مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله

زمین لرزه یکی از پدیده‌ های طبیعی مخرب است که خسارات جانی و مالی بسیاری به بار می آورد. به همین دلیل، طراحی و ساخت سازه های مقاوم و ایمن در برابر زلزله، از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. یکی از رایج‌ ترین سیستم‌ های سازه ای که به دلیل مقاومت بالا در برابر زلزله مورد توجه بسیاری از مهندسان و طراحان سازه قرار گرفته است، اجرای اسکلت فلزی می ‌باشد. در این مقاله از عمران مدرن، ویژگی ‌ها و مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله را بررسی می نماییم.

استعلام قیمت
۰۲۱-۶۲۹۹۹۶۷۵

ویژگی ها و مزایای اسکلت فلزی کدامند؟

برای درک بهتر مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله ابتدا باید از مزایای این اسکلت مطلع شوید.

انعطاف‌ پذیری بالا: اولین امتیاز اجرای سازه فولادی، انعطاف پذیری بالای آن است. فولاد به عنوان ماده اصلی در ساخت اسکلت فلزی، از انعطاف ‌پذیری بسیار بالایی برخوردار است. این ویژگی به ساختمان اجازه می‌ دهد تا در هنگام وقوع زلزله، انرژی ناشی از لرزش ‌ها را جذب کرده و تغییر شکل دهد، بدون اینکه دچار شکست کامل شود.

وزن سبک: یکی دیگر از مزایای ساخت و اجرای اسکلت فولادی، وزن سبک آن در مقایسه با اسکلت ‌های بتنی است. این امر باعث کاهش بار مرده ساختمان و در نتیجه کاهش نیروی لرزه ‌ای وارد بر ساختمان می ‌شود.

قابلیت پیش ‌ساختگی: بسیاری از اجزای اسکلت فلزی در کارخانه تولید شده و سپس در محل پروژه مونتاژ می ‌شوند. این ویژگی، افزایش سرعت ساخت و کاهش خطاهای اجرایی را به دنبال دارد.

توزیع یکنواخت نیروها: در اسکلت فلزی، نیروها به صورت یکنواخت در تمام اعضای سازه توزیع می ‌شوند. این امر باعث می ‌شود که هیچ نقطه‌ ای از ساختمان بیش از حد تحت فشار قرار نگیرد و در نتیجه، احتمال وقوع خرابی موضعی کاهش می ‌یابد.

قابلیت تحمل تغییر شکل‌ های بزرگ: اسکلت فلزی قادر است تغییرشکل‌ های بزرگ را بدون اینکه دچار شکست شود، تحمل نماید. این ویژگی به سازه فلزی اجازه می ‌دهد تا در برابر زلزله ‌های شدید مقاومت کند.

امکان ترمیم و تقویت: یکی از ویژگی های اجرای سازه فلزی که بسیار مورد توجه مهندسان قرار دارد، امکان ترمیم و تقویت عضو آسیب دیده است. در صورتی که اجزای اسکلت فلزی در اثر زلزله آسیب ببیند، امکان ترمیم و تقویت آن ها وجود دارد.

طول عمر بالا: اسکلت فلزی در برابر عوامل محیطی مانند رطوبت و خوردگی مقاوم بوده و طول عمر بالایی دارد.

عوامل موثر بر مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله

ساخت و ساز مقاوم در برابر زلزله از مهم ‌ترین دغدغه ‌های مهندسان عمران در مناطق لرزه خیز است. اسکلت فلزی به دلیل ویژگی های منحصر ‌به‌ فرد خود، یکی از گزینه‌ های برتر و ایده آل برای ساخت سازه‌ هایی ایمن در برابر زلزله محسوب می‌ شود. اما برای اینکه یک سازه در برابر زلزله مقاوم باشد، باید به عوامل متعددی توجه شود. در این قسمت به عوامل موثر بر مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله می پردازیم.

نخستین عامل تاثیرگذار بر مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله ، طراحی آن است. طراحی صحیح، اصولی و دقیق سازه، نقش بسیار مهمی در مقاومت آن در برابر زلزله دارد. طراحی سازه باید توسط مهندسان عمران که در این زمینه تبحر و مهارت دارند، توسط نرم افزارهای پیشرفته انجام گردد. کیفیت مصالح و استفاده از فولاد با کیفیت، دومین فاکتور موثر در مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله است. همچنین اجرای صحیح اتصالات و نحوه جوشکاری اعضای باربر و غیرباربر، نقش مهمی در عملکرد سازه در هنگام زلزله دارد.

در نهایت طراحی و اجرای مهاربند، دیوار برشی و سایر اعضای مهارکننده نیروهای لرزه ای جانبی، از اهمیت بالایی برخوردار است؛ چراکه این اعضاء مقاومت ساختمان را در برابر نیرو های جانبی لرزه ای افزایش می دهند.

معرفی تکنیک‌ های افزایش مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله

مهندسان عمران مجرب و طراحان حرفه ای سازه، برای افزایش مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله از تکنیک های مهندسی و به روز در طراحی های خود بهره می گیرند. نخستین تکنیک، استفاده از مهاربند است. مهاربندهای ضربدری یا X شکل به انتقال نیروهای جانبی ناشی از زلزله به شالوده کمک می ‌کنند و پایداری سازه را افزایش می ‌دهند. این روز ها با توجه به پیشرفت تکنولوژی و ارتقای سطح علمی در جهان، مهاربندهای خاص با قابلیت مستهلک کردن انرژی لرزه ای وارد عرصه شده اند که در بخش های بعدی به معرفی آن ها می پردازیم.

در این میان، میراگرها نیز به عنوان ابزار جذب انرژی، می ‌توانند انرژی لرزه‌ ای وارد شده به سازه را کاهش دهند. همچنین استفاده از نرم ‌افزارهای شبیه‌ سازی برای تحلیل رفتار سازه در برابر زلزله، نقش مهمی در بهبود طراحی دارد. با انجام این تکنیک ها می توان به افزایش مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله کمک کرد.

انواع مهاربندها جهت بهبود مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله

مهاربندها از اجزای کلیدی در طراحی سازه ‌های مقاوم در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله و باد هستند. این اعضا با انتقال نیروهای جانبی به فونداسیون و کاهش تغییر شکل سازه، عملکرد سازه را بهبود می‌ بخشند. در این قسمت، انواع مهاربندها، مزایای هر نوع و کاربردهای آن‌ ها را به صورت جامع بررسی می‌ نماییم.

مهاربند ضربدری (X شکل)

مهاربند ضربدری شامل دو عضو متقاطع است که به صورت قطری در یک قاب ساختمانی قرار می ‌گیرند و شکل X را تشکیل می ‌دهند. این مهاربند ها سختی و مقاومت بالایی ایجاد می‌ کنند و توانایی زیادی در تحمل نیروهای جانبی دارند. نیروها به صورت متقارن در هر دو عضو مهاربند توزیع شده، که این موضوع به تعادل بهتر نیروها کمک می‌ کند. مهاربند های ضربدری، در ساختمان ‌های بلند و سازه‌ هایی که نیاز به سختی بالا دارند، مانند برج‌ ها و ساختمان ‌های تجاری مورد استفاده قرار می گیرند. کاهش تغییر شکل جانبی و افزایش سختی سازه از مزایای مهاربند ضربدری است. اما ایجاد محدودیت‌ در طراحی بازشوها (مانند پنجره‌ ها و درها) از معایب این مهاربندها به شمار می آیند.

مهاربند قطری

مهاربند قطری یک عضو مایل است که یکی از گوشه ‌های بالای قاب را به گوشه پایینی دیگر متصل می ‌کند. نصب و اجرای آن نسبت به مهاربند ضربدری ساده‌ تر است و تنها از یک مسیر نیرو را منتقل می ‌کند. به منظور مستهلک کردن انرژی لرزه ای در سازه ‌های کوچک یا متوسط که پیچیدگی کمتری دارند، طراحی می شوند. نصب آسان ‌تر و اقتصادی ‌تر نسبت به دیگر انواع مهاربندها و کمتر بودن پیچیدگی اتصالات از مزایای این روش به شمار می آیند. تنها نقطه ضعف این مهاربند، تحمل کمتر آن در برابر نیروهای جانبی شدید نسبت به مهاربند ضربدری است.

مهاربند K شکل

مهاربند K شکل که برای افزایش مقاومت سازه در برابر زلزله اجرا می گردد شامل دو عضو قطری است که در دو جهت مختلف از ستون به یک نقطه در میانه ارتفاع قاب متصل می‌ شوند و شکل K را تشکیل می ‌دهند. این مهاربند، فضای بیشتری برای طراحی معماری فراهم می ‌کند، زیرا از بخش میانی قاب عبور می‌ کند. در ساختمان‌ هایی که نیاز به فضای باز تر در برخی بخش ‌ها دارند، مانند سازه‌ های اداری یا تجاری، استفاده می شوند. ایجاد تعادل میان سختی سازه و نیازهای معماری مزیت این روش است. اما تمرکز نیروها در نقطه اتصال به ستون می ‌تواند منجر به آسیب ‌پذیری موضعی شود. همچنین عملکرد مهاربند K شکل در زلزله‌ های شدید به دلیل ایجاد نیروی برشی بالا در ستون، ضعیف تر است.

مهاربند شورون (V شکل یا وارونه)

در این نوع مهاربند، دو عضو قطری از ستون ‌ها به نقطه ‌ای روی تیر متصل می‌ شوند و به شکل V (یا وارونه آن) در قاب قرار می ‌گیرند. توزیع نیروهای جانبی به دو طرف تیر متقارن است و این موضوع تعادل نیروها را بهبود می ‌بخشد. در سازه‌ هایی که نیاز به استحکام بالا و فضای داخلی باز دارند، مانند سالن‌ های صنعتی یا سازه های مسکونی مرتفع اجرا می شوند. بهبود تعادل نیروها و کاهش تغییر شکل سازه در زلزله مزایا و احتمال تمرکز تنش در محل اتصال مهاربند به تیر از معایب این مهاربند می باشد.

مهاربند BRB و SMA؛ فناوری‌ های پیشرفته در بهبود مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله

در دهه ‌های اخیر، با پیشرفت فناوری ‌های مهندسی، سیستم‌ های نوینی برای افزایش مقاومت سازه ‌ها در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله توسعه یافته ‌اند. مهاربندهای کمانش تاب (BRB) و مهاربندهای آلیاژ حافظه ‌دار (SMA) از جمله این فناوری ‌ها هستند که به دلیل عملکرد عالی در جذب و انتقال نیروها، کاربرد گسترده ‌ای در پروژه ‌های عمرانی پیدا کرده‌ اند. در ادامه، این دو سیستم نوین ساختمانی توضیح داده می‌ شوند.

افزایش مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله با مهاربند کمانش ‌تاب

مهاربند کمانش ‌تاب (Buckling-Restrained Brace – BRB)، نوعی سیستم پیشرفته است که برای جلوگیری از کمانش تحت بار فشاری طراحی شده است. این مهاربند شامل یک عضو فولادی (هسته) است که وظیفه تحمل نیروی محوری را بر عهده دارد و توسط یک غلاف یا پوشش بیرونی محصور شده است تا از کمانش آن جلوگیری کند. عملکرد همسان تحت فشار و کشش (به دلیل جلوگیری از کمانش)، توانایی جذب انرژی بالا در حین تغییر شکل‌ های غیرخطی و رفتار پایدار در برابر بارگذاری ‌های مکرر زلزله از ویژگی های مهاربند های BRB به شمار می آیند. بهبود پایداری سازه در برابر نیروهای جانبی، کاهش تغییر شکل جانبی سازه و قابلیت استفاده در سازه‌ های مرتفع و پیچیده از مزایای این مهاربند به شمار می آیند.

در عین حال، هزینه بالای تولید و نصب نسبت به مهاربندهای سنتی و نیاز به طراحی دقیق و تخصصی برای نصب، از نقاط ضعف مهاربندهای BRB محسوب می شوند.

افزایش مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله با مهاربند آلیاژ حافظه ‌دار

مهاربند آلیاژ حافظه ‌دار (Shape Memory Alloy – SMA) که برای افزایش مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله مورد استفاده قرار می گیرد از موادی ساخته شده ‌است که خاصیت حافظه ‌شکل دارند. این مواد پس از تغییر شکل تحت نیرو، قادر به بازگشت به شکل اولیه خود هستند. آلیاژهای معمول در این سیستم شامل نیکل-تیتانیوم (Nitinol) هستند. مواد به کار رفته در مهاربند SMA پس از تحمل تغییر شکل‌ های شدید، بدون آسیب دائمی به شکل اولیه خود باز می ‌گردند. این مواد، در اثر تغییرات فاز جامد، انرژی زیادی را جذب می‌ کنند و مقاومت بالایی در برابر خوردگی و تغییرات دما دارند. هزینه بالای تولید و تأمین مواد اولیه، محدودیت‌ های اجرایی در پروژه ‌های بزرگ و نیاز به تخصص بالا در طراحی و اجرا جزو نقاط ضعف این روش به شمار می آیند.

مهاربندهای BRB و SMA نشان ‌دهنده تحولات چشمگیر در مهندسی سازه هستند و هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. مهاربندهای BRB برای سازه ‌هایی که به پایداری و سختی بالا نیاز دارند مناسب‌ اند، در حالی که مهاربندهای SMA برای سازه ‌های حساس به تغییر شکل‌ های دائمی و نیازمند انعطاف‌ پذیری بیشتر، کاربرد دارند. انتخاب بین این دو سیستم نوین ساختمانی برای افزایش مقاومت سازه در برابر زلزله ، به پارامترهایی مانند بودجه، نوع سازه و شرایط محیطی بستگی دارد.

سوالات متداول مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله

در این قسمت به سوالات متداول کاربران در خصوص مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله پاسخ خواهیم داد.

1. آیا اسکلت فلزی تنها گزینه برای ساخت سازه های مقاوم در برابر زلزله است؟ خیر، اسکلت بتنی نیز می ‌تواند در صورت طراحی صحیح، مقاومت خوبی در برابر زلزله داشته باشد. انتخاب نوع اسکلت به عوامل مختلفی مانند نوع زمین، ارتفاع ساختمان و بودجه پروژه بستگی دارد.
2. آیا سازه ‌های اسکلت فلزی کاملا در برابر زلزله ایمن هستند؟ هیچ ساختمانی به طور کامل در برابر زلزله ایمن نیست. اما ساختمان‌ هایی که با اسکلت فلزی و طراحی مناسب ساخته و اجرا می‌ شوند، می ‌توانند خسارات ناشی از زمین لرزه را به حداقل برسانند.
3. چه عواملی باعث کاهش مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله می ‌شود؟ زنگ زدگی، خوردگی، اجرای نادرست اتصالات و استفاده از مصالح نامرغوب، از جمله عواملی هستند که در کاهش مقاومت اسکلت فلزی در برابر زلزله موثرند.

سخن پایانی

استفاده از اسکلت فلزی در ساختمان ‌سازی به ویژه مناطق لرزه خیز، به دلیل انعطاف ‌پذیری، استحکام بالا و قابلیت اجرای تکنیک ‌های پیشرفته مقاوم‌ سازی، انتخابی هوشمندانه است. بهره‌ گیری از فناوری‌ های نوین و طراحی اصولی و مهندسی به افزایش ایمنی و کاهش خسارات ناشی از زلزله کمک می کند. با انتخاب مصالح مناسب و طراحی دقیق، می‌ توان سازه‌ هایی مقاوم و پایدار ایجاد کرد که امنیت جانی و مالی ساکنان را در برابر بلایای طبیعی مانند زلزله تضمین نماید. با این تعاریف ساخت و اجرای اسکلت فلزی در پروژه های ساخت و ساز، در حال افزایش است. جهت دریافت مشاوره رایگان در خصوص مقاومت اسکلت فلزی و روش اجرای آن از طریق شماره ۰۲۱-۶۲۹۹۹۶۷۵ با کارشناسان عمران مدرن تماس بگیرید.

برای مطالعه بیشتر: