بررسی و مقایسه قاب مجهز به مهاربند کمانش تاب با سایر سیستم های باربر جانبی

بررسی و مقایسه قاب مجهز به مهاربند کمانش تاب با سایر سیستم های باربر جانبی

در سال های اخیر استفاده از مهاربند کمانش تاب (Buckling Restrained Brace یا به اختصار BRB) در مناطق لرزه خیز جهان و در کشورهای پیشرو در زمینه کنترل ارتعاشات لرزه ای رشد چشمگیری داشته است. اولین کاربرد عملی مهاربند کمانش تاب به سال 1989 در ساختمان شینکاوا باز می گردد. امروزه از مهاربند کمانش تاب در احداث و مقاوم سازی سازه های فولادی و بتنی مختلف نظیر مراکز درمانی و بیمارستان ها، مراکز فرهنگی و آموزشی، استادیوم ها و سالن های ورزشی، سازه های صنعتی و تاسیساتی، فرودگاه ها، ساختمان های مسکونی، ادارات و نیز پارکینگ ها استفاده می شود. شاید مقایسه سیستم های سازه ای مجهز به مهاربند کمانش تاب  با سایر سیستم های باربر جانبی برای بسیاری از مهندسان مورد سوال باشد؛ در این مقاله به بررسی و مقایسه عملکرد و هزینه ساخت سازه با سیستم مهاربند کمانش تاب با سیستم های بابر جانبی دیگر نظیر دیوار برشی بتنی متوسط، قاب مهاربندی فولادی همگرای ویژه و قاب خمشی فولادی متوسط می پردازیم.

معرفی پروژه:

ساختمان مورد نظر در این مقایسه هزینه ای و عملکردی، یک ساختمان فولادی 7 طبقه به مساحت 1542 متر مربع می باشد. خاک سایت سازه مورد نظر بر اساس تقسیم بندی ویرایش چهارم استاندارد 2800، خاک نوع 2 می باشد و نیز ساختمان بر اساس مناطق 4 گانه پهنه بندی لرزه ای استاندارد 2800، در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد قرار گرفته است. ضریب اهمیت سازه نیز 1 می باشد.

مشخصات خاک نوع 2 به قرار زیر می باشد:

سیستم قاب خمشی فولادی متوسط (IMF)

قاب خمشی فولادی در واقع همان قاب ساختمانی با اتصالات صلب یا نیمه صلب می باشد که نیروی زلزله را از طریق تیرها، ستون ها و اتصالاتِ صلب آن ها تحمل و به شالوده منتقل می کند. در ادامه محاسبات مربوطه برای قاب خمشی فولادی ارائه شده است.

سیستم مهاربندی همگرای ویژه (SCBF)

قاب مهاربندی فولادی به قاب های ساختمانی گفته می شود که قابلیت باربری لرزه ای آن ها عمدتاً به وسیله نیروهای محوری اعضای دهانه مهاربندی شده تأمین می گردد.

در قاب مهاربندی فولادی همگرا محورهای اعضای مهاربندی (تیر، ستون، و مهاربند) در ناحیه اتصال تیر به ستون در یک نقطه یکدیگر را قطع می کنند و یا در بیشترین حالت فاصله بین دورترین نقطه تقاطع از مرکز گره (محل تلاقی محورهای تیر و ستون) کوچکتر یا مساوی عرض مقطع کوچکترین عضو متصل شونده در گره است. در ادامه محاسبات مربوطه برای قاب مهاربندی فولادی ارائه شده است.

سیستم دیوار برشی بتنی متوسط (Shear Wall)

دیوار برشی بتنی یکی از سیستم های بابر جانبی است که در قاب های ساختمانی فولادی نیز به کار می رود. در این سیستم دیوار برشی پس از آرماتورگذاری و بتن ریزی به عنوان عضو باربر جانبی سازه عمل می کند و می تواند به تنهایی یا همراه با سایر سیستم های مقاوم لرزه ای، مانند قاب خمشی، در برابر بارهای جانبی مقاومت کند. در ادامه محاسبات مربوطه برای دیوار برشی بتنی ارائه شده است.

سیستم مهاربند کمانش تاب (BRB)

ایده سیستم مهاربند کمانش تاب همانند سیستم مهاربندهای متعارف، تأمین قابلیت باربری لرزه ای سازه از طریق نیروهای محوری اعضای دهانه مهاربندی است؛ با این تفاوت که بسياری از نقايص رفتاری مهاربند همگرای فولادی مانند اختلاف بين ظرفيت فشاری و كششی  و زوال در مقاومت تحت بارگذاری های چرخه ­ای را رفع کرده است. در این روش با محصورسازی يك هسته فولادی شكل پذير در ميان حجمی از بتن یا گروت كه خود نیز توسط يك غلاف فولادی در بر گرفته شده، يك رفتار الاستوپلاستيك ايده ­آل به دست می آید. در ادامه محاسبات مربوطه برای پروژه مورد نظر ارائه شده است.

در ادامه به مقایسه عملکرد و هزینه ساخت سیستم های مختلف باربر جانبی می پردازیم:

مقایسه و بررسی سیستم های باربر جانبی، مستلزم در نظر گرفتن عوامل مختلفی نظیر جابجایی نسبی طبقات (دریفت)، زمان تناوب، برش پایه، حجم و وزن مصالح، هزینه، سهولت نصب و اجرا و غیره می باشد.

• همانگونه که پیشتر نیز گفته شد، زمان تناوب تحلیلی و تجربی قاب مجهز به مهاربند کمانش تاب (BRB) در کنار بزرگتر بودن ضریب رفتار این سیستم (Ru=7.0) نسبت به سایر سیستم های باربر جانبی منجر به کاهش ضریب زلزله و نیروی برش پایه می شود. این واقعیت در نمودار نیز نشان داده شده است. همان گونه که مشخص است قاب مجهز به مهاربند کمانش تاب کمترین برش پایه را در دو  راستای طولی و عرضی سازه دارد.
• نکته ای دیگر این که با کاهش برش پایه سازه، حجم مصالح مصرفی در شالوده نیز کاهش می یابد. لذا ساختمان مجهز به مهاربند کمانش تاب با داشتن کمترین برش پایه از این حیث نیز برتری دارد.

• دریفت طبقات عامل و ملاک مهم دیگری در بررسی و مقایسه سیستم های مورد بحث می باشد. در این زمینه نیز مهاربند کمانش تاب بعد از قاب ساختمانی با دیوار برشی بتنی، در کنار قاب مهاربندی فولادی همگرای ویژه عملکرد خوبی از خود در کاهش دریفت طبقات نسبت به قاب خمشی متوسط نشان داده است.

• شاید مهمترین عامل در دیدگاه برخی مهندسان و مالکان، بحث هزینه ساخت و ساز باشد. در مورد قیمت نهایی ساخت بایستی این نکته را در نظر داشت که هزینه ساخت فقط شامل بهای پرداخت شده بابت نیروی کار و مصالح نیست. زمان عامل دیگری است که شاید تاکنون در کشور ما کمتر به آن توجه شده باشد. بهینه کردن زمان ساخت از دو جهت به نفع کارفرما و پیمانکار است: کاهش هزینه های جاری کارگاه ساختمانی و نیروی انسانی در طول زمان اجرا و نیز تسریع در بازگشت سرمایه. مهاربند کمانش تاب را می توان از جمله سیستم های باربر جانبی تلقی نمود که با سهولت در اجرا و نصب و کاهش زمان اجرای آن، در کنار سایر ویژگی های مهم اش، آن را در زمره مناسب ترین سیستم های مقاوم لرزه ای با هزینه مناسب قرار داد.

• بررسی سازه موردنظر با سیستم های مختلف باربر جانبی از منظر هزینه ساخت و ساز و مصالح، نشان داد که وزن اسکلت فولادی سازه مجهز به مهاربند کمانش تاب پس از سازه با سیستم دیوار برشی بتنی با اختلافی اندک کمترین مقدار را دارا می باشد. اما با درنظر گرفتن هزینه دیوار برشی بتنی و معادل کردن آن برحسب فولاد مصرفی بر متر مربع، هزینه ساخت در ساختمان مجهز به مهاربند کمانش تاب پس از قاب مهاربندی فولادی همگرای ویژه کمترین مقدار را دارد. برای محاسبه هزینه نهایی کافیست وزن فولاد مصرفی در سازه بر حسب قیمت روز فولاد محاسبه شود .

* استفاده از مطالب این صفحه با ذکر منبع و لینک مستقیم به آن، بلامانع است.