اسرار پشت پرده مهاربند همگرا

مهاربند همگرا :

مهاربند همگرا (Concentrated Bracing Frames) نوع خاصی از سیستم مهاربندی ساختمان میباشد که نکات بسیار جالبی را در مورد این سیستم باربر سازه ای ما باید بدانیم ، اما متاسفانه به دلیل عدم شناخت درست و دقیق مهندسین عمران از این نوع مهاربند ها ، هنگام طراحی سازه و استفاده از آن ها ما دچار اشتباه میشویم.

در این مقاله در طول  حدود ۲۰۰۰ کلمه و با صرف زمان ۷ دقیقه ما به شما نکات مهم مهاربند همگرا را آموزش میدهیم و در کنار این مقاله ، برای درک بهتر مهاربند های همگرا.فیلم آموزشی را برای شما نمایش خواهیم داد.

قاب مهاربند همگرا یکی از سیستم های مقاوم در برابر زلزله است که به دلیل سختی جانبی بالا، سهولت اجرا و عملکرد لرزه ای نسبتاً مناسب در هنگام زلزله، در مناطق با خطر لرزه خیزی بالا استفاده میشود.در این مقاله سعی شده است تا با زبانی بسیار ساده به تعریف کاربردی از مهاربندهای همگرا بپردازیم و تمامی نکات آن ها را از مقدماتی ترین تعاریف تا حرفه ای ترین نکات بررسی کنیم.

 

 

ازدواج مهاربندی :

اگر به دنبال اولین ایده های بادبندهای همگرا بگردیم متوجه میشویم که در تحقیقات علمی بادبندهای واگرا مقداری قدیمی تر از مهاربندهای همگرا هستند.اما در پشت پرده تمامی این تاریخچه های تحقیقاتی داستانی زیبا میباشد که موجب کشف مهاربند همگرا شد.در سال های دور خانمی مکزیکی نظر یک مهندس عمران اهل کانادا را به خودش جلب میکند.در پی دیدار های بسیاری که این دو جوان با هم داشتند احساسی به وجود میآید که در نتیجه آن آقای مهندس عمران کانادایی برای گرفتن اجازه ازدواج از خانواده دختر خانم ، به سمت مکزیک رهسپار میشود.

از قضا پدر دختر خانم مزرعه ای در مکزیک داشت و زمانیکه آن مهندس عمران کانادایی مشغول صحبت کردن با پدر دختر خانم بود تکه چوب موربی شکل که بر درب ورودی مزرعه نصب شده بود نظرش را جلب کرد.پس از جویا شدن دلیل اعمال این تکه چوب موربی روی درب ورودی مزرعه متوجه شد که در مکزیک بسیاری از مزرعه داران برای درب های ورودی خود از این چوب ها استفاده میکنند و این چوب ها موجب استحکام بیشتر درب ها میشود.

مهندس عمران کانادایی این ایده را در ذهن خود ثبت کرد و زمانی که به کشور خود بازگشت در این باره تحقیق های بسیارب را انجام داد که این تحقیق ها اولین گام های استفاده از مهاربند ها در ساختمان شد.

 

مهاربند همگرا (CBF) چیست ؟

مهاربند همگرا همانطور که از اسمش مشخص است مهاربند میباشد که یا خود آن و یا امتداد اعضای آن در یک نقطه همگرا میشوند.حال این نقطه ممکن است در وسط قاب و یا در وسط تیر باشد.

همانطور که در مقاله ای دیگر خدمتتان توضیح دادیم مهاربند ها اعضای باربر جانبی هستند که به سازه ها اضافه میگردند تا سختی جانبی سازه را افزایش دهند.

به طور کلی میتوانیم بگوییم ساده ترین سیستم سازه ای ساختمان قاب ساده است که هیچگونه سختی جانبی از خود نشان نمیدهد.پس از قاب ساده ساختمانی ما به سراغ قاب خمشی میرویم.قاب خمشی به دلیل اتصالات صلبی که دارد توانایی انتقال لنگر از تیر به ستون را دارد.(اگر به مطالب تخصصی در مورد تفاوت قاب خمشی و قاب ساده نیازمندید روی متن سبز رنگ کلیک کنید کلیک کنید) حال اگر بنا به دلایلی در هنگام طراحی سازه نیاز داشتیم تا سختی جانبی را افزایش دهیم ، درساده‌ترین حالت میتوانیم از دیوار برشی و مهاربند ها استفاده کنیم.

حال جالب است که بدانید خود این مهاربند ها به دسته های مختلفی تقسیم میشوند که رایج ترین دسته بندی به شرح زیر میباشد :

1. مهاربندهای همگرا
2. مهاربند های واگرا
3. سیستم های نوین مهاربندی

پس از آشنایی با دسته بندی بالا میتوانیم بیان کنیم که مهاربند همگرا ، مهاربندی میباشد که دست کم یکی از دو سر عضو آن به محل اتصال تیر با ستون متصل شده است ودو سر دیگر آن نیز به سمت یکدیگر همگرا میشوند.باتوجه به نامی که روی این نوع بادبند ها  (مهاربند همگرا) گذاشته اند ، میتوان متوجه شد که اعضای مهاربندهای همگرا در یک نقطه همگرا شده و با هم تلاقی دارند. این نقطه می­تواند روی تیر روی ستون یا در صفحه قاب باشد. بسته به نقطه تلاقی مهاربند ها نوع آن ها مشخص می­ شود.

 

انواع بادبندهای همگرا:

انواع مهاربند همگرا را میتوان  بر ۶ نوع تقسیم بندی کرد :

1. ضربدری (X-Bracing)
2. قطری(Diagonal Bracing)
3. شورون هشتی(Inverted V- Bracing)
4. شورون هفتی( V- Bracing)
5. ترکیب شورون هفتی و هشتی(Split -X)
6. مهاربند زانویی (K – Bracing)
7. مهاربند دروازه ای

در زیر تصویری از تمامی انواع این مهاربند های همگرا را برای شما تهیه کرده ایم که میتواند روی درک بهتر شما از مهاربند همگرا کمک کند.

طراحی مهاربند همگرا:

اگر در حال یادگیری نکات مهم مهاربندهای همگرا میباشید حتما این سوال برای شما پیش آمده است که تا کنون چه ساختمان هایی با بادبند همگرا ساخته شده است؟آیا مهاربندهای همگرا تنها برای ساختمان های عام کاربرد دارد؟پاسخ ما به این سوال خیر میباشد.

اگر بر روی برج های ساخته شده مقداری تحقیق کنیم با یک ساختمانی روبرو میشویم که به عنوان هشتمین سازه از عجایب هفتگانه در علم عمران مطرح میشود.این برج بلند که تنها در ۳۷۴ روز ساخته شده است به نام برج امپایر استیت معروف میباشد.امپایر استیت لقب شهر نیویورک میباشد که بر روی زیباترین برج این شهر گذاشته شده است.در لابی این برج تصاویر عجایب هفتگانه را میبینیم زیزا طراحان این غول سازه ای معتقد اند که این سازه هشتمین سازه از عجایب هفت گانه میباشد.

جالبه که بدانید دراین برج بلند مرتبه از سیستم مهاربندی همگرا استفاده شدخه است که پاسخ بسیار خوبی را در برابر بار های جانبی شامل میشود.

 

رفتار مهاربند همگرا چگونه است؟

به تصویر زیر دقت فرمایید.اگر از درس استاتیک به خواطر داشته باشید ما خرپا ها(سازه های سه عضوی) را داشتیم.به طورکلی میتوانیم بگوییم که رفتار مهاربند همگرا همانند خرپا هایی میباشد که به صورت عمودی پیشروی کرده‌اند وجالب است که بدانید بادبند همگرا ازطریق سختی محوری ایجاد شده در تیر و ستون به مقاومت در برابر نیرو های جانبی میپردازد.

بال این خرپای توصیف شده ستون ها میباشد که به عنوان عضو مقاوم در برابر لنگر واژگونی در سیستم مهاربند عمل میکند ومیتوان گفت که در سازه های بلند اینگونه تلقی میشود که ستون روبه نیروی جانبی باد تحت کشش و ستون پشت به باد تحت فشار قرار میگیرد.

هنگامی که یک قاب مهاربندی شده را در روبروی خود داریم میتوانیم عملکرد آن را در مرحله ی زیر تصویر سازی کنیم.

1. قاب مهاربند همگرا تحت اثر بار جانبی قرار میگیرد.
2. بار های محوری به وجود آمده در ستون مهاربند همگرا باعث به وجود آمدن تغییر شکل خمشی قاب میشود.
3. از سوی دیگر تغییر شکل های محوری اعضای قطری باعث به وجود آمدن تغییر شکل برشی میشود.

باتوجه به سه مورد بالا در مهاربند همگرا میتوانیم تغییر شکل کلی سازه را به شرح زیر تصویر سازی کنیم.

مزایای مهاربند همگرا :

1. طراحی به نسبت ساده و عدم نیاز به نیروی تخصصی برای اجرا آن
2. سختی بالای سیستم
3. کنترل شدن تغییر مکان جانبی سازه تا حد زیاد به دلیل سختی زیاد سیستم بادبندی

زمانی که از مزایای مهاربند همگرا صحبت میکنیم باید به یک نکته توجه کنیم و آن هم این مسئله است که اکیپ های اجرایی در سطح کشور به چه صورت هستند.بر اساس تجربه در بسیاری از شهر های کشور عزیزم ایران هنوز اکیپ های اجرایی قدرتمندی وجود ندارند که بتوان روی ان ها برای سیستم های خاص مهاربندی اعتماد کرد.ولی مهاربند همگرا از آن دسته از سیستم های باربر سازه ای میباشد که به دلیل طراحی و اجاری آسان آنچنان دغدغه ای برای ما ایجاد نمیکند و این مسئله به اندازه ای است که مهندسان طراح هنگامی که در پروژه های خود از سیستم مهاربند همگرا استفاده میکنند آنچنان نگرانی بابت دریفت سازه و کنترل آن ندارند و دلیل آن سختی بسیار بالای این نوع مهاربند ها میباشد.

 

معایب  :

1. ایجاد محدودیت های معماری برای طراحان معماری در هنگام اعمال بازشو ها(درب و پنجره و…)
2. جذب و مستهلک کردن انرژی کم که دلیل آن شکل پذیری بسیار کم میباشد و دلیل شکل پذیری کم سختی بالا میباشد.

معمولا تمامی طراحان معمار تمایل به ایجاد بازشوهای خاص بنا بر هر دلیلی دارند.به عنوان مثل معماران تمایل به اعمال پنجره های بزرگ و مناسب برای ایجاد نور کافی در ساختمان هستند و زمانی که ما از مهاربند همگرا و به خصوص مهاربند ضربدری استفاده میکنیم ، محدودیت هایی را برای آزادی عمل بالای آن ها به وجود میآوریم.

در مورد نکته دوم اینگونه میتوانیم شرح دهیم که مهاربند همگرا یکی از نقاط قوتش سختی بسیار بالا بود اما همین سختی بسیار بالا موجب کاهش شکل‌پذیری میشود و این شکل پذیری کاهش یافته اثراتی مثل کاهش جذب و مستهلک کردن انرژی را در سازه ها به همراه دارد.

 

مهاربند همگرا در استانداردها و آیین نامه ها :

اگر درآیین نامه های ایرانی جستجو کنیم میبایستی به مبحث دهم مقررارت ملی ساختمان ، بند ۱۰-۳-۱-۲ قسمت ب مراجعه کنیم.با مراجعه به این بند مت.جه میشویم که مهاربند همگرا به دو دسته ی زیر تقسیم میشود.

1. مهاربند همگرای ویژه
2. مهاربند همگرای معمولی

تفاوت مهاربند همگرای ویژه و مهاربند همگرای معمولی

1. در بدست آوردن نیروی زلزله در طراحی
2. تفاوت ها در رفتار های فراارتجاعی
3. تفاوت در مقدار استهلاک انرژی

بهترین مرجع داخلی کشور برای درک درست تفاوت مهاربند همگرای ویژه و مهاربند همگرای معمولی استاندارد ۲۸۰۰ میباشد.به‌ طورکلی وقتی حرف از تفاوت این دو مهاربند همگرا پیش می‌آید آیین ‌نامه ۲۸۰۰ ضریبی را برای محاسبه­­ ی نیروی زلزله به‌ عنوان ضریب رفتار(Ru) در نظر می‌گیرد (جدول ۳-۴ آیین‌ نامه ۲۸۰۰) که این ضریب تابع نوع سیستم باربر جانبی سازه است.

در سیستم‌ های از نوع ویژه این ضریب مقدار بزرگ‌ تری نسبت به سیستم‌ های نوع معمولی دارد و این باعث می‌شود نیروی زلزله‌ی وارد بر سازه (ABI/RU) در سیستم‌ های بادبندی ویژه، نسبت به سیستم ‌های بادبند همگرای معمولی کمتر شود. در نتیجه می­توان گفت که در سیستم‌ های ویژه یک قاب سبک ‌تر و شکل‌ پذیرتر نسبت به سیستم معمولی خواهیم ­داشت که رفتار انعطاف ‌پذیرتری از خود در زلزله نشان می‌ دهد.

در نهایت می­توان گفت که در سیستم ‌های مهاربند همگرای ویژه، ما رفتار فرا ارتجاعی (خارج از ناحیه الاستیک) بیشتری از اعضا انتظار داریم، درصورتی‌که در سیستم‌ های مهاربند همگرا معمولی در ناحیه الاستیک باقی می­مانند. این بدان معناست که در سیستم مهاربند همگرا ویژه ما به اعضای بادبندی اجازه می­دهیم وارد ناحیه پلاستیک شوند. در واقع در سیستم‌ های مهاربند همگرای ویژه، بادبندها باید نقش یک عضو شکل‌ پذیر را داشته باشند و مثل یک فیوز عمل کنند تا سایر اعضای قاب مهاربندی یعنی تیرها و ستون­ ها در ناحیه الاستیک باقی بمانند. به همین علت سیستم ‌های مهاربند همگرای ویژه استهلاک انرژی بیشتری نسبت به سیستم ‌های مهاربند همگرای معمولی دارند. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در این مورد به ‌صورت زیر توضیح داده است.

اگر درآیین‌نامه های اروپایی به دنبال مطالبی در مورد مهاربند همگرا بگردیم ، بدون شک به آیین نامه ی Eurocodes برمیخوریم که بر خلاف بسیاری از قسمت ها این آیین نامه از نظر مهاربند بسیار کامل میباشد.شما عزیزان میتوانید با جستجو کردن اطلاعاتی در این باره را بدست آورید

 

مهاربند های شورون (معروف به هفتی و هشتی):

مهاربند همگرا شورون به نوعی سیستم مهاریندی ساختمان میگویند که یک سر آن به محل اتصال تیر و ستون متصل است و سر دیگر آن به عضو دیگر مهاربند متصل است.برای درک بهتر مهاربند همگرای به تصاویر بالا مراجعه کنید و تصاویر مربوط به مهاربندهای هفتی و مهاربند های هشتی را مشاهده بکنید.در حقیقت میتوانیم بگوییم که مهاربند های همگرا شورون به این دلیل که آزادی عمل بالاتری را به طراحان معماری میدهند این روز ها پر کاربرد تر شدند.

تفاوت مهاربند شورون با مهاربند های واگرا :

دربند ۱۰-۳-۱۰-۲ قسمت پ مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در رابطه با تفاوت مهاربند همگرا شورون و مهاربند واگرا اینگونه توضیح داده است که :

 

در واقع اگر در شکل بالا e<d_b باشد، بادبند از نوع شورون هشتی است و باید الزامات آیین‌ نامه‌ای مربوط به مهاربند همگرای هشتی برای آن رعایت شود.

نکته ی مهمی که در هنگام طراحی مهاربند همگرا شورون ما باید بدانیم این موضوع است که  محل تلاقی محورهای اعضای مورب آن‌ ها، باید روی محور میانی جان تیرِ متصل به مهاربند قرار گیرد و اگر این چنین طراحی و یا اجرا نشود(محل تلاقی، خارج از محور تیر قرارگرفته باشد)یک نیروی لنگر اضافی ناشی از نیروی محوری تیر در سازه ایجاد می‌شود و لنگر خمشی مازادی را به سازه تحمیل می ­کند که در حین طراحی تا پیدا است و دیده نمی­شود.

نکات مهم در مورد مهاربند همگرا شورون:

1. مهاربند همگرای شورون (هفتی و هشتی) به دلیل اینکه آزادی عمل بالایی را از نظر معماری دارد بسیار مورد توجه طراحان معماری قرار گرفته است و میتوان گفت این روز ها طراحی مهاربند همگرا شورون جزء مطالب مهم است.
2. اگر قرار باشد شما بین مهاربند همگرا شورون هفت و هشت یکی را انتخاب کنید کدام را انتخاب میکنید؟به تصویر زیر دقت کنید.تحقیقات جامعه ی عمرانی بیان میکند مهاربند همگرای هشتی در پایین ‌ترین طبقه نیاز به اتصال مهاربند به فونداسیون ندارد، این در حالی است که مهاربند همگرای هفتی به اتصال به فونداسیون نیاز دارد که این کاری پیچیده است و در نتیجه طراحی و اجرای مهاربند های هشتی مقداری کار ما طاراحان و مجریان سازه ای را آسوده تر میکند.
3. فرض کنید در طبقه اول خودمان پارکینگ داریم و اگر از مهاربند همگرا هفتی استفاده کنیم در ایجاد بازشو به مشکل بر میخوریم.البته برای رفع این مشکلات ما طراحان میتوانیم به گونه ای عمل کنیم که در طبقه اول از مهاربند همگرا هشتی و در طبقه دوم از مهاربند همگرا هفتی استفاده کنیم.

 

 

۴ .  اگراز نظر ساز و کار انتقال نیرو ، مهاربند همگرا شورون هفتی و هشتی را با هم مقایسه کنیم متوجه میشویم که این بادبند همگرا هفتی است که موفق تر عمل میکند و دلیل آن هم این مسئله است که تحت اثر بار ثقلی ، در مهاربند همگرا هفتی نیروی کشش ایجاد میشود و در نتیجه وقوع پدیده کمانش برای این بادبندها هنگام زلزله به تعویق می‌افتد. درصورتی‌که در مهاربند شورون ۸ تحت اثر بارهای ثقلی نیروی فشاری در بادبند ایجاد می‌شود که وقوع پدیده کمانش را جلو می‌اندازد.