دانلود مقاله بادبندهای واگرا ( EBF ) و همگرا ( CBF )

بخشی از مقاله

فصل اول:
انواع سیستمهای باربر جانبی

1-1- تأثیر سختی بر رفتارهای لرزه ای:
افزایش سختی موجب کاهش تناوب می شود و در نتیجه سازه را اگر در ناحیه نرم باشد به سمت ناحیه تشدید و شتاب پاسخ را افزایش می دهد. بعکس اگر سازه در ناحیه تشدید باشد، آن را به سمت ناحیه سخت برده و شتاب پاسخ را کاهش می دهد. بنابراین افزایش سختی روی شتاب پاسخ تأثیری دوگانه دارد. از آنجا که نواحی سه گانه جایگاه ثابتی ندارند نمی توان با قطعیت بیان

کرد که آیا سخت کردن یک سازه به افزایش نیروهای زلزله می انجامد یا به کاهش آن به همین دلیل نقش طبقه نرم در یک سازه مدتها مورد بحث و جدل بوده است. برخی معتقدند که وجود یک طبقه نرم موجب کاهش سختی و در نتیجه کاهش نیروهای زلزله می شود و گروهی دیگر طبقه نرم را موجب تمرکز انرژی در یک طبقه و در نتیجه انهدام آن طبقه می دانند.
ناحيه
ناحیه نرم ناحیه تشدید سخت شتاب

1.0

در عمل درستی نظر گروه دوم ثابت شده است و اکنون نظریه اول کنار گذاشته شده است. گروه اول دو نکته را از نظر دور داشته اند:
1- اول اینکه با کاهش سختی معلوم نیست نیروهای زلزله کاهش یابد. اگر چه این مطلب با توجه به طیف آیین نامه درست به نظر می رسد، اما چرا در طیف آیین نامه نیروی زلزله در ناحیه سخت با ناحیه تشدید یکی در نظر گرفته شده است.

2- دوم آنکه افزایش سختی که معمولا به کمک بادبند یا دیوار برشی صورت می گیرد با افزایش مقاومت همراه است. حال حتی اگر بپذیریم که افزایش سختی موجب افزایش نیروی زلزله می شود سوال این است:
سوال؛ آیا این افزایش نیرو از آن افزایش مقاومت بیشتر است یا کمتر؟
راه حل این مشکل در این است که ملاک را در جابجایی سازه قرار دهیم نه در نیرو. اگر با افزایش سختی، جابجایی ها کاهش یابند، سازه در جهت افزایش پایداری حرکت کرده است و بر عکس. بررسی این موضوع یه کمک طیف پاسخ جابجایی قابل انجام است.

1-2- سیستمهای لرزه بر:
منظور از سیستم لرزه بر یک سیستم سازه ای است که در برابر نیروهای افقی توان مقاومت داشته باشد. از آنجا که جهت نیروهای زلزله را نمی توان از قبل تعیین نمود هر ساختمان بناچار باید در هر دو جهت متعامد مجهز به سیستم لرزه بر باشد تا بتواند نیروهای احتمالی را در هر دو جهت تحمل نماید.
انواع سیستم های مقاوم بصورت زیر در استاندارد 2800 تقسیم بندی شده اند:
1-2-1- سیستم قاب ساختمانی ساده:

نوعی سیستم سازه ای است که در آن بارهای قائم عمدتا توسط قالب های ساختمانی کامل تحمل شده و مقاومت در برابر نیروهای جانبی به وسیله دیوارهای برشی و یا
قاب‌های مهاربندی شده تأمین می شود. در این سیستم اتصالات مفصلی است. سیستم قالب های با اتصالات خورجینی (یا رکابی) همراه با مهاربندی های قائم نیز جزء این گروه اند.
در این سیستم این نوع قاب اتصالات از نوع مفصلی بوده و خود قاب هیچ نیروی جانبی را تحمل نمی کند و تمام نیروهای جانبی توسط مهاربند و دیوارهای برشی و تیهل می شوند. این نوع سیستم دارای سختی جانبی بالایی می باشد. در این سیستم طول موثر ستون ها برای کفاش، KL از حدود 0.8h تا h (h: ارتفاع طبقه) می باشد.
به علت سختی جانبی بالا، قاب تغییر مکان جانبی بسیار کمی دارند (در عمل بدون تغییر مکان در نظر گرفته می شوند) که این مسأله باعث می شود اعضای غیر سازه ای از ایمنی بالاتری برخوردار باشند و اثرات مرتبه دوم، P – Δ ، کم می شود.

1-2-2- دیوار برشی بتن آرمه:
این نوع دیوار معمولاً به صورت یکپارچه از روی پی تا ارتفاع مورد نظر ساخته می شود. در داخل بتن شبکه ای از میلگردهای افقی و قائم قرار می گیرد و میلگردهای قائم تا درون پی امتداد می یابند. دیوارهای برشی در ساختمان های بتنی، فولادی و آجری قابل استفاده هستند. در ساختمانهای فولادی دیوار برشی بتنی می تواند مانند میانقاب در داخل قاب قرار می گیرد که در این صورت نحوه محاسبه خاصی را خواهد داشت. دیوار برشی بتن آرمه هم از طبیعت زیادی برخوردار است و هم دارای نرمی و مقاومت چشمگیری می باشد. از محاسن دیگر آن انعطاف برای تغییرات مربوط به معماری است مثلاً

براحتی می توان در میان آن باز شد (در و پنجره) تعبیه کرد و یا از ضخامتش کاست.
1-2-3- دیوار برشی آجری مسلح:
با استقرار میلگردهای افقی و قائم در داخل دیوار آجری و مهار میلگردهای قائم در شناژ زیرین، می توان دیوار آجری را مسلح کرد. چنین دیواری می تواند مانند دیوار بتن آرمه در برابر نیروی جانبی زلزله بایستد. وجود میلگرد علاوه بر افزایش مقاومت موجب افزایش چشمگیر نرمی نیز می شود و از این رو این نوع دیوار در زمره سیستمهای لرزه بر قرار می گیرد.
1-2-4- بادبند
ساختمانهای فولادی را می توان به کمک بادبند در برابر نیروی جانبی مقاوم ساخت. از انواع متداول آن می توان از بادبندهای ضربدری، جناغی،‌ زانویی، لوزی نام برد. علاوه بر این در ساختمانهای بتنی پیش ساخته گاهی از بادبند بعنوان سیستم لرزه بر استفاده می شود.

الف-بادبند ضربدری پ-بادبند لوزی ب-بادبند جناغی
1-2-5- قاب خمشی
در یک قاب چنانچه اتصالات تیر و ستون گیردار باشد، قاب خمشی نامیده می شود. این چنین قابی می تواند
مقاوم خمشی که حد اقل 25 درصد نیروهای جانبی را داشته باشد اجباری است و برای مقابله با نیروهای جانبی نباید منحصراً به دیوارهای برشی یا بادبند اکتفا نمود.
نیروهای جانبی را به کمک کنش خمشی تحمل کند و بزمین منتقل سازد، و به همین خاطر جزء سیستمهای لرزه بر شناخته می شود. در قابهای بتنی اتصالات به طور طبیعی گیر دارند و از این رو کلیه قابهای بتنی از نوع خمشی اند بجز در ساختمانهای پیش ساخته که ممکن است میزان گیرداری اتصالات چندان مشخص نباشد، در ساختمانهای فلزی طرح اتصالات

گیرداری ضوابط خاصی است و معمولاً اجرای آن پر هزینه تر و مشکل تر از اتصالات مفصلی است. از این گذشته سیستم قاب خمشی در مقایسه با قاب بندی شده اصولاً از توان و کارایی کمتری برخوردار است زیرا بجای کنش خرپایی (که موجب ایجاد نیروی محوری در اعضا می شود) نیروها را با کنش خمشی تحمل می کند و این باعث می شود که اعضاء تحت خمش قرار گیرند.

1-2-6- سیستمهای مختلط (دوگانه) :
می توان ترکیبی از سیستمهای فوق را بکار گرفت. این ترکیب می تواند روی یک محور و یا چند محور موازی انجام شود. در ترکیب سیستم های لرزه بر باید توجه داشت که دیوارهای برشی و قابهای بادبندی شده از منحنی مشابهی برخوردارند و هنگامی که تحت جابجایی یکسان قرار می گیرند نیروی واکنش آنها مشابه است، در حالیکه سختی دیوار برشی و قاب خمشی (و یا قاب بادبندی شده و قاب خمشی) تفاوت بسیاری دارد و وقتی این دو تحت جابجایی یکسانی قرار گیرند، بخش بزرگتری از نیرو متوجه سیستم سخت یعنی دیوار برشی (و یا بادبند) شده و در قاب خمشی نیروی کمتری ایجاد می گردد.

البته طبق بند 70102 آیین نامه 2800 در ساختمانهای بلند تر از 15 طبقه یا 50 متر احداث قاب با اتصالات مقاوم خمشی که حد اقل 25 درصد نیروهای جانبی را داشته باشد اجباری است و برای مقابله با نیروهای جانبی نباید منحصراً به دیوارهای برشی یا بادبند اکتفا نمود.
1-3- توزیع نیروی زلزله بین قابهای خمشی و قابهای بادبندی شده

طبق آیین نامه 2800 اگر از سیستم مختلط استفاده شود می توان ضریب رفتار را برابر 8 فرض نمود، چنین سیستمی از اختلاط قاب خمشی و قاب بادبندی شده (یا دیوار برشی) تشکیل می شود. در محاسبه چنین سیستمی توجه به نکات زیر ضروری است:

1. هنگامی سیستم لرزه بر مختلط محسوب می شود که تعداد قابهای خمشی آنقدر باشد که مقاومت مجموعه آنها برابر 25% کل نیروی زلزله باشد. این بدان معنا نیست که 25% نیروی زلزله بین عناصر توزیع شود بلکه توزیع نیروی زلزله همانگونه که در زیر اشاره شده باید به نسبت سختی عناصر لرزه بر صورت گیرد.
2. اگرمقاومت قابهای خمشی کمتر از 25% نیروی زلزله باشد طبق آیین نامه 2800 سیستم از نوع قاب ساده محسوب می شود و ضریب رفتار برابر 7 خواهد بود. در این حالت قابهای بادبندی شده سیستم لرزه بر اصلی تلقی می شود اما

نیروی زلزله بین قابهای خمشی و بادبندی شده به نسبت سختی توزیع می شود.
3. طبق آیین نامه 2800 برای ساختمانهای تا 8 طبقه و یا کوتاهتر از 30 متر می توان 100% نیروی جانبی زلزله را به دیوارهای برشی و بادبندیها اعمال نمود و از مقایسه صلبیت عناصر مقاوم صرف نظر کرد مشروط بر آنکه قابها تحمل 30% نیروی جانبی را داشته باشند.
فصل دوم:
بادبند و انواع ان
2-1- مدل فرضی رفتار پسماند با دنبد تسمه ای:
بادبندی یک سازه روش مؤثری برای مقابله با نیروهای جانبی بویژه نیروی زلزله می باشد. از آنجا که در بادبند های معمولی اتلاف انرژی در حیطه خمیری بجای خمش خمیری با کشیدگی و تغییر طول محوری همراه است، طول بادبند در دوره های متوالی افزایش می یاید. مدل فرضی رفتار پسماند با دنبد تسمه ای لاغر در شکل زیر نمایش داده شده است:

(پ) بادبند B (ب) بادبند A (الف)

(ث) (ت)

در این شکل ρ و δ نیرو و تغییر طول تسمه و H و Δ نیروی جانبی و جابجایی جانبی قاب می باشند. چون تسمه ها فقط نیروی کشش را تحمل می کنند. با جمع نمودارهای ب و پ در شکل مزبور، نمودار ت بدست می آید. باید دانست که در پایان دور اول هر دو تسمه لق می شوند در رفتار پسماند مانند شکل ث ظرفیت اتلاف انرژی می گردد مگر اینکه جابجایی از قبل فرا تر رفته و بادبندها بیش از دور قبل کشیده شوند. با کاهش ضریب لاغری
بادبند، رفتار پسماند آن بهبود می یابد و آنچنانکه از ظرفیت اتلاف انرژی بیشتری برخوردار می گردند.
2-2- آزمایش شیباتا و ناکامورا:

از مجموعه آنچه درباره نتایج آزمایش شیباتا و ناکامورا بدست امد می توان نتیجه گرفت که مدل فرضی که در قبل بررسی شد نمی تواند رفتار بادبندهای نه چندان لاغر (مثلاً با ضریب لاغری کمتر از 140) را بدرستی تبیین کند، زیرا از یک سو مقاومت فشاری را نادیده می گیرد و از سوی دیگر سختی بادبند را در بخش عمده ای از محدوده بارگذاری مساوی صفر فرض می کند در حالی که نمونه های واقعی سختی قابل ملاحظه ای را در این فاصله از خود بروز می دهند. علاوه بر این، مدل فرضی بررسی شده در قبل تأثیر کاهندگی مقاومت در دوره های بارگذاری در نظر گرفته نشده است که می تواند در محاسبه پاسخ دنیا میکی سازه خطا ایجاد کند.
2-3- انواع مهاربندها:

در حالت کلی دو نوع مهاربند هم مرکز یا همگرا و خارج از مرکز یا واگرا وجود دارد، که با توجه به اهمیت ساختمان، محدودیتهای معماری، مسائل اقتصادی و ... یکی از انها انتخاب می گردد.

الف- مهاربند شورن ب- مهاربند شورن پ- مهاربند قطری ت- مهاربند ضربدری ث- مهاربندk
Cherron cherron X bracing
انواع مهاربند های هم مرکز یا همگرا

e e

e

e e
انواع مهاربندهای برون محور
2-4- بادبندهای هم گرا یا هم مرکز (CBF):
تعریف:
به قاب بادبندی شده ای، هم گرا یا هم مرکز اطلاق می شود،‌که محورهای خنثی در اعضای مختلف (تیرها، ستونها، اعضای مهاری) در یک نقطه مشترک در هر اتصال با هم تلاقی کنند.

در این سیستم مقاومت جانبی سازه توسط اعضای قطری که با تیرها و ستون های قاب تشکیل یک سیستم خرپایی را می دهند، تأمین می شود و معمولا اعضای مهاری در معرض نیروی محوری هستند.
• تعریف نقطه عملکرد:
به محل تلاقی خطوط مرکزی عضو مهاری، تیر و ستنون و یا اعضاء مهاری و تیر، نقطه عملکرد (Working Point) گفته می شود.
2-5 - بادبند برون محوریا واگرا(EBF):

برای حل مشکل کاهندگی بادبند تحت بار متناوب می توان از بادبند خمشی یا برون محور (eccentric bracing) استفاده نمود. ویژگی مهم این بادبندهای خمشی این است که با ایجاد تسلیم در اعضای خمشی می توان از کمانش بادبند فشاری جلوگیری کرد و بدینوسیله از کاهندگی سازه کاست.
برون محوری e : بادبند برون محور به شکل های مختلف قابل اجراء است. همانطور که در شکل های این نوع

بادبند نشان داده شده، در همه این شکل های مختلف، یک فاصله برون محوری e وجود دارد که عامل اصلی کنترل رفتار بادبند برون محور است. مهمترین تأثیر e بر رفتار سازه تنظیم میزان سختی جانبی سازه است. به طوریکه با کاهش برون محوری می توان سختی را تا حد سازه با بادبند هم محور افزایش داد.

بیشترین سختی جانبی برای (L طول تیر است) بدست می آید که در واقع مربوط به سازه با بادبندی هم محور است. با افزایش نسبت سختی جانبی به سرعت کاهش می یابد، اما از 0/4 = به بعد این کاهش با آهنگ کندی انجام می شود و سر انجام سختی جانبی به مجانب افقی که همان سختی قاب بدون بادبند است نزدیک می‌شود.

در دهانه با یک بادبند برون محور، بخشی از تیر که در فاصله ستون تا محل اتصال بادبند برون محور قرار گرفته تیر رابط نامیده می شود و طول آن برابر e می باشد. نقش مهم تیر رابط این است که عمل تسلیم در برابر نیروی جانبی را در خود متمرکز ساخته و بادبند را از ناپایداری ناشی از کمانش حفظ کند. با طراحی صحیح تیر رابط می توان شکست را به صورت کنترل شده و مطلوب درآورد و در نتیجه نرمی (شکل پذیری) سازه در برابر نیروهای زلزله بالا برد. در حالت کلی، تیر رابط دارای دو حالت شکست است: شکست خمشی و شکست برشی.
در شکست خمشی، عمل تسلیم و اتلاف انرژی به صورت باز و بسته شدن لولاهای خمیری در تیر رابط تحت نیروی جانبی متناوب صورت می گیرد، و در شکست برشی این عمل با تسلیم برشی ورق جان تیر رابط و ایجاد لولاهای خمیری در بالای این تیر صورت می پذیرد.

تحقیقات مفصل در این باره نشان می دهد شکست برشی تیر رابط مطلوب تر از شکست خمشی است. تحقق هر یک از این دو حالت شکست بستگی به مقدار e دارد و همانطور که در بخش طراحی بادبند برون محور مطرح می شود، با کاهش دادن برون محوری e می توان شکست برشی را حکمفرما کرد.

فصل سوم:
خصوصیات و مقایسه بادبندهای همگرا و واگرا (CBF وEBF)
3-1- خصوصیات مهاربندهای همگرا و واگرا:
قاب های مهاربندی شده همگرا دارای سختی متناسب، اتصالات ساده و سرعت اجرایی بالا هستند. این قاب ها، به علت سختی بالا، شکل پذیری مناسبی ندارند. استفاده از این قاب ها در مناطق زلزله خیز به علت شکل پذیری پایین توصیه نمی گردد.
قاب های مهاربندی شده واگرا دارای شکل پذیری خوب و سختی مناسبی هستند. از مشخصات اصلی این نوع مهاربندها یک جزء تیر می باشد، که به تیر پیوند معروف است (که در اشکال فوق با حرف e نمایش داده شده است) به این تیر، فیوز نیز گفته

می شود. این تیر مقدار زیادی از نیروی زلزله را جذب نموده و از کمانش مهاربند نیز جلوگیری می نماید. از دیگر مزایای این قاب امکان ایجاد باز شو در ساختمان می باشد. از نظر سختی این نوع مهاربندی از قاب خمشی سخت تر و از قاب های مهاربندی شده هم مرکز نرم تر می باشد.
3-2- مقایسه بادبندهای EBF و CBF

عموماً در سازه های فولادی قابهای مهاربندی همگرا (CBF) برای مقابله با نیروهای جانبی به کار گرفته می شود. این سیستم دارای سختی و مقاومت قابل ملاحظه می باشد و از لحاظ اقتصادی برای دهانه نسبتاً کوچک استفاده از این روش به علت ساده بودن اتصالات و سرعت اجرائی بالای آنها مقرون به صرفه می باشد. اما در مناطقی با زلزله خیزی بالا استفاده از این نوع سیستم پیشنهاد نمی شود، چرا که عناصر فشاری نظیر مهارها و ستونها، در صورت لاغری کلی با موضعی تحت اثر بارهای تناوبی
احتمال دارد بعد از چند سیکل بخش زیادی از مقاومت خود را از دست بدهند و در نتیجه به علت کمانش مهاربندها در بادهای متناوب، قدرت جذب انرژی، شکل

پذیری در

رفتار غیر ارتجاعی این نوع سیستم مهاربندی ضعیف می گردد. برای غلبه بر نواقص فوق ایده استفاده از سیستم مهاربندی واگرا (EBF) توسط پروفسور پوپوف و همکاران در اواسط دهه هفتاد میلادی پیشنهاد گردید، که در آن عضو قطری به جای اتصال به محل برخورد تیر ستون و یا تقاطع محدود و بادبند در یک نقطه ، با مقداری خروج از مرکزیت بر تیر متصل می گردد. با انتخاب فاصله مناسب برای تأمین سختی جانبی (شکل پذیری بصورت همزمان دست یافت. قاب مهاربندی واگرا در حقیقت، مقاومت و سختی قاب مهاربندی همگرا را با رفتار غیر ارتجاعی و قدرت جذب انرژی قاب خمشی ترکیب نموده و نهایتاً رفتار مناسبی از خود نشان می دهد.

در این سیستم مهاربندی، تیر پیوند که بین ستون و بادبند (تک قطری) و پایین دو بادبند (دو قطری) قرار گرفته است مانند فیوزی از وارد شدن نیروی بیش از حد به بادبندها و کمانش آنها جلوگیری می نماید و نیروی محوری بادبندهای قطری به صورت برش یا خمش به ستون یا به بادبند دیگر منتقل می شود. در طی چندین بارگذاری رفت و برگشتی تیر پیوند به صورت غیر ارتجاعی تغییر شکل می دهد و جذب انرژی به صورتی که در قابهای خمشی ملاحظه می گردد، انجام می شود.

(الف) (ب)
وقوع تسلیم در اعضای خمشی موجب جلوگیری از کمانش بادبند فشاری می‌شود.
14-1-2-4 رفتار بادبندهای واگرا
رفتار بادبندهای واگرا به طول تیر پیوند آنها بستگی دارد. اصولاً بادبندهای واگرا با طول پیوند کوتاه رفتار برشی و با طول پیوند بلند، رفتار خمشی دارند. هر چقدر طول پیوند کوتاه تر باشد سختی قاب بیشتر است. رابطة کیفی سختی قاب با طول تیر پیوند در جدول زير آمده است.
I >0.5 <0.5 0
قاب دارای حداقل سختی می باشد (معادل MRF) سختی ایجاد شده توسط بادبندها کم است بادبندها تأثیر زیادی در سختی قاب دارند قاب دارای بیشترین سختی می باشد (معادل CBF) حدود سختی
جدول تأثیرات طول تیر پیوند بر سختی قاب های مهاربندی شده واگرا
آزمایشات انجام شده بر روی این سیستم نشان از رفتار خوب قاب های EBF با طول پیوند کوتاه نسبت به طول پیوند بلند در بارهای دینامیکی دارد. لذا توصیه می شود در طراحی طول پیوند کوتاه مد نظر باشد .
3-3- انتخاب مهاربندی و ابعاد آن
جهت انتخاب مکان مهاربند توجه به توصیه های زیر مفید است:
1- مهاربندها در پلان به صورت متقارن قرار بگیرند، (برای جلوگیری از پیچش).
2- مهاربندها تا حد امکان دورتر از مرکز جرم باشند، (برای افزایش بازوی مقاوم).

3- مهاربند در دهانه های بزرگتر قرار بگیرند، (جهت کاهش نیروی کششی ستون و افزایش سختی جانبی).
4- مهاربندها طوری انتخاب شوند که سختی سازه در دو جهت به هم نزدیک شود، (رفتار سازه یکنواخت شود و تغییر شکل ها یکسان باشند).
5- مجتمع کردن سیستم های مهاربندی در دو جهت باعث خواهد شد مهاربندی ها در عملکرد متقابل بار جانبی در جهت دیگر هم کمک کنند.
- لازم به ذکر است لنگر پیچشی در اثر اعلام انطباق مراکز جرم و سختی به وجود می آید.
3-4- حداقل دهانه مهاربندی

تعیین حداقل تعداد دهانه برای مهاربندی بر اساس کنترل نیروی کششی ستونی می باشد. ابتدا نیروی جانبی زلزله محاسبه شده و نیـروی کششی تولید شده در ستون یا بار ثقلی موجود در ستون مقایسه می گردد.
راه حل های جلوگیری از نیروی کششی ستونی:
1- ازدیاد وزن فونداسیون ها؛
2- یکپارچه کردن عمل فونداسیون ها؛

3- افزایش دهانه های مهاربندی؛
4- داخل کردن باربری دیگر ستون ها.
سه روش اول بسیار بدیهی می باشد. درباره مورد آخر توضیحات بیشتری ادائه می گردد:
دخالت باربری دیگر ستون ها در مقابل باربری جانبی
در این روش با دخالت دادن ستون های دیگر در باربری جانبی مقدار کشش در ستون های دهانه مهاربندی شده کمتر می گردد.
3-5- مقایسه انواع سیستم های مقاوم جانبی

از مزایای قاب های خمشی این است که، می توان بازشوهای بزرگ جهت طرح های معماری در ساختمان ایجاد نمود. این قاب ها دارای یکپارچگی و شکل پذیری خیلی خوب می باشند اما در این قاب ها اجرای اتصالات مشکل است و از نظر مسایـل اقتصـادی پـرهزینه می باشند. مخصوصاً در سازه های بلند به علت شکل پذیری و نرمی زیاد این قاب ها، تغییر شکل های جانبی بزرگی به وجود می آید.
قاب های مهاربندی شده همگرا دارای سختی مناسب، اتصالات ساده و سرعت اجرای بالا هستند. این قاب ها، به علت سختی بالا، شکل پذیری مناسبی ندارند. استفاده از این قاب ها در مناطق زلزله خیز به علت شکل پذیری پائین توصیه نمی گردد.