بنابراین در تحلیل غیر ارتجاعی، انتخاب سیستم سازه­ای و نیز مقاطع و مصالح مناسب جهت حصول مدل­های چرخه­ای مطلوب برای اعضای تشکیل­دهنده سازه، یکی از عوامل اساسی در پیش ­بینی پاسخ دینامیکی لرزه­ای است.

در قسمت­ های بعدی مقاومت نهایی، شکل­پذیری و چگونگی رفتار تحت بارهای تکراری برای سیستم­های مختلف فولادی مورد بررسی قرار می­گیرد.

سیستم قاب خمشی مقاوم^[۶]

این نوع سیستم به لحاظ رفتاری که در برابر بارهای جانبی از خود نشان می­دهد، در اغلب سازه­های فولادی به­کار برده می­ شود. مهمترین خاصیت این سیستم نحوه اتصال اعضای آن می­باشد که به­نحو مؤثری در رفتار سازه­ای و پایداری سیستم دخیل می­باشد.
از مزایای این سیستم می­توان عدم تداخل در ملاحظات معماری از جمله تعبیه بازشوها را عنوان کرد. همچنین این سیستم دارای شکل­پذیری و قابلیت استهلاک انرژی بالا می­باشد. اما به علت سختی کم در برابر بارهای جانبی دچار ضعف است. به­ طوری­که طراح در بسیاری از مواقع برای محدود کردن جابجایی یا به اصطلاح ازدیاد سختی، ناچار به قوی کردن مقاطع خواهد بود و این امر نیز به نوبه خود باعث افزایش وزن سیستم و غیر اقتصادی شدن طرح خواهد شد.
در طراحی این قاب­ها در مناطق زلزله­خیز، فلسفه طراحی تیر ضعیف و ستون قوی باید اعمال گردد. یعنی تناسب بین سختی تیرها و ستون­ها طوری رعایت شود که تغییرشکل­های غیر ارتجاعی و مفصل­های خمیری در تیر و نه در ستون حادث شوند تا بدین طریق از تمرکز تغییرشکل در یک طبقه خاص جلوگیری شود.
پس در این نوع طراحی باید ستون­ها در حالت ارتجاعی باقی مانده و تیرها زودتر از ستون­ها تسلیم شوند و با شکل­پذیری مناسب خود، انرژی زلزله را مستهلک کنند. اتصالات باید بتوانند در بارهای حدی با شکل­پذیری مناسب غیر ارتجاعی خود ظرفیت تحمل قاب را بالا ببرند. ظرفیت باربری قاب خمشی به مقدار زیادی به مقاومت تک­تک تیرها و ستون­ها بستگی دارد. قاب خمشی به علت پیوستگی­اش در مقابل بارهای جانبی، اساساً به وسیله خمش تیرها و ستون­ها پاسخ نشان می­دهد. شکل ۲-۲ روابط نیروی افقی- تغییر مکان را برای قاب­های پرتال با مقیاس حقیقی تحت یک بار افقی سیکلی نشان می­دهد. در شکل الف چون هیچ نیروی قائمی اعمال نمی­ شود، چرخه­های هیسترزیس دوکی شکل هستند.]۵[
شکل۲-۲ : رفتار چرخه­­ای قاب خمشی (الف) بدون بار قائم (ب) با بار قائم
در یک آزمایش طبیعی در زلزله نورثریج ۱۹۹۴ لوس­آنجلس بعضی از قاب­های خمشی فولادی در اتصالات­شان دچار خرابی شدند که به نظر می­رسد اتصالات جوشی، شکل­پذیری مورد انتظار را نداشته­اند. از این­رو در این سیستم­ها حداکثر توجه باید به کیفیت اتصال و شکل­پذیر بودن آن معطوف گردد.]۶[

سیستم قاب مهاربندی شده همگرا^[۷]

قاب­های مهاربندی شده با اتصالات هم­مرکز از متداول­ترین سیستم­های باربر جانبی است. با افزایش تعداد طبقات ساختمان، استفاده از سیستم قاب خمشی مقاوم به جهت نداشتن سختی جانبی کافی برای محدود کردن تغییرشکل­ها، اقتصادی نخواهد بود. ازاین­رو سیستم مهاربندی شده همگرا، از مفیدترین سیستم­ها، جهت کنترل تغییرمکان­های جانبی است. به علت پیکر­بندی خرپاگونه، این سیستم دارای صلبیت جانبی بسیار زیادی است، به­ طوری­که یک سیستم قاب مهاربندی همگرا در مقایسه با سیستم قاب خمشی سیستم نظیر آن می ­تواند تا ده برابر سخت­تر باشد. از این­رو استفاده از آن برای مقابله با نیروهای جانبی اقتصادی­تر است. همچنین سهولت طراحی و اجرا نیز از نقاط قوت این سیستم است. اما همان­طوری­که در این بخش توضیح داده خواهد شد رفتار لرزه­ای آن در محدوده غیر خطی، که سازه در هنگام زلزله­های شدید و متوسط، وارد آن می­ شود، چندان رضایت­بخش نیست.

انواع مهاربندهای همگرا

بعضی از انواع مهاربندهای همگرا و خصوصیات آنها در اینجا معرفی می­ شود:

مهاربندی ضربدری^[۸]

این نوع مهاربند که در شکل ۲-۳-الف نشان داده شده است، دارای ظرفیت کششی بالا و ظرفیت کمانشی فشاری پایینی می­باشد. در نگاه اول انتخاب این مهاربند از دیدگاه اقتصادی ممکن است انتخاب مناسبی باشد، اما نتایج تحلیل دینامیکی نشان می­دهد که برای قاب­های مهاربندی­شده چند طبقه زمانی­که شدت حرکت زمین از یک حد مشخص فراتر می­رود، تغییر­شکل خمیری در یک طبقه بخصوص متمرکز خواهد شد. این واقعیت به این جهت است که ظرفیت هرز انرژی قاب­های مهاربندی­شده در مقایسه با قاب­های بدون مهاربند کمتر است. به همین دلیل است که اخیراً سعی شده است تا در نواحی با خطر زلزله­خیزی بالا از این نوع مهاربند استفاده نشود.

مهاربندی نوع K ^[۹]

این نوع مهاربند که در شکل ۲-۲-ب دیده می­ شود، باعث تسلیم ستون­ها در هنگام زلزله می­ شود. در این مهاربندها از آنجایی­که در یک عضو فشار و در عضو دیگر کشش وجود دارد. با توجه به این­که مقاومت فشاری کمتر از مقاومت کششی است، این اختلاف باعث تولید برش و لنگر خمشی در ستون­ها می­گردد، از این­رو بهتر است از این نوع سیستم استفاده نشود.

مهاربندی V ^[۱۰]

در هنگام زلزله این سیستم مهاربندی باعث تسلیم تیر می­ شود که به خاطر وجود دال کف، باعث تغییر شکل آن نیز خواهد شد. به هر حال ظرفیت اتلاف انرژی آن بالاتر از انواع قبلی می­باشد. ضمن آنکه در صورت خرابی تیر، این مسئله موضعی خواهد بود. (شکل ۲-۲-پ)

مهاربندی قطری^[۱۱]

مهاربند قطری در یک جهت کششی و در جهت دیگر فشاری عمل می­ کند. این شکل مهاربندی عملکردی شبیه به مهاربند ضربدری دارد. ضمن آنکه طول آزاد مهاربند بلندتر بوده و توسط مهاربند دیگر مهار نشده است. (شکل ۲-۲-ت)

(ت)
(پ)
(ب)
(الف)
شکل۲-۳ : سیستم­های باربر جانبی فولادی
(الف)مهاربند ضربدری (ب) مهاربند K (پ)مهاربند V (ت) مهاربند قطری

رفتار مهاربندهای همگرا در هنگام زلزله

بررسی رفتار مهاربندهای همگرا در محدوده خطی و در هنگامی­که نیروهای ناشی از زلزله در محدوده الاستیک هستند، بسیار ساده است. اما وقتی­که سازه وارد محدوده غیر­الاستیک خود می­ شود، مهاربند رفتار هیسترزیس پیچیده­ای داشته و رفتار نامتقارن در کشش و فشار از خود نشان می­دهد و به طور متناوب و تکراری تحت دوران در لولای پلاستیکی بوده که بر اثر کمانش در فشار و تغییر طول پلاستیک بعد از تسلیم در کشش، بوجود می ­آید. رابطه بین نیروی محوری و تغییر شکل محوری از نظر تئوری از شرایط تعادل، شرط تسلیم و قانون سیلان^[۱۲] مربوطه که همگی در مفصل خمیری به­کار برده می­ شود، به­دست می ­آید.]۵[
اعضای مهاربند با شرایط انتهایی غیر ساده را می­توان به کمک مفهوم طول موثر حل نمود. همچنین مشخص شده است که شکل چرخه­های هیسترزیس عمدتاً با نسبت لاغری KL/r تغییر می­ کند و دیگر اینکه رفتار محدوده تغییر­شکل­های بزرگ نیز ممکن است متأثر از شکل مقطع عرضی باشد، زیرا احتمال وقوع کمانش موضعی و یا کلی وجود دارد. کمانش موضعی معمولا سبب ترک­خوردگی در قسمت­ های وسطی و انتهایی عضو می­ شود. بنابراین جزئیات اتصال انتهایی باید چنان باشد که تمرکز تنش به وجود نیاید. علاوه بر این مقاومت اتصال انتهایی بایستی بزرگتر از مقاومت تسلیم عضو مهاربند باشد، در غیر این صورت قبل از تسلیم عضو، ممکن است شکست ترد اتصال به وجود آید.
این رفتار پیچیده باعث شده است که در طراحی مهاربند همگرا، رفتار الاستیک در نظر گرفته شود. این روش طراحی باعث می­ شود که در بعضی از طبقات مهاربند طراحی شده قوی­تر از مهاربند مورد نیاز باشد، همچنین نیروهای طراحی توزیع شده در تیرها و ستون­ها اغلب با مقادیر واقعی توزیع نیرو در زلزله تفاوت داشته باشد. این اختلاف باعث می­ شود که زلزله به طبقات ضعیف­تر آسیب وارد کند. همچنین کمانش جانبی مهاربند ممکن است به اعضای غیر­سازه­ای نیز آسیب برساند.
بنابراین ملاحظه می­ شود که سیستم­های مهاربندی همگرا علی­رغم آنکه سختی یا صلبیت جانبی زیادی دارند، ولی رفتار لرزه­ای نامناسبی از خود نشان می­ دهند. از این­رو اکثر آیین­ نامه­ های معتبر اخیراً ضرایب کاهش نیروی (R ) پایینی را برای مهاربندهای همگرا پیشنهاد داده­اند. در جهت بهبود رفتار غیرخطی مهاربندهای همگرا با حفظ سختی آنها راه­های مختلفی پیشنهاد شده است که از آن جمله می­توان به مهاربندهای خارج از محور اشاره نمود که در قسمت بعدی توضیح داده خواهد شد.
روش دیگر برای بهبود رفتار این نوع مهاربند، رساندن مهاربند تحت بار محوری فشاری به حد تسلیم است که با جلوگیری کردن از کمانش عضو توسط یک مکانیزم خارجی میسر می­ شود.]۷[

سیستم قاب مهاربندی شده واگرا^[۱۳]

در ساختمان­های بلند جهت کنترل تغییر مکان­های جانبی سازه­، استفاده از قا­ب­های مهاربندی شده نسبت به قاب صلب خمشی اقتصادی­تر می­باشد و در این راستا مهاربندهای ضربدری به خاطر سختی بالا رواج بیشتری داشته است، ولی این سیستم از لحاظ معماری با محدودیت­هایی روبرو بود و برای رفع این محدودیت­ها از مهاربندهای خارج از مرکز استفاده شد. ( شکل ۲-۳ )

شکل۲-۴ : نمونه­هایی از سیستم­های واگرا
این نوع مهاربند در ابتدا صرفا برای کنترل تغییر مکان­های جانبی و رفع محدودیت­های معماری مورد توجه بود و به رفتار واقعی آن توجهی نشده بود. ولی با پیشرفت علم مهندسی زلزله و با توجه به پدیده شکل­پذیری و ظرفیت جذب و استهلاک انرژی در سازه­ها و با توجه به مساله کمانش و ظرفیت پایین جذب انرژی در مهاربندهای ضربدری، مهاربند خارج از مرکز به عنوان سیستمی مناسب برای مقابله با نیروی زلزله معرفی شد.
این سیستم سازه­ای هم قابلیت ­های قاب­های خمشی و هم قابلیت ­های قاب­های با مهاربند همگرا را داراست. سیستم یاد شده هم دارای ظرفیت جذب انرژی بالا و هم مقاومت جانبی مناسب می­باشد. در دهه هشتاد میلادی و پس از آن ساختمان­های متعددی با سیستم مهاربند واگرا ساخته شده و رفتار مناسبی را در مقابل زلزله­های شدید از خود نشان داده­اند.]۸[
در این سیستم، مهاربند به جای برخورد به محل اتصال تیر و ستون، با فاصله کمی از گره اتصال تیر به ستون، به تیر بالای آن برخورد می­ کند که در این حالت تیر بین محل اتصال مهاربند تا محل اتصال به ستون، تیر پیوند نامیده می­ شود. این تیر پیوند مانند فیوزی شکل­پذیر عمل کرده و از وارد شدن نیروی بیش از حد به مهاربندها و کمانش آنها جلوگیری می­ کند و جذب و استهلاک انرژی از طریق تغییر­شکل­های خمشی و یا برشی ایجاد شده در تیر پیوند صورت می­گیرد.
در قاب­های واگرا نیروهای محوری مهاربندهای قطری یا به ستون­ها منتقل می­ شود و یا به صورت خمشی و یا برشی به تیر پیوند منتقل می­ شود و رفتار جانبی لرزه­ای سازه ترکیبی از عملکرد خمشی-برشی تیرها و ستون­های دهانه مهاربندی شده و عملکرد کششی-فشاری مهاربندها می­باشد.
با انتخاب مناسب هندسه سازه­ای، یک قاب با مهاربندی واگرا می ­تواند سختی قاب با مهاربندهای همگرا را داشته باشد، بعلاوه در طی اعمال چندین مرحله بارگذاری شدید، تیر پیوند به صورت غیر­ارتجاعی تغییر­شکل داده و جذب انرژی به صورتی که در قاب­های خمشی ملاحظه می­گردد، انجام خواهد شد. مزیت این سیستم در مستهلک کردن انرژی جذب شده می­باشد که با توجه به ضوابط خاص طراحی از کمانش مهاربندها جلوگیری به عمل آمده و حلقه­های هیسترزیس پایداری خواهد داشت.
با این حال این سیستم نیز با موانعی روبروست. به عنوان مثال ظرفیت جذب انرژی توسط پیوند برشی که قسمتی از شاه­تیر اصلی قاب است، تامین می­ شود که تعمیر و یا جایگزینی آن بعد از یک زلزله شدید وقت­گیر و پر­هزینه است. در ضمن المان مهاربندی و پیوند برشی وقتی فعال می­ شود که سازه تحت اثر زلزله­های قوی و مخرب قرار گیرد و در زلزله­های کوچک، پیوند برشی در حالت الاستیک باقی می­ماند. بنابراین تیر پیوند به خاطر اندازه و محل قرارگیری­اش، یک محل مناسب برای حالت­های نهایی تنش و کرنش می­ شود که آنالیز و طراحی سازه را بسیار پیچیده می­ کند. در نهایت این­که در این سیستم برای فعال شدن تیر پیوند باید اتصال تیر به ستون به صورت صلب باشد. به­ طور خلاصه هزینه ساخت این سیستم بالا می­باشد.]۷[
فصل سوم: مهاربند مقاوم در برابر کمانش

مقدمه

امروزه تحقیقات زیادی در زمینه کنترل ارتعاشات نامطلوب سازه­ها انجام گرفته است و روش­های جدیدی در این راستا پیشنهاد و آزمایش شده است. در روش­های قدیمی­تر، ساختمان با توجه به خصوصیات ذاتی خود به گونه ­ای طراحی می­ شود که در بارگذاری­های سنگین جانبی همچون زلزله، با رفتار غیر خطی اعضای اصلی سازه­ای یا مهاربندها موجبات استهلاک انرژی را فراهم آورد تا بتواند به این شکل پایداری خود را حفظ کند.]۲[
این مسئله موجب مشکلاتی می­ شود که در زیر به چند مورد از آنها اشاره می­ شود:
در قاب­های مهاربندی همگرا، مهاربندها شکل­پذیری محدود و استهلاک انرژی کم در بارگذاری چرخه­ای دارند و شکست اتصالات بصورت ترد می­باشد. هم­چنین رفتار چرخه­ای مهاربند پیچیده بوده و رفتار نامتقارن در کشش و فشار از خود نشان می­دهد و بخصوص در مقابل بارهای فشاری یکنواخت یا بارهای چرخه­ای در محدوده غیر الاستیک ذاتاً با زوال مقاومت مواجه می­ شود. این رفتار پیچیده باعث شده است که در طراحی مهاربند همگرا رفتار الاستیک در نظر گرفته شود. این روش طراحی باعث می­ شود که در بعضی از طبقات، مهاربند طراحی شده قویتر از مهاربند مورد نیاز باشد و نیروهای طراحی توزیع شده در تیرها و ستون­ها اغلب با مقادیر واقعی توزیع نیرو در زلزله تفاوت داشته باشد.]۳[
در قاب­های مهاربندی شده، عضو مهاربند ممکن است در اثر نیروی فشاری وارده دچار کمانش جانبی شود. این کمانش ایجاد شده در عضو باعث ایجاد یک نقص در مقطع مهاربند می­ شود که باعث می­ شود که مقطع مورد نظر در سیکل­های بعدی بارگذاری رفتار مطلوب مورد انتظار را از خود نشان ندهد. هم­چنین کمانش جانبی ایجاد شده در مهاربند ممکن است به اعضای غیر­سازه­ای نیز آسیب برساند.]۳[
هنگامی­که از اعضای اصلی یک سیستم برای جذب انرژی استفاده می­ شود احتمال فروپاشی و ناپایداری سیستم افزایش می­یابد. به این شکل که با از بین رفتن یک یا چند عضو اصلی که شرایط بحرانی­تری دارند و این خود ناشی از عدم توانایی ما در توزیع یکنواخت نیرو می­باشد، پیشروی گسیختگی در اعضا با سرعت بیشتری انجام می­ شود و در نهایت موجبات فروپاشی سیستم فراهم می­گردد.
اجزای اصلی سازه­ای معمولا برای انجام وظایفی طراحی می­شوند و این در حالی است که ترکیب نیروهای مختلف و طراحی مناسب آن برای انجام وظایف دیگر سخت و پیچیده و با ریسک بالایی همراه است. به بیان ساده­تر اعضایی که موظف به تحمل بارهای قائم می­باشند، هنگامی­که در معرض بارهای جانبی قرار می­گیرند از عهده وظایف خود به خوبی بر­نمی­آیند. این در حالی است که در صورت گسیختگی اعضایی که دارای وظایف مختلفی هستند، سیستم از چند ناحیه آسیب می­بیند. از طرف دیگر امکان آنالیز و طراحی درست نیز سخت و دشوار می­ شود.
در زمان بعد از زلزله، به علت ایجاد تغییرشکل­های غیرخطی برای اعضای اصلی سازه، امکان استفاده مجدد از آن و ترمیم اعضای اصلی از بین می­رود و این باعث هدر رفتن سرمایه ­های مالی و زمان می­ شود.