سیستم های غیرفعال اتلاف انرژی :
استفاده از سیستم های غیرفعال اتلاف انرژی روش مؤثر در کا ستن از اثرات زلزله در ساختمان ها است . نقش عملی این سیستم ها اضافه نمودن میرایی ساختمانها و به تبع آن کاهش دامنه تغییر مکانها و نیروهای ناشی از اثرات زلزله در سازه است .
امروزه ثابت شده است كه طراحي سازه ها بصورتي كه براي مقابله با زلزله هاي شديد رفتار كاملا الاستيك داشته باشند، از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نمي باشد. در نتيجه در طراحي سازه ها از روشهايي مانند كنترل غير فعال سازه ها در برابر زلزله استفاده مي شود.
در اين روش، برخي اعضاي سازه اي خسارتهايي را در هنگام زلزله هاي شديد متقبل مي شوند تا بدين وسيله تلاشهاي وارد بر اعضاي اصلي سازه مانند ستونها كاهش يافته و از اين طريق سازه از آسيب هاي عمده در امان بماند.
روشهاي غير فعال بطور كلي به دو دسته سيستمهاي مستهلك كننده انرژي و جداگرهاي پي تقسيم مي شوند.
مهاربندهاي مقيد شده در برابرکمانش نيز به دليل عدم كمانش، قادر به اتلاف انرژي زيادي بوده و در كنترل غير فعال سازه ها مورد استفاده قرار مي گيرند.
بسیاری از نقایص رفتاری مهاربندهای همگرای متعارف نتیجه اختلاف بین ظرفیت فشاری و کششی این مهاربندها و زوال در مقاومت این مهاربندها تحت بارگذاری چرخه ای می باشد
از این رو تحقیقات بسیاری صرف بهسازی این مهاربندها جهت رسیدن به یک رفتار الاستوپلاستیک ایده آل گردیده است. برای رسیدن به این هدف لازم بود تا با استفاده از مکانیزم مناسبی از کمانش فشاری مهاربند جلوگیری شود و امکان تسلیم فشاری فولاد فراهم شود. روشی که مدنظر قرار گرفت عبارت بود از محصورسازی یک هسته فلزی شکل پذیر در میان حجمی از بتن که خود توسط یک غشای فلزی در بر گرفته شده است.وقتی این نوع بادبندها به صورت مناسب طراحی و جزییات بندی شوند، غلاف فولادی نباید هیچگونه نیروی محوری را تحمل کند
مبانی 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 از سازه می باشد.
این امر با پوشاندن سراسر طول هسته فولادی در لوله فولادی پر شده با بتن یا ملات میسر می گردد.
در این سیستم نیاز به فراهم آوردن یک سطح لغزش یا لایه ناپیوستگی بین هسته فلزی و بتن محصور کننده وجود دارد.
سطح مقطع هسته فولادی دردو انتهای بادبند که خارج از غلاف فولادی میباشد برای اطمینان جهت عدم کمانش بیشتر می باشد.
هدف از این امر آن است که نیروی مهاربندی فقط توسط هسته فولادی تحمل شود. مصالح و هندسه لایه لغزشی مذکور باید به گونه ای طراحی شود که امکان حرکت نسبی بین هسته فولادی و بتن که به سبب وجود برش و اثر پواسون ایجاد می گردد، فراهم شود و در نتیجه ضمن جلوگیری از کمانش موضعی هسته، امکان تسلیم آن در حالت بارگذاری فشاری فراهم شود. بتن و محفظه لوله ای شکل فولادی سختی و مقاومت خمشی لازم را برای جلوگیری از کمانش کلی مهاربند فراهم آورده و امکان تحمل بار توسط هسته فولادی را تا حد تسلیم بدون آنکه کاهشی در سختی و مقاومت مهاربند طی چرخه های بارگذاری ایجاد گردد فراهم می آورد.
همچنین بتن و محفظه فولادی از کمانش موضعی هسته جلوگیری می کند. رفتار چرخه ای غیر الاستیک این مهاربندها با انجام آزمایشهای زیادی بررسی شده است.
این آزمایشات که با مطالعات اجزا محدود نیز همخوانی داشت نشان داد که بر خلاف مهاربندهای معمول چرخه های هیسترزیس پایدار در کشش و فشار حاصل می گردد و در نتیجه ظرفیت بالایی برای جذب انرژی زلزله در سازه ایجاد می گردد.
رفتار قابهای دارای مهاربندهای کمانش ناپذیر به رغم مشابهت ظاهری، تفاوت زیادی با قابهای مهاربندی 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 حالیکه تحقیقات دو دهه اخیر نشان می دهد که در سیستم مهاربندی های هم محور این مهاربندها در مود فشاری دچار کمانش کلی می شوند و در نتیجه سیستم دچار زوال در مقاومت و سختی می شود و در واقع پایین افتادگی منحنی هیسترزیس را موجب می شود
برای جلوگیری از این رفتار نامطلوب و کمانش بادبندهای ، سیستم بادبندهای BRB یا Buckling Restraint Brace به وجود آمد .
مود شکننده موجود در سیستم مهاربندی هم محور به مود شکل پذیر در مهاربندهای کمانش ناپذیر تبدیل می شود. مقدار نیروی طراحی حاصل از روش استاتیک معادل در این سیستم (هم محور) به میزان قابل توجهی بیش از سیستم مهاربندی کمانش ناپذیر می باشد. که باعث غیر اقتصادی بودن آن در مقایسه با سیستم مهاربند کمانش ناپذیر می گردد.
استفاده ديگر اين سيستمها در قابهاي همگراي ويژه اي است كه در آنها بادبندهاي هفتي يا هشتي وظيفه اتلاف انرژي زلزله را بر عهده دارند.
در اين سيستم ها، اتلاف انرژي از طريق جاري شدن مهاربند كششي و كمانش پايدار مهاربند فشاري صورت مي پذيرد. از آنجاييكه مهاربند فشاري پس از كمانش به شدت سختي خود را از دست مي دهد، اتلاف انرژي با مشكل مواجه شده و انرژي محدودي تلف مي شود.
علاوه بر آن، اختلاف نيروي عمودي بسيار بزرگي كه در مهاربندهاي ويژه هشتی ناشي از كمانش مهاربند فشاري در اين سازه ها مشاهده مي شود، با استفاده از مهاربندهای کمانش ناپذیربه حداقل میرسد لذا نیروی نامتعادل وارد بر تیر در سیستم مهاربندهای هفتی و هشتی در سیستم کمانش ناپذیر وجود ندارد در نتيجه تير دهانه مهاربندي شده داراي ابعاد بسيار كوچكتري خواهد بود
منبع : ایران سازه
استفاده از سیستم های غیرفعال اتلاف انرژی روش مؤثر در کا ستن از اثرات زلزله در ساختمان ها است . نقش عملی این سیستم ها اضافه نمودن میرایی ساختمانها و به تبع آن کاهش دامنه تغییر مکانها و نیروهای ناشی از اثرات زلزله در سازه است .
امروزه ثابت شده است كه طراحي سازه ها بصورتي كه براي مقابله با زلزله هاي شديد رفتار كاملا الاستيك داشته باشند، از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نمي باشد. در نتيجه در طراحي سازه ها از روشهايي مانند كنترل غير فعال سازه ها در برابر زلزله استفاده مي شود.
در اين روش، برخي اعضاي سازه اي خسارتهايي را در هنگام زلزله هاي شديد متقبل مي شوند تا بدين وسيله تلاشهاي وارد بر اعضاي اصلي سازه مانند ستونها كاهش يافته و از اين طريق سازه از آسيب هاي عمده در امان بماند.
روشهاي غير فعال بطور كلي به دو دسته سيستمهاي مستهلك كننده انرژي و جداگرهاي پي تقسيم مي شوند.
مهاربندهاي مقيد شده در برابرکمانش نيز به دليل عدم كمانش، قادر به اتلاف انرژي زيادي بوده و در كنترل غير فعال سازه ها مورد استفاده قرار مي گيرند.
بسیاری از نقایص رفتاری مهاربندهای همگرای متعارف نتیجه اختلاف بین ظرفیت فشاری و کششی این مهاربندها و زوال در مقاومت این مهاربندها تحت بارگذاری چرخه ای می باشد
از این رو تحقیقات بسیاری صرف بهسازی این مهاربندها جهت رسیدن به یک رفتار الاستوپلاستیک ایده آل گردیده است. برای رسیدن به این هدف لازم بود تا با استفاده از مکانیزم مناسبی از کمانش فشاری مهاربند جلوگیری شود و امکان تسلیم فشاری فولاد فراهم شود. روشی که مدنظر قرار گرفت عبارت بود از محصورسازی یک هسته فلزی شکل پذیر در میان حجمی از بتن که خود توسط یک غشای فلزی در بر گرفته شده است.وقتی این نوع بادبندها به صورت مناسب طراحی و جزییات بندی شوند، غلاف فولادی نباید هیچگونه نیروی محوری را تحمل کند
مبانی 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 از سازه می باشد.
این امر با پوشاندن سراسر طول هسته فولادی در لوله فولادی پر شده با بتن یا ملات میسر می گردد.
در این سیستم نیاز به فراهم آوردن یک سطح لغزش یا لایه ناپیوستگی بین هسته فلزی و بتن محصور کننده وجود دارد.
سطح مقطع هسته فولادی دردو انتهای بادبند که خارج از غلاف فولادی میباشد برای اطمینان جهت عدم کمانش بیشتر می باشد.
هدف از این امر آن است که نیروی مهاربندی فقط توسط هسته فولادی تحمل شود. مصالح و هندسه لایه لغزشی مذکور باید به گونه ای طراحی شود که امکان حرکت نسبی بین هسته فولادی و بتن که به سبب وجود برش و اثر پواسون ایجاد می گردد، فراهم شود و در نتیجه ضمن جلوگیری از کمانش موضعی هسته، امکان تسلیم آن در حالت بارگذاری فشاری فراهم شود. بتن و محفظه لوله ای شکل فولادی سختی و مقاومت خمشی لازم را برای جلوگیری از کمانش کلی مهاربند فراهم آورده و امکان تحمل بار توسط هسته فولادی را تا حد تسلیم بدون آنکه کاهشی در سختی و مقاومت مهاربند طی چرخه های بارگذاری ایجاد گردد فراهم می آورد.
همچنین بتن و محفظه فولادی از کمانش موضعی هسته جلوگیری می کند. رفتار چرخه ای غیر الاستیک این مهاربندها با انجام آزمایشهای زیادی بررسی شده است.
این آزمایشات که با مطالعات اجزا محدود نیز همخوانی داشت نشان داد که بر خلاف مهاربندهای معمول چرخه های هیسترزیس پایدار در کشش و فشار حاصل می گردد و در نتیجه ظرفیت بالایی برای جذب انرژی زلزله در سازه ایجاد می گردد.
رفتار قابهای دارای مهاربندهای کمانش ناپذیر به رغم مشابهت ظاهری، تفاوت زیادی با قابهای مهاربندی 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 حالیکه تحقیقات دو دهه اخیر نشان می دهد که در سیستم مهاربندی های هم محور این مهاربندها در مود فشاری دچار کمانش کلی می شوند و در نتیجه سیستم دچار زوال در مقاومت و سختی می شود و در واقع پایین افتادگی منحنی هیسترزیس را موجب می شود
برای جلوگیری از این رفتار نامطلوب و کمانش بادبندهای ، سیستم بادبندهای BRB یا Buckling Restraint Brace به وجود آمد .
مود شکننده موجود در سیستم مهاربندی هم محور به مود شکل پذیر در مهاربندهای کمانش ناپذیر تبدیل می شود. مقدار نیروی طراحی حاصل از روش استاتیک معادل در این سیستم (هم محور) به میزان قابل توجهی بیش از سیستم مهاربندی کمانش ناپذیر می باشد. که باعث غیر اقتصادی بودن آن در مقایسه با سیستم مهاربند کمانش ناپذیر می گردد.
استفاده ديگر اين سيستمها در قابهاي همگراي ويژه اي است كه در آنها بادبندهاي هفتي يا هشتي وظيفه اتلاف انرژي زلزله را بر عهده دارند.
در اين سيستم ها، اتلاف انرژي از طريق جاري شدن مهاربند كششي و كمانش پايدار مهاربند فشاري صورت مي پذيرد. از آنجاييكه مهاربند فشاري پس از كمانش به شدت سختي خود را از دست مي دهد، اتلاف انرژي با مشكل مواجه شده و انرژي محدودي تلف مي شود.
علاوه بر آن، اختلاف نيروي عمودي بسيار بزرگي كه در مهاربندهاي ويژه هشتی ناشي از كمانش مهاربند فشاري در اين سازه ها مشاهده مي شود، با استفاده از مهاربندهای کمانش ناپذیربه حداقل میرسد لذا نیروی نامتعادل وارد بر تیر در سیستم مهاربندهای هفتی و هشتی در سیستم کمانش ناپذیر وجود ندارد در نتيجه تير دهانه مهاربندي شده داراي ابعاد بسيار كوچكتري خواهد بود
منبع : ایران سازه
موضوعات: نکات اجرایی و آئین نامه ای, فولاد, مبحث 10, سازه فولادی, انواع اتصالات, آموزشی و کاربردی, مهندسي عمران
نويسنده :رضا عصمتی مهندس عمران
تاريخ: دوشنبه نهم دی ۱۳۹۲ ساعت:
