فیوز سازه ای : مفهوم، طراحی و بررسی نواحی حفاظت‌شده به همراه تصاویر اجرایی

• civil pro
• 0
• فولاد, مقالات عمران

یکی از روش­های کاهش خسارات ناشی از زلزله در سازه­ ها، متمرکز ساختن خرابی­ها در اعضای از پیش تعیین شده است. این اعضا در حین زلزله با جذب قسمت عمده‌ای از نیروی زلزله، آسیب‌های وارده به سایر اجزای سازه را به حداقل می‌رساند. این اعضا مانند یک فیوز برق که تحت جریان غیرمجاز برق، پریده و از آسیب به سیم‌کشی و وسایل برقی مورداستفاده جلوگیری می‌کند، عمل می‌کنند؛ ازاین‌رو به این قبیل اعضا «فیوز سازه‌ای» و گاهی «فیوز» نیز اطلاق می‌شود.

در این مقاله قصد داریم ابتدا با سازوکار و رفتار این اعضا آشنا شویم و انواع فیوزهای سازه‌ای را در قسمت‌های مختلف سازه مورد بررسی و مقایسه قرار دهیم، سپس به مفهوم و اهمیت ناحیه حفاظت‌شده در سازه می‌پردازیم و انواع روش‌های حفاظت این نواحی در سیستم قاب خمشی، مهاربندهای همگرا و واگرا را به‌صورت دقیق، مستدل و علمی معرفی کرده و مورد بحث قرار می‌دهیم.

با مطالعه این مقاله چه می‌آموزیم؟

1. نقش فیوز سازه‌ای در سازه چیست؟
2. بررسی روش طراحی بر پایه ظرفیت و مفهوم فیوز سازه ای
3. سازوکار فیوز سازه‌ ای
4. انواع متداول فیوزهای سازه‌ای
5. نواحی حفاظت‌شده در انواع سیستم باربر جانبی

نقش فیوز سازه‌ای در سازه چیست؟

این اعضای شکل‌پذیر در سازه­ ها برای استهلاک انرژی از طریق وقوع تغییرشکل‌های غیر ارتجاعی در آن‌ها طراحی می­ شوند. همچنین جانمایی و طراحی این اعضا در سازه به‌گونه‌ای است که پس از زلزله قابلیت تعویض یا تعمیر آسان‌تری نسبت سایر اجزای سازه‌ای دارند.

استفاده از این‌ روش باعث بهینه‌سازی طراحی و صرفه اقتصادی در هزینه ­های ساخت و بهسازی لرزه ­ای نیز می­ شود. این رویکرد که طراحی بر اساس ظرفیت نام دارد نقش مهمی را در طراحی لرزه ­ای سازه ­ها ایفا می ­کند و در آیین ­نامه­ های طراحی لرزه ­ای مورد توجه قرار گرفته است.

بررسی روش طراحی بر پایه ظرفیت و مفهوم فیوز سازه‌ ای

مبنای طراحی بر اساس ظرفیت این است که اجزایی از سازه که شکل­ پذیری بیش­تری از آن‌ها انتظار می­رود را برای نیروهای کمتری نسبت به نیروی زلزله طراحی می‌کنیم تا پس از وارد شدنِ نیروهای واقعی زلزله، حتماً وارد محدوده خمیری (پلاستیک) شوند.

برای بهتر جا افتادن مطلب، ایده Park and Paulay که اولین بار روش طراحی بر پایه ظرفیت را بیان کردند، موردبررسی قرار می‌دهیم. آن‌ها فرض کردند که سازه همانند چند حلقه متصل‌به‌هم هست (مانند شکل زیر). مطابق نظر این محققین، در طراحی لرزه‌ای حتماً لازم است تا یکی از این حلقه‌ها را به‌عمد ضعیف‌تر طراحی کنیم تا در زلزله حتماً وارد ناحیه غیرخطی شود و باعث اتلاف انرژی زلزله گردد. در همین راستا بایستی دو نکته‌ی زیر را مدنظر قرارداد:

1. جزئیات بندی در ناحیه ضعیف‌تر به‌گونه‌ای باشد که در تغییرشکل‌های بزرگ دچار ناپایداری و زوال نشود.
2. بقیه حلقه‌های زنجیر به‌گونه‌ای طراحی شوند که دارای چنان مقاومتی باشند که با رسیدن حلقه شکل‌پذیر به حد مقاومتش همچنان در ناحیه ارتجاعی باقی بمانند.

 

 

بررسی مفهوم بر اساس بند های آیین نامه

روش کار در آیین‌نامه به این صورت هست که کلیه اعضا ابتدا بایستی تحت اثر نیروهای کاهش‌یافته زلزله طراحی شوند و سپس با ضرایبی مثل Ω₀ (ضریب اضافه مقاومت) در آیین‌نامه AISC و استاندارد 2800، بار زلزله ورودی برای طراحی اعضای کنترل شونده توسط نیرو (Force Control ) یعنی اعضایی که حتماً می­ بایست تا رسیدنِ اعضای کنترل ­شونده توسط تغییر مکان ( فیوزهای سازه‌ای) به تغییرمکان حدیشان، ارتجاعی باقی بمانند و وارد ناحیه غیرخطی نشوند، توسط نیرو تشدید شود.

به عبارت ساده‌تر:

نیروهای طراحی برای کلیه اجزای سازه:

نیروهای طراحی برای اجزای کنترل شونده توسط نیرو:

(F _res  و Max (F _exp : نیروی طراحی برای اجزای کنترل­ شونده توسط نیرو

که در این رابطه داریم:

به‌طوری‌که در روابط بالا داریم:

F_eq : نیروی زلزله

F_red : نیروی کاهش‌یافته زلزله توسط ضریب رفتار Ru

F_res : نیروی تشدید یافته توسط ضریب Ω₀

F_exp: نیروی مورد انتظار عضو شکل ­پذیر

در جدول 3-4 استاندارد 2800، ضریب رفتار (Ru) و ضریب اضافه مقاومت (Ω₀ ) برای سیستم‌های سازه‌ای مختلف قید شده است.

نکته :

به‌طور خلاصه می­ توان بیان کرد که در این رویکرد، سازه را به‌گونه‌ای طراحی می‌کنیم که بعضی از اعضا (نقاط پیش‌بینی‌شده) به‌عمد ضعیف طراحی می‌شود تا در هنگام زلزله حتماً وارد ناحیه غیر ارتجاعی شده و باعث اتلاف انرژی زلزله گردد (فیوز سازه‌ای) و باقی اعضا که بر اساس نیرو طراحی می‌شوند باید در حالت ارتجاعی باقی بمانند.

روشی که در آیین‌نامه بیان شده است به این صورت هست که کلیه اعضا را برای نیروی کاهش‌یافته زلزله طراحی می‌کنیم این کار در جهت اطمینان انجام می‌شود تا مطمئن باشیم که در هنگام زلزله اعضا وارد ناحیه خمیری (پلاستیک) شوند.

همچنین نیروهای زلزله را با اعمال ضرایبی تشدید کرده و اعضای کنترل شونده توسط نیرو) اعضایی که تا روی کار آمدن فیوزهای سازه‌ای باید در حالت ارتجاعی باقی بمانند) را برای این نیروها طراحی کنیم.

سازوکار فیوز سازه‌ای

یک سازه‌ی فیوزدار را می ­توان به دو بخش زیر تقسیم کرد:

1. قاب سازه که بایستی در ناحیه‌ی ارتجاعی باقی بماند.
2. فیوز سازه‌ای که عضو مستهلک کننده‌ی انرژی هست.

پارامترهای کلیدی که سیستم فیوز سازه‌ ای را توصیف می‌کنند شامل سختی، تغییر مکان و مقاومت برشی جانبی است. علاوه بر این ضرایب، شکل‌پذیری و نسبت‌های مقاومت به‌منظور ارزیابی اثرات فیوز سازه­ایِ اضافه‌شده به سازه مهم هستند. در شکل زیر منحنی نیروی برشی – تغییرمکان برای یک سیستم تک درجه آزادی با دو فنر ارتجاعی – خمیری در حالت موازی نشان داده‌ شده است.

 

در منحنی فوق K_Total برابر مجموع سختی جانبی قاب K_f و سختی فیوز سازه‌ ای K_a می باشد.

و نسبت سختی a، نسبت بین K_a و K_f  هست:

ضریب شکل‌پذیری تغییر مکان سیستم، μ_D ، حداکثر شکل‌پذیری است که فیوز سازه‌ ای می‌تواند پیش از تسلیم‌شدگی قاب به وجود آورد که به‌صورت زیر بیان می‌شود:

که در آن:

نسبت کرنش سخت شدگی : α

سختی کل : K₁

تغییر مکان قاب در هنگام تسلیم‌شدگی فیوز سازه‌ای: Δ_ya

تغییر مکان تسلیم‌شدگی قاب: Δ_yf

برشی قاب ظرفیت: V_yf

ظرفیت برشی سیستم میرایی: V_ya

مقاومت تسلیم کل سیستم: V_y

V_P : ظرفیت برشی کل سیستم

یکی از نتایجی که از این نمودار فوق می‌توان گرفت این است که بیشترین کارایی استفاده از فیوز سازه‌ای، هنگامی به دست می‌آید که اختلاف بین تغییر مکان تسلیم‌شدگی قاب و فیوز، حداکثر باشد.

 

انواع متداول فیوزهای سازه‌ای

1.مهاربندهای مقید در برابر کمانش (کمانش تاب یا BRB)

بسیاری از نقایصی که در مهاربندهای همگرا اتفاق می‌افتد، ناشی از اختلاف ظرفیت فشاری و کششی و مقاومت آن‌ها در حین بارگذاری دوره‌ای (سیکلیک) است. مسئله مهم دیگر مقاومت پس از کمانش مهاربندها است که در آن، مهاربند با یک افت مقاومت می‌تواند تغییر شکل­های بیشتری را تحمل کند که این موضوع سبب افزایش جذب انرژی و کمک به رفتار بهتر سازه می‌شود.

قاب­های مهاربندی‌شده مقید در برابر کمانش یک رده خاص از قاب‌های مهاربندی‌شده هم‌مرکز هستند. همانند قاب‌های مهاربندی‌شده هم‌مرکز ویژه، در شکل زیر می‌توان مشاهده کرد که تقاطع محورهای اعضای مهاربندهای مقید در برابر کمانش در یک نقطه اتصال، یک سیستم خرپای عمودی که نیروی جانبی را تحمل می‌کند، تشکیل می‌دهد.

 

 

مهاربندهای مقید در برابر کمانش از شکل‌پذیری و جذب انرژی بیشتری در مقایسه با SCBF (مهاربند همگرای ویژه) برخوردار است؛ زیرا از کمانش کلی مهاربند و کاهش مقاومت مربوط به آن در نیروها و تغییرشکل‌های مربوط به جابه‌جایی نسبی طرح در طبقه‌ها جلوگیری می‌شود.

مثال اجرایی :

مهاربندهای مقید در برابر کمانش، مانند شکل زیر، از یک هسته‌ی فولادی و یک سیستم پوششی مقیدکننده‌ی کمانشِ هسته‌ی فولاد تشکیل یافته است. هسته فولادی المان مهاربندی، منبع اولیه جذب انرژی است.

همان‌گونه که در شکل زیر دیده می‌شود اشکال مختلفی از غلاف محصورکننده را مشاهده می ­کنید که البته گونه‌ی رایج غلاف محصورکننده، یک غلاف فولادی مربع شکل هست که داخل آن با بتن پر شده است. بر طبق گزارش پژوهشگاه ملی زلزله تایوان به‌غیراز بتن، چوب و ماسه نیز می ­تواند به‌عنوان ماده پرکننده استفاده شود.

 

 

 

اعضای مهاربندی طراحی‌شده به‌طور مناسب در این قاب‌ها، رفتار هیسترزیس پایدار و متقارنی را تحت اثر نیروهای کششی و فشاری طی تغییرشکل‌های غیر ارتجاعی فراوان ارائه می‌دهند.

برای کسب اطلاعات بیشتر در زمینه بارگذاری سیکلی و منحنی هیسترزیس می توانید مقاله “تحلیل و بررسی منحنی هیسترزیس” را مطالعه نمایید.

 

 

در شکل زیر دو قاب مهاربند مقید در برابر کمانش (BRB) و قاب با مهاربند همگرا (CBF) تحت بار جانبی رفت و برگشتی مورد مقایسه قرار گرفتند، همان‌طور که مشاهده می‌شود در قاب با مهاربند همگرا، مهاربندها تحت یک دوره‌ی بار کمانش می‌کنند اما در اعضای مهاربندی‌شده مقید در برابر کمانش، جذب انرژی طی چرخه‌های تسلیم پایدار کششی- فشاری در فشار همانند کشش هست.

قابلیت شکل‌پذیری و جذب انرژی این قاب‌ها قابل‌مقایسه با قاب خمشی ویژه و بیشتر از یک سیستم قاب با مهاربندی همگرای ویژه است. این شکل‌پذیری بالا توسط محدودسازی کمانش هسته فولادی به دست می‌آید.

طی یک زلزله متوسط تا شدید، انتظار می­رود هسته فولادی تغییرشکل‌های غیر ارتجاعی زیادی را تحمل کند. در یک قاب مهاربند مقید در برابر کمانش مهاربند (فشاری و کششی) به‌عنوان المان فیوز طراحی می‌شود و تمامی بخش‌های دیگر قاب و اتصالات در محدوده‌ی ارتجاعی باقی می­ مانند.

 

 

2.مستهلک کننده‌های انرژی صفحه فولادی

مستهلک کننده‌های انرژی صفحه فولادی Added Damping And Stiffness) ADAS) و Triangular Added Damping And Stiffness)TADAS) مثال دیگری از اعضای تسلیم شونده فولادی ثانویه هستند که برای استهلاک انرژی استفاده می‌شوند.

در تصاویر زیر جزئیات اتصال و نمونه‌ی واقعی آن‌ها را مشاهده می‌کنید.

یکی از اولین کاربردهای سیستم TADAS به‌عنوان میراگر بوده است.

شرکت‌های Power Bechtel و Counter Quake، صفحات فولادی X شکل را در قالب المان ADAS برای بهبود رفتار لرزه‌ای و تقویت لرزه‌ای سازه‌های ساختمانی به صنعت ساختمان ارائه کردند.

نحوه عملکرد میراگرهای فولادی ADAS و TADAS به این صورت است که هنگام اعمال بار جانبی زلزله، حرکت نسبی طبقات نسبت به یکدیگر موجب حرکت نسبی ورقه بالایی میراگر نسبت به ورقه پایینی آن می‌شود. این عمل موجب جاری شدن تعداد زیادی از ورقه‌های فلزی میراگر شده و نهایتاً موجب استهلاک مقدار زیادی از انرژی زلزله‌ی وارده به سازه می‌شود.

این میراگرها ضمن تأمین میرایی از سختی جانبی بالایی برخوردار بوده و به همین دلیل با عنوان میرایی و سختی افزوده (ADAS)، نام‌گذاری شده‌اند. همچنین این میراگرها به‌عنوان فیوز در سازه عمل نموده و با تمرکز رفتار غیرخطی در خود، مانع از بروز رفتار غیرخطی و آسیب در سایر اجزای اصلی و فرعی سازه می‌شوند.

محل نصب این المان‌ها در ساختمان‌ها معمولاً در محل اتصال مهاربندهای Λ یا  V، بین انتهای مهاربند و تیر طبقه است (مطابق دیتیل­های زیر)، به‌طوری‌که جابجایی طبقه باعث حرکت افقی قسمت فوقانی المان نسبت به قسمت تحتانی آن شده و در اثر جاری شدن قسمتی تا تمام حجم فولاد ورق‌ها، بخش قابل‌توجهی از انرژی ورودی زلزله به سازه به‌صورت تغییرشکل‌های پسماند جذب این اعضاء می‌شود.

میراگرهای   ADAS و TADAS در حقیقت نوعی تیر پیوند، در سیستم با مهاربندهای واگرا هستند که به شکل قائم قرار گرفته­اند.

 

 

3.پانل برشی

پانل برشی (shear panel damper) به‌عنوان یک فیوز شکل‌پذیر در مسیر انتقال نیرو از مهاربندها به تیرهای بالا و پایین طبقه عمل می‌کند. نتایج عددی و آزمایشگاهی نشان می‌دهند که با انتخاب صحیح پانل‌های برشی، می‌توانند قابلیت استهلاک انرژی یک سازه را بدون کاهش چندان سختی سازه، به طرز قابل‌توجهی افزایش دهد. از امتیازات دیگر این نوع میراگرها، تمرکز خرابی‌ها در ناحیه از پیش تعیین شده است که امکان تعویض آسان آن را پس از زلزله میسر می‌کند.

 

 

 

4.قاب‌های با مهاربندی واگرا

در سیستم مهاربند واگرا نقش اساسی جذب و استهلاک انرژی ناشی از زلزله توسط تیر پیوند ایفا می‌شود. به‌بیان‌دیگر، تیرهای پیوند همانند فیوز عمل می‌کنند و با رفتار شکل‌پذیر خود اولاً ضریب رفتار سازه را در سیستم باربر جانبی لرزه‌ای تأمین می‌کنند و ثانیاً تلاش‌های طراحی در سایر اعضا (تیر خارج از تیر پیوند، مهاربندها و ستون­ها) توسط تیر پیوند کنترل می‌شود.

بنا بر اصول طراحی بر اساس ظرفیت، تیر پیوند با رفتار شکل‌پذیر و پایدار خود به‌عنوان فیوز، به‌صورت یک عضو تغییر مکان کنترل، انرژی زلزله را مستهلک می‌کند و سایر اعضای قاب نظیر ستون‌ها، مهاربندها و تیرهای خارج از تیر پیوند به‌عنوان اعضای نیرو کنترل، در محدوده ارتجاعی رفتار کرده و نیروهای طراحی آن‌ها متأثر از نیروهای ایجادشده در تیر پیوند است.

 

 

5.تیرهای پیوند برشی قابل تعویض

تعمیر تیر پیوند آسیب‌دیده پرهزینه و زمان‌بر است.

به‌منظور رفع این مشکل ایده تیر پیوند قابل تعویض توسعه یافت و نتایج بررسی و آزمایش‌ها حاکی از آن بود که اتصالات جوشکاری تیر پیوند نسبت به اتصالات پیچی از انعطاف‌پذیری بیشتری برخوردار می‌باشند.

 

 

6.تیرهای همبند در دیوارهای برشی همبسته (کوپله)

دو دیوار برشی مجزا را که به دلیل وجود بازشوی بزرگ به فاصله‌ای از یکدیگر جدا شده‌اند، می‌توان به‌وسیله اعضای سازه‌ای مقاوم در برابر بارهای محوری و لنگرهای خمشی‌ به یکدیگر متصل نمود. در این حالت دیوار‌های برشی متصل شده بنام دیوار برشی همبسته و تیر رابط بنام‌ تیر همبند یا تیر پیوند نامیده می‌شود.

برای کسب اطلاع بیشتر در زمینه تیرهای همبند در دیوارهای برشی همبسته می توانید مقاله “تیر همبند در دیوار برشی کوپله” را مطالعه نماییید.

در شکل زیر که یک نمونه آزمایشگاهی و تحلیلی Chen and Lu سال 2012، مشاهده می‌کنید، یک مقطع تیر پیوند ضعیف در وسط دهانه تیر همبند قرار می‌دهند تا پتانسیل آسیب در اطراف پایه‌های دیوار را به حداقل برساند به این تیر پیوند ضعیف، تیر همبند فیوز می‌گویند.

 

 

به‌طورکلی تیرهای همبند را می‌توان به‌عنوان یک سیستم مقاوم در برابر بار جانبی یا به همراه سایر سیستم‌های سازه‌ای همانند قاب‌های خمشی یا قاب‌های مهاربندی فولادی استفاده کرد. سیستم تیرهای همبند مرکب فولادی، شامل یک تیر فولادی و یک صفحه فولادی است که در پایه­های دیوار مدفون شده است.

تیرهای همبند مرکب فولادی مزایایی را در مقابل بتن مسلح دارد.

مطالعات انجام‌شده نشان می­ دهد که تیرهای همبند فولادی مرکب، مقاومت بالا، سختی و پاسخ هیسترزیس مناسبی را ارائه می‌کنند.

همچنین این تیرها کم‌عمق‌تر از تیرهای همبند بتنی با ظرفیت‌های برابر هستند که در موارد با محدودیت ارتفاع طبقه مفید است. تیر همبند بتن مسلح قطری باعث افزایش شکل‌پذیری و جذب انرژی تیرهای همبند بتن مسلح سنتی می‌شود. در ادامه مطالعات گسترده‌ای در دانشگاه   Cincinnati روی انواع تیرهای همبند بتن مسلح انجام شده است.

 

 

 

نواحی حفاظت‌شده در انواع سیستم باربر جانبی

برای اینکه فیوزهای سازه‌ای بتوانند به‌درستی جاری شده و انرژی ورودی را به‌خوبی مستهلک نمایند، بایستی در برابر عواملی که این اتلاف انرژی را کم می‌کنند، محافظت شوند. مثلاً در این المان‌ها نبایستی کمانش موضعی رخ دهد یا نباید از زیر بار فرار کنند بدین منظور بخشی از سازه که انتظار رفتار فرا ارتجاعی در آن می‌رود، بایستی در برابر عواملی همچون کمانش کلی، کمانش موضعی و … محافظت شود.

مثلاً در این نواحی نباید وصله المان (تیر، مهاربند، فیوز سازه‌ای) صورت گیرد.

در آیین‌نامهAISC 341 اصطلاحی به نام ناحیه حفاظت‌شده  (Protected zone)تعریف شده است که به ناحیه شکل‌پذیر عضو اطلاق می‌شود که انتظار می‌رود در آن مفصل پلاستیک تشکیل شود. نظر به اهمیت و رفتار حساس، این ناحیه نباید برای هیچ نوع عمل ساخت و نصب عناصر مورداستفاده قرار گیرد.

  الزامات عمومی در جزئیات ناحیه حفاظت‌شده اعضا در بند 10-3-2-2 مبحث دهم به شرح ذیل هست:

1. بکار بردن وصله مستقیم یا غیرمستقیم جوشی یا پیچی نیمرخ‌ها یا ورق‌های تشکیل‌دهنده‌ی عضو در ناحیه حفاظت‌شده ممنوع است.
2. هرگونه ناپیوستگی ناشی از عملیات ساخت و نصب مانند جوش‌های موضعی، وسایل کمکی برای نصب، ناصافی‌های ناشی از برش‌های حرارتی در ناحیه حفاظت‌شده ممنوع بوده و در صورت وجود باید به نحو مناسبی برطرف شده و تعمیر شود.
3. خال‌جوش کردن ورق‌های ذوزنقه‌ای تیرهای مختلط و نیز جوش برشگیرهای از نوع گل‌میخ در تیرهای مختلط در ناحیه حفاظت‌شده، در صورت تأمین ضوابط (‌اتصالات از پیش تائید شده) مجاز است.

الف: سیستم قاب خمشی

اتصالات این نوع سیستم همگی از نوع گیردار هستند و بارهای جانبی به‌واسطه‌ی خمشی که در اعضا ایجاد می‌شود، تحمل می‌گردند. در واقع، در این سیستم‌ها نیروهای جانبی به علت رفتار خمشی تیرها و ستون‌ها تحمل می‌شوند.

برای نمونه قاب‌های خمشی ویژه فولادی به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که عمده رفتار غیر الاستیک آن‌ها در تیرها و در نزدیکی یا داخل اتصالات تیر به ستون به وجود آید. بسیاری از موارد این رفتار غیر الاستیک می‌تواند در فاصله‌ای تقریباً برابر عمق تیر یا کمی بیشتر، از بَر ستون متمرکز شود.

نظر به امکان به وجود آمدن کرنش‌های غیرالاستیک بزرگ در این نواحی، هرگونه ناپیوستگی مصالح فولادی تیر می‌تواند نقطه آغاز شکست این مفاصل پلاستیک باشد. جهت جلوگیری از به وجود آمدن چنین آسیب‌هایی، AISC 341 الزام می‌دارد که از هرگونه ناپیوستگی در این نواحی تا حد ممکن احتراز شود.

روش‌های زیر جهت حفاظت این نواحی در سیستم قاب خمشی هست.

اتصال مستقیم تیر با مقطع کاهش‌یافته  (RBS)

به‌عنوان‌ مثال ناحیه حفاظت‌شده یک تیر با مقطع کاهش‌یافته RBS (Reduce beam section) را در شکل زیر ملاحظه می‌نمایید. به‌عنوان‌مثال اگر در این حالت تیر در نقش فیوز سازه‌ای عمل کند و یا اگر طراح ملزم دانست که در این مقطع از مهاربند استفاده شود برای عملکرد هرچه بهتر عضو فیوز سازه‌ای باید از هرگونه اتصال در این ناحیه (ناحیه حفاظت‌شده) جلوگیری کنیم.

 

 

در شکل زیر یک نمونه اتصال اشتباه در ناحیه محافظت‌شده تیر (RBS) مشاهده می ­کنید که در ناحیه‌ی حفاظت‌شده‌ی اتصال، جوشکاری انجام شده است.

 

اتصال‌دهنده‌های برشی

یکی از موارد رعایت ناحیه حفاظت‌شده که AISC 341 به آن اشاره می‌کند، اتصال‌دهنده‌های برشی است، مانند همان گل‌میخ‌هایی که برای سقف‌های کامپوزیت بکار می‌روند.

در آزمایش‌های مختلف شکست این اتصال‌دهنده‌های برشی که دال بتنی و عرشه فولادی را به تیر قاب خمشی فولادی ارتباط می‌دهد، مشاهده شده است.

در این قسمت استفاده از اتصال‌دهنده‌ها و جوش‌های با مقاومت بالاتر برای رفتار کامپوزیتی دال می‌تواند قابل‌قبول باشد. همچنین برای رفع این مشکل ACI 341 الزام می‌دارد که موقعیت و ابعاد تمامی قسمت‌های محافظت‌شده می‌بایست بر روی نقشه‌های سازه‌ای، ساخت و اجرا مشخص شوند. با رعایت موارد ذکرشده در بالا می‌توانیم از اتصال فیوز سازه‌ای به تیر طبقه اطمینان حاصل کنیم.

در دو شکل زیر قابل‌مشاهده است که ناحیه حفاظت‌شده، (که در آن ناحیه از اتصال هرگونه فیوز سازه‌ای، تیر، مهاربند و … به‌جز پلیت­هایی جهت اتصال تیر به ستون باید خودداری کنیم)، طول این ناحیه (ناحیه هاشور خورده) به‌اندازه 83 درصد عمق تیر متصل به ستون در نظر گرفته می‌شود.

 

اتصال مستقیم تیر به ستون با اتصالات پیچی

در اتصال تیر به ستون با اتصال پیچی و ورق بالاسری و پایین سری (به‌صورت نبشی و یا ورق لچکی)، ناحیه حفاظت‌شده از فرمول زیر قابل محاسبه هست:

(Protected zone: min (s, d, bf

که در آن:

S: طول نبشی

d: ارتفاع تیر

bf: عرض بال تیر

 

 

 

اتصال مستقیم تیر به ستون با اتصالات پیچی قوی

در شکل زیر ناحیه حفاظت‌شده برای قاب خمشی قوی نشان داده شده است و چون تیر در این اتصال عضو تسلیم‌شده نیست، ناحیه حفاظت‌شده شامل محل اتصال تیر به ستون و بال تیر و محل برش جان تیر هست.

 

ب: مهاربند همگرا

محل وصله مهاربند فقط نبایستی در محل تشکیل مفصل باشد.

درواقع در مکان‌های حفاظت‌شده بایستی از ایجاد وصله خودداری نمود.

طبق مبحث دهم بند 10-3-2-2، در مهاربندهای ویژه همگرا، کل طول مهاربند به‌عنوان طول حفاظت‌شده تلقی می‌گردد. در AISC341، مطابق شکل زیر، مکان‌های نشان داده شده را به‌عنوان نواحی حفاظت‌شده تلقی نموده و در آن‌ها وصله مجاز نیست.

همان‌طور که در شکل زیر مشخص است، در مهاربندهای ضربدری ناحیه حفاظت‌شده ناحیه‌ای که به‌صورت شطرنجی نشان داده شده است فاصله بین انتهای اتصال در محل ضربدری و انتهای عضو مهاربندی در نظر گرفته می‌شود که در آن اتصال مجاز نیست.

 

پ: مهاربند واگرا

برخلاف مهاربندهای همگرا، محدودیتی برای مکان وصله در این مهاربند وجود ندارد و برای تیرهای پیوند قاب‌های مهاربندی‌شده واگرا، تمام طول آن به‌عنوان طول محافظت‌شده در نظر گرفته می‌شود؛ لذا تیر پیوند به‌عنوان فیوز سازه‌ ای ایفای نقش خواهد کرد.

همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است ناحیه شطرنجی به‌عنوان ناحیه حفاظت‌شده در مهاربند واگرا در نظر گرفته می‌شود، این فاصله به‌اندازه عرض مهاربند از محل اتصال از دو طرف و به طول یک‌چهارم طول کل مهاربند از وسط در نظر گرفته می‌شود.