مهاربند کمانش تاب : تاریخچه، طراحی و کاربرد

17 اکتبر 2018| بانک مقالات| نویسنده: |
اجزای مهاربند کمانش تاب (BRB) یا همان مهاربند کمانش ناپذیر و منحنی رفتاری تئوری
اجزای مهاربند کمانش تاب (BRB) و منحنی رفتاری تئوری

فناوری مهاربند کمانش تاب (Buckling Restrained Brace) یا همان مهاربند کمانش ناپذیر برای اولین بار در ۱۹۸۹ در ژاپن مورد استفاده قرار گرفت و امروزه به عنوان یکی از سیستم ­های شکل­ پذیر لرزه ­ای در کشورهای زلزله­ خیز دنیا، مانند ژاپن، ایالات متحده، تایوان، چین، ترکیه، و نیوزیلند به صورت گسترده ­ای به کار برده می ­شود. در این مقاله تاریخچه ظهور مهاربند کمانش تاب (BRB)، به علاوه مبانی اولیه طراحی این تجهیزات به منظور رسیدن به چرخه ­های هیسترسیس پایدار، و نیز مواردی از کاربرد BRB در سازه ­های مختلف ارائه شده است.

مقدمه

 

مهاربند کمانش تاب (BRB) به عنوان یکی از تجهیزات کنترل ارتعاشات لرزه­ ای ، از یک هسته فولادی محوری تسلیم شونده و یک مکانیزم جلوگیری از کمانش تشکیل شده است که مانع کمانش هسته فولادی می­شود. زمانی که هسته فولادی به صورت کامل تسلیم شود، رفتار هیسترسیس پایدار و نسبتاً متقارنی را نتیجه می ­دهد و به دلیل محدود شدن کمانش، افت مقاومتی در چرخه ­های فشاری دیده نمی ­شود. مفهوم مهاربند کمانش تاب اولین بار در دهه ۱۹۷۰ مطرح شد، زمانی که موفقیت­ هایی در تحقیقات ژاپنی ­ها و هندی­ ها گزارش شد. اولین نمونه عملی مهاربند کمانش تاب توسط سائیکی، وادا، و همکاران ساخته شد. آن­ ها از یک قوطی فولادی مستطیلی شکل که داخل آن ­را به منظور محدود کردن کمانش با ملات پر کرده بودند، استفاده کردند. همچنین به منظور رسیدن به رفتار پایدار و متقارن از یک ماده جداکننده بین ملات و فولاد بهره گرفتند. در ۱۹۸۹ این نوع از مهاربند کمانش تاب در دو ساختمان اداری ۱۰ و ۱۵ طبقه فولادی به کار برده شد.

سال 1989، اولین کاربرد مهاربند کمانش تاب (BRB)
سال ۱۹۸۹، اولین کاربرد BRB
آزمایش بارگذاری چرخه ای مهاربند کمانش تاب (مهاربند کمانش ناپذیر) در 1987
آزمایش بارگذاری چرخه ای مهاربند کمانش تاب در ۱۹۸۷

در دهه ۱۹۹۰ میلادی، مهاربند کمانش ناپذیر در بیش از ۱۶۰ ساختمان در ژاپن به کار برده شد. در جولای ۱۹۹۵، مفهوم “ساختمان با قابلیت تحمل خسارت” توسط وادا، ایواتا، و همکاران ارائه شد، که در آن از سیستم های مهاربند کمانش ناپذیر به عنوان میراگرهای الاستوپلاستیک مستهلک کننده ­ی انرژی در قاب الاستیک استفاده شده بود. ضوابط و راهنمای طراحی مهاربند کمانش ناپذیر (BRB) برای اولین بار در AIJ (موسسه معماری ژاپن) در ۱۹۹۶ آورده شد. همکاری با محققان آمریکایی در دانشگاه دیویس و برکلی منجر به اولین استفاده ­ی بین­ المللی سیستم های مهاربند کمانش تاب در سال ۲۰۰۰ در آمریکا شد و به فاصله کوتاهی در تعداد زیادی از سازه­ ها در کالیفرنیا مورد استفاده قرار گرفت. نهایتاً در سال ۲۰۰۲، راهنمای طراحی قاب­های مجهز به مهاربند کمانش تاب در ضوابط لرزه­ای آیین­نامه AISC (ANSI/AISC 341-05) آورده شد. در سال­ های بعدی، محبوبیت مهاربند کمانش تاب در کشورهای مختلف مانند تایوان و نیوزیلند (برای بازسازی شهرکرایست چرچ) افزایش یافت. مهاربند کمانش تاب امروزه در مناطق زلزله­ خیز دنیا مانند ژاپن، تایوان، چین، آمریکا، کانادا، ترکیه، ایران، ایتالیا، رومانی، نیوزیلند و شیلی کاملاً شناخته شده است.

الزامات رفتار چرخه ­ای پایدار در مهاربند کمانش ناپذیر

مقاومت و پایداری مهاربند کمانش ناپذیر (مهاربند کمانش تاب)
مقاومت و پایداری مهاربند کمانش ناپذیر

همان ­گونه که در شکل مقابل مشخص شده است، به صورت کلی سیستم های مهاربند کمانش ناپذیر باید برای مقاومت و پایداری موضعی و کلی طراحی شوند.

به منظور رسیدن به یک چرخه هیسترسیس پایدار، شرایط زیر در طراحی مهاربند کمانش ناپذیر باید ارضا شود:

  1. مهارکننده (غلاف بتنی) باید مود اول کمانش خمشی هسته فولادی را کاملا محدود کند.
  2. ماده جداکننده تقاضای محوری اجزا را از هم تفکیک کند و اجازه رفتار جانبی ناشی از اثر پواسون را به هسته فولادی بدهد.
  3. کمانش مودهای بالاتر در دیواره بخش مهارکننده کنترل شود.
  4. پایداری کلی خارج از صفحه تأمین شود، این مسأله پایداری ناحیه اتصال را نیز شامل می ­شود.
  5. ظرفیت خستگی در تعداد چرخه­ های کم (Low-cycle fatigue) برای تقاضای مورد انتظار تأمین شود.

 

خرابی کمانش موضعی

لایه جداکننده با قابلیت فشرده شدن بین هسته فولادی و غلاف بتنی، باید فضای کافی را برای تشکیل موج­های ناشی از کمانش موضعی به هسته فولادی بدهد. به منظور جلوگیری از خرابی کمانش موضعی درون صفحه و بیرون صفحه در دیواره غلاف بتنی، غلاف فولادی بیرونی باید مقاومت کافی را در برابر نیروهای جانبی به سمت خارج داشته باشد.

پیوستگی بخش مهارکننده ـ مهاربند کمانش ناپذیر
ب) پیوستگی بخش مهارکننده
اتصال طره ای ـ مهاربند کمانش تاب
الف) اتصال طره ای

ناپایداری موضعی مهاربند و اتصال

به منظور جلوگیری از ناپایداری کلی مهاربند و اتصال، دو مفهوم طراحی برای پایداری در AIJ (توصیه ­هایی برای طراحی پایدار سازه­های فولادی) در سال ۲۰۰۹ ارائه شده که در شکل مقابل نشان داده شده است.

۱- مفهوم اتصال طره ­ای: اتصال صلب در ناحیه اتصال گاست و قاب تأمین می شود، بنابراین پیوستگی انتهایی بخش مهارکننده قابل صرفنظر کردن است. در این حالت پایداری عضو با طراحی طره ­ای ناحیه اتصال تأمین می­ شود (شکل الف).

۲- مفهوم پیوستگی بخش مهارکننده (غلاف): ظرفیت انتقال لنگر در انتهای بخش مهارکننده تامین می­ شود که گاست و اتصال انعطاف ­پذیرتری را نتیجه می­دهد (شکل ب).

الزامات آزمایش های عملکردی مهاربند کمانش تاب

 

اگرچه مکانیزم تسلیم محوری سیستم های مهاربند کمانش تاب (BRB) مفهوم ساده­ ای است، اما عملکرد آن ­ها وابسته به دقت بالا در جزئیات بخش ­های جداکننده و غلاف و همچنین فرآیند ساخت است. به منظور اطمینان از عملکرد مهاربندها، اکثر نهادهای مرتبط، بر لزوم انجام آزمایشات نمونه اولیه توسط تولید کننده پیش از روند ساخت و یا به صورت خاص برای شرایط هر پروژه تأکید می ­کنند. ضوابط انجام آزمایش مهاربند کمانش تاب در آیین ­نامه AISC 341-16 و آیین ­نامه مرکز ساختمان ژاپن (BCJ) آورده شده است.

کاربرد قاب ­های مجهز به مهاربند کمانش تاب (BRBF)

 

در ۳۰ سال گذشته، روش ­ها و مفاهیم طراحی لرزه ­ای مختلفی با استفاده از مهاربند کمانش تاب پیشنهاد شده است که در زیر به تعدادی از آن ­ها اشاره می­ شود.

۱- مفهوم سازه با قابلیت تحمل خسارت

در این مفهوم، تمرکز اتلاف انرژی زلزله در اعضایی از سازه است که به عنوان «فیوز» طراحی می ­شوند و در نتیجه بقیه اعضای سازه از خسارت در امان می ­مانند تا باربری ثقلی سازه حفظ شود. یکی از نمونه ­های اولیه و شاخص سازه با قابلیت تحمل خسارت، ساختمان Triton Square در توکیو است که تجهیزات مهاربند کمانش تاب به عنوان فیوزهای جاذب انرژی زلزله در آن استفاده شده است.

مفهوم سازه خسارت پذیر و مجهز به میراگر و مهاربند کمانش تاب
مفهوم سازه با قابلیت تحمل خسارت
ساختمان Triton Square، 1992 و به کارگیری مهاربند کمانش تاب (BRB) به عنوان جاذب انرژی
ساختمان Triton Square، ۱۹۹۲

۲- مقاوم ­سازی با استفاده از مهاربند کمانش تاب

سیستم های مهاربند BRB دارای مشخصه ­های سازه ­ای مطلوبی هستند که استفاده از آن ­ها را در پروژه­ های مقاوم­ سازی از لحاظ فنی و اقتصادی توجیه می کند. اضافه کردن BRB به عنوان عضو شکل ­پذیر و تلف کننده انرژی در قاب­ های خمشی غیر شکل پذیر یکی از روش های معمول مقاوم ­سازی است. همچنین به کارگیری مهاربندها به عنوان بخشی از سیستم نمای سازه، دغدغه زیبایی شناسی معماران و کارفرمایان را نیز تا حد زیادی مرتفع کرده است.

جایگزینی BRB (مهاربند کمانش ناپذیر) در سازه خرپایی
جایگزینی BRB در سازه خرپایی

۳- به ­کارگیری در خرپاها و سازه­ های فضاکار

دو چالش اساسی بر سر راه استفاده از سیستم های مهاربند کمانش ناپذیر در خرپاها و سازه ­های فضاکار وجود دارد: ۱) این سازه­ ها سبک هستند و در نتیجه هسته فولادی BRB بیش از حد کوچک می ­شود و ۲)، پیدا کردن محل اتصال مناسب به منظور تأمین جابجایی نسبی کارآمد و موثر. شکل مقابل یک خرپای متداول را نشان می ­دهد که ظرفیت آن­ را کمانش ستون و یا مهاربند تعیین می­ کند. استراتژی اساسی برای بهبود عملکرد چنین سازه­ هایی، جایگزینی اعضای بحرانی با مهاربندهای کمانش تاب است که منجر به بهبود مکانیزم فروریزش، افزایش ظرفیت استهلاک انرژی، و محافظت از بقیه اعضای فشاری سازه می­ شود. نمونه­ هایی از کاربرد متداول مهاربند کمانش ناپذیر در سازه ­های خرپایی و فضاکار در شکل زیر آورده شده است. همچنین تصاویری از مقاوم ­سازی برج مخابراتی ­ای در ژاپن و همچنین سازه فضاکار استادیوم تویوتا در ادامه نشان داده شده است.

گزینه های استفاده از مهاربند کمانش ناپذیر (مهاربند کمانش تاب) در سازه های خرپایی و فضاکار
گزینه های استفاده از مهاربند کمانش ناپذیر در سازه های خرپایی و فضاکار
مقاوم سازی یک دکل مخابراتی با استفاده از مهاربند کمانش تاب (BRB)
مقاوم سازی یک دکل مخابراتی با استفاده از BRB
استفاده از مهاربند کمانش ناپذیر (BRB) در سازه فضاکار استادیوم تویوتا
استفاده از BRB در سازه فضاکار استادیوم تویوتا

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

برای کسب اطلاعات بیشتر در زمینه پروژه های مجهز به مهاربند کمانش تاب (BRB) به بخش «پروژه ها» و برای کسب اطلاعات تخصصی در زمینه طراحی و مدل سازی به بخش «اطلاعات فنی» سایت شرکت پویا تدبیر ویرا مراجعه نمایید:

 

همچنین برای مطالعه بیشتر در زمینه این سیستم می توانید بخش «مهاربند کمانش تاب (BRB)» را در همین وبسایت بخوانید.