كنشش عمـمهنملي گرهـمين رانـدسي ، ايرانسمنان، سمنان، دانشگاه 1390ارديبهشت7و6

١

و مهاربند برون محور بررسي نقاط ضعف سيستمهاي قاب خمشي، مهاربند هم محور

2سيد مهدي زهرائي،1حميد رضا شهاب

دانشگاه آزاد اسالمي واحد تاكستان–كارشناسي ارشد سازه-1و مديريت زيرساختها دانشكده مهندسي عمراندانشيار-2 تهران دانشگاه- قطب علمي مهندسي

Hamidreza_shahab@yahoo.com

خالصه

اي سازه عاملسه تركيب منظور اين براي.است اقتصادي طرحو خسارات كنترل جاني، تلفاتاز جلوگيري ساختمانهااي لرزه طراحي هاي نامه آيين اصلي فلسفه

هم.گيردمي رارق نظرمد ساختمانها طراحيدر) Stiffness(و سختي) Ductility( پذير شكل،)strength( مقاومت در همين راستا سه سيستم قاب خمشي، مهاربند

و مهاربند برون محور در دنيا شناخته شده است در.محور و متداول ترين نقاط ضعف اين سيستمها كه از پركاربردترين سيستمهاي سازه اي در اين تحقيق به مهمترين

و حتي در دنيا مي باشد اشاره .مي شودكشور

، مهاربند برون محور:يكلمات كليد قاب خمشي، مهاربند هم محور

مقدمه.1

پتانسيلاز توانندمي شود تامين بخوبي آنها در) Stiffness(و سختي) Ductility(يپذير شكل،)strength( مقاومتاي سازه پارامترسهكه هايي سيستم

و جذبرا زلزلهيژانر مختلف هاي روشبه خطي غيري ناحيهبه ورودازپساي سازه هاي سيستم. شوند خورداربر زلزلهبا مقابله براي پويايي

مستهلكو جذب خطي غير بصورترا مابقيو كنندمي تحمل االستيك بصورترا زلزله نيروياز درصديها سازه ديگر بيانبه. كنندمي مستهلك

كاهش توجهي قابل بطور هارا موثربرسازه زلزله نيروي مقدارها سازه قابليتينابر تكيهباها سازهاي لرزه طراحي هاي نامه آيين.نمايند مي

. دارند معايبيوها مزيت خطي غيرو خطي ناحيهدر جانبي نيروهايبا مقابله فراينددر معمولاي سازه هاي سيستمازيكهر)Rاثرضريب(ميدهند

تواندمي اينبر عالوه است، مناسبي سيستم شوها باز تعبيه براي ستونها بين توجه قابل آزاد فاصله داشتن علتبه (MRF) خمشي سيستم مثال بعنوان

سيستم. دهدمي نشان خوداز جانبي نيروهاي مقابلدر زيادي شكلهاي تغييركم جانبي سختي بعلت ولي دهد نشان خودازرا مطلوبي نسبتاً پذيري شكل

قابليتو پذيري شكل فاقد سيستم اين فشاردر بادبندي اعضاي كمانش بعلت ولي بوده بااليي بسيار جانبي سختي داراي ( CBF) همگرا بندي مهار

قاب سيستم فوالدي، قابهاييژانر استهالك قابليت ارتقاء براي.[1]دارد تناقض معماري نيازهايبا نيز هندسي لحاظبهو باشدمييژانر استهالك

. [2]گرديد ارائه همكارانشو پوپوف توسط شودمي اجرا ستونو گره تيربه نسبت ازمركزيت خروجبا بادبندآندركه برون محوري شده بادبندي

و آسيب پذيري اكثربا وجود لرزه خيزي باالي ساختمان هاي موجود در برابر زلزله بر اساس تجربيات زلزله هاي اخير نقاط پر جمعيت كشور

و بم و ساز صحيح نشده استهنوز توجه كاف...و مثل منجيل به از نظر مهندسي زلزله در حال حاضر.ي به ساخت احداث بناهاي مقاوم در برابر زلزله

بيشتر ساختمان هاي كوچك. شكل گرفته كه رسيدن به ساختمان هاي مقاوم تضمين نمي گردد ليكن درعمل مشكالتي. راحتي امكان پذير است

ومسكوني با نظارت صحيح مهندسان ساختما و محاسبه ني كه دانش فني الزم را دارند ساخته نمي شود حتي اگر ساختمان مورد نظر درست طراحي

به طور شده باشد، به سه معمول در اجرا و يا عدم تسلطلعلت در فنيبه اصول عوامل اجراييانگاري مهندس ناظر برابر زلزله ساختمان هاي مقاوم

و متداول ترين نقاط ضعف اين سيستمها كه از پركاربردترين سيستمهاي.ددگر طرح دچار خطا هاي گاهي اساسي مي سازه در اين تحقيق به مهمترين

و حتي در دنيا مي باشد اشاره مي شود .اي در كشور

كنشش عمـمهنملي گرهـمين رانـدسي ، ايرانسمنان، سمنان، دانشگاه 1390ارديبهشت7و6

٢

و مهاربند برون محور.2 [7-3]بررسي نقاط ضعف سيستمهاي قاب خمشي، مهاربند هم محور

سيستم قاب خمشي: الف

به عدب و ساختمانهاي بتني ميآدليل اجراي هم زمان قاب از جنگ جهاني دوم اجراي سازه هاي بتني اغاز شده اين نوع. شودن به فرم قاب خمشي ساخته

مي اتصال در سازه و جانبي در تكيه گاههاي تيرها لنگر خمشي ايجاد ميكن به هر حال در قاب خمشي نيرو هاي.شود هاي فلزي نيز اجر و نيز تيرها ثقلي د

در.المانهاي اين نوع قابها بايد همزمان انجام گيرد ستونها در تحمل تمامي نيروهاي وارده باهم وارد عمل مي شوند لذا تحليلو نقاط ضعف متداول

مي قابهاي خمشي :باشد به شرح زير

.)1(شكلاي كمانش موضعي اجزاي مقطع تير بعلت عدم توجه به محدوديت هاي آيين نامه.1

و زلزله.2 .)2(شكل مقاومت غيركافي خمشي مقطع تير در اثر لنگرهاي ناشي از بارهاي ثقلي

آن.3 و اثر لنگرهاي ثانويه ناشي از برش در .استفاده از تير النه زنبوري در قاب خمشي

.مقاومت غيركافي خمشي مقطع تير در اثر لنگرهاي ثانويه ناشي از برش در تيرهاي با جان باز.4

و كمانش جانبي پيچشيسختي غيرك.5 .)3(شكل افي مقطع تير در برابر كمانش جانبي، كمانش پيچشي

ها.6 و ناكافي طولي بين اجزاي تشكيل دهنده مقطع تير بخصوص در وصله .جوشهاي منقطع

و سخت نشده مقطع ستونها.7 .پتانسيل كمانش موضعي اجزاي سخت شده

ا.8 و كمانش موضعي اجزاي وصلهمقاومت غيركافي صفحات وصله ستونها در مقايسه با .عضاي وصله شده

.جوشها يا پيچهاي ناكافي اتصال وصله ها در ستون.9

اي.10 و بين طبقه .سختي غيركافي براي جلوگيري از تغييرشكلهاي جانبي كل

و عدم نظارت فني بر جوشكاري.11 و منطبق نبودن با نقشه ها بخصوص در كارگاهها .عدم اجراي صحيح جوشكاري

تشكيل مفصل پالستيك در قاب خمشي:2شكل كمانش موضعي:1شكل

كنشش عمـمهنملي گرهـمين رانـدسي ، ايرانسمنان، سمنان، دانشگاه 1390ارديبهشت7و6

٣

و جان:3شكل و كمانش موضعي بال تشكيل مفصل پالستيك

ي هم محورسيستم قابهاي مهاربندي شده:ب

و اين سيستم از قديمي ترين سيستم هاي سازه اي بوده كه مورد توجه مهندسين در مي سالهاي قبل در اين روش بارهاي ثقلي بر قاب.باشد حتي امروزه

و به شكل خرپايي به فونداسيون مفصلي وارد و بارهاي جانبي بر مهار بندها وارد شده و تيرها بارهاي ثقلي را به ستونها منتقل مي كند و(شده كشش

وبرج امپاير استايت در نيويو-برج ايفل:مثال منتقل مي شود به عنوان) فشار نمونه هاي متداول از قابهاي)4(شكل.ساخته شده اند بااين سيستم....رك

. [7]مهاربندي هم محور را نشان مي دهد

پيكربندي مهاربندهاي هم محور:4شكل

:مي باشدي هم محوردر قاب مهاربندي شده نقاط ضعف متداول

و يا گسيختگي تردگونه آنها در كشش شكلعدم كفايت ظرفيت سيستم مهاربندي به دليل احتمال بروز كمان.1 .)5(ش اعضاي مهاري در فشار

اي.2 و احتمال گسيختگي ترد اتصاالت تحت اثر بارگذاري چرخه .عدم كفايت ظرفيت اتصاالت اعضاي مهاربندي به قاب

و ستونها در قاب هاي مهاربندي شده.3 .عدم كفايت ظرفيت باربري تيرها

و امكان باال.4 آنضعف ظرفيتي شالوده . كشيده شدن شالوده يا ميل مهارهاي

در مواردي مهاربندي. استفاده از پيكربندي هاي نامناسب در قابهاي مهاربندي شده از ديگر ايرادات ساختمانهاي فوالدي متداول ايران مي باشد.5

و همچنيYوXدر طبقات تحتاني با تركيبي از مهاربندي نوعVهاي همگراي نوع درKن مهاربندي نوع جايگزين مي گردد به كرات

استفاده از اين نوع مهاربندي شرايط مستعدي براي بروز AISCساختمانهاي فوالدي ايران مشاهده مي شود، در حالي كه مطابق الزامات طراحي

و در مناطق با خطر نسبي زلزله زياد مجاز نمي باشد . گسيختگي در ستون فراهم مي آورد

شكل به جاي اعضاي مهاربندي كه معموال مقاطع زوج ناوداني يا نبشي دارندIربندها بخصوص استفاده از پرفيلهاي عدم كفايت الغري در مها.6

.)7و6(شكل

كنشش عمـمهنملي گرهـمين رانـدسي ، ايرانسمنان، سمنان، دانشگاه 1390ارديبهشت7و6

٤

.به يكديگر در طول اعضاي مهاربندي با مقاطع زوج) ناوداني يا نبشي(عدم اتصال دو نيمرخ.7

ش پيچشي جانبيكمان:6شكل پارگي در مهاربند بعلت ضعيف بودن مقطع:5شكل

كمانش مهاربند بعلت عدم رعايت ضوابط الغري:7شكل

استهالكبه قادر بايد ديگر طرف واز دهند نشان خوداز مناسبي سختي خفيف نسبتاً هاي لرزشدر طرفيكاز بايد زلزله دربرابر مقاوم هاي سازه

تركيب. نيستند پارامترسههر همزمان تامينبه قادر شد، ذكر باالدركه متعارف، قابي هاي سيستم. باشند شديد زلزلهيك حيندر توجهي قابليژانر

استفاده AISCو UBC مانندها نامه آيين برخيدر هد اخيراًد نتيجه سازهيك براي مطلوب پذيري شكلو سختي تواندمي سيستمدو ايناز مناسبي

براي.[7-6] دارندها سيستم اين رفتار اصالحدر سعي ويژه ضوابط ارائهباها نامه آيينو گشته محدود باال خيزي زلزلهبا مناطقدرها سيستم اين از

ستونو گره تيربه نسبت ازمركزيت خروجبا آن بادبنددركه برون محوري شده بادبندي قاب سيستم فوالدي، قابهاييژانر استهالك قابليت ارتقاء

).8(گرديد شكل ارائه كارانشهمو پوپوف توسط شودمي اجرا

سيستم قاب مهاربندي برون محور:ج

، توانايي ايجاد سختي مناسب در ناحيه خطي جهت مقابله با زلزله هاي كوچك را (EBF)قابهاي مهاربندي شده با محورهاي غير متقارب يا برون محور

و ظرفيت جذب انرژي قابل اعتناء در ناحيه غيرارتج. دارند در اين. اعي براي مقابله با زلزله هاي شديد از مشخصه هاي اين سيستم استشكل پذيري

كنشش عمـمهنملي گرهـمين رانـدسي ، ايرانسمنان، سمنان، دانشگاه 1390ارديبهشت7و6

٥

و ستون پايين دو مهاربن و ستون مرتبط در يك نقطه تالقي نمي كنند به طوريكه قسمتي از طول تير كه بين مهاربندي و تير د قرار مي سيستم بادبندها

.گيرد، تير پيوند ناميده مي شود

و همكارانش مطرهمانطور كه عنوان شد، و ايده استفاده از قاب مهاربندي برون محور اولين بار توسط پروفسور پوپوف و آزمايشات ح شد

و در سالان مطالعات زيادي شد 1980جام گرفت طبقه بانك آمريكا در سان ديگو كاليفرنيا19اين سازه ساختمان. اولين ساختمان با اين سيستم احداث

و رفتار بسيار خوبي در زلزله44بعد از آن يك ساختمان. بود لوماپرتيا از خود 1989اكتبر سال17طبقه در سانفرانسيسكو با اين سيستم احداث شد

.ان دادنش

شد EBFپس از آن كاربرد سيستم و جزئيات آن در آئين نامه ها درج و ضوابط طراحي در آيين 1988در سال. به سرعت گسترش يافت

و به موازات اين اقدام با اندكي تغييرات در ويرايش جديد آيين نامه UBCنامه به) NEHRP )1996مبادرت به درج ضوابط نمود ضوابط مربوط

و همچنين در آيين نامه EBFسيستم اين سيستم را بعنوان يك سيستم 1992نيز در سال AISCاز قسمت ضميمه به متن اصلي آيين نامه منتقل شد

.مقبول در نواحي زلزله خيز معرفي نمود

انواع متداول مهاربند برون محور:8شكل

مي برون محورنقاط ضعف سيستم مهاربندي :شدبا به شرح زير

مي باشد مستهلك مي گردد كه اين امر باعث در اين سيستم، انرژي به موجب تغيير شكل قابل توجه تير رابط كه خود بخشي از تير طبقه.1

. خرابي عمده در تير طبقه مي گردد

د.2 و مشكل خواهد بود اين در حاليست كه در صورت وجود تأسيسات و بازسازي اين خرابي بسيار هزينه بر ر كف مربوطه، به آنها نيز تعمير

.آسيب خواهد رسيد

پ.3 و حتي تير خارج از ناحيه و تمامي اتصاالت، ستونها يوند از آنجا كه تير طبقه بعنوان عضو اصلي قاب داراي مقطع سنگيني مي باشد، بادبندها

).9(به نسبت بايد قوي باشند تا بتوانند تير پيوند را فعال سازند شكل

.ي با جان سوراخدار از جمله تيرهاي النه زنبوري به عنوان تير پيوند در مهاربندي برون محور شكلاستفاده از تيرها.4

).9(شكل) تسليم برشي(عدم استفاده از سخت كننده در جان تير پيوند، بخصوص با طول كوتاه.5

و تغيير.6 و مقاومت با بلند شدن طول پيوند .تسليم برشي به خمشيافت در سختي، شكل پذيري، ميزان اتالف انرژي

و پايين تيرهاي قاب مهاربندي برون محور شكل.7 ).10(لزوم مهار جانبي بالهاي باال

ي برون محورنمونه اي از قاب مهاربندي شده:9شكل

كنشش عمـمهنملي گرهـمين رانـدسي ، ايرانسمنان، سمنان، دانشگاه 1390ارديبهشت7و6

٦

ي برون محور بعلت عدم مهار جانبيكمانش جانبي قاب مهاربندي شده:10شكل

ج در اين سيستم انرژي ورودي توسط يك رابط قابل. ابداع گرديد Aristazabal-ochoa [8]ديدي توسط براي غلبه بر اين مشكالت سيستم

).11(تعويض معروف به زانويي مستهلك مي گردد شكل

پيكربندي مهاربند زانويي:11شكل

و خرابي در از آنجا كه عضو. اعضاي اصلي قاب بوجود نمي آيددر اين سيستم تمامي تغييرشكل هاي غير االستيك در عضو زانويي متمركز شده

تحقيقات مختلفي روي اين سيستم انجام شده. مي باشد EBFزانويي قابل تعويض است، تعمير قاب پس از يك زلزله شديد بسيار آسان تر از سيستم

ان سه طبقه، سه دهانه با فاصله ستونها از هر آزمايشي بر روي يك ساختم Vetr & Boukamp[9].است تا از كمانش بادبندها ممانعت بعمل آيد

و تحت بار معادل يك زلزله به قدرت و بيست سانتيمتر، طراحي و ارتفاع هر طبقه سه متر ELSAدر مركز آزمايش سازه اروپاg25/0طرف پنج متر

سيستم(V-EBFه از جهت اعمال بار توسط دو قاب موازي بار جانبي اعمال شده به سيستم مقاوم آزمايششد. واقع در ايتاليا مورد آزمايش قرار گرفت

شد MRFو از جهت عمود بر صفحه بارگذاري توسط دو قاب موازي با سيستم) مهاربند برون محور با پانل برشي قائم در قابهاي مورد. تحمل مي

.ر برش طبقه را به مفصل برشي قائم اعمال كردستونها در جهت ضعيف خود نصب شدند تا بتوان حداكث) داراي تير پيوند قائم(V-EBFآزمايش

شد3/1،3/2،1بارگذاري بطريق كنترل تغييرمكان در طبقه سوم به انضمام كنترل نسبت بار وارده به طبقات به . به ترتيب در طبقات اول تا سوم اعمال

و شكل پذيري خوب سيستم بود بي. نتيجه آزمايش رفتار مناسب در V-EBFن دو قاب موازي همچنين مقايسه پايداري مدل آزمايشي نشان داد كه

با. سيستم موجود خصوصا در ناحيه بحراني، تقاطع بادبندها با انتهاي مفصل قائم هيچ گونه ناپايداري جانبي يا ناپايداري پيچشي رخ نداد اين موضوع

ان ANSYSتحليل كمانش غيرخطي سيستم توسط برنامه كامپيوتري بنابراين مي توان نتيجه. جام شده بود كامال همخواني داردكه قبل از آزمايش

و گرفت كه طراحي مفصل برشي قائم با توجه به روابط ارائه شده خطر ناپايداري جانبي يا پيچشي در انتهاي پاييني مفصل برشي قائم را منتفي مي سازد

.ايت مي كندكف) تقاطع با تير اصليمحل(تنها مهاربندي جانبي انتهاي فوقاني مفصل

كنشش عمـمهنملي گرهـمين رانـدسي ، ايرانسمنان، سمنان، دانشگاه 1390ارديبهشت7و6

٧

Zahrai & Moslehi Tabar [10] بر روي قاب هاي يك طبقه داراي سيستم مهاربندهاي 2006در سالEBF با عضو پيوند قائم شكل

شد)12( و بدون آن انجام دادند كه در پايان نتايج زير حاصل :با طول هاي متفاوت با سخت كننده جان

برشيمهاربند برون محور با پانل:12شكل

و رشد) با عضو پيوند قائم تكي EBFمهاربند(قاب هاي بادبندي شده مجهز به سيستم پانل برشي.1 همگي داراي رفتار هيسترتيك حجيم، پايدار

. اين خصوصيات نشان دهنده رفتار لرزه اي مناسب سيستم پانل برشي است. يابنده بوده اند

از.2 .كل غيراالستيك پانل برشي برمي گردددرصد انرژي مستهلك شده به تغييرش90بيش

عملكرد تناوبي بسيار مناسبي براي مي تواند استفاده از قاب خمشي به همراه بادبندهاي مجهز به پانل برشي به عنوان يك سيستم مختلط.3

.سازه تأمين كند

ص.4 .ورت خمشي را جبران مي كنداستفاده از پانل برشي كوتاهتر، تا حد زيادي نداشتن اتصاالت تير به ستون به

و ضخامت.5 با لحاظ كردن محدوديت هاي مربوط به جابجايي جانبي يك قاب، ظرفيت استهالك انرژي آن قاب مي تواند با افزايش عمق مقطع

. جان پانل برشي يا با كاهش طول پانل، افزايش يابد

مي تواند در امر مقاوم سازي سازه هاي .... كم هزينه بودن–ميرايي–سيستم پانل برشي عالوه بر داشتن مزاياي شاخص از جمله شكل پذيري.6

و فلزي نيز بسيار كارآمد باشد .بتني

خيز سيستم مهاربندي برون محور با پانل برشي مي تواند در آينده جايگزين مناسبي براي سيستم مهاربندي برون محور باشد بخصوص در نواحي لرزه

. دنيا

نوين مقابله با نيروهاي جانبي برخي سيستمهاي.3

و پركاربردترين سيستمهاي نوين مقاوم در برابر نيروهاي جانبي معرفي شده است :براي آشنايي بيشتر مهمترين

مه-قاب مهاربندي شده برون محور با تير پيوند قائم-مهاربندهاي كمانش ناپذير-قاب مهاربندي شده برون محور-ايجداگرهاي لرزه اربندي قابهاي

-ورقهاي- ADAS ورقهاي-ي زانوييشده TADAS ميراگرهاي-ميراگرهاي اصطكاكي-ميراگرهاي جرمي متعادل-ميراگرهاي مايع متعادل

ويسكواالستيك

نتيجه گيري.4

و چه از طرف دستگاههاي نظارتي رعايت كليه نكات آيينو استفاده صحيح د شده باعث عدم خساراتيا هايسيستمدرنامه اي چه از طرف طراحان

و مالي در هنگام وقوع زلزله ميشود و آشنايي با پيشرفتهاي جديد در راستاي مقابله با نيروي زلزله؛ جاني كه مستلزم شناخت نقاط ضعف در هر سيستم

تس. مي باشد و نظارت اصولي كه الزمه آن داشتن لط كامل به نكات فني مي باشد دارا بودن الزم به ذكر است عالوه بر طراحي دقيق منطبق با آيين نامه

و قانونم نيروي و مسلط نيز ديگر ركن اساسي براي توليد يك سرپناه امن بوده كه متاًسفانه در كشور ما هنوز داراي ساماندهي منظم . ند نيستانساني ماهر

كنشش عمـمهنملي گرهـمين رانـدسي ، ايرانسمنان، سمنان، دانشگاه 1390ارديبهشت7و6

٨

مراجع.5

.[1] “Uniform Building Code,” UBC, (1997), VoL. 2

[2] Roeder , C.W. and Popov ,E.Pm, (1978 ), “Eccentrically braced steel frames for earthquakes,” J .Struct. Engng.ASCE,” 104 (ST 7 ), pp 391-411.

و ساز ساختمان هاي فوالدي ايران"،)1385(متولي، مسعودبهروز، ميرقادري، رسول، شافعي]3[ دو"،مروري بر وضعيت ساخت مين سمينار مقاالت

و ساز در پايتخت .ساخت

و مهندسي زلزله سال ششم"،بررسي علل ضعف اجرايي ساختمانهاي فوالدي در كشور"،)1382( زهرايي سيد مهدي،]4[ .پژوهشنامه زلزله شناسي

ب، ...ناطقي الهي ف، نصرا]5[ و تقويت لرزه"،)1375(بيگي و مهندسي زلزلهپژوهشنا"،اي ساختمانهاي فوالدي موجود تعمير .مه زلزله شناسي

[ 6 ] AISC, (1997), “ Seismic Provisions for Structural Steel Buildings,” American Institute of Steel Construction, Chicago, IL. [ 7 ] AISC, (2005), “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel in

Construction,” Chicago, IL. [8] Aristizabal –Ochao ,d.D., (1986 ), “Disposable knee bracing improvement in seismic design of steel frames,” J .Struct . Engng .ASCE , 112 (7). [ 9] bouwkamp , J .G , vetr ,M . G, (1994), “Design of Eccentrically braced Test fram With Vertical

Shear Link Proceedings of the second Int . con . on Earthquake Resistant Construction and Design,” Berlin /Jun 1994 [ 10] Zahrai, S. M. and Moslehi Tabar . A., (2006), “Cyclic Behavior of

steel Braced frames using shear panel system,” Asian Journal of civil Engineering.