سیستم های مهاربندی همگرا
سیستمهای مهاربند که گاهی هم بادبند خوانده می‌شوند از جمله اعضایی هستند که به منظور افزایش مقاومت سازه در برابر بارهای جانبی غیرمعمول به کار گرفته می‌شوند. سیستمهای مهاربند در نوع اصلی همگرا و واگرا و بر اساس شرایطی مشخص طراحی و اجرا می‌شوند. در این مطلب از کارگشا به معرفی سیستمهای مهاربندی همگرا و بررسی انواع، رفتار، مزایا و معایب آن می‌پردازیم.
قاب‌های مهاربندی
در یک نگاه کلی، قاب‌های خمشی برای ساختمان‌هایی با طبقات بیشتر از 20 طبقه مناسب نیستند به این علت که مؤلفه رکینگ برش در اثر تغییر شکل خمشی ستون‌ها و شاه‌تیرها باعث می‌شود که دریفت یا رانش طبقات بیش از اندازه باشد. قاب مهاربندی شده با توجه به اینکه به طور تقریبی خمش به وجود آمده ناشی از بارهای جانبی را در ستون‌ها و شاه‌تیرها را حذف می‌کند، باعث بالا رفتن بازدهی قاب‌ها سازه ای می‌شود. این مهم بدان علت است که با افزودن اعضای داخلی هم چون اعضای مهاربندی قطری و شورن، برش افقی توسط این اعضای میان صفحه‌ای تحمل می‌شوند. اعضای مهاری برش افق را عمدتاً توسط نیروهای محوری تحمل می‌کنند بنابراین منجر به کاهش خمش تیرها و ستون‌ها می‌شوند.
رفتار مهاربندها
در بیان ساده، قاب مهاربندی شده به عنوان یک خرپای عمودی در نظر گرفته می‌شود که در برابر بارهای جانبی از طریق سختی محوری ستون‌ها و تیرها، مقاومت می‌کند. ستون‌ها به عنوان یال‌های این خرپا در برابر لنگر‌های واژگونی عمل می‌کنند به صورتی که ستون‌های رو به باد عملکرد کششی و ستون‌های پشت به با عملکرد فشاری خواهند داشت و قطری‌ها به عنوان اعضای جان عمل می‌کنند که بارهای جانبی را به صورت نیروهای محوری فشاری یا کششی تحمل می‌کنند. به این دلیل که بارهای جانبی، نیروهایی متناوب هستند، مهاربندها تحت اثر هر دو بار فشاری و کششی قرار می‌گیرند. به همین دلیل، آن‌ها با توجه به ضوابط سخت‌گیرانه‌تری که در فشار کنترل کننده هستند، طراحی می‌شوند. در خصوص انواع سیستم های مهاربند می توانید مقاله «بررسی انواع سیستم های مهاربندی» را مطالعه کنید.
هنگامی که یک قاب مهاربندی تحت اثر بارهای جانبی قرار می‌گیرد، بارهای محوری به وجود آمده در ستون‌ها باعث به وجود آمدن تغییر شکل‌های خمشی قاب می‌شود به صورتی که تعقر به سمت پایین است و بیشترین شیب مطابق قسمت اول شکل زیر در قسمت فوقانی وجود خواهد داشت. از سوی دیگر، تغییر شکل‌های محوری قطری‌ها باعث به وجود آمدن تغییر شکل مد برش می‌شود که تعقر آن به سمت بالا و بیشترین شیب در تراز پایه و بالاترین تراز قاب دارای شیب صفر خواهد بود. همین‌طور که در قسمت سوم شکل مشاهده می‌شود، تغییر شکل تغییریافته نهایی ترکیبی از مد‌های خمش و برش خواهد بود به صورتی که تغییر شکل‌های مد خمش حاکم بر تغییر شکل کلی خواهد بود.
نقش اعضای قاب مهاربندی در مقاومت با برش افقی می‌تواند با دنبال کردن مسیر بار در قاب مهاربندی تغییر شکل یافته نشان داده شود. قاب‌های مهاربندی شده در شکل زیر را که تحت اثر یک بار جانبی در تراز فوقانی خود هستند، در نظر بگیرید. در قسمت اول شکل، قطری‌ها در هر طبقه تحت اثر فشار هستند که باعث می‌شوند تا تیرها تحت کشش محوری قرار بگیرند.
در قسمت دوم شکل، نیروهای موجود در مهارها که به انتهای تیرها متصل هستند، با نیروی محوری افقی ناچیز تیرها در تعادل هستند. در قسمت سوم شکل، نیمی از هر تیر در فشار است در صورتی که نیمه دیگر در کشش است. در قاب مهاربندی شده چهارم مهارها به صورت یک در میان در فشار و کشش هستند، در صورتی که تیرها تحت تنش قرار نمی‌گیرند و در نهایت در قسمت آخر شکل، قسمت‌های انتهایی تیر تحت اثر فشار و کشش هستند و کل تیر تحت اثر خمش با انحنای مضاعف است که در شکل با خط‌چین نشان داده شده است. دقت شود که با معکوس شدن جهت بار افقی تمامی واکنش‌ها و تغییر شکل‌های اعضای قاب‌های مهاربندی معکوس خواهد شد.
عملکرد اصلی اعضای قاب بادبندی مقاومت در برابر بار افقی برشی است. اگر چه که وابسته به حالت پیکربندی و هندسه آن‌ها، به این دلیل که ستون‌ها به صورت محوری تحت اثر بارهای ثقلی تغییر شکل یافته و کوتاه می‌شوند، اعضای قاب مهاربندی می‌توانند نیروهای فشاری عمده‌ای را تحمل کنند. به طور مثال قاب‌های مهاربندی شکل زیر را در نظر بگیرید.
همان‌طور که ستون‌های قاب‌های فوقانی شکل کوتاه می‌شوند، مهارها تحت اثر بارهای فشاری قرار می‌گیرند زیرا که تیرها در هر یک از انتهای مهارها در برابر مؤلفه افقی نیروهای فشاری قطری‌ها به صورت مؤثر مقاومت می‌کنند. در نگاه اول به نظر می‌رسد که این مسئله در قاب شکل سوم نیز صادق است. در صورتی قطری‌های این قاب مهاربندی نیروهای ثقلی مورد توجهی را متحمل نمی‌شوند زیرا که قطری‌ها به طور مثال به گره‌های A و D متصل نبوده و هیچ سه‌گوش سازی در انتهای تیرها به وجود نمی‌آید.
تنها قید افقی در انتهای تیرها توسط مقاومت خمشی ستون‌ها به وجود می‌آید که با در نظر گرفتن رفتار کلی قاب دارای اهمیت کمتری می‌باشند. به طور مشابه، در قسمت آخر شکل تقید عمودی به وجود آمده از سختی خمشی تیر مقدار زیادی است. بنابراین مشابه با حالت قبل، قطری‌ها مقدار قابل توجهی از بارهای ثقلی ر دریافت نمی‌کنند.
انواع مهاربند؛ همگرا و واگرا
قاب‌های بادبندی در کل به دو دسته تقسیم بندی می‌شوند که این دو دسته شامل قاب‌های مهاربندی همگرا (CBF) و قاب‌های مهاربندی واگرا (EBF) می‌شود. برای اطلاع بیشتر از مهاربندهای واگرا می توانید به مقاله «سیستم قاب های مهاربندی شده واگرا» مرجعه کنید. در قاب‌های مهاربندی همگرا، محورهای تمامی اعضا که شامل ستون‌ها، تیرها و مهارها است در یک نقطه تلاقی دارند، به گونه‌ای که نیروهای اعضا از نوع محوری هستند بدون این که لنگر خمشی قابل ملاحظه‌ای در آن‌ها ایجاد شود. از سوی دیگر قاب‌های مهاربندی واگرا، بر خلاف قاب‌های همگرا دارای اعضایی با محور‌هایی همگرا نبوده و محور قطری‌های این اعضای مهاربندی دارای جابه‌جایی است به این دلیل که در قسمت‌های پیش بینی شده‌ای از تیرها خمش و برش ایجاد کنند تا شکل پذیری را افزایش دهند.
مهاربند همگرا چیست؟
با عبور امتداد اعضای تیر و ستون و اعضای مهاربند از یک نقطه، مهاربند همگرا ایجاد می‌شود. این نوع مهاربندها، با عنوان مهاربندهای هم محور نیز شناخته می‌شوند.
طراحی و اجرای مهاربندهای همگرا به طریقی صورت می‌گیرد که طراحی تیرها در قسمت‌های مهاربندی مانند تیرهای معمولی و تحت بارهای ثقلی شکل می‌گیرد. به این طریق در صورت وقوع هر گونه لرزش از جمله زمین لرزه، نیروی قابل توجهی در تیرها ایجاد نخواهد شد. انعطاف پذیری کم این نوع از مهاربندها، قابلیت سازه در تحمل نیروی حاصل از زمین لرزه را کاهش می‌دهد و این موضوع، موجب افزایش نیروی ارتعاشات در ساختمان می‌شود.
انواع مهاربندهای همگرا
مهاربندهای همگرا بر 6 نوع هستند.
- مهاربند ضربدری (X-Bracing)
- مهاربند قطری (Diagonal Bracing)
- مهاربند هشتی (Inverted V- Bracing)
- مهاربند هفتی (V- Bracing)
- مهاربند ضربدری (Split -X)
- مهاربند مهاربند زانویی (K – Bracing)
انواع مهاربند همگرا؛ معمولی و ویژه
از سوی دیگر بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، مهاربندهای همگرا به دو نوه معمولی و ویژه تقسیم بندی شده‌اند. به طور کلی در خصوص مهاربندی‌های همگرای معمولی و ویژه یک ضریب را برای محاسبه نیروی زلزله به عنوان ضریب رفتار در نظر گرفته شده است. این ضریب تابع نوع سیستم باربر جانبی سازه است.
در مهاربندهای همگرای ویژه این ضریب مقدار بزرگ‌تری نسبت به سیستمهای نوع معمولی دارد و این موجب می‌شود نیروی زلزله وارد بر سازه در سیستمهای مهاربندی ویژه، نسبت به سیستمهای مهاربند همگرای معمولی کمتر شود. در نتیجه می‌توان گفت که در سیستمهای ویژه یک قاب سبک‌تر و شکل‌پذیرتر نسبت به سیستم معمولی خواهیم داشت که رفتار انعطاف‌پذیرتری از خود در زلزله نشان می‌دهد. در هر صورت در سیستمهای مهاربند همگرای ویژه، رفتار فرا ارتجاعی یعنی خارج از ناحیه الاستیک بیشتری از اعضا انتظار داریم.
در صورتی که در سیستمهای مهاربند همگرای معمولی در ناحیه الاستیک باقی می‌مانند. به عبارتی در سیستم مهاربندی ویژه ما به اعضای مهاربندی اجازه می‌دهیم وارد ناحیه پلاستیک شوند. در واقع در سیستمهای مهاربند همگرای ویژه، مهاربندها باید نقش یک عضو شکل‌پذیر را داشته باشند و مثل یک فیوز عمل کنند تا سایر اعضای قاب مهاربندی یعنی تیرها و ستون‌ها در ناحیه الاستیک باقی بمانند. به همین علت سیستمهای مهاربند همگرای ویژه استهلاک انرژی بیشتری نسبت به سیستمهای مهاربند همگرای معمولی دارند. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در این مورد به صورت زیر توضیح داده است. به طور خلاصه دو نوع مهاربند معمولی و ویژه در سه مورد زیر با یکدیگر تفاوت دارند.
- در به دست آوردن نیروی زلزله در طراحی
- تفاوت در مقدار استهلاک انرژی
- تفاوت‌ها در رفتار‌های فرا ارتجاعی
رفتار مهاربند همگرا چگونه است؟
مهاربندهای همگرا در محدوده خطی و شرایطی که نیروهای ناشی از زلزله در محدوده الاستیک بوده، بسیار ساده است اما در شرایطی که سازه وارد محدوده غیر الاستیک خود می‌شود، مهاربند رفتار هیسترزیس پیچیده‌ای داشته و رفتار نامتقارن در کشش و فشار از خود نشان می‌دهد و به طور متناوب و تکراری تحت دوران در لولای پلاستیکی بوده که بر اثر کمانش در فشار و تغییر طول پلاستیک بعد از تسلیم در کشش، به وجود می‌آید.
بهترین محل اجرا و نصب مهاربند همگرا
با در نظر گرفتن اصول معماری، بهترین محل برای استقرار مهاربندها، هسته‌های سرویس یا آسانسورهاست که در این محل‌ها ممکن است قطری‌ها توسط دیوارهای دائمی احاطه شود. مهارها ممکن است به یکدیگر اتصال یابند تا یک شبکه بسته یا نیمه بسته سه بعدی را تشکیل دهند تا بتوانند به صورت بسیار کارآمد در برابر بارهای پیچشی مقاومت کنند. در این خصوص مقاله «محل مناسب قرارگیری مهاربند ها در سازه» می تواند به شما کمک کند.
نحوه اجرای صحیح مهاربند همگرا
مطابق با شکل فوق، هر یک از پیکربندی‌ها معقول مهاربندها که در یک یا چند دهانه قرار گرفته باشند ممکن است برای مقاومت در برابر بارهای جانبی طراحی شوند. اگر چه دسترسی به ارتفاع مناسب برای مهاربندی یک ملاحظه برجسته است. به عنوان یک راهنمای مقدماتی، نسبت ارتفاع به عرض برای یک سیستم کارآمد مهاربندی باید بین 8 الی 10 قرار گیرد. به طور کل قاب‌های مهاربندی با در نظر گرفتن ملاحظات مالی مصالح، ساخت و نصب نسبت به سیستمهای قاب خمشی، سیستم اقتصادی‌تری محسوب می‌شوند.
مزایای مهاربند همگرا
- سختی بالای سیستم
- کنترل شدن تغییر مکان جانبی سازه تا حد زیاد به دلیل سختی زیاد سیستم مهاربندی
- طراحی به نسبت ساده و عدم نیاز به نیروی تخصصی برای اجرا آن
معایب مهاربند همگرا
- ایجاد محدودیت از نظر معماری برای ایجاد بازشوهای مانند تعبیه درب و پنجره به ویژه در مهاربندهای نوع ضربدری و قطری
- شکل پذیری پایین‌تر نسبت به مهاربند واگرا
- قابلیت جذب و استهلاک کمتر انرژی زلزله نسبت به مهاربند واگرا به دلیل شکل پذیری پایین‌تر
سخن آخر
مهاربندها انواع مختلفی دارند. همگرا و واگرا دو نوع اصل این اعضا در ساختمان‌ها هستند که نقش مهمی در افزایش مقاومت ساختمان در برابر نیروهای غیرمعمول ایفا می‌کنند. در این مقاله به بررسی کامل مهاربندهای همگرا، انواع، مزایا و معایب هر یک پرداخته شد. خوشحال خواهیم شد، نظرات و پرسش‌های خود را در بخش دیدگاه با ما در میان بگذارید.
تازه با این سایت آشنا شدم. خیلی سپاسگزارتان هستم. در باره زلزله خیلی استفاده کردم. انشاالله از مطالب دیگر هم استفاده خواهم کرد. صلوات بر امواتتان و سلامتی دست اندرکاران. خیل خبلی ممنونتان هستم.