مهاربند EBF واگرا – تیر پیوند (فیوز)

مقاومت هر سازه در برابرزلزله به نوع ساخت سازه و به کار گیری اصول و قوانین مهندسی در طراحی و اجرای آن و به بزرگی و قدرت زلزله بستگی دارد. قابهای مهاربندی برون محور دارای سختی و شکل پذیری مناسبی می باشند . در این قابها مهاربند تامین کننده سختی سازه و
لینک (تیر پیوند ) باتوجه به مقدار طول آن تامین کننده شکل پذیری میباشد .

مهاربند های واگرا Eccentrically Braced Frames

ایده اولیه مهاربند های EBF و تیر پیوند توسط پوپوف ارائه شد.اصل در استفاده این نوع باد بند اغنای شکلپذیری بهتر و استهلاک بیشتر انرژی زلزله توسط سازه می باشد.اما گاه به اشتباه هدف اصلی استفاده از این نوع بادبند مسائل معماری (بازشو ها شامل در و پنجره و ….) بیان میشود.

به طور کلی به همه المان هایی که در زلزله نقش استهلاک کننده انرژی را دارند المان فیوز گفته می شود تیر پیوند نیز به نام تیر فیوز شناخته می شود.  همانطور که در برق کشی ساختمان به محض ورود یک نوسان جریان برق، فیوز برق قطع شده تا سایر قطعات برقی و سیم کشی ساختمان آسیب نبیند، در سازه نیز المان های فیوز به محض وارد شدن ارتعاشات لرزه ای شروع به جذب و استهلاک انرژی می کنند تا دیگر قسمت های سازه آسیب نبیند.

نحوه ی عملکرد تیر پیوند را در تصویر زیر مشاهده می کنید:

خوشبختانه می توان پس از زلزله تیر پیوند آسیب دیده را تعویض کرد که مطالعات بسیاری در این خصوص صورت گرفته و دتایل های مناسبی برای تیر پیوند قابل تعویض ارائه شده که تصویر زیر از مقاله ای در ASCE اقتاس شده است.

ضریب رفتار

مطابق با توضیحات بند 5-3-3 استاندارد 2800 در سیستم های قاب ساختمانی با مهاربندیهای واگـرای ویـژه فـولادی، چنانچـه در تیرهای پیوند رفتار برشی حاکم باشد، ضریب رفتار برابر بـا 7و چنانچـه رفتـار خمشـی  حاکم باشد، این ضریب باید برابر 6در نظر گرفته شود.
این که چگونه متوجه شویم تیر پیوند عملکرد برشی یا خمشی دارد را در ادامه ی مطلب به آن می پردازیم.

طول تیر پیوند چقدر باید باشد؟

هیچ مقدار مشخصی برای تیر پیوند نمی‌توان در نظر گرفت و همچنین اعمال درصدی از طول دهانه به عنوان طول تیر پیوند نیز کار درستی نیست ولیکن توصیه اکید می‌شود طول تیر پیوند به میزانی در نظر گرفته شود که در برش جاری شود و منجر به تشکیل مفصل پلاستیک برشی شود .

تیرهای پیوند با طول بلند دارای محاسن معماری از جمله بازشوهای بزرگ برای درب و پنجره و … در قاب می‌باشند، لیکن رفتار پیوندهای با طول زیاد تحت بارگذاری تناوبی شدید، عموماً در مقایسه با پیوندهای با طول کوتاه ضعیف بوده و نتیجه آن سختی، مقاومت و ظرفیت استهلاک انرژی کم می‌باشد.

بنابراین برای رفتار صحیح سیستم قاب مهاربندی واگرا استفاده از پیوندهای کوتاه با تسلیم برشی توصیه شده است.

تصویر زیر شمایی از یک تیر پیوند کوتاه می باشد که به دلیل کوتاهی تیر پیوند، برش حاکم بوده و از آنجایی که توزیع برش در سراسر تیر پیوند یکنواخت می باشد، تمام تیر پیوند پلاستیک شده و جذب انرژی می کند.

زمانی که طول تیر پیوند بلند است، رفتار خمشی حاکم شده و فقط دو سر تیر پیوند پلاستیک می شوند و جذب انرژی می کنند که در مقایسه با تصویر بالا که تیر پیوند در برش پلاستیک شده است، مقدار کمتری می تواند جذب انرژی کند.

هر چه اندازه‌ی طول تیر پیوند، کوتاه‌تر باشد، سهم برش در آن بیشتر است و در صورت ورود سازه به محدوده‌ی عملکرد غیرارتجاعی این ناحیه به طور کامل تسلیم می‌شود. این عمل باعث دوران‌های بزرگ غیرالاستیک بدون ایجاد کرنش‌های موضعی زیاد خواهد بود. همچنین چون در پیوند برشی (کوتاه)، نیروهای برشی در تمام طول تیر پیوند ثابت است، لذا کرنش‌های غیرالاستیک به طور یکنواخت در طول تیر پیوند توزیع می‌شود. اما اگر طول پیوند زیاد شود، سهم برش آن کم شده و سهم لنگرهای انتهایی آن افزایش می‌یابد و به جای خمیری شدن کل تیر پیوند در برش، در محل اتصال مهاربند به تیر، مفاصل خمیری خمشی بوجود می‌آید و عملاً ناحیه تسلیم به شدت کاهش می‌یابد و به این ترتیب تا قبل از انهدام کل سازه مقدار انرژی کمی با تسلیم شدن قسمت های بسیار محدودی از سازه جذب و مستهلک می‌شود. ایجاد کرنش‌های پلاستیک موضعی بزرگ باعث ایجاد تغییر مکان‌های بزرگ و احتمال وقوع ناپایداری و به تبع آن کاهش سختی زیاد در حالت رفتار غیرارتجاعی می‌گردد. البته آیین‌نامه تنها در حالتی که نیروی محوری تیر پیوند زیاد باشد، طول آن را محدود می‌کند. علت اصلی این مورد در بند 10-3-12-4 مبحث دهم، کاهش ظرفیت خمشی، در اثر وجود نیروی محوری است.

در سیستم قاب مهاربندی واگرا صحیح طراحی شده، تیر پیوند می‌بایست بتواند فعالیت غیرارتجاعی قاب را که در لرزه‌ای شدید تولید شده، تحمل نماید. تیر پیوند یک مکانیزم استهلاک انرژی پایدار را فراهم ساخته و باقی قاب را با محدود کردن حداکثر بار انتقال یافته به مهاربندها، تیرها و ستون‌های قاب محافظت می‌نماید. برای پیوندهای خیلی کوتاه، برش تعیین کننده رفتار غیرارتجاعی تیرپیوند بوده در صورتی که برای پیوندهای طویل‌تر خمش تعیین کننده می‌باشد. برای تیرهای پیوند خیلی کوتاه قبل از اینکه لنگرهای انتهایی به مقدار Mp برسند، نیروی برشی Vp می‌رسد و تیرپیوند در برش تسلیم شده و تشکیل مفصل برشی می‌دهد. برای پیوندهای خیلی بلند، قبل از اینکه تسلیم برشی بتواند روی دهد، لنگرهای انتهایی به مقدار Mp رسیده و در هر دو انتهای تیر پیوند تشکیل لولای خمشی می‌دهند. به علت تأثیر بسیار مهم کرنش سخت شوندگی بر روی رفتار تیرپیوند، هم تسلیم برشی و هم تسلیم خمشی می‌توانند بر دامنه‌ی وسیعی از طول پیوند واقع شوند.
بطور کلی توصیه می‌شود، طول تیر پیوند e از مقدار زیر کمتر باشد:

e<1.6Mp/Vp

که در آن Vp برش پلاستیک مقطع تیر و Mp لنگر پلاستیک مقطع تیر است. مقدار این دو پارامتر را باید از روابط 10-3-12-3 و 10-3-12-4 تعیین نمایید.

نحوه کنترل عملکرد تیر (برشی یا خمشی) پیوند در Etabs

پس از آنالیز و طراحی سازه روی تیر پیوند راست کلیک و سپس Detail را انتخاب کنید، در انتهای توضیحات در قسمت Link Rotation این موضوع قابل بررسی می باشد.

سخت کننده ها:

در سیستمهای مهاربندی EBF بدلیل حجم زیاد نیروهای برشی، عملاً ممکن است جان تیرپیوند، پیش از تسلیم دچار کمانش شود (کمانش برشی جان).در صورت رخ دادن چنین امری، بحث اتلاف انرژی و شکل پذیری که از سازه انتظار داریم اغنا نخواهد شد. برای جلوگیری از کمانش زودهنگام جان نیز باید در سراسر طول آن از تقویت کننده‌های قائم جان استفاده کرد تا علاوه بر جلوگیری از کمانش موضعی جان بتوان از مقاومت پس از کمانش جان نیز استفاده نمود. تحقیقات نشان داده اند که ظرفیت جذب انرژی در تیرهای پیوندی که به وسیله سخت کننده قائم جان تقویت شده‌اند از ظرفیت جذب انرژی تیرهای پیوندی که سخت کننده ندارند بسیار بیشتر است.

در تیرهای پیوند بلند هر چند نیازی به تأمین سخت کننده‌ها به علت کمانش جان وجود ندارد ولی آزمایش‌های مختلف نشان داده‌اند که در حالی که سخت کننده‌های قائم جان وجود ندارد و مهارهای کافی نیز در طول تیر پیوند پیش بینی نشده‌اند به دلیل کمانش جانبی پیچشی بال، تیر پیوند رفتار ضعیفی از خود نشان می‌دهد. در تیرهای پیوند با عمق کمتر از 60 سانتیمتر، می‌توان تنها در یک طرف تیر از سخت کننده استفاده کرد.

فاصله سخت کننده ها (استیفنر ) از هم:

فواصل سخت کننده ها بسته به رفتار تیر پیوند ضوابط خاصی دارند که به تفکیک به آن ها می پردازیم، این سخت کننده ها در دو طرف تیر قرار داده می شوند علاوه بر این سخت کننده های داخل تیر پیوند می بایست در نفاط شروع و پایان گاست پلیت هم سخت کننده هایی قرار داده شود که ضخامت آن ها حداقل به اندازه 0.75 ضخامت جان تیر می باشد یا 10 میلیمتر (3/8) می باشد.

1. تسلیم برشی تیر پیوند

2- تسلیم خمشی تیر پیوند

3-تسلیم برشی-خمشی تیر پیوند

اتصال گیردار در مهاربندهای واگرا و عدم نیاز به رعایت 2t:

در مهاربندهای همگرا چون مهاربندها کمانش نموده و مفصل پلاستیک در وسط آنها ایجاد می‌شود در این حالت بایستی شرایط مرزی مهاربند متناسب با کمانش (اگر کمانش خارج از صفحه باشد) بوده و بتواند بصورت مفصلی عمل نماید. البته می‌توان مهاربند همگرا را نیز بصورت گیردار نیز طراحی نمود. در مهاربندهای واگرا چون کمانش مهاربند وجود ندارد و تیر پیوند تنها فیوز سازه‌ای در این سیستم است، بنابراین مهاربندها کمانش نخواهند کرد و جزئیات 2t نیز برای آنها نیازی نیست. شرایط مرزی مهاربند در عمل شرایط مفصلی را اقناع نمی‌کند و بهتر است در مدل آنها را گیردار در نظر بگیرید. با این شرایط مقداری لنگر بین تیر و مهاربند تقسیم می‌شود.

مهاربندهای واگرا (عضو مهاربند) بایستی برای ظرفیت مورد انتظار تیر پیوند طراحی شود. یعنی بایستی ببینیم در لحظه ای که تیر پیوند جاری می شود، نیروی ایجاد شده در مهاربند چقدر است.

تیری که متصل به مهاربند واگرا هست به هیچ عنوان نباید گیردار باشد. این کار باعث خمشی شدن آن و جاری شدن تیر خارج از تیر پیوند شده که مجاز نیست. ستونها البته بایستی فشرده لرزه ای باشند.

اگر برای طراحی از AISC-ASD89 استفاده شود باید توجه نمود که این آیین نامه قادر نیست مهاربندهای واگرا را طراحی کند. در واقع کنترل های مربوط به آن را انجام نمیدهد.

جهت تیر ریزی در قاب های مهاربندی واگرا

مطابق شکل زیر، دیاگرام برش در تیر پیوند تحت بارهای جانبی، بصورت یکنواخت است. در این حالت اگر تیر پیوند بتواند در برش جاری شود، کل آن جاری می‌شود. یعنی یک فیوز سازه‌ای با اتلاف انرژی زیاد. حال اگر روی آن بار ثقلی قرار گیرد، شکل یکنواخت خود را از دست داده و به صورت درجه یک در می‌آید. بنابراین بخشی از آن جاری شده و بخشی دیگر یا جاری نشده یا دیرتر جاری می‌شود و از کل طول تیر به طور خوب و بهینه استفاده نمی‌شود.

بنابراین تیرریزی بهتر است که روی تیر پیوند در قاب با مهاربند واگرا قرار نگیرد به این دلیل که تیر پیوند به طور یکنواخت تسلیم شود و نیروی بیشتری استهلاک شود

دیاگرام نیروی برشی، لنگر خمشی و نیروی محوری برای تیر پیوند برای نیروی جانبی زلزله

تحلیل غیرخطی قاب مهاربندی واگرا EBF

در انجام تحلیل های غیرخطی (پوش آور Push Over یا تاریخچه زمانی TimeHistory ) باید تمام حالات محتمل در تشکیل پلاستیک در نظر گرفته شود. لذا لازم است تا تمامی موارد زیر مفصل پلاستیک ( Plastic Hing ) تعریف شود:

• دو سر ستون ها – مفصل PMM (انرکنش فشار و خمش )
•  دو سر تیرها (درصورت گیرداری تیرها) – مفصل خمشی M3
•  وسط مهاربندها – مفصل محوری Axial
• دو سر تیر پیوند – مفصل خمشی M3
• وسط تیر پیوند – مفصل برشی V
• وسط تیر پیوند – مفصل محوری