بخشی از مقاله
خلاصه
مهاربندهای همگرا در فشار دچار کمانش می شوند لذا استفاده از مهاربندهای کمانش تاب - ضد کمانش - به جای مهاربندهای همگرای معمولی رایج گردید که کارایی بسیار مناسب تر و چرخه های هیسترتیک پایدارتری داشت. هسته با فولاد نرمه جاری شونده و غلاف از یک یا ترکیبی از انواع مختلف پروفیلهای موجود انتخاب می شوند و مونتاژ آنها معمولا زمان بر و هزینه بر است. در این تحقیق از دو لوله ، یکی جدار نازک به عنوان هسته و دیگری با شعاع بزرگتر به عنوان غلاف برای مهاربند ضد کمانش استفاده شد که مهمترین هدف تحقیق ، تعیین ضخامت بهینه برای لوله بیرونی و تعیین رفتار این مدل و کاهش زمان مونتاژ و کاهش جوشکاری می باشد. سه مدل از این نوع مهاربند کمانش تاب توسط نرم افزار اجزاء محدود آباکوس با دقت بالا تحلیل شد که دو مورد کمانش کلی داشتند و یک مورد کمانش کلی نداشت و مشخص گردید ضخامت بهینه لوله بیرونی - غلاف - به ضخامت لوله داخلی و میزان فشردگی و جابجایی لوله داخلی وابسته است.
- 1 مقدمه
استفاده از فولاد نرمه با تنش جاری شوندگی پایین در قسمت های مختلف ساختمان سابقا برای کاهش جابجایی طبقات استفاده شده است و از قسمت پلاستیک فولاد پس از جاری شدن آن برای جذب و استهلاک انرژی زلزله و جلوگیری از تشدید حرکات ساختمان استفاده شده است. مهاربندهای همگرا در فشار دچار کمانش می شوند لذا استفاده از مهاربندهای کمانش تاب - ضد کمانش - به جای مهاربندهای همگرای معمولی رایج گردید که کارایی بسیار مناسب تر و چرخه های هیسترتیک پایدارتری داشت. مهاربندهای کمانش تاب دارای یک یا چند هسته جاری شونده و یک نگهدارنده - غلاف - جهت جلوگیری از کمانش کلی است. هسته با فولاد نرمه جاری شونده و غلاف از یک یا ترکیبی از انواع مختلف پروفیلهای موجود انتخاب می شوند و مونتاژ آنها معمولا زمان بر و هزینه بر است.
از صد سال پیش که صنعتی سازی و چندطبقه سازی آغاز شد رفتار سازه در هنگام زلزله و میزان مقاومت و میزان خرابی اعضای مختلف سازه جزء مهمترین دغدغه های پژوهشگران رشته عمران بوده است. در صد سال اخیر با وقوع چند زلزله شدید در کشورهای مختلف و مشاهده آثار خرابی ها ، روشهای مختلفی برای جلوگیری از تشدید و جابجایی سازه مطرح گردید. در ساختمانها افزایش ضخامت و ابعاد تیر و ستون غیر اقتصادی می باشد لذا مهاربندیهای همگرا و واگرا در ساختمان استفاده گردید. مهاربندیهای همگرا و واگرای معمولی به علت لاغر بودن در فشار دچار کمانش می شوند و پس از کشش ، دوباره به طول اولیه برنمی گردند لذا در زمان زلزله انرژی زیادی جذب نمی کنند و رفتار هیسترتیک مطلوب و کارایی ندارند. برای رفع این مشکلات و بهبود رفتار هیسترتیک از مهاربند کمانش تاب - کمانش ناپذیر - استفاده گردید.
مهاربند کمانش تاب شامل هسته و غلاف می باشد. هسته ، فولاد جاری شونده است که بیشتر از فولاد نرمه با تنش جاری شدن پایین ساخته می شود و با ورود به مرحله پلاستیک در فشار و کشش ، وظیفه جذب و مستهلک کردن انرژی وارده به سازه در حین زلزله را بر عهده دارد. غلاف به عنوان سیستم جلوگیری از کمانش می باشد. غلاف با محاط کردن هسته مانع جابجایی جانبی و کمانش هسته شده و فقط امکان فشرده شدن و کشیده شدن هسته در جهت طولی به هسته را می دهد. این نوع مهاربندها رفتار یکسانی در مقا بل فشار و کشش داشته و می توانند به عنوان مستهلک کننده مورد استفاده قرار بگیرند .
مبنای اصلی عملکرد این میراگر، جلوگیری از وقوع کمانش هسته فولادی به منظور امکان وقوع پدیده تسلیم فشاری در آن و در نتیجه امکان جذب انرژی در این عضو سازه می باشد . این امر با پوشاندن سراسر طول هسته فولادی در لوله فولادی پر شده با بتون یا ملات میسر می گردد. در این سیستم باید یک سطح لغزش یا لایه ناپیوستگی بین هسته فولادی و بتن محصور شده که به سبب وجود برش و اثر پواسون ایجاد می گردد ، فراهم شود - شکل . - 1 هدف از این امر آن است که نیروی مهاربندی فقط توسط هسته فولادی تحمل شود . [1]
رفتار قابهای دارای مهاربندهای کمانش ناپذیر به رغم مشابهت ظاهری, تفاوت زیادی با قابهای دارای مهاربندهای متداول هم محور دارد. در سیستم مهاربندی کمانش ناپذیر حلقه های هیسترزیس از نوع پایدار بوده و طی چرخه های بارگذاری و باربرداری متعدد, افت در مقاومت و سختی سیستم مشاهده نمی شود. در حالی که تحقیقات دو دهه اخیر نشان می دهد که در سیستم مهاربندهای هم محور این مهاربندها در مود فشاری دچار کمانش کلی می شوند و در نتیجه سیستم دچار زوال در مقاومت و سختی می گردد و در واقع پایین افتادگی منحنی هیسترزیس را موجب می شود.
همچنین در مود کششی، جزئیات اتصالات مهاربند دچار وضعیت بحرانی می شود. به عبارت دیگر با استفاده از مهار بندهای کمانش ناپذیر شکل پذیری بالا می رود و مود شکننده موجود در سیستم مهاربندهای هم محور به مود شکل پذیر تبدیل می گردد. مقدار نیروی طراحی حاصل از روش استاتیک معادل در این سیستم هم محور متداول به میزان قابل توجهی بیش از سیستم مهاربندهای کمانش ناپذیر می باشد که باعث غیر اقتصادی بودن آن در مقایسه با سیستم مهاربندهای کمانش ناپذیر می گردد. در مقایسه با سیستم مهاربندهای 7 و 8 نیز باید گفت نیروی نامتعادل وارد بر تیر در سیستم مهاربندهای 7 و 8 در سیستم کمانش ناپذیر وجود ندارد.[1]
مهاربند کمانش تاب ساخته شده با نبشی [2] که توسط مرتضی رئیسی دهکردی و مرتضی علیزاده اسفیوخی از دانشکده مهندسی عمران ، دانشگاه علم و صنعت ایران در اردیبهشت سال 1392 ارائه شد گونه ای جدید از مهاربند کمانش تاب ساخته شده از نبشی معرفی شد. چهار مشکل در طراحی و ساخت مهاربندهای کمانش تاب وجود دارد : مشکل اول ، استفاده از پروفیل ها و مقاطع غیر آماده و اشکال پیچیده برای هسته و غلاف می باشد. هسته و غلاف اکثرا از ترکیب چند پروفیل و مقطع آماده و ورق برش داده شده بوسیله جوش و پیچ ساخته می شوند. معمولا ضخامت و طول جوشها و تعداد پیچها زیاد است و تولید هسته و غلاف و مونتاژ نمونه زمان بر و هزینه بر است.
مشکل دوم ، یکسان نبودن ممان اینرسی هسته و غلاف در دو جهت متعامد یعنی محور ضعیف و قوی می باشد که باعث می شود مقاومت در دو جهت متعامد یکسان نباشد و غلاف در جهتی که مقاومت بیشتری دارد و قوی تر است غیراقتصادی باشد. لازم به ذکر است یکسان بودن ممان اینرسی در دو جهت متعامد ، اقتصادی ترین و بهینه ترین حالت است. مشکل سوم ، استفاده از بتن و چوب و مواد دیگری مثل FRP ، پلی اتیلن ، پلاستیک و ... بین هسته و غلاف می باشد که جهت افزایش ممان اینرسی مهاربند کمانش تاب به کار می رود و زمان بر و هزینه بر است.
بتن نیاز به دقت در آماده سازی و نگهداری هفت روزه و بیست و یک روزه دارد. دانه بندی بتن در مهاربند کمانش تاب بسیار مهم است و اگر حبابی در بتن به وجود بیاید هسته پس از جاری شدن در فشار ، محل حباب را پر کرده و کمانش موضعی به وجود می آید. تهیه و برش چوب در شکل های مورد نیاز و حمل و نقل چوب و جلوگیری از فساد آن در سالیان آینده از مشکلات استفاده از چوب مابین هسته و غلاف می باشد.
مشکل چهارم ، اثرات نامطلوب و تاثیرات جوش و پیچ بر مهاربند کمانش تاب است. جوش با ایجاد تنش ماندگار و اولیه در اثر حرارت و ایجاد پیش تنیدگی موضعی در محل جوش و ایجاد ناهمگونی در پروفیل بر مهاربند کمانش تاب تاثیر می گذارد. جوش باعث غیر یکنواخت شدن تنش در فسمتهای مختلف سطح مقطع هسته می گردد. جوش معمولا در هسته و غلاف سرتاسری است لذا طول جوشکاری زیاد می باشد و برای اینکه جوش در کشش و فشار بریده نشود ضخامت جوش نیز زیاد به دست می آید و زمان بر و هزینه بر بودن و نیاز به نیروی انسانی بیشتر از مشکلات جوشکاری است.
جهت استفاده از پیچ ، نیاز به سوراخکاری در چند پروفیل تشکیل دهنده غلاف می باشد. تعیین محل سوراخها در هر کدام از پروفیلها و مونتاژ غلاف توسط پیچ و تعیین میزان پیش تنیدگی پیچها توسط دست یا دستگاه نیز باعث افزایش مشکلات و زمان بر بودن و هزینه بر بودن می گردد. البته پیش تنیدگی پیچ ها نتیجه مثبتی نیز دارد و آن افزایش مقاومت مهاربند کمانش تاب در ناحیه فشاری است. با توجه به شکل 1 مشکلات آماده سازی و مونتاژ بسیاری از مهاربندها مشاهده می شود لذا نیاز به مهاربندهای کمانش تاب با سرعت ساخت سریع و ارزان و کم هزینه احساس می گردد. در این تحقیق ، جهت رفع این چهار مشکل ، از شکل 1 قسمت ج انتخاب شده و هم برای هسته و هم برای غلاف از مقطع لوله استفاده می کنیم. شعاع لوله غلاف کمی بیشتر بوده و هسته در داخل آن قرار می گیرد.
- 2 مدلسازی نمونه ها
ابتدا نحوه انجام پروژه و مدلسازی در نرم افزار آباکوس توضیح داده می شود. در این پروژه قصد بر این است که یک لوله فولادی با تنش تسلیم پایین در داخل لوله فولادی دیگر قرار گیرد و لوله داخلی تحت نیروی محوری فشاری جهت وقوع کمانش قرار گیرد و لوله بیرونی به عنوان غلاف عمل کرده و با محصور کردن لوله داخلی ازکمانش لوله داخلی جلوگیری شود و تمام یا اکثر قسمتهای لوله داخلی به تنش تسلیم برسد و جاری شود و به عنوان فولاد نرم در هسته بادبند ضد کمانش عمل نماید و جذب و مستهلک کردن انرژی به میزان زیادی در مقایسه با یک لوله کمانش یافته ، بیشتر شود. سه نمونه A1 و A2 و A3 در نظر گرفته می شود. در نمونه ها ضخامت لوله داخلی 2 میلیمتر می باشد سه لوله بیرونی طبق جدول 1 در نظر گرفته شده است.
