سیستم باربر جانبی چیست؟ بررسی تمام انواع سیستم باربر جانبی از صفر تا صد
با توجه به اهمیت مقاومت سازهها در برابر زلزله لازم است تا طراحی و اجرای آنها به شکلی باشد که نیروهای جانبی ناشی از زلزله یا باد به درستی هدایت شده و در انتها به زمین منتقل شوند. سیستم باربر جانبی باعث میشود تا سازه به خوبی بارهای جانبی را انتقال داده و مقدار قابل توجهی از درصد خسارات وارده به سازه کاهش یابد. سیستمهای باربر جانبی انواع مختلفی دارد و طراح سازه باید با توجه به شرایط سازه، پروژه و همچنین استاندارد 2800 سیستم باربر جانبی را طراحی کند.
در این مقاله ابتدا مفهوم سیستم باربر جانبی را توضیح داده و اهمیت اجرای آن را عنوان کردهایم. سپس به بررسی انواع سیستم باربر جانبی پرداختیم و 6 مورد از انواع آن را که بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند توضیح دادیم. با ما در آکادمی عمران همراه باشید.
سیستم باربر جانبی چیست؟
در هنگام وقوع زلزله، حرکت زمین باعث ایجاد نیروهای جانبی در سازه میشود. از طرفی سازه باید در اثر نیروهای جانبی مانند زلزله و باد منسجم و یکپارچه رفتار کند.
از آنجایی که لازم است تا هر یک از اعضای سازه، در مسیر بار وارده به تنهایی و بدون انهدام، قادر به تحمل و انتقال نیرو باشند. در نتیجه طراح باید مسیر بار را در هر عضو از طریق اتصال مناسب آن به عضو دیگر تعقیب کرده تا بار در نهایت به شالوده و سپس به زمین منتقل شود.
سازههای مقاوم در برابر زلزله عمدتا از اعضای افقی و قائم برای انتقال نیروهای ثقلی و جانبی تشکیل شدهاند. اعضای قائم نقش مؤثرتری در تحمل و انتقال نیروهای جانبی به پی و نهایتا زمین دارند. اعضای افقی نیز مانند دیافراگمهای کف، دالها و تیرها علاوه بر تحمل بارهای ثقلی نقش مهمی در انتقال نیروهای جانبی به اعضای قائم دارند.
در واقع نیروهای زلزله که متناسب با جرم اعضای سازه در محل مرکز جرم دیافراگم (سقف سازهای) به وجود میآیند، باید به نحو مناسبی به عناصر قائم مقاوم و در انتها به پی منتقل شوند. عملکرد دیافراگمها مانند تیرهای عمیق است که در آن تیرهای پیرامونی نقش بالها و دیافراگم کف نقش جان تیر را بازی میکند. در محلهایی از دیافراگم که بازشوهای بزرگ باعث قطع جریان انتقال نیرو شده است، توصیه میشود تا از مهاربندیهای افقی برای انتقال نیروهای زلزله استفاده شود.
سیستم بار جانبی برای مقابله با بارهای جانبی ناشی از زلزله و باد بوده که در جهت افق به سازه وارد میشوند.
در مبحث ۱۰ ویرایش ۱۴۰۱ گفته شده که سازههای باربر لرزهای شکلپذیر با توجه به اینکه چه اندازه بتوانند در مقاطع خاصی از خود تغییر شکلهای فرا ارتجاعی را بپذیرند و این ویژگی را در بارگذاریهای رفت و برگشتی حفظ کرده و با کاهش مقاومت و سختی قابل ملاحظه روبرو نشوند به سه دسته تقسیم میشوند:
- شکل پذیری کم با قابلیت رفتار فرا ارتجاعی حداقل
- شکل پذیری متوسط با قابلیت رفتار فرا ارتجاعی محدود
- شکل پذیری زیاد با قابلیت رفتار فرا ارتجاعی قابل ملاحظه
انواع سیستم باربر جانبی
بر اساس مبحث ۱۰ مقررات ملی ساختمان ویرایش ۱۴۰۱ انواع سیستم باربر جانبی شامل موارد زیر هستند:
- سیستم قابهای خمشی
- سیستم قابهای مهاربندی شده
- دیوار برشی فولادی و بتنی
- سیستم مقاوم همراه با خرپاهای متناوب
- سیستمهای ترکیبی و دوگانه
- سیستم ستون کنسولی
سه مورد اول یعنی سیستم قاب خمشی، سیستم مهاربندی و دیوار برشی به عنوان انواع سیستم باربر جانبی رایجتر از موارد دیگر هستند. در سازههای فولادی از هر سه مورد گفته شده استفاده میشود اما در سازههای بتنی فقط یکی از دو مورد قاب خمشی یا دیوار برشی بتنی رایج است. در ادامه به توضیح هر یک از انواع سیستمهای باربر جانبی میپردازیم.
البته به غیر از موارد گفته شده انواع دیگری از سیستمهای باربر جانبی نیز وجود دارد که استاندارد 2800 استفاده از آنها را در صورتی میپذیرد که در یکی از آیین نامه و استانداردهای معتبر جهانی وجود داشته و کمیته اجرایی مربوطه آن را مجاز اعلام کند. این سیستمهای باربر جانبی عبارتند از میراگر، سوپر فریم و جداساز لرزهای.
طوفان تخفیفی آکادمی عمران تو راهه
سیستم قاب خمشی
در سیستم قاب خمشی نیروهای جانبی توسط عملکرد خمشی، برشی و محوری تیرها و ستونها تحمل شده و به شالوده ساختمان منتقل میشوند. اگر بخواهیم قاب خمشی را از نظر میزان شکل پذیری تقسیم بندی کنیم داریم:
- قابهای خمشی ویژه (شکلپذیری زیاد)
- قابهای خمشی متوسط (شکلپذیری متوسط)
- قابهای خمشی معمولی (شکلپذیری محدود)
در صورت رخ دادن زلزلههای شدید، قابهای خمشی باید بتوانند علاوه بر تغییر شکلهای نسبی طبقات، بدون انهدام در تیرها و ستونهای سازه، نیروهای جانبی را تحمل کرده و آنها را انتقال دهند.
از آنجایی که قابهای خمشی صلبیت کمی دارند و در تحت نیروهای شدید تغییرشکلهای نسبتا زیادی را تجربه میکنند در نتیجه احتمال انهدام ترد در اعضای غیر باربر لرزهای مثل جداکنندهها، دیوارهای خارجی و راهپلهها افزایش مییابد.
یکی از مزیتهای قابل توجه سیستم قاب خمشی، مطلوب بودن آن از نظر معماری است چرا که امکان ایجاد بازشو در دهانهها و ایجاد فضاهای ارتباطی در طبقات ساختمان وجود دارد. در عین حال یکی از معایب مهم این سیستم این است که تحت اثر زلزله، تغییر مکانهای جانبی نسبی زیادی را در طبقات خود تجربه میکنند.
در ادامه بحث قابهای خمشی لازم است به نکتهای درباره تغییر مکان جانبی نسبی طبقات بپردازیم. تغییر مکانهای جانبی علاوه بر افزایش احتمال گسیختگی المانهای سازهای، موارد زیر را نیز به دنبال دارند:
- به اعضای غیر باربر نظیر دیوارهای جداکننده داخلی، خارجی و پنجرهها آسیب جدی میزنند. به همین دلیل لازم است این اعضا به طور مناسبی از طریق تعبیه تکیهگاههای انعطافپذیر یا با ایجاد فواصل مناسب نسبت به عناصر اصلی و باربر سازه، محافظت شوند.
- اعمال نیروهای ضربهای به اعضا و ساختمانهای مجاور
انواع سیستم قاب خمشی
همانطور که در ابتدای مقاله گفتیم در مبحث 10 مقررات ملی ویرایش 1401 انواع قابهای خمشی شامل موارد زیر است.
1) قابهای خمشی فولادی
- قابهای خمشی معمولی(OMF)
- قابهای خمشی متوسط (IMF)
- قابهای خمشی ویژه (SMF)
- قابهای خمشی خرپایی ویژه (STMF)
- سیستم کنسولی فولادی ویژه(SCCS)
2) قابهای خمشی مختلط ویژه (C-SMF)
قابهای خمشی مختلط ویژه باید با اتصال گیردار تیر به ستون طراحی شوند. در این نوع قابهای خمشی مختلط، ستونها از نوع بتن آرمه یا مختلط و تیرها از نوع فولادی تنها، فولادی با دال بتنی متکی بر آن و با عملکرد مختلط کامل یا مختلط محتاط در بتن تشکیل میشوند.
در مقاله قاب خمشی به طور کامل درباره نکات این سیستم صحبت کردیم. برای مطالعه آن روی لینک آبی رنگ کلیک کنید.
سیستم قاب های مهاربندی شده
در ابتدا از قابهایی که مهاربند دارند، برای تحمل نیروهای ناشی از باد استفاده میشد و به همین دلیل به بادبند معروف بود. پس از آن برای تحمل نیروهای جانبی ناشی از زمین لرزه یعنی به عنوان سیستم باربر جانبی نیز استفاده از این قابها توسعه یافت. سیستم قاب مهاربندی شده از اعضایی تشکیل شده که عمدتا عملکرد محوری داشته و در فاصله بین تیرها و ستونهای قاب قرار میگیرند. از ویژگیهای مهم سیستم قاب مهاربندی شده، سختی زیاد آن در مقایسه با قابهای خمشی است. اصولا سختی محوری اعضای سازه در مقابل سختی خمشی آن بیشتر است.
از آنجایی که در اثر نیروی ایجاد شده توسط زلزله در ساختمان تغییر مکانهای جانبی رخ میدهد. وجود مهاربندها باعث میشود تغییر مکانهای جانبی کاهش یافته و از بروز خسارت به ساختمان و سازههای مجاور جلوگیری کند. از طرفی نیروهای جانبی وارده بر ساختمان از طریق مهاربندها به ستون و از ستون به فونداسیون منتقل میشوند به عبارتی مسیر انتقال نیرو به فونداسیون به درستی انجام میگیرد.
انواع قاب های مهاربندی شده
قابهای مهاربندی به عنوان یکی از انواع سیستم باربر جانبی دارای انواعی است که عبارتند از:
• قاب مهاربند همگرا (CBF: Concentrically Braced Frame)
قاب مهاربند همگرا به قابهایی گفته میشود که در آن محورهای طولی تیر، ستون و مهاربندها در یک نقطه متقارب باشند.
در قاب های مهاربندی شده قطری و ضربدری محور طولی مهاربندی از محل تقاطع محورهای طولی تیر و ستون می گذرند و در قابهای مهاربندی شده ∨ و ∧ محور طولی هر دو مهاربند با محور طولی تیر متقارب (هم مرکز) است. همچنین استهلاک انرژی در مهاربند همگرا توسط مهاربندها انجام میشود.
انواع قاب مهاربندی شده همگرا عبارتند از:
- قاب مهاربندی شده همگرای معمولی یا OCBF که طراحی و اجرای آنها نسبتا ساده بوده و برای ساختمانهای کوچک و سازههای غیر ساختمانی مناسب است.
- قاب مهاربندی شده همگرای ویژه یا SCBF که عموما برای ساختمانهای بزرگ و ساختمانهای با هدف عملکرد لرزهای بالاتر اجرا میشود.
به طور کلی میتوان گفت سیستمهای ویژه نسبت به سیستمهای معمولی ضوابط سخت گیرانهتری در جزئیات اتصالات و الزامات آییننامهای دارند.
البته قابهای مهاربند همگرا از نظر ظاهری دارای تقسیم بندی دیگری هستند که در یک مقاله کامل به بررسی آنها پرداختهایم. برای مطالعه آن روی لینک آبی رنگ کلیک کنید.
• قاب مهاربند واگرا (EBF: Eccentrically Braced Frames)
در مهاربند واگرا استهلاک انرژی توسط رفتار شکلپذیر تیر پیوند انجام میگردد. منظور از مهاربند واگرا قابهایی است که در آنها مهاربندیهای هر دهانه با فاصله کوچکی از یکدیگر یا با فاصله کوچکی از گره اتصال تیر به ستون، به تیر متصل میشوند.
سیستم قاب مهاربندی شده واگرا در واقع ترکیبی مناسب از قابهای خمشی و مهاربند همگرا بوده که هر دو خاصیت سختی و شکلپذیری را با هم دارد. چرا که از بین انواع سیستم باربر جانبی قابهای خمشی خصوصا قاب خمشی ویژه را میتوان به عنوان یک سیستم باربر لرزهای که شکلپذیری زیاد و سختی کم دارد، نام برد. قابهای مهاربندی شده همگرا، هر چند سختی زیاد و مناسب دارند اما شکلپذیری قابل ملاحظهای ندارند.
در قاب مهاربندی واگرا اتصال مهاربندها به تیر به دو شکل زیر است:
- با فاصله کمی از یکدیگر روی محور طولی تیر
- با فاصله کمی از گره اتصال تیر به ستون
همچنین هر قاب مهاربندی شده واگرا از چهار عضو اصلی تشکیل میشود.
- تیر پیوند
- تیر خارج پیوند
- مهاربند
- ستون
مطالبی که تا اینجا گفتیم گوشهای از نکات مربوط به مهاربند واگرا است. در یک مقاله کامل درباره همه نکات و ریزه کاریهای این نوع مهاربند صحبت کردیم. برای مطالعه آن روی لینک آبی رنگ کلیک کنید.
دیوار برشی
دیواری است که تحت اثر بارهای جانبی واقع در صفحه خود قرار گرفته و نقش عمده آن مشارکت در تحمل و انتقال این نیروها است. دیوار برشی برخلاف دیوار حائل که عمدتا بار عمود بر صفحه خود را تحمل میکند، بارهای درون صفحهای را که معمولا همان نیروی جانبی زلزله هستند، هم متحمل میشود.
دیوار برشی به عنوان یکی از سیستمهای باربر جانبی هم به صورت بتنی و هم به صورت فولادی اجرا میشود. در ادامه به بررسی این دو دیوار برشی میپردازیم.
برای آشنایی با اجرای دیوار برشی فیلم زیر را مشاهده کنید. فیلم زیر بخشی از آموزش اجرای ساختمان است. در این آموزش تمام گامهای اجرای یک ساختمان را به صورت کارگاهی و به همراه تمام نکات و ریزه کاریهایش توضیح دادهایم. برای مشاهده آن روی لینک آبی رنگ کلیک کنید.
دیوار برشی فولادی
دیوار برشی فولادی از ورقهای فولادی، ستونهای حائل و تیرهایی که در تراز هر طبقه وجود دارند تشکیل شده است. طبق مبحث 10 مقررات ملی ساختمان برای دیوارهای برشی فولادی ویژه (SPSW) معمولا از ورقهای فولادی نازک سخت نشده که به اجزای مرزی قائم و افقی پیرامون خود (تیرها و ستونها) متصل میگردند، تشکیل میشود.
در این دیوار برشی باید کلیه اجزای مرزی افقی یعنی تیرهای بالا و پایین صفحات دیوار با اتصالات گیردار که قادر به تحمل لنگر پلاستیک اجزای مرزی افقی هستند، به اجزای مرزی قائم یا ستونهای دو کنار صفحه دیوار متصل شوند.
اجزای سیستم دیوار برشی فولادی
- ورق جان که منظور ورق فولادی عمودی که به تیرها و ستونهای سیستم باربر جانبی متصل است.
- اعضای مرزی قائم (VBE) یا همان ستونها
- اعضای مرزی افقی (HBE) یا همان تیرها
انواع دیوار برشی فولادی:
- دیوار برشی فولادی با ورق جان نازک و سخت نشده (دیوار برشی فولادی ویژه)
- دیوار برشی فولادی با ورق جان سخت شده
- دیوار برشی با ورق جان مرکب
در مقاله دیوار برشی فولادی به طور کامل به نحوه اجرای این دیوار پرداختیم. برای مطالعه این مقاله روی لینک آبی رنگ کلیک کنید.
دیوار برشی بتنی
از دیگر انواع دیوار برشی به عنوان سیستم باربر جانبی به نوع بتنی آن میرسیم. دیوار برشی بتنی به این صورت اجرا میشود که برای دیوارهایی که دارای ضخامت بیشتر از 25 سانتیمتر هستند (به جز دیوارهای زیرزمین و دیوارهای حائل) باید از آرماتورهای قائم و افقی در دو سفره که به موازات سطوح دیوار مطابق بندهای زیر پیشبینی شوند.
بند 1) در دیوارهایی که یک رویه آنها در تماس با خاک یا هوای بیرون قرار دارد:
در این حالت یک شبکه آرماتور شامل حداقل نصف و حداکثر دو سوم کل آرماتور لازم برای هر امتداد باید در فاصلهای بیشتر از 50 میلیمتر و کمتر از یک سوم ضخامت دیوار از رویه در تماس با خاک یا محیط خارجی قرار داده شود.
همینطور باید یک شبکه آرماتور، شامل باقیمانده آرماتور لازم برای هر امتداد در فاصلهای بیشتر از ۲۰ میلیمتر و کمتر از یک سوم ضخامت دیوار روی یکدیگر قرار داده شود. نکته مهم این است که حداقل پوشش بتن باید ۳ سانتیمتر باشد.
بند 2) برای سایر دیوارها:
هر شبکه آرماتور شامل نصف آرماتور لازم در هر امتداد باید در فاصلهای بیشتر از ۲۰ میلیمتر و کمتر از یک سوم ضخامت دیوار از هر رویه قرار داده شود.
در مورد قالب بندی دیوار برشی بتنی باید بدانید که پس از تکمیل آرماتوربندی و کنترل مضاعف طول، قطر، فواصل، خم میلگردها و تمیزکاری پای کار، نوبت اجرای قالب بندی است. قالب بندی دیوار عمدتا با استفاده از قالب فلزی انجام شده و گاهی هم از قالب چوبی استفاده میشود. قالبهای فلزی در عرضهای 10، 15، 20، 25، 30، 35، 40، 45و50 سانتیمتر و در طول 100 سانتیمتر در بازار عرضه میشوند.
به طور کلی قالب بندی دیوار برشی بتنی به دو شکل زیر انجام میگردد:
- قالب بندی دیوار برشی دو طرفه
- قالب بندی دیوار برشی یک طرفه
در مقاله دیوار برشی بتنی به طور کامل درباره نکات اجرای دیوار برشی بتنی صحبت کردیم. برای مطالعه آن روی لینک آبی رنگ کلیک کنید.
در ادامه این بخش لازم است اشاره کنیم که از دیوار برشی بتنی در اسکلت فولادی نیز استفاده میشود. برای اجرای دیوار برشی بتنی در اسکلت فولادی، باید پیش از آرماتوربندی تمام برشگیرهای ستونها نصب شده و چگونگی جوش آنها کنترل شود.
نکته مهم درباره دیوار بتنی در ساخت اسکلت فلزی این است که برای درگیری کامل بتن با تیر و ستون فلزی حتما برشگیرهایی روی هر دو بال تیر و ستون جوش داده شود.
همچنین از آنجایی که ممکن است رنگ کردن اعضای فلزی مثل بخش داخلی ستون که دیوار برشی در مجاورت آن است و درون بتن قرار گرفتهاند بر درگیری با بتن تاثیر بگذارند لذا نباید این اعضای فلزی را رنگ کنیم. هر چند توصیه میشود در صورت همزمان نبودن نصب اسکلت و اجرای دیوار برشی از یک لایه ضد زنگ نازک بر روی اعضای فلزی استفاده کنید تا از خوردگی جلوگیری شود.
سیستم مقاوم همراه با خرپاهای متناوب
این سیستم یکی از انواع سیستم باربر جانبی است که در سازههای فولادی مورد استفاده قرار میگیرد. سیستم مقاوم همراه با خرپاهای متناوب به این صورت اجرا میشود که دهانه مهاربندی در یک طبقه در یک ردیف ستون و در ارتفاع متناوب و یکی در میان اجرا شده و در طبقات دیگر دهانه مهاربندی به ردیف ستون دیگر (که در طبقه قبلی اجرا نشده بود) منتقل میشود.
به عبارتی در این سیستم نیروهای جانبی در طبقات، توسط اعضای قطری خرپا تحمل میشوند و در هر طبقه نیروها توسط عملکرد کف که به صورت یک دیافراگم صلب عمل میکند به خرپای زیری منتقل میشوند.
توجه کنید که این سیستم عملکردی مانند یک تیر طره قائم دارد که در آن ستونها همان بال تیر بوده و دهانههای خرپایی هم به عنوان اعضای جان هستند.
مزایای سیستم مقاوم همراه با خرپاهای متناوب
- ایجاد فضای معماری مطلوب به علت فاصله ستونها از یکدیگر
- سرعت اجرای بالا
- کاهش ارتفاع کف تا کف در این سیستم
- صرفه اقتصادی در مصرف مصالح
- عدم وابستگی به شرایط جوی خاص برای اجرا
سیستمهای ترکیبی و دو گانه
از دیگر انواع سیستم باربر جانبی به سیستمهای ترکیبی و دوگانه میرسیم. این سیستم یکی از انواع متداول سیستم باربر جانبی بوده که در آن از قاب خمشی با سیستم مهاربندی (همگرا یا واگرا) یا دیوار برشی به طور همزمان استفاده میشود.
اگر در یک سیستم ترکیبی که شامل دو سیستم قاب خمشی ویژه و سیستم مهاربندی یا دیوار برشی بود، قاب خمشی به تنهایی قادر به تحمل ۲۵ درصد از بار جانبی باشد به آن سیستم دوگانه گفته میشود و در غیر این صورت آن را سیستم ترکیبی مینامند.
بر اساس ویرایش چهارم استاندارد 2800 در سیستمهای دوگانه، بارهای جانبی به وسیله عملکرد مجموعهای از دیوارهای برشی یا قابهای مهاربندی به همراه مجموعهای از قابهای خمشی به طور همزمان تحمل میشوند. در واقع چون در این سیستم سختی دیوارهای برشی یا قابهای مهاربندی بیشتر از قابهای خمشی است پس نیروی جانبی بیشتری را تحمل میکند.
سیستم ستون کنسولی
سیستم ستون کنسولی یک نوع سیستم باربر جانبی است که از یک یا چند ستون با پایه های گیردار تشکیل میشود. در این نوع سیستم که متشکل از ستونهای کنسولی با رفتار طرهای است، انتظار میرود در برابر نیروی جانبی زلزله تغییر شکلهای فرا ارتجاعی محدودی در اثر خمش در پای ستونها ایجاد شود.
نیروهای جانبی در این سیستم توسط ستون و به صورت کنسولی تحمل میشوند. در واقع در این سیستم باربر جانبی، نیروهای جانبی مستقیماً از سقف به ستونها منتقل می شوند. به عبارتی این سازههای کنسولی یک ستون یکسر گیردار هستند و عملکرد آنها به صورت خمشی است. این سیستم دارای ویژگیهایی مانند شکلپذیری کم و سختی زیاد است. از انواع سازههایی که در آنها این سیستم اجرا میشود میتوان به پارکینگها، سایبان خودروها و پمپ بنزینها اشاره کرد.
جمع بندی
سیستم باربر جانبی به عنوان یکی از سیستمها سازهای است که برای مقاومت سازه در برابر بارهای جانبی اجرا میشود. این سیستم باعث میشود تا نیروهای جانبی ناشی از زلزله و باد به سازه آسیبی وارد نکرده و به درستی به زمین منتقل شوند. سیستم باربر جانبی انواع مختلفی دارد که روش اجرای هر کدام متفاوت از دیگری است. ما در این مقاله تمام این سیستمها را بررسی کردیم.
در انتهای این مقاله امیدواریم به خوبی متوجه مفهوم سیستم باربر جانبی و انواع آن شده 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
استفاده از سیستم باربر جانبی در کشورهایی که زلزله خیز نیستن هم استفاده ازش واجبه؟
سلام وقت بخیر.
بله. در همه ساختمان ها استفاده از سیستم باربر جانبی الزامیست اما بسته به شرایط لرزه خیزی شکل پذیری و مقاومت آن متفاوت طراحی می شود.
ممنونم
سلامت باشین