فیوز سازه ای چیست و چگونه عمل می کند؟

به طور کلی در تمامی سیستم‌های مهندسی فیوز قطعه‌ای است که در هنگامی که سیستم متحمل شرایط خارج از وضعیت مجاز خود می‌شود با فدا کردن خود از باقی سیستم محافظت می‌کند. در مهندسی عمران فیوز سازه‌ای یک قطعه یا یک اتصال خاص در یک ساختمان یا سازه است که در هنگام قرار گرفتن در معرض بارهای شدید، مانند بارهای ناشی از تکان‌های زلزله یا وزش باد یا ضربه، تغییر شکل یا شکست پیدا می‌کند. با این تغییر شکل یا شکست این عنصر می‌تواند انرژی وارد شده به ساختمان یا سازه را جذب و تلف کند و از وارد شدن آسیب به عناصر دیگر ساختمان مخصوصا عناصر حیاتی حفاظت کند. یک فیوز سازه‌ای بعد از متحمل شدن نیروهای ناخواسته خارجی می‌تواند به حالت اولیه خود بازگردد و یا دیگر به شکل اولیه خود در نیاید و نیاز به تعویض داشته باشد. اما در هر حالت این فیوز در حفاظت ساختمان یا سازه نقش بسیار مهمی را ایفا می‌کند.

مکان قرارگیری فیوز سازه ای

در یک سازه یا ساختمان فیوزهای سازه‌ای معمولا در نقاط حساس و بحرانی قرار داده می‌شوند. این مکان‌ها نقاطی هستند که در زمانی که ساختمان یا سازه متحمل بارهای نامطلوب می‌شوند میزان استرس و فشار در آن نقاط متمرکز می‌گردد. این مکان‌ها می‌توانند نقاطی مانند محل اتصال تیرها و ستون‌ها، اتصالات توسعه دهنده و دیگر مکان‌های اتصال باشند. مکان‌های صحیح قرارگیری فیوز سازه‌ای در یک ساختمان توسط طراح با استفاده از نرم افزارهای شبیه ساز تعیین می‌گردند.

مواد اولیه به کار رفته در فیوز سازه ای

مواد اولیه به کار رفته برای ساخت فیوزهای سازه‌ای به دقت بر اساس مشخصه مکانیکی مورد نیاز برای کاربرد مربوطه انتخاب می‌شوند. مشخصات مکانیکی مورد نظر سختی، تنش تسلیم، ارتجاع‌پذیری و جذب انرژی و … می‌باشند. مواد اولیه معمول مورد استفاده در فیوزهای سازه‌ای آلومینیوم، انواع آلیاژهای فولاد، آلیاژهای حافظه دار، مواد ارتجاع‌پذیر و … هستند. انواع مختلف فیوزهای سازه‌ای نیازمند استفاده از مواد اولیه مختلف می‌باشند.

شکل فیوز سازه ای

شکل فیوزهای سازه‌ای شامل شکل هندسی و ابعاد آن است. این شکل و ابعاد در زمان پروسه طراحی بر اساس نتایج حاصل از شبیه سازی اعمال بارهای نامطلوب مورد انتظار به گونه‌ای تعیین می‌گردد که فیوز سازه‌ای قابلیت ارائه پاسخ مکانیکی به صورت مطلوب را داشته باشد. در این پروسه ممکن است اشکال و ابعاد مختلف بارها مورد آزمون و بررسی قرار گیرند تا بهترین نوع آن مشخص گردد. علاوه بر پاسخ مکانیکی مناسبی که باید فیوز سازه‌ای داشته باشد، شکل آن باید به گونه‌ای در نظر گرفته شود که در طراحی ساختمان یا سازه قابل اجرا باشد. به این معنی که فیوز سازه‌ای باید با طراحی کلی سازه هماهنگی داشته باشد. بسته به مشخصات شکل و مشخصات مکانیکی در زمان اعمال نیروهای نامطلوب به احتمال زیاد فیوز سازه‌ای به گونه‌ای خاص تغییر شکل پیدا می‌کند. نوع تغییر شکل فیوز سازه‌ای در اثر وارد شدن بار بسیار اهمیت دارد و در انتخاب شکل اولیه فیوز سازه‌ای موثر است.

جذب انرژی

در اثر تغییر شکل فیوز سازه‌ای انرژی جذب می‌کند. این جذب انرژی دقیقا چیزی است که فیوز سازه‌ای برای انجام آن به کار گرفته می‌شود. این جذب انرژی باید به گونه‌ای باشد که پاسخ کلی ساختمان و سازه را در مقابل بار وارد شده به حداقل برساند. از آن گذشته این جذب انرژی باعث جلوگیری از انتشار آسیب به ساختمان یا سازه می‌شود. ممکن است در اثر اعمال باری خاص قسمتی از ساختمان یا سازه آسیب ببیند و فیوز سازه‌ای نتواند از این آسیب جلوگیری کند اما ممکن است نقش بسیار موثری در جلوگیری از انتشار این آسیب به قسمت‌های دیگر ساختمان یا سازه ایفا کند. به عبارت دیگر با جذب انرژی فیوز سازه‌ای علاوه بر محافظت از ساختمان یا سازه در مقابل تخریب از انتشار این تخریب یا آسیب نیز می‌تواند جلوگیری کند.

مکانیزم خرابی ایمن (Fail-Safe Mechanism)

در زمان طراحی فیوزهای سازه‌ای مکانیزم خرابی ایمن بارها بررسی می‌گردد. مکانیزم خرابی ایمن به این معنی است که در صورت خرابی فیوز سازه‌ای آسیبی به سازه اصلی وارد نشود. تخریب فیوز مورد ناخواسته‌ای نیست. در واقع طراحی فیوز سازه‌ای به گونه‌ای است که در زمان اعمال فشارها و بارهای غیرمتعارف فیوز خود را فدا می‌کند و با تخریب خود از باقی سازه یا ساختمان حفاظت می‌نماید. ممکن است به منظور دستیابی به مکانیزم مناسب خرابی ایمن علاوه بر فیوز سازه‌ای اصلی سیستم نیاز به یک سیستم پشتیبان نیز داشته باشد.

فیوزهای سازه‌ای فولادی با مقاومت تسلیم مشخص یکی از اولین و پر‌استفاده‌ترین انواع فیوزهای سازه‌ای است. این فیوزهای سازه‌ای از فولاد با مقاومت بالا ساخته می‌شوند که در مکان‌های مناسب و حساب شده قرار می‌گیرند. در زمان اعمال بارهای غیرمترقبه به سازه یا ساختمان این فیوزها تغییر شکل پلاستیکی پیدا می‌کنند. این تغییر شکل باعث جذب و اتلاف انرژی می‌گردد. این تغییر شکل کنترل شده از انتشار نیروها و بارهای مخرب در قسمت‌های دیگر جلوگیری به عمل می‌آورد. استفاده از این نوع فیوزهای سازه‌ای به طور گسترده‌ای در ایمن کردن ساختمان‌ها در مقابل زلزله مورد استفاده قرار می‌گیرد. لازم به بیان این نکته است که قطعاتی از این فیوزها ممکن است پس از وقوع حادثه‌ای طوری تغییر شکل پیدا کنند که نیاز به تعویض داشته باشند. اما به هر ترتیب تغییر شکل آن‌ها از ساختمان یا سازه در مقابل آسیب‌های بسیار سنگین‌تر محافظت به عمل آورده است.

اتصال‌های شکننده، اتصال‌هایی هستند که به نوعی طراحی شده‌اند که در اثر نیرویی بالاتر از آستانه‌ای خاص گسسته می‌شوند. معمولا ساختار این اتصال‌ها به گونه‌ای است که این گسستگی آنی رخ نمی‌دهد. معمولا قبل از گسستگی اتصال تغییر شکل پیدا می‌کند و در صورت ادامه دار بودن بار یا نیروی مخرب در نهایت گسستگی رخ می‌دهد. این تغییر شکل و گسستگی انرژی وارد شده به سازه را جذب می‌کند و از انتقال ضربه یا شتاب بالا به قسمت‌های دیگر ساختمان جلوگیری می‌کند. طراحی و اجرای این اتصال‌های شکننده به گونه‌ای است که تغییر شکل و گسستگی آن‌ها ایجاد کننده کمترین میزان آسیب‌های جانبی باشد. اتصال‌های شکننده معمولا شامل پیچ و مهره، پرچ یا پین‌های فلزی و یا دیگر اتصال دهنده‌های مهندسی شده هستند.

میرا کننده‌های ویسکوالاستیک، نوآوری جدیدی در عرصه مهندسی عمران هستند که برای کاهش ارتعاشات سازه‌ای و جذب انرژی در هنگام حوادث منجر به بارگذاری ناخواسته بر روی ساختمان یا سازه مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع میرا کنندهها بر طبق تئوری و مفهوم ویسکوالاستیسیتی عمل می‌کنند. این خاصیت توسط موادی ایجاد می‌شوند که در شرایطی مشخصه‌هایی مانند سیال و در شرایط دیگر مشخصه‌هایی مانند جامد را از خود نشان می‌دهند. مواد ویسکوالاستیک مختلفی وجود دارند اما معمول‌ترین آن‌ها شامل پلیمرهای مصنوعی مانند پلی اورتان (Polyurethane)، سیلیکون (Silicone)، یا رزین اپوکسی (Epoxy Resin) می‌باشند. این مواد به گونه‌ای ساخته می‌شوند که مشخصه‌های خواسته شده‌ای را ارائه دهند. میرا کنندههای ویسکوالاستیک به شکل‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند. قاب‌ها و المان‌های سازه ای، پنل‌های برشی و نگه دارنده‌های جداکننده از انواع مختلف میرا کنندههای ویسکوالاستیک هستند. قاب‌ها و المان‌های سازه‌ای پر شده از مواد ویسکوالاستیک در بدنه سازه به کار می‌روند. پنل‌های برشی معمولا بین صفحات فلزی قرار می‌گیرند و در مجموع یک صفحه برشی را ایجاد می‌کنند که می‌توانند در مقابل نیروهای وارده در هر دو جهت عمودی و افقی مخالفت نشان دهند. نگه دارنده‌های جداکننده که در آن‌ها از مواد ویسکوالاستیک استفاده شده است نقش جداسازی سازه از سطح زمین را داشته و در ساخت ساختمان‌های ضد زلزله به کار می‌روند.

این نوع فیوزهای سازه‌ای نیز یکی دیگر از نوآوری‌های مدرن در عرصه صنعت عمران و ساختمان‌سازی است که در سال‌های اخیر در دنیا به کار گرفته شده است. این نوع فیوز سازه‌ای برای ارتقا مقاومت سازه در مقابل بارهای غیرمترقبه علی الخصوص بارهای ناشی از زلزله به کار می‌رود. فیوزهای سازه‌ای آلیاژهای حافظه دار شکلی، بر اساس مفهوم بسیار خاص آلیاژهای حافظه دار عمل می‌کنند. این آلیاژها این قابلیت را دارند که بعد از تغییر شکل در اثر نیروهای وارده به شکل اولیه خود بازگردند. این بازگشت به حالت اولیه در این مواد معمولا توسط عوامل محرکی مانند گرما یا فشار صورت می‌گیرد. معمول‌ترین آلیاژ حافظه دار مورد استفاده در فیوزهای سازه‌ای نیتینول (Nitinol) که یک آلیاژ از نیکل و تیتانیوم می‌باشد، است. فیوزهای سازه‌ای آلیاژ حافظه دار، تحت فشار و در شکلی خاص تولید می‌شوند. این آلیاژها توانایی تغییر فاز دارند. به طور مثال نیتینول دارای دو فاز مارتنسیت (Martensite) و آستنیت (Austenite) است. در دمای پایین و تحت فشار مکانیکی فیوز سازه‌ای آلیاژ حافظه دار در فاز مارتنسیت است که می‌تواند تغییر شکل پیدا کرده و متفاوت با شکل اولیه خود باشد. اما اگر این فیوز سازه‌ای تا بیشتر از یک آستانه دمایی گرم شود آلیاژ حافظه دار تغییر فاز پیدا می‌کند و به فاز آستنیت می‌رود و به شکل و ترکیب اولیه خود بر‌می‌گردد. تغییرات شکلی که فیوز سازه‌ای آلیاژ حافظه‌ای در فاز مارتنسیت از خود نشان می‌دهد می‌تواند باعث اتلاف انرژی وارد شده به سازه گردد. اما در اثر افزایش دما توسط یک منبع خارجی، فیوز سازه‌ای به شکل اولیه خود بر‌می‌گردد. فیوزهای سازه‌ای آلیاژهای حافظه دار می‌توانند به شکل‌های مختلف ساخته شوند. بسته به نوع سازه می‌توان از اشکال مختلف آن‌ها استفاده کرد. معمولا از میله‌ها و مفتول‌های از جنس آلیاژهای حافظه دار در عناصر سازه‌ای مانند ستون‌ها، قاب‌ها و اتصالات استفاده می‌گردد.

این نوع فیوزهای سازه‌ای یکی از پر‌استفاده‌ترین فیوزهای سازه‌ای هستند. این فیوزهای سازه‌ای بر اساس مفهوم اتلاف انرژی در اثر جریان کنترل شده سیال کار می‌کنند. عملکرد مناسب فیوزهای سازه‌ای مستقیما وابسته به خاصیت ویسکوزیته سیال مورد استفاده آن است. در این قطعات از روغن‌های هیدرولیک با ویسکوزیته بالا استفاده می‌شود. ساختار فیوزهای سازه‌ای میرا کننده مایع ویسکوزی اغلب به صورت استوانه‌هایی شامل پیستون محتوی روغن‌های هیدرولیک است. در زمان اعمال نیروهای نامطلوب پیستون در داخل استوانه حرکت می‌کند. روغن داخل استوانه در اثر ویسکوزیته ذاتی که دارد با حرکت پیستون مخالفت می‌کند و در مقابل حرکت آن اصطکاک ایجاد می‌کند. این اصطکاک باعث تلف شدن انرژی نامطلوب و تبدیل آن به گرما در این میرا کننده‌ها می‌شود. نیروی مخالفت کننده تولیدی توسط این میرا کننده‌های ویسکوزی متناسب با سرعت حرکت پیستون است. در نتیجه این نوع فیوزهای سازه‌ای مخالفت بسیار مناسبی در مقابل ارتعاشات و حرکت‌های با شتاب بالا ایجاد می‌کنند. به طور کلی نیروی مخالفت کننده این نوع فیوزهای سازه‌ای وابسته به ویسکوزیته روغن به کار رفته در آن‌ها و اندازه استوانه و پیستون میرا کننده است.

بالا بردن دوام و مقاومت سازه

استفاده از فیوزهای سازه‌ای مشخصا باعث دوام و مقاومت بالاتر سازه در مقابل نیروهای نامطلوب می‌شود. با وجودی که اجرای فیوزهای سازه‌ای نیاز به ملاحظات خاص خود دارد اما کاربردهایی وجود دارد که دوام و مقاومت بالای سازه آن قدر اهمیت دارد که استفاده از این المان کاملا منطقی به نظر می‌رسد.

کاهش آسیب‌های وارده به سازه و ساختمان

در بسیاری از موارد با وجودی که فیوزهای سازه‌ای نتوانسته‌اند یک ساختمان یا سازه را از آسیب به طور کامل در امان نگه دارند، با این وجود میزان این آسیب و خسارت را به شکل چشم‌گیری کاهش داده‌اند. فیوزهای سازه‌ای با فدا کردن خود به طور قابل ملاحظه‌ای آسیب وارده به ساختمان یا سازه را کم می‌کنند. این مساله خود باعث کاهش چشم‌گیر هزینه‌ها، زمان و انرژی می‌گردد.

طراحی انعطاف‌پذیر

در سازه‌ها و ساختمان‌های مختلف نیاز به اشکال مختلفی از محافظت وجود دارد. یکی از مشخصات خوب فیوزهای سازه‌ای این است که می‌توانند به شکل‌های مختلف، با طرح‌های متفاوت برای کاربردهای گوناگون طراحی شوند. همان طور که گفته شد انواع مختلفی از فیوزهای سازه‌ای وجود دارند. در نتیجه برای هر نوع کاربرد می‌توان از نوع فیوز سازه‌ای مناسب با کاربرد مربوطه استفاده کرد.

گستره کاربرد فراوان

از سازه‌های عمرانی مختلف گرفته تا ساختارهای مکانیکی مختلف می‌توان از فیوزهای سازه‌ای محافظ استفاده کرد. به واسطه‌ای که عملکرد فیوزهای سازه‌ای بر اساس قوانین ساده مکانیک است می‌توان از آن‌ها در کاربردهای گوناگون استفاده کرد. ساختمان‌های بلند و مرتفع، پل‌ها، سازه‌های صنعتی، تونل‌ها و دیگر زیرساخت‌ها، انواع مختلفی از کاربردهای مختلف فیوزهای سازه‌ای هستند.

هزینه اجرای اولیه

از آنجایی که فیوزهای سازه‌ای نسبتا المانی نو در صنعت عمران است در مواردی قیمت تمام شده اجرای آن‌ها ارزان نیست. این قیمت بالا هم می‌تواند به دلیل استفاده از مواد اولیه خاص و تکنولوژی نسبتا بالای المان‌های به کار رفته باشد و هم به واسطه نیاز به فرد متخصص در اجرا و نصب فیوز سازه‌ای باشد. به هر ترتیب در حال حاضر اجرای این المان ارزان نمی‌باشد. اما در کاربردهای خاصی صدمات ناشی از زلزله یا عوامل نامطلوب می‌تواند صدها یا حتی هزاران بار پرهزینه‌تر تمام شود. در نتیجه استفاده از این المان‌ها در بعضی از کاربردها به صورت یک ضرورت در آمده است.

تعمیر و نگهداری

فیوزهای سازه‌ای نیاز به مراقبت و تست دوره‌ای دارند تا از عملکرد صحیح مستمر آن‌ها اطمینان حاصل شود. این تعمیر و نگهداری در فیوزهای سازه‌ای مختلف متفاوت است. این عمل ممکن است شامل مانیتور کردن وضعیت المان برای مدتی خاص، تعویض قطعاتی از فیوز سازه‌ای یا تعمیر قطعه‌ای از آن باشد. مطمئنا این عمل باید توسط کسی انجام شود که در زمینه فیوز سازه‌ای به کار رفته تخصص لازم را دارد. معمولا شرکت‌های سازنده یا اجرا کننده این نوع المان‌ها، سرویس‌های تعمیر و نگهداری دوره‌ای را بعد از اجرا ارائه می‌دهند که شاید استفاده از سرویس این شرکت‌ها منطقی‌ترین گزینه برای تعمیر و نگهداری فیوزهای سازه‌ای به حساب آید.

پیچیدگی طراحی

همان طور که گفته شد تاریخچه استفاده از فیوزهای سازه‌ای به صورت تجاری قدمت زیادی ندارد و جزو نوآوری‌های مدرن در صنعت عمران به حساب می‌آید. به واسطه تکنولوژی ساخت بالا، این قطعات می‌توانند ارائه دهنده محافظت بسیار مناسبی از ساختمان یا سازه باشند. اما در عین حال این پیچیدگی تکنولوژیک معایبی نیز دارد. گذشته از این که پیچیدگی طراحی باعث می‌شود نصب و اجرای این المان‌ها نیاز به فرد متخصص داشته باشد، تعمیر و نگهداری این قطعات را نیز مشکل‌تر می‌کند. رسیدگی و اطمینان از روند کار صحیح فیوزهای سازه‌ای چیزی نیست که حتی فردی که تجربه فراوانی در زمینه‌های دیگر ساختمان دارد بتواند به راحتی انجام دهد. اجرا و تست این المان‌ها نیازمند بهره بردن از فرد متخصص در زمینه همان نوع فیوز سازه‌ای دارد. بنابراین این پیچیدگی می‌تواند به عنوان یک عامل منفی نیز به حساب آید.

عمر محدود

مانند قسمت‌های دیگر یک ساختمان فیوزهای سازه‌ای نیز می‌توانند در طی زمان دچار کاهش کیفیت عملکرد شوند. به عبارت دیگر فیوزهای سازه‌ای نیز مانند یک ساختمان عمر مشخصی دارند. بعضی از انواع فیوزهای سازه‌ای به واسطه ساختار و مواد اولیه به کار رفته در آن‌ها ذاتا عمر بیشتری دارند اما به هر حال تمام فیوزهای سازه‌ای پس از مدتی ممکن است نیاز به تعویض داشته باشند. البته تعویض فیوزهای سازه‌ای علی الخصوص بعضی از انواع آن‌ها به سادگی قابل انجام نیست. خوردگی، تجزیه شیمیایی، خستگی مکانیکی و دیگر تغییرات فیزیکی و شیمیایی می‌توانند باعث اتمام عمر فیوز سازه‌ای باشند. لازم به این یادآوری است که تعمیر و نگهداری دوره‌ای و منظم این عمر را می‌تواند به شکل چشم‌گیری افزایش دهد.