سیستم قاب خمشی چیست؟ صفر تا صد انواع، مزایا و معایب قاب خمشی

در اجرای ساختمان از سیستم‌های باربر جانبی برای مقاومت سازه در برابر زلزله و جلوگیری از تخریب آن استفاده می‌شود. یکی از انواع سیستم‌های باربر جانبی، سیستم قاب خمشی است. در این سیستم با استفاده از اتصالات صلب امکان تحمل تغییر شکل‌های جانبی در سازه ایجاد می‌شود. همچنین قاب خمشی دارای انعطاف پذیری بالایی است.

در این مقاله ابتدا به بررسی سیستم قاب خمشی پرداخته و سپس انواع آن را توضیح می‌دهیم. در ادامه موضوعات مهمی که در اجرای قاب خمشی باید به آن توجه کنید را عنوان می‌کنیم. همچنین به بررسی تفاوت سیستم مهاربندی و قاب خمشی می‌پردازیم. برای آشنایی کامل با سیستم قاب خمشی با ما در آکادمی عمران همراه باشید.

سیستم قاب خمشی چیست؟

سیستم قاب خمشی یکی از انواع سیستم باربر جانبی است که در آن مجموعه‌ای از تیر و ستون‌ها و اتصالات آن‌ها به طور همزمان نیروهای جانبی و ثقلی را تحمل می‌کنند.

از آنجایی که در این سیستم برخلاف دیگر سیستم‌ها مانند دیوار برشی عضو اضافه‌ای نداریم لذا در این حالت، سازه شکل پذیری زیادی داشته و با وارد شدن نیروهای جانبی، قاب آن تغییر شکل می‌دهد. این توانایی تغییر شکل سبب می‌شود تا خرابی ساختمان در هنگام زلزله به حداقل برسد.

در واقع سیستم قاب خمشی، نیروهای جانبی را به کمک عملکرد خمشی، برشی و محوری تیرها و ستون‌ها تحمل کرده و به شالوده ساختمان منتقل می‌کند. این سیستم قادر است نیروهای جانبی را ضمن تغییر شکل‌های نسبی طبقات و بدون تخریب تیر و ستون‌های خود تحمل کرده و به فونداسیون انتقال دهد.

با توجه به اینکه قاب‌های خمشی صلبیت کمی دارند و از طرفی این که وارد شدن نیروهای جانبی شدید، تغییر شکل‌های زیادی را در پی دارد احتمال اینکه اعضای غیر باربر لرزه‌ای مانند جداکننده‌ها، دیوارهای خارجی و راه‌پله‌ها در معرض تخریب قرار بگیرند بالا است.

در بررسی کامل‌تر، تغییر مکان‌های جانبی موارد زیر را نیز به دنبال دارند:

• باعث آسیب رساندن به اعضای غیر باربر نظیر دیوارهای جداکننده داخلی، خارجی و پنجره‌ها می‌شود. پس لازم است اعضای غیر باربر به شکل مناسبی مثلا به وسیله تعبیه تکیه‌گاه‌های انعطاف‌پذیر یا با ایجاد فواصل مناسب نسبت به عناصر اصلی و باربر سازه، محافظت شوند.
• وارد نمودن نیروهای ضربه‌ای به اعضا و ساختمان‌های مجاور

انواع سیستم قاب خمشی 

بر اساس مبحث 10 مقررات ملی ساختمان انواع اصلی قاب‌های خمشی فولادی به سه مورد قاب خمشی معمولی (OMF)، قاب خمشی متوسط (IMF) و قاب خمشی ویژه (SMF) تقسیم بندی می‌شوند. انعطاف پذیری بالای سیستم‌های قاب خمشی باعث شده تا از آن‌‌ها به صورت سیستم دوگانه یا ترکیبی نیز استفاده شود. این سیستم‌ها ترکیبی از دو سیستم باربر جانبی هستند مثلا قاب خمشی – مهاربند، قاب خمشی – دیوار برشی و قاب خمشی- خرپا که هر کدام عملکرد متفاوتی در انتقال نیروها دارند.

طوفان تخفیفی آکادمی عمران تو راهه

مشاهده جزئیات

در ادامه به بررسی انواع سیستم قاب خمشی می‌پردازیم:

1) قاب‌های خمشی معمولی(OMF)

قاب‌ خمشی معمولی یا به انگلیسی Ordinary Moment Frame به قاب‌هایی گفته می‌شود که از آن‌ها انتظار تغییرشکل‌های فرا ‌ارتجاعی حداقلی در برابر نیروی جانبی زلزله می‌رود و به این علت برای طراحی اعضا و اتصالات آن‌ها مقررات تکمیلی حداقلی در نظر گرفته شده است. از این سیستم معمولا در ساختمان‌های یک طبقه استفاده شده چرا که توانایی این سیستم زمانی که تحت بارهای جانبی قرار می‌گیرد کم است. بنابراین از این سیستم در مناطقی استفاده می‌شود که کمتر زلزله خیز هستند.

2) قاب‌های خمشی متوسط (IMF)

قاب‌‌های خمشی متوسط یا Intermediate Moment Frame قاب‌هایی هستند که می‌توانند در برابر نیروی جانبی زلزله تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی محدودی را تحمل کنند. این سیستم از نوع معمولی عملکرد بهتری داشته و در طراحی اعضا و اتصالات آن، چنانچه بخشی از سیستم باربر لرزه‌ای سازه باشند، باید الزامات تکمیلی سخت گیرانه‌تری نسبت به قاب‌های خمشی معمولی  لحاظ شود.

از این سیستم برای مناطقی که سطح زلزله خیزی متوسطی دارند استفاده شده و لازم است یا از اتصالات گیردار پیش تایید شده استفاده شود یا اینکه با انجام آزمایش کنترل کیفیت از کیفیت اتصالات اطمینان حاصل کرد.

به طور کلی اجرای سیستم‌های باربر جانبی از جمله قاب خمشی و انواع آن ریزه کاری‌های بسیاری دارد که شما به عنوان مهندس اجرایی ساختمان لازم است به آن‌ها تسلط داشته باشید. برای یادگیری تمام مراحل اجرای ساختمان و جزئیات آن‌ها آموزش اجرای ساختمان را از دست ندهید. برای مطالعه سرفصل‌های این آموزش روی لینک آبی رنگ کلیک کنید.

3) قاب‌های خمشی ویژه (SMF)

قاب‌های خمشی ویژه یا به انگلیسی Special Moment Frame قاب‌هایی هستند که قادر به تحمل نیروی جانبی زلزله و تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی قابل ملاحظه‌ای هستند. برای طراحی اعضا و اتصالات این نوع قاب‌ها، چنانچه بخشی از سیستم باربر لرزه‌ای سازه باشند، الزامات لرزه‌ای سخت‌گیرانه‌تری نسبت به قاب‌های خمشی متوسط در نظر گرفته شده است. این سیستم‌ها از بهترین انواع سیستم باربر جانبی بوده و برای تحمل بارهای دینامیکی بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند از طرفی همانطور که گفتیم شکل‌پذیری این سیستم بسیار بالا است.

از این سیستم برای مناطقی استفاده می‌شود که دارای سطح لرزه‌خیزی متوسط تا بسیار زیاد هستند. در سیستم قاب خمشی ویژه هم باید از اتصالات گیردار پیش‌تاییدشده استفاده کرد و هم لازم است تا آزمایش کنترل کیفیت انجام شود.

سیستم قاب خمشی ویژه را می‌توان به چند مورد زیر تقسیم کرد:

• قاب‌های خمشی خرپایی ویژه (STMF)

در این نوع از قاب خمشی ویژه به جای تیر از خرپا استفاده می‌شود. این قاب باید قادر به تحمل نیروی جانبی زلزله در بخش ویژه‌ای از خرپا و تغییرشکل‌های فرا ارتجاعی قابل ملاحظه‌ باشد. سایر بخش‌های خرپا و ستون‌ها باید عمدتا ارتجاعی باقی مانده و قادر به تحمل تلاش‌هایی که با توجه به ظرفیت تسلیم کامل بخش ویژه و با در نظر گرفتن سخت‌شوندگی کرنش در آن‌ها ایجاد می‌شود باشند.

در این نوع قاب‌ها طول دهانه خرپا نباید از ۲۰ متر و ارتفاع کلی آن‌ها از ۱.۸ متر بیشتر باشد. هر خرپای واقع در بین دو ستون این سیستم باید دارای بخش ویژه‌ای در نیمه میانی طول آن باشد. طول این بخش ویژه باید ۰.۱ تا ۰.۵ برابر طول دهانه خرپا باشد. نسبت طول به ارتفاع هر چشمه خرپا در این بخش نباید از ۱.۵ بزرگتر و از ۰.۶۷ کوچکتر باشد.

در بخش ویژه خرپا، چشمه‌ها باید از نوع ویراندل یا ضربدری باشند. همچنین در چشمه‌های مختلف این بخش، ترکیب این دو نوع پیکربندی با استفاده از انواع دیگر پیکربندی مجاز نیست.

• سیستم کنسولی فولادی ویژه (SCCS)

در این نوع سیستم که متشکل از ستون‌های کنسولی با رفتار طره‌ای است، انتظار می‌رود در برابر نیروی جانبی زلزله تغییرشکل‌های فرا ارتجاعی محدودی در اثر خمش در پای ستون‌ها ایجاد شود.

• قاب‌های خمشی مختلط ویژه (C-SMF)

قاب‌های خمشی مختلط ویژه (C-SMF) باید با اتصال گیردار تیر به ستون طراحی شوند. در این نوع قاب‌های خمشی، 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.

با به کارگیری الزامات در نظر گرفته شده انتظار می‌رود که در قاب‌های خمشی مختلط ویژه، تغییرشکل‌های فرا ارتجاعی قابل توجهی در محدوده دو انتهای تیرها و تسلیم محدودی در چشمه اتصال ستون‌ها ایجاد شود. در این نوع قاب‌ها، طراحی ستون‌ها باید به طریقی صورت گیرد که در هر گره، ضابطه نسبت لنگر خمشی ستون به لنگر خمشی تیر (ضابطه تیر ضعیف – ستون قوی) رعایت گردد. در این نوع قاب‌های خمشی تسلیم خمشی در پای ستون مجاز است.

اتصالات سیستم قاب خمشی

حالا که با انواع سیستم‌های قاب خمشی آشنا شدیم لازم است تا درباره اتصالات این سیستم نیز اطلاعاتی داشته باشیم. با توجه به خصوصیاتی که این سیستم دارد و نوع ساختار آن لازم است تا از اتصالاتی که دارای صلبیت بالا هستند استفاده کنیم تا در هنگام وارد شدن بار جانبی، شکل پذیری این سیستم کنترل شده و اعضای این سیستم به دلیل این تغییرشکل ­های جانبی از هم جدا نشوند و به خوبی اتصال خود را حفظ کنند.

منظور از اتصال صلب یا گیردار اتصالاتی است که در آن لنگر خمشی داریم به این صورت که به وسیله اتصال این لنگر باید به خوبی منتقل شود. با توجه به صلب بودن این‌گونه اتصالات، اعضای تشکیل‌ دهنده آن مقدار حداقلی چرخش و دوران نسبت به یکدیگر دارند و در نتیجه  قادر به تحمل مقدار زیادی لنگر خمشی هستند.

در مبحث 10 مقررات ملی ساختمان به این اتصالات اشاره شده است. برای مثال اتصال صلب پای ستون به بیس پلیت و اتصال تیر به ستون از این نوع اتصالات هستند.

بنابراین اهمیت اتصالات سیستم قاب خمشی به این دلیل است که اعضای این سیستم و اتصالات آن، در کنار هم و با عملکردی مکمل به تحمل بارهای جانبی می‌پردازند.

قاب خمشی در سازه‌های بتن آرمه

در این بخش درباره قاب‌های خمشی در سازه‌های بتن آرمه صحبت می‌کنیم. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان که درباره طرح و اجرای ساختمان‌های بتن آرمه است، قاب‌های خمشی را در دو دسته بندی قاب‌های با شکل پذیری متوسط و قاب‌‌های با شکل پذیری زیاد (ویژه) بررسی کرده است.

• قاب‌های با شکل پذیری متوسط 

این قاب‌ها شامل دال‌های دو طرفه بدون تیر هستند که بخشی از سیستم مقاوم در برابر زلزله را تشکیل می‌دهند. در مبحث 9 مقررات ملی ساختمان ضوابط مطرح شده در این قاب‌ها برای تیرها، ستون‌ها، ناحیه اتصال تیر به ستون و دال‌های دو طرفه بدون تیر عنوان شده است. همچنین برای تیر و ستون‌ها لازم است به نکات مربوط به آرماتورهای عرضی و طولی و همینطور برش در تیر و ستون‌ها توجه کنیم.

در اجرای تیر و ستون‌ها لازم است که به محدودیت‌های هندسی نیز توجه کنیم برای مثال در طراحی و اجرای تیرها ارتفاع موثر مقطع نباید بیشتر از یک چهارم طول دهانه آزاد بوده و همینطور عرض مقطع نباید کمتر از یک چهارم ارتفاع آن و 250 میلی‌متر باشد. در تصویر زیر نمونه‌ای از سیستم باربر جانبی دو گانه شامل قاب خمشی و دیوار برشی را مشاهده می‌کنید.

• قاب‌های با شکل پذیری زیاد (ویژه)

در این قاب‌ها نیز مانند قاب‌های با شکل‌پذیری متوسط، ضوابطی برای موارد زیر عنوان شده است:

1. تیرها شامل آرماتورهای طولی، آرماتورهای عرضی و برش در تیرها
2. ستون‌ها شامل آرماتورهای طولی، عرضی و برش در ستون‌ها
3. حداقل مقاومت خمشی ستون‌ها
4. اتصالات تیر به ستون در قاب‌های ویژه شامل آرماتورگذاری، مقاومت برشی ناحیه اتصال تیر به ستون، طول گیرایی میلگردهای کششی

همچنین در این قاب‌ها نیز لازم است حتما به محدودیت‌های هندسی توجه شود. به عنوان مثال در این تیرها ارتفاع موثر مقطع نباید بیشتر از یک چهارم طول دهانه آزاد بوده و همینطور عرض مقطع نیز نباید کمتر از سه دهم ارتفاع آن و 250 میلی‌متر باشد.

تغییر شکل‌های جانبی در قاب خمشی 

به طور کلی تغییر شکل‌هایی که در سیستم قاب خمشی رخ می‌دهند حاصل دو نوع تغییر شکل خمشی و برشی قاب است.

1) تغییر شکل خمشی قاب:

تغییر شکل خمشی به علت جابجایی و در نتیجه کاهش و افزایش طول ستون‌های قاب رخ می‌دهد. به طور کلی در سازه‌های مرتفع این نوع تغییر شکل تنها ۱۰ درصد از تغییر شکل جانبی را شامل می‌شود.

2) تغییر شکل برشی قاب:

تغییر شکل برشی از مجموع تغییر شکل‌های تیر و ستون‌های قاب تشکیل شده و به آن لنگر برشی هم گفته می‌شود. در سازه‌های مرتفع بیش از 90 درصد تغییر شکل های جانبی مربوط به این نوع است.

در شکل تصویر این تغییر شکل‌ها را مشاهده می‌کنید.

مزایا و معایب قاب خمشی 

تا اینجای مقاله در مورد تمام آنچه که باید درباره قاب خمشی بدانید صحبت کردیم در این بخش قصد داریم به بررسی مزایا و معایب این سیستم‌ها بپردازیم.

• انعطاف پذیری بالا
• ایجاد فضای خوب و آزادی عمل در معماری
• قابلیت تقویت در صورت وارد شدن بارهای اضافه
• به علت نوع طراحی دسترسی راحت به مصالح
• سرعت اجرای بالا

• احتمال آسیب رساندن به اعضای غیر سازه‌ای
• تغییر شکل‌های شدید بر اثر گشتاور خمشی
• چالش‌های طراحی به علت استفاده از اتصالات صلب
• نیاز به نیروی ماهر در طراحی و اجرا
• نداشتن قابلیتی برای بررسی و اطمینان از عملکرد صحیح سیستم

تفاوت سیستم مهاربندی و قاب خمشی 

همانطور که گفتیم در سیستم باربر جانبی دوگانه و ترکیبی می‌توان از دو سیستم قاب خمشی و مهاربند استفاده کرد. شاید برایتان سوال باشد که تفاوت این دو سیستم در چیست. در این بخش با بیان ویژگی‌های هر یک از این دو سیستم به این سوال پاسخ می‌دهیم.

1. در سیستم قاب مهاربندی شده اتصالات بین تیر و ستون به صورت مفصلی هستند ولی در قاب خمشی از اتصالات صلب استفاده می‌شود.
2. مهاربندها گشتاور ایجاد شده را توسط اتصالات انتقال نداده این درحالی است که قاب خمشی این کار را می‌کند.
3. تحلیل سازه‌ای سیستم قاب خمشی دارای پیچیدگی‌های بیشتری نسبت به مهاربند است.
4. اجرای سیستم قاب خمشی نیاز به نیروی کار ماهر دارد.
5. با توجه به نوع اتصالات و پیچیدگی آن‌ها در سیستم قاب خمشی، هزینه اجرای آن بالاتر از مهاربند است.
6. روش قاب مهاربندی شده از پایداری خوبی برخوردار است.
7. قاب خمشی ظرفیت شکل‌پذیری بالا و سختی کمی نسبت به قاب مهاربندی شده دارد.

جمع بندی

سیستم قاب خمشی به عنوان یکی از انواع سیستم باربر جانبی است که برای مقاومت ساختمان در برابر نیروهای جانبی اجرا می‌شود. قاب‌های خمشی در سه نوع معمولی، متوسط و ویژه اجرا می‌شوند که در این مقاله به بررسی آن‌ها پرداختیم. تفاوت روش قاب خمشی با قاب مهاربندی شده نیز موضوع مهمی است که در انتها بررسی کردیم.

در انتهای این مقاله امیدواریم به خوبی با سیستم قاب خمشی 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

مشاهده مسیر یادگیری