ارجح هستند. زمانی که زلزله سال 1994 نورثریچ آسیب پیش‌بینی‌نشده‌ای به قاب‌های خمشی فولادی (SMRF) وارد کرد، عدم قطعیت‌هایی در رابطه با روش‌های طراحی قابل‌اطمینان و مناسب برای SMRF به وجود آمد. در این راستا، آژانس مدیریت بحران فدرال (FEMA) بودجه‌ای را به تحقیق درباره تهیه دستورالعمل‌های طراحی و ساخت قاب‌های خمشی (فعالیت مشترکی که به‌عنوان پروژه فولادی SAC شناخته می‌شود) اختصاص داد. این دستورالعمل‌ها محدودیت‌ها و قوانین پرهزینه‌ای را برای ساخت قاب خمشی فولادی به وجود آورد که افزایش محبوبیت قاب فولادی مهاربندی‌شده را در پی داشت. متأسفانه برخی از مسائلی که عملکرد قاب‌های خمشی را در زلزله نورثریچ تحت تأثیر قرار داد (و در پروژه فولادی SAC در نظر گرفته شد)، ممکن است عملکرد قاب‌های مهاربندی‌شده را تحت تأثیر قرار دهد.

مشکلات

به علت کمبود نسبی محبوبیت قاب‌های مهاربندی‌شده، در زلزله نورثریچ قاب‌های مهاربندی‌شده در معرض تکان‌های شدید زمین قرار نگرفتند. شش ساختمان فولادی مهاربندی‌شده که مجهز به ابزار شده بودند، باوجوداینکه شدت‌های تکان زمین در آن موقعیت‌ها متوسط گزارش شده بودند (نعیم، 1997، 1998)، متحمل آسیب اندکی شدند یا اصلاً آسیبی ندیدند. بااین‌حال، گزارش‌های عمومی گسترده‌ای از یک ساختمان فولادی مهاربندی‌شده منتشر شد که مورد انتقاد گسترده‌ای قرار گرفت: ساختمان اداری چهار طبقه در شمال هالیوود. در این ساختمان که مطابق با آیین‌نامه ساختمانی سال 1980 لس‌آنجلس طراحی و در سال 1986 ساخته شد، تمامی آسیب‌ها در طبقه پایین‌تر متمرکز شده بود که اکثر مهارها دریک سطح افقی در طول میانی یا اتصالات خود گسیخته شدند. آسیب وارد به مهاربندهای طبقه بالاتر ناچیز بود. باوجوداینکه ساختمان دچار فروریزش نشد، اما مقاومت جانبی در پایین‌ترین طبقه به خطر افتاد.

ازنظر نویسندگان این مقاله، عملکرد این ساختمان دو مسئله اساسی را درباره قاب‌های دارای مهاربند آشکار ساخت (که توسط برخی از محققان دیگر نیز شناسایی‌شده است): (1) نسبت‌های عرض به ضخامت (b/t) مهاربندها برای جلوگیری از گسیختگی در چرخه‌های زیاد غیر الاستیک ناکافی بود و (2) طراحی اتصالات به‌منظور جلوگیری از گسیختگی ناکافی بود. یک سال بعد در طول زلزله سال 1994 کوبه رفتار تقریباً مشابهی گزارش شد.

اگرچه که طراحان گمان می‌کردند مهاربندها توسط نیروی فشاری کنترل می‌شوند اما بررسی دقیق عوامل مؤثر بر پاسخ لرزه‌ای مشخص کرد که پایداری سازه‌های قابی مهاربندی‌شده کاملاً وابسته به رفتار مهاربندها در کشش است. مهاربندهایی که در معرض فشار قرار می‌گیرند در دریفت های بسیار پایین دچار کمانش می‌شوند. درصورتی‌که این مهاربندها و اتصال‌هایشان تغییر شکل‌های همراه با این کمانش را تحمل کنند، می‌توانند با تغییر جهت دریفت در برابر نیروهای کششی نیز یکپارچگی خود را حفظ کنند. مقداری انرژی در اولین چرخه کمانشی مستهلک می‌شود اما پس‌ازآن استهلاک انرژی بیشتر درنتیجه تغییر طول مهاربند اتفاق می‌افتد. اگرچه که الزامات، طراحی تعداد مهاربندهای کششی و فشاری تقریباً متعادل را الزامی می‌دانند اما تعیین ابعاد قاب‌های مهاربند به‌منظور برخورداری از رفتار مثبت پس از تسلیم توسط آیین‌نامه الزامی دانسته نشده و این چالش‌برانگیز است. عموماً تعیین ابعاد ناکافی باعث تمرکز آسیب در یک طبقه مشخص می‌شود (همان‌طور که در زلزله نورثریچ مشاهده شد) که درنتیجه تقاضاهای نیروی مهاربند را افزایش خواهد داد. به بیانی دقیق‌تر، تقاضای غیر الاستیک وارد بر مهاربندها با لاغری (KL/r) متوسط باعث دوران‌های پلاستیک شدید در مفصل تحت دریفت غیر الاستیک نسبتاً کم می‌شود.

مهاربندهایی تحت کمانش خارج از صفحه قرار می‌گیرند، دوران غیر الاستیک شدیدی را در وسط دهانه تجربه می‌کنند. تقاضای دوران برای اتصالات خمشی (و نیازمندی‌های فشردگی مقطع مطابق با آن‌ها) مشابه ِمهاربندهای در معرض کمانش خمشی و تشکیل مفصل پلاستیک پس‌ازآن هستند اما تقاضای دورانی مهاربند ممکن است خیلی بیشتر باشد. دوران پلاستیک در مفصل وسط دهانه بسته به لاغری مهاربند ممکن است بیشتر از %10 باشد. بازه لاغری تا قبل از زلزله نورثریچ برای این‌گونه تقاضاهای دورانی شدید ناکافی بود و تا حدودی علت تمرکزهای آسیب شدید و گسیختگی‌های مهاربند همراه با استهلاک انرژی بسیار کمتر از مقدار مطلوب، نیز همین موضوع بوده است.

مشکل قاب‌های خمشی نیز این موضوع را بدتر کرده است: مقاومت تسلیم برای مصالحی که در مهاربندها استفاده شدند، نسبت به مقدار پیش‌بینی‌شده بسیار بالاتر بود (FEMA,2000). مقاطع سازه‌ای توخالی (HSS) متعارف که در قاب‌های مهاربندی‌شده رایج هستند طی یک فرآیند نورد سرد بهره تولید می‌شوند که در آن کرنش، فولاد را از F_y اسمی 46 ksi تا حدود 60 ksi سخت می‌کند. این اضافه مقاومت باعث اتصالاتی می‌شود که ممکن است طراحی مناسبی به‌منظور سازگاری با مقاومت تسلیم مهاربند نداشته باشند و درنتیجه زمانی که قاب‌ها در معرض دریفت غیر الاستیک قرار می‌گیرند، مقاومت مورد انتظاری که توسط مهاربند تأمین می‌شود را با محدودیت مواجه خواهند کرد. 

راه‌حل

انجمن‌های تحقیقاتی و طراحی پس از زلزله‌های 1994 نورثریچ و 1995 کوبه شروع به بررسی مشاهدات خود کردند. این تحقیقات تمرکز بر ارزیابی کفایت الزامات طراحی موجود و عملیات اجرایی متعارف را ازسر گرفتند و توجه اصلی آن‌ها معطوف به انتخاب مهاربند، طراحی اتصال، جزئیات بندی ورق‌های گاست و بررسی روش‌های طراحی جایگزین بود.

تحقیقات قبل از زلزله 1994 نورثریچ نشان داده‌اند که ارتباط حساسی بین لاغری مهاربند و تقاضای دورانی ناشی از کمانش وجود دارد (Goel، 1992). هرچه مهاربند لاغرتر باشد، تقاضای تغییر شکل پلاستیک در مفصل پلاستیک پایین‌تر خواهد بود. چندین آزمایش تمام‌مقیاس مستقل از مهاربندهای بال‌پهن، HSS داروی و لوله پرشده با بتن نشان دادند که فشردگی بیشترین تأثیر را بر روی شکل‌پذیری محوری مهاربند دارد. باوجود اهمیت این موضوع که لوله‌های پرشده با بتن به مقدار زیادی عملکرد مهاربند را برای مقاطع بسیار لاغر بهبود می‌دهند اما رفتار آن‌ها نسبت به فشردگی حساس بود.

مطالعات نشان داد که مهاربندهای لاغرتر (KL/r) برای ساختمان‌های دارای زمان تناوب کوتاه‌تر (کمتر از 1 ثانیه) می‌توانند عملکرد پس از کمانش را بهبود بخشند چراکه مهاربندهای لاغری که برمبنای ظرفیت فشاری طراحی‌شده‌اند زمانی که در معرض کشش قرار می‌گیرند، اضافه مقاومت بسیار بالایی خواهند داشت. زمانی که نسبت R_y/ AF_y به P_cr به یک نزدیک باشد (که برای مهاربندهای محکم‌تر رخ می‌دهد)، سیستم ممکن است دارای  کرنش سخت‌شوندگی باشد که موجب توزیع آسیب به طبقات دیگر کافی خواهد بود. بااین‌حال، استفاده از مهاربندهای لاغر چالش دیگری را به وجود می‌آورد چراکه نیروهای اتصال نسبتاً بزرگ بوده و مهاربندهای تحت کشش ، نیروهای بزرگی را به ستون‌ها اعمال کنند. 

 شکل a1- گسیختگی مقطع که در شکل‌پذیری‌های کمتر از مقدار مورد انتظار رخ می‌دهد. 

اتصالات متعارف مهاربند HSS از گاست پلیت "چاقویی" بهره می‌برند که درنتیجه باعث کاهش مقطع پیرامون گاست پلیت خواهد شد. باوجوداینکه این ناحیه "مقطع خالص" بخش ضعیفی در رفتار مهاربند خواهد بود اما کاهش شکل‌پذیری حاصل از آن هرگز محاسبه نشده است. این تحقیق نشان داد که طراحی‌های متعارف شکل‌پذیر نبودند (شکل a1) درحالی‌که اتصالات مسلح شده عملکرد خوبی داشتند. الزامات طراحی جدید، طراحی مقاطع کاهش‌یافته قوی‌تر از مهاربند را الزامی دانسته‌اند که باعث توزیع تسلیم در مهاربند خواهد شد. در حال حاضر جزئیات متعارف دارای ورق‌های تقویتی هستند (شکل b1). 

طراحان گاهی اوقات به دلایل سؤال‌برانگیزی مانند کاهش اندازه جوش، ساده‌سازی (یا عدم درک) "تسلیم وایتمور" و غیره  به استفاده از گاست های بزرگ روی آورده‌اند (شکل a2 و b2). این‌گونه گاست های بزرگ ممکن است باعث گسیختگی جوش و جداشدگی ورق گاست از اتصال تیر-ستون شود. الزامات جدید طراحی، حل این مشکل را از طریق طراحی این اتصالات برای نیروهای خمشی و ظرفیت دورانی مورد ملاحظه قرار می‌دهند. 

 شکل b1- جزئیات ورق پوششی که برای افزایش شکل‌پذیری مهاربند استفاده می‌شود. 

 شکل a2- ساخت گاست پلیت بزرگ

کاهش کمانش موضعی و طراحی اتصالات برای نیروهای خمشی و ظرفیت دورانی به‌اندازه کافی؛ کاهش مقاومت و سختی شدیدی که ممکن است در کمانش مهاربند به وجود آیند را در نظر نمی‌گیرد. این موضوع می‌تواند باعث تغییر شکل‌های پلاستیک دائمی قابل‌توجه، عدم امکان بهره‌برداری طولانی (ازکارافتادگی ساختمان)، تمرکز آسیب در یک طبقه مشخص و خطر فروریزش آن شود. 

روش‌های جایگزین مهاربندی به‌منظور در نظرگیری مسائل مربوط به مهاربندهای کمانشی متعارف مطرح شده‌اند. یک روش جایگزین، سیستم مهاربند کمانش تاب است. این سیستم‌ها درزمان زلزله نورثریچ در ایالات‌متحده استفاده نمی‌شدند بااین‌وجود در نقاط دیگر از آن‌ها استفاده می‌شد. چندین آزمایش توانایی آن‌ها برای تحمل بارهای لرزه‌ای در الگویی پایدار و قابل‌اطمینان نشان داد به‌طوری‌که کاهش مقاومت و سختی شدید همراه با المان‌های مهاربندی متعارف را تقریباً از بین برد. امروزه قاب دارای مهاربند کمانش تاب یک سیستم مهاربندی رایج است.   

 شکل b2- نصب گاست پلیت بسیار بزرگ

تغییر آیین‌نامه

بلافاصله پس از زلزله نورثریچ تحقیقات آغاز و الزامات آیین‌نامه‌ای مربوطه سریعاً ارائه شد. تدابیر طراحی لرزه‌ای جدید در سال 1997 ارائه شده و پیوسته همراه با انتشار تحقیقات جدید و مهم درباره قاب‌های مهاربندی‌شده به‌روزرسانی شده‌اند. 

قبل از زلزله نورثریچ الزامات طراحی لرزه‌ای تنها دارای یک دسته‌بندی بود:"قاب‌های مهاربندی همگرا" یا CBF. فعالیت درزمینه بهبود رفتار قاب‌های مهاربندی برای چندین سال ادامه داشت که باعث ساخت سیستم "قاب مهاربندی واگرا" شد. آیین‌نامه یکپارچه ساختمان 1994 (UBC) بین قاب‌های مهاربندی همگرای معمولی (OCBF) و قاب‌های مهاربندی همگرای ویژه (SCBF) تمایز قائل شده است که SCBF برای نیروهای کوچک‌تر طراحی‌شده اما در رابطه با جزئیات و ابعاد الزامات سخت‌گیرانه‌تری دارد. در طراحی OCBF انتظار ظرفیت دریفت غیر الاستیک بسیار اندک است درحالی‌که SCBF مکانیزم پلاستیک شناخته‌شده‌ای را توسعه داده و دریفت لرزه‌ای بزرگی را تحمل می کند. این مکانیزم SCBF شامل کمانش مهاربند و تسلیم کششی و نیروهای محوری (گاهی اوقات خمشی) موردنیاز در تیرها و ستون‌ها است. 

الزامات UBC همچنین مفهوم رفتار پس از کمانش قاب را به‌عنوان یک حالت طراحی معرفی کرده است. تیرهای موجود در قاب‌های مهاربندی شورون (مهاربند V شکل یا V شکل وارونه) باید برای یک ترکیب بار ویژه که نیروهای منطبق بر ظرفیت کامل کششی یک مهاربند را بعلاوه %30 مقاومت فشاری مهاربند مقابل را اعمال می کند طراحی شوند تا تقاضای خمشی قابل‌توجهی را برای تیر ایجاد نمایند. طراحی تیرها باید به‌گونه‌ای باشد که برای تحمل این تقاضای خمشی مقاومت کافی داشته باشند اگرچه که انعطاف‌پذیری به‌صورت صریح لحاظ نشده است.

AISC 341 آیین‌نامه ساختمانی برای طراحی لرزه‌ای سیستم‌های فولادی است. AISC 341 برای تعیین نیروهای طراحی تیر، ستون و اتصالات (قاب‌های مهاربندی‌شده)؛ تحلیل مکانیزم پلاستیک اولین مود ارتعاشی را معرفی کرده است. 

برای SCBF دو نوع تحلیل درنظرگرفته شده است: شرایط حاکم بر نقطه حداکثر کمانش (با در نظرگیری مقاومت کششی و فشاری کامل) و شرایط پس از کمانش (با در نظرگیری مقاومت کششی کامل به همراه %30 مقاومت فشاری). اولین حالت تقاضاهای اتصالات و واژگونی را حداکثر می‌سازد درحالی‌که حالت دوم تقاضاهای خمشی و نیروهایی را در نظر می‌گیرد که تنها در حالتی ظاهر می‌شوند که سیستم به یک مود رفتاری که در آن عکس‌العمل مهاربندها عمدتاً به‌صورت کششی است، تغییر می‌یابد. 

آینده

تحقیقات مداوم نشان داده‌اند که رفتار قاب مهاربندی‌شده می‌تواند بهبود بیشتری یابد. Sizemore، Fahnestock،Hines و Bradley احتمال فروریزش OCBF و R3BF (قاب‌های مهاربندی R=3 بدون جزئیات لرزه‌ای یا نیازمندی‌های ابعادی که تنها در نواحی دارای لرزه‌خیزی نسبتاً پایین مجاز هستند) را مورد بررسی قرار دادند. تحقیق آن‌ها شامل بررسی تأثیر قاب خمشی متوسط در جلوگیری از تشکیل مکانیزم های طبقه از طریق جلوگیری از زوال شدید مقاومت و سختی بوده است.

Simpson و Mahin (2018) در روشی مشابه (شکل 3) روشی برای طراحی با استفاده از یک خرپای پشت‌بنددار ارائه کردند تا از تشکیل مکانیزم های طبقه در سازه‌های قابی دارای مهاربند جلوگیری نمایند. ادغام این روش در آیین‌نامه طراحی دشوار است بااین‌حال بهبود عملکرد ساختمان قابل‌ملاحظه خواهد بود. 

فعالیت انجام‌شده توسط Roeder، Lumpkin و Lehman (2011) به شناسایی مشکلات ناشی از روش صفر و یکی رایج در طراحی لرزه‌ای قاب‌های مهاربندی کمک کرده است. تقاضاهای شکل‌پذیری وارد بر مهاربندها می‌تواند با طراحی آن‌ها به‌صورت فیوز و دیگر المآن‌ها به‌صورت نیرو-کنترل نسبتاً زیاد باشد. Roeder و همکاران (2011) در "روش تعادلی" خود برای طراحی و تعیین ابعاد نشان داده‌اند که تقاضاهای شکل‌پذیری مهاربند می‌تواند با رفتار غیر الاستیک اندک در اتصالات و تیرها (در قاب‌های مهاربندی شورون) کاهش یابد. این تقاضای شکل‌پذیری کمتر قبل از گسیختگی مهاربند به ظرفیت دریفت بزرگ‌تر تبدیل می‌شود. 

طراحی بر اساس عملکرد (PBD) اجازه به‌کارگیری ترکیبی از المآن‌ها را به‌منظور تأمین اطمینان کافی در برابر فروریزش می‌دهد. برای قاب‌های دارای مهاربند، تفاوت بین مودهای الاستیک پاسخ و مودهای پس از کمانش می‌تواند قابل‌ملاحظه باشد. علاوه بر این تحلیل لرزه‌ای غیرخطی نیز ممکن است چندین مود متفاوت پس از کمانش را مشخص نماید. مقادیر میانگین پاسخ مودهای کاملاً متفاوت ممکن است به‌اندازه در نظرگیری تک‌تک پاسخ‌ها، حاوی اطلاعات نباشند. طراحی بر اساس عملکرد به‌منظور توجیه جزئیات غیر شکل‌پذیر پیشنهاد شده اما ازنظر نویسندگان، اثبات مناسب بودن این‌گونه طراحی‌ها بیشتر در جهت نشان دادن محدودیت‌های PBD و روش‌های آماری عمل می کند نه در جهت اثبات قابلیت اطمینان یک طرح مشخص. 

استفاده از طراحی برمبنای عملکرد به‌منظور درک بهتر رفتارهای احتمالی قاب‌های دارای مهاربند بخصوص در ترکیب با طراحی‌های دیگر (مانند پشت‌بند) که می‌تواند رفتارهای نامطلوب را کاهش داده یا از آن‌ها جلوگیری کند؛ روش نویدبخش‌تری را ارائه می‌دهد.

  منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.