پایان نامه عملکرد مهاربند کمانش ناپذیر و تعیین پارامترهای عملکرد لرزه ای

مصالح جدا کننده و انبساطی

مصالح لغزنده­ای که به طور مؤثری انتقال بین هسته فولادی و ملات را حذف کنند و یا به حداقل برسانند. موادی مثل پلی­اتلین، روغن سیلیکن، نوار ماستیک و…از جمله این مواردند. به دلیل مکانیزم محصورشدگی، امکان کمانش هسته­ی فولادی در مدهای بالاتر وجود دارد.

به همین دلیل این فضای خالی باید به اندازه­ی کافی بزرگ باشد تا به فولاد اجازه انبساط در مد فشاری را بدهد. در غیر اینصورت، اصطکاکی که توسط نیروهای تماسی بین فولاد منبسط شده و ملات به وجود می­آید باعث می­شود مکانیزم محصورشدگی، مقداری نیروی محوری را تحمل کند. ازطرف دیگر اگر این فضای خالی خیلی بزرگ باشد، کمانش و انحنای همراه با آن خیلی بزرگ می­شود و می­تواند مقاومت خستگی بادبند را در برابر بارهای رفت و برگشتی کاهش دهد. در تخمین مقدار فاصله خالی بین ملات و هسته­ی فلزی باید مقدار ضریب پواسون 3/0 در حالت الاستیک 5/0 در حالت جاری شدن در نظر گرفته شود. طراحی فضای خالی همچنین بر اساس بیشینه کرنش نیز باید در نظر گرفته شود.

با توجه به شکل 1-15 اگر در بین قطعه محصورشده الاستیک و قطعه محصورشده جاری شونده تغییری در مساحت مقطع ایجاد شود باید یک فضای خالی در طول در جلوی قسمت عریض شده فراهم شود تا از تماس بین قطعه فولادی وملات جلوگیری کنیم. چنین تماسی ممکن است به طور غیر منتظره­ای مقاومت فشاری بادبند را افزایش دهد که از نیروی طراحی فراتر خواهد رفت. [6].

شکل1-15- فضای خالی خارجی بین ورق­های وصله و مکانیزم محصور شده[6]

1-4-4-5- مکانیزم محصور شدگی

این مکانیزم به طور معمول از ملات و غلاف فلزی تشکیل شده است. ولی بعضی از BRBها که از ملات استفاده نکرده­اند در شکل 3-17 نشان داده شده­اند:

شکل 1-16- انواع مختلف مهاربند BRB [6]

طرح اختلاط مناسب و عمل­آوری مناسب برای اطمینان از مقاومت فشاری کافی ملات لازم است در غیر این صورت ملات نمی­تواند مقاومت کافی در برابر کمانش فولاد تأمین کند. شکل 1-17 یک نمونه از تورم غلاف فلزی را به دلیل مقاومت نامناسب ملات نشان می­دهد.

شکل 1-17- نمونه ای از تورم غلاف فلزی به دلیل مقاومت نامناسب ملات[6]

1-4-5 مزایا ومعایب بادبند BRB

مزیت­های BRB در مقایسه با قاب­های خمشی یا بادبندی، بصورت زیر می­باشد:

BRBها کمانش­های نامطلوب را، بوسیله فراهم کردن استهلاک انرژی بیشتر و پایدارتر در تحریکات ناشی از سطوح لرزه­ای بالا تحت فشار و کشش، حذف می­کنند.

BRBها نصب اقتصادی بهتر را، از طریق اتصالات پیچی و پینی به گاست پلیت فراهم می­کند.

بادبندها همانند فیوزهای قابل تعویض سازه­ای عمل می­کنند و همچنین خسارات را با المان­های دیگر به حداقل می­رساند و بادبند خسارت دیده پس از زلزله جایگزین می­شود.

بعلاوه مدل کردن رفتار چرخه­ای BRB ها در تحلیل غیر­خطی آسان می­باشد.

در بهسازی لرزه­ای،  BRBها می­توانند مزایای بیشتری نسبت به سیستم مهاری معمولی بادبندی داشته باشد [11] این مزایا عبارتند از:

1-سختی جانبی الاستیک بالای بادبندهای BRB در تحریکات ضعیف زمین در مقایسه با قاب­های خمشی ارضاء محدودیت DRIFT آیین­نامه­ها را تسهیل می­کند.

2-بادبندهای BRB کمانش نامطلوب بادبندهای هم محور را حذف کرده و به همین سبب استهلاک انرژی بیشتر و پایدارتری در زمین لرزه­های قوی فراهم می­کنند.

3-بادبندهای BRB اگر به وسیله اتصالات پیچی به گاست پلیت متصل شوند از لحاظ اقتصادی قیمت­های مربوط به جوشکاری کارگاهی به همراه نظارت آنرا حذف می­کنند.

4-بادبندهای BRB مانند یک فیوز سازه­ای قابل تعویض عمل می­کنند که خرابی را در المان­های سازه­ای دیگر کمینه کرده و قابلیت تعویض بعد از زلزله­های بزرگ را دارا می­باشد.

5-بادبندهای BRB برای مقاوم­سازی بسیار مناسب­تر از بادبندهای مرسوم به دلیل الزامات طراحی ظرفیتی برای سیستم آتی در فراهم آوردن فونداسیون پرهزینه و تقویت دیافراگم کف می­باشند.

در طرف مقابل بادبندهای BRB معایب زیر را به دنبال دارد:

1-  بادبندهای BRB در انحصار شرکت­های خصوصی قرار دارند.

2- اگر در ساختن هسته مرکزی از فولادهایی با بازه مقاومت جاری شدن وسیع استفاده شود، نیروهای اضافه­ای به سازه اعمال می­شود.

3- نصب کارگاهی این نوع بادبندها از نصب بادبندهای هم محور به دقت بیشتری نیاز دارد.

4- ممکن است تغییر شکل­های ماندگار بزرگ در بادبندهای BRB تحت زلزله­های بزرگ اتفاق بیفتد.

5- نیاز به معیارهایی برای تشخیص خرابی و تعویض بادبندهای BRB است.

1-4-6-تقویت لرزه­ای سازه­ها با بادبندهای BRB

زمین­لرزه پدیده­ای است که طی آن در مدتی کوتاه انرژی زیادی در زمین رها می­شود. این پدیده جنبش­های شدیدی را در زمین بوجود می­آورد که باعث آشفتگی ناگهانی قسمت بالائی زمین می­گردد. با وقوع زمین­لرزه انواع مختلف موج­های لرزه­ای در تمام جهات در زمین منتشر و در فاصله­های زیاد توسط دستگاه­های حساسی که بر روی زمین و یا در نزدیکی سطح آن قرار داده شده­اند ثبت می­شوند. بنابراین در اثر زلزله، زمین شروع به حرکت در امتدادهای افقی بالا و پائین می­نماید. حرکت و شتاب زمین در امتداد افق غالباً بیش از امتداد قائم آن می­باشد و به همین دلیل نیروی جانبی وارد بر ساختمانها بیش از نیروی قائم وارده می­باشد. همراه با زمین، پی ساختمان نیز همزمان شروع به حرکت می­کند و حرکت زمین را به قسمت­های دیگر ساختمان انتقال می­دهد. به­خاطر تفاوت زمانی دریافت این حرکات و جرم­های متفاوت، تمام اجزای ساختمان با هم حرکت نمی­کنند و نسبت به هم جابه­جای­های متفاوتی را بروز می­دهند، این پدیده به عنوان تغییر­شکل ساختمان و یا پاسخ ساختمان نامیده می­شود. تغییرشکل در ساختمان، ایجاد تنش می­نماید و اگر این تنش­ها از مقاومت مصالح بیشتر باشد باعث ترک و گسیختگی اجزاء ساختمانی و انهدام ساختمان می­گردد. در ضمن هر چه پریود ساختمان به پریود زلزله نزدیک باشد، اثرات زلزله مخرب­تر می­باشد. در بعضی از سازه­ها از قبیل برج­های آزاد ایستاده و یا در سازه­های راکتور اتمی، طرح سازه برای زلزله­های متوسط و شدید اساساً بر رفتار ارتجاعی تکیه دارد و تنش­های بحرانی در سازه باید کمتر از تنش تسلیم باشد. اما در طرح بسیاری از سازه­ها بخصوص قاب­ها، با قبول اینکه در زلزله­های متوسط و شدید تنش حداکثر در بعضی از اعضاء به حد تنش تسلیم می­رسد، می­توان به یک طرح اقتصادی دست یافت.

یکی از روش­های مقابله با تغییرشکل­های سازه در برابر بارهای جانبی و حفظ پایداری آن، مهاربندی کردن سازه است. بادبندهای فلزی متعارف جهت تحمل نیروهای فشاری و کششی طراحی می­شوند و کمانش در این اعضاء با ضریب لاغری λ کنترل می­شود (ضریب لاغری λ نسبت بین طول آزاد بادبند و شعاع ژیراسیون آن می­باشد). انتخاب این پارامتر تابع میزان نیروی فشاری است تاثیر مستقیم بر سطح مقطع و سختی عضو دارد. این فاکتور برای جلوگیری از کمانش عضو، افزایش سطح مقطع را ایجاب می­نماید. ایده بادبندهای بدون کمانش زمانی مطرح شد که نیاز به تقویت مقاومت فشاری بادبند بدون افزایش مقاومت کششی و رسیدن به نمودار هیسترزیس پایدار بود. با توجه به شکل 1-18 بادبندهای کمانش ناپذیر (BRB)، با مانع شدن از کمانش پیش از تسلیم بادبند، باعث افزایش شکل­پذیری و جذب انرژی می­شوند. بدین ترتیب از کمانش هسته فولادی جلوگیری شده و بادبند در کشش و فشار می­تواند به طور متقارن به حالت خمیری درآید (ظرفیت باربری کششی و فشاری یکسان می­شود) [4].

 

شکل1- 18- رفتار بادبند­های معمولی و  BRB[4]

اصولاً آن قسمت از بادبند که بار را تحمل می­کند، هسته داخلی است و عضو محیطی متشکل از بتن مسلح، لوله فلزی و یا پانل بتن مسلح است که هسته را در برگرفته و فقط از کمانش هسته جلوگیری می­نماید. یعنی هنگامی که هسته داخلی تمایل به تغییرشکل جانبی دارد عضو محیطی، تأمین کننده سختی جانبی است.

1-4-7-نتایج آزمایش بر روی  BRBها با مقیاس بزرگ، در ایالات متحده آمریکا

سه نمونه بادبند مقید در برابر کمانش با مقیاس بزرگ ساخته شده در دانشگاه USBERKELEY مورد آزمایش قرار گرفتند. دو نمونه اول دارای مقطع عرضی مربع، نمونه سوم دارای مقطع عرضی صلیب شکل بوده، میزان مقاومت تسلیم بترتیب برابر 2/79Ksi و 7/60Ksi اندازه­گیری شده است. نمونه پاسخ بادبندها در شکل 1-19 نشان داده شده است. اگر چه افت آشکار پیچ لغزنده در زمانیکه نمونه 3 بارگذاری شد مشهود بود، تمام نمونه­ها رفتار هیسترزیس پایدار نشان دادند. پس از اینکه نمونه 2 تحت تاریخچه بارگذاری SAC، شکل a1-20 مورد آزمایش قرار گرفت، آزمایش خستگی با سیکل کم با کرنش محوری 2% انجام شد [12].

شکل1-19- پاسخ چرخه­ای بادبند مقید شده: a نمونه2، b نمونه3[12]

نمونه­ها قادر به تحمل 17 حلقه پایدار قبل از آنکه هسته ورق گسیخته شود می­باشند.

شکل1-20- دمپر مرکب مقید شده هیسترتیک: a نمونه مورد آزمایش، b هسته فولادی[12]

Higginsو Newell در سال 2002 مکانیزم مقاوم در برابر کمانش نوعی از BRB که شامل لوله­های فولادی پر شده با مواد غیر چسبنده بود، مورد مطالعه قرار دادند. (شکل 1-20) نصب کردن و سمبل کردن نمونه­های آزمایش را نشان می­دهد. تسلیم شدن بخش فولادی مرکزی که با فولاد A36 است محدود شده است. مواد غیر چسبناک ماسه OTTAWA که 97% آنها اندازه­شان بین 20تا 30 بوده می­باشند. پاسخ هیسترزیس مشاهده شده تحت بارگذاری چرخه­ای معکوس که رفتاری پایدار و استهلاک انرژی قابل اطمینانی را نشان می­دهد، در کرنش حدود 2% در شکل c1-21 دیده می­شود. در سومین مرحله، از هسته منشوری فولادی در طول داخلی بادبند استفاده شده و هر دو انتها بوسیله سخت کننده­های جوش داده شده، تقویت شده که برای راحت­تر کردن اتصال پیچی با سوراخ های بزرگ استفاده شود. تست تک محوره Merritt و همکاران، 2003 برای تصدیق عملکرد چرخه­ای با توجه به (شکل b1-21) می­باشد [13].

 

 

 

شکل1-21- جزئیات انتهایی و نمونه پاسخ هیسترتیک[13]

1-4-8-نتایج آزمایشات BRB در تایوان

چن و همکاران در سال 2001 رفتار چرخه­ای نوعی از BRB، فولاد با مقاومت تسلیم کم (مقاومت اسمی Fy =100 mpa) مطالعه کردند. شکل 1-22 بادبند مقید در برابر کمانش (BRB)، از لوله پرشده با بتن که ورق فولادی را محبوس می­کند ساخته شده است. لایه­ای از گریس سیلیکون بر روی سطح ورق فولادی قبل از بتن ریزی مالیده می­شود تا نیروی چسبندگی کاهش یابد. بدین ترتیب با توجه به شکل( b1-22) فضای خیلی کوچکی فراهم می­شود تا ورق فولادی باربر تحت فشار، منبسط شود. همچنین یک متوقف کننده را در وسط المان باربر که از لغزیدن سیستم نگهدارنده جلوگیری می­کند جایگذاری نموده­اند. شکل 1-22 نمونه­ای از پاسخ این BRB را نشان می­دهد. در نتیجه چن و همکاران پیشنهاد کردند که از این بادبند در پیکربندی­های قطری نه در پیکربندی 7 و8 استفاده شود.

چن و همکاران همچنین پیشنهاد کردند بادبندهای BRB فولاد ساخته شده با مقاطع مرکب و مکانیسم مقید در برابر کمانش شکل 1-22 نمونه­ای از مثال را با فولاد با مقاومت تسلیم کم و هسته فولادی باربر را نشان می­دهد [14].

شکل 1-22-جزئیات بادبند مقید در برابر کمانش: aشمای کلی، b المان باربر، c مقطع عرضی A-A، d مقطع عرضی B-B[14]

شکل1-23- نمونه پاسخ بادبند مقید در برابر کمانش[14]

شکل1-24- بادبند فولادی مقید در برابر کمانش:a) اجزاء b) هسته فولادی باربرc) مقطع عرضی[14]

 

به منظور کاهش اندازه اتصال و بهبود بخشیدن حوزه قابلیت ساخت، BRBها با دوبل- لوله توسعه یافتند. آزمایش­های گسترده­ای، بوسیله Tsai و lai در سال2002 انجام شد. جزئیات BRB دوبل لوله در شکل (1- a25) نشان داده شده است. هر بادبند از دو قطعه همانند تشکیل یافته است. هر قطعه دارای یک هسته فولادی، که همانند یک ورق و یا T شکل است، شامل می­شود که بوسیله لوله فولادی روکش شده است. هر دو انتهای هسته فولادی T شکل هستند. بدین ترتیب هر قسمت از بادبند می­تواند براحتی به ورق اتصال((gusset plate متصل شوند. شکل(1-b25) پس از اتصال دو قطعه نصب شده، ورق­های زائده (platetab) دیده می­شود. در شکل(1-a25) جهت اتصال دو قطعه به همدیگر استفاده می­شوند. به علاوه به منظور آسان کردن حوزه اتصال، یک ورق اتصال با طول کاهش یافته برای بهبود بخشیدن پایداری ناحیه اتصال می­باشد. یک نمونه از پاسخ BRB دوبل T شکل در شکل(1-c25) و (1-d25) نشان داده شده است [15].

شکل1-25- بادبند دوبل لوله مقید در برابر کمانش[15]

شکل (1-26) آزمایش قاب را نشان می­دهد، و جزئیات BRBها در شکل (1-27) و (1-28) موجود است. مقاطع دایره­ای HSS به­صورتی طراحی می­شوند که Pe بزرگتر از دو برابر Py هسته ورق فولادی باشد، مقاومت تسلیم هسته فولادی ksi 52 اندازه­گیری شده است.

لینک جزییات بیشتر و دانلود این پایان نامه :

 

پایان نامه ارشد: ارزیابی عملکرد مهاربند کمانش ناپذیر و تعیین پارامترهای عملکرد لرزه ای مورد استفاده استاندارد 2800 ایران