رفتار لرزه ای قابهای خمشی فولادی ویژه

از آنجایی که زلزله های بسیار شدید، دوره بازگشت طولانی دارند و حتی ممکن است یک سازه در طول عمر خود چنین زمین لرزه هایی را تجربه نکند، بنابراین طراحی ساختمانها در برابر این زلزله های بزرگ طوریکه سازه دچار آسیب نگردد، غیر عملی و غیر اقتصادی خواهد بود. رویکرد آیین نامه ها در این مورد جلوگیری از فروریزش سازه ها است، در حالی که آنها می توانند دچار آسیبهای سازه ای و غیر سازه ای گسترده ای شوند.

رفتار غیر الاستیک در سازه های فولادی ویژه با تشکیل مفاصل پلاستیک در گره های تیر به ستون و در تکیه گاه ستونها اتفاق می افتد. مفاصل پلاستیک نیز از تسلیم خمشی تیرها و ستونها و تسلیم برشی چشمه های اتصال شکل می گیرد. البته علاوه بر این رفتارها می بایست مدهای گسیختگی دیگری را نیز در طراحی این سازه ها در نظر گرفت که برخی از آنها لزوما در زلزلهای پیشین مشاهده نشده اند شامل موارد زیر: (البته در اینجا منظور تنها مدهای گسیختگی خود قاب است و نه المانهای دیگر مانند دیافراگم و فونداسیون).

رفتار تیرها: انتظار میرود که تیرها متحمل چرخش غیرالاستیک بزرگی در نواحی مفاصل پلاستیک شوند که ممکن است در انتهای تیرها قرار گیرند. مدهای گسیختگی می تواند کمانش موضعی بیش از حد و کمانش جانبی پیچشی را نیز شامل شود. هر مد به تنهایی و ترکیب آنها، منجر به کاهش مقاومت و سختی مداوم شده و هزینه های زیادی را برای تعمیرات پس از زلزله ایجاد خواهد کرد.

اتصالات تیر به ستون: اتصالات می بایست ظرفیت انتقال لنگر و برشی که در تیر به ستون بوجود می آید را داشته باشند. نکته حائز اهمیت اینست که در بدلیل اضافه مقاومت مصالح و اثر سخت شوندگی کرنشی، این لنگر و نیروی برشی می توانند به صورت قابل توجهی بزرگتر از نیروهای بدست آمده از آنالیز باشند. بر اساس نوع اتصالی که به کار برده می شود میتواند هر یک از مدهای گسیختگی زیر را ایجاد نماید:

• شکست خود جوش یا اطراف آن
• شکست در فلز پایه که کرنش زیادی پیدا کرده است
• شکست در حفره های دسترسی جوشها
• شکست در مقطع خالص حفره بولتها، گسیختگی کششی و برشی بولتها، گسیختگیهای برش قالبی و حد تحمل بولت

رفتار چشمه اتصال: چشمه اتصال در برابر نیروهای برشی قابل توجه ناشی از قاب بندی تیرها در ستون مقاومت می کنند، که به عنوان بخشی از ستون عمل کرده و بنابراین می تواند تحت تنشهای فشاری بالایی قرار گیرد. مدهای گسیختگی بالقوه شامل کمانش برشی و در صورت استفاده از ورقهای دوبل در چشمه اتصال، شکست در جوشها است. مدهای گسیختگی مرتبط با انتقال مستقیم نیروها از بال تیر به ستون می تواند شامل خمش بال، لهیدگی جان و کمانش جان ستون باشد.

رفتار ستونها: یکی از اهداف اساسی طراحی جلوگیری از بوجود آمدن تغییر شکلهای غیر الاستیک در بسیاری از ستونها است، که دلیل آن به حداقل رساندن تاثیرات زیان آور بارهای محوری زیاد بر روی رفتار خمشی و بوجود آمدن مکانیزم در یک طبقه است. 

بدون توجه به ضوابط طراحی تیر ضعیف-ستون قوی که در AISC 341, 9.6 درج شده است ممکن است چرخش غیر الاستیک قابل توجهی در زلزله های بزطگ متحمل شوند. بنابراین کمانش موضعی و کمانش جانبی پیچشی بیش از حد، از مدهای بالقوه شکست خواهند بود که می بایست آنها را به همراه کمانش خمشی خود ستونها در نظر گرفت.

وصله ستون: مدهای شکست در وصله ستونها مشابه همانهایی است که برای اتصال تیر به ستون در بالا بحث شد. شکست وصله های ستون تنها مقاومت خمشی و کششی را کاهش یا حذف نمی کند بلکه توانایی انتقال نیروهای برشی را نیز از بین خواهد برد. از آنجا که ستونهای ثقلی در قابهای خمشی ویژه فولادی تغییر شکل جانبی و نیروهای لرزه ای زیادی را تحمل می نمایند، وصله های ستون در انها نیز تحت اثر چنین شکستهایی قرار خواهند گرفت.

تکیه گاه ستونها: مدهای شکست بستگی به اتصال مابین ستون و فونداسیون دارند. که آنها شامل کشیدگی و در آمدن بولتهای پای ستون، شکست در ورق کف ستون یا در اتصال ما بین ستون با کف ستون و یا کمانش جانبی پیچشی و کمانش موضعی بیش از حد در صورتی که تغییر شکلهای غیر الاستیک در محدوده ای بالای تکیه گاه متمرکز شوند.

اثرات P-Delta :در واقع تقویت نیروهای داخلی و تغییر مکانهای جانبی با عنوان اثرات P-Delta شناخته می شود و هنگامی اتفاق می افتد که سازه همزمان تحت اثر بارهای ثقلی و حرکت جانبی قرار دارد. این اثرات مقاومت و سختی جانبی قاب را کاهش می دهد که ممکن است به محض ایجاد مکانیزم طبقه، سختی تانژانت جانبی موثر منفی ایجاد نموده و منجر به فروریزش گردد.

فروریزش جانبی: فروریزش قاب هنگامی اتفاق می افتد که برش موثر طبقه بدلیل نیروهای داخلی و اثرات P-Delta فراتر از مقاومت برشی طبقه باشد.

طراحی سازه های فولادی خمشی ویژه می بایست به گونه ای باشد که هیچکدام از مدهای شکست بالا در حدی نباشد که سازه نتواند آنها را تحمل کند.