مهاربند همگرا + نکات حرفه‌ای انواع بادبند همگرا در یک مقاله

مهاربند همگرا انواع مختلفی دارد، آیا به عنوان یک مهندس عمران دانش کافی در مورد آن‌ها دارید؟! ما در این مقاله به بررسی 6 نوع مهاربند همگرا می‌پردازیم تا با دست پر از آکادمی عمران خارج شوید! قاب های مهاربندی یکی از سیستم‌های اقتصادی و پربازده برای مقابله با بارهای جانبی محسوب می‌شوند. قاب مهاربندی شده همگرا (CBF) یکی از انواع قاب مهاربندی است که اتلاف و استهلاک انرژی توسط مهاربندها انجام می‌شود. در این مقاله از آکادمی عمران تمام نکات سازه‌ای مربوط به مهاربند همگرا و هم‌چنین شکل ها و جزئیات انواع بادبند همگرا را زیر برده‌ایم.

تعریف مهاربند همگرا

قاب مهاربندی شده به دو صورت همگرا (CBF) و واگرا (EBF) به کار می‌رود. هر کدام از این قاب‌ها خود به دو نوع ویژه و معمولی تقسیم می‌شوند.

CBF مخفف Concentrically Braced Frame که به معنای قاب مهاربندی همگرا است.

قاب‌های مهاربندی همگرای معمولی ( OCBF ) با طراحی و اجرا نسبتا ساده، می‌توانند یک انتخاب مناسب برای ساختمان‌های کوچک و سازه‌های غیر ساختمانی باشند، در حالی که قاب مهاربندی شده همگرای ویژه ( SCBF ) عموما برای ساختمان‌های بزرگ و ساختمان‌های با هدف عملکرد لرزه‌ای بالاتر به کار می‌روند.

برای سیستم‌های ویژه ضوابط سخت گیرانه‌تری در جزئیات اتصالات و الزامات آیین‌نامه‌ای نسبت به سیستم‌های معمولی اعمال می‌شود.

قاب مهاربندی شده همگرا ، به قاب‌هایی می‌گویند که در آن‌ها محورهای طولی اعضای مختلف (تیر، ستون و مهاربند) در یک نقطه مشترک با هم تلاقی می‌کنند.

در قاب مهاربندی شده همگرا تیرها، ستون‌ها و مهار بندی‌ها با کمک سقف صلب، تشکیل یک خرپای قائم پایدار داده و با کنش خرپایی در برابر بارهای جانبی مقاومت می‌کنند.

بادبند همگرا سختی مناسبی برای جلوگیری از تغییر مکان‌های جانبی نسبی طبقات در اثر بارهای جانبی ناشی از زلزله دارد.

سختی مناسب قاب مهاربندی شده همگرا در اثر رفتار محوری (کششی و فشاری) اعضای مهاربندی مقاوم در برابر بار جانبی زلزله فراهم می‌شود.

انواع بادبند همگرا

از انواع بادبند همگرا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. بادبند قطری یا مورب منفرد
2. مهاربند ضربدری ( x )
3. مهاربند k شکل یا کا شکل
4. مهاربند شورون هفتی ( ∨ ) یا بادبند هفتی که به اشتباه مهاربند شوران نیز تلفظ می‌شود.
5. مهاربند شورون هشتی ( ∧ ) یا بادبند هشتی

در شکل زیر انواع بادبند همگرا که در طراحی لرزه‌ای سازه های فولادی متداول است، نشان داده شده است.

وجه مشترک انواع بادبند همگرا در این است که روی گره‌هایی در تیر یا ستون همگرا (متقارب) هستند.

در قاب‌های مهاربندی شده قطری و ضربدری (الف و ب) محور طولی مهاربندی از محل تقاطع محورهای طولی تیر و ستون می‌گذرند و در قاب‌های مهاربندی شده ∨ و ∧ (د و ه) محور طولی هر دو مهاربند با محور طولی تیر متقارب است.

از بین انواع بادبند همگرا در شکل بالا، قاب‌های مهاربندی ∨ و ∧ که به مهاربند شورون موسوم هستند به دلیل فراهم بودن امکان عبور و تعبیه در و پنجره برای معماران مطلوب‌تر هستند.

از معایب عمده بادبند همگرا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• محدودیت‌های معماری
• شکل‌پذیری
• جذب انرژی کم قاب به دلیل کمانش موضعی یا کلی عضو فشاری
• عملکرد نامناسب اتصالات آن‌ها

برای اینکه در مورد مهاربندها و نحوه اجرا آن بیشتر بدانید به مقاله ” بادبند ساختمان “ حتما سر بزنید.

بیش از 30 ساعت آموزش حرفه‌ای ولی رایگان دفتر‌فنی و ساختمان‌سازی

مشاهده مینی دوره

رفتار مهاربند همگرا در برابر نیروهای چرخه‌ای

در قاب مهاربندی شده همگرا اتلاف انرژی در اثر نیروهای القایی زلزله، توسط کشیدگی و کاهش طول مهاربندها حاصل می‌شود.

با توجه به تحقیقات انجام گرفته، جایگاه هریک از مقاطع مورد استفاده در مهاربندها از دیدگاه رفتار چرخه‌ای به ترتیب زیر اولویت‌بندی می‌شود:

• مهاربند با مقطع لوله‎‌ای (مقطع مدور جدار نازک)
• مهاربند با مقطع قوطی و مهاربند با مقطع I شکل
• مهاربند با مقطع Tشکل
• مهاربند با مقطع زوج نبشی

استفاده از مقاطع لوله ای شکل در سازه‌های دریایی و کنار ساحلی که در معرض نیروهای لرزه‌ای شدید قرار دارند، بسیار رایج است.

آیین‌نامه‌های طراحی لرزه‌ای استفاده از مهاربندها با مقاطع تکی و مرکب از نیمرخ نورد شده که به صورت متقارن نسبت به صفحه مهاربندی قرار دارند را مجاز می‌دانند.

رفتار فرا‌ ارتجاعی مهاربند همگرا در برابر زلزله

رفتار فرا ارتجاعی قاب مهاربندی شده همگرا تحت بارهای رفت و برگشتی زلزله در شکل زیر نشان داده شده است.

عضو فشاری مهاربند کمانش می‌کند، با کمانش مهاربند در آن خمش ایجاد شده و مفصل پلاستیک در محل لنگر حداکثر (وسط عضو) تشکیل می‌شود.

کمانش فرا ارتجاعی مهاربندی‌ها ضروری بوده و باعث می‌شود که مهاربند فشاری منبع مهمی برای جذب انرژی لرزه‌ای باشد.

همچنین عضو کششی مهاربند به عنوان یک عضو شکل پذیر، تسلیم می‌شود. این دو ناحیه شکل‌پذیر (کمانش و تسلیم کششی) در مجموع رفتار فرا ارتجاعی سیستم قاب مهاربندی شده همگرا ویژه را تشکیل می‌دهند.

بنابراین در این قاب ها عضو مهاربند نقش فیوز سیستم باربر جانبی را به عهده دارد.

لازم به ذکر است تا قبل از کمانش عضو فشاری تفاوتی بین رفتار OCBF و SCBF وجود نداشته، رفتار فرا ارتجاعی در SCBF به مرحله بعد از کمانش منتقل می‌شود.

تشکیل مفاصل پلاستیک در قاب مهاربندی شده همگرا

از آن جا که عضو مهاربندها به عنوان عضو فیوز قاب‌های مهاربندی شده همگرای ویژه محسوب می‌شود، باید از عهده تغییرشکل‌های فرا ارتجاعی برآید. از این رو تشکیل مفصل پلاستیک در عضو مهاربند امری ضروری است.

امکان تشکیل مفصل پلاستیک در سه نقطه در طول مهاربندها وجود دارد:

• یک مفصل در وسط عضو مهاربند
• یک مفصل در ابتدای عضو مهاربند یا ورق اتصال
• یک مفصل در انتهای عضو مهاربند یا ورق اتصال

وقتی که کمانش مهاربند داخل صفحه باشد، ورق به علت سختی زیاد قادر به دوران نبوده و مفصل پلاستیک در انتهای عضو مهاربند ایجاد می‌شود.

در حالتی که کمانش مهاربند خارج از صفحه باشد، مفصل پلاستیک در ورق اتصال تشکیل می‌شود. البته می‌توان با جزئیات اجرایی خاص حالات متداول گفته شده را تغییر داد.

اتصالات قاب مهاربندی شده همگرا

اتصال مهاربند به تیرها و ستون‌های قاب مهاربندی شده همگرا توسط ورق‌های اتصال و به وسیله جوش یا پیچ انجام می‌گیرد.

برای مطالعه بیشتر در مورد انواع اتصالات اسکلت فلزی به مقاله ” انواع اتصالات در اسکلت فلزی “ مراجعه کنید.

همان گونه که قبلا اشاره شد، مهاربندها نقش اصلی را در جذب و استهلاک انرژی القایی ناشی از زلزله ایفا می‌کنند و اتصالات آن‌ها باید در محدوده الاستیک باقی بماند.

اتصال باید توانایی تحمل حداقل نیروهای حاصل به شرح زیر را داشته باشد:

• نیروی کششی طراحی مهاربند
• حداکثر نیروی فشاری مورد انتظار در مهاربند
• حداکثر نیرویی که از طرف سیستم به مهاربند اعمال می‌شود.

به صورت عمومی می‌توان جزئیات نشان داده شده در شکل زیر را برای اتصال مهاربند به منظور انتقال بار مناسب و سازگار با رفتار شکل پذیر پیشنهاد کرد.

معمولا توصیه می‌شود که ورق های اتصال حول محور مهاربندی، متقارن به کار برده شوند. این موضوع باعث استفاده بهینه مصالح ورق در ناحیه بیشترین تنش‌ها می‌شود.

نگه داشتن ورق اتصال در مرکز محور مهاربندها باعث می‌شود که مقادیر w₁ و w_{2 و} همچنین زوایای α₁ و α₂ برابر شوند.

ستون در قاب مهاربندی شده همگرا

واکنش لرزه‌ای و غیرخطی قاب مهاربندی شده همگرا وابستگی شدیدی به سختی خمشی تیر و سختی محوری مهاربندها متصل به آن دارد.

به عبارت دیگر، با تغییرات اندک در سختی هر کدام از این اعضا، تأثیر قابل ملاحظه‌ای در رفتار چرخه‌ای و غیرالاستیک قاب مهاربندی مشاهده می‌شود.

نیروی طراحی ستون در دهانه مهاربندی شده باید در بردارنده بارهای ثقلی، واکنش‌های لرزه‌ای ایجاد شده ناشی از لنگر واژگونی قاب و نیز نیروهای لرزه‌ای حاصل از نیروهای غیر متعادل ایجاد شده در مهاربندها باشد.

تیرها در بادبند همگرا

با اینکه سختی تیر نقش مهم و اساسی در رفتار لرزه‌ای قاب مهاربندی شده همگرا ایفا می‌کند، اما هیچ گونه ضابطه مشخصی برای صلبیت تیرهای این گونه قاب‌ها توسط آیین‌نامه‌های معتبر طراحی پیشنهاد نشده است.

آیین‌نامه‌های طراحی اصولی، ضوابط زیر را در طراحی تیرهای قاب مهاربندی شده همگرا مورد توجه قرار می‌دهند:

• به منظور امکان وقوع مفصل پلاستیک در تیر به جهت تسهیل در باز توزیع نیروها، تیرها در دهانه‌های مهاربندی شده باید در فاصله بین دو ستون به صورت پیوسته باشند.
• تیرهای متصل به مهاربند شورون باید به تنهایی قادر باشند نیروهای ثقلی را بدون توجه به وجود مهاربندها تحمل کنند.
• تیرهای متصل به مهاربند شورون باید توانایی تحمل مؤلفه‌های قائم نیروهای غیرمتعادل ایجاد شده در مهاربند را داشته باشند.
• جهت اطمینان از وقوع مفصل پلاستیک در تیر و در محل اتصال آن به مهاربند و همچنین به منظور وقوع تسلیم قبل از کمانش جانبی – پیچشی، لازم است بال‌های بالایی و پایینی تیر در محل اتصال آن با مهاربند به نحو مناسبی مهار شوند.

مهاربند پرده ای یا دروازه ای یا y شکل

مهاربند پرده ای یا دروازه ای یا y شکل در آیین نامه 8 Eurocode جزء مهاربندهای همگرا حساب شده است.

استفاده از این نوع مهاربند به دلیل توانایی در انطباق با بازشوهای موردنیاز معماری ساختمان، مورد توجه قرار گرفته است.

در این آیین نامه نحوه محاسبه ضریب رفتار و جزئیات لازم برای مقاطع و اتصالات این نوع مهاربندی آورده نشده است.

اولین مسئله‌ای که در تحلیل رفتار مهاربند y شکل مطرح می‌شود، امکان کمانش خارج از صفحه آن و مشخص نبودن بار کمانش و مود کمانشی این نوع مهاربند است.

در این آیین نامه ابتدا امکان کمانش خارج از صفحه این نوع مهاربند را با استفاده از روابط شیب افت بررسی کرده است و نمودارهایی را جهت تعیین بار کمانشی سیستم و ضریب طول مؤثر اعضا ارائه نموده است.

لازم به ذکر است که مبحث دهم و آیین نامه AISC استفاده از مهاربند y شکل را مجاز ندانسته‌اند.

ضریب رفتار و آرایش این نوع مهاربندها به صورت تک یا جفت متقارن در یک دهانه قاب در شکل زیر نشان داده شده است.

نکته مهم در مورد مهاربند کا ( k ) شکل

از به کار گیری بادبند k شکل به دلیل ایجاد نیروی غیر متعادل ناشی از کمانش و تسلیم قطری‌ها در ستون و متعاقبا انهدام ستون باید خودداری کرد.

نکاتی در مورد مهاربند شورون ( بادبند هشتی هفتی)

رفتار لرزه‌ای قاب‌های مهاربندی شده همگرا شورون (که به دلیل امکان تعبیه در و پنجره در آن مطلوب معماران است) شدیدا به پارامترهایی نظیر نسبت سختی خمشی تیر و سختی محوری مهاربند، شرایط مرزی تیر، لاغری مهاربند و همچنین نوع زلزله‌ای که تجربه می‌کند، وابسته است.

در اغلب موارد دستیابی به یک طرح لرزه‌ای بهینه مستلزم تناسب‌بندی نسبتا پیچیده بین مهاربندها، تیر، ستون و اتصالات آن‌ها است.

قاب های مهاربندی با آرایش ∨ که نوع ساده‌ای از قاب‌های شورون هستند این مزیت را دارند که مهاربندهای آن تحت بارهای ثقلی پیش تنیده شده و وقوع کمانش در آن‌ها به تأخیر می‌افتد.

البته نیروهای ایجاد شده در مهاربندها در اثر بارهای ثقلی از نیروهای ایجاد شده در آن‌ها در اثر زلزله کمتر است به همین دلیل میزان پیش تنیدگی زیاد نیست.

در تیر مهاربند شورون اگر مهاربندها به ظرفیت خود برسند، یک نیروی نامتعادل در وسط ستون ایجاد می‌شود که باعت تشکیل مفصل پلاستیک در ستون و تخریب آن خواهد شد.

تصویر زیر که شکل مهاربند شورون با آرایش ∧ (بادبند هشتی) است را مشاهده می‌کنید.

نکاتی در مورد بادبند قطری و ضربدری در اسکلت فلزی

از دیگر انواع بادبند همگرا و متداول‌ترین آن، مهاربند ضربدری است.

مزیت مهاربند ضربدری این است که عضو کششی در محل اتصال میانی برای عضو فشاری قید ایجاد می‌کند و به دلیل کاهش طول آزاد، بار بحرانی عضو فشاری افزایش می‌یابد.

قاب‌های مهاربندی شده با مهاربند قطری (یا بادبند مورب منفرد) نیروهای غیرمتعادلی به تیر در طول دهانه تحمیل نمی‌کنند.

قاب‌های با مهاربند ضربدری نیز ضمن تجربه رفتار غیر الاستیک سه خطی، مشکل نیروهای غیر متعادل تحمیلی از طرف مهاربند به تیر را کمتر دارند.

بر اساس تحقیقات صورت گرفته می‌توان با تغییر در آرایش مهاربندهای قاب مهاربندی شده همگرا رفتار لرزه‌ای آن‌ها را بهبود بخشید.

آرایشی برای مهاربندها مطابق شکل زیر در نظر گرفته شده که در آن اعضای قائمی گره‌های اتصال مهاربندها به تیر را به فونداسیون متصل می‌کنند و نیروهای نامتعادل ناشی از کمانش مهاربندها را به خوبی تحمل می‌کنند.

مزایا حاصل از این نوع آرایش مهاربند همگرا به شرح زیر است:

• مهاربندهای کششی قابلیت تجربه مقاومت تسلیم را دارند.
• نیروهای محوری اضافی ناشی از مولفه‌های قائم نیروهای غیر متعادل در تیرهای دهانه‌های مهاربندی شده مستقیما به این عناصر قائم منتقل شده و ستون‌ها را تحت تاثیر قرار نمی‌دهند.
• رفتار سه خطی چرخه‌ای قابل دستیابی است.

لازم به ذکر است که عضو قائم (ستون دوخت) در این گونه آرایش (شکل بالا) باید در محدوده الاستیک باقی بماند. شکل زیر آرایشی از مهاربندها را نشان می‌دهد که در آن ستون دوخت در طبقه اول حذف شده است.

• واکنش قاب مهاربندی شده با ستون‌های دوخت حساسیت کمتری بر مشخصات لرزه‌ای حاصل از زلزله دارد.
• در قاب مهاربندی شده با ستون‌های دوخت، در صورت وقوع زلزله، خرابی‌ها به طور یکنواخت در ارتفاع سازه گسترش می‌یابند.
• این گونه قاب‌ها قابلیت تجربه رفتار سه خطی غیر الاستیک را دارند.
• از تیرهای انعطاف‌پذیر و مهاربندهای با لاغری متوسط در این گونه قاب‌های مهاربندی شده می‌توان استفاده کرد.

اگر مایل به یادگیری تمام مراحل و ریزه کاری‌های اجرای ساختمان هستید توصیه می‌کنیم آموزش اجرای ساختمان را از دست ندهید.

مسیر پیشنهادی مطالعه مقالات آکادمی عمران

مشاهده مسیر یادگیری