طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB)

طراحی مهاربند کمانش تاب (Buckling Restrained Brace) یا به اختصار مهاربند BRB که نوع خاصی از قاب های مهاربندی همگرا است، در طراحی لرزه ای با استقبال همراه شده است.

کمانش مهاربند کمانش ناپذیر BRB با اجرای تمهیداتی کنترل می شود. چراکه کمانش عضو فشاری به سبب اختلاف ظرفیت فشاری و کششی در زلزله ، یکی از مشکلات اساسی مهاربند های رایج است.

 

 

طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB)

 

مکانیزم مهاربند کمانش تاب (BRB)

آنچه که مشخص است فولاد به سبب شکل پذیری مناسب پس از تسلیم شدن و با ورود به ناحیه‌ غیر الاستیک، می‌ تواند جابجایی‌ های بزرگی را بدون کاهش قابل ملاحظه‌ مقاومت، تحمل نماید.

امروزه در بسیاری از سازه‌ ها، المان‌ هایی به عنوان فیوز سازه ای طراحی می‌ شوند تا با خرابی این المان که با جذب انرژی زلزله همراه خواهد بود، سایر اعضای سازه‌ ای دچار آسیب قابل توجهی نشوند. اما آنچه که جذب انرژی را در مهاربند ها مختل می نماید ، کمانش عضو پس از چند سیکل بارگذاری است که می تواند خرابی سایر اجزا را در پی داشته باشد.

لازم به ذکر است به سبب ماهیت رفت ‌و ‌برگشتی نیروی زلزله برای بررسی رفتار اعضا در زمان زلزله، از تست‌ هایی با بارگذاری سیکلی استفاده می ‌شود و نیروی کششی و فشاری به تناوب به صورت رفت و برگشتی به المان اعمال می گردد.

مهاربند کمانش تاب BRB ، هسته ای فولادی و شکل پذیر است که برای جاری شدن در فشار و کشش طراحی شده است. این هسته شکل پذیر درون غلافی از جنس فولاد قرار گرفته و درون آن غلاف با ملات یا بتن پر می شود.

 

 

مهاربند کمانش تاب (BRB)

 

همچنین در مهاربند کمانش تاب (BRB) یک سطح لغزش بین هسته فلزی و بتن محصور کننده به گونه ای که امکان حرکت نسبی بین هسته فولادی و بتن فراهم شود، ایجاد می گردد. لذا در این سیستم ضمن جلوگیری از کمانش موضعی هسته مهاربند BRB ، امکان تسلیم آن در حالت بارگذاری فشاری فراهم می گردد.

به عبارتی قبل از ریختن ملات، لازم است یک رابط جدا کننده به جهت کاهش انتقال نیروی محوری بین هسته فولادی و ماده پر کننده در نظر گرفته شود. از طرف دیگر اثر پواسون نیز باعث می شود هسته فولادی تحت فشار منبسط شده و با ماده پر کننده در تماس قرار گیرد که فضای خالی بین هسته فولادی و بتن برای کاهش اثرات این افزایش حجم در نظر گرفته شده است.

بنابراین ترکیب بتن و غلاف فولادی ، سختی و مقاومت خمشی لازم را برای جلوگیری از کمانش کلی مهاربند فراهم آورده و امکان تحمل بار توسط هسته فولادی را تا حد تسلیم ممکن می سازد.

 

مهاربند BRB

 

کاربرد طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB)

رفع کمانش فشاری مهاربند با استفاده از مکانیزمی مناسب تا امکان تسلیم فشاری فولاد فراهم گردد، در دهه هشتاد میلادی مورد توجه قرار گرفت. اما اولین بار مهاربند کمانش ناپذیر (BRB) در سال ۱۹۹۵ در کشور ژاپن پس از زلزله کوبه برای طراحی لرزه ای سازه ها مورد استفاده قرار گرفت. طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB) در ایالت متحده نیز کمی پس از زلزله نورثریج در سال ۱۹۹۴ مورد استقبال قرار گرفت.

پس از آن مهاربند BRB به عنوان یک سیستم شکل پذیر لرزه ای در کشورهای لرزه خیز دنیا، نظیر ژاپن، ایالات متحده، تایوان، چین، ترکیه و ... به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت.

اما امروزه از مهاربند کمانش تاب (BRB) می توان به طور موثری در ارتقاء لرزه ای سازه های موجود که دارای عملکرد لرزه ای ناکافی می باشد و یا به جهت حفاظت از سازه ها در زلزله های بزرگ و دستیابی به تراز عملکردی بالا استفاده می شود.

 

اجرای مهاربند کمانش تاب (BRB)

 

اجزای یک مهاربند کمانش تاب (BRB)

مهاربند کمانش تاب (BRB) دارای چهار جزء اصلی است که در ادامه به تفصیل بیان می گردد.

 

هسته فولادی مهاربند کمانش تاب (BRB)

این قطعه اصلی ‌ترین المان تشکیل‌ دهنده مهاربند کمانش تاب (BRB) است که هم کشش و هم فشار محوری ناشی از نیرو های جانبی وارد به سازه را تحمل می‌ کند. هسته تسلیم شونده مهاربند کمانش تاب (BRB) می تواند مستطیلی، صلیبی یا به اشکال مختلف ایجاد گردد. همچنین هسته مهاربند BRB از فولاد نرمه که دارای شکل پذیری بالایی است، ساخته می شود.

 

غلاف مهاربند BRB

غلاف مهاربند کمانش تاب (BRB) در اطراف هسته قرار گرفته و از کمانش آن جلوگیری می‌ کند. به عبارتی غلاف پیرامونی یک مقطع جدار نازک فولادی است که با سختی خمشی خود مانع کمانش جانبی هسته فولادی می گردد.

 

ماده‌ پر کننده مهاربند کمانش تاب (BRB)

از مصالح مختلفی به عنوان پرکننده مهاربند BRB استفاده می شود که یکی از مهم‌ ترین آن ها بتن است. لازم به ذکر است که ماده‌ پر کننده بین هسته و غلاف قرار گرفته و در مقابل کمانش مقاومت می ‌کند.

 

طراحی مهاربند کمانش تاب

 

ماده‌ی جدا کننده مهاربند کمانش تاب (BRB)

ماده‌ جدا کننده مهاربند کمانش تاب (BRB) که حائل میان هسته فولادی و بتن است، سبب می ‌شود که هسته بتواند آزادانه حرکت کرده و تحت فشار و کشش، تغییر شکل دهد. همچنین گاهی این آزادی حرکت سبب وارد شدن هسته به مد های بالاتر تغییر شکل شده که باعث افزایش قابلیت جذب انرژی مهاربند BRB می‌ شود.

 

مراحل طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB)

مطابق آیین‌نامه‌ی ASCE7 سه روش اصلی بارجانبی معادل (ELF)، تحلیل طیفی (MRSA) و تحلیل تاریخچه زمانی برای طراحی سازه وجود دارد.

روش های بارجانبی معادل (ELF) و تحلیل طیفی (MRSA) از رایج ترین روش‌ های تحلیل‌ سازه‌ های متشکل از بادبند کمانش ناپذیر است.

اما طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB) مشابه با طراحی سایر سیستم‌ ها با شکل پذیری بالا شامل سه گام ذیل است.

طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB) به عنوان المان شکل‌ پذیر و تسلیم شونده (فیوز) با توجه به ترکیب ‌بارهای موجود در ASCE7 برای نیروی زلزله‌ ا‌ی که به کمک ضریب رفتار ساختمان کاهش‌ یافته، صورت می پذیرد.

 

طراحی مهاربند کمانش ناپذیر (BRB)

 

لازم به ذکر است که ابعاد مهاربند کمانش پذیر (BRB) به گونه ای طراحی می گردد که مقاومت طراحی آن ها از مقاومت لازمشان بزرگتر باشد. اما با توجه به مشکلات فرآیند ساخت و خرید قطعات  BRBلازم است با لحاظ ترکیبی از نسبت تقاضا به ظرفیت بهینه و همچنین اقتصاد پروژه ، مهاربند BRB را در ابعاد مناسب و با تنوع کم طراحی نمود.

در گام بعدی از فرآیند طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB) لازم است جابجایی غیر الاستیک سازه با نکات طراحی موجود در آیین نامه ASCE7 و AISC341 تطبیق داشته باشد.

در گام آخر از طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB) لازم است مقاومت عضو با توجه به سخت ‌شوندگی کرنشی (Strain Hardening) و اضافه مقاومت فشاری  (Compressive Over Strength) تعیین گردد، سپس بر اساس مقدار مقاومت تعیین شده، طراحی تیر ها، ستون ‌ها و اتصالات در دستور کار قرار گیرد.

 

مهاربند کمانش ناپذیر

 

مزایا طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB)

طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB) در مقایسه با سایر سیستم های باربر جانبی از جمله قاب های خمشی یا قاب های مهاربندی شده معمولی، دارای مزایای قابل توجهی است که می توان به موارد ذیل اشاره نمود.

Ø      مهاربند کمانش تاب (BRB)، دارای قابلیت تسلیم شدن در کشش و فشار می باشد که رفتاری متقارن ایجاد می نماید. به عبارتی مهاربند کمانش ناپذیر (BRB) در مقایسه با قاب های خمشی، دارای سختی الاستیک بالایی در بارگذاری لرزه ای می باشد.

Ø      طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB)، با سطح مقطع‌ های متفاوت وجود دارد. البته امروزه استفاده از مقطع به صورت المان صلیبی و همچنین المان تسمه رایج‌ تر است.

Ø      مهاربند کمانش تاب (BRB) برخلاف مهاربند همگرا تحت بار های فشاری دچار کمانش نمی شود که این ویژگی سبب می شود جذب انرژی توسط این عضو به مقدار قابل توجهی افزایش یابد.

Ø      مهاربندBRB  در مقایسه با مهاربندهای EBF ، دیرتر وارد محدوده رفتار خمیری شده و سختی جانبی بیشتری را از خود نشان می دهند.

 

طراحی مهاربند BRB

 

Ø      نصب مهاربند کمانش تاب (BRB) به سبب اجرای اتصالات پینی یا پیچ و مهره ای به ورق های اتصال، دارای هزینه های نصب و اجرا کمتری می باشد.

Ø      از آن جایی که مهاربند کمانش تاب (BRB) هم در کشش و هم در فشار بدون کمانش جاری می ‌شود (به صورت فیوز سازه ای قابل تعویض عمل نموده)، در نتیجه توانایی جذب انرژی آن بالا رفته و طی زلزله‌ های شدید آسیب کمتری به میانقاب‌ ها و اجزای غیر سازه ‌ای وارد می‌ شود.

Ø      امکان تعویض آسان مهاربندBRB  آسیب ‌دیده پس از یک زلزله‌ بزرگ وجود دارد.

Ø      در مهاربند کمانش تاب (BRB) امکان تنظیم ابعاد مهاربند به منظور یکسان نمودن نیاز و ظرفیت لرزه ‌ای وجود دارد، لذا احتمال تمرکز خسارت در طبقه می تواند کاهش یابد.

Ø      در مهاربند BRB مدل کردن رفتار سیکلی به منظور تحلیل غیر خطی آسان است.

 

اجرای مهاربند BRB

 

محدودیت های طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB)

طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB) علی رغم مزایای فراوانی که دارد محدودیت هایی را نیز موجب می شود که مهم ترین این موارد به شرح ذیل می باشند.

Ø      تنوع مشخصات فولاد می تواند در رفتار مهاربند کمانش تاب تاثیر نامطلوب داشته باشد.

Ø      تحت زلزله های بزرگ ممکن است تغییر شکل های دائمی در سازه رخ دهد، چراکه مهاربند BRB مشابه بسیاری از سیستم های جاری شونده فلزی، مکانیزم بازگشتی ندارد.

Ø      پارامترهای مورد نیاز طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB) ساخته‌ شده توسط شرکت ‌های مختلف، متفاوت است.

 

مهاربند کمانش تاب

هزینه طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB)

با توجه به مزایای بسیار طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB) ، استفاده از این سیستم روز به روز با استقبال بیشتری همراه است. اما یکی از پارامتر های مهم هزینه است که لازم است در انتخاب مهاربند BRB مورد توجه قرار گیرد. هزینه طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB) برحسب ابعاد طراحی شده مقطع ، تعداد مهاربند های لازم در سازه و نوع متریال مورد استفاده ، متغیر است.