عمران فایل

انواع بادبند در ساختمان ؛ معرفی ۴ نوع مهاربند به همراه بررسی ضوابط طراحی آنها

مهاربند ها به عنوان یکی از سیستم های باربر جانبی سهم قابل توجهی در مهار کردن نیروهای جانبی دارند اما آیا با انواع بادبند در ساختمان آشنایی دارید؟ تفاوت مهاربند همگرا و واگرا را می دانید؟ با اتصالات بادبند کمانش تاب آشنا هستید؟  عوامل موثر در طراحی مهاربند زانوایی را می شناسید؟

در این مقاله جامع به بررسی و معرفی ۴ نوع مهاربند کاربردی در ساختمان خواهیم پرداخت. اگر پس از مطالعه این مقاله سوالی داشتید حتما در کامنت های همین مقاله مطرح کنید.

فهرست مطالب این نوشته:

  1. انواع سیستم باربرجانبی
  2. انواع بادبند در ساختمان
  3. بررسی قاب های مهاربندی شده همگرا
  4. بررسی قاب های مهاربندی شده واگرا
  5. بررسی قاب های مهاربندی شده زانویی
  6. بررسی قاب های مهاربندی شده کمانش تاب

انواع سیستم باربر جانبی

سازه یک ساختمان برای جلوگیری از خسارات و آسیب های ناشی از نیرو های خارجی وارده به آن از اجزای مختلفی تشکیل شده است تا این بارها را به پی  و سپس به زمین انتقال دهد.

به طور کلی بار هایی که به یک سازه وارد می شوند عمدتا دو دسته هستند:

  • بارهای ثقلی (قائم) ناشی از بار زنده و بار مرده و بار برف و …
  • بار های جانبی (افقی) ناشی از نیروی باد و نیروی زلزله و …

برای انتقال این بار ها در سازه از سیستم های باربر سازه ای استفاده می شود که عبارتند از :

  • سیستم باربر ثقلی شامل عناصر باربر قائم نظیر تیر و ستون به شکل قاب: برای تحمل بار های ثقلی
  • سیستم باربر جانبی شامل عناصر باربر جانبی نظیر مهاربند ها و دیوار های برشی: برای تحمل بار های جانبی

براساس آیین نامه استاندارد ۲۸۰۰، سیستم های باربر جانبی به ۵ دسته کلی تقسیم می شود:

انواع سیستم باربر جانبی

در اینجا می خواهیم به بررسی انواع مهاربند در ساختمان بپردازیم.

انواع بادبند در ساختمان

مجموعه ای از ستون ها و تیر ها و بادبند ها هستند که توسط اتصالات مفصلی به یکدیگر متصل شده اند و برای تحمل نیروهای جانبی در سازه های فولادی به کار می روند. با قرار گیری در تعدادی از قاب‌های ساختمان در هر امتداد و با کمک عملکرد دیافراگم صلب کف سازه می‌توان آن راستا را مهار شده در نظر گرفت. مهاربند ها مانند دیگر اعضای خرپایی، عناصری با باربری عمدتا محوری هستند که تحت بارهای فشاری در معرض کمانش و از دست دادن ظرفیت خود قرار دارند.

بادبند ساختمان

به طور کلی قاب های مهاربندی شده را به ۴ گروه می توان تقسیم بندی کرد:

  • قاب های مهاربندی شده همگرا CBF) Concentrated Bracing Frames)
  • قاب های مهاربندی شده واگرا EBF) Eccentric Bracing Frames)
  • قاب های مهاربندی شده زانویی KBF) Knee Bracing Frames)
  • قاب های مهاربندی شده کمانش تاب (Buckling Restrained Braced Frames (BRBF

✅ 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، دارای سختی کافی باشد.
  • شکل پذیری آن طوری باشد که در زلزله‌های بزرگ، دچار تخریب سیستم سازه‌ای نشود.

مهاربند های همگرا  و واگرا در انواع مختلف خود در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش ۱۳۹۲) پوشش داده شده اند. دقت شود که در آیین نامه های ایران تنها همین دو نوع سیستم مهاربندی معتبر شناخته شده اند، با اینکه در جدول (۴-۳) ویرایش چهارم استاندارد ۲۸۰۰، سیستم مهاربند کمانش تاب نیز آورده شده است.

مهاربند همگرا CBF) Concentrated Bracing Frames)

همان ‌طور که از اسم این نوع مهاربند ها مشخص است، اعضای مهاربندی در یک نقطه همگرا شده و با هم تلاقی دارند. در این گونه سیستم ها، قاب مهاربندی شده مانند خرپا، در برابر بار های جانبی از طریق سختی محوری تیر ها و ستون ها مقاومت می کند و المان های قطری مهاربند نیز نیرو های جانبی وارد بر قاب را به صورت نیروی محوری فشاری (توسط یک المان قطری مهاربند) و نیروی محوری کششی (توسط المان قطری دیگر مهاربند) تحمل می کنند.

انواع مهاربند همگرا :

انواع مهاربند همگرا

مزایای بادبند همگرا:

  • سختی جانبی بالا و در نتیجه کنترل تغییر مکان جانبی سازه تا حد زیاد که همین امر باعث می شود کنترل دریفت را ساده تر کند.
  • طراحی و اجرای آن نسبت به بقیه سیستم ها ساده تر است.
  • به این علت که نیروهای جانبی توسط اعضاء به صورت محوری منتقل می‌شوند، سیستمی اقتصادی تری است.

معایب مهاربند همگرا:

  • از لحاظ معماری: ایجاد محدودیت برای اجرای بازشو ها
  • از لحاظ سازه ای: کمانش مهاربند

در قاب‌ های مهاربندی همگرا، المان‌های مهاربندی وظیفه‌ی تأمین شکل پذیری کلی سازه را بر عهده دارند. اما کمانش کلی یا موضعی عضو فشاری مهاربند منجر به کاهش شکل پذیری می‌شود و کاهش ظرفیت جذب انرژی و دفع نیروی زلزله در آن ها را به دنبال دارد. همچنین باعث بالا رفتن ارتعاش در سازه می گردد. به همین دلیل است که در مناطق با خطر لرزه خیزی شدید استفاده از این مهاربند به شکل گسترده پیشنهاد نمی‌شود.

کمانش بادبند همگرا

در صورتی­ که مقدار بار جانبی زیاد باشد، به ­طوری­ که نیروی فشاری وارد بر عضو مهاربندی (عضو فشاری) از ظرفیت کمانشی عضو بیشتر باشد، در این صورت این عضو فشاری مهاربند، کمانش می­کند. مهاربند ها ممکن است دو نوع کمانش داخل صفحه یا خارج صفحه داشته باشند.

 اما دلایل عمده وقوع کمانش خارج صفحه مهاربند ها چیست؟

  • سختی پایین‌تر ورق اتصال (ورق‌ گاست) در خارج از صفحه، به طوری که اگر نیمرخ مهاربند متقارن باشد، امکان وقوع کمانش بادبند به داخل و خارج از صفحه یکسان می‌باشد، اما اغلب به همین علت، کمانش خارج صفحه راحت تر رخ می‌دهد.
  • وقتی مهاربند در داخل دیوار (میان قاب) قرار می‌گیرد، امکان تغییرشکل داخل صفحه کاهش می یابد (به علت سختی درون صفحه‌ی دیوار)، در نتیجه مهاربند به صورت خارج از صفحه کمانش می‌کند.

به‌طورکلی در صورتی که بخواهیم کمانش به صورت داخل صفحه رخ دهد، لاغری خارج صفحه‌ی مقطع مهاربند باید کمتر از لاغری داخل صفحه باشد تا امکان کمانش داخل صفحه مهاربند فراهم شود. اما توجه کنید که از نظر تأمین شکل‌ پذیری، کمانش داخل صفحه و خارج صفحه تفاوت چندانی با یکدیگر ندارند.

نکته: ضریب لاغری، یکی از فاکتورهای مهم در طراحی است و از نسبت طول مؤثر ستون به حداقل شعاع ژیراسیون مقطع عضو بدست می آید ( λ=KL/r ). به طوری که هرچه لاغری مقطع بیشتر باشد، امکان کمانش آن بیشتر است.

کمانش مهاربند

کمانش داخل صفحه عضو فشاری مهاربند

کمانش بادبند

کمانش خارج از صفحه عضو فشاری مهاربند

برای مشکل اول یعنی محدودیت‌های معماری :

بعضی از طراحان، مهاربند همگرا را با فرم‌های دیگر علاوه بر فرم متعارف ضربدری ارائه داده اند. به عبارتی نقطه همگرای این مهاربندها می تواند روی تیر، روی ستون یا در صفحه قاب باشد و بسته به نقطه تلاقی مهاربند ها نوع مهاربند مشخص می شود (که شکل های مختلف آن در بالا نشان داده شد).

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. به عبارتی در مهاربند ضربدری معمولاً از اثرات بار ثقلی بر اعضای قطری صرف نظر می‌شود درحالی که :

  • در مهاربند های هفتی و K ،تکیه گاه تیری که به آن وصل شده اند به عنوان مهاربند خواهد بود و طبعاً باید اثرات بارهای ثقلی را برای آن ها در نظر گرفت.
  • در مهاربندهای هفتی و هشتی اگر یکی از اعضا‌ در فشار، کمانش کند، در تیر کف، خیزهای قائم بزرگی در نقطه اتصال مهاری به آن رخ می‌دهد که باعث گسیختگی تیر می‌شود. بنابراین طراحی تیر باید به گونه‌ای باشد که بتواند نیروهای بزرگ ناشی از مهاربند را هم تحمل کند.
  • در مهاربندهای 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.
  • مهاربند قطری را فقط باید موقعی به کار برد که در همان محور در دهانه دیگری مهاربند طرف دیگر موجود باشد، مگر آنکه عدم کمانش عضو قطری قابل اطمینان باشد.

اما توجه کنید که در آیین نامه ایران پیکربندی مهاربندی های مجاز در این نوع قاب ها شامل مهاربندی های قطری، ضربدری و هفتی و هشتی می باشند.

( در ادامه به ضوابط آیین نامه می پردازیم)

برای مشکل دوم یعنی شکل پذیری سیستم :

همان‌ طور که می‌ دانیم شکل پذیری پارامتر مهمی در تحمل سازه در برابر یک زلزله بزرگ می باشد. شکل‌ پذیری به معنای توانایی تحمل تغییر شکل‌ های غیر الاستیک توسط یک عضو، بدون کاهش قابل ملاحظه‌ی مقاومت می‌باشد که سبب استهلاک انرژی می‌شود. در اعضای سازه‌ ای شکل‌ پذیری به وسیله‌ی تشکیل مفاصل پلاستیک تأمین می‌شود. در واقع تشکیل مفاصل پلاستیک در اعضای مختلف سبب می‌شود که سایر المان‌های سازه‌ای الاستیک رفتار کرده و دچار آسیب‌ جدی نشوند. از این رو رفتار اعضای شکل‌ پذیرکه به عنوان فیوز سازه‌ ای عمل می‌کنند، از اهمیت دوچندانی برخوردار است.

 اما چه عواملی در رفتار شکل‌ پذیری مهاربند های همگرا موثر است؟

۱) لاغری مهاربند ها :

لاغری باعث کاهش شدید سختی سیستم می شود به طوری که مهاربند سریع تر کمانش می کند. در نتیجه می توان گفت هر اندازه لاغری مهاربند کاهش پیدا کند، اتلاف انرژی آن افزایش می یابد. پس بهتر است برای اتلاف انرژی بیشتر، مهاربند چاق طراحی شود.

۲) شکل مقطع مهاربند ها :

با توجه به تحقیقات انجام شده، بیشترین اتلاف انرژی مربوط به مقاطع لوله‌ ای و پس ‌از آن مقاطع قوطی شکل است. بنابراین با توجه به بحث اجرای مهاربند، استفاده از مقاطع دوبل ناودانی گزینه بسیار مناسبی است.

۳)شرایط انتهایی مهاربند ها :

اگر مهاربند ها به جای اینکه دو سر مفصل اجرا شود، دو سر گیردار اجرا گردد آنگاه در دو انتهای مهاربند لنگر به وجود می آید. در نتیجه به جای تشکیل یک مفصل در وسط مهاربند، سه مفصل پلاستیک که دوتای آن در دو انتهای مهاربند است تشکیل می شوند که همین، عاملی برای افزایش پتانسیل اتلاف انرژی است.

انواع بادبندهای همگرای رایج در ساختمان ها از لحاظ عملکرد :

مهاربند های همگرا در دو فرم با شکل پذیری معمولی  Ordinary Concentrated Bracing Frames (OCBF) و با شکل پذیری ویژه Concentrated Bracing Frames  Special (SCBF) در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و آیین نامه استاندارد ۲۸۰۰ ارائه شده است که محدودیت ها و پارامتر های لرزه ای متفاوتی با یکدیگر دارند.

انواع بادبند همگرا

تفاوت مهاربند همگرا معمولی و همگرای ویژه

  • در بدست آوردن نیروی زلزله در طراحی
  • در مقدار استهلاک انرژی
  • در رفتار های فرا ارتجاعی

قاب های مهاربندی همگرای ویژه، تغییر شکل های فرا ارتجاعی بزرگتری دارند که اعضای مهاربند وارد ناحیه پلاستیک می شوند و بادبندها نقش یک عضو شکل‌ پذیر را دارند و این باعث می شود که بقیه اعضای قاب مهاربندی یعنی تیرها و ستون ها در ناحیه الاستیک باقی بمانند. در حالی که قاب های مهاربندی همگرای معمولی ،ظرفیت تغییر شکل های ارتجاعی کوچکی دارند( کمتر)،پس نیروی زلزله طرح آن ها در شرایط یکسان بزرگ تر است.

ضوابط طراحی مهاربند همگرا معمولی

به طور کلی براساس بند (۱۰-۳-۱۰) از مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در طراحی سیستم های مهاربند همگرای معمولی ضوابط زیر باید در نظر گرفته شود :

  • پیکربندی مهاربندی های مجاز در این نوع قاب ها (براساس بند ۱۰-۳-۱۰-۱ الزامات عمومی مورد (الف) )
  • نحوه توزیع نیروی جانبی برای طراحی (مورد (ب))
  • نوع مقاطع از نظر فشردگی (مورد (پ) )

ضوابط طراحی مهاربند همگرا

  • محدودیت خاص دیگر برای مهاربند های همگرای معمولی از نوع هفتی و هشتی ( براساس بند ۱۰-۳-۱۰-۲ مهاربند های به  شکل ۷ و ۸ ) که عبارتند از :
  1.  حداکثر مقدار ضریب لاغری
  2. نحوه تعبیه سوراخ در جان تیر های دهانه های مهاربندی شده در صورت لزوم
  3. ضوابط مهاربند های هفتی و هشتی در محل اتصال به تیر و دارای خروج از مرکزیت کمتر از ارتفاع تیر
  4. کنترل های خاص برای مقاومت تیرهای دهانه های مهاربندی شده و اتصالات آن ها به ستون

ظوابط طراحی بادبند همگرا

  • محدودیت در مقاومت مورد نیاز جهت طراحی اتصالات مهاربندی ها (براساس بند ۱۰-۳-۱۰-۳ اتصالات مهاربندی ها)

ضوابط طراحی اتصالات مهاربند همگرا

ضوابط طراحی مهاربند همگرای ویژه

به طور کلی براساس بند (۱۰-۳-۱۱) از مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در طراحی سیستم های مهاربند همگرای ویژه ضوابط زیر باید در نظر گرفته شود:

ضوابط طراحی بادبند همگرای ویژه

  • پیکربندی مهاربندی های مجاز در این نوع قاب ها (براساس بند ۱۰-۳-۱۱-۱ الزامات عمومی مورد (الف) )
  • کنترل فشردگی مقاطع (مورد (ب) )
  • نحوه توزیع نیروی جانبی برای طراحی (مورد (پ) )
  • کنترل سهم مهاربند های یک محور در کشش (ضابطه ۳۰-۷۰) –(مورد (ت) )
  • کنترل لاغری مهاربندها و کنترل های لازم برای اتصال دهنده ها (موارد (ث) و (ج))
  • نحوه تعبیه سوراخ در جان تیر های دهانه های مهاربندی شده در صورت لزوم (مورد (چ) )
  • ضابطه مهاربند های هفتی و هشتی در محل اتصال به تیر و دارای خروج از مرکزیت کمتر از ارتفاع تیر (مورد (ح) )
  • کنترل های خاص برای مقاومت تیرهای دهانه های مهاربندی شده (موارد (خ) و (د) )

  • کنترل های خاص برای مقاومت های طراحی تیر ها ، ستون ها و اتصالات آنها در قاب (براساس بند ۱۰-۳-۱۱-۲ تیرها،ستون ها و اتصالات آنها)

طراحی بادبند همگرا بر اساس آیین نامه

  • محدودیت در مقاومت مورد نیاز جهت طراحی اتصالات مهاربندی ها (براساس بند ۱۰-۳-۱۱-۳ اتصال مهاربندی ها )

ضوابط اتصالات مهاربند (بادبند) همگرا

مهاربند واگرا EBF) Eccentric Bracing Frames)

در این سیستم به جای برخورد مهاربند به محل اتصال تیر و ستون یا تقاطع محورهای دو مهاربند در یک نقطه، با ایجاد یک انحراف، مهاربند به تیر متصل می‌شود. 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.

مهاربند واگرا سیستمی است که رفتار سیستم قاب خمشی و سیستم مهاربند همگرا را همزمان داراست. هم به دلیل وجود مهاربند ها سختی جانبی سازه بالا می رود و هم مانند سیستم قاب خمشی رفتار پلاستیک بر عهده ی تیر پیوند است و شکل پذیری و قابلیت جذب انرژی بسیار خوبی دارند.

اتصالات بادبند واگرا

نمونه ای از مهاربند واگرا

در سیستم های EBF هدف طراحی آن است که از تشکیل مفصل پلاستیک روی ستون ها و مهاربندها جلوگیری شود. اساس کار در این سیستم ها بر تشکیل مفاصل پلاستیک در ناحیه تیر پیوند می باشد.

تیرپیوند 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 تیر پیوند در اینجا مانند فیوزِ شکل پذیری عمل می‌کند و خود از وارد شدن نیروی بیش از حد به مهاربندها و کمانش آن جلوگیری می‌کند. به همین علت طول پیوند در رفتار سیستم نقش مهمی دارد. به طوری که با نزدیک شدن محل اتصال به اتصال تیر و ستون (رفتار تیر پیوند برشی است به عبارتی تسلیم از نوع برشی)، سختی سیستم به مهاربندی CBF نزدیک می‌شود. این حالت شکل پذیرترین حالت برای سیستمهای (EBF) است و استفاده از آن مکرراً توصیه می شود. و هم چنین  با دور شدن محل اتصال به اتصال تیر و ستون (رفتار تیر پیوند خمشی است به عبارتی تسلیم از نوع خمشی) سختی کمتر شده و در عوض انعطاف پذیری سیستم بیشتر شده و سیستم به قاب خمشی شبیه می‌شود.

به طور کلی می توان گفت که هرچه طول تیر پیوند کوتاه تر باشد، برش آن افزایش و خمش آن کاهش می یابد و با افزایش طول تیر پیوند بالعکس.

انواع مهاربند واگرا

فرم های مختلف مهاربند واگرا

مزایا بادبند واگرا:

  • سختی جانبی بالایی دارد.
  • شکل پذیری بالایی دارد.
  • 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 پیچیدگی محل اتصال جلوگیری می‌شود.
  • در مهاربند های واگرا پیوندهای کوتاه با قابلیت تغییر شکل‌های پلاستیک در خمش یا برش دارای ظرفیت استهلاک انرژی بالایی هستند. در این سیستم به طور متوسط حدود ۱۰ درصد از مصرف فولاد در مقایسه با قاب خمشی شکل پذیر کاسته می‌شود.

معایب مهاربند واگرا:

  • مشکل ترمیم تیر پیوند: تیر پیوند بخشی از تیر قاب اصلی است و پس از یک زلزله شدید ، تعویض و تعمیر آن به سهولت میسر نخواهد بود و در بیشتر مواقع مستلزم تعویض کامل تیر اصلی است.
  • در سیستم EBF بهتر است اتصال تیر به ستون و المان‌های قطری به تیر، صلب باشد، تا امکان تسلیم و در نتیجه اتلاف انرژی وجود داشته باشد. صلب کردن اتصال نیز مسائل و مشکلات خاص خود را به همراه دارد.
  • سقف های این سیستم در اثر تغییر شکل های بیش از حد تیر های پیوند اعوجاج زیادی دارند.

 

ضوابط طراحی بادبند واگرا

در یک فرم با شکل پذیری ویژه (Special  Eccentric Bracing Frames  (SEBF در  مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و آیین نامه استاندارد ۲۸۰۰ ارائه شده است.

مشخصات بادبند واگرا

به طور کلی براساس بند (۱۲-۳-۱۰) از مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در طراحی سیستم های مهاربند واگرا ضوابط زیر باید در نظر گرفته شود:

ضوابط طراحی بادبند واگرا

  • محدودیت هایی در مقاطع تیر ها و ستون ها و مهاربند ها (براساس بند ۱۰-۳-۱۲-۱ محدودیت تیرها ، ستون ها و مهاربندی ها)

ضوابط مهاربند واگرا

  • کنترل مقاومت برشی مورد نیاز و طراحی تیر پیوند (براساس بند ۱۰-۳-۱۲-۲ و بند ۱۰-۳-۱۲-۳)

ضوابط طراحی تیر پیوند

  • کنترل طول تیر پیوند (e) (بند ۱۰-۳-۱۲-۴)

طول تیر پیوند

  • کنترل دوران تیر پیوند ( بند ۱۰-۳-۱۲-۵)

دوران تیر پیوند در مهاربند واگرا

  • کنترل اعضای لرزه ای قاب های مهاربندی شده واگرا به غیر از تیر پیوند (بند ۱۰-۳-۱۲-۶ )

ضوابط طراحی لرزه ای مهاربند واگرا

  • کنترل اتصالات تیر های خارج از ناحیه پیوند و تیر های پیوند به ستون (بند ۱۰-۳-۱۲-۷ و بند ۱۰-۳-۱۲-۸)

کنترل اتصالات بادبند های واگرا

  • کنترل اتصالات مهاربندی (بند ۱۰-۳-۱۲-۹ )

اتصالات مهاربندی

  • کنترل ضوابط لازم برای سخت کننده های تیر پیوند (بند ۱۰-۳-۱۲-۱۰ برای i شکل و قوطی )

ضوابط طراحی پیوند

 

مهاربند زانویی KBF) Knee Bracing Frames)

در سال ۱۹۸۶ محققی به نام آریستیزابال اوچوآ، سیستم مهاربندی ساختمان جدید، به نام قاب بادبندی زانویی با همه خصوصیات مناسب قاب‌های ذکر شده، اما بدون داشتن نقص‌های آنها پیشنهاد کرد.

در مورد مهاربند زانویی، برای اطمینان از شکل‌پذیری لازم، به جای اتصال برشی از یک عضو سازه‌ای ثانویه (عضو زانویی)، استفاده می‌شود. به عبارتی در این مهاربندها، المان های قطری با اتصالات ساده به نقطه وسطی المان زانویی شیبدار وصل می‌شوند و این المان زانویی طوری طراحی می‌شود که در طی بارگذاری جانبی شدید، به عنوان فیوز سازه‌ای قاب، زودتر از اعضای دیگر به حد تسلیم خواهد رسید و بدون آنکه کاهش قابل ملاحظه‌ای را در سختی و مقاومت کل سیستم ایجاد کند، انرژی وارده را با تشکیل مناطق پلاستیک مستهلک کند. با تشکیل مفصل‌های پلاستیک در عضو زانویی، قسمت‌های اصلی سازه ایمن و سالم باقی می‌ماند. در این حالت اصلاح و ترمیم سازه، به آسانی و با تعویض عضو زانویی صورت می‌گیرد. در حقیقت  المان‌های زانویی، نقش تیر پیوند در سیستم (EBF) را بازی می‌کند و بسته به طول و مشخصات مقطع در برش و یا خمش تسلیم می‌شود و سبب ایجاد سختی جانبی قابل توجهی می‌شود. به همین خاطر طراحی عضو زانوئی دارای اهمیت خاصی است و مقطع آن می‌بایست با رعایت ضوابط مقاطع پلاستیک طراحی شود.

المان‌های قطری در یک طرح بهینه باید اولاً در طول بارگذاری در محدوده الاسیتک باقی بمانند و دوماً برای اجتناب از مشکلات پایداری و نیروهای خارج از صفحه‌ای بهتر است فقط به منظور حمل بار کششی طرح شوند. بنابراین در مناطق زلزله خیز شدید استفاده از KBF دوبل توصیه می‌شود.

انواع مهاربند زانویی

فرم های مختلف مهاربند زانویی

ویژگی های بادبند زانویی

  • یکی از مهم‌ترین خصلت‌های رفتاری سیستم مهاربند زانویی (KBF) آن است که در زلزله‌هـای کـوچـک، تـأمین سـختی و مقابله با بارهای ارتعاشی توسط المان‌های قطری صورت می‌گیرد و در زلزله‌های شـدید، بـا بـه میـدان آمدن عناصر زانویی‌، ساز و کار استهلاک انرژی و تامین شکل پذیری به کار می‌افتد. به عبارتی این سیستم برای دو سطح نیروی ارتعاشی به شکل بسیار مناسب پاسخگو است.
  • در سیستم KBF به طور کلی تغییر مکان‌ها کمتر از مهاربندهای EBF است. در نتیجه در طی ارتعاشات لرزه‌ای، خسارت غیر سازه‌ای در این سیستم به حداقل می‌رسد.
  • ظرفیت استهلاک انرژی و شکل پذیری سیستم KBF عمدتاً بیش از سیستم EBF است.
  • با توجه به خصوصیات رفتاری مهاربند زانویی، پس از زلزله فقط عضو زانویی است که دچار تخریب می‌شود و قاب اصلی و بادبندهای قطری عمدتاً در حالت الاستیک باقی می‌مانند و از آنجایی که زانوها جزء اعضاء اصلی باربر قائم نیستند (‌برخلاف سیستم EBF که تیر پیوند قسمتی از تیر اصلی است)، ترمیم این قاب‌ها پس از زلزله‌های شدید ارزان تر و سریع تر صورت می‌پذیرد. در نتیجه با تعویض و ترمیم زانو می‌توان سیستم را به سهولت به مرحله بهره‌برداری مجدد رسانید. به همین علت این سیستم به مهار‌بندی زانویی تعویض پذیر DKB) Disposable Knee Bracing) ‌هم معروف است.
  • قاب‌های (KBF) شکل پذیری بسیار بالایی دارند‌. این شکل پذیری بالا سبب افزایش ضریب رفتار شده و درنتیجه نیروی برش طراحی کاهش می‌یابد.
  • در این سیستم، اولین تسلیم‌ها در زانوها ایجاد شده و تیرها، ستون‌ها و مهاربندها در حالت الاستیک و بدون کمانش باقی می مانند‌. بدین ترتیب در زلزله‌های شدید، تعداد تسلیم‌ها در تیرها‌، ستون‌ها، مهاربند‌ها و همچنین کمانش مهاربند‌ها‌، نسبت به سیستم مهاربندی هم مرکز، به شدت کاهش می‌یابد.
  • اتصال مهاربند به صورت ساده و اتصال عضو زانویی صلب است.‌ در این سیستم سختی از طریق عضو قطری و شکل پذیری از طریق تسلیم خمشی (عضو زانوئی) تأمین می‌شود‌.

اما چه عواملی در ﻃﺮاﺣﯽ ﺳﯿﺴﺘﻢ مهاربند زانویی موثر است؟

در یک ساختمان، اعضای اصلی قاب، تیرها و ستون‌ها تاثیر زیادی روی رفتار جانبی قاب KBF دارند. بخاطر اینکه طول تیرها و ستون‌ها نمی‌تواند به آسانی تغییر کند‌،در نتیجه رفتار جانبی قاب می‌تواند از طریق تغییر سطح مقطع عرضی و موقعیت مناسب المان زانویی‌ و سطح مقطع ابعادی تیرها و ستون‌ها بهبود یابد (لازم به ذکر است که تغییر سطح مقطع ستون نسبت به تغییر سطح مقطع تیر تاثیر بیشتری خواهد داشت) تا حتی در مقابل زلزله‌های شدید، سختی جانبی کافی و شکل پذیری مناسبی داشته باشند. همچنین موقعیت و سختی زانویی مهمترین عامل تاثیر گذار روی قابلیت مقاومت جانبی KBF بوده و تاثیر زیادی نیز روی رفتار استهلاک انرژی آن دارد.

به طور کلی می توان در طراحی موثر سیستم KBF عوامل زیر را نیز در نظر گرفت:

۱) ﻃﻮل زاﻧﻮ: اﻧﺘﺨﺎب ﻃﻮل زاﻧﻮ ﻧﻪ ﺗﻨﻬﺎ روی ﺳﺨﺘﯽ ﺟﺎﻧﺒﯽ ﺑﻠﮑﻪ روی ﻣﻮد ﺟﺎری ﺷﺪن ﻫﻢ ﺗﺎﺛﯿﺮ ﻣﯽ ﮔﺬارد.

طول بهینه زانو زمانی است که راستای عضو زانوئی موازی قطر قاب خواهد بود و راستای بادبند از محل برخورد تیر و ستون می گذرد.

۲) اﻧﺘﺨﺎب ﻣﻘﻄﻊ زاﻧﻮﺋﯽ: ﭘﺮوﻓﯿﻞ ﻗﻮﻃﯽ ﯾﺎ دوﺑﻞ ﻧﺎوداﻧﯽ ﺑﺮای زاﻧﻮ ﻣﻨﺎﺳﺐ ﺗﺮ اﺳﺖ تا  از کمانش جانبی پیچشی زانو جلو گیری شود و در ﺻﻮرت اﺳﺘﻔﺎده از ﭘﺮوﻓﯿﻞ  i شکل ، ﺧﻄﺮ ﺟﺎری ﺷﺪن ﺳﺮﯾﻊ ﺟﺎن در ﺑﺮش وﺟﻮد دارد.

ﻧﮑﺘﻪ ﻣﻬﻢ دﯾﮕﺮ آﻧﮑﻪ در ﺻــﻮرت اﺳـﺘﻔﺎده از ﻣﻘـﺎﻃﻊ ﺧﯿﻠـﯽ ﺳـﺨﺖ، اﺣﺘﻤـﺎل ﮐﻤـﺎﻧﺶ مهاربند ﮐـﻪ ﺿﻌﯿﻒﺗﺮ از زاﻧﻮﺋﯽ اﺳﺖ، ﺑﯿﺸﺘﺮ ﻣﯽ ﺷﻮد( ﻣﮕﺮ آﻧﮑﻪ مهاربند ﻫﻢ از مقطع ﺑﺰرگ استفاده ﺷــﻮد). از ﺳـﻮی دﯾﮕﺮ در ﻣﺤﻞ اﺗﺼﺎل زاﻧﻮ ﺑﻪ ﺗﯿﺮ و ﺳﺘﻮن ﻫﻢ، اﻣﮑﺎن ﺗﺴﻠﯿﻢ ﺗﯿﺮ و ﺳﺘﻮن حاصل می شود.

۳)تاثیر مقاطع: هر چقدر ممان اینرسی زانوئی بیشتر شود، شکل پذیری و سختی الاستیک هم بیشتر می شود. اما به هر حال استفاده از زانوئی سخت، محدود است. علاوه برآن با افزایش سطح مقطع عضو قطری، تا وقتی زانو تسلیم نشده، سختی و شکل پذیری افزایش می یابد. اما بعد از تسلیم شدن زانو، دیگرافزایش سطح مقطع عضو قطری بی تاثیر است؛ یعنی قوی تر شدن بیش از حد مهاربند، تاثیری در افزایش سختی سیستم نخواهد داشت.

۴) آرایش بهینه: با بررسی روی رفتار غیر خطی سیستم KBF مشاهده شده است که بهترین آرایش قرارگیری زانوها حالتی است که در آن المان های زانوئی یک در میان در طبقات متوالی، در بالا و پایین طبقه قرار گیرند. از سوی دیگر با کاهش طول زانو در ارتفاع (برای سازه های چند طبقه) و همچنین گیردار کردن اتصالات دو سر زانو می توان کارایی سیستم را افزایش داد.

مهاربند کمانش تاب (کمانش ناپذیر)

سیستم بادبند کمانش تاب یکی از انواع بادبند در ساختمان است که نوعی میراگر انعطاف پذیر و با قابلیت استهلاک انرژی بالا است. این مهاربند سازه ای به گونه‌ای طراحی شده تا ساختمان در برابر بارهای جانبی مقاومت کند.

این مهاربند شامل یک هسته ی فولادی لاغر و شکل پذیر است و برای محافظت دائمی هسته فولادی و جلوگیری از کمانش آن تحت فشار محوری ،این هسته را درون غلافی از جنس فولاد قرار می دهند و درون این غلاف را با ملات یا بتن پر می کنند . قبل از ریختن ملات، یک رابط جدا کننده یا فاصله دهنده نازک، برای جلوگیری از اندرکنش های ناخواسته بین هسته فولادی و غلاف بتنی بین هسته فولادی و ماده پر کننده قرار می دهند.

مهاربند کمانش تاب

نمونه ای از مهاربند کمانش تاب

انواع بادبند کمانش تاب

فرم های مختلف مهاربند کمانش تاب

اجزاء تشکیل دهنده بادبند کمانش تاب

سه جزء اصلی BRB عبارت است از هسته فولادی، لایه‌ی محافظت ممانعت‌کننده (لایه میانی) و غلاف (پوشش) فولادی بیرونی.

هسته ی فولادی برای تحمل نیروی محوری به وجود آمده در مهاربند طراحی می شود. از آنجا که این عضو به منظور تسلیم در بارگذاری تناوبی طراحی می شود، در آن از فولاد نرمه که دارای شکل پذیری بالایی است استفاده می شود.سطح مقطع آن کم تر از مهاربندهای معمولی است و این سبب می شود که عملکرد آن به واسطه کمانش محدود نشود. این هسته متشکل از طولی میانی است که به هنگام وقوع زلزله طرح، به شکلی غیر ارتجاعی تسلیم شود و طول‌های صلب و تسلیم ناپذیر در دو انتهای آن باقی بماند. افزایش سطح مقطع قسمت تسلیم ناپذیر، موجب می شود که از الاستیک باقی ماندن آن اطمینان حاصل شود و بنابراین حالت پلاستیک در قسمت میانی هسته فولادی متمرکز شود. این نوع ساختار اطمینان بالایی را در پیش بینی رفتار المان و گسیختگی آن مهیا می کند.

لایه میانی هسته و غلاف را از هم جدا می نماید. این لایه به هسته فولادی اجازه می دهد که طبق طراحی، تمام نیروی محوری ایجاد شده در مهاربند را تحمل نماید.

غلاف با صلبیت خمشی خود امکان محافظت جانبی هسته در برابر کمانش‌های خمشی را فراهم می‌نماید. این غلاف معمولاً از قوطی های فولادی پر شده از بتن ساخته می شود. معیار طراحی غلاف، ایجاد مقاومت جانبی کافی برای هسته در برابر کمانش می‌باشد.

غلاف، یکی از اعضای مهاربند کمانش ناپذیر

عضو مهاربند کمانش تاب

  • اما اتصال مهاربند کمانش تاب به قاب چگونه است؟

اتصال مهاربندها به قاب به میزان قابل توجهی بر عملکرد مهاربند در هنگام وقوع زلزله تاثیر می‌گذارد. معمولا برای اتصال مهاربند در انتها به قاب، سه حالت وجود دارد که عبارت است از:

  • اتصالات جوشی: مهاربند به طور کامل به گاست پلیت (Gusset Plate) در محل جوش می شود. اگرچه این گزینه به زمان اضافی کار در محل نیاز دارد، این امر می‌تواند ساختار مهاربند را به تنهایی با بهبود مکانیزم انتقال نیرو افزایش دهد و منجر به مهاربند‌های کوچکتر شود.
  • اتصالات پیچی: مهاربند در محل به گاست پلیت (Gusset Plate) پیچ می‌شود.
  • اتصال پینی: مهاربند و گاست پلیت (Gusset Plate) طوری طراحی شده‌اند که برای اتصال آن‌ها به یکدیگر در آن‌ها پین تعبیه و امکان چرخش آزاد را فراهم نماید.
اتصالات در بادبند کمانش تاب

اتصالات در مهاربند کمانش تاب

در آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم از این سیستم مهاربندی به عنوان سیستم مقاوم در برابر نیرو های جانبی اشاره شده است و پارامتر های لرزه ای آن به صورت زیر گفته شده است. در حالی که در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش ۱۳۹۲)پوشش داده نشده است:

ضریب رفتارضریب اضافه مقاومت سازهضریب بزرگنمایی تغییر مکان جانبی سازهحداکثر ارتفاع مجاز ساختمان
سیستم قاب ساختمانی با مهاربند کمانش تاب۷۲٫۵۵۵۰
پارامتر های لرزه ای مهاربند های کمانش تاب

این سیستم از نظر رفتار استهلاک‌کننده انرژی نسبت به قاب‌های مهاربندی شده همگرای ویژه (SCBF) بسیار پیشرفت کرده‌اند. همچنین، به این دلیل که ضریب رفتار آن‌ها بیشتر از دیگر سیستم‌های لرزه‌ای است (R=7)، و ساختمان‌های مجهز به آن به طور معمول بر اساس یک دوره تناوب طبیعی افزایشی طراحی می‌شوند، نیروی لرزه‌ای به طور موثری کمتر خواهد بود. این امر سبب کاهش ابعاد مقاطع تیر و ستون، ساده تر شدن اتصالات سازه ای و کاهش قابل ملاحظه نیروی وارد بر فونداسیون خواهد شد. همچنین نصب سیستم BRBF نسبت به SCBF سریع تر بوده که در نتیجه سبب کاهش هزینه پیمانکار خواهد شد. علاوه بر این،سیستم BRBF در مقاوم‌سازی‌های لرزه‌ای هم کاربرد دارد. در نهایت، در هنگام وقوع زلزله، خسارت در ناحیه‎ی کوچکی (هسته‌ی تسلیم مهاربند) ایجاد می‌شود و باعث می گردد بازرسی های پس از زلزله و تعویض و جایگزینی نسبتا ساده شود.

مزایای مهاربند کمانش ناپذیر:

  • برخلاف مهاربندی همگرا، دارای مکانیزم تسلیم تحت کشش و فشار می باشند و دچار کمانش تحت بارهای فشاری نمی شود؛ به همین خاطر به این مهاربند کمانش ناپذیر هم می گویند. درنتیجه توانایی جذب انرژی بالا رفته و طی زلزله‌های شدید آسیب کمتری به میان قاب‌ها و اجزای غیرسازه‌ای وارد می‌شود.
  • در مقایسه با سیستم های EBF دیرتر وارد محدوده رفتار خمیری شده و در رفتار الاستیک، سختی جانبی بیشتری از خود نشان می دهند. بنابراین برای کاهش تغییر مکان های جانبی بهتر عمل می کند.
  • امکان تعویض آسان مهاربند آسیب‌دیده پس از یک زلزله‌ی بزرگ وجود دارد.
  • بسیار انعطاف‌پذیرند، چون امکان تنظیم مقاومت و سختی آن‌ها به آسانی امکان‌پذیر است.
  • امکان تنظیم ابعاد مهاربند به منظور یکسان نمودن نیاز و ظرفیت لرزه‌ای وجود دارد، در نتیجه احتمال تمرکز خسارت در یک طبقه کاهش می‌یابد.
  • در مقایسه با قاب‌های خمشی، سختی جانبی الاستیک بالاتری دارند و ضوابط تغییر مکان نسبی طبقات در آئین‌نامه‌‌های لرزه‌ای را به راحتی ارضاء می‌کنند.
  • نصب آنها به خاطر اجرای اتصالات پینی یا پیچ و مهره ای به ورق های اتصال باعث کاهش هزینه های اقتصادی زمان نصب و اجرا شده و از نظارت و کارهای جوشکاری در محل می کاهد.
  • از لحاظ اقتصادی در مصالح به کار رفته در ساختمان صرفه جویی می شود.
  • تخریب المان های سازه ای به علت میرا کردن انرژی، کاهش می یابد.

 معایب کمانش تاب:

  • در زمین‌لرزه‌های بزرگ تغییر شکل‌های ماندگار بزرگی در سیستم ممکن است ایجاد شود؛ زیرا فاقد مکانیزم بازگرداننده است.
  • امکان بازرسی هسته‌ی مهاربند پس از زمین‌لرزه‌های شدید وجود ندارد.
  • سختی غیرالاستیک BRB ها نسبتاً کم بوده و در هر چرخه نسبت به چرخه‌ی پیش کاهش می‌یابد.
  • این نوع مهاربندها تقریباً به صورت انحصاری در چند شرکت خاص آمریکایی و ژاپنی تولید می شود. مهمترین عیب این مهاربندها، قیمت زیاد آن است.

مهاربندهای کمانش تاب علاوه بر استفاده در سازه های فولادی می توان در سازه های بتن مسلح جدید و یا در سازه های پل های فولادی تیری یا خرپایی نصب نمود. همچنین این نوع مهاربند ها در ارتقاء عملکرد لرزه ای سازه ها  موثر هستند و می توان برای حفاظت از سازه ها در برابر زلزله های شدید و برای بدست آوردن تراز بالای عملکرد از مهاربند های کمانش تاب استفاده کرد.

جمع بندی

همان طور که گفتیم در آیین نامه های ایران فقط مهاربند های همگرا و واگرا معتبر شناخته شده اند و در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش ۱۳۹۲) پوشش داده شده اند، با اینکه در جدول (۴-۳) ویرایش چهارم استاندارد ۲۸۰۰، سیستم مهاربند کمانش تاب نیز آورده شده است. در واقع، مهاربندها انواع مختلفی دارند ولی در اکثر سازه های فولادی دو مهاربند همگرا و واگرا اجرا می شود.

از همین رو در ضوابط به کار رفته در مبحث دهم برای طراحی مهاربند های واگرا نسبت به مهاربند های همگرا سختگیرانه تر هستند. در نتیجه از لحاظ اجرا و هزینه مهاربند های همگرا ساده تر و سیستم اقتصادی تری هستند. اما مهاربند های واگرا از لحاظ عمکرد و از لحاظ معماری سیستم های مناسب تری به حساب می آیند.

همان طور که گفته شد در آیین نامه استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم پارامتر های لرزه ای اختصاص داده است که به صورت زیر است:

ضریب رفتارضریب اضافه مقاومت سازهضریب بزرگنمایی تغییر مکان جانبی سازهحداکثر ارتفاع مجاز ساختمان
سیستم قاب ساختمانی با مهاربند همگرای معمولی فولادی۳٫۵۲۳٫۵۱۵
سیستم قاب ساختمانی با مهاربند همگرای ویژه فولادی۵٫۵۲۵۵۰
سیستم قاب ساختمانی با مهاربند واگرای  ویژه فولادی۷۲۴۵۰
سیستم قاب ساختمانی با مهاربند کمانش تاب۷۲٫۵۵۵۰

که نشان دهنده محدودیت در استفاده از این سیستم هاست و با توجه به مقادیر ضریب رفتار  ، هر چه این ضریب کمتر باشد، ظرفیت تغییر شکل های ارتجاعی کوچکتر و  نیروی زلزله طرح در شرایط یکسان بزرگتر است و در نتیجه سیستمی مقاوم تر در برابر بار های جانبی طراحی می شود.

همان طور که از نتایج  جدول مشخص است در مجموع می توان گفت مهاربند های کمانش تاب، جایگزین مناسبی برای مهاربند های همگرا و واگرا هستند. اما مهمترین عیب آنها، هزینه زیاد آن است چراکه این نوع مهاربندها تقریباً به صورت انحصاری در چند شرکت خاص آمریکایی و ژاپنی تولید می شود در حالی که اگر از سیستم های مهاربندی کمانش تاب در سازه استفاده شود، باعث می شود که در مصالح به کار رفته در ساختمان از لحاظ اقتصادی صرفه جویی شود. ولی مشکل دیگری که باز نمی توان از این نوع مهاربند ها استفاده کرد این است که درکشور ما ضوابط طراحی این اعضا هنوز وارد آیین نامه های طراحی نشده است و کاربرد آن ها نیاز به کسب مجوز از مقامات ذیصلاح و انجام آزمایش یا کسب نظر کمیته های فنی دارد.

منابع

  1. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان طرح و اجرای ساختمان های فولادی ویرایش ۱۳۹۲
  2. آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم
  3. آیین نامه AISC 360-10
  4. آیین نامه AISC 341-10

میلاد اسلامی نیا

    نوشته‌های مرتبط

    قوانین ارسال دیدگاه

    • دیدگاه های فینگلیش تایید نخواهند شد.
    • دیدگاه های نامرتبط به مطلب تایید نخواهد شد.
    • از درج دیدگاه های تکراری پرهیز نمایید.
    دیدگاه‌ها

    *
    *

    0