اندرکنش قاب‌های بتنی با مهاربندهای فولادی و اثرات شکل‌ هندسی مهاربند

یکی از روش‌های مقاوم‌سازی قاب‌های بتنی، استفاده از مهاربندهای فولادی است. اگرچه استفاده از این روش از سابقه نسبتا طولانی برخوردار است اما مطالعات اندکی درباره نحوه اندرکنش قاب بتنی و مهاربند فولادی انجام شده است و توصیه مشخصی درباره چگونگی استفاده از آن، برای دستیابی به بازدهی مطلوب وجود ندارد. در این مقاله با تکیه بر جنبه‌های عملی روش استفاده از مهاربند فولادی در مقاوم‌سازی قاب‌های بتنی، محدوده کارایی انواع مهاربندها مورد بررسی قرار گرفته است.

نتایج نشان می‌دهد که مهاربندهای فولادی در قاب‌های بتنی با ارتفاع متوسط و در دهانه‌های با نسبت دهانه به ارتفاع بزرگتر از 5/1 بهترین بازدهی را دارد و می‌تواند ظرفیت نیروی جانبی اعمالی به سازه را حتی تا سه برابر افزایش دهد. همچنین نشان داده شده است که مهاربند ضربدری و پس از آن مهاربند نوع هشت بهترین شکل‌های مهاربندی برای افزایش سختی جانبی سازه می‌باشند.

واژه‌های کلیدی : مقاوم‌سازی – قاب خمشی بتنی – مهاربند فولادی – تغییر مکان جانبی – برش

اولین موارد استفاده از مهاربندهای فولادی در قاب‌های بتن‌آرمه به دهه‌های 1970 و 1980 بازمی‌گردد که سه ساختمان بتنی، یکی در ژاپن و دو دیگر در مکزیکوسیتی با مهاربندهای فولادی پیرامونی مقاوم‌سازی شدند [1]. از آن زمان این سیستم سازه‌ای مورد توجه و استفاده، به خصوص در مقاوم‌سازی ساختمان‌های بتنی موجود،  قرار گرفته ‌است. اگرچه تاکنون درباره رفتار و اثرات متقابل مهاربند فولادی و قاب بتنی تحقیقات نسبتاً زیادی انجام شده‌است، اما‌ هنوز اطلاعات کافی و شناخت مناسبی از چگونگی اندرکنش این دو سیستم سازه‌ای در دست نیست.

در این مقاله، رفتار متقابل مهاربند و قاب بتنی و نیز اثرات شکل‌ هندسی مهاربند بر کارایی این روش مورد بررسی قرار می‌گیرد. بدین منظور سه سازه بتن‌آرمه پنج، ده و پانزده طبقه با پلان مشابه در نظر گرفته شده‌است. هریک از این قاب‌ها تحت اثر بارهای قائم و جانبی، با پنج شکل مختلف مهاربند فولادی طراحی شده‌ و سپس در هر مورد، رفتار قاب بتن‌آرمه به تنهایی و نیز همراه با مهاربند، مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است.

4-1- بررسی سختی قاب بتنی با و بدون مهاربند فولادی

اولین و مهم‌ترین اثر وجود مهاربند در قاب بتنی، افزایش سختی قاب بتنی است اما این سوال وجود دارد که کدام‌یک از شکل‌های مهاربندی سختی جانبی بیشتری را در قاب ایجاد می‌نمایند. در ادامه، نمودار نسبت تغییرمکان هر طبقه از قاب بتنی بدون مهاربندی به قاب مهاربندی شده در دو جهت x  و y، در اثر نیروی جانبی یکسان، برای هر سه تیپ ساختمان پنج ، ده و پانزده طبقه ارائه می‌شود. با بررسی نمودارهای 1 ، 2 و 3 می‌توان به این نتایج دست یافت :

–  به طور کلی اضافه کردن مهاربند به قاب خمشی، موجب افزایش سختی جانبی سازه می‌شود اما با افزایش ارتفاع ساختمان، مقدار تغییر سختی کمتر می‌شود یعنی مشارکت مهاربند در تحمل بار جانبی کاهش می‌یابد.

–  هرچه دهانه مهاربندی شده بزرگتر باشد، تاثیر مهاربند افزایش خواهد یافت، درنتیجه دهانه‌ای که برای مهاربندی کردن درنظر گرفته می‌شود حتی‌الامکان باید عریض باشد تا سیستم بازدهی بیشتری داشته باشد.

–  با افزایش ارتفاع ساختمان، حساسیت سختی جانبی سازه نسبت به عامل شکل هندسی مهاربند کم می‌شود، به خصوص اگر دهانه کوچک باشد تقریبا تمام مهاربندها سختی جانبی نسبتا یکسانی تولید می‌کنند.

–  مهاربند ضربدری بیشترین اثر را در افزایش سختی جانبی قاب بتنی دارد . پس از مهاربند ضربدری و درصورت عدم امکان مسدود نمودن دهانه، مهاربند هشت بیشترین سختی را تولید می‌کند.

–  در کلیه تیپ‌های ساختمان و هر دو اندازه دهانه، مهاربند هفت کمترین سختی جانبی را تولید می‌کند.

–  روش استفاده از مهاربند برای بهبود سختی جانبی قاب خمشی بتنی، بهترین کارایی را در طبقات اول تا ششم دارد و در طبقات بالاتر اگرچه دارای بازدهی کمی در افزایش سختی جانبی قاب می‌باشد اما هیچ‌گاه برش منفی ایجاد نمی‌نماید.

–  اگر بخواهیم بهترین شکل‌های مهاربندی را برای بهبود سختی جانبی یک قاب موجود نام ببریم، این شکل‌ها به ترتیب کاهش کارایی عبارتند از : مهاربند ضربدری، مهاربند هشت و مهاربند تک قطری زیگزاگ.

4-2- سهم برش جذب شده توسط قاب خمشی بتنی و مهاربندهای فولادی

در نمودارهای 4، 5، 6، 7، 8 و 9 درصد برش جذب شده توسط قاب بتنی و مهاربندهای فولادی در هر طبقه ساختمان و در هر دو جهت دیده می‌شود. در این نمودارها خط‌پر نماینده قاب مهاربندی‌ شده و خط‌چین نماینده قاب خمشی است.

با بررسی نمودارها اثر بسیار قابل‌توجه اندازه دهانه مهاربندی‌شده بر مقدار برش جذب شده توسط مهاربند به خوبی مشاهده می‌شود. نسبت دهانه به ارتفاع طبقه در جهت X ؛ b/h=1.67 و در جهت Y ؛ b/h=1.11 می‌باشد. همان‌طور که مشاهده می‌شود درصد جذب برش توسط مهاربند در دهانه کوچکتر، بدون توجه به ارتفاع ساختمان، کمتر است و این تفاوت بسیار قابل‌توجه می‌باشد به نحوی که در ساختمان‌ ١٥ طبقه و در جهت Y ، سهم برش جذب شده توسط مهاربند تقریبا نصف برش جذب شده توسط قاب است.

بنابراین نمی‌توان بدون منظور کردن پارامتر اندازه دهانه به بررسی اثر و کارایی مهاربند فولادی در قاب بتنی پرداخت و عدد یا محدوده‌ای را برای سهم مهاربند در تولید سختی جانبی بیان نمود. همچنین می‌توان به راحتی مشاهده نمود که روش استفاده از مهاربند فولادی در قاب بتنی برای بهبود رفتار لرزه‌ای قاب، با تاثیر توام افزایش ارتفاع و کاهش دهانه، عملا اثر خود را از دست می‌دهد و پارامتر اندازه دهانه‌های قابل قراردادن مهاربند، در انتخاب این روش به عنوان گزینه نهایی مقاوم‌سازی بسیار موثر است و درصورتی‌که دهانه‌هایی که در آن‌ها مهاربند قابل نصب است‌، کوچک باشند استفاده از این روش مفید یا اقتصادی نخواهد بود.

نکته دیگر، اثر ارتفاع قاب در کارایی روش است. مشاهده می‌شود که با افزایش ارتفاع، سهم مهاربند از کل برش وارد بر هر طبقه کاهش می‌یابد، به عنوان مثال مهاربندهای طبقه دوم قاب ٥ طبقه بیشتر از همان مهاربندها در قاب ١٥ طبقه در تحمل برش وارد بر سازه نقش دارند. برخلاف آنچه در مرجع [7] آمده است، مشاهده می‌شود که در هیچ طبقه‌ای از ساختمان‌های ١٠ و ١٥ طبقه، مهاربند برش منفی (یعنی برش در جهت محرک) تولید نمی‌کند و مهاربندهای بام حتی در جهت Y نیز در حدود ٢٠% برش کل را تحمل می‌کنند.

این اختلاف در نتایج احتمالا به دلیل اختلاف پروسه طراحی در دو مورد است. در مرجع [7] تنها به این مقدار توضیح درباره روش طراحی بسنده شده است که قاب بتنی برای ٢٥% برش کل طراحی می‌شود و پس از آن در طرح مهاربندها ١٠٠% برش کل منظور می‌شود. احتمالا این فرض که طراحی بر اساس آن انجام شده، چندان صحیح نمی‌باشد و موجب ایجاد اثر منفی مهاربندها در طبقات بالایی ساختمان شده است. به هر حال در بررسی‌های انجام شده به خوبی مشاهده می‌شود که مهاربندها در طبقات یک تا پنج کلیه قاب، بیشترین اثر را دارند و در طبقات بالایی با شیب نسبتا ثابتی از اثر آن‌ها کاسته می‌شود.

اگر به نوع مهاربندها توجه شود نکات جالبی مشاهده خواهد شد. در قاب ٥ طبقه مهاربند ضربدری در هر دو جهت، رفتار متفاوتی با سایر شکل‌های مهاربندی دارد و سهم برش سایر شکل‌های مهاربندی در طبقات بالایی بیشتر از طبقات زیرین است. اما سهم برش مهاربند ضربدری در طبقات بالایی کاهش می‌یابد و نمودار مربوط به آن شیب منفی دارد. با افزایش ارتفاع کل، در ساختمان‌های ١٠ و ١٥ طبقه، رفتار این شکل‌ مهاربندی با سایر شکل‌ها هماهنگ می‌گردد.

اثر اندازه دهانه بر سختی هر شکل مهاربندی نیز قابل‌توجه است. در جهت X با b/h=1.67 ، مهاربندهای ضربدری و هشت تقریبا مشابه یکدیگر عمل می‌کنند و سهم برش بیشتری را جذب می‌نمایند. در جهت Y که b/h=1.11 ، سهم برش مهاربند ضربدری نسبت به سایر مهاربندها به ارتفاع ساختمان وابستگی بیشتری دارد. سهم برش این مهاربند نسبت به سایر مهاربندها، در ساختمان ٥ طبقه در طبقات پایین بیشتر و در بام کمتر است، در ساختمان ١٠ طبقه در تمامی طبقات سهم کمتری دارد و در ساختمان ١٥ طبقه در تمامی طبقات سهم بیشتری دارد.

سایر مهاربندها نیز به همین ترتیب رفتار ثابت و مشخصی از خود نشان نمی‌دهند و تنها نتیجه‌گیری مشخصی که می‌توان انجام داد آن است که مهاربند هفت در جهت Y نیز همانند جهت X، ضعیف‌ترین شکل‌ مهاربندی در میان پنج شکل مورد بررسی است.

نکته قابل‌توجه دیگر آن که به جز شکل مهاربندی ضربدری در قاب 5 طبقه، سهم برش طبقه اول در کلیه قاب‌ها و هر دو جهت تقریبا ١٠% کمتر از سهم برش طبقه دوم است.

4-3- بررسی شکل‌ مهاربندی مناسب برای مقاوم‌سازی یک قاب بتنی :

از آنجا که قاب بتنی طراحی شده برای هر شکل مهاربندی با شکل دیگر متفاوت است، می‌توان بهترین شکل مهاربندی برای مقاوم‌سازی قاب موجود را تعیین نمود. برای این منظور درصد برش جانبی قابل تحمل برای هر قاب بتنی بدون وجود مهاربند تعیین می‌گردد.

با بررسی نمودار(10) می‌توان به نتایج زیر دست یافت :

– تقریبا می‌توان گفت که قاب بتنی مربوط به مهاربند ضربدری ضعیف‌ترین قاب است یعنی مهاربند ضربدری بهترین عملکرد را در افزایش مقاومت قاب بتنی دارد که این نتیجه با نتایج قسمت‌های قبل هماهنگ است.

– از آنجا که نحوه انتقال نیروی محوری مهاربند به ستون در مهاربند ضربدری و مهاربند تک قطری زیگزاگ تقریبا یکسان است، رفتار قاب مربوط به این دو نوع مهاربند مشابه است، اما قاب بتنی مربوط به مهاربند تک قطری زیگزاگ قوی‌تر است چون نیروی جانبی هر طبقه تنها توسط یک مهاربند تحمل می‌شود اما در نوع ضربدری این نیرو بین دو مهاربند تقسیم می‌شود.

– همان‌طور که انتظار می‌رود عملکرد مهاربند هشت در افزایش سختی قاب بتنی تقریبا معادل مهاربند ضربدری است و حتی مشاهده می‌شود که در ساختمان پنج طبقه عملکرد بهتری دارد.

– مهاربندهای نوع هفت و لوزی کمترین کارایی را در بهبود رفتار قاب دارند.

( توجه: نمودار های یک تا 9 داخل فایل کامل مقاله موجود می باشد)

[1]  تسنیمی، عباسعلی، “مقاوم‌سازی قاب‌های بتن مسلح به کمک بادبندهای فولادی”، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، تهران

[2]     Badoux, M., and Jirsa, J. O., “Steel Bracing of RC Frames For Seismic Retrofitting”, Journal of Structural Engineering, No. 1, Vol. 116, PP. 55-74, (1990).

[3]    Bush, T. D., Jones, E. A., and Jirsa, J. O., “Behavior of RC Frame Strengthened Using Structural Steel Bracing”, Journal of Structural Engineering, No. 4, Vol. 117, PP. 1115-1126, (1991).

[4]   Maheri, M. R., and Sahebi, A., “Experimental Investigations of Steel – Braced Reinforced Concrete  Frames”,   Proceedings of Second International Conference on Seismology and Earthquake Engineering, Tehran, Islamic Republic of Iran, (1995).

[5]   Masri, A.C., and Goel, S.C., “Seismic Design and Testing of an RC Slab-Column Frame Strengthened by Steel Bracing”, Earthquake Spectra, Vol. 12, No. 4, PP. 645-666, (1996).

[6]     Ghobarah, A., and Abou Elfath, H., “Rehabilitation of A Reinforced Concrete Frame Using Eccentric Steel Bracing”, Engineering Structures, Issue 7, Vol. 23, PP. 745-755, (2001).

[7] خیرالدین، علی، “بررسی اندرکنش بادبند فلزی و قاب بتن‌آرمه در ساختمان‌های بلند”، دومین همایش بین‌المللی ساختمان‌های بلند

[8]  خیرالدین، علی، و شمخالی مقدم، مجید، “بررسی رفتار بادبندهای واگرا در قاب‌های بتن‌آرمه موجود”، دومین همایش بین‌المللی ساختمان‌های بلند،

[9]     Youssef, M. A., Ghaffarzadeh, H., and Nehdi, M., “Seismic Performance of RC Frames With Concentric Internal Steel Bracing”, Engineering Structures, Issue 7, Vol. 29, PP. 1561-1568, (2007).

[10]  ACI Committee 318, “Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary  – ACI 318R-05”, American Concrete Institute, Framing Hills, MI, USA, (2005).

[11]   AISC, “Manual of Steel Construction”, American Institute of Steel Construction, New York, (2001).

[12] “آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله، استاندارد 2800″، ویرایش سوم، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن وزارت مسکن و شهرسازی