صفحه اصلی  »  طراحی سازه های ساختمانی و صنعتی  »  مهاربند همگرا؛ بررسی و مقایسه انواع بادبند همگرا در قالب یک ویدئو (آپدیت 1402)

مهاربند همگرا؛ بررسی و مقایسه انواع بادبند همگرا در قالب یک ویدئو (آپدیت 1402)

مهاربند همگرا چیست؟ انواع بادبند در ساختمان به چه شکلی است؟ تفاوت مهاربند همگرای ویژه و مهاربند همگرای معمولی در چه چیزی است؟

همانطور که می دانید مهاربندها (بادبندها) یکی از اعضای سیستم باربر جانبی هستند که برای مقاومت در برابر زلزله طراحی می شوند اما اگر بادبندها نتوانند وظیفه خود را به‌ درستی انجام دهند، ساختمان می تواند تا مرز انهدام کامل پیش رود اما چه نوع مهاربندی باید در طراحی سازه استفاده کنیم؟

ما در این مقاله جامع به معرفی انواع بادبند همگرا (ضربدری، قطری، شورون و …) می پردازیم و در نهایت نکاتی در رابطه با نحوه ترسیم و مدل‌سازی مهاربندهای همگرا در نرم‌افزار ETABS2019  و همچنین نکات معماری مهاربند شورون را بیان می کنیم. برای تسلط کامل بر روی انواع مهاربندهای همگرا حتما یک بار ویدئوی رایگانی را که در ابتدای مقاله قرار گرفته است مشاهده کنید.

⌛ آخرین به روز رسانی: 11 آبان 1402

📕 تغییرات به روز رسانی: آپدیت بر اساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398

 

با مطالعه این مقاله چه می آموزیم؟

 

1. مهاربند همگرا چیست؟

به طور کلی مهاربندها اعضای باربر جانبی هستند که با اضافه شدن به سازه، سختی جانبی آن را افزایش می‌دهند و به سه دسته مهاربندهای هم‌محور یا همگرا، برون‌محور یا واگرا و سیستم‌های نوین مهاربندی تقسیم‌بندی می‌شوند. اعضای مهاربندها را می‌توان از مقاطعی به شکل مستطیل، I شکل، دایره‌ای، دوبل نبشی و دوبل ناودانی انتخاب نمود. لازم به ذکر است از تعبیه مهاربندها در دهانه‌هایی که به دیافراگم متصل نیستند بایستی خودداری نمود.

همان‌طور که از اسم مهاربندهای همگرا پیداست، اعضای مهاربندی یا امتداد آن‌ها در یک نقطه همگرا شده و باهم تلاقی دارند. این نقطه می­تواند روی تیر، روی ستون یا در صفحه قاب باشد. مهاربندهای همگرا با نام هم‌محور نیز شناخته می‌شوند. در این مهاربندها دو انتهای اعضای مهاربندی مفصلی بوده و اعضا دارای نیروی کششی یا فشاری هستند.

رفتار مهاربندهای همگرا همچون خرپاهای قائم می‌باشد، بطوریکه از طریق سختی محوری ایجادشده در تیر و ستون به مقاومت در برابر نیروهای جانبی می‌پردازند. بسته به نقطه تلاقی مهاربندها، نوع مهاربند مشخص می­شود که در ادامه انواع مهاربندهای همگرا معرفی می­شود.

انواع مهاربند همگرا

شکل1 (انواع مهاربند همگرا در یک نگاه)

2. انواع بادبندهای همگرا

مهاربندهای همگرا بر 6 نوع هستند:

1- مهاربند ضربدری

2- مهاربند قطری

3- مهاربند شورون هشتی

4- مهاربند شورون هفتی

5- مهاربند ترکیب شورون هفتی و هشتی

6- مهاربند K شکل

در ادامه ابتدا با انواع مهاربندهای همگرا آشنا می‌شویم، سپس پیکربندی‌های تازه از انواع مهاربندها را فرا می‌گیریم.

1.2. مهاربند همگرای ضربدری

رایج‌ترین نوع مهاربندهای همگرا، مهاربند همگرای ضربدری می‌باشد که در آن دو عضو به صورت قطری، گره‌های مقابل یک دهانه را به هم متصل می‌کنند. این نوع مهاربند دارای ظرفیت کششی بالا و ظرفیت فشاری کم می‌باشد. لازم به ذکر است مهاربند ضربدری بیشترین سختی را در بین انواع مهاربندهای همگرا داراست. این ویژگی موجب می‌شود تا با قرارگرفتن در معرض زلزله، نیروی بیشتری به این مهاربند نسبت به سایر مهاربندها اعمال شود، اما در مقابل در محدود نمودن تغییر شکل سازه موفق‌ عمل می‌کند.

شکل ظاهری مهاربندهای ضربدری باعث ایجاد محدودیت‌های معماری نظیر عدم امکان اجرای بازشو می‌گردد و یکی از مهم‌ترین معایب آن می‌باشد. در مهاربندهای ضربدری معمولاً یک قطر به صورت پیوسته و قطر دیگر به صورت منقطع اجرا می‌شود، درحالیکه در مدل‌سازی هر دو عضو پیوسته مدل‌سازی می‌شوند. همچنین در مدل‌سازی اتصال مهاربندهای ضربدری مفصلی فرض می‌شود، درحالیکه در اجرای جزئیات اتصالات ممکن است اندکی گیرداری پدید آمده ‌باشد. در شکل زیر نمونه‌ای از مهاربندهای همگرای ضربدری قابل مشاهده است.

 

مهاربند ضربدری

شکل 2 (مهاربند ضربدری)

2.2. مهاربند همگرای قطری

مهاربند قطری شباهت زیادی به مهاربند ضربدری دارد، با این تفاوت که در این مهاربندها فقط یک عضو قطری در دهانه وجود دارد. این عضو باید توانایی تحمل کشش و فشار را دارا باشد. در مهاربندهای قطری، بایستی در همان راستا و در دهانه دیگری مهاربند قطری دیگری در جهت برعکس تعبیه شود که اگر مهاربند اولی دچار کمانش شود، مهاربند دوم پاسخگوی بارهای جانبی باشد.

این امر در شکل (3) نشان داده ‌شده است. با وارد شدن بارجانبی در حالت (الف)، همه مهاربندها در کشش یا فشار کار می‌کنند که این حالت صحیح نمی‌باشد. ولی حالت (ب) قابل اطمینان‌تر است، چراکه اعضاء مهاربندی در دو دهانه یک قاب به صورت معکوس استفاده شده‌اند تا با تغییر جهت نیروی جانبی یکی از مهاربندها به کشش و دیگری به فشار کار کند. به طور کلی مهاربند قطری را تنها زمانی می‌توان در یک جهت به کار برد که از عدم کمانش عضو قطری اطمینان حاصل شود. در شکل (4) یک مهاربند قطری اجرا شده نمایش داده شده است.

 

مهاربند قطری

شکل 3- جانمایی صحیح مهاربند قطری

 

بادبند قطری

شکل 4 (بادبند قطری )

 

3.2. مهاربند شورون

در مهاربندهای شورون دو عضو مهاربندی بر روی یک گره به تلاقی می‌رسند. اگر این گره روی تیر باشد، شورون هفتی و اگر زیر تیر باشد، شورون هشتی نامیده می‌شود. طراحان از این مهاربندها عمدتاً زمانی‌که شرایط خاصی از نظر معماری وجود دارد، استفاده می‌کنند؛ زیرا این نوع مهاربندها فضای مناسبی برای اجرای بازشوها و نورگیرها در اختیار طراحان قرار می‌دهند.

مهاربند شورون هشتی بهترین گزینه از نظر پوشش محدودیت‌های معماری می‌باشد و محدودیت‌هایی نظیر عدم امکان تعبیه بازشو چسبیده به زمین (نظیر درب ورودی) که در مهاربند هفتی وجود دارد، درآن وجود ندارد. این دو مهاربند در مواردی در ترکیب با یکدیگر نیز به کار گرفته می‌شوند. مهاربندهای همگرای شورون در شکل‌های زیر مشخص شده‌اند.

 

مهاربند همگرای هشتی

شکل 5 (مهاربند شورون 8)

 

مهاربند همگرای هفتی

شکل 6 (مهاربند شورون 7)

 مهاربند ترکیبی 7 و 8 یا قطری ضربدری Split-x

شکل 7 (مهاربند ترکیبی 7 و 8 یا قطری ضربدری Split-x)

4.2. مهاربند همگرای Kشکل

در این نوع مهاربندها، اعضای قطری در یک طرف ستون قرار می‌گیرند و یکدیگر را در نقطه‌ای بر روی ستون مقابل قطع می‌کنند. مهاربندهای K شکل پتانسیل ایجاد مفصل پلاستیک در وسط ستون را بالا می‌برند و به همین دلیل نامناسب ترین سیستم مهاربندی تلقی می‌شوند. استفاده از دو مهاربند K شکل به طور قرینه در یک طبقه، پیکربندی جدیدی از آن را ارائه می‌دهد که به مهاربند لوزی شکل نیز معروف است(شکل ب-8).

نکته: طبق بندهای 10-3-4-1-4-2 و 10-3-4-2-4-3 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، استفاده از مهاربندهای K شکل در سیستم‌های مهاربندی غیرمجاز می‌باشد.

 

مهاربند Kشکل و لوزی شکل

شکل 8- (الف) مهاربند Kشکل (ب) مهاربند لوزی شکل

لازم به ذکر است در مهاربندهای K شکل چنانچه عضو فشاری دچار کمانش گردد، عضو کششی نیروی زیادی به ستون وارد می‌نماید و موجب تخریب آن می‌شود. این امر در شکل زیرنشان داده شده است.

 

عملکرد نامناسب مهاربند K شکل

شکل 9- عملکرد نامناسب مهاربند K شکل

 

5.2. مهاربندهای چند ردیفی

سیستم‌های مهاربندی چند ردیفی در یک یا چند طبقه، معمولاً به دلیل ارتفاع بالای طبقه و عدم امکان طراحی یک مهاربند در آن تراز مورد استفاده قرار می‌گیرند. به گونه‌ای که در حد فاصل دو تراز مجاور، از دو یا چند ردیف مهاربند استفاده می‌شود. این نوع سیستم در سازه‌های فولادی نظیر سوله‌ها با کاربری صنعتی با ورزشی کاربرد بیشتری دارند.

لازم به ذکر است این نوع مهاربندها بایستی ضوابط لرزه‌ای مربوط به بندهای 10-3-4-1-4-3 و 10-3-4-2-4-5 از مبحث دهم مقررات ملی ساختمان را ارضاء نمایند. از شرایط عمومی مورد نیاز، می‌توان به وجود اعضای افقی (struts) در تراز هر ردیف اشاره نمود. ستون‌ها بایستی در محل اتصال هر عضو افقی در برابر پیچش مهار شوند. هم‌چنین، مهاربندها در هر ردیف بایستی به صورت جفت‌هایی در جهت مخالف مورد استفاده قرار گیرند. نمونه‌ای از انواع مهاربندهای چند ردیفی در شکل زیر نمایش داده شده‌است.

 

انواع بادبند

شکل 10- پیکربندی‌های متداول مهاربندهای چند ردیفی

 

توجه: مهاربندهای همگرا می‌توانند در دو یا چند دهانه به کار گرفته شوند. یکی از این متداول‌ترین نوع این سیستم‌ها، مهاربند ضربدری دو دهانه است که به آن ترکیب مهاربند هفتی و هشتی نیز گفته می‌شود. این نوع مهاربند در مقایسه با مهاربند ضربدری در شکل (11) نمایش داده شده است.

 

مهاربند همگرا دو دهانه

شکل 11- نمونه‌ای از مهاربند دو دهانه

 

6.2. اَبَر مهاربندها

در صورت به‌کارگیری مهاربندها در چند دهانه موضوع ابرمهاربندها (Mega braces) مطرح می‌گردد. ابرمهاربندها با ترکیب سیستم‌های سنتی مهاربندی موجب می‌شوند که تمام سازه مانند یک چشمه مهاربندی‌شده عمل نماید و اغلب در سازه‌های بلندمرتبه کاربرد دارند. این سیستم با چیدمان خاصی موجب صرفه‌جویی در مصالح و هزینه‌های ساخت می‌شود و از طرفی پاسخ‌های لرزه‌ای سازه را نیز به خوبی کاهش می‌دهد (شکل12).

 

ابر مهاربندها

شکل 12- نمونه‌ای از پیکربندی اَبَر مهاربندها

 

7.2. مهاربند دروازه‌ای

همانطور که اشاره شد، مهاربندهای همگرا اغلب با مشکلات معماری از جمله نبود فضای کافی برای ایجاد بازشو مواجه هستند. بنابراین نوع جدیدی از مهاربندهای همگرا تحت عنوان مهاربند دروازه‌ای معرفی می‌گردد که از نظر هندسی مشابه مهاربندهای همگرای شورون هفت و هشتی می‌باشد، اما اعضای آن مستقیم نیستند و با شکستگی‌هایی به هم متصل می‌شوند. محل شکستگی به وجود آمده بین دو عضو توسط عضو سومی به محل اتصال تیر و ستون متصل می‌شود.

مهاربند دروازه‌ای به نام‌های دیگری نظیر مهاربند پرده‌ای، مهاربند چند ضلعی، مهاربند Y شکل و مهاربند خیمه‌ای نیز شناخته می‌شود. اگر این مهاربند از 6 عضو تشکیل شده‌ باشد، به آن مهاربند دروازه‌ای دو لنگه نیز می‌گویند. چنانچه این مهاربند از 3 عضو تشکیل شده باشد به آن مهاربند دروازه‌ای تک لنگه یا Y شکل می‌گویند که در شکل (13) هر دو نوع مهاربند دروازه‌ای تک لنگه و دو لنگه نشان داده شده‌ا‌ند.

 

عکس مهاربند دروازه ای

شکل 13- مهاربند دروازه‌ای (الف) دو لنگه (ب) تک لنگه

 

اجرای صحیح مهاربندهای دروازه‌ای به دلیل عدم وجود ضوابط دقیق آیین‌نامه‌ای بسیار اهمیت دارد. هم‌چنین تأثیر پارامترهای مختلف مانند مشخصات اعضای مهاربند، ضریب رفتار و شکل‌پذیری بایستی به دقت بررسی شوند. این مهاربندها سختی و شکل‌پذیری را در حد معمول تأمین می‌نمایند. لازم به ذکر است در زلزله‌های شدید عضو مایل شکل‌پذیری لازم را فراهم می‌کند.

اغلب اتصالات اعضای مهاربندی به قاب و به یکدیگر مفصلی در نظر گرفته می‌شوند، اما مفصلی بودن اتصال اعضای مهاربندی به یکدیگر در گره میانی باعث ناپداری هندسی مهاربند دروازه‌ای در جهت عمود بر صفحه خواهد شد. به بیان دیگر در زلزله‌های شدید، سه عضو متصل به گره میانی در یک طرف به صورت کششی و در طرف دیگر به صورت فشاری عمل می‌کنند. فشاری بودن سه عضو باعث خروج گره میانی از صفحه می‌گردد، بنابراین اتصالات در این نقطه بایستی صلب باشد. موقعیت گره میانی، اعضاء کششی و فشاری در شکل زیر نمایش داده شده‌اند.

 

نحوه عملکرد مهاربند دروازه‌ای

شکل 14- گره میانی و عملکرد اعضای مهاربند دروازه‌ای

 

در مهاربند دروازه‌ای، فضایی که برای بازشو در نظر گرفته می‌شود ارتباط مستقیمی با محل گره‌های میانی دارد. طبق تحقیقات صورت‌گرفته هرچه گره میانی به گوشه قاب نزدیک‌تر باشد، سختی، شکل‌پذیری و ضریب رفتار کاهش می‌یابد ولی در عوض امکان ایجاد بازشوهای بزرگ فراهم می‌شود.

استفاده از مهاربند دروازه‌ای در آیین نامه‌ای ممنوع نشده است، اما تا حد امکان بهتر است از استفاده از آن اجتناب نمود. یکی از دلایل مفصلی نبودن گره میانی این است که موجب حرکت خارج از صفحه و ناپایداری می‌گردد. حتی اگر بتوان برای این اتصال با در نظر گرفتن اتصال پیوسته برای حداقل دو عضو از سه عضو، صلبیت ایجاد نمود ، بازهم توجیه اقتصادی نخواهد داشت؛ زیرا که گیرداری اتصال موجب ایجاد لنگرهایی در اعضاء مهاربندی خواهد شد و بایستی از مقاطع بزرگتری برای اعضاء استفاده نمود، در نتیجه طراحی آن غیراقتصادی خواهد بود. یکی دیگر از دلایل اجتناب از استفاده از این مهاربند، نزدیک بودن گره میانی به گوشه قاب است؛ چراکه طراحان زمانی‌که نیاز به استفاده از بازشوهای بزرگ باشد از این نوع مهاربند استفاده می‌کنند و تا حد امکان سعی می‌کنند گره‌های میانی به گوشه قاب نزدیک‌تر شود ولی این امر موجب کاهش سختی و شکل‌پذیری می‌گردد.

8.2. مزایا و معایب مهاربندهای همگرا

مهاربندهای همگرا نیز مانند هر المان مؤثر در رفتار سازه دارای مزای و معایبی هستند که در ادامه مورد بررسی قرار می‌گیرند:

 

مزایای مهاربندهای همگرا

  • سختی بالای سیستم
  • کنترل شدن تغییر مکان جانبی سازه تا حد زیاد به دلیل سختی زیاد سیستم مهاربندی
  • طراحی به نسبت ساده و عدم نیاز به نیروی تخصصی جهت اجرا آن
  • آسیب کمتر به اجزای غیرسازه‌ای به دلیل دریفت پایین طبقات
  • اقتصادی بودن این سیستم نسبت به سیستم قاب خمشی و قاب مهاربندی شده واگرا

در طراحی اسکلت فولادی با نرم‌افزار ایتبس یکی از کنترل‌های آیین‌نامه‌ای، کنترل دریفت مجاز طبقات است. برای سازه­ های متعارف با قاب‌های مهاربندی‌شده، به دلیل سختی بالای مهاربندها اکثر مواقع یا شاید به جرات بتوان گفت اصلاً نیازی به کنترل دریفت طبقات نیست. برخلاف قاب­ های مهاربندی شده، این کنترل در مورد قاب‌های خمشی، به­دلیل سختی به نسبت کمتر، حتماً باید چک شود. همانطور که اشاره شد، سیستم‌های مهاربندی از سختی بالایی برخوردار می‌باشند که این ویژگی یکی از مهم‌ترین نقاط قوت آن محسوب می‌شود. اما از طرفی سختی بالا موجب کاهش شکل‌پذیری و در نتیجه کاهش جذب و استهلاک انرژی زلزله می‌گردد.

 

معایب مهاربندهای همگرا

  • ایجاد محدودیت ازنظر معماری برای ایجاد بازشوهای مانند تعبیه درب و پنجره به ویژه در مهاربندهای نوع ضربدری و قطری (این محدودیت در مورد مهاربندهای شورون هفتی و هشتی تقریباً مرتفع شده است)
  • کاهش شکل‌پذیری نسبت به قاب خمشی و قاب مهاربندی شده واگرا
  • قابلیت جذب و استهلاک کمتر انرژی زلزله نسبت به قاب مهاربندی شده واگرا
  • احتمال کمانش مهاربند و تأثیر آن بر روی نازک‌کاری

به منظور بهبود عملکرد مهاربندهای همگرا، سیستم‌های نوینی نظیر مهاربند زانویی و مهاربند کمانش‌ناپذیر پدید آمده‌اند که به اختصار به معرفی هریک می‌پردازیم.

 

9.2. مهاربند زانویی(KBF)

مهاربندهای زانویی سیستم نوین مهاربندی می‌باشند که به منظور پوشش نواقص دیگر مهاربندها پیشنهاد شده‌اند و تاکنون وارد آیین‌نامه‌ها نشده‌اند. این سیستم مشابه مهاربند همگرای قطری می‌باشد، با این تفاوت که علاوه بر عضو قطری، از یک عضو زانویی نیز تشکیل شده‌است. دو سر عضو زانویی به تیر و ستون متصل بوده و از نقطه دیگری (معمولا وسط عضو) به عضو قطری متصل می‌شود.

باتوجه به سختی قابل توجه عضو قطری، تأمین شکل‌پذیری لازم بر عهده عضو زانویی می‌باشد. از مهم‌ترین ویژگی‌های مهاربند زانویی قابل تعمیر بودن آن است، به طوریکه با قرار گرفتن سازه تحت تحریک زلزله عضو قطری و قاب سازه در حالت الاستیک باقی مانده و عضو زانویی دچار خرابی می‌شود؛ زیرا مفصل پلاستیک در عضو زانویی تشکیل می‌شود. بنابراین می‌توان این عضو را پس از اتمام زلزله تعمیر و یا جایگزین کرده و در هزینه‌های مربوط صرفه‌جویی نمود. سیستم مهاربندی زانویی نسبت به سایر سیستم‌های مهاربندی، خسارات وارده به اعضا غیرسازه‌ای را به حداقل می‌رساند.

در زلزله‌های کوچک، تنها عضو قطری با تأمین سختی لازم به مقابله با ارتعاش می‌پردازد و در زلزله‌های بزرگ عضو زانویی با تأمین شکل‌پذیری مناسب وارد عمل می‌شود. نمونه‌ای از مهاربندهای زانویی در شکل (15) نمایش داده شده‌اند.

 

عکس مهاربند زانویی

شکل 15- نمونه‌هایی از پیکربندی مهاربندهای زانویی

10.2. مهاربندهای کمانش‌ناپذیر(BRB)

مهاربندهای کمانش‌ناپذیر به منظور بهبود عملکرد مهاربندهای همگرا پدید آمدند و متشکل ازیک هسته فولادی به همراه غلاف هستند که غلاف از کمانش هسته فولادی در فشار ممانعت می‌کند. بنابراین در این مهاربندها اعضاء مهاربندی هم در فشار و هم در کشش مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهند و این امر شکل‌پذیری قاب در مقابل زلزله را افزایش می‌دهد و عملکرد مهاربند را ارتقاء می‌بخشد.

ملات یا بتن دور هسته فولادی مانند قیدی برای مهاربند عمل کرده و با کاهش لاغری مهاربند از کمانش فشاری آن نیز جلوگیری می‌کند. استفاده از مهاربند کمانش‌ناپذیر برای انواع مهاربندهای همگرایی که در آیین‌نامه مجاز اعلام شده‌اند (به جز مهاربند همگرای ضربدری) قابل اجرا می‌باشد. این نوع مهاربندها به دلیل دارا بودن سختی قاب‌های مهاربندی همگرا و شکل‌پذیری بالا گزینه مناسبی برای اجرا در سازه‌ها می‌باشند.

 

مهاربند کمانش‌ناپذیر

شکل 16- پیکربندی مهاربند کمانش‌ناپذیر

 

مهاربند کمانش ناپذیر

شکل 17- نمونه اجرا شده مهاربند کمانش ناپذیر

 

ضوابط مربوط به مهاربندهای کمانش‌ناپذیر در بند10-3-4-4 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان اضافه شده‌است.

 

ضوابط مربوط به مهاربندهای کمانش‌ناپذیر

 

11.2. تفاوت مهاربندهای ویژه و معمولی

به‌طورکلی وقتی حرف از ویژه و معمولی پیش می‌آید آیین‌نامه 2800 ضریبی را برای محاسبه ی نیروی زلزله به‌عنوان ضریب رفتار(Ru) در نظر می‌گیرد (جدول 3-4 آیین‌نامه 2800) که این ضریب تابع نوع سیستم باربر جانبی سازه است. در سیستم‌های از نوع ویژه این ضریب مقدار بزرگ‌تری نسبت به سیستم‌های نوع معمولی دارد و این باعث می‌شود نیروی زلزله‌ی وارد برسازه (ABI/Ru) در سیستم‌های ویژه، نسبت به سیستم‌های معمولی کمتر شود. درنتیجه می توان گفت که در سیستم‌های ویژه یک قاب سبک‌تر و شکل‌پذیرتر نسبت به سیستم معمولی خواهیم داشت که رفتار انعطاف‌پذیرتری از خود در زلزله نشان می‌دهد.

همچنین می‌توان استنباط کرد که در سیستم‌های ویژه، ما رفتار فرا ارتجاعی (خارج از ناحیه الاستیک) بیشتری از اعضا انتظار داریم، درصورتی‌که در سیستم‌های معمولی مهاربندی‌ها در ناحیه الاستیک باقی می مانند. این بدان معناست که در سیستم مهاربندی ویژه ما به اعضای مهاربندی اجازه می دهیم وارد ناحیه پلاستیک شوند. درواقع در سیستم‌های همگرای ویژه، مهاربندها باید نقش یک عضو شکل‌پذیر 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 سیستم‌های ویژه استهلاک انرژی بیشتری نسبت به سیستم‌های معمولی دارند. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در این مورد به‌صورت زیر توضیح داده است.

 

تفاوت مهاربندهای ویژه و معمولی

12.2. مهاربندهای همگرای ویژه مختلط

در این نوع قاب‌ها از مقاطع مختلط استفاده می‌شود و محاسبه مقاومت‌های مورد نیاز برای کشش و فشار براساس مشخصات مقاطع مختلط انجام می‌گیرد.

 

ضوابط مهاربندهای همگرای ویژه مختلط

3. محدودیت خروج از مرکزیت از دید مبحث دهم مقررات ملی ساختمان

مبحث دهم مقررات ملی ساختمان خروج از مرکزیت تا کمتر از ارتفاع تیر را مشروط به شرایطی مجاز اعلام کرده‌است. برای قاب‌های مهاربندی‌شده همگرا معمولی و ویژه به ترتیب داریم:

 

الزامات لرزه ای قاب های مهاربندی شده همگرای ویژه و معمولی

 

برای قاب‌های مهاربندی‌شده کمانش‌ناپذیر و همگرای مختلط نیز طبق بندهای 10-3-4-4-2 و10-3-6-1-2 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان خروج از مرکزیت کمتر از عمق تیر مجاز اعلام شده‌است. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در ویرایش قبلی در رابطه با محدودیت خروج از مرکزیت که سبب تبدیل مهاربند واگرا به همگرا (شورون هفتی و هشتی) می­شود، اینگونه توضیح داده است:

 

برون مرکزی مجاز مهاربندی همگرا

شکل 18- برون مرکزی مجاز مهاربندی همگرا

 

درواقع اگر در شکل فوق e<db باشد، مهاربند از نوع شورون هشتی است و باید الزامات آیین‌نامه‌ای مربوط به شورون 8 برای آن رعایت شود. در مورد مهاربندهای همگرا باید به این نکته دقت شود که محل تلاقی محورهای اعضای مورب آن‌ها باید روی محور میانی جان تیرِ متصل به مهاربند قرار گیرد(شکل 19) که البته همان‌طور که دربند فوق هم گفته شد، آیین‌نامه برای خروج از مرکزیت حداقلی را در نظر گرفته و به‌نوعی برای عدم تلاقی محورهای مهاربند با محور میانی تیر، تخفیف قائل شده است ولی تا حد امکان در اجرای مهاربندها باید دقت کافی به خرج داد تا محل تلاقی محورهای مهاربندی ها روی محور میانی تیر بیفتد؛ زیرا در غیر این صورت مطابق شکل (20)، محل تلاقی خارج از محور تیر قرارگرفته و این باعث ایجاد یک نیروی لنگر اضافی Pxh ناشی از نیروی محوری تیر می‌شود و لنگر خمشی مازادی را به سازه تحمیل می­کند.

 

نحوه صحیح اجرای مهاربند همگرا

شکل 19- نحوه صحیح اجرای مهاربند همگرا

 

محل تلاقی محورمیانی مهاربندها خارج از محور میانی تیر

شکل 20- محل تلاقی محورمیانی مهاربندها خارج از محور میانی تیر

 

4. مقایسه مهاربندهای همگرا از لحاظ سختی، شکل‌پذیری و ایجاد بازشو

همانطور که اشاره شد، استفاده از مهاربندهای k شکل طبق آیین‌نامه مجاز نمی‌باشد و مهاربندهای دروازه‌ای نیز به دلیل ناپایداری خارج از صفحه و غیراقتصادی بودن پیشنهاد نمی‌شود، مگر اینکه در سازه‌های کوتاه مرتبه و با رعایت تمهیدات خاص استفاده شود. معمولاً در سازه‌های بلند مرتبه، اَبَر مهاربندها و مهاربندهای چند ردیفی مورد استفاده قرار می‌گیرند که هم اقتصادی بوده و هم کارایی مطلوبی دارند. حال به مقایسه مهاربندهای همگرای ضربدری، قطری و شورون که در سازه‌های فولادی به طور متداول استفاده می‌شوند، می‌پردازیم.

مهاربند همگرای ضربدری بیشترین سختی و کمترین شکل‌پذیری را در میان مهاربندهای همگرا دارا می‌باشد و معمولاً عملکرد بهتری نسبت به مهاربند قطری داراست؛ زیرا در مهاربند قطری یک عضو بایستی به تنهایی توانایی تحمل بارهای لرزه‌ای را به صورت فشاری و کششی دارا باشد که این امر مسلتزم استفاده از سطح مقطع بالاتری می‌باشد و یا عضو قطری به صورت قرینه در دهانه کناری نیز مورد استفاده قرار گیرد. با افزایش بار بحرانی و کاهش طول آزاد مهاربند، افزایش مقاومت زیادی در مهاربندهای ضربدری نسبت به مهاربندهای قطری اتفاق می‌افتد؛ زیرا کمانش مهاربند در اثر نیروی فشاری با طول مهاربند ارتباط دارد. از نظر ایجاد بازشو، مهاربندهای شورون با توجه به شکل هندسی خود در اولویت قرار می‌گیرند و مهاربندهای قطری نیز فضای آزاد بیشتری را نسبت به مهاربندهای ضربدری دارا هستند (شکل 21). چنانچه شرایط معماری خاصی وجود نداشته باشد، مهاربندهای ضربدری متداول‌ترین نوع مهاربند در اجرا می‌باشند؛ زیرا سختی زیادی برای سازه فراهم می‌کنند.

 

مقایسه مهاربندهای همگرا

شکل 21- مقایسه مهاربندهای همگرا از نظر ایجاد بازشو

5. مقایسه مهاربندهای همگرا از نظر کمانش و ایجاد مفصل پلاستیک

در قاب‌های مهاربندی همگرا که به ظرفیت نهایی خود رسیده باشند، تسلیم در کشش یا کمانش در فشار اتفاق می‌افتد. ایجاد کمانش در عضو فشاری موجب افت مقاومت و خرابی می‌گردد. کمانش ممکن است به صورت داخل صفحه یا خارج از صفحه صورت بگیرد. چنانچه مقطع مهاربند قوطی شکل یا دایره‌ای باشد، معمولاً کمانش خارج از صفحه صورت گرفته و مفصل پلاستیک در ورق اتصال تشکیل می‌گردد. اگر محور ضعیف داخل صفحه باشد، کمانش داخل صفحه صورت گرفته و مفصل پلاستیک در خود مهاربند تشکیل می‌شود. در مهاربندهای ضربدری ایجاد اتکای جانبی توسط عضو کششی در وسط عضو فشاری، کمانش عضو فشاری و مکانیسم تشکیل مفصل پلاستیک در وسط مهاربند را تحت تأثیر قرار می‌دهد؛ همچنین نیروی نامتوازن‌کننده در روی تیر به شکل نیروی محوری بزرگی ظاهر می‌گردد.

برای مهاربندهای قطری در طول کمانشی بیشتری تغییر شکل‌های جانبی در آن ایجاد شده و در نتیجه کمانش موضعی کمتری را متحمل می‌شوند. با بررسی دقیق‌تر مهاربندهای شورون 7 و 8 می‌توان به این نتیجه رسید که شورون 7 در مقایسه با شورون 8 یک مزیت مهم دارد؛ در این مهاربندها تحت بارهای ثقلی، نیروی کششی ایجاد می‌شود، درنتیجه وقوع پدیده کمانش برای این مهاربندها هنگام زلزله به تعویق می‌افتد. درصورتی‌که در مهاربند شورون 8 تحت اثر بارهای ثقلی نیروی فشاری در مهاربند ایجاد می‌شود که وقوع پدیده کمانش را جلو می‌اندازد.

 

شکل 22- به فشار افتادن مهاربند شورون 8 تحت اثر بار ثقلی و جلو افتادن کمانش هنگام زلزله

6. مقایسه مهاربندهای شورون از لحاظ معماری و مشکلات اجرایی

از بین مهاربندهای همگرا، مهاربندهای شورون 7 و 8 به علت ایجاد امکان تعبیه بازشوهایی نظیر در و پنجره، بیشتر مورد توجه معماران قرار دارند، اما این انتخاب کار مهندس محاسب و سازه و حتی مجری را سخت می کند؛ زیرا مهاربندهای شورون 7 و 8 به دلیل اتصال به تیر و رفتار متفاوتی که نسبت به مهاربندهای ضربدری و قطری دارند، رعایت ضوابط آیین‌نامه‌ای سخت‌گیرانه و البته محتاطانه‌ای را می طلبند.

مقایسه‌ی مهاربندهای شورون 7 و 8 نشان می‌دهد که از لحاظ ایجاد بازشو، مهاربند شورون 7 فضای بیشتری نسبت به شورون 8 دارا می‌باشد. از لحاظ اتصال به فونداسیون، مهاربند شورون 8 در پایین‌ترین طبقه نیاز به اتصال مهاربند به فونداسیون ندارد، این درحالی است که شورون 7 باید به فونداسیون متصل شود. درنتیجه اجرای شورون 8 اندکی ساده‌تر است و همچنین شورون 7 در طبقه اول از لحاظ معماری محدودیت ایجاد می کند (مثل عدم امکان عبور خودرو) که برای حل این مشکل می توان در تمام طبقات از شورون 7 استفاده کرد و تنها در پایین‌ترین طبقه از شورون 8 استفاده می شود. از لحاظ طراحی ستون‌ها، ستون‌ها در شورون 8 کمی سبک‌تر از شورون 7 می‌باشند؛ چراکه در شورون 7 ستون‌های آخرین طبقه نیروی زلزله را از مهاربندها دریافت می‌کنند ولی در شورون 8 نیروی زلزله به ستون‌های یک طبقه پایین‌تر انتقال پیدا می‌کند.

 

مقایسه مهاربندهای شورون از لحاظ معماری

شکل 23- محدودیت‌های مهاربند شورون هفتی و هشتی

 

7. مقایسه ضریب رفتار قاب‌های مهاربندی

ضریب رفتار سازه در تحلیل‌های خطی به منظور محاسبه نیروی زلزله به کار می‌رود و با Ru نمایش داده می‌شود. این پارامتر میزان شکل‌پذیری و اتلاف انرژی در ناحیه غیرخطی را تعیین می‌کند. آیین‌نامه 2800 به معرفی ضریب رفتار ساز پرداخته و آن را برای سیستم‌های مختلف سازه‌ای ارائه کرده‌ است.

با توجه به اینکه در سیستم‌های مهاربند ویژه رفتار سازه شکل‌پذیرتر است، ضریب رفتار آن نیز بزرگتر خواهد بود. سیستم مهاربندی واگرای ویژه نیز به دلیل توانایی بالا در استهلاک انرژی و شکل‌پذیری بیشتر نسبت به سیستم‌های مهاربندی همگرا ضریب رفتار بزرگتری دارد؛ در مقابل از سختی کمتری برخوردار می‌باشد. مهاربندهای کمانش‌تاب یا کمانش‌ناپذیر به دلیل ممانعت از کمانش اعضاء مهاربندی فشاری، مقاومت بالایی در کشش و فشار از خود نشان می‌دهند و شکل‌پذیری بالایی دارند در نتیجه ضریب رفتار بالایی نسبت به سیستم همگرا دارد.

 

مقایسه ضریب رفتار قاب‌های مهاربندی

 

8. مقایسه رفتار مهاربندهای همگرا در هنگام وقوع زلزله

هر کدام از انواع مهاربندهای همگرا دارای رفتار متفاوت به هنگام وقوع زلزله هستند. در ادامه قصد داریم تا با رفتار هریک آشنا شویم. با درک کامل رفتار مهاربندها، طراح می‌تواند بهترین سیستم مهاربندی را برای سازه انتخاب کند.

1.8. مهاربندهای شورون هفتی و هشتی

برای اینکه با رفتار مهاربندهای شورون 7 و 8 هنگام وقوع زلزله بیشتر آشنا شویم، قابی به شکل زیر در نظر بگیرید:

 

مهاربندهای شورون هفتی و هشتی

شکل 24- قاب مهاربندی شورون هشتی تحت اثر بار جانبی

 

قاب مهاربندی شده فوق تحت اثر نیروی جانبی F قرارگرفته است که منجر شده است که مهاربند AD تحت کشش و مهاربند BD تحت ‌فشار قرار گیرد. چنانچه نیروی جانبی وارد بر قاب مقدار قابل توجهی نداشته باشد، بطوری که نیروی فشاری وارده بر عضو مهاربندی از ظرفیت کمانشی آن کمتر باشد، مهاربند کمانش نمی کند و هر دو مهاربند در محدوده الاستیک خود قرار داشته و سهم برابری از نیروی جانبی را تحمل می کنند که با تحلیل سازه می توان فهمید که مقدار آن برابر با (F /2cosα) است. در این حالت ، مطابق شکل زیر، هر چند مقدار نیروها برابر ولی یکی از نوع کششی و دیگری از نوع فشاری است که به وسط تیر اعمال می شوند. از تجزیه این نیروها در وسط تیر، مطابق رابطه زیر مشخص می شود که نیروهای متمرکز قائم یکدیگر را خنثی کرده و برآیند آن ها صفر می شود. این درحالی است که مؤلفه های افقی نیروها، هم جهت و برآیند آن ها برابر F خواهد بود. به نیروی افقیِ خنثی نشده ای که در وسط تیرِ متصل به مهاربند ظاهر شده است، نیروی متوازن تیر گفته می شود.

 

شکل 25- نمایش نیروهای متوازنی که اعضای مهاربندی شورون 8 تحت بارجانبی کم به تیر وارد می‌کنند

 

در صورتی­که مقدار بار جانبی زیاد باشد به­طوری­که نیروی فشاری وارد بر عضو مهاربندی (عضوBD) از ظرفیت کمانشی عضو بیشتر باشد، در این صورت عضو BD کمانش می­کند. می­دانیم که مقاومت فشاری یک عضو فولادی از مقاومت کششی آن کمتر است؛ بنابراین زمانی­که که عضو BD تحت فشار کمانش می­کند، نیروی کمی از جانب آن به تیر وارد می­شود ولی در عوض عضو کششی مهاربند(AD) در اثر بار جانبی، نیروی کششی زیادی را به تیر اعمال می­کند.

 

کمانش عضو فشاری مهاربند شورون هشتی

شکل 26- کمانش عضو فشاری مهاربند شورون هشتی

این نیروهای وارد شده به تیر مطابق شکل زیر به دلیل اختلاف زیادی که با هم دارند، پس از تجزیه­ نیروهای وارده در راستای قائم و افقی مطابق رابطه زیر، در راستای قائم نیروی متمرکز نسبتاً زیادی را به وسط تیر اعمال می­کنند که موجب به هم ریختن توازن نیروها در تیر می­شود. به همین دلیل آن­‌را نیروی نامتوازن کننده می­نامند. این نیرو با ایجاد نیروی متمرکز زیادی در وسط تیر منجر به ایجاد لنگر خمشی زیادی در این نقطه خواهند شد که بایستی در طراحی سازه لحاظ شود. همچنین نیروی برآیند افقی قابل توجهی به تیر متصل به مهاربند وارد می­شود که رفتار المان را از رفتار صرفاً خمشی به رفتار  تیر – ستون(یعنی رفتار محوری – خمشی) تبدیل می­کند که باید طراحی تیر متصل به مهاربندی شورون هفتی و هشتی بر اساس ضوابط تیر – ستون باید انجام گیرد.

 

 

اعضای مهاربندی شورون 8

شکل 27- نمایش نیروهای نامتوازنی که اعضای مهاربندی شورون 8 تحت بارجانبی زیاد به تیر وارد می‌کنند

با وارد شدن زلزله، قاب‌های مهاربندی شورون معمولاً به دو صورت دچار خرابی می‌شوند. حالت اول تسلیم تیر ضعیف به دلیل کمانش بادبند فشاری می‌باشد که موجب به‌وجود آوردن نیروی نامتوازن‌کننده، اعمال آن به تیر و ایجاد مفصل پلاستیک در تیر می‌گردد. حالت دوم تسلیم تیر قوی به دلیل کمانش عضو فشاری پس از عضو کششی می‌باشد.

توجه شود که نیروی نامتوازن کننده قائم وارد بر تیر، بسته به اینکه مهاربند لاغر یا چاق باشد، می تواند مقادیر مختلفی داشته باشد. در واقع چنانچه مقدار لاغری مهاربند ( Kl/r ) مقدار زیادی باشد، به این معناست که محدودیت آیین نامه بیشتری برای آن لحاظ می شود. در بند 10-3-4-1-5-2 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، لاغری مهاربندهای شورون هفتی و هشتی معمولی به مقدار زیر و در بند 10-3-4-2-5-2 برای مهاربندهای شورن 7 و 8 ویژه، این مقدار به 200 محدود می شود.

4√(E /Fy )=4 √((2 ×106 )/2400 )=115

در بند 10-2-4-3 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان داریم:

 

 

بنابراین با توجه به محدودیت های آیین نامه‌ای اگر مهاربند فشاری مقدار لاغری بیشتر از محدودیت آیین نامه داشته باشد، لاغر محسوب می شود و مقاومت کمانشی کمی خواهد داشت ولی نیروی کششی مهاربند Py ، مقدار به مراتب بزرگتری دارد که در نتیجه ی آن طبق رابطه ی

∑fy=(Py-Pc)sinθ

مقدار نیروی قائم نامتوازن‌کننده مقدار قابل توجهی خواهد شد، اما اگر مقدار لاغری مهاربند فشاری از حد آیین نامه کمتر باشد، مهاربند چاق محسوب می شود و مقاومت کمانشی قابل توجهی دارد که در مقایسه با نیروی کششی مهاربند تحت کشش، اختلاف کمی دارد که در نتیجه آن طبق رابطه بالا مقدار نیروی نامتوازن کننده ناچیزی به تیر وارد می شود ولی در عوض مقدار نیروی محوری (افقی) زیادی را متحمل می شود. بنابراین باید سعی شود تا حد امکان مهاربند به گونه ای طراحی شود که لاغری آن کمتر از لاغری آیین نامه شود.

در قاب تحت بررسی تیر می‌تواند صلب یا غیرصلب (انعطاف‌پذیر) باشد. اگر تیر صلب باشد، تغییر مکان قائم در محل اتصال مهاربندها نسبت به یکدیگر صفر است که نتیجه این خواهد شد که میزان افزایش طول مهاربند کششی دقیقا با کاهش طول مهاربند فشاری برابر است ولی اگر تیر صلب نباشد، به علت اینکه وسط تیر به سمت پایین تغییر مکان می‌دهد(به دلیل زیاد بودن نیروی کششی نسبت به فشاری)، تغییر طول مهاربندها با یکدیگر برابر نخواهند بود(کاهش طول مهاربند فشاری بیشتر از افزایش طول مهاربند کششی خواهد بود و البته در این حالت بازهم نیروهای مهاربندها برابر نیستند و نیروی نامتوازن وجود خواهد داشت). با توجه به اینکه استفاده از تیر صلب عملاً امکان‌پذیر نیست و استفاده از مهاربندهای با لاغری زیاد، نیروی نامتوازن کننده قابل‌ ملاحظه‌ای را به تیر وارد می‌کند، تحقیقات انجام‌شده و همچنین آیین‌نامه‌ها، استفاده از مهاربندهای با لاغری کم را توصیه می‌کنند.

 

شکل 29- تیر غیرصلب و بیشتر بودن کاهش طول عضو فشاری از افزایش طول عضو کششی

 

عملکرد مهاربند شورون هفتی و هشتی در هنگام زلزله

شکل 30- عملکرد مهاربند شورون هفتی و هشتی در هنگام زلزله

 

آیین‌نامه‌ها برای کاهش نیروی زیاد نامتوازن‌کننده وارد بر تیر دو راهکار به شرح زیر ارائه می‌دهند:

  • استفاده از ستون‌های دوخت (زیپرها) در محل برخورد مهاربند با تیر در طبقات که در این صورت نیروی نامتوازن‌کننده به جای تیر به ستون دوخت وارد می‌شود. ستون‌های دوخت به دلیل ضعف مهاربندهای شورون در توزیع جابجایی نسبی طبقات و جذب انرژی پیشنهاد گردید و به سیستم‌های مهاربندی زیپی نیز معروف شدند. در مواردی ستون دوخت در پایین‌ترین طبقه ساختمان اجرا نمی­شود. همچنین این سیستم باعث می‌شود در وقوع زلزله خرابی به‌صورت یکنواخت در ارتفاع سازه گسترش یابد.
  • استفاده از مهاربند شورون هفتی و هشتی به‌صورت ترکیبی که در این صورت نیروی نامتوازن‌کننده کمی به وسط تیر وارد می‌شود؛ زیرا از بالا و پایین نیروهای کششی و فشاری وارد بر تیر همدیگر را تا حد زیادی خنثی می‌کنند.

 

راهکارهای کاهش نیروهای نامتوازن‌کننده

شکل 31- راهکارهای کاهش نیروهای نامتوازن‌کننده

 

نمونه قاب مهاربندی شده همگرا

شکل 32- نمونه قاب مهاربندی شده همگرا همراه ستون دوخت

شکل 33- خنثی شدن اثر نیروهای وارد بر تیر در مهاربندی های ترکیبی هفتی و هشتی

2.8. مهاربندهای K شکل

این مهاربندها نیز شبیه مهاربندهای شورون نیروی نامتوازن کننده زیادی به ستون متصل به آن‌ها وارد می‌کند. استفاده از این مهاربندها محدودیت‌هایی دارد؛ زیرا عدم اجرای صحیح و وارد شدن نیروی برشی زیادی که از طرف مهاربندها به ستون، می‌تواند باعث فروپاشی کل ساختمان شود. ویرایش سوم مبحث دهم مقررات ملی ساختمان استفاده از آن‌ها را در ساختمان‌های یک و دوطبقه مجاز می‌داند، ولی در ویرایش‌های جدید این مبحث استفاده از این نوع مهاربند ممنوع شده است.

 

نیروهای نامتوازن کننده وارد بر ستون در مهاربندی k شکل

شکل 34- نیروهای نامتوازن کننده وارد بر ستون در مهاربندی k شکل

3.8. مهاربندهای ضربدری

مهاربندها وقتی تحت اثر نیروی فشاری بیشتر از ظرفیت خود قرار می گیرند، کمانش می کنند. مهاربندها برخلاف ورق ها، پس از کمانش مقاومت ناچیزی دارند و پس از وقوع کمانش در آن‌ها سختی عضو تقریباً صفر خواهد شد و نیروی محوری فشاری وارده بر آن‌ها، ثابت خواهد ماند. عضو فشاری مهاربند تحت اثر نیروی فشاری وارده با کاهش طول همراه هست که با افزایش نیروی فشاری، این کاهش طول بیشتر خواهد شد تا اینکه عضو فشاری مهاربند کمانش کند. در این حالت بدون اینکه نیروی محوری آن افزایش یابد، کاهش طول عضو ادامه می یابد.

بین رفتن سختی سیستم مهاربندی ضربدری

شکل 35- کمانش عضو فشاری و از بین رفتن سختی سیستم مهاربندی ضربدری

 

تغییر مکان وسط عضو مهاربند فشاری کم‌ کم نسبت به حالت اولیه خود افزایش می یابد و این باعث افزایش لنگر خمشی در وسط مهاربند می شود. افزایش تغییرمکان وسط تیر و درنتیجه افزایش لنگر خمشی ادامه می یابد تا وسط مهاربند مفصل پلاستیک خمشی تشکیل شود. در این حالت با افزایش تغییر شکل عضو فشاری مهاربند، تغییر مکان جانبی وسط مهاربند به علت تشکیل مفصل پلاستیک شدیداً افزایش می یابد و به علت ثابت بودن لنگر پلاستیک، این افزایش تغییرمکان جانبی با کاهش نیروی محوری همراه خواهد بود.

P×δ=Mp=ثابت , P↓=Mp /δ↑

شکل 36- افزایش نیروی فشاری و کمانش مهاربند و درنهایت تشکیل مفصل پلاستیک در وسط عضو مهاربندی

در حالت باربرداری، نیرو صفر می شود و عضو تحت کشش قرار میگیرد. حداکثر نیروی کششی که می¬توان به عضو وارد کرد برابر Agfy است. در این حالت تغییر شکل‌های پسماند در عضو باقی می مانند و عضو هیچ‌گاه مثل حالت اول (صاف) نخواهد شد. به علت مفصل پلاستیکی که در عضو ایجادشده است، در بارگذاری مجدد فشاری بار بحرانی عضو نسبت به حالت اول کمتر خواهد بود (P´cr<Pcr) . مقدار P´cr/Pcr تابعی از لاغری عضو است. انجمن مهندسان سازه کالیفرنیا (SEAOC) رابطه زیر را ارائه کرده اند.

 

 

 

9. عوامل تاثیرگذار در رفتار شکل‌پذیر مهاربندهای همگرا

در رفتار شکل‌پذیر مهاربندها سه عامل تأثیرگذار است:

1-لاغری مهاربند

لاغری عضو با پارامتر بی‌بعد ( Kl/r ) اندازه‌گیری می‌شود که در آن k ضریب طول موثر، l طول عضو مهاربندی و r شعاع ژیراسیون عضو می‌باشد. این پارامتر در ظرفیت جذب انرژی و منحنی‌های هیسترزیس مهاربند تأثیر زیادی دارد. منحنی‌های هیسترزیس مهاربندهای لاغر دارای حلقه‌های لاغر می‌باشد. با افزایش لاغری مهاربند از اتلاف انرژی آن‌ها کاسته می شود. لاغری باعث می شود که مهاربند سریعتر کمانش کند و این موجب افت سریع سختی سیستم می‌شود. پس برای اتلاف انرژی بیشتر باید سعی شود مهاربند حتی المقدور چاق (با لاغری کم) طراحی شود. منظور از لاغری کم یعنی لاغری در حدی است که بار کمانشی کمتر از بار تسلیم باشد. مهاربندهای چاق ظرفیت شکل‌پذیری سازه را نیز افزایش می‌دهند.

2-شرایط انتهایی مهاربند

طراح بنا بر شرایط می‌تواند اتصالات انتهای مهاربند را گیردار یا مفصلی طراحی کند. اگر مهاربند به‌جای اینکه دوسر مفصل اجرا شود، دوسرگیردار اجرا شود، در این صورت بجای تشکیل یک مفصل در وسط مهاربند، سه مفصل پلاستیک که دوتای آن دو انتهای مهاربند است تشکیل می¬شود(به دلیل وجود لنگر در انتهای مهاربند) و این پتانسیل اتلاف انرژی را افزایش می دهد.

3-شکل مقطع مهاربند

در تحقیقاتی که تاکنون انجام‌شده است با لاغری یکسان بالاترین اتلاف انرژی مربوط به مهاربندهای با مقطع لوله‌ای و پس‌ازآن مقطع قوطی شکل است. از این رو استفاده از جفت ناودانی (قوطی شکل) برای مهاربند گزینه بسیار مناسبی است.

10. مدل‌سازی مهاربندهای همگرا در نرم‌افزار ایتبس

با فرض مدل‌سازی صحیح هندسه سازه فولادی و اعمال بارگذاری‌های لازم، به بررسی نحوه مدلسازی و ترسیم مهاربندهای همگرا و نکات مربوط به آن در ETABS2019 می‌پردازیم. باتوجه به اینکه مهاربندها در نمای جانبی سازه قاب رؤیت هستند، به جهت ترسیم ابتدا در نوار فوقانی آیکون e را انتخاب کرده و در پنجره Set Elevation View محور مربوطه را انتخاب می‌کنیم. حال از مسیر Draw > Draw Beam/Column/Brace Objects > Beam/Column/Brace Objects(Plan,Elev,3D) اقدام به ترسیم مهاربند می‌کنیم. پنجره‌ای مطابق شکل زیر ظاهر می‌شود که در آن نوع مقطع انتخابی و شرایط انتهایی (مفصلی: Pinned و گیردار: Continuous) تعیین می‌گردند.

 

گام به گام مدل‌سازی مهاربندهای همگرا در نرم‌افزار ایتبس

شکل 37- تنظیم خصوصیات مهاربندها

 

حال با استفاده از نشانک ظاهرشده می‌توان به ترسیم دستی مهاربند همگرا پرداخت. در شکل زیر در یک دهانه مهاربند همگرای ضربدری و در دهانه دیگر مهاربند همگرای قطری ترسیم شده‌اند.

 

ترسیم مهاربند همگرای ضربدری و قطری در نرم افزار ایتبس

شکل 38- ترسیم دستی مهاربند همگرای ضربدری و قطری

 

به جهت ترسیم دستی مهاربندهای شورون هفتی و هشتی دو راهکار وجود دارد:

1) از مسیر Draw > Snapp Options گزینه Line End and Midpoints را فعال می‌کنیم تا در هنگام ترسیم نقاط انتهایی و وسط المان‌ها به طور خودکار نمایش داده شوند. در این صورت می‌توان مهاربندهای به شکل شورون هفتی و هشتی یا لوزی را ترسیم نمود که در شکل زیر نشان داده شده‌اند.

 

ترسیم دستی مهاربندهای شورون هفتی و هشتی

شکل 39- ترسیم دستی مهاربند همگرای شورون هفت و هشتی و مهاربند همگرای لوزی

 

2) با انتخاب المان مربوطه از مسیرFrames Edit > Edit frames > Divide می‌توان المان را به چند قسمت تقسیم نمود. مطابق شکل زیر با وارد نمودن عدد 2 در گزینه اول، المان به دو قسمت مساوی تقسیم می‌شود. چنانچه بخواهیم از نقطه خاصی المان را دو قسمت کنیم با انتخاب المان و نقطه مربوطه گزینه دوم را فعال می‌کنیم. گزینه سوم زمانی به کار می‌رود که grid line اضافی وجود داشته باشد یا با ترسیم یک grid line اضافی قصد داشته باشیم المان از محل تقاطع المان با grid line به دوقسمت تقسیم شود.

تذکر: پس از ترسیم دستی مهاربندها بایستی با انتخاب دو قسمت جداشده از المان، از مسیر Frames Edit > Edit frames > Join اقدام به یکپارچه کردن المان نمود.

 

آموزش مدلسازی مهاربند همگرا در ایتبس

شکل 40- تقسیم‌بندی المان (تیر یا ستون) به چند قسمت

 

1.10. روش ترسیم سریع مهاربندها

با انتخاب آیکون Quick Draw Braces(Plan,Elev,3D) از نوار ابزار کناری در منوی اصلی ایتبس پنجره‌ای به شکل زیر ظاهر می‌شود. در قسمت Bracing می‌توان نوع مهاربند را تعیین نمود.

 

شکل 41- تنظیم مشخصات و نوع مهاربند در ترسیم سریع

 

Eccen Back : مهاربند قطری که از راست به چپ ترسیم می‌شود
Eccen Forward : مهاربند قطری که از چپ به راست ترسیم می‌شود
Inverted V : مهاربند شورون هشتی
V: مهاربند شورون هفتی
X : مهاربند ضربدری

با انتخاب نوع مهاربند و کلیک بر روی دهانه مربوطه، مهاربند انتخابی به طور خودکار ترسیم می‌شود.

2.10. تنظیمات عمومی پیش از طراحی

از مسیر Design > Steel Frame Design > View Revise Preferences پنجره تنظیمات مربوط به طراحی ظاهر می‌شود که از قسمت Framing Type می‌توان نوع قاب سازه را از نظر طراحی لرزه‌ای و شکل‌پذیری تعیین نمود. موارد 3 تا 10 مربوط به برخی تنظیمات طراحی لرزه‌ای می‌باشد که در این مقاله مورد بحث نیست.

SMF :قاب خمشی ویژه
IMF : قاب خمشی متوسط
OMF : قاب خمشی معمولی
SCBF : قاب مهاربندی‌شده همگرای ویژه
OCBF : قاب مهاربندی‌شده همگرای معمولی
OCBFI : قاب مهاریندی‌شده همگرای معمولی در سازه‌های جداسازی‌شده لرزه‌ای
EBF : قاب مهاربندی‌شده واگرا
BRBF : قاب با مهاربند کمانش‌تاب

 

نحوه تعیین نوع قاب ساختمانی در ایتبس

شکل 42- تعیین نوع قاب ساختمانی

3.10. تنظیمات اختصاصی مهاربندها

از مسیر Select > Select Object Type > Braces تمامی مهاربندها انتخاب می‌شوند، سپس از مسیر Design > Steel Frame Design > View Overwrites می‌توان تنظیمات اختصاصی مهاربندها را مشاهده نمود. با انتخاب آیین‌نامه و نوع قاب، ویژگی‌های مربوطه به درستی تنظیم می‌شوند. تنها موارد 24 و 25 با توجه به نوع مقطع مورد استفاده در مهاربندها بایستی اصلاح گردد. به عنوان مثال در مهاربندهای ضربدری با مقطع متداول دوبل ناودانی، مقادیر مربوط به نسبت طول مهارنشده برای کمانش حول محور قوی و ضعیف به ترتیب 0.5 و 0.7 وارد می‌شوند.

 

تنظیم خصوصیات مهاربندها در نرم افزار ایتبس

شکل 43- تنظیم خصوصیات مهاربندها

 

پس از تحلیل و طراحی اطلاعات مربوط به مهاربندها با راست‌کلیک بر روی آن قابل مشاهده می‌باشد. در این حالت پنجره‌ای به نام Steel Stress Information باز می‌شود که خلاصه‌ای از طراحی عضو مورد نظر در هریک از ترکیب ‌بارها نمایش داده شده‌ است.

11. پرسش و پاسخ

تفاوت سیستم مهاربندی زانویی با قطری چیست؟
سیستم مهاربند زانویی علاوه‌بر عضو قطری شامل یک عضو زانویی نیز می‌باشد که تأمین‌کننده شکل‌پذیری لازم بوده و با تشکیل مفصل الاستیک در آن، بقیه اعضا در حالت الاستیک باقی می‌مانند. در نتیجه در صورت خرابی، می‌توان با تعویض عضو زانویی سیستم مهاربندی را تعمیر و دوباره استفاده نمود.
بهترین نوع مهاربند همگرا کدام است؟
هریک از مهاربندهای همگرا مزایا و معایب بخصوصی دارند و از نظر سختی، شکل‌پذیری، محدودیت‌های اجرایی و معماری قابل بحث می‌باشند. به طور کلی مهاربندهای ضربدری و شورون بهترین و متداول‌ترین مهاربندهای همگرا می‌باشند.
به منظور کاهش نیروی نامتوازن‌کننده تیر در مهاربندهای همگرای شورون چه اقدامی می‌توان انجام داد؟
استفاده از ستون‌های دوخت یا استفاده از سیستم ترکیبی مهاربندهای شورون هفتی و هشتی به عنوان دو راهکار مؤثر شمرده می‌شوند.
آیا استفاده از مهاربند همگرای دروازه‌ای ممنوع است؟
خیر. مهاربند همگرای دروازه‌ای فعلاً وارد آیین‌نامه نشده و ضوابط آیین‌نامه‌ای ندارد، اما بایستی از استفاده از آن به دلیل پتانسیل حرکت‌های خارج از صفحه و غیراقتصادی بودن تاحد امکان اجتناب نمود.
دلیل ممنوعیت استفاده از مهاربندهای k شکل در مبحث دهم مقررات ملی چیست؟
به دلیل شکل ظاهری مهاربندهای k شکل و اتصال مستقیم به وسط ستون، این مهاربندها پتانسیل ایجاد مفصل پلاستیک در ستون را بالا می‌برند که امری نامطلوب و خطرناک است.

نتیجه گیری 

در این مقاله سیستم مهاربندی همگرا مورد مطالعه قرار داده‌ شد و 6 نوع مهاربند همگرا از نظر ویژگی‌های مختلف مورد مقایسه قرار گرفتند. مهاربند ضربدری با بالاترین میزان سختی به عنوان متداول‌ترین نوع مهاربند همگرا معرفی شد که در مقابل دارای شکل‌پذیری کم و محدودیت‌های معماری می‌باشد. از این رو، مهاربندهای شورون هفتی و هشتی با مرتفع ساختن محدودیت‌های ایجاد بازشو و سیستم‌های نوین مهاربندی نظیر مهاربندهای کمانش‌ناپذیر با پوشش دیگر معایب سیستم‌های همگرا مورد بررسی قرار گرفتند. براساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، دلیل ممنوعیت استفاده از مهاربند K و طبقه‌بندی مهاربندهای همگرا از نظر شکل‌پذیری شرح داده شد. همچنین، رفتار هریک از مهاربندهای همگرا در هنگام وقوع زلزله مورد مقایسه قرار گرفت. در نهایت نکاتی در مورد ترسیم دستی و سریع انواع مهاربندهای همگرا در نرم‌افزار ETABS ارائه شد.

 

منابع

  1. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1401)
  2. آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله‌ها(استاندارد 2800)، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، ویرایش 4
  3. طراحی کاربردی سازه‌های فولادی، محسن گرامی، 1401
  4. تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی با تأکید بر روش‌های حالات حدی، هاشمی، علیرضایی و احمدی، 1395
  5. طراحی سازه‌های فولادی به روش حالات حدی(جلد پنجم)، ازهری، عموشاهی، میرباقری، 1396
  6. Seismic provisions for structural steel buildings, AISC341-22.
  7. Specifcation for Structural Steel Buildings, An American National Standard, AISC 360-22.

 

خرید لينک هاي دانلود

با عضویت بدون وارد کردن اطلاعات رایگان دریافت کنید.

دانلود و ذخیره فقط همین آموزش ( + عضو شوید و یا وارد شوید !)

دانلود سریع و رایگان

پیش از همه باخبر شوید!

تعداد علاقه‌مندانی که تاکنون عضو خبرنامه ما شده‌اند: 37,298 نفر

تفاوت خبرنامه ایمیلی سبزسازه با سایر خبرنامه‌ها، نوآورانه و بروز بودن آن است. فقط تخفیف‌ها، جشنواره‌ها، تازه‌ترین‌های آموزشی و ... مورد علاقه شما را هر هفته به ایمیلتان ارسال می‌کنیم.

نگران نباشید، ما هم مثل شما از ایمیل‌های تبلیغاتی متنفریم و خاطر شما را نخواهیم آزرد!

تولید کنندگان آموزش
با ارسال هشتمین دیدگاه، به بهبود این محتوا کمک کنید.
نظرات کاربران
  1. pnaliyous@yahoo.com

    سلام وقت بخیر
    مهاربند زانویی knee brace از بهترین مهار بندی ها هست که اشتباها با مهار بند k شکل در متن اشتباه گرفته شده است این نوع مهاربند در ایران هنوز آیین نامه ای نشده است
    در اوایل دهه ی ۱۹۸۰سیستمی تحت عنوان قاب مهاربندی همگرا با مهار زانویی معرفی شد و تاکنون تحقیقاتی در این زمینه انجام‌شده است. در این سیستم از یک عضو زانویی به‌عنوان فیوز سازه ای استفاده می شود بطوریکه در بارهای رفت و برگشتی تسلیم‌شده و عمده ی تغییرشکل های غیر الاستیک سیستم به آن محدود شود و مهاربند اصلی الاستیک باقی می¬ماند، بنابراین پس از وقوع زلزله در صورت بروز خرابی، المان زانویی قابلیت تعمیر و جایگزینی دارد؛ از طرفی شکل¬پذیری و قابلیت جذب و استهلاک انرژی سیستم قاب همگرا با استفاده از این تکنیک بهبودیافته است
    لاتاویوات و همکاران در سال ۲۰۰۹سیستمی را با عنوان قاب خمشی زانویی مهار شده معرفی کردند که مشخصات کلیدی قاب¬های خمشی(شکل پذیری) و قاب¬های مهاربندی همگرا(سختی) را دارا میباشد.روش طراحی این سیستم سازه ای، طراحی برمبنای ظرفیت است.
    طراحی قاب خمشی با مهار زانویی kbmf خوانده می¬شود، بر مبنای یک مکانیزم تسلیم از پیش تعیین شده است به نحوی که در آن کلیه ی تغییر شکلهای غیرالاستیک به اعضای شکل پذیر قاب محدود می شود

    پاسخ دهید

  2. مهندس مرضیه صبور (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام مهندس
    کاملا حق باشماست در این زمینه، مهاربندهای زانویی کاملا از نظر عملکردی و حتی ظاهری با مهاربندهای kشکل تفاوت دارند و در دسته ی مهاربندهای هیسترزیس می تونن جای بگیرن که روند طراحی متفاوتی با مهاربندهای همگرا دارند.
    ذکر این عبارت در مقاله یک غلط مصطلح بوده و حتما اصلاح میکنیم.
    ممنون از توجه شما

    پاسخ دهید

  3. حاجیان

    سلام وقت بخیر من یک پروژه دانشجویی دارم با مهاربند واگرا
    توی طبقه اول کنار مهاربند ستون ها جواب نمیدن
    بخاطر همین کلک رشتی زدم طبقه اول نوع بادبندو عوض کردم
    یعنی الان تمامی طبقات بابدند v هست بجز طبقه اول که بادبند ۸ استفاده شده
    آیا این کارو میشه انجام داده یا مشکل داره
    اگه مورد تایید است لطفا منبع یا آیین نامه ذکر کنید ممنون میشم

    پاسخ دهید

  4. مهدی

    با سلام
    یک نکته ای که بنده متوجه نشدم , اینه که شما در طبقات بالایی از سیستم مهاربندی واگرا(EBF) استفاده کردید و یا از سیستم مهاربندی همگرای شورن هفتی(SCBF) , استفاده کردید .
    اگر در طبقات بالایی از سیستم مهاربندی همگرای هفتی استفاده کرده باشید , که اشکالی پیش نمیاد
    ولی اگر از سیستم مهاربندی واگرا(EBF) , استفاده کرده باشید , شما ترکیب سیستم های باربرجانبی در ارتفاع انجام دادید , که این مسئله بر روی ضریب رفتار (Ru) , تاثیر میذاره .
    نظر شخصی بنده اینه که از ترکیب سیستم های باربر جانبی در ارتفاع پرهیز کنید ,

    پاسخ دهید

  5. محمد جواد زاهدی

    سلام دوست عزیز
    اگه همین مقاله رو خونده باشین متوجه میشین که معمولا استفاده از مهاربندی ۸ در طبقه پایینی بخاطر مسائل معماری هست و استفاده از اون مشکلی رو پیش نمیاره. فقط شما باید تیر و ستون دهانه طبقه اول رو با همین تغییری که دادین طراحی کنین که در اینصورت تیر نیروی کمتری رو تحمل می‌کنه

    پاسخ دهید

  6. حسن موسی نژاد

    ممنون از مقاله خوب شما . از اینکه مطالب را با جزئیات بیان کردید متشکریم .

    پاسخ دهید

  7. مرضیه صبور (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام ممنون از حسن توجه شما مهندس
    خوشحالیم که برای شما مفید واقع شده است

    پاسخ دهید

رشد 5برابری درآمد در سال آینده
تمدید آخرین تخفیف سال تا  24 ساعت 
تا 50% تخفیف تمامی دوره ها
کلیک کنید|فقط تا24ساعت
question