صفر تا صد انواع مهاربند یا بادبند و مروری بر مهم‌ترین نکات اجرایی
مهاربند یا بادبند که در سازه‌های فولادی کاربرد گسترده‌ای دارد به‌منظور مقاوم‌سازی سازه فلزی در مقابل نیروهای جانبی استفاده می‌شود. انواع مختلفی از مهاربند بر اساس نوع سازه و ویژگی‌های بار در ساخت و ساز یک اسکلت فلزی استفاده می‌شود که در این مقاله از پاوان قصد پرداختن مفصل به آن را داریم.
مهاربند یا بادبند چیست؟
یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای مقابله با نیروهای جانبی در سازه‌های فولادی غیر بلند استفاده از انواع مهاربند یا بادبند است. مهاربندها به شکل‌های گوناگونی اجرا می‌شوند. پیکربندی سیستم‌های مهاربندی عموماً از نوع هم مرکز (هم محور) یا خارج از مرکز (برون محور) است.
انواع مهاربندهای هم مرکز سختی سازه را نسبت به قاب خمشی معادل به شدت افزایش داده و تغییر مکان جانبی سازه را محدود می‌نمایند. سیستم مهاربندی برون محور دو ویژگی سختی مناسب جانبی و جذب انرژی بالا را با یکدیگر ترکیب کرده و به کار می‌گیرد.
در سیستم مهاربند برون محور، برون محوری اتصال مهاربندی سبب پدید آمدن لنگرهای خمشی و نیروهای برشی بزرگی در ناحیۀ تیر نزدیک به مهار می‌شود. به این ترتیب، تنش‌های این ناحیه از تیر وارد محدوده غیر ارتجاعی شده و سبب اتلاف انرژی ناشی از زمین لرزه می‌شود. این ناحیه از تیر، پیوند نام دارد.
در سیستم مهاربندی هم محور، بادبندها از محل تقاطع تیر و ستون عبور می‌نمایند و در بعضی از فرم‌های این نوع مهاربندی، محور دو بادبند در یک نقطه مشترک بر روی تیر با هم تلاقی می‌کنند.
این سیستم دارای سختی جانبی بسیار بالایی بوده و به این علت که نیروهای جانبی توسط اعضای به صورت محوری منتقل می‌شوند، سیستمی اقتصادی هستند. مهاربندی هم محور علی رغم سختی بالا و مناسب و نیز سهولت طراحی و اجرا دارای اشکالاتی هم است.
مهم‌ترین این اشکالات از لحاظ معماری ایجاد محدودیت برای اجرای درب‌ها و پنجره‌ها و از نظر سازه‌ای کمانش بادبندها است. کمانش بادبندها منجر به شکل پذیری کم و ظرفیت کم اتلاف انرژی می‌شود. در قاب بادبندی شده برون محور به جای برخورد بادبند به محل اتصال تیر و ستون یا تقاطع محورهای دو بادبند در یک نقطه، با ایجاد یک انحراف، بادبند به تیر متصل می‌شود.
برای آشنایی بیشتر با انواع سازه های صنعتی به مطلب «سازه صنعتی چیست و انواع آن کدامند؟» مراجعه کنید.
قسمتی از تیر که بین تیر و ستون یا بین دو بادبند قرار می‌گیرد، تیر پیوند نامیده می‌شود و به صورت یک فیوز شکل پذیر عمل می‌نماید. در این سیستم تیر پیوند از وارد شدن نیروی بیش از حد به بادبندها و کمانش آن جلوگیری می‌کند.
تیر پیوند با تغییر شکل‌های پلاستیک در مود خمشی یا برشی، مقدار زیادی از انرژی وارد شده را مستهلک می‌نماید. سختی مناسب خاصیت عمده سیستم بادبندی هم محور است. شکل پذیری بالا نیز ویژگی عمده قاب خمشی است. در واقع می‌توان گفت که سیستم بادبندی برون محور ترکیب کننده این دو ویژگی مهم است.
در انواع بادبندهای واگرا پیوندهای کوتاه با قابلیت تغییر شکل‌های پلاستیک در خمش یا برش دارای ظرفیت استهلاک انرژی بالایی هستند. در این سیستم حدود ۵ تا ۱۵ درصد از مصرف فولاد در مقایسه با قاب خمشی شکل پذیر کاسته می‌شود، اما به هر حال سیستم‌های واگرا نیز دارای نقاط ضعفی هستند.
برای نمونه می‌توان گفت که استهلاک انرژی توسط تیر پیوند که بخشی از اعضای اصلی قاب است، انجام می‌شود که در نتیجه تعمیر یا تعویض آن بعد از یک زلزله شدید مشکل و پر هزینه خواهد بود. همچنین به منظور فعال کردن تیرهای پیوند، نیاز به اتصالات صلب در قاب است. از دیگر معایب این سیستم می‌توان به اعوجاج بیش از حد سقف در اثر تغییر شکل‌های زیاد تیرهای پیوند اشاره کرد.
ویژگی‌های اساسی انواع مهاربند
- شکل پذیری محدود است
- نامعینی بالایی ندارند
- مشارکت کلیه اعضای سازه در باربری جانبی فراهم نیست
- دیافراگم‌ها نقش عمده‌تری در رفتار لرزه‌ای ایفا می‌نمایند
- ظرفیت باربری الاستیک زیادی دارند
- در این سیستم‌ها عناصر تعیین کننده رفتار غیر ارتجاعی مهاربندهاهستند
- ستون‌های طرفین دهانه مهاربندی در این سیستم عناصر مقاومتی هستند.
نقش انواع مهاربند در مقاوم سازی سازه‌های فولادی
آشناترین انواع سیستم مهاربندی در سازه‌های فولادی، مهاربندی ضربدری هم مرکز است که با وجود سختی مناسب از لحاظ شکل پذیری و جذب انرژی، عملکرد عمدتاً ضعیفی دارد. از سوی دیگر قاب‌های خمشی (MRF)با وجود شکل پذیری بسیار بالا، از نظر سختی و کنترل تغییر مکان، به هیچ وجه رفتار مناسبی ندارند.
سیستم‌هایی که بر هر دو مشکل فوق غلبه می‌کنند به دو طیف عمده سیستم‌های مهاربندی خارج از مرکز (EBF)و سیستم مهاربندی زانویی (KBF) تقسیم می‌شوند. سیستم مهاربندی خارج از مرکز (EBF)علی رغم شکل پذیری بسیار عالی، سختی نسبتاً مناسب و تسهیلاتی که به لحاظ ایجاد بازشوها ایجاد می‌کند. به دلیل مشکل ترمیم تیر پیوند، پس از یک زلزله شدید و مشکلات طرح و اجرای خود پیوند، نقطه ضعف‌هایی هم دارد.
اما در سیستم مهاربندی زانویی (KBF)، المان مستهلک کننده انرژی، عضو زانویی است که مانند یک فیوز شکل پذیری عمل می‌کند و تشکیل مفاصل پلاستیک محدود به آن است. عضوی که تعویض آن (جهت بهره برداری مجدد از سازه) پس از یک زلزله شدید سهل‌تر و عملی‌تر خواهد بود.
اصولاً در بررسی و مقایسه سیستم‌های مختلف مهاربندی دو معیار عمومی زیر را باید مورد توجه قرار داد.
- در زلزله‌های معمولی که خسارت در آن به صورت غیر سازه‌ای است،سازه باید برای حفظ تغییر شکل‌ها در زیر حدی، دارای سختی کافی باشد.
- شکل پذیری آن به اندازه‌ای باشد که در زلزله‌های شدید، دچار تخریب سیستم سازه‌ای و انهدام عمومی نشود.
استفاده از دو معیار عمومی فوق الگوی ما در بررسی سیستم‌های مختلف و متفاوتی است که می‌توان آنها را به سه دسته عمومی، مهاربندی هم مرکز (Concentrated Bracing Frames) ، مهاربندی خارج از مرکز (Eccentric Bracing Frames) و مهاربندی زانویی (Knee Bracing Frames) تقسیم می‌شود.
مهاربندهای هم مرکز (CBF) چیست؟
مشخصه عمده این سیستم آن است که محورهای خنثی در اعضای مختلف در یک نقطه مشترک تلاقی می‌کنند.
یکی از مهم‌ترین خواص مهاربندی هم مرکز سختی بالای آن است. به همین دلیل معمولاً با افزایش تعداد طبقات و ارتفاع ساختمان و وقتی که استفاده از سایر سیستم‌ها غیر اقتصادی می‌شود این مهاربندی به میدان می‌آید.
مهاربندهای هم مرکز ضربدری علی رغم سختی بسیار بالا و خوبشان و علاوه بر آن سهولت طراحی و اجرا دو اشکال اساسی دارند.
شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی بسیار کم، که عمدتاً به دلیل کمانش کلی یا موضعی عضو فشاری مهاربند و تا حدی ضعف اتصالات مفصلی حاصل می‌شود.
مشکل اول یعنی محدودیت‌های معماری مهاربند ضربدری را بعضی از طراحان با فرم‌های دیگر این نوع مهاربندی از جمله مهاربندی Z (یک طرفه)، مهاربندی V، مهاربندی شورون، مهاربندی K برطرف کرده‌اند.
اما نکته حائز اهمیت این است که فرم‌های متفاوت با فرم ضربدری الزاماتی خاصی را نیز در طراحی ایجاد می‌کند. که در صورت عدم توجه به آن مهاربند و به تبع آن سازه اصلی دچار مسائلی خواهند شد.
در مهاربندی ضربدری معمولاً از اثرات بار ثقلی بر اعضای قطری صرف نظر می‌شود اما در فرم‌های V و K مهارها، تکیه گاه تیری که به آن وصل شده اند خواهند بود و طبعاً باید اثرات بارهای ثقلی را برای آنها در نظر گرفت.
در بادبندهای V و ۸، اگر یکی از اعضا در فشار، کمانش کند، در تیر کف، خیزهای قائم بزرگی در نقطه اتصال مهاری به آن رخ می‌دهد. که نهایتاً موجب گسیختگی تیر می‌شود. بنابراین طراحی تیر باید به گونه‌ای باشد که بتواند نیروهای بزرگ ناشی از مهاری را هم تحمل کند.
عملاً در بادبندهای K و لوزی به علت تغییر مکان وسط ستون لنگرهای اضافی در ستون حتی در ناحیه الاستیک ایجاد می‌شود که ممکن است موجب خرابی شود.
بادبند Z (یک طرفه) را فقط باید موقعی به کار برد که در همان محور در دهانه دیگری بادبند طرف دیگر موجود باشد. مگر آنکه عدم کمانش عضو قطری قابل اطمینان باشد.
در ارتباط با مشکل دوم یعنی شکل پذیری و با توجه به منحنی هیسترزیس نمونه این نوع مهاربند، مشاهده می‌شود که حلقه‌های هیسترزیس بسیار ناپایدار و نامنظم است و مخصوصاً تحت بارهای متناوب دیده می‌شود. که بعد از چند سیکل بر اثر کمانش اعضای فشاری سیستم مهاربندی حتی تا ۵۰ درصد مقاومت خود را از دست می‌دهد. به دلیل ضعف در جذب انرژی و شکل پذیری است که در مناطق زلزله خیز شدید استفاده از این مهاربند به شکل گسترده پیشنهاد نمی‌شود.
در مورد مهاربند هم مرکز برای یک طراحی بهینه، مفصل‌های خمیری ابتدا باید در اعضای قطری ایجاد شوند نه در تیر یا ستون.
در مطلب «سازه های چادری چیست؟ ساخت انواع سازه چادری» با انواع سازه های چادری آشنا شوید.
مهاربندهای خارج از محور (EBF) چیست؟
یکی از مهم‌ترین مزایای این نوع مهاربندها انعطاف پذیری بالای آنها از لحاظ مسائل معماری است. در این سیستم محل اتصال اعضای مهاربند به طور عمد در محل تلاقی تیر و ستون قرار نمی‌گیرد و در نتیجه از پیچیدیگی محل اتصال جلوگیری می‌شود.
در این سیستم قسمتی از تیر که بین عضو قطری تا ستون یا بین دو مهاربند قرار می‌گیرد دارای این خاصیت است که می‌تواند نیروهای مهاربندی را از طریق خود به ستون یا عضو قطری دیگر انتقال دهد و نهایتاً نیروهای متعادلی را به مهاربند وارد سازد.
در واقع پیوند در اینجا مانند فیوزِ شکل پذیری عمل می‌کند و خود مقادیر عمده‌ای از انرژی جانبی را جذب می‌کند. در یک طراحی درست برای سیستم مهاربندهای خارج از محور، این تیر پیوند است که باید با تشکیل مفصل‌های خمیری، تغییر شکل‌های بزرگ غیر ارتجاعی را تحمل کند.
عناصر قطری باید طوری طراحی شوند که حتی در مقابل بارهای جانبی شدید هم کمانش نکنند. به همین علت طول پیوند و کم یا زیاد شدن آن در رفتار سیستم نقش مهمی دارد. با نزدیک شدن محل اتصال به اتصال تیر و ستون (پیوند برشی)، سختی سیستم به مهاربندی هم مرکز (CBF) نزدیک می‌شود و با دور شدن از آن (پیوند خمشی) سختی کمتر شده و در عوض انعطاف پذیری سیستم بیشتر شده و به سیستم به قاب خمشی شبیه می‌شود. سیستم مهاربندهای خارج از محور ترکیب کننده سختی مناسب سیستم مهاربندی هم مرکز (CBF) و شکل پذیری و قابلیت جذب انرژی بسیار خوب سیستم قاب‌های خمشی (MRF)است.
استفاده از قاب‌های مهاربندی شده خارج از مرکز برای مقابله با زلزله این روزها مورد توجه قرار گرفته است. عملکرد شکل پذیری بسیار خوب این سیستم تحت بارهای تناوبی، نسبت مستقیمی با تسلیم برشیِ تیر پیوند دارد. بنابراین در پروسه طراحی تعیین طول بهینه پیوند و فراهم آوردن سخت کننده‌های مناسب برای جان تیر از اساسی‌ترین نکات است.
سیستم مهاربندهای خارج از محور نقاط ضعفی هم دارد که مهم‌ترین آنها عدم قابلیت تعویض تیر پیوند پس از یک زلزله شدید است. چرا که پیوند بخشی از تیر قاب اصلی است که تعویض آن به سهولت میسر نخواهد بود.
علاوه بر ان به منظور فعال کردن ظرفیت استهلاک انرژیِ پیوندهای برشی، المان‌های قطری سنگین، مورد نیاز است که این المان‌های سنگین فقط در هنگام اعمال بارهای جانبی شدید به کار خواهند افتاد.
المان‌های پیوند به دلیل اندازه و محل قرار گیریشان در معرض حالت‌های بسیار پیچیده تنش – کرنش هستند. این امر باعث پیچیده‌تر شدن پروسه تحلیل و طراحی قاب می‌شود. نکته دیگر آن که سیستم به منظور فعال کردن پیوندهای برشی، به اتصالات صلب نیاز دارد. صلب کردن اتصال مسائل و مشکلات خاص خود را به همراه دارد.
کمانش بادبند چیست؟
پدیده کمانش یا چروکیدگی رفتاری است که از عضو تحت فشار سر می‌زند. برای ساده سازی یک ترکه چوب را درنظر بگیرید؛ اگر این ترکه را بطور مستقیم و در راستای خود ترکه تحت فشار قرار دهید نیروی زیادی لازم است تا بتوانید آن را خم کنید.
چون نیرویی که به ترکه وارد می‌کنید از مرکز آن فاصله چندانی ندارد، لنگر خمشی حاصل نیز دارای بازوی کوچکی خواهد بود. ولی همین که ترکه کمی خم شود بازوی لنگر زیاد شده و شما ادامه کار خم کردن را به راحتی می‌توانید انجام دهید.
رخداد انواع کمانش، به محل و جهت اعمال نیرو به جسم، وابسته است. در حالت‌های مختلف این نیرو می‌تواند فشاری، خمشی و یا حتی پیچشی باشد و باعث کمانش بشود. یک استوانه کاغذی را اگر از دو سر بپیچانید دچار چروکیدگی یا همان کمانش می‌شود. پس شکل و فرم کمانش متفاوت است و می‌توان از یک شکم دادن ساده باشد تا چروکیدگی ورق یا پیچ خوردگی و …
در بادبندها نیز به علت رفتار رفت و برگشتی زلزله، تحت فشار و کشش بودن مداوم بادبند، مقاوم بودن آن را در برابر انواع کمانش می‌طلبد. و عموماً این پدیده در بادبندهایی که اصطلاحاً لاغر هستند یعنی طول زیاد یا سطح مقطع کوچک دارند رخ می‌دهد.
انواع کمانش در مهاربندها کدامند؟
کمانش به طور کلی به دوصورت کمانش کلی وموضعی ممکن است رخ دهد.
کمانش کلی عضو یعنی ناپایداری و از بین رفتن عضو تحت اثر تغییر شکل‌های جانبی زیاد ناشی از نیروها یا تنش‌های فشاری در کل عضو که گاهاً ممکن است همزمان با کمانش موضعی عضو صورت گیرد.
کمانش موضعی در اجزای نازک رخ داده و عضو اگر به دلایلی (لنگر خمشی یا نیروی محوری) تحت تنش‌های فشاری قرار گیرد، ناپایدار شده و کمانش می‌کند و در نتیجه قسمتی از نیمرخ خاصیت باربری مناسب خود را از دست داده و به این پدیده کمانش موضعی می‌گویند
پس نتیجه می‌گیریم عضو بادبندی در کل طول خود نباید لاغر باشد؛ همچنین