مقاله درباره نیروی کشش و ظرفیت جذب

دانلود پایان نامه

2-5-مقایسه رفتار لرزه‌ای قاب‌های خمشی و قابهای هم مرکز و خارج از مرکز
در طراحی ساختمان‌ها در مناطق زلزله‌خیز (مثل ایران) دو موضوع اساسی باید مدنظر باشد:
الف) ایجاد سختی و مقاومت کافی در سازه جهت کنترل تغییر مکان جانبی تا از تخریب اعضا سازه‌ای و غیر سازه‌ای تحت زلزله متوسط یا کوچک جلوگیری به عمل آید.
ب) ایجاد شکل‌پذیری و قدرت جذب انرژی مناسب در سازه به خاطر ممانعت از فروریختگی سازه در یک زلزله شدید.
تعدادی از سیستم‌های سازه‌ای فولادی قسمتی از شرایط فوق را اقناع می‌کنند. قابهایی که دارای مهاربندی معمولی هم مرکز (که در آنها محور مهارها از محل تقاطع محورهای تیر و ستون عبور می‌کند CBF) می‌باشند مقاومت و سختی قابل ملاحظه‌ای از خودشان نشان می‌دهند ولیکن به علت کمانش مهارها قدرت جذب انرژی و رفتار غیر ارتجاعی آنها ضعیف می‌باشد. (قابهای CBF شکل 2-9)
قابهای ممان بر (MRF) که اتصالات آنها در مقابل لنگر مقاوم می‌باشد، دارای خاصیت جذب انرژی فوق العاده خوبی هستند ولی نسبتاً انعطاف پذیر بوده و چنانچه سختی زیادی لازم باشد دیگر اقتصادی نخواهند بود. تغییر مکان جانبی زیاد در قابهای ممان بر باعث می‌شود که اثر – P به طور قابل ملاحظه‌ای ایجاد شود و در نتیجه مقدار زیادی از مقاومت و سختی قاب صرف مقابله با لنگرهای ناشی از آن گردد. (قابهای MRF، شکل 2-10)
روش مهاربندی خارج از مرکز (EBF) مقاومت و سختی قاب مهاربندی شده هم مرکز (CBF) را با رفتار غیرارتجاعی و قدرت جذب انرژی قاب ممان بر MRF ترکیب نموده و نهایتاً رفتار بسیار مناسبی از خود ارائه می نماید (قابهای EBF- شکل 2-11) این سیستم که به وسیله پوپوف (Popov) و همکاران در دانشگاه کالیفرنیا ابداع شده، بین اتصال مهار و تیر تعمداً خروج از مرکزیت ایجاد می‌گردد. طول این جزء کوچک تیر (قسمتی از تیر که بین مهار و ستون یا بین دو مهار قرار می‌گیرد) با کلمه (e) نشان داده شده و دارای این مزیت می‌باشد که می‌تواند نیروهای بادبندی را از طریق خود به ستون یا بادبندی‌های دیگر انتقال دهد و نهایتاً نیروهای متعادلی را به بادبند وارد سازد. در این سیستم جزء کوچک تیر مانند فیوز شکل پذیری عمل می‌کند و در حالی که از کمانش مهار جلوگیری می‌نماید مقدار زیادی انرژی وارده ناشی از زلزله را نیز جذب می‌کند.
طرح سازه‌های مقاوم در برابر زلزله برای تحمل زلزله‌های متوسط و شدید براساس رفتار غیرارتجاعی (خمیری) قرار دارد، چه در غیر اینصورت طرح اینگونه ساختمان‌ها به صورت اقتصادی امکان پذیر نمی‌باشد. به بیان دیگر هرگاه سازه‌ها برای شتاب‌های ثبت شده در زلزله‌های شدید و یا حتی متوسط به صورت دینامیکی ارتجاعی تحلیل شوند، نیروهایی که به دست می آیند چند برابر نیروهایی خواهند بود که در آیین نامه‌های متداول زلزله از جمله UBC توصیه می‌شود. از این رو خاصیت شکل پذیری و جذب انرژی ناشی از زلزله به صورت تغییر شکل خمیری از خصوصیات اساسی سازه‌های مقاوم در مقابل زلزله می‌باشد.
همانطور که قبلاً ذکر شد مهمترین مزیت قابهای EBF در طراحی سازه‌های مقاوم در برابر زلزله ترکیب سختی مناسب و همچنین شکل پذیری بالا و جذب انرژی زیاد در آن می‌باشد.
شکل پذیری بالا در قابهای EBF را می‌توان ناشی از دو عامل دانست:
الف) هنگام وقوع یک زلزله شدید تغییر شکل غیر ارتجاعی محدود به تیر پیوند شده و نهایتاً این جزء تیر باید طوری طرح شود که بتواند تغییر شکل‌های بزرگ غیر ارتجاعی را بدون از دست دادن مقاومت تحمل کند.
ب) مهاربندی‌ها طوری طراحی می‌شوند که حتی در مقابل بارهای جانبی شدید هم کمانه نکنند.
با مطالعه اشکال (2-12، 2-13 و 2-14) می‌توان بهتر به مقایسه شکل پذیری در ظرفیت جذب انرژی سه نوع قاب یاد شده پی برد. شکل (2-12) بیانگر حلقه‌های هیسترتیک کامل و پایدار قابهای نوع MRF می‌باشد. همانطور که مشاهده می‌شود این قابها دارای توانایی تحمل تغییر شکل‌های زیاد و استهلاک انرژی بالائی می‌باشند.
شکل 2-9) نمونه‌هایی از قابهای هم مرکز
شکل 2-10) نمونه‌هایی از قابهای خمشی
شکل 2-11) نمونه‌هایی از قابهای خارج از مرکز
شکل 2-12) نمودار هیسترتیک قابهای ممان بر
شکل 2-13) نمودار هیسترتیک قاب‌های با مهاربندی هم مرکز
شکل (2-14) نمودار هیسترتیک قاب‌های با مهاربندی خارج از مرکز
شکل (2-13) بیانگر حلقه‌های هیسترتیک بهم ریخته یک قاب CBF می‌باشد. همانطور که مشاهده می‌شود این نوع قاب دارای ظرفیت استهلاک انرژی پائینی بوده و این امر ناشی از کمانش سریع بادبندها تحت اثر بارهای تناوبی وارده می‌باشد.
شکل (2-14) بیانگر حلقه‌های هیسترتیک یک قاب EBF می‌باشد. همانطور که مشاهده می‌شود حلقه‌های پس ماند این قاب شبیه به قاب MRF پایدار بوده و این امر بخاطر جلوگیری از کمانش بادبندها و عدم کاهش مقاومت قاب در تغییر شکل‌های غیرارتجاعی تیر پیوند می‌باشد.
2-5-1- قدرت جذب انرژی در بارگذاری یک جهته
سطح زیر منحنی تنش کرنش متناسب با انرژی جذب شده توسط جسم می‌باشد. هر قدر سطح زیر منحنی بزرگتر باشد قابلیت جذب انرژی جسم بیشتر می‌باشد، بنابراین مقاومت جسم نیز در مقابل گسیختگی بیشتر خواهد بود. گاهی اوقات سطح زیر منحنی تنش-کرنش به طاقت جسم تعبیر می‌شود. (شکل 2-15)
از تمام انرژی که به جسم وارد می‌شود فقط بخش مربوط به ناحیه ارتجاعی باز پس گرفته می‌شود بقیه به صورت تغییر فرم‌های خمیری در جسم به صورت حرارت تلف شده و عملاً غیرقابل بازگشت می‌باشد.
شکل 2-15) منحنی تنش – کرنش
2-5-2- استهلاک انرژی دربارگذاری متناوب و منحنی‌های هیسترزیس (پس ماند)
اگر جسم اصولاً ارتجاعی نبوده و یا بارگذاری از حد ارتجاعی گذشته باشد تغییر فرم به صورت داخلی در جسم باقی می‌ماند. در چنین حالتی پس از باربرداری کاملاً به نقطه شروع برنگشته و به نقطه دیگری مانند خواهد رسید (شکل 2-16) به همین ترتیب چنانچه بارگذاری در جهت دیگر ادامه پیدا کند یعنی نیروی کششی به نیروی فشاری تبدیل شود به نقطه B خواه رسید. پس از باربرداری به نقطه رسیده و با انجام این آزمایش یک منحنی حلقه‌ای شکل بدست می‌آید که به منحنی هیسترزیس یا پس‌ماند مشهور است. سطح داخلی منحنی هیسترزیس عبارت از مقدار انرژی تلف شده به صورت حرارت می‌باشد و هر قدر منحنی هیسترزیس چاق‌تر باشد این انرژی تلف شده بیشتر خواهد بود.