قاب مهاربند واگرا + تیر پیوند از صفر تا صد در یک مقاله

آیا تا به حال در مورد مهاربند واگرا شنیده‌اید؟! آیا می‌دانید این بادبند انواع مختلفی دارد؟! به عنوان یک مهندس عمران باید دانش کافی در مورد این نوع مهاربند داشته باشید! قاب مهاربندی شده واگرا (EBF) یکی از سیستم‌های مناسب باربر جانبی در اسکلت فولادی محسوب می‌شود. قاب مهاربند واگرا نقش مهمی جهت جذب و استهلاک انرژی دارد، به همین دلیل در طراحی و اجرای آن باید دقت بالایی صورت گیرد. در این مقاله به شرح تمامی جزئیات و نکات مربوط به بادبند واگرا و تیر پیوند پرداخته‌ایم. تا انتهای آن با ما همراه باشید تا با دست پر از آکادمی عمران خارج شوید!

تعریف مهاربند واگرا

از بین سیستم‌های باربر جانبی لرزه‌ای، قاب‌های خمشی خصوصا قاب خمشی ویژه را می‌توان به عنوان یک سیستم باربر لرزه‌ای که شکل‌پذیری زیاد و سختی کم دارد، نام برد. از طرف دیگر قاب‌های مهاربندی شده همگرا، هر چند سختی زیاد و مناسب دارند اما شکل‌پذیری قابل ملاحظه‌ای ندارند. سیستم قاب مهاربندی شده واگرا در واقع ترکیبی مناسب از قاب های خمشی و مهاربند همگرا بوده که هر دو خاصیت سختی و شکل‌پذیری را با هم دارد. در مورد مهاربند همگرا به طور کامل در مقاله مهاربند همگرا صحبت کردیم.

در قاب مهاربندی شده واگرا ، اتصال مهاربندها به تیر است. اتصال مهاربندها به تیر در بادبند واگرا به دو شکل زیر است:

• با فاصله کمی از یکدیگر روی محور طولی تیر
• با فاصله کمی از گره اتصال تیر به ستون

در این قاب‌ها، نیروهای جانبی به صورت ترکیبی از دو مکانیزم‌ زیر تحمل می‌شوند:

• کنش خمشی – برشی تیرها و ستون‌های دهانه مهاربندی شده
• عملکرد کششی – فشاری مهاربندی‌ها

سیستم قاب مهاربندی شده واگرا نسبتا جدید است. قاب مهاربندی شده واگرا برای اولین بار در سال ۱۹۷۰ در ژاپن با هدف دارا بودن هر دو ویژگی قاب‌های خمشی (قابلیت شکل پذیری زیاد) و قاب مهاربندی شده همگرا (داشتن سختی زیاد) مورد استفاده قرار گرفت. تحقیقات گسترده پوپوف در دانشگاه برکلی آمریکا در سال‌های ۱۹۷۸ تا ۱۹۹۲، مزیت‌های فراوان این قاب مهاربندی را نشان داد که استفاده از این سیستم باربر جانبی لرزه‌ای را مرسوم کرد. پژوهش‌های انجام شده در این خصوص منجر به تدوین ضوابط طراحی این گونه قاب‌ها در آیین نامه‌های طراحی نظیر UBC و AISC شد.

برای اینکه در مورد مهاربندها و نحوه اجرا آن بیشتر بدانید به مقاله بادبند ساختمان حتما سر بزنید. همچنین برای یادگیری تمام ریزه کاری‌های اجرای ساختمان می‌توانید به دوره اجرای ساختمان سر بزنید.

بزرگترین جشنواره تخفیفی آکادمی عمران تا ۷۲ درصد تخفیف

مشاهده

تفاوت مهاربند واگرا و همگرا

تفاوت اصلی مهاربند همگرا (CBF) و واگرا (EBF) در محل اتصال مهاربندها به اعضای سازه و نوع عملکرد آن‌ها در برابر نیروهای جانبی است. در مهاربند همگرا، تمام اعضا در یک نقطه به هم متصل‌اند که سختی سازه را بالا می‌برد اما شکل‌پذیری کمتری دارد؛ در حالی که در مهاربند واگرا، اتصال مهاربندها با فاصله از محل گره صورت می‌گیرد که موجب افزایش شکل‌پذیری و جذب انرژی لرزه‌ای می‌شود. در ادامه جدول مقایسه دو مهاربند همگرا و واگرا را مشاهده می‌کنید.

انواع مهاربند واگرا

مهاربندهای واگرا از نظر هندسه و شکل ظاهری به چهار گروه زیر تقسیم می‌شوند:

• با یک عضو قطری + یک تیر پیوند
• با دو عضو قطری + یک تیر پیوند
• با یک عضو قطری + دو تیر پیوند
• با دو عضو قطری + دو تیر پیوند

همچنین مهاربند واگرا از نظر عملکرد به دو نوع ویژه و معمولی تقسیم می‌شود:

مهاربند واگرا معمولی

طراحی عضو مهاربند، تیر پیوند، اتصالات مربوطه و ستون‌ها در این سیستم، مشابه مهاربند همگرای معمولی انجام می‌شود. با این حال، میزان تغییر شکل و رفتار فرا ارتجاعی این نوع مهاربند کمتر بوده و شکل‌پذیری آن‌ محدودتر است. به همین دلیل، این سیستم‌ها در برابر تغییر شکل‌های بزرگ و بارهای زلزله شدید، عملکرد مناسبی ندارند.

به دلیل همین ضعف در شکل‌پذیری و احتمال آسیب اعضا و اتصالات، مهاربندهای واگرای معمولی در ویرایش جدید مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و استاندارد 2800 حذف شده‌اند و دیگر توصیه نمی‌شوند.

مهاربند واگرا ویژه

طراحی مهاربند واگرای ویژه با هدف افزایش ضریب رفتار (R) و ارتقا عملکرد لرزه‌ای سازه صورت می‌گیرد، به‌گونه‌ای که سیستم بتواند تغییرشکل‌های بزرگ و غیرالاستیک را به‌صورت ایمن تحمل کرده و رفتار فرا ارتجاعی مطلوبی از خود نشان دهد. این مهاربندها با قابلیت بالای خود در جذب و اتلاف انرژی ناشی از زلزله، نقش مؤثری در کاهش آسیب‌های سازه‌ای دارند.

در این سیستم کنترل دقیق فشردگی مقاطع، کیفیت بالای اتصالات و اطمینان از عملکرد صحیح اعضا در نواحی بحرانی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. رعایت این ملاحظات، ضمن کمک به سبک‌سازی سازه، موجب افزایش مقاومت در برابر زلزله و بهبود توان جذب انرژی قاب‌های مهاربندی‌شده می‌شود.

اجزای بادبند واگرا

هر قاب مهاربندی شده واگرا از چهار عضو اصلی بدین شرح تشکیل می‌شود.

• تیر پیوند که با طول e در شکل اول مشخص شده است.
• تیر خارج پیوند
• مهاربند
• ستون

تیر پیوند نقش اساسی در جذب و استهلاک انرژی القایی ناشی از زلزله را ایفا می‌‌کند.

در قاب مهاربندی شده واگرا ، تیر پیوند قسمتی از طول تیر است که بین دو مهاربند یا بین مهاربند و ستون قرار می‌گیرد.

این خروج از مرکریت (e)، آزادی عمل بالایی را به معماران در اجرای طرح‌ها می‌دهد.

تیر پیوند مانند فیوز عمل می‌کند و با رفتار شکل پذیر خود دو خاصیت زیر را ایجاد می‌کند:

• ضریب رفتار R را در سیستم باربر جانبی لرزه‌ای افزایش می‌دهد.
• نیروهای طراحی در سایر اعضا (تیر خارج پیوند، مهاربندها و ستون‌ها) توسط تیر پیوند تعیین می‌شود.

رفتار تیر پیوند به طول آن (e) بستگی دارد.

• برای طول‌های کوتاه: رفتار برشی
• برای طول‌های متوسط: رفتار برشی – خمشی
• برای طول‌های بلند: رفتار خمشی

در قاب مهاربندی شده واگرا جزئیات‌ تیر پیوند و تناسب‌بندی سایر اعضا باید به گونه‌ای انجام شود تا شکل‌پذیری مناسب آن تأمین شود.

رفتار قاب مهاربندی شده واگرا ( EBF )

در قاب مهاربندی شده واگرا ( Eccentrically Braced Frames )، انتقال نیروهای ایجاد شده در مهاربندها به ستون‌ها و مهاربندهای مجاور از طریق رفتار برشی و خمشی تیرهای پیوند انجام می‌گیرد.

عضو اصلی و شکل‌پذیر در بادبند واگرا، تیر پیوند است که رفتار شکل‌پذیر آن با طول e کنترل و هدایت می‌شود.

تیرهای پیوند با رفتار شکل‌پذیر و پایدار خود به عنوان فیوز، به صورت یک عضو تغییر مکان – کنترل (DC) به گونه‌ای جزئیات‌بندی می‌شوند تا انرژی القایی ناشی از زلزله را در سازه جذب و مستهلک کنند.

سایر اعضای قاب نظیر ستون‌ها، مهاربندها و تیرهای خارج از ناحیه پیوند به عنوان اعضای نیرو – کنترل (FC) در محدوده الاستیک رفتار کرده و نیروهای طراحی آن‌ها متاثر از نیروهای ایجاد شده در تیر پیوند است.

مزایا و معایب مهاربند واگرا

مزایا:

• امکان ایجاد بازشوهای مناسب برای در و پنجره که محدودیت‌های معماری کمتری ایجاد می‌کند.
• کاهش ابعاد فونداسیون به دلیل انتقال نیرو و لنگر کمتر به آن
• کاهش بار ستون‌ها نسبت به سیستم قاب خمشی
• کاهش تغییر مکان جانبی نسبت به سیستم قاب خمشی
• تعدیل سختی سازه و کنترل بهتر نامنظمی در ارتفاع
• ترکیب سختی خوب سیستم مهاربندی همگرا با شکل‌پذیری و جذب انرژی بالای سیستم قاب خمشی.
• جذب و استهلاک بهتر انرژی زلزله

معایب:

• دشواری در تعویض تیر پیوند: در زلزله‌های شدید، تعویض تیر پیوند آسیب‌دیده دشوار است، گرچه تیرهای پیوند قائم این مشکل را کمتر می‌کنند.
• خسارت احتمالی به کف: در زلزله‌های قوی، چرخش‌های زیاد می‌تواند به کف ساختمان در نزدیکی تیر پیوند آسیب برساند.
• هزینه بالاتر: ساخت این مهاربندها به دلیل پیچیدگی و سنگینی قطعات، معمولا گران‌تر است.
• المان‌های سنگین: نیاز به قطعات قطری سنگین که فقط در بارهای شدید کارآمد هستند.

تیر پیوند چیست؟

در قاب مهاربندی شده واگرا، تیرهای پیوند نقش عضو شکل پذیر را ایفا می‌کنند و عموما برش تیرهای پیوند به عنوان مؤلفه شکل‌پذیر در نظر گرفته می‌شوند. تیرهای پیوند باید شرایط مقاطع فشرده لرزه‌ای را برآورده کنند.

پژوهشگران متعددی از جمله کسائی و پوپوف تعبیه تقویت‌های میانی در جان تیرهای پیوند را در محل مهاربندها (انتهای تیرهای پیوند) ضروری می‌دانند.

در شکل بالا نمونه‌ای از تقویت‌های میانی در جان تیر پیوند را مشاهده می‌کنید.

اتصال تیر پیوند به ستون

در مواردی که تیرهای پیوند در مجاورت ستون قرار می‌گیرند (مانند شکل زیر) اتصال تیر پیوند به ستون باید از نوع خمشی باشد.

این امر به دلیل این است تیر پیوند جهت تجربه تغییر شکل‌های غیرارتجاعی بزرگ، باید لنگر خمشی در دو انتهای خود را تحمل و منتقل کند.

از این رو آرایش‌هایی نظیر شکل زیر که تیرهای پیوند در وسط دهانه قرار دارند به منظور اجتناب از اتصال خمشی تیر به ستون مطلوب‌تر است.تحقیقات انجام گرفته در پی زلزله سال ۱۹۹۴ نورث ریج نشان داد که اتصالات تیرهای پیوند به ستون‌ها به ویژه برای تیرهای پیوند بلند (دارای رفتار خمشی) در معرض شکست‌های ترد مانند اتصالات در قاب‌های خمشی قرار گرفتند.

هنگامی که از اتصالات تقویت شده مانند صفحات روسری و زیرسری برای اتصال خمشی تیر پیوند به ستون استفاده می‌شود، امکان وقوع تسلیم در طول تقویت شده وجود ندارد.

به همین دلیل در چنین شرایطی آیین نامه‌های طراحی، طول تیرهای پیوند را از انتهای اتصال تقویت شده تا محل اتصال مهاربند در نظر می‌گیرند.

در مقاله ” بادبند ” به طور کامل در مورد ضوابط اتصال بادبند به تیر و ستون صحبت کردیم.

تغییر شکل مهاربند واگرا

در یک قاب مهاربندی شده واگرا ، وظیفه جذب و استهلاک انرژی زلزله به عهده تیرهای پیوند است.

تیرهای پیوند به عنوان یک عضو تغییر مکان-کنترل باید به صورت ضعیف‌ترین قسمت قاب طراحی شود.

سایر اعضای قاب نظیر ستون‌ها، مهاربندی‌ها، تیرهای خارج از پیوند و اتصالات باید به صورت اعضای نیرو-کنترل در محدوده ارتجاعی باقی بمانند.

به بیان دیگر طراحی سایر اعضای قاب مهاربند واگرا باید تحت فرمان تیرهای پیوند و قوی‌تر از آن صورت گیرد.

در انتقال نیرو از تیر پیوند به سایر اعضای قاب باید اثرات تنش تسلیم مورد انتظار و سختی کرنشی در نظر گرفته شود تا اطمینان حاصل شود که تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی تنها در تیر پیوند رخ می‌دهد و دیگر اعضا وارد محدوده غیر خطی نمی‌شوند.

در شکل زیر مکانیزم‌های تسلیم هدف در سه سیستم سازه‌ای قاب خمشی، قاب مهاربندی شده واگرا و قاب مهاربندی همگرا نشان داده شده است.

در شکل زیر دیاگرام‌های نیروی برشی، لنگر خمشی و نیروی محوری برای دو پیکربندی متداول قاب مهاربندی واگرا تحت بار جانبی نشان داده شده است.

می‌بینید که در حالتی که تیر پیوند در وسط قرار گرفته است، نیروی محوری تیر پیوند صفر بوده و باعث شده از ظرفیت کامل تیر استفاده شود.

هم چنین دیاگرام برش در تیرهای پیوند در هر دو پیکربندی یکنواخت است که این یکنواختی برش در مقایسه با دیاگرام خطی لنگر خمشی باعث تسلیم یکنواخت تیرهای پیوند در برش می‌شود.

ولی اگر تیر پیوند بخواهد در خمش جاری شود، دیگر دیاگرام لنگر یکنواخت نبوده و در ابتدا و انتهای تیر پیوند حداکثر مقدار را دارد که باعث می‌شود نواحی وسط تیر پیوند ارتجاعی باقی بمانند.

به همین سبب توصیه می‌شود تیر پیوند در برش جاری شود تا از ‌بیش‌ترین ظرفیت تیر پیوند جهت اتلاف انرژی استفاده شود.

محدودیت‌های تیر پیوند

• در مهاربند واگرا، تیرهای پیوند به عنوان فیوز باید دارای مقطع از نوع فشرده لرزه‌ای با شکل‌پذیری زیاد باشند تا کمانش موضعی بتواند به مرحله تسلیم برسد و در برابر بارهای چرخه‌ای همچنان تغییر شکل دهد.
• هرگونه وصله در تیرهای پیوند ممنوع است. همچنین جان تیرهای پیوند باید از یک ورق تک بدون هر گونه ورق مضاعف در نظر گرفته شود و هیچ بازشویی در آن ایجاد نشود، زیرا استفاده از سوراخ در جان تیرهای پیوند باعث ضعیف شدن تیر در برش شده و امکان تشکیل مفصل پلاستیک برشی در پیوند عملا از بین می‌رود.
• تیرهای پیوند باید از نوع I شکل نورد شده یا ساخته شده از ورق یا از نوع قوطی ساخته شده از ورق باشد.

ناحیه حفاظت شده در قاب مهاربندی شده واگرا

ناحیه حفاظت شده در یک عضو از سازه، به ناحیه‌ای می‌گویند که انتظار می‌رود در آن جا مفصل پلاستیک تشکیل شود. نظر به حساسیت و اهمیت این ناحیه در حرکات رفت و برگشتی سازه، این محل باید از هر گونه عملیاتی که شرایط ایجاد و تجربه تغییر شکل‌های فراارتجاعی پایدار را مختل می کنند، زدوده شود.

ناحیه حفاظت شده مربوط به عضو فیوز در سیستم باربر جانبی است. در بادبند واگرا ، تیر پیوند به عنوان ناحیه حفاظت شده تلقی می‌شود. باید توجه داشت که هر گونه دخل و تصرف هر چند در جهت افزایش ابعاد مقطع، به کارگیری مصالح با مقاومت بیشتر، وسایل کمکی نصب و برشگیر در این ناحیه ممنوع است. هیچ گونه جوشکاری در این ناحیه به جز برای اتصال ورق‌های سخت کننده مجاز نیست.

جمع بندی

قاب مهاربندی شده واگرا (EBF) یکی از سیستم‌های مقاوم در برابر بارهای جانبی، به‌ ویژه زلزله، در سازه‌های فولادی است که ترکیبی از سختی قاب‌های مهاربندی همگرا و شکل‌پذیری قاب‌های خمشی را فراهم می‌کند. مهم‌ترین عضو این سیستم، تیر پیوند است که به‌ عنوان فیوز سازه‌ای، وظیفه جذب و استهلاک انرژی را بر عهده دارد. این سیستم در انواع مختلف با آرایش‌های متفاوت مهاربند و تیر پیوند اجرا می‌شود و به دو نوع ویژه و معمولی تقسیم می‌گردد که نوع ویژه آن عملکرد لرزه‌ای بهتری دارد. طراحی دقیق تیر پیوند، رعایت ناحیه حفاظت‌شده و حفظ شکل‌پذیری آن از الزامات اصلی در اجرای این سیستم مقاوم محسوب می‌شود.

در انتهای این مقاله امیدواریم اطلاعات خوبی درباره مهاربند واگرا کسب کرده باشید. در صورتی که در این مورد سوالی دارید می‌توانید آن را در بخش دیدگاه با ما به اشتراک بگذارید.

مسیر پیشنهادی مطالعه مقالات آکادمی عمران

مشاهده مسیر یادگیری