مقاومسازی سازه های بتنی با مهاربند کمانش تاب (BRB)

16 Feb 2019| بانک مقالات| نویسنده: |
برج بتنی بهسازی شده دانشگاه کالیفرنیای جنوبی،مقاومسازی سازه های بتنی با مهاربند کمانش تاب BRB
برج بتنی بهسازی شده وب - دانشگاه کالیفرنیای جنوبی

مقدمه

افزودن مهاربند به یک ساختمان با سیستم قاب خمشی را می توان یک تکنیک کارآمد در راستای افزایش سختی و مقاومت سازه و بهبود پاسخ لرزه ای در این نوع سازه ها دانست. در سال های اخیر این تکنولوژی نه تنها در سازه های فولادی با سیستم قاب خمشی بلکه در سازه های بتنی مسلح نیز مورد استفاده قرار گرفته است. این سیستم به طور قابل توجهی ظرفیت استهلاک انرژی سازه را افزایش و تقاضای لرزه ای ناشی از تحرکات لرزه ای را کاهش می دهد. در سال های اخیر مهاربند کمانش تاب مورد توجه ویژه ای قرار گرفته است. این مهاربند تحت نیرو های فشاری و کششی، بدون این که کمانش کنند، مقاومت خوبی از خود نشان می دهد.

ساختمان های بتنی و مقاوم سازی آن ها

 

مطالعات انجام شده نشان می دهند که در حال حاضر درصد قابل توجهی از ساختمان های بتنی مسلحی که در سراسر جهان ساخته شده اند، در برابر زلزله آسیب پذیر می باشند. از آنجا که تعداد بسیار زیادی از این سازه ها با آیین نامه های لرزه ای جدید مطابقت ندارند و اغلب برای بار های ثقلی طراحی گردیده اند، فروپاشی جزئی و کلی آن ها در نواحی لرزه خیز منجر به آسیب های جبران ناپذیری می گردد. نه تنها فعالیت های لرزه ای بلکه تغییرات سرویس دهی سازه، زوال مصالح سازه در طول زمان و افزایش تقاضای لرزه ای می تواند نیاز سازه به بهسازی آن را افزایش دهد. در نتیجه، نیاز فوری به بهبود ظرفیت باربری جانبی و شکل پذیری سازه ها در مناطق با لرزه خیزی بالا نظیر ایران با روش های مقاوم سازی مناسب احساس می شود. طی دهه های گذشته محققان طرح های مختلف مقاوم سازی سازه ها را براساس نتایج تحقیقات تجربی و تحلیلی ارائه کرده اند. از میانقاب های بتنی مسلح، جاکت های بتنی تیر ها و ستون ها و  افزودن مهاربند می توان به عنوان این روش های عملی یاد کرد. بهبود پاسخ لرزه ای سازه ها از طریق مهاربند های فولادی با افزایش ظرفیت باربری و افزایش شکل پذیری سازه ها توسط محققان امری اثبات شده است. امکان جایگزینی مهاربند فولادی با دیوار برشی به نحوی که مهاربند و قاب سازه ای به طور مناسبی متصل باشند توسط محققان بسیاری گزارش شده است. با این حال، استفاده از مهاربند فولادی متداول نقایص خاصی را دارا می باشد. سازه های بتن آرمه مقاوم سازی شده با مهاربند واگرای متداول سختی جانبی کم و استهلاک انرژی زیادی از خود نشان می دهند. به دلیل خروج از مرکزیت موجود در اتصال میان مهاربند و تیر در این سازه ها سختی جانبی در این سیستم تحت عنوان سختی خمشی تیر ها  تعریف می شود. به طور مشابه مهاربند های همگرای متداول سختی جانبی قاب بتنی مسلح را افزایش و اغلب تغییر مکان نسبی جانبی را کاهش می دهد؛ که با توجه به ماهیت زلزله افزایش سختی سازه منجر به افزایش تقاضای لرزه ای و افزایش نیروی اعمالی به سازه می گردد. علاوه بر این کاهش لنگر خمشی و نیروی برشی در ستون ها در نهایت منجر به افزایش نیروی محور در مهاربند های متصل به ستون ها می شود. علاوه بر همه این ها نکته اصلی در استفاده از سیستم های مهاربندی هم مرکز متداول، رفتار چرخه ای ناپایدار آن ها می باشد.

مقاوم سازی سازه بتنی، مهاربند کمانش تاب، BRB، مقاوم سازی قاب بتنی
آسیب پذیری سازه های بتنی در برابر زلزله، زمین لرزه
جزئیات نصب مهاربند کمانش تاب ، مهاربند کمانش ناپذیر ، BRB
نمونه ای از نصب مهاربند کمانش تاب (BRB)

مهاربند کمانش تاب

 

قاب های مهاربندی شده با مهاربند کمانش تاب برخلاف قاب های مهاربندی با مهاربند همگرای متداول، رفتار چرخه ای پایدارتر و استهلاک انرژی بیشتری از خود نشان می دهند. در این مهاربند ها کمانش کلی به دلیل مقاومت فشاری بیشتر (تقریبا ۱۰ الی ۱۵ درصد بیشتر از مقاومت کششی)، محدود شده است. از دیگر مزایای استفاده از مهاربند کمانش تاب به عدم افزایش قابل توجه وزن سازه، تطبیق پذیری بالا با بازشو ها و نصب آسان آن می توان اشاره کرد.

مهاربند کمانش تاب نخستین بار توسط واکابایاشی و همکارانش در سال ۱۹۷۳ در ژاپن طراحی و توسعه یافت. این سایستم شامل یک هسته فولادی درون یک عضو بتنی (مسلح یا غیر مسلح) یا درون یک غلاف فولادی می باشد. در این سیستم چسبندگی میان هسته و غشای مهار کننده وجود ندارد، بنابراین نیروی محوری هسته به قسمت غشای مهار کننده منتقل نمی شود (ایواتا در سال ۲۰۰۴). در این مهاربند ها هسته درونی در برابر تمامی نیرو های محوری مقاومت می کند در حالی که غشای بیرونی فقط از هسته درونی در برابر کمانش محافظت می کند . بر خلاف سیستم های مهاربندی متداول که رفتار هیسترتیکی نامتقارن دارند، این سامانه از طریق کنترل کمانش هسته فولادی داخل غشا، رفتار تقریبا متقارن در کشش و فشار ارائه می دهد.

مطالعات بسیاری نشان داده است که مهاربند کمانش تاب به طور موثری سختی، مقاومت  و انعطاف پذیری لرزه ای را افزایش می دهد (لین و همکاران در سال ۲۰۱۲)؛ که منجر به استفاده از این سامانه کنترلی به منظور تقویت و بهسازی لرزه ای سازه ای فولادی شده است. استفاده از مهاربند کمانش تاب در سازه های بتنی مسلح، به دلیل مشکلات انتقال نیرو های بزرگ میان اعضای بتن مسلح و مهاربند کمانش تاب، کمتر رایج می باشد. این در حالی می باشد که استفاده از مهاربند کمانش تاب در سازه های بتنی مزایای متعددی را به همراه دارد؛ نظیر کاهش ابعاد اعضای بتنی، افزایش سختی جانبی و استهلاک انرژی در سازه که منجربه کاهش وزن سازه و افزایش انعطاف پذیری معماری و از همه مهم تر کاهش جابجایی نسبی سازه به هنگام قرار گرفتن سازه در معرض زلزله می شود.

مقایسه رفتار هیسترزیس مهاربند کمانش تاب با مهاربند معمولی، BRB، Hysteresis
مقایسه نمودار چرخه ای مهاربند کمانش تاب با مهاربند معمولی

مقاومسازی سازه های بتنی با مهاربند کمانش تاب

 

در سال های اخیر از مهاربند کمانش تاب به صورت قطری در قاب های فولادی یا بتنی مسلح به منظور افزایش مقاومت و شکل پذیری جانبی استفاده می شود. دی سارنو و همکاران در سال ۲۰۱۳ به بررسی رفتار قاب بتنی بهسازی شده با مهاربند کمانش تاب پرداختند. نتایج مقایسه عملکرد لرزه ای قاب کامل بتنی مسلح بهسازی شده آن ها با مهاربند کمانش تاب و بدون آن از طریق آنالیز استاتیکی غیر خطی و بارگذاری چرخه ای جانبی نشان می دهد که مقادیر ضریب اضافه مقاومت (Ω۰)، شکل پذیری (μ) و ضریب رفتار سازه (Ru) به ترتیب از مقادیر ۱٫۲، ۲٫۱ و ۲٫۵ در حالت بدون مهاربند کمانش تاب، به مقادیر ۱٫۶، ۴٫۱ و ۶٫۵ در حالت قاب خمشی مهاربندی شده با مهاربند کمانش تاب می رسد. آزمایش های عددی نشان می دهند که مهاربند کمانش تاب روش جایگزین مناسبی برای بهبود سختی جانبی، مقاومت و استهلاک انرژی می باشد. نتایج آزمایشات خامپانیت و همکاران در سال ۲۰۱۴ بر روی قاب های بتنی مسلح نیز نشان داد که مهاربند کمانش تاب به طور قابل توجهی عملکرد لرزه ای این قاب های بتنی را بهبود می بخشد. قاب های بتنی بهسازی شده با مهاربند کمانش تاب به میزان ۱۰ برابر بیشتر از قاب های مهاربندی نشده انرژی ورودی را مستهلک و خطر تشکیل طبقه نرم را کاهش می دادند. آنالیز غیر خطی تاریخچه زمانی چاندرا و وارنیچای در سال ۲۰۱۱ برروی قاب بتنی مسلح نامنظم بهسازی شده با مهاربند کمانش تاب نشان داد که آسیب های وارده به قاب بتنی بهسازی شده در مهاربند کمانش تاب متصل شده به آن متمرکز شده بودند.

مقاوم سازی سازه های بتنی با مهاربند کمانش تاب BRB - نمونه ای از پروژه های مقاوسازی ساختمان بتنی با مهاربند کمانش تاب
مقاوم سازی سازه های بتنی با مهاربند کمانش تاب BRB
مقاوم سازی سازه های بتنی با مهاربند کمانش تاب BRB - نمونه ای از پروژه های مقاوسازی ساختمان بتنی با مهاربند کمانش ناپذیر
مقاوم سازی سازه های بتنی با مهاربند کمانش تاب BRB - نمونه ای از پروژه های مقاوسازی ساختمان بتنی با مهاربند کمانش ناپذیر
روش های نصب مهاربند کمانش تاب در قاب بتنی، BRB، RC building
جزئیات اتصال مهاربند کمانش تاب به قاب بتنی، RC building، BRB

نصب مهاربند کمانش تاب در قاب بتنی

 

روش های استفاده از مهاربند کمانش تاب در سازه های بتنی به طور کلی به دو دسته سیستم های مستقیم و سیستم های غیر مستقیم تقیسم می شوند. در روش مستقیم مهاربند به طور مستقیم و ازطریق پیچ و مهره به قاب بتنی مسلح متصل می شود. در این روش ظرفیت مهاربند از آنجا که در محل اتصال مهاربند به قاب بتنی متمرکز شده، به ظرفیت پیچ و مهره وابسته می باشد. در روش غیر مستقیم یک قاب فولادی مهاربندی درون قاب بتنی نصب می شود که مهاربند ها در درون این قاب جای می گیرند و به صورت غیر مستقیم با قاب بتنی در ارتباط قرار می گیرند. در نتیجه انتقال نیرو میان مهاربند کمانش تاب و قاب بتنی به طور غیر مستقیم و از طریق قاب فولادی انجام می پذیرد.  توزیع نیرو در طول اعضای قاب فولادی منجربه افزایش ظرفیت مهاربند می شود و در نهایت این سیستم قابلیت استفاده از مهاربند با مقاطع بزرگتری را فراهم می آورد. با این حال تداوم اتصال و اندرکنش میان مهاربند و قاب بتنی از نکات چالش برانگیز و مهم این سیستم کنترل لرزه ای می باشد. اشکال زیر نمونه هایی از این دو روش اتصال را به تصویر می کشند.

اتصال مهاربند کمانش تاب به قاب بتنی، BRB، RC building
اتصال مهاربند کمانش تاب به قاب بتنی، BRB، RC building و مقاومسازی سازه های بتنی با مهاربند کمانش تاب BRB
جزئیات نصب مهاربند کمانش تاب در مقاومسازی سازه های بتنی

مطالب مرتبط

معرفی سیستم مهاربند کمانش تاب (BRB)

راهنمای طراحی مهاربند کمانش تاب

سایت شرکت پویا تدبیر ویرا