بادبند چیست؟ انواع، فواید و عملکرد سیستم مهاربندی

سیستم بادبند یا مهاربندی (Cross Bracing) مجموعه‌ای از چند عضو است که جهت استحکام و پایداری سازه ساختمان در برابر نیروهای افقی ناشی از زلزله مورد استفاده قرار می‌گیرد. بادبندها از مهمترین جنبه‌های طراحی سازه‌های فولادی برای نیروهای جانبی در جهت افزایش سختی ساختمان هستند. تحلیل نقش بادبندها با در نظر گرفتن ظرفیت اتلاف انرژی به عمل لرزه‌ای و تغییر شکل‌شان تعریف می‌شود. هر ساختمان، صرف نظر از اندازه و ابعاد، باید قادر به مقاومت در برابر بارهای جانبی پیش‌بینی شده زلزله و باد برای جلوگیری از فروپاشی کلی سازه باشد؛ با ویکی ساختمون همراه باشید.

سازوکار بادبندها

نیروهای عرضی معمولاً به دلیل زلزله و باد ایجاد می‌شوند. اکثر طرح‌های ساختمانی این نیروها را در نظر گرفته و با استفاده از روش‌ها و تکنیک‌های مختلف، مقاوم‌سازی‌های لازم را انجام می‌دهند؛ بادبند یکی از آنها است.

نیروهای بادی و زلزله که بر فونداسیون ساختمان اثر می‌گذارند، باعث حرکت عرضی سازه می‌شوند. بنابراین، برای مقابله با این نیروها و ایجاد استحکام لازم، ساختمان‌های فلزی نیاز به بادبند دارند.

بادبندها شامل میله‌های فولادی یا کابل‌ها و یا تیرآهن‌ها (معمولاً نبشی یا ناودانی) هستند، که بر حسب نوع مورد نظر در قاب اطراف سازه قرار داده می‌شوند. در ساختمان‌هایی که دارای چندین دهانه هستند، از مهاربندی، اغلب در دهانه بزرگ‌تر در کلیه طبقات همان دهانه استفاده می‌شود. مهاربند را می‌توان حتی در دهانه اول و آخر در هر طبقه طراحی کرد.

اعضای بادبند، بار را در یک انتها دریافت می‌کنند و آن را به قاب بعدی منتقل می‌کنند تا بار در سراسر قاب‌ها توزیع شود. بادبندها همچنین در مقابل کشش نیز مقاومت می‌کنند، زیرا در نقاط تلاقی خود با استفاده پیچ و مهره یا جوش به محل مورد نظر دوخته شده‌اند.

سیستم بادبند باید ساختار را از حرکت عرضی در امان نگه دارند (همچنین نیروهای بالابری باد اضافه نیز در پشت بام وجود دارد که با یک مؤلفه ساختاری متفاوت طراحی می‌شود). فعالیت لرزه‌ای باعث می‌شود زمین در زیر ساختمان به صورت افقی و یا عمودی شتاب بگیرد و نیروهایی را در مکان‌هایی با جرم متمرکز شده ایجاد کند. اینرسی ساختار را از حرکت باز می‌دارد و شرایطی مشابه دمیده شدن باد در مقابل دیوار را ایجاد می‌کند.

از آنجا که باد و نیروی زلزله از هر جهت ممکن است به وجود آید، همه قاب‌ها در دهانه بیرونی در 4 جهت باید در صورت لزوم با بادبند مناسب مقاوم‌سازی شوند. ساختار باید در برابر پیچ خوردگی، فشار، برش، خمش و بلند شدن مقاومت کند. ساختمان‌های کوچک‌تر فقط به عملکرد دیافراگم تیرها و سقف احتیاج دارند. از طرف دیگر ساختمان‌های بزرگ‌تر نیاز به تقویت اضافه در قالب مهاربندی را دارند.

انواع بادبند

برای تثبیت سازه‌ها در برابر نیروهای افقی دو سیستم مهاربندی به نام‌های مهاربندی عمودی و مهاربندی افقی وجود دارد.

• مهاربند قائم: مهاربندی که بین ستون‌ها در صفحه عمودی قرار گرفته است تا مسیر بار را برای انتقال نیروهای افقی به زمین ایجاد کند. بیشتر ساختمان‌های فلزی جهت ایجاد مقاومت در برابر پیچ خوردگی در مورد یک محور عمودی نیاز به مهار افقی دارند.
• مهاربند افقی: مهاربندی در هر طبقه مسیری را برای انتقال بار نیروهای افقی به مهاربند عمودی ایجاد می‌کند. هر طبقه برای ایجاد مقاومت نیاز به مهار افقی دارد. همچنین بام هم ممکن است به مهاربند احتیاج داشته باشد.

این دو سیستم مهاربندی خود به تنهایی دارای مدل‌های سازه‌ای مختلفی به شرح زیر هستند:

بادبند مورب منفرد: به این سیستم خرپا یا مثلث نیز گفته می‌شود. بادبند مورب تکی با قرارگیری یک عضو به صورت مورب در داخل قاب، در برابر تنش و نیروهای جانبی مقاومت می‌کند.

بادبند ضربدری: همچنین به عنوان مهاربندی X نیز شناخته می‌شود. از نظر ظاهری دارای دو عضو مورب هستند که در محل تلاقی تیر و ستون تشکیل یک ضربدر را می‌دهند. مقاومت مهار فقط به مقاومت در برابر تنش نیاز دارد، زیرا یک بادبند برای مقاومت در برابر نیروهای افقی در یک قاب بسته به جهت بار عمل می‌کند. کابل‌های فولادی یا تیرآهن های ناودانی یا نبشی اغلب برای این مهاربندی استفاده می‌شوند. این روش فضای موجود در داخل نما یا دهانه را محدود می‌کند و باعث می‌شود بیشترین خمش تیرها در کف ایجاد شود.

بادبند وی شکل (V): دو عضو مورب است که از دو گوشه بالای یک عضو افقی کشیده شده‌اند و در میانه تیر تحتانی شکل V را ایجاد می‎‌کند. بادبند هشتی شکل (8) نیز نوع معکوس این مهاربند است. به محض رسیدن هر دو عضو به ظرفیت مقاومت، بار وارده باید از طریق نیروی خمشی تیر افقی دفع شود.

بادبند کا شکل (K): دو عضو مورب به جای اتصال به هم، تلاقی تیر و ستون در میانه ستون به یکدیگر متصل می‌شوند. این بادبند انعطاف‌پذیری بیشتری را برای دهانه‌ها ایجاد می‌کنند (از نظر قرار دادن پنجره) و تیر افقی با این نوع مهاربند نیروی خمشی کمتری را تحمل می‌کنند. با این حال، بادبند K گزینه خوبی برای مناطق لرزه‌ای فعال نیست، زیرا پتانسیل خرابی ستون نسبت به مدل‌های دیگر بیشتر است.

بادبند برون محور: معمولاً در مناطق فعال لرزه‌ای استفاده می‌شود. این بادبند از دو عضو مورب تشکیل شده است که به جای اتصال به محل تلاقی تیر و ستون، در یک نقطه مرکزی با فاصله‌ای نسبت به یکدیگر، به تیر بالا متصل می‌شوند. فاصله بین دو این عضو، انرژی حاصل از فعالیت لرزه‌ای را از طریق تغییر شکل پلاستیک جذب می‌کند.

نکته: نوع بادبند مورد نیاز برای سازه‌ خاص توسط کد ساختمان محل (کد مربوط به ساختمانی در تهران یا تبریز بر حسب پهنای زلزله) مشخص شده است و به طراحی لرزه‌ای یا سرعت باد بستگی دارد.

فواید وجود بادبند

• با توجه به مهاربندی ساختمان‌ها، جابجایی طبقات و همچنین نیروی محوری و خمشی اضافه در ستون‌ها به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.
• کاهش جابجایی جانبی یک مزیت مهم است. بادبند ضربدری در این حالت نسبت به بادبند V شکل مؤثر است.
• قاب‌های مهار شده با بادبند در مقابل باد و نیروهای لرزه‌ای بسیار بیشتر از ساختمان‌های بدون مهار مقاومت می‌کنند.
• مهاربندی فولادی مقرون به صرفه و آسان برای ساختن است. همچنین فضای کمتری را اشغال می‌کند و از انعطاف‌پذیری بالایی در طراحی برای پاسخگویی به مقاومت و سختی لازم برخوردار است.

اهمیت وجود بادبند در ساختمان

سیستم مهاربندی عرضی، بارهای جانبی را از روی هر یک از قاب‌ها (تیر و ستون) به مهارها منتقل و پراکنده می‌کنند. همین عملکرد به ظاهر ساده، می‌تواند ساختمان را به حدی در برابر زلزله پشتیانی کند که نه تنها تلفات انسانی در کار نباشد، بلکه سازه از فروپاشی کامل نیز دور شود. اهمیت وجود بادبندها در طراحی ساختمان‌های فولادی در کشورهایی همانند ایران (به دلیل زلزله خیز بودن)، به قدری مهم است که ساز و کار تصمیم گیری در صنعت ساختمان باید نهایت دقت و هوشیاری را به خرج دهند.