عملکرد لرزه ای و ضریب رفتار قاب های بتن مسلح دارای مهاربند کمانش تاب

سازه های طراحی شده در کشور زلزله خیزی مانند ایران باید از مقاومت و شکل پذیری کافی در برابر زلزله ها برخوردار باشند. از طرفی دیگر، طراحی ساختمانهای رایج در مناطق زلزله خیز باید به نحوی باشد که پاسخ آنها در مقابل زلزله های شدید، به محدوده غیرارتجاعی وارد شود تا از نظر اقتصادی مناسب باشد. در گذشته و اکنون نیز تمام سازه ها در محدوده ارتجاعی و بسته به شدت لرزه خیزی منطقه و اهمیت سازه طرح می شدند ولی اکنون در طرح لرزه ای و با صرفه لازم است تا از رفتار جذب کنندگی انرژی با تغییرشکلهای غیر ارتجاعی استفاده شود. طراحی لرزه ای سازه ها معمولاً بر این اساس است که عضوهایی در سازه پیش بینی شده باشند که در زلزله های شدید، رفتار غیرارتجاعی از خود نشان داده و انرژی لرزه ای را جذب نمایند. طراحی بر پایه اتلاف انرژی، مستلزم تعیین ضریب رفتار سازه ای(ضریب کاهش نیروئی زلزله) از طریق ایده ال سازی طیف پاسخ ارتجاعی می باشد. روش های مختلفی برای مقاوم سازی لرزه ای ساختمان های بتن مسلح وجود دارد که از جمله این روش ها می توان به کاربرد مهاربندهای فولادی در قاب های بتن مسلح اشاره کرد. بادبندهای همگرا، به عنوان متداولترین سامانه باربر جانبی که دارای هندسه مناسب و عملکرد خرپائی کامل است، توانسته است با تأمین سختی و مقاومت جانبی زیاد، عملکرد مطلوبی در زلزله ها داشته باشد. از مزیت های دیگر سامانه بادبندی همگرا، قابلیت تعمیرپذیری در صدمات شدید و نیز تشکیل یک مجموعه باربر جانبی مکمل با عملکرد مناسب و بصورت مختلط، می توان نام برد. طبق فلسفه طراحی لرزه ای، انتظار می رود که سامانه های مهاربندی همگرا تحت زلزله های شدید بتوانند پاسخ غیر ارتجاعی پایدار و مداومی از خود نشان دهند. استراتژی این فلسفه طراحی طوری است که تغییرشکل های پلاستیک فقط در بادبندها اتفاق افتاده و سایر قسمتهای سازه مثل ستونها، تیرها و اتصالات بدون پذیرفتن خرابی، زلزله های شدید را تحمل کرده و بارهای ثقلی سازه را تحمل نمایند. بدین مفهوم که بادبندها به عنوان عضو کنترل شونده توسط تغییرمکان و سایر اعضای سازه ای و اتصالات به عنوان عضو کنترل شونده توسط نیرو متمایز می شوند و در نتیجه رفتار شکل پذیر سازه تأمین می شود. رفتار سیکلی بادبندها شامل پدیده های کمانش ارتجاعی و غیرارتجاعی ، تسلیم بادبند، کمانش موضعی، کاهش ظرفیت در رفتار پس از کمانش و... می باشد. زلزله های شدید گذشته نشان داده اند که سیستم بادبندی همگرا، گرچه یک سیستم مناسب در مقابل بار جانبی و زلزله می باشد ولی ممکن است عملکرد خوبی نداشته باشند و رفتار ایده ال آنها که قبلاً ذکر شد، حاصل نشود. قابل ذکر است منحنی هیسترزیس مهاربندهای فولادی حالت متقارن ندارد و در کل می توان گفت مقاومت آنها در فشار بسیار کمتر از مقاومتشان در کشش می-باشد. نوع دیگری از مهاربندها وجود دارند که بخشی از نقاط ضعف مهاربندهای معمول در آنها اصلاح شده است. یعنی دارای منحنی هیسترزیس کاملا متقارن و پایدار هستند و هم در فشار و هم در کشش مقاومت بسیار مناسبی از خود نشان می دهند. این مهاربندها که به مهاربندهای کمانش تاب معروفند مکانیزمی دارند که جلوی کمانش شان تحت بار فشاری گرفته می شود و قبل از این که کمانش کنند به تسلیم می رسند و در نتیجه از تمام ظرفیت مقطع برای اتلاف انرژی (هم درکشش و هم در فشار) استفاده می شود. در این حالت هسته مرکزی مستقل از مکانیزم مقاوم در کمانش، می تواند تغییر طول دهد. به اقتضای مقاومت مواد و سطح و طولی از هسته که انتظار می رود در حالت الاستیک باشند و به تسلیم برسند، دامنه وسیعی از سختی و مقاومت برای بادبند می تواند حاصل شود. از آنجایی که از کمانش کلی و جزئی اجتناب می شود، ظرفیت غیر الاستیک زیادی حاصل می گردد. در مجموع افزودن مهاربند مقاوم در کمانش به قاب باعث بهبود شکل پذیری، سختی و مقامت سازه می شود. در صورتی که مکانیزم مقاوم درکمانش دارای ابعاد مناسبی باشند، هسته می تواند در فشار جاری شده و مقاومت فشاری و کششی یکسانی را با رفتار منظم هیسترزیس از خود بروز دهد. سوالی که در این زمینه مطرح است این است که کاربرد مهاربندهای کمانش تاب در ساختمان های بتنی چه تاثیری بر رفتار لرزه ای آن ساختمان دارد. یاد آوری می شود که در مورد کاربرد، طراحی، پارامترهای لرزه ای و در کل خصوصیات مهاربند کمانش تاب در آئین نامه های ملی ایران مطلبی وارد نشده است. بطور کلی می توان گفت هدف از این تحقیق بررسی رفتار لرزه ای و بعنوان نمونه تعیین ضریب رفتار قاب های بتن مسلح مقاوم شده و یا طراحی شده با مهاربندهای کمانش تاب می باشد. و با توجه به اینکه در مورد پارامترهای لرزه ای این نوع مهاربند اشاره ای در آئین نامه های ملی ایران صورت نگرفته است، این تحقیق می تواند در راستای تکمیل استاندارد 2800، ضریب رفتاری برای سازه های بتنی مهاربندی شده با مهاربند کمانش تاب پیشنهاد دهد. فرضیاتی که در راستای انجام این تحقیق در نظر گرفته شده است به قرار زیر می باشد . 1- فرض می شود که اتصال مهاربند به تیر و ستون توسط صفحه اتصال به درستی اجرا شود به گونه ای که این اتصال کاملا مفصلی باشد. 2- منحنی رفتاری مهاربند کمانش تاب که در این تحقیق استفاده می شود مشابه منحنی رفتاری بدست آمده از آزمایشات صورت گرفته در تحقیقات انجام شده می باشد. 3- همانطورکه از عملکرد مهاربند کمانش تاب انتظار می رود، فرض می شود که هیچ کمانش کلی و موضعی در مهاربند رخ نمی دهد. (کمانش کلی در نتایج تحلیل ها کنترل شده اند و فرض انجام شده تائید گردیده است) 4- همانطور که از عملکرد مهاربند کمانش تاب انتظار می رود، فرض می شود که انتقال نیروی محوری از هسته به ملات و پوسته صورت نمی گیرد و تنها خود هسته است که کل نیروی محوری اعم از فشاری و کششی را تحمل می کند. بنابراین در مدلسازی از این فرض استفاده شده است. در این تحقیق نوع سیستم های سازه ای که مورد بررسی قرار گرفته است، عبارت است از سیستم های باربر جانبی دوگانه، که شامل ترکیبی از قاب خمشی متوسط با انواع مهاربندهای معمولی و کمانش تاب می باشد. قاب های مفروض بصورت دو بعدی مدلسازی شده و مورد بررسی قرار گرفته اند. در این تحقیق فرض بر طراحی سازه جدید است نه مقاوم سازی سازه های موجود. بنابراین شکل مهاربندی قاب با مهاربند کمانش تاب متفاوت با قاب با مهاربند معمولی است. در واقع سعی شده هر سیستم بطور جداگانه به نحوی طراحی گردد که امید باشد بهترین طراحی ممکن آن نوع سیستم با مشخصات هندسی مفروض است. بنابراین مهاربندهای کمانش تاب بصورت قطری تکی مدل شدند به این دلیل که بحث کمانش و لاغری در آنها مطرح نیست و همچنین استفاده از شکل ضربدری برای این نوع مهاربند مجاز نیست و در عوض مهاربندهای معمولی بصورت ضربدری در قاب مدل شده اند تا طول موثر آنها کاهش یافته و لاغری در این نوع مهاربند کمتر شده و طرح اقتصادی شود. روش انجام تحقیق به این صورت است که قاب های مفروض را مدلسازی کرده و مدل ها را بر طبق روش های ذکر شده در آئین نامه بتن ایران و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و استاندارد 2800 طراحی و سپس به صورت غیرخطی (استاتیکی و تاریخچه زمانی) تحلیل شده اند. با بررسی عملکرد این قابها و نتایج بدست آمده، پیشنهادهایی ارائه شده است.