انواع سیستم‌های مهاربندی

انواع سیستم های مهاربندی

یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای مقابله با نیروهای جانبی در سازه‌های فولادی غیربلند استفاده از مهاربند است. مهاربندها به شکل‌های گوناگونی اجرا می‌شوند. پیکربندی سیستم‌های مهاربندی عموماً از نوع هم مرکز (هم محور) یا خارج از مرکز (برون محور) است. مهاربندهای هم مرکز سختی سازه را نسبت به قاب خمشی معادل به شدت افزایش داده و تغییر مکان جانبی سازه را محدود می‌نمایند. سیستم مهاربندی برون محور دو ویژگی سختی مناسب جانبی و جذب انرژی بالا را با یکدیگر ترکیب کرده و به کار می‌گیرد. ادامه متن در ادامه مطلبدر سیستم مهاربند برون محور، برون محوری اتصال مهاربندی سبب پدید آمدن لنگرهای خمشی و نیروهای برشی بزرگی در ناحیۀ تیر نزدیک به مهار می‌شود‌. به این ترتیب، تنش‌های این ناحیه از تیر وارد محدوده غیر ارتجاعی شده و سبب اتلاف انرژی ناشی از زمین لرزه می‌شود. این ناحیه از تیر، پیوند نام دارد.

در سیستم مهاربندی هم محور‌، بادبند‌ها از محل تقاطع تیر و ستون عبور می‌نمایند و در بعضی از فرم‌های این نوع مهاربندی، محور دو بادبند در یک نقطه مشترک بر روی تیر با هم تلاقی می‌کنند‌. این سیستم دارای سختی جانبی بسیار بالایی بوده و به این علت که نیروهای جانبی توسط اعضاء به صورت محوری منتقل می‌شوند، سیستمی اقتصادی هستند. مهار‌بندی هم محور علی رغم سختی بالا و مناسب و نیز سهولت طراحی و اجرا دارای اشکالاتی هم است. مهمترینِ این اشکالات از لحاظ معماری ایجاد محدودیت برای اجرای درب‌ها و پنجره‌ها و از نظر سازه‌ای کمانش بادبند‌ها است. کمانش بادبندها منجر به شکل پذیری کم و ظرفیت کم اتلاف انرژی می‌شود. در قاب بادبندی شده برون محور به جای برخورد بادبند به محل اتصال تیر و ستون یا تقاطع محورهای دو بادبند در یک نقطه، با ایجاد یک انحراف، بادبند به تیر متصل می‌شود. قسمتی از تیر که بین تیر و ستون یا بین دو بادبند قرار می‌گیرد، تیر پیوند نامیده می‌شود و به صورت یک فیوز شکل پذیر عمل می‌نماید. در این سیستم تیر پیوند از وارد شدن نیروی بیش از حد به بادبندها و کمانش آن جلوگیری می‌کند. تیر پیوند با تغییر شکل‌های پلاستیک در مود خمشی یا برشی، مقدار زیادی از انرژی وارد شده را مستهلک می‌نماید. سختی مناسب خاصیت عمده سیستم بادبندی هم محور است. شکل پذیری بالا نیز ویژگی عمده قاب خمشی است. در واقع می‌توان گفت که سیستم بادبندی برون محور ترکیب کننده این دو ویژگی مهم است.

در بادبندهای واگرا پیوندهای کوتاه با قابلیت تغییر شکل‌های پلاستیک در خمش یا برش دارای ظرفیت استهلاک انرژی بالایی هستند. در این سیستم حدود ۵ تا ۱۵ درصد از مصرف فولاد در مقایسه با قاب خمشی شکل پذیر کاسته می‌شود، اما به هر حال سیستم های واگرا نیز دارای نقاط ضعفی هستند. برای نمونه می‌توان گفت که استهلاک انرژی توسط تیر پیوند که بخشی از اعضای اصلی قاب است، انجام می‌شود که در نتیجه تعمیر یا تعویض آن بعد از یک زلزله شدید مشکل و پر هزینه خواهد بود. همچنین به منظور فعال کردن تیرهای پیوند، نیاز به اتصالات صلب در قاب است. از دیگر معایب این سیستم می‌توان به اعوجاج بیش از حد سقف در اثر تغییر شکل‌های زیاد تیرهای پیوند اشاره کرد.

ویژگی‌های اساسی سیستم مهاربندی‌

شکل پذیری محدود است
نامعینی بالایی ندارند
مشارکت کلیه اعضای سازه در باربری جانبی فراهم نیست
دیافراگم‌ها نقش عمده‌تری در رفتار لرزه‌ای ایفا می‌نمایند
ظرفیت باربری الاستیک زیادی دارند
در این سیستم‌ها عناصر تعیین کننده رفتار غیر ارتجاعی مهاربندها هستند
ستون‌های طرفین دهانه مهاربندی در این سیستم عناصر مقاومتی هستند.

نقش سیستم‌های مختلف مهار بندی در مقاوم سازی سازه‌های فولادی

آشناترین ‌سیستم مهاربندی در سازه‌های فولادی‌، مهاربندی ضرب‌دری هم مرکز است که با وجود سختی مناسب از لحاظ شکل پذیری و جذب انرژی‌، عملکرد عمدتاً ضعیفی دارد. از سوی دیگر قاب‌های خمشی (MRF) با وجود شکل پذیری بسیار بالا، از نظر سختی و کنترل تغییر مکان‌، به هیچ وجه رفتار مناسبی ندارند.

سیستم‌هایی که بر هر دو مشکل فوق غلبه می‌کنند به دو طیف عمده سیستم‌های مهاربندی خارج از مرکز (EBF) و سسیستم مهاربندی زانویی (KBF) تقسیم می‌شوند. سیستم EBF علی رغم شکل پذیری بسیار عالی، سختی نسبتاً مناسب و تسهیلاتی که به لحاظ ایجاد بازشوها ایجاد می‌کند. به دلیل مشکل ترمیم تیر پیوند‌، پس از یک زلزله شدید و مشکلات طرح و اجرای خود پیوند، نقطه ضعف‌هایی هم دارد.

اما در سیستم KBF المان مستهلک کننده انرژی‌، عضو زانویی است که مانند یک فیوز شکل پذیری عمل می‌کند و تشکیل مفاصل پلاستیک محدود به آن است. عضوی که تعویض آن (جهت بهره برداری مجدد از سازه) پس از یک زلزله شدید سهل تر و عملی تر خواهد بود.

اصولاً در بررسی و مقایسه سیستم‌های مختلف مهاربندی دو معیار عمومی زیر را باید مورد توجه قرار داد.

در زلزله‌های معمولی که خسارت در آن به صورت غیر سازه‌ای است، سازه باید برای حفظ تغییر شکل‌ها در زیر حدی، دارای سختی کافی باشد.
شکل پذیری آن به اندازه‌ای باشد که در زلزله‌های شدید، دچار تخریب سیستم سازه‌ای و انهدام عمومی نشود.

استفاده از دو معیار عمومی فوق الگوی ما در بررسی سیستم‌های مختلف و متفاوتی است که می‌توان آنها را به سه دسته عمومی، مهار‌بندی هم مرکز Concentrated Bracing Frames‌، مهاربندی خارج از مرکز Eccentric Bracing Frames و مهاربندی زانویی Knee Bracing Frames تقسیم می‌شود.

مهاربندی هم مرکز (CBF)

‌مشخصه عمده این سیستم آن است که محورهای خنثی در اعضای مختلف در یک نقطه مشترک تلاقی می‌کنند.
یکی از مهمترین خواص مهاربندی هم مرکز سختی بالای آن است. به همین دلیل معمولاً با افزایش تعداد طبقات و ارتفاع ساختمان و وقتی که استفاده از سایر سیستم‌ها غیر اقتصادی می‌شود این مهاربندی به میدان میآید.
مهاربندهای هم مرکز ضربدری علی رغم سختی بسیار بالا و خوبشان و علاوه بر آن سهولت طراحی و اجرا دو اشکال اساسی دارند.
محدودیت‌های معماری در مورد در و پنجره
شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی بسیار کم، که عمدتاً به دلیل کمانش کلی یا موضعی عضو فشاری مهاربند و تا حدی ضعف اتصالات مفصلی حاصل می‌شود.
مشکل اول یعنی محدودیت‌های معماری مهاربند ضربدری را بعضی از طراحان با فرم‌های دیگر این نوع مهاربندی از جمله مهاربندی Z (یک طرفه)، مهاربندی V، مهاربندی شورون، مهاربندی K‌‌ برطرف کرده‌اند.
اما نکته حائز اهمیت این است که فرم‌های متفاوت با فرم ضربدری الزاماتی خاصی را نیز در طراحی ایجاد می‌کند. که در صورت عدم توجه به آن‌ مهاربند و به تبع آن سازه اصلی دچار مسائلی خواهند شد.
در مهاربندی ضربدری معمولاً از اثرات بار ثقلی بر اعضای قطری صرف نظر می‌شود اما در فرمهای V و K مهارها، تکیه گاه تیری که به آن وصل شده اند خواهند بود و طبعاً باید اثرات بارهای ثقلی را برای آنها در نظر گرفت.
در بادبندهای V و ۸ اگر یکی از اعضا‌ در فشار، کمانش کند، در تیر کف، خیزهای قائم بزرگی در نقطه اتصال مهاری به آن رخ می‌دهد. که نهایتاً‌ ‌موجب گسیختگی تیر می‌شود. بنابراین طراحی تیر باید به گونه‌ای باشد که بتواند نیروهای بزرگ ناشی از مهاری را هم تحمل کند.
عملاً در بادبندهای K و لوزی به علت تغییر مکان وسط ستون لنگرهای اضافی در ستون حتی در ناحیه الاستیک ایجاد می‌شود که ممکن است موجب خرابی شود.
بادبند Z (یک طرفه) را فقط باید موقعی به کار برد که در همان محور در دهانه دیگری بادبند طرف دیگر موجود باشد. مگر آنکه عدم کمانش عضو قطری قابل اطمینان باشد.
در ارتباط با مشکل دوم یعنی شکل پذیری و با توجه به منحنی هیسترزیس نمونه این نوع مهاربند، مشاهده می‌شود که حلقه های هیسترزیس بسیار ناپایدار و نامنظم است و مخصوصاً تحت بارهای متناوب دیده می‌شود. که بعد از چند سیکل بر اثر کمانش اعضای فشاری سیستم مهاربندی حتی تا ۵۰٪ مقاومت خود را از دست می‌دهد. به دلیل ضعف در جذب انرژی و شکل پذیری است که در مناطق زلزله خیز شدید استفاده از این مهاربند به شکل گسترده پیشنهاد نمی‌شود.
در مورد مهاربند هم مرکز برای یک طراحی بهینه، مفصل‌های خمیری ابتدا باید در اعضای قطری ایجاد شوند نه در تیر یا ستون.

مهاربندی خارج از محور (EBF)

یکی از مهمترین مزایای این نوع مهاربندها انعطاف پذیری بالای آنها از لحاظ مسائل معماری است. در این سیستم محل اتصال اعضای مهاربند به طور عمد در محل تلاقی تیر و ستون قرار نمی‌گیرد و در نتیجه از پیچیدیگی محل اتصال جلوگیری می‌شود.
در این سیستم قسمتی از تیر که بین عضو قطری تا ستون یا بین دو مهار‌بند قرار می‌گیرد دارای این خاصیت است که می‌تواند نیروهای مهاربندی را از طریق خود به ستون یا عضو قطری دیگر انتقال دهد و نهایتاً نیروهای متعادلی را به مهاربند وارد سازد. در واقع پیوند در اینجا مانند فیوزِ شکل پذیری عمل می‌کند و خود مقادیر عمده‌ای از انرژی جانبی را جذب می‌کند. در یک طراحی درست برای سیستم EBF، این تیر پیوند است که باید با تشکیل مفصل‌های خمیری‌، تغییر شکل‌های بزرگ غیر ارتجاعی را تحمل کند. عناصر قطری باید طوری طراحی شوند که حتی در مقابل بارهای جانبی شدید هم کمانش نکنند. به همین علت طول پیوند و کم یا زیاد شدن آن در رفتار سیستم نقش مهمی دارد. با نزدیک شدن محل اتصال به اتصال تیر و ستون (پیوند برشی)، سخنی سیستم به مهاربندی CBF نزدیک می‌شود و با دور شدن از آن (پیوند خمشی) سختی کمتر شده و در عوض انعطاف پذیری سیستم بیشتر شده و به سیستم به قاب خمشی شبیه می‌شود. سیستم EBF ترکیب کننده سختی مناسب CBF و شکل پذیری و قابلیت جذب انرژی بسیار خوب سیستم MRF است.
استفاده از قاب‌های مهاربندی شده خارج از مرکز برای مقابله با زلزله این روزها مورد توجه قرار گرفته است. عملکرد شکل پذیری بسیار خوب این سیستم تحت بارهای تناوبی، نسبت مستقیمی با تسلیم برشیِ تیر پیوند دارد. بنابراین در پروسه طراحی تعیین طول بهینه پیوند و فراهم آوردن سخت کننده‌های مناسب برای جان تیر از اساسی ترین نکات است.
سیستم EBF نقاط ضعفی هم دارد که مهمترین آنها عدم قابلیت تعویض تیر پیوند پس از یک زلزله شدید است. چرا که پیوند بخشی از تیر قاب اصلی است که تعویض آن به سهولت میسر نخواهد بود. علاوه بر ان به منظور فعال کردن ظرفیت استهلاک انرژیِ پیوندهای برشی‌، المان‌های قطری سنگین، مورد نیاز است که این المان‌های سنگین فقط در هنگام اعمال بارهای جانبی شدید به کار خواهند افتاد.
المان‌های پیوند به دلیل اندازه و محل قرار گیریشان در معرض حالت‌های بسیار پیچیده تنش – کرنش هستند. این امر باعث پیچیده‌تر شدن پروسه تحلیل و طراحی قاب می‌شود. نکته دیگر آن که سیستم به منظور فعال کردن پیوندهای برشی، به اتصالات صلب نیاز دارد. صلب کردن اتصال مسائل و مشکلات خاص خود را به همراه دارد.

سیستم مهاربندی زانویی KBF

این سیستم مشهورترین سیستم مهاربندی معرفی شده در سطح دنیا است. المان‌های قطری کششی با اتصالات ساده به نقطه وسطی المان زانویی شیبدار وصل می‌شوند و این المان زانویی طوری طراحی می‌شود که در طی بارگذاری جانبی شدید، بدون آنکه کاهش قابل ملاحظه‌ای را در سختی و مقاومت کل سیستم ایجاد کند، انرژی وارده را با تشکیل مناطق پلاستیک مستهلک کند. به این ترتیب المان‌های زانویی، نقشی مشابه لینک‌های برشی در مهاربندی EBF بازی می‌کنند.
المان‌های قطری در یک طرح بهینه باید اولاً در طول بارگذاری در محدوده الاسیتک باقی بمانند و دوماً برای اجتناب از مشکلات پایداری و نیروهای خارج از صفحه‌ای بهتر است فقط به منظور حمل بار کششی طرح شوند. بنابراین در مناطق زلزله خیز شدید استفاده از KBF دوبل توصیه می‌شود.
یکی از مهمترین ویژگی های رفتاری سیستم KBF آن است که در زلزله‌های کوچک تامین سختی و مقابله با بارهای ارتعاشی توسط المان‌های قطری صورت می‌گیرد. در زلزله‌های شدید، با به میدان آمدن عناصر زانویی‌، ساز و کار استهلاک انرژی و تامین شکل پذیری به کار می‌افتد. به بیان دیگر این سیستم برای دو سطح نیوری ارتعاشی به شکل بسیار مناسب پاسخگو است.

خواص اصلی سیستم KBF در مقایسه با سیستم EBF

قابلیت ترمیم

با توجه به خصوصیات رفتاری مهاربند زانویی، پس از زلزله فقط عضو زانویی است که دچار تخریب می‌شود و قاب اصلی و بادبندهای قطری عمدتاً در حالت الاستیک باقی می‌مانند. در نتیجه با تعویض و ترمیم زانو می‌توان سیستم را به سهولت به مرحله بهره‌برداری مجدد رسانید. به همین علت این سیستم به مهار‌بندی زانویی تعویض پذیر ‌DKB) Disposable Knee Bracing) ‌هم معروف است. در حالی که در سیستم EBF ترمیم پیوند، در بیشتر مواقع مستلزم تعویض کامل تیر اصلی است.

نوع اتصال

در سیستم EBF بهتر است اتصال تیر به ستون و المان‌های قطری به تیر، صلب باشد. تا امکان تسلیم و در نتیجه اتلاف انرژی وجود داشته باشد. اما سیستم KBF را می‌توان در هر سه نوع اتصال صلب نیمه صلب، یا ساده به کار برد.

سختی سیستم

در سیستم KBF به طور کلی تغییر مکان‌ها کمتر از مهاربندهای EBF است. در نتیجه در طی ارتعاشات لرزه‌ای، خسارت غیر سازه‌ای در این سیستم به حداقل می‌رسد.

وضعیت دیافراگم سقف

به طور معول در طراحی‌ها فرض می‌شود در اثر بازهای جانبی، سقف به صورت صلب باقی خواهد ماند. با بررسی شکل هندسی و سیستم رفتاری مهاربند KBF مشاهده می‌شود که در مقایسه با سیستم EBF در این سیستم سقف‌ها اعوجاج کمتری دارند.

ظرفیت استهلاک انرژی و شکل پذیری سیستم KBF عمدتاً بیش از سیستم EBF است. علاوه بر آن سیستم EBF با تسلیم المان زانویی به مرحله غیر خطی گذر می‌کند و حتی در بخش عمده‌ای از مرحله غیر خطی، رفتارش به گونه‌ای است که قاب اصلی تسلیم نشده و الاستیک باقی می‌ماند.