مهاربند واگرا

مهاربند واگرا:

مهاربند واگرا یا به اصطلاح تخصصی Eccentrically Braced Frame در علم عمران واژه ای بسیار نام آشنا برای ما میباشد.در سال  ۱۹۸۵ پس از زمین لرزه مکزیکوسیتی گروهی از محققین دانشگاه هاروارد دست به تحقیقات گسترده ای زدند که نتایج بسیار جالبی را برای مهندسین عمران به همراه داشت.

در این مقاله از شهر نوین عمران ومعماری به بررسی این سیستم باربر سازه ای ( مهاربند واگرا ) میپردازیم و همچنین طراحی مهاربند واگرا به روش LRFD را در آموزشی دیگر بیان میکنیم و پس از آن به بررسی مهاربند واگرا در ایتبس میپردازیم.

مهاربند های همگرا (Concentric Brace Frame)از لحاظ مقاومت و سختی بسیار کارآمد میباشند ودر طراحی های سازه ای بسیار به ما کمک میکنند اما متاسفانه این مهاربند های همگرا ضعف های بزرگی دارند.یکی از بزرگترین ضعف های مهاربند های همگرا انعطاف پذیری بسیار کم این سازه ها میباشند.از این رو ما مهندسان عمران در طراحی سازه در مواقعی از مهاربند های واگرا استفاده میکنیم.

 

مهاربند واگرا چیست؟

در مقالات قبلی در مورد انواع سیستم باربر سازه ای صحبت کردیم، قاب ساده ساختمانی ، قاب خمشی را توضیح دادیم و بیان کردیم که در انواع سیستم های قابی ساختمانی سختی جانبی بسیار کم است به گونه ای که در قاب ساده ساختمانی به دلیل اتصالات مفصلی بین تیر و ستون ، سختی جانبی رو به صفر است.گاهی اوقات ما بنا بر شرایطی نیاز داریم تا سختی جانبی را افزایش دهیم و معمول ترین راه برای این کار مهار کردن قاب ساختمانی خودمان میباشد که این روز ها استفاده از دیوار برشی و مهاربند ها بسیار معمول میباشد.در مقالات جداگانه طراحی دیوار برشی را آموزش دادده ‌ایم و تمامی نکات مربوط به مهاربند ها را بیان کردیم.

 

 

یک نکته که بیان آن بسیار مهم است این است که ما در هنگامی که داشتیم قاب خمشی و قاب ساده را بررسی میکردیم بیان کردیم که تغییر شکل و استهلاک انرژی قاب ساده بیشتر از قاب خمشی است اما متاسفانه قاب ساده ساختمانی سختی جانبی خیلی خیلی کمی دارد.زمانی که با هم مهاربند های همگرا را شناختیم بیان کردیم خود این سیستم قاب خمشی تغییر شکا و استهلاک انرژی بیشتری نسبت به مهاربند های همگرا دارد اما سختی جانبی آن ها بسیار کمتر است.حال زمانی که ما از مهاربند  واگرا صحبت میکنیم از سیستمی باربر سازه ای با تغییر شکا بالا و استهلاک انرژی قابل قبول و سختی خوب صحبت میکنیم(یعنی سیستم باربر سازه ای بین قاب خمشی و مهاربند همگرا).

حال خود این مهاربند ها به دو دسته ی مهاربند های همگرا و مهاربند واگرا تقسیم میشوند(شما میتوانید تمامی مقالات شهر نوین عمران ومعماری در مورد عبارات بالا را با کلیک کردن روی هر کدام به صورت رایگان مطالعه کنید).

برای درک بهتر مهاربندهای واگرا به تصویر زیر دقت کنید.در ابتدای این مقاله میتوانیم بگوییم پارامتری به نام تیر پیوند (e) آسان ترین معیار تشخیص مهاربند واگرا میباشد.البته در انتهای این مقاله شما به آنچنان درکی از مهاربندهای واگرا میرسید که این مطلب بسیار خنده دار میباشد.

 

خود این مهاربند های واگرا به روش های متفاوتی دسته بندی میشوند که معمول ترین روش تقسیم بندی آن ها از نظر هندسی است.

 

انواع مهاربند واگرا از لحاظ هندسه

مهاربندهای واگرا بر چهار نوع هستند که در شکل زیر نشان داده شده است.

1. مهاربند واگرا با یک عضو قطری و یک تیر پیوند
2. مهاربندهای‌واگرا با دو عضو قطری و یک تیر پیوند
3. مهاربندهای‌واگرا با دو عضو قطری و دو تیر پیوند
4. مهاربندهای‌واگرا با یک عضو قطری و دو تیر پیوند (در شرایط خاص این نوع استفاده میشود)

 

قسمت های سازنده بادبند های واگرا:

1. اعضای قطری مهاربند
2. تیر پیوند
3. تیر خارج از ناحیه پیوند
4. ستون

مدل کلی قاب EBF( مهاربند واگرا ) شامل تیر پیوند و یک و یا دو تیر خارج از ناحیه پیوند  و بادبند و ستونهاست. شکل کلی این قاب تا حدی شبیه به قاب مهاربندی همگراست با این تفاوت که انتهای هر مهاربند باید به صورت واگرا به قاب متصل شده باشد(منظور از متصل شدن واگرا وجود یک عضوی به نام تیر پیوند میباشد).

تیر پیوند در قاب مهاربند واگرا یک المان حساس و بحرانی است و تنها قسمتی از قاب است که وارد مرحله پالستیک و یا فرا ازرتجاعی میشود به طور کلی میتوانیم بگوییم که تیر پیوند مانند یک فیوز عمل میکند و از وارد شدن نیروی بیش از حد به مهاربند و کمانش آن‌ها جلوگیری می کند.

 

تصویر قسمت های مختلف مهاربند واگرا

انواع رفتار های تیر پیوند:

به طور کلی میتوانیم بگوییم که انواع تیر های پیوند به سه دسته تقسیم میشوند:

1. تیر پیوند با رفتار برشی
2. تیرپیوند با رفتار خمشی – برشی
3. تیر پیوند با رفتار خمشی

تفاوت در رفتار این تیر های پیوند در مهاربندهای واگرا ناشی از طول تیر پیوند است. نوع تیر پیوند و با توجه به طول آن‌ها رفتار آن ها تعیین می گردد.در تصویر زیر برای شما به صورت کاملا علمی و بر اساس پارامتر های ریاضی این مسئله را توضیح داده ایم اما برای دید اولیه مهندسی میتوانیم بگوییم در مهاربندهای واگرا با تیر پیوند کوتاه ما شاهد رفتار برشی از این اعضای سازه ای هستیم و ادر این حالت تیر ها  قابلیت تحمل تغییر شکل باالاتری نسبت به تیر پیوند خمشی دارد. زیرا نیروی برشی در تمام طول تیر پیوند یکنواخت می باشد و کرنشهای برشی پالستیک به صورت یکنواخت در طول تیر پیوند توزیع می شوند که این عمل باعث می شود ایجاد چرخشهای پالستیک بزرگ در تیر پیوند بدون ایجاد کرنشهای موضعی زیاد میسر شود.

همینطور اگر طول تیر ما از نظر دید مهندسی متوسط باشد شاهد رفتار خمشی-برشی و با طول تیر پیوند زیاد شاهد رفتار خمشی هستیم.

 

 

 

در روابط بالا e طول تیر پیوند، Mp لنگر پلاستیک انتهایی تیر پیوند و Vp برش پالستیک در تیر پیوند می باشد.

 

عملکرد مهاربندهای واگرا :

میتوانیم از دید مبحث دهم مقرارت ملی ساختمان ( بند ۱۰-۳-۱-۲) انواع مهاربند های واگرا را به دو دسته زیر تقسیم بندی کنیم.

1. مهاربند واگرای ویزه
2. مهاربند واگرای معمولی

اگر تاکنون طراحی سازه ای انجام داده باشید با یک پارامتر به معنای نیروی برشی حتما کار کرده اید. تمامی ما مهندسان میدانیم که فرمول محاسبه نیروی برشی برابر ( V=CW). ما طراحان سازه ای همواره به دنبال کاهش این نیروی برشی در سازه های خودمان هستیم تا بتوانیم طرح های اقتصادی تر و اعضایی مناسب تر را طراحی کنیم.

حال برای کاهش این نیروی برشی (V) ما میتوانیم روی دو پارامتر کار کنیم:

1. کاهش مقدار وزن سازه (W) : که این وزن را از طریق سبک سازی مصالح و طرح خودمان میتوانیم امکان پذیر کنیم
2. کاهش ضریب زلزله ( C ) : که ای ضریب از سیستم های باربر سازه ای و انواع آن ها ناشی میشود.

 

اگر به استاندارد ۲۸۰۰ نگاهی بیندازیم با فرمول ضریب زلزله آشنا میشویم.طبق گفته استاندارد ۲۸۰۰ ما میتوانیم از فرمول ( C=ABI/Ru ) برای محاسبه ضریب زلزله استفاده کنیم.اگر دو سازه ی کاملا یکسان از نظر ارتفاع ، موقعیت پروژه ، نوع خا ، ضریب اهمیت داشته باشیم که در یکی از آن ها از سیستم مهاربند واگرا ویژه استفاده کنیم و در دیگری از مهاربند واگرا معمولی استفاده کنیم ، در واقع داریم پارامتر Ru در فرمول ضریب زلزله را تغییر میدهیم و مقدار بیشتر متعلق به مهاربندهای واگرا ویژه میباشد.پس در نتیجه با افزایش Ru (که در مخرج فرمول است) ضریب زلزله را کاهش میدهیم و به تبع آن نیروی برشی کاهش میباید.

حال اجازه دهید تا مطلب بالا را یک مقدار تخصصی تر بررسی کنیم.زمانی که ما از مهاربند واگرا ویژه استفاده میکنیم طبق مبحث دهم بند ۱۰-۳ -۱۱ به سازه ی خود این مطلب را میفهمانیم که تحت اثر نیروی جانبی زلزله طرح تغییر شکل فراارتجاعی قابل ملاحظه ای را تحمل نماید و در عینحال در آن ها کاهش مقاومت آنچنانی ملاحظه نشود.در حالی که ما هنگام استفاده از مهاربند معمولی خیلی محتاطانه تر عمل میکنیم.

 

تفاوت اصلی مهاربند واگرا و همگرا :

زمانی که میخواهیم از تفاوت بین سیستم های واگرا و همگرا صحبت کنیم به مهم‌ترین نکته طراحی آن باید دقت کنیم.دانستن این نکته کاملا ضروری و اجباری است که هنگامی که از مهاربند همگرا استفاده میکنیم در واقع اعضای مهاربندی خودمان را وارد ناحیه پلاستیک و یا فراارتجاعی میکنیم.اما در مهاربند های واگرا در خقیقت این تیر پیوند میباشد که خود را فدا میکند تا سایر قطعات سازه ای دچای مشکل نشوند.

درمهاربند واگرا در هنگام اعمال بار جانبی به سازه تیر پیوند وارد ناحیه پلاستیک و یا فراارتجاعی میشود به همین دلیل است نام و اصطلاح فیوز سازه ای را به این تیر ها میدهند.اگر دقت بکنیم در حقیقت فیوز هم در موضوع برق همچین وظیفه ای را دارد و از کل یک سایت برقی مراقبت میکند.

 

اما در کنار این مسئله میتوانیم یک مقایسه جالبی با دید های متفاوت بین مهاربند همگرا  و واگرا داشته باشیم.

• از نظر سختی میتوانیم بگوییم که به طور کلی سختی جانبی مهاربند های همگرا بیشتر از مهاربندهای واگرا میباشد و ما طراحان سازه ای تا یک محدودیتی که داریم بیشتر به دنبال سختی های جانبی بالاتر هستیم اما این مسئله تا حد و حدودی میباشد.
• از نظر شکل پذیری مهاربند واگرا عملکرد مناسب تری را از خود به نمایش میگذارد و خود این موضوع مطلبی مورد پسند برای ما طراحان میباشد.البته این نکته را هم باید بدانیم که شکلپذیری زیاد تا جایی مناسب میباشد و بعد از یک حدی ما را دچار نگرانی میکند.
• باتوجه به اینکه شکل‌پذیری مهاربندهای واگرا بیشتر از مهاربندهای همگرا میباشد پس میتوانیم نتیجه بگیریم که استهلاک انرژی نیز در مهاربند واگرا بیشتر میباشد.
• اما به غیر از سختی و شکل‌پذیری و استهلاک‌انرژِی مسئله ای به نام محدودیت های معماری نیز برای ما بسیار حائز اهمیت میباشد.و با توجه به تفاوت های خندسی مهاربند های همگرا و واگرا ف این قاب های واگرا هستند که بهتر عمل میکنند.

اما به کنار از تمامی مسایل علمی جای داره این نکته را هم مطرح کنیم که مهاربند واگرا اجرا و قوانین و ضوابط طراحی بسیار دشوار تری را نسبت به سایر سیستم های مهاربندی دارد. این مسئله تا جایی اهمیت دارد حتی اشتباه اجرایی در حد ۱ درجه موقع تغبیه این مهاربند ها گاهی نتایج غیر قابل پیش بینی را به همراه دارد.
اگر به دنبال مقالات بیشتر در مورد مهاربند واگرا هستید میتوانید درgoogle scholar به دنبال مقالات تخصصی بگردید.

 

در دوره مگاپکیج ۰ تا ۱۰۰ سیستم های باربر سازه ای ماهنگام آموزش خودمان به یک تحقیق بسیار جالبی اشاره کردیم که نتایج اجرای اشتباه مهاربند واگرا در حد یک درجه را در نظر گرفته بود. زمانی که ارائه این مقاله تمام شد به یکباره دهان بسیاری از مخاطبان از شدت تعجب باز مانده بود.