مهاربند ها و نکات مهم آن ها

مهاربند چیست؟

مهاربند ها و سختی ناشی از آن ها را میتوان به ناجیان رشته ی عمران و علم طراحی ساختمان تشبیه کرد.یکی از بزرگترین زلزله هایی که انسان ها به خودشون دیده اند زلزله ی کانتو ژاپن میباشد.زلزله ی کانتو در اوج دردناکی وخرابی های زیاد، برای ما مهندسین درس های بزرگی را داشت.بعد از زلزله ی کانتو بود که اولین صحبت های علمی از مهاربند ها به میان آمد ومحققین سعی کردند تا انواع آن ها مثل مهاربندهای‌واگرا و مهاربندهای‌همگرا را بشناسند.

به زبان ساده میتوانیم بگوییم مهاربند یا بادبند یک عضو سخت کنند جانبی سازه میباشد که ساختمان مورد طراحی مارا در برابر نیروهای جانبی همانند باد یا نیروی زلزله مستحکم میکند.این اعضای ساختمانی به انواع مختلفی تقسیم میشوند که در این مقاله از شهر نوین عمران ومعماری به صورت مفصل در مورد آن ها صحبت میکنیم.

 

مهاربند ساختمان :

در مقالات قبلی در مورد انواع قاب های ساختمانی مثل قاب ساده ساختمانی وقاب خمشی ساختمانی صحبت کردیم و همینطور تفاوت خمشی و قاب ساده ساختمانی را با هم بررسی کردیم.اجازه دهید یک یادآوری از این دو مقاله بکنم و این مقدمه را عرض کنم که تفاوت اصلی سیستم باربر سازه ای قاب ساده با سیستم باربری قاب خمشی ساختمانی در اتصالات بین تیر و ستون میباشد.در قاب های خمشی به دلیل اتصال صلب بین تیر و ستون لنگر از تیر به ستون منتقل میشود و این انتقال لنگر موجب ایجاد سختی جانبی در سازه میشود.حال گاهی ما به هر دلیلی نیاز داریم که این سختی را بیشتر کنیم و یا ابعاد قاب خمشی خود را کوچکتر کنیم در این هنگام از سیسم مهاربندی ساختمان کمک میگیریم.پس در مرحله ی اول باید بدانیم که این سیستم سختی جانبی سازه را افزایش میدهد وموجب این میشود که سازه عملکرد بهتری در برابر بار های جانبی مثل بار باد و زلزله از خود نشان دهد.

 

تاریخچه پیدایش این سیستم باربر سازه ای:

میتوان به طور کلی تاریخچه ی مهاربندها را به سال ۱۹۵۶ برگرداند زمانی که یک گاوچران مکزیکی برای درب اصطبل خودش از آرایش وچیدمان جالبی از چوب ها دست بوده بود داماد این گاو چران که یک مهندس عمران کانادایی بود ایده ای جالب به سرش خطور کرد و چندین سال بعد در یکی از سازه هایی که خودش اجرا کرد از این سیستم باربر استفاده کرد و نتایج جالبی را بدست آورد.(لازم به ذکر است در این باره هیچ مرجع قابل اعتمادی وجود ندارد و تنها به عنوان یا داستان قابل استناد میباشد).سال ها بعد ، پس از زلزله ی وحشتناک کانتو محققی ژاپنی به نام فوجیموت در سال ۱۹۷۲ میلادی به نتایج جالبی در باره مهاربندهای همگرا رسید.اما محققی روسی به نام پوپوف را میتوان به عنوان پدر مهاربند ها نام برد زیرا تحقیقات مستمر این شخص در سال های بین ۱۹۷۷ تا ۱۹۸۹ بود که مهاربند ها را سر وسامان داد.

اما هیچگاه تحقیق کردن و نتیجه گرفتن باز نمیایستد و همه‌روزه هم تحقیقات بسیاری در مورد انواع مهاربند ها انجام میشود که مهم ترین آن ها را برای شما گرد آوری کرده ایم.اما در ابتدا لازم است تا به طور کامل با مهاربند ها آشنا شویم.

میتوانیم در مراحل ابتدایی اینگونه بیان کنیم که مهاربند ها سیستم های باربر جانبی به صورت اعضای قطری هستند که بار های جانبی را به صورت کشش و فسشار تحمل میکنند.

انواع مهاربند ها (Concentrated Bracing Frames)

:

این سیستم باربر سازه ای را میتوان به گونه های مختلفی دسته بندی کرد اما اگر اجازه دهید در این مقاله ما به سبک آییین نامه کشور آمریکا پیش برویم.پس از این رو ما بادبند ها(مهاربند ها) را به سه دسته زیر تقسیم بندی میکنیم.

1. مهربندهای همگرا
2. مهاربندهای واگرا
3. سیستم های نوین مهاربندی‌ساختمان

 

مهاربند های همگرا :

به تصویر زیر دقت کنید .در شکل زیر انواع مهاربند های همگرا را برای شما آوردیه ایم.

 

 

طراحان سازه های از مهاربند های همگرا (concentrated bracing frames)برای پایداری سازه ها در برابر بار های جانبی (مثل بار باد و زلزله )استفاده میکنند.مهاربندهای همگرا با ایجاد سختی جانبی باعث مستحکم تر شدن سازه هادر برابر بار های جانبی میشوند.

هنگامی که ما از مهاربند های همگرا در سازه ها استفاده میکنیم انتظار داریم تا طبق اصل طراحی لرزه‌ای این سیستم‌های مهاربندی تحت زلزله‌‌های شدید بتوانند پاسخ غیر ارتجاعی پایدار و مداومی از خود نشان دهند.

خصوصیت مهم مهاربند های همگرا این میباشد که هر دوسمت مهاربند های همگرا به محل اتصال تیر به ستون متصل میشود.ولی همین اتصال عضو های مهاربند ها با تیر وستون به کمک ورق هایی انجام میشود.در سال ۲۰۰۱میلادی تحقیق بینظیری در مورد مهاربند های همگرا انجام گرفت و نتیجه ی این تحقیق نشان داد که عملكرد لرزه‌ای مهاربندهای همگرا با طراحی ورق اتصال و با اجازه یافتن ورق اتصال به تسلیم شدن بهبود می‌یابد.

 

طراحی مهاربندهای همگرا

ایده ی اصلی پشت طراحی مهاربندها دیدگاه طراحی برای ظرفیت میباشد بنا بر این نظریه زمانی که یک طراح سازه ای شروع به طراحی کردن مهاربند همگرا میکند ایده ی اصلی آن میبایستی این باشد که مهاربندهای همگرا به گونه‌ای طراحـی شوند كه تحت بارهای لرزه‌ای(باری که سازه در برابر آن طراحی میشود)، انرژی به وسیله كمانش و یا جاری شـدن بادبنـد مسـتهلك شود.

سایر اعضاء و اتصالات برای تحمل سطح بار طراحی می‌شوند كه منجر به كمانش و جاری شدن بادبنـد شـود.

 

مشکل اصلی مهاربند های همگرا :

1. در محدوده غیرارتجاعی به علت سختی جانبی مهاربندها ، قابلیت جذب انرژی کمتری دارند و در نتیجه دارای شکل پذیری کمتری می باشند.
2. ضعف کمانش عضو فشاری
3. معمولا آزادی عمل طراحان معماری را تحت تنگنا قرار میدهد.

هنگامی که سیستم های باربر سازه ای متفاوت را بررسی میکنیم ابتدا به قاب ساده ساختمانی میرسیم که سختی جانبی ناچیزی دارد(به گونه ای که میتوان برابر صفر قرار داد) بعد از آن به قاب خمشی ساختمانی میرسیم.در قاب خمشی به دلیل وجود اتصالات صلب سختی جانبی قابل قبولی وجو دارد اما در گاهی مواقع این سختی کافی نیست برای همین از مهاربند و یا دیوار برشی کمک میگیریم.معمولا در سازه های بلند که استفاده از سازه فولادی مرسوم تر است از مهاربندها استفاده میکنیم.نقطه ضعف عمده این نوع سیستم باربر سازه ای(مهاربند)این امر است که در محدوده غیرارتجاعی به علت سختی جانبی مهاربندها ، قابلیت جذب انرژی کمتری دارند و در نتیجه دارای شکل پذیری کمتری می باشند.

علاوه بر آن، معمولا آزادی عمل طراحان معماری را تحت تنگنا قرار میدهد به همین دلیل در گذشته برای رفع این مشکل و بدون توجه به رفتارهای لرزه ای، سیستم های با مهاربند واگرا مورد استفاده قرار گرفتند. با پیشرفت علم مهندسی سازه و توجه به مفاهیمی هم چون شکل پذیری ، ظرفیت جذب و استهلاک انرژی در سازه ها، این سیستم به عنوان جایگزینی مناسب برای سیستم های با مهاربندی همگرا مطرح شد.

 

مهاربند های واگرا (Eccentric Bracing Frames) :

به تصویر زیر دقت کنید.در تصویر زیر مجموعه ای کامل از مهاربندهای‌واگرا را برای شما به تصویر کشیده ایم.به طور کلی میتوانیم بگوییم مهاربند واگرا مهاربندی میباشد که حداقل یک سر از اعضای آن به محل اتصال تیر به ستون  متصل نشده است.پارامتر مهمی که تاثیر به سزایی بر سختی و مقاومت نهایی مهاربندهای واگرا دارد نسبت   e/L است.e طول تیر پیوند و L طول کل تیر دهانه مهاربندی واگرا می باشند.

 

در سال ۱۹۹۹ تحقیق جالبی برروی مهاربند های واگرا در کشور ژاپن انجام شد.پس از اتمام این تحقیق نتایج جالبی در مورد سختی مهاربندهای همگرا و واگرا به مهندسین عمران و طراحان سازه ای داد.حداکثر سختی سازه به ازای  e/L=0 یا e=0   حاصل می گردد که مربوط به قاب با مهاربندی همگرا می باشد. همان طور که مشاهده می شود با افزایش طول تیر پیوند، سختی جانبی به سرعت کاهش می یابد اما از e/L=0.5   به بعد این کاهش با آهنگ کندتری ادامه می یابد و در نهایت به مجانب افقی که همان سختی قاب بدون مهاربند است، نزدیک می شود.

 

نکات اصلی در مورد مهاربند های واگرا :

1. در خیلی از موارد بویژه در مواقعی که طراحان معماری در تنگنا هستند استفاده از قاب های ساختمانی مهاربندی شده به کمک مهاربند واگرا اجتناب ناپذیر است
2. مهاربندهای‌واگرا نسبت به مهاربندهای‌همگرا دارای سختی جانبی کمتر اما در عین حال شکل پذیری بیشتری هستند. با افزایش طول تیر پیوند از سختی جانبی قاب کم می گردد.همچنین با افزایش طول پیوند و تغییر مکانیزم از برش به خمش، تنش در تیر پیوند افزایش مییابد. به طوری که در تیر پیوند با مکانیزم برشی، جان در کل طول تیر پیوند به تسلیم میرسد و بالا تیر در حالت الاستیک هستند یعنی جذب انرژی به وسیله ی جان تیر پیوند صورت میگیرد.
3. در تیرهای با مکانیزم خمشی، با توجه به تنشهای تیر پیوند مشخص میشود که بالاها کاملا تسلیم میشوند و برش حاکم نمیباشد. جذب انرژی که در این حالت توسط بالاها انجام میشود و جذب انرژی در این حالت کمتر از تیر پیوند برشی میباشد.در تیر پیوند با مکانیزم خمش-برش با بررسی تنشهای تیر پیوند مشخص میشود که جان در کل طول پیوند و بالاها در دو انتهای پیوند تسلیم شده اند. عملیات حرارتی و جوش کاری در محل های اتصلات باعث کاهش شکل پذیری می گردد.

 

سیستم های نوین مهاربندی :

هنگامی که در سازه های طراحی شده از مهاربند واگرا استفاده میکنیم بایستی که پس از هر زمین لرزه تیر پیوند را بررسی کنیم و اگر از نظر لرزه ای بر اساس نظریه ظرفیت دچار نقصی شده باشد آن را مجدد تقویت نموده و در سازه اعمال کنیم.اما یکی از بزرگترین مشکلات سیستم های مهاربندی‌واگرا سختی آن در هنگام تعویض تیر پیوند میباشد.به همین دلیل با مقداری تحقیق و بررسی محققین سیستم های نوین مهاربندی را پیشنهاد داده اند.

 

 

 

در نهایت از شما خواهشمندیم که اگر در مورد مقاله ی فوق اطلاعاتی دارید از طریق قسمت نظرات زیر برای ما یادداشت کنید تا با نام خودتان آن ها را منتشر کنیم.

همچنین اگر به دنبال اطلاعات جامع تر در مورد این دیوار ها هستید میتوانید درGoogle Scholar جستجو نمایید.