بخش اول
مقدمه
انواع سیستمهای باربر جانبی
1) سیستم قاب فضایی ساده (قاب مفصلی)
2) سیستم قاب خمشی (قاب صلب)
3) سیستم قاب مختلط (دوگانه یا ترکیبی)
سیستم قاب ساده: به سیستمی اطلاق میشود که در آن کلیه اتصالات بصورت مفصلی بوده، بین تیرها و ستونها امکان مبادله خمش وجود ندارد.در این سیستم تیرها و ستونها فقط وظیفه تحمل بارهای ثقلی را دارند و تامین پایداری و مقاومت در برابر بارهای جانبی بعهده مهار بندها و یا دیوارهای برشی می باشد.
پایداری سازه در برابر بارهای جانبی
الف) سیستمهای خمشی
در یک رابطه ساده شده:
در رابطه فوق b" "نشان دهنده تیر (beam) می باشد.
قبل از تحریک سیستم θ و Δ صفر بوده سپس با تحریک سیستم توسط اعمال بار، θ و Δ بتدریج افزایش مییابند اما بعد از یک مقدار مشخص از تغییر مکان جانبی و θ ، حرکت سیستم متوقف میشود.اصطلاحاً چنین سیستمی را سیستم پایدار میگویند.
در سیستمهای خمشی (اتصالات گیردار) نقش تیرها در ایجاد پایداری به مراتب بیشتر از ستونها است.که این موضوع در رابطه ارائه شده در فوق مشهود است.
در این حالت بدلیل نوع عملکرد اتصال مفصل، سختی تیر مشارکت نمی کند لذا تغییر مکانهای جانبی سیستم بطور فزاینده و تسلسلی افزایش می یابند و در نهایت سیستم دچار فرو ریزش می شود.
در سیستمهای مفصلی برای تامین پایداری سازه در برابر بارهای جانبی می بایست از مهاربند و یا دیوار برشی استفاده نمود.
مهاربندها به تنهایی مقاومتی ندارند بلکه در ترکیب با ستونها، تشکیل یک شبکه خرپایی مقاوم در برابر تارهای جانبی را میدهند.
ملزومات تشکیل شبکه خرپایی
1) عناصر قائم (ستونها)
2) عناصر قطری (مهار بندها)
3) تیرها ( فقط در صورتیکه مهاربندها از نوع متصل به تیر باشند)
انواع سیستمهای مهاربندی:
1) سیستم مهار بندی هم محور ( همگرا، متقارب، CBF )
مکانیزم عملکرد سیستمهای مهاربندی هم محور(CBF)
یک مهار بند ضربدری را در نظر بگیرید، با تحریک سیستم سازه دچار تغییر مکان جانبی شده و به تبع آن یکی از المانهای قطری در فشار و دیگری در کشش قرار می گیرد.در طول جریان زلزله و در یکی از لحظات آن، نیرو در مهاربند فشاری حدوداً R برابر نیروی طراحی خواهد شد بدین ترتیب المان مورد نظر دچار کمانش خواهد شد. بواسط این کمانش و تغییر شکل ایجاد شده در عضو لنگری ایجاد خواهد شد که از تلفیق این لنگر با نیروی محوری،سطح تنش عظیمی در المان ایجاد میشود که منجر به تشکیل مفصل پلاستیک خواهد شد.
در سیکلهای بعدی زلزله فرآیند فوق برای هر دو المان مهاربندی ایجاد می شود که منجر به کاهش قابل توجه سختی و مقاومت در مهاربندها می شود که در اصطلاح خرابی توسعه می یابد.
در مباحث طراحی مقاوم اصطلاحاً گفته می شود اگرچه مهاربندهای هم محور در تنشهای نه چندان بزرگ ودر حوزه عملکرد الاستیک سختی و مقاومت مناسبی دارند،لیکن تحت تنشهای بزرگ و در حوزه عملکرد غیر الاستیک، این مهاربندها استعداد زیادی به کمانش و ناپایداری دارند. بعبارت دیگر قابلیت اعتماد پذیری لرزه ای مناسبی ندارند.
2) سیستم مهاربندی برون محور ( واگرا، غیر متقارب، EBF )
مکانیزم عملکرد سیستمهای مهاربندی برون محور(EBF)
در سیستمهای EBF هدف طراحی آن است که از تشکیل مفصل پلاستیک روی ستونها و مهاربندها جلوگیری شود.در ضوابط طرح لرزه ای آیین نامه فولاد شرایطی مقرر گردیده است که با اعمال آنهد در طراحی هدف فوق تامین می گردد.اساس کار در سیستمهای برون محور بر تشکیل مفاصل پلاستیک در ناحیه تیر پیوند می باشد.
تیر پیوند (Link Beam): بخشی از طول تیر که بین مهاربندها قرار میگیرد تیر پیوند نامیده می شود.
هرچه طول تیر پیوند کوتاهتر باشد برش آن افزایش و خمش آن کاهش می یابد و با افزایش طول تیر پیوند بلعکس.
بنابراین در تیرهای پیوند کوتاه انتظار داریم تسلیم از نوع برشی و در تیرهای پیوند بلند تسلیم از نوع خمشی باشد.
اگر رفتار تیر پیوند برشی باشد ( در برش تسلیم شود) شکل پذیرترین حالت برای سیستمهای برون محور است و استفاده از آن مکرراً توصیه میشود.
جان تیر پیوند بایستی از یک ورق تک بدون ورقهای مضاعف کننده جان تشکیل شده باشد.در ضمن تعبیه سوراخ در جان تیر پیوند مجاز نمی باشد.( تیر لانه زنبوری ممنوع است). بعبارت دیگر آیین نامه هیچگونه ریسکی را در مورد تیر پیوند نمی پذیرد.
رابط فعال و غیر فعال
بطور کلی در سیستمهای EBF رابط فعال یعنی رابطی که توان اتلاف انرژی دارد و رابط غیر فعال یعنی رابطی که توان اتلاف انرژی ندارد.
در شکل فوق:
در رابط فعال فقط تیر پیوند به مهار بند نیرو میدهد و در واقع مهاربندها تکیه گاه تیر هستند.در این حالت وقتی تیر پیوند تسلیم میشود کماکان میتواند روی بادبند نیرو تخلیه کند.
اما در مورد رابط غیر فعال تیر پیوند در حکم تکیه گاه برای بادبندها می باشد و لذا این تیر پیوند است که باید فشار مداوم مهار بندها را تحمل کند.لذا حجم نیروی بسیار زیادی روی تیر پیوند داریم که سبب تسریع در فرو ریزش خواهد شد و لذا چنین حالتی توصیه نمی شود.
مفهوم غیر خطی شدن سازه ها
در زمان وقوع زلزله اصل نیروی زلزله وارد بر سازه بصورت B.A.W می باشد. این نیرو بسیار بزرگ بوده و طراحی بر اساس آن منجر به بالا رفتن بی رویه ابعاد و اندازه اعضای سازه می شود.
آیین نامه های زلزله با استفاده از " پتانسیل اتلاف انرژی سازه ها " در حوزه عملکرد غیر الاستیک، این مشکل را برطرف میکنند به این صورت که بسته به نوع سیستم سازه ای و اندازه گیری توان اتلاف انرژی آن، ضریبی به نام ضریب رفتار R را به آن سیستم سازه ای اختصاص می دهند، سپس نیروی B.A.W را بر ضریب رفتار R تقسیم میکنند.به این صورت در زمان وقوع زلزله نیرو در اعضا حدوداً R برابر نیروی طراحی می باشد.لذا در بسیاری از اعضا تنش به حد تسلیم می رسد و در اعضا مفصل پلاستیک تشکیل می گردد.با افزایش تعداد مفاصل پلاستیک سازه وارد حوزه عملکرد غیر الاستیک خود می شود.از طرفی ضوابط شکل پذیری و طرح لرزه ای که در آیین نامه های فولاد و بتن آمده اند،به منظور تامین شرایط ایمن برای سازه در حین عملکرد در حوزه غیر الاستیک تنظیم شده اند.
مفصل پلاستیک: در فولاد مقطعی است که تارهای آن به حد جاری شدن رسیده اند و در بتن مقطعی است که میلگردهای کششی آن تسلیم شده باشند. (Hinge)
شکل پذیری: قابلیت جذب و استهلاک انرژی سیستم در حوزه عملکرد غیر الاستیک سازه تحت اثر بارهای تناوبی بدون آنکه در سازه افت مقاومت قابل ملاحظه ای ایجاد شده باشد.
* در اصطلاح تحلیل می گویند سطح
زیر نمودار های فوق با هم برابرند.
* اگر سازه بر مبنای B.A.W طراحی
شود، در طی زلزله رفتار سازه الاستیک خواهد بود که در این حالت، طرح توجیه اقتصادی
و معماری ندارد و بعضاً در طراحی نیروگاهها و پالایشگاهها از این حالت استفاده می
شود.
* هرچه ضریب رفتار بزرگتر باشد در حین وقوع زلزله سیستم زودتر تسلیم می شود.از طرفی چون می بایست سطح زیر منحنی Push Over با هم برابر باشد، لذا شکل پذیری آن هم می بایست بیشتر باشد.(تغییر مکان بیشتری خواهد داشت)
سطوح اصلی عملکرد سازه ها
1) قابلیت بهره برداری بی وقفه (IO: Immediate Occupancy): هیچگونه اختلالی در سرویس دهی سازه ایجاد نشود.
2) ایمنی جانی (LS: Life Safety): هدف حفظ جان ساکنین است و بعد از زلزله ممکن است سازه قابل استفاده نباشد.
3) آستانه فرو ریزش (CP: Collapse Prevention): احتمال تلفات جانی محدود هم وجود دارد.
* ضریب (I) برای اغنای سطح عملکرد مورد نظر می باشد.
