صفحه اصلی  »  طراحی سازه های ساختمانی و صنعتی  »  مقایسه قاب خمشی و سیستم مهاربندی با زبانی ساده (آپدیت 1402)

مقایسه قاب خمشی و سیستم مهاربندی با زبانی ساده (آپدیت 1402)

همانطور که می دانید یکی از بحرانی‌ترین چالش‌های مهندسی سازه مقابله با نیروهای جانبی ناشی از عوامل محیطی چون باد و زلزله است. این چالش، نیازمند انتخاب دقیق و موشکافانه‌ی سیستم باربر جانبی مناسب می‌باشد. ما در این مقاله، قصد داریم به مقایسه‌ی دو روش باربری بسیار مهم، یعنی سیستم قاب مهاربندی و قاب خمشی بپردازیم. ابتدا با معرفی دقیق ویژگی‌ ها، مزایا و معایب و نکات آیین‌نامه‌ای هر یک از این دو سیستم، آشنا شده و سپس این دو سیستم را از نظر عوامل مختلفی نظیر ضریب رفتار، سختی، شکل‌پذیری و … مورد مقایسه قرار می دهیم. همراه ما باشید.

⌛ آخرین به روز رسانی: 16 آذر 1402

📕 تغییرات به روز رسانی: آپدیت بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1401

با مطالعه این مقاله چه می‌آموزید؟

1. سیستم باربر سازه

سیستم باربر سازه‌ای متشکل از اعضای باربر می‌باشد که این اعضا وظیفه توزیع نیروهای وارد برسازه و انتقال آن‌ها به فونداسیون را برعهده دارند. نحوه انتقال بارها به مدل قرارگیری اعضای باربر بستگی دارد. سیستم باربر سازه‌ای به دو دسته سیستم باربر ثقلی و سیستم باربر جانبی تقسیم می‌گردد که بر روی سازه‌های قابی شکل پیاده‌سازی می‌شوند. منظور از سازه‌ قابی، سازه‌ای متشکل از تیر، ستون و سقف می‌باشد که قابلیت تحمل بارهای ثقلی و جانبی را دارا می‌باشد.

1.1. عملکرد سیستم باربر ثقلی

ابتدا بارهای قائم به سقف وارد شده و سپس به شاهتیرها انتقال می‌یابند. شاه تیرها این بارها را ابتدا به دوسر تکیه‌گاه خود و در مرحله بعد به ستون‌ها انتقال می‌دهند. نهایتاً بارهای واردشده توسط ستون‌ها به پی و سپس به سنگ بستر زیرین منتقل می‌گردند.

 

سیستم باربر ثقلی

شکل 1- عملکرد سیستم باربر ثقلی

 

2.1. عملکرد سیستم باربر جانبی

سیستم باربر جانبی در برابر بارهای جانبی نظیر باد و زلزله مقاومت کرده و با انتقال آن‌ها به فونداسیون و سپس زمین، از ریزش و خرابی سازه جلوگیری می‌کند. یکی از مهم‌ترین وظایف طراحان انتخاب سیستم باربر جانبی مناسب برای سازه‌ها می‌باشد، بطوریکه مورد قبول آیین‌نامه‌های طراحی بوده و با تأمین سختی و شکل‌پذیری لازم به محافظت از سازه بپردازد.

میزان مقاومت سازه در برابر بارهای جانبی به میزان گیرداری اتصالات بین تیر و ستون بستگی دارد(قاب خمشی). چنانچه این اتصالات گیردار نباشند، ناچار به افزودن عضو دیگری نظیر مهاربند یا دیوار برشی می‌باشیم. گاه ترکیب این سیستم‌ها (قاب خمشی+ مهاربند/دیوار برشی) می‌تواند عملکرد بهتری در سازه داشته باشد که در ادامه مورد بحث قرار خواهد گرفت. انواع سیستم‌های باربر جانبی مورد استفاده در سازه‌های فولادی و بتنی به صورت زیر تفکیک شده ‌است.

 

انواع سیستم باربر جانبی

 

لازم به ذکر است، در این مقاله منحصراً به بررسی و مقایسه قاب خمشی و سیستم مهاربندی پرداخته خواهد شد.

2. عوامل مؤثر بر انتخاب سیستم باربر جانبی

در انتخاب سیستم باربر جانبی برای یک سازه بایستی با در نظر گرفتن عوامل دخیل در پروژه نظیر شرایط سازه (تعداد طبقات،کاربری، منطقه لرزه خیزی و…)، بودجه کارفرما و ویژگی‌های هر سیستم باربر جانبی اقدام به انتخاب مناسب‌ترین گزینه نمود. عوامل مؤثر در تعیین ویژگی‌های سیستم‌های باربر جانبی به شرح زیر است:

• سختی
• شکل‌پذیری
• عملکرد در برابر بارهای جانبی
• معماری
• هزینه

به عنوان مثال سختی و شکل‌پذیری هر دو پارامترهای مهم و تأثیرگذاری هستند که بایستی بین آن‌ها تعادل ایجاد نمود. سختی کم خصوصاً در سازه‌های بلندمرتبه موجب فروپاشی سازه در برابر بارهای جانبی می‌گردد، از طرفی سختی زیاد شکل‌پذیری را کاهش و شکنندگی را افزایش می‌دهد. با در نظر گرفتن عوامل فوق و برآورد کلی از شرایط موجود، طراح اقدام به انتخاب سیستم باربر جانبی می‌کند.

3. سیستم قاب ساختمانی

به منظور مقایسه قاب خمشی و سیستم مهاربندی ابتدا باید ویژگی‌های هر سیستم را مورد مطالعه قرار دهیم. ابتدا سیستم قاب ساده ساختمانی مورد بررسی قرار می‌گیرد. در استاندارد 2800 (آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله) سیستم قاب ساختمانی به شکل زیر تشریح شده ‌است.

 

مقایسه قاب خمشی و قاب مهاربندی

 

قاب ساده ساختمانی متشکل از تیر و ستون‌هایی با اتصالات مفصلی می‌باشد که توانایی تحمل بارهای ثقلی را داشته ولی در برابر بارهای جانبی پایدار نیست. این امر به دلیل خاصیت اتصالات مفصلی می‌باشد که تنها دو المان را متصل به هم نگه می‌دارد و سازه در این حالت قادر به تحمل لنگرهای ناشی از بارهای جانبی نمی‌باشد، چراکه به دلیل اتصال مفصلی بین تیر و ستون لنگر ناشی از بارهای جانبی به تیر منتقل نشده و سختی خمشی تیر تأثیری در جذب انرژی زلزله ندارد. در این حالت پس از اعمال بار زاویه بین تیر و ستون 90 درجه باقی نمی‌ماند و سازه دچار ناپایداری می‌گردد.

به منظور تأمین باربری جانبی در قاب ساده ساختمانی ناچار به افزودن عضو سومی نظیر دیوار برشی یا مهاربند می‌باشیم. استفاده از سیستم قاب ساختمانی ساده در سازه‌های بتنی کمی مشکل است، چراکه اجرای اتصالات مفصلی نیازمند جزئیات اجرایی به‌خصوصی می‌باشد و در صورت اجرای دقیق اتصالات مفصلی، باز هم اندکی گیرداری حاکم خواهد بود. در این مقاله سیستم قاب ساده با مهاربند یا سیستم مهاربندی که در سازه‌های فولادی مورد استفاده قرار می‌گیرد، مورد بحث می‌باشد.

 

مقایسه قاب ساده و قاب مهاربندی

شکل 2- قاب ساده و قاب مهاربندی تحت بار ثقلی و جانبی

4. سیستم مهاربندی چیست؟

سیستم مهاربندی مجموعه‌ای از تیرها، ستون‌ها و اعضای مورب(مهاربندها) می‌باشد که با اتصالات مفصلی به هم متصل شده و نظیر خرپای یکپارچه عمل می‌کنند. در این سیستم، مهاربندها با ایجاد سختی در برابر نیروهای جانبی مقاومت کرده و مانع از خرابی سازه می‌شوند؛ به‌گونه‌ای که با جذب انرژی زلزله و انتقال نیروهای افقی ناشی از آن به دیگر اعضای سازه‌ای، نقش مهمی در استحکام سازه ایفا می‌کنند. مهاربندها از مقاطع فولادی نظیر نبشی، ناودانی و… ساخته شده و براساس نوع و کاربردشان به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند.

با افزودن مهاربندها به سیستم قاب ساختمانی، صلبیت سازه افزایش می‌یابد و هرچه تعداد دهانه‌های مهاربندی افزایش یابد، صلبیت سازه نیز بیشتر می‌گردد. تعبیه مهاربندها در دهانه‌‌‌های بزرگ موجب کاهش تغییر شکل‌ها می‌شود ولی در دهانه‌های کوچک چندان کاربردی نیست. ترجیحاً بهتر است جانمایی آن‌ها در پلان به صورت متقارن باشد. در سیستم مهاربندی برش‌های وارده از طریق اعضای قطری(مهاربندها) جذب و با تبدیل به فشار یا کشش به اعضای قائم منتقل می‌شوند. معمولاً این سیستم در سازه‌های بلند مرتبه مورد استفاده قرار می‌گیرد و با توجه به عدم انتقال لنگر از طریق اتصالات، مقاطع سبک‌تری را نتیجه می‌دهد.

سیستم مهاربندی

شکل 3- سیستم مهاربندی

1.4. اتصالات سیستم مهاربندی

از آن جایی که مهاربند ها در سیستم های مهاربندی سختی ایجاد می کنند نیاز به اتصالاتی دارند که اجازه ی حرکت آزادانه را به اعضا بدهند. تصور کنید که اتصالات نیز مثل مهاربندها سختی ایجاد کنند؛ چه اتفاقی رخ می دهد؟ مسلما تا حدی سازه در برابر نیروی جانبی مقاومت می کند ولی پس از افزایش نیرو، به دلیل سختی بالا، دچار خرابی شدیدی می شود. پس لازمه ی عملکرد بهینه سازه این است که سختی اعضای مهاربندی و شکل پذیری اتصالات آنها در کنار هم و به صورت مکمل در برابر بار جانبی وارد عمل شوند.

اتصال مفصلی اتصالی است که در برابر چرخش هر یک از اعضای متصل به آن هیچ مقاومتی از خود نشان نداده و فقط مانع جدا شدن اعضا از یکدیگر می­ شود. درست مشابه کاری که مفصل زانوی انسان انجام می­ دهد.

 

اتصالات سیستم مهاربندی

شکل 4- اتصالات سیستم مهاربندی

 

اتصال پای ستون (تکیه‌گاه‌‌ها) نیز مفصلی می‌باشند و از انتقال لنگر به فونداسیون سازه ممانعت می‌کنند. با توجه به اینکه افزودن مهاربندها به سیستم سازه‌ای موجب افزایش سختی و صلبیت سازه می‌گردد، اتصالات بایستی به گونه‌ای طراحی شوند که با وجود تأمین سختی لازم اجازه حرکت آزادانه را به اعضاء بدهند. چنانچه اتصالات نیز سختی بالایی داشته باشند، با افزایش نیروهای وارده موجبات خرابی سازه را فراهم می‌سازند. می‌توان این‌گونه نتیجه گرفت که در سیستم مهاربندی، مهاربندها با ایجاد سختی و اتصالات با تأمین شکل‌پذیری در برابر بارهای جانبی مقاومت می‌کنند. بند 10-2-9-1-2 از مبحث دهم مقررات ملی ساختمان اتصال ساده را این‌گونه شرح می‌دهد.

 

اتصالات ساده به چه اتصالاتی گفته می شود؟

 

اتصال مفصلی تیر و ستون دارای یک ورق نشیمن و در صورت نیاز دارای یک ورق یا نبشی جان می‌باشد. می‌توان به جای ورق نشیمن از نبشی نشیمن همراه لچکی یا بدون آن استفاده کرد و در صورت استفاده از پیج و مهره به وسیله یک ورق جان می‌توان اتصال مفصلی را ایجاد نمود. اتصال مفصلی مهاربند به تیر و ستون به وسیله ورق‌های کمکی که ورق‌های اتصال گاست پلیت نام دارند، اجرا می‌شود و جزئیات مربوط به آن در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان تشریح شده ‌است. در شکل زیر نمونه‌ای از اتصال مفصلی تیر به ستون و مهاربند به تیر و ستون آورده شده ‌است.

 

اتصال مفصلی مهاربند

شکل 5- الف) اتصال مفصلی مهاربند ب) اتصال مفصلی تیر به ستون

 

2.4. تغییرشکل سیستم مهاربندی

با وارد شدن بار جانبی، سیستم قاب مهاربندی نظیر یک تیر طره عمودی عمل می‌کند و هرچه به طبقات فوقانی نزدیکتر می‌شویم، شیب تغییرشکل به سرعت افزایش می‌یابد، بطوریکه در بالاترین طبقه دارای بیشترین تغییر شکل و کمترین سختی را شاهد می‌باشیم. دلیل اصلی این پدیده، اثرات تجمعی دریفت در ترازهای ارتفاعی بالا می‌باشد. کرنش ستون‌ها در طبقات زیرین نیز موجب تغییر شکل جانبی در طبقات فوقانی می‌شود. مراحل تغییر شکل یک قاب مهاربندی با وارد شدن بار جانبی تا تشکیل مفاصل پلاستیک و تسلیم کامل در شکل زیر نشان داده شده ‌است.

 

مراحل تغییر شکل سیستم مهاربندی

شکل 6- مراحل تغییر شکل سیستم مهاربندی

 

5. انواع سیستم مهاربندی

مهاربندها از نظر کاربرد و شکل ظاهری به سه دسته مهاربندهای همگرا(هم‌محور)، مهاربندهای واگرا(برون‌محور) و مهاربندهای نوین نظیر مهاربند کمانش‌تاب و زانویی تقسیم می‌شوند. هم‌چنین مبحث دهم مقررات ملی ساختمان آن‌ها را از نظر شکل‌پذیری و ضوابط لرزه‌ای در دو گروه مهاربندهای معمولی و ویژه دسته‌بندی می‌کند.

 

1.5. مهاربندهای همگرا

در مهاربندهای همگرا، اعضای مهاربندی از محل تقاطع تیر و ستون عبور کرده و امتداد آن‌ها در نقطه‌ای واقع در صفحه قاب به هم می‌رسند. مهاربند قطری، ضربدری، شورون هفت و هشتی و مهاربندهای k شکل از انواع مهاربندهای همگرا می‌باشند که در سازه‌های فولادی به کار می‌روند و عموماً به دلیل انسداد دهانه قاب، دارای محدودیت‌های معماری از قبیل ایجاد بازشو می‌باشند. از این نظر مهاربندهای شورون عملکرد بهتری را دارا هستند.

مهاربندهای همگرا عموماً سختی بالا و شکل‌پذیری کمی نسبت به دیگر نوع مهاربندها دارند و استفاده از آن‌ها در مناطق با خطر لرزه‌خیزی بالا توصیه نمی‌شود، چراکه این مهاربندها در زلزله‌های خفیف عملکرد خوبی دارند ولی در زلزله‌های شدید به دلیل کمانش عضو فشاری و تشکیل مفصل پلاستیک در تیر، مستعد خرابی می‌باشند. لازم به ذکر است استفاده از مهاربندهای k شکل به دلیل ایجاد نیروی نامتوازن‌کننده بر روی ستون در مبحث دهم مقررات ملی ممنوع اعلام شده‌است.

 

انواع مهاربند همگرا

شکل 7- انواع مهاربند همگرا

 

2.5. مهاربندهای واگرا

سیستم‌های مهاربندی واگرا دارای چهار بخش تیر پیوند، تیر خارج پیوند، ستون و مهاربند می‌باشند. در مهاربندهای واگرا یک سر اعضای مهاربندی از محل اتصال تیر و ستون عبور نمی‌کند و امتداد اعضا در نقطه‌ای خارج از صفحه قاب به هم می‌رسند؛ لذا یک خروج از مرکزیت(e) از محل اتصال تیر و ستون ایجاد می‌شود. بنابراین این خروج از مرکزیت باعث تشکیل عضوی به نام تیر پیوند می‌گردد که به‌جهت کارکرد صحیح نیازمند اتصالات صلب در قاب می‌باشد، چراکه لازم است لنگر خمشی را در دو انتهای خود تحمل و منتقل کند.

تیر پیوند با جذب انرژی زلزله و وارد شدن به ناحیه غیرخطی، تا زمانی‌که خود به مرحله خرابی نرسیده باشد از کمانش و خرابی مهاربندها جلوگیری می‌کند و دیگر اعضا غالباً در حالت خطی باقی می‌مانند. هم‌چنین این عضو پس از خرابی در اثر زلزله، قابل ترمیم و بازسازی نیز می‌باشد. خروج از مرکزیت ایجاد شده در مهاربندهای واگرا آزادی عمل بالایی را برای ایجاد بازشو در اختیار معماران قرار می‌دهد.

سیستم مهاربندی واگرا با شکل‌پذیری بالا در زلزله‌های شدید عملکرد مطلوبی دارد ولی اجرای آن نسبت به سیستم مهاربندی همگرا سخت‌تر است و ضوابط لرزه‌ای سختگیرانه‌تری هم دارد. از طرفی به دلیل تغییر شکل‌های زیاد تیر پیوند، سقف سازه مستعد اعوجاج می‌باشد. نمونه‌هایی از پیکربندی‌های موجود برای مهاربندهای واگرا در شکل زیر نمایش داده شده است.

 

انواع مهاربند واگرا

شکل 8- انواع مهاربند واگرا

 

3.5. سیستم‌های نوین مهاربندی

نوع دیگری از سیستم‌های مهاربندی نظیر مهاربند کمانش‌تاب و مهاربند زانویی وجود دارند که به منظور ارتقای سطح عملکرد مهاربندها، خصوصاً مهاربند همگرا، پدید آمده‌اند. مهاربند کمانش‌تاب یا کمانش‌ناپذیر دارای یک هسته فولادی متشکل از غلاف پرشده با بتن یا ملات می‌باشد و اصلی‌ترین ویژگی آن حذف کمانش در فشار می‌باشد، به طوریکه رفتار متعادلی از نظر تسلیم در فشار و کشش ایجاد می‌شود. به این ترتیب شکل‌پذیری و قابلیت اطمینان رفتار سازه در مقابل زلزله را بهبود می‌بخشد. این مهاربندها در قالب انواع پیکربندی‌های مجاز مهاربند همگرا (بجز مهاربند ضربدری) قابل اجرا می‌باشند ولی هزینه بسیاری را می‌طلبند.

 

مهاربند کمانش‌تاب

شکل 9- پیکربندی مجاز و غیرمجاز مهاربند کمانش‌تاب

 

مهاربندهای زانویی از اتصال یک عضو قطری به یک عضو زانویی ساخته می‌شوند؛ به طوریکه عضو قطری، سختی لازم و عضو زانویی شکل‌پذیری مورد نیاز را در برابر نیروی زلزله فراهم می‌کند. عضو زانویی نقشی همانند تیر پیوند در مهاربند واگرا را دارد، با این تفاوت که جزو اجزای اصلی باربر نیست و ترمیم آن آسان‌تر و سریع‌تر انجام می‌گیرد. در مهاربند زانویی تا زمانی‌که مفاصل پلاستیک در عضو زانویی تشکیل نشود و عضو به خرابی نرسد، بقیه اجزا سالم باقی می‌‌مانند.

 

انواع پیکربندی مهاربند زانویی

شکل 10- انواع پیکربندی مهاربند زانویی

 

4.5. مهاربندهای معمولی و ویژه

با توجه به اینکه مهاربندهای معمولی به دلیل سختی بالا و شکل‌پذیری نسبتاً کم، در برابر زلزله‌های شدید عملکرد مطلوبی از خود نشان ندادند، نوع جدیدی از مهاربندها تحت عنوان مهاربندهای ویژه در آیین‌نامه‌ها معرفی شدند. مهاربندهای ویژه به دلیل ضوابط لرزه‌ای خاص، شکل‌پذیری بالاتری دارند و این امر در ضریب رفتار آن نیز قابل مشاهده است. مهاربندهای ویژه برخلاف مهاربندهای معمولی پس از کمانش، وارد ناحیه فرا ارتجاعی می‌شوند و مهاربندها نقش یک عضو شکل‌پذیر را ایفا می‌کنند. مهاربندهای معمولی و ویژه در پارامترهایی نظیر ضریب رفتار (Ru)، ضریب بزرگنمایی تغییرمکان (cd) و ارتفاع مجاز برای ساخت (Hm) تفاوت دارند که بایستی در طراحی در نظر گرفته شوند.

ضریب رفتار تعیین‌کننده رفتار سازه در ناحیه غیرخطی است و در تحلیل‌های خطی کاربرد دارد. با توجه به اینکه در تحلیل‌های خطی نمی‌توان رفتار سازه در ناحیه غیرخطی را به طور مستقیم بررسی کرد، با کمک این ضریب می‌توان از ظرفیت سازه در مستهلک نمودن انرژی زلزله در ناحیه غیرخطی استفاده نمود و آن را در طراحی خطی در نظر گرفت. ضریب رفتار در محاسبه برش پایه و ضریب زلزله به طور مستقیم دخالت دارد و آن‌ها راکاهش می‌دهد و به پارامترهایی نظیر ضریب شکل‌پذیری و ضریب اضافه مقاومت (Ω0) وابسته است.

ضریب اضافه مقاومت به دلیل اینکه سازه در واقعیت مقاومت بیش‌تری از مقاومت طراحی نشان می‌دهد، در نظر گرفته می‌شود و تنها برای اعضایی از سازه که بایستی برای زلزله تشدید یافته طراحی شوند، اعمال می‌گردد.

ضریب بزرگنمایی تغییر مکان به منظور نزدیک نمودن تغییرمکان خطی سازه تحت زلزله به تغییرمکان غیرخطی آن کاربرد دارد.
آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله ( استاندارد2800) پارامترهای مربوطه را با توجه به نوع سیستم باربر سازه بصورت زیر ارائه کرده‌ است.

 

سیستم قاب ساختمانی

 

مشاهده می‌شود که با توجه به ضریب رفتار بالای مهاربندهای ویژه، نیروی زلزله در آن‌ها کمتر خواهد بود. ضریب اضافه مقاومت برای مهاربندهای معمولی و ویژه یکسان و برای مهاربند کمانش‌تاب بیش‌تر است. هم‌چنین، ضریب بزرگنمایی تغییرمکان و ارتفاع مجاز برای سازه‌های مجهز به مهاربندهای ویژه و کمانش‌تاب بالاتر از سازه‌های مجهز به مهاربند معمولی می‌باشد.

نکته: در مهاربند واگرای ویژه چنانچه رفتار تیر پیوند برشی باشد، ضریب رفتار 7 و چنانچه رفتار خمشی داشته باشد ضریب رفتار 6 منظور می‌گردد.

6. مزایا و معایب سیستم مهاربندی 

سیستم‌های مهاربندی به دلیل دارا بودن مهاربندها دارای سختی زیاد و شکل‌پذیری نسبتاً کمی می‌باشند؛ از این رو، در مهار تغییرمکان‌های جانبی موفق عمل می‌کنند. ولی با مسدود نمودن دهانه مهاربندی، موجب ایجاد برخی محدودیت‌های معماری می‌شوند. مزایا و معایب قاب مهاربندی به‌صورت زیر جمع‌آوری شده‌اند:

✅ مزایا

  • سختی بالا در مهاربندهای همگرا و شکل‌پذیری مناسب در مهاربندهای واگرا
  • کنترل و کاهش تغییرمکان‌های جانبی
  • اجرای آسان
  • مقاومت قابل قبول در برابر نیروهای جانبی

❌ معایب

  • انسداد دهانه قاب ساختمانی و عدم زیبایی نما
  • محدودیت‌های معماری نظیر ایجاد بازشو
  • ضوابط لرزه‌ای سختگیرانه در مهاربند واگرا
  • ارتعاش زیاد

 

قاب مهاربندی

شکل 11- از بین رفتن زیبایی نمای قاب مهاربندی به دلیل استفاده از مهاربند

 

7. سیستم قاب خمشی

منظور از سیستم قاب خمشی، مجموعه‌ای از تیرها، ستون‌ها و اتصالات صلب می‌باشد که قادر به مقاومت در برابر بارهای ثقلی و جانبی هستند. در این سیستم با بهره‌گیری از صلبیت اتصال بین تیر و ستون، نیروهای جانبی وارد به سازه مهار می‌شوند. سیستم قاب خمشی هم در سازه‌های فولادی و هم در سازه‌های بتنی قابل اجرا می‌باشد و به صورت تکی یا در ترکیب با سایر سیستم‌ها نیز می‌تواند به کار گرفته شود. با توجه به اینکه در این سیستم عضو ثانویه‌ای نظیر دیوار برشی یا مهاربند وجود ندارد که در برابر نیروهای جانبی مقاومت کند، سازه از شکل‌پذیری بالایی برخوردار است. به عبارتی در صورت وارد شدن نیروهای جانبی، قاب سازه مشابه موم در برابر این نیروها تغییرشکل داده و مانع از خرابی ساختمان می شود.

 

قاب خمشی چیست

شکل 12- عملکرد قاب خمشی

 

با توجه به سختی بالای سیستم قاب خمشی، مقاطع و اتصالات سنگین‌تر از سیستم‌های دیگر است و این امر موجب افزایش هزینه‌های ساخت می‌گردد. در سیستم قاب خمشی برخلاف قاب مهاربندی، کلیه اجزای سازه در باربری جانبی مشارکت می‌کنند. در استاندارد 2800 سیستم قاب خمشی به شکل زیر بیان شده‌است.

 

سیستم قاب خمشی چیست

 

در سیستم قاب خمشی، دهانه‌های قاب با عضو ثانویه‌ای محدود نشده و فضای باز زیادی را در اختیار معماران قرار می‌دهد. از این نظر نمای ساختمان‌ها با قاب خمشی زیباتر به نظر می‌رسند و محدودیتی برای طراحی و اجرای بازشوهای بزرگ وجود ندارد.

 

زیبایی نما در قاب خمشی

شکل 13- عدم محدودسازی دهانه و زیبایی نما در قاب خمشی

 

نکته: در سیستم قاب خمشی بتن‌آرمه لزومی بر وجود تیر همراه اتصال صلب در تمام دهانه‌ها نیست. ممکن است قسمتی از سقف مانند شکل زیر فاقد تیرهای داخلی بوده و دال بتنی یکپارچه اجرا شده باشد.

 

قاب خمشی به همراه سقف دال

شکل 14- قاب خمشی به همراه سقف دال یکپارچه

 

1.7. اتصالات سیستم قاب خمشی

در سیستم قاب خمشی اتصالات صلب و تکیه‌گاه‌ها گیردار می‌باشند. اتصال صلب اتصالی است که علاوه بر مقاومت در برابر جدا شدن اعضا از یکدیگر، از چرخش یا دوران آن‌ها نسبت به هم جلوگیری می کند. هم‌چنین موجب انتقال لنگر بین اعضا می‌شود، به گونه‌ای که با انتقال لنگر از تیر به ستون موجب ایجاد سختی جانبی در ستون و مقاومت در برابر بارهای جانبی می‌گردد. در این نوع اتصالات زاویه بین تیر و ستون قبل از بارگذاری ۹۰ درجه می باشد و بعد از بارگذاری نیز ثابت (یعنی همان ۹۰ درجه) باقی می ماند.

 

اتصالات قاب خمشی

شکل 15- اتصالات قاب خمشی

 

معمولاً در سازه‌های بتن‌آرمه با توجه به پیوستگی بتن و آرماتورها، شرایط آرماتورگذاری در برِ تکیه گاه و شکل پذیری سازه، اتصالات به صورت گیردار هستند و ایجاد اتصالات مفصلی تمهیدات خاصی نیاز دارد. اما در سازه‌های فولادی طراحی و اجرای اتصالات بطوریکه بتواند باعث انتقال لنگر بین تیر و ستون گردد، امری پیچیده است. این اتصالات سنگین بوده و با جوشکاری، اتصالات فلنچی یا توسط ورق اسپلایس با پیچ یا جوش قابل اجرا می‌باشند.

 

انواع اتصالات در سازه های فولادی

شکل 16- انواع اتصال صلب در سازه فولادی

 

2.7. تغییرشکل قاب خمشی

چنانچه قاب خمشی تنها تحت بار ثقلی قرار بگیرد، تیرها رفتاری مشابه رفتار تیر دو سرگیردار خواهند داشت و لنگر ایجاد شده در دو انتهای خود را به ستون‌ها منتقل می‌کنند. اما تحت بار جانبی با توجه به صلبیت اتصالات و قابلیت انتقال لنگر، رفتار خمشی- برشی در تیرها و ستون‌ها مشاهده می‌شود. زاویه بین تیر و ستون در این قاب همواره ثابت باقی می‌ماند. تغییر شکل قاب خمشی تحت بارهای ثقلی و جانبی در شکل زیر نشان داده شده‌ است.

 

تغییرشکل قاب خمشی

شکل 17- تغییرشکل قاب خمشی تحت بار ثقلی و بار جانبی

 

همانطور که بیان شد، تغییر شکل‌های جانبی که در قاب خمشی رخ می‌دهد حاصل دو رفتار خمشی و برشی می‌باشد.

🔻رفتار خمشی: در تغییر شکل خمشی، ستون‌ها نظیر یک ستون طره در مقابل بار جانبی عمل می‌کنند؛ بطوریکه از سمتی که نیروی جانبی وارد می‌شود، ستون‌ها تحت کشش و در سمت دیگر تحت فشار قرار می‌گیرند. این تغییرشکل‌ها کوچک بوده و در ساختمان‌های کوتاه‌مرتبه مدنظر قرار نمی‌گیرند. تغییرشکل خمشی در ساختمان‌های مرتفع و باریک 10 الی20 درصد از تغییر شکل جانبی را شامل می‌شود. این پدیده به رانش وتری نیز معروف است.

🔻رفتار برشی: در این حالت نیروهای برشی افقی و قائم ابتدا به ستون‌ها و سپس به تیرها اثر کرده و در این اعضاء لنگر خمشی ایجاد می‌کنند که موجب تغییرشکل تیرها و ستون‌ها می‌شود. در این حالت، سهم خمش تیرها بیشتر از ستون‌هاست. این پدیده به لنگر برشی نیز معروف است و 80 الی 90 درصد از کل تغییر شکل جانبی را شامل می‌شود.

 

تغییرشکل جانبی قاب خمشی

شکل 18- تغییرشکل جانبی قاب خمشی

 

3.7. پیامدهای تغییرشکل قاب خمشی

سیستم قاب خمشی قادر است نیروهای جانبی را با وجود تغییر شکل‌های نسبی طبقات و بدون خرابی اعضا تحمل ‌کند. اما با توجه به صلبیت اندک قاب خمشی در صورت وارد شدن بار جانبی شدید، تغییرشکل‌های زیادی پدید می‌آید که می‌تواند موجب آسیب رساندن به اجزای غیرسازه‌ای نظیر دیوارهای جداکننده، پنجره‌ها و راه ‌پله شود و آن‌ها را در معرض تخریب قرار دهد. یکی از راه‌های محافظت از اجزاء غیرسازه‌ای در برابر تغییر شکل زیاد قاب خمشی، عدم تعبیه آن‌ها در نزدیکی عناصر باربر اصلی است. بعلاوه، تغییر شکل‌های زیاد موجب وارد نمودن نیروهای ضربه‌ای به ساختمان‌های مجاور نیز می‌گردد که بایستی تمهیدات لازم برای آن در نظر گرفته شود.

8. انواع سیستم‌های قاب خمشی

سیستم قاب خمشی با در نظر گرفتن توانایی آن در استهلاک انرژی حاصل از بارهای وارده به سه دسته قاب خمشی معمولی (OMF)، قاب خمشی متوسط (IMF) و قاب خمشی ویژه (SMF) تقسیم می‌شود که در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان نیز مورد اشاره قرار گرفته ‌است. این تقسیم‌بندی در آیین‌نامه بتن ایران به صورت شکل‌پذیری کم (معمولی)، متوسط و زیاد ارائه شده ‌است.

1.8. قاب خمشی معمولی

سیستم قاب خمشی معمولی به دلیل توانایی کم در تحمل بارهای جانبی، در مناطق با خطر لرزه‌خیزی پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد و استفاده از آن در مناطق با خطر لرزه‌خیزی بالا مجاز نیست. این سیستم در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان این‌چنین تعریف می‌شود.

 

قاب خمشی معمولی چیست؟

 

در استاندارد 2800 محدودیت‌های استفاده از قاب خمشی معمولی از نظر خطر لرزه‌خیزی منطقه، اهمیت ساختمان و ارتفاع مجاز به طور دقیق بیان شده ‌‌است.

 

محدودیت‌های استفاده از قاب خمشی معمولی در استاندارد 2800

 

2.8. سیستم قاب خمشی متوسط

این سیستم نسبت به سیستم قاب خمشی معمولی عملکرد بهتری داشته و در مناطق با خطر لرزه‌خیزی متوسط قابل استفاده است. در قاب خمشی متوسط فولادی لازم است یا از اتصالات گیردار از پیش تأییدشده استفاده گردد یا آزمایش کنترل کیفیت بر روی اتصالات انجام گیرد. لازم به ذکر است قاب خمشی بتن‌آرمه متوسط در سازه‌های با ارتفاع حداکثر 35 متر قابل اجرا بوده و ارتفاع قاب خمشی فولادی متوسط به 55 متر محدود می‌شود.

 

الزامات لرزه ای قاب خمشی متوسط

 

3.8. قاب خمشی ویژه

این نوع سیستم‌ها جزو قوی‌ترین سیستم‌های باربر جانبی به شمار می‌آیند و دارای شکل‌پذیری بالایی هستند. بنابراین در مناطق با خطر لرزه‌خیزی متوسط تا بسیار زیاد و سازه‌های بلندمرتبه قابل استفاده می‌باشند. شکل‌پذیری زیاد این سیستم‌ها از طریق تسلیم برشی کم در چشمه اتصال و تغییر شکل‌های دورانی در انتهای تیرها و ستون‌های تراز پایه تأمین می‌شود. در این نوع قاب لازم است از اتصالات از پیش تأییدشده استفاده نموده و آزمایش کنترل کیفیت نیز برای اتصالات انجام بگیرد.

 

الزامات لرزه ای قاب خمشی ویژه

 

4.8. مقایسه انواع قاب خمشی

تفاوت قاب‌های خمشی معمولی، متوسط و ویژه از نظر شکل‌پذیری، الزامات لرزه‌ای و استفاده در مناطق لرزه‌خیزی بیان شد. این قاب‌ها در پارامترهای کمی نظیر ضریب رفتار (Ru)، ضریب بزرگنمایی تغییرمکان (Cd) و ارتفاع مجاز نیز باهم تفاوت دارند که در استاندارد 2800 به آن پرداخته شده ‌است.

 

مقایسه انواع قاب خمشی

 

مشاهده می‌شود که مقادیر مربوط به ضریب رفتار، ضریب بزرگنمایی تغییرمکان و ارتفاع مجاز ساخت برای قاب‌های ویژه، متوسط و معمولی به ترتیب از بیش‌ترین مقدار به کم‌ترین مقدار کاهش می‌یابد.

9. مزایا و معایب قاب خمشی

همانطور که بیان شد، سیستم قاب خمشی دارای سختی کم و شکل‌پذیری زیاد نسبت به قاب مهاربندی می‌باشد. همین ویژگی موجب ایجاد تغییرمکان‌های جانبی بزرگ در طبقات شده و امکان آسیب به اجزای غیرسازه‌ای را فراهم می‌سازد. از طرفی دارای مزایای مخصوص به خود نظیر تأمین بازشوهای بزرگ و انعطاف‌پذیری در برابر نبروی جانبی می‌باشد. مجموعه‌ای از مزایا و معایب مربوط به قاب خمشی به شکل زیر طبقه‌بندی شده‌اند:

✅ مزایا

  • شکل‌پذیری ذاتی بالا و انعطاف‌پذیری مناسب
  • آزادی عمل بالا در تأمین نیازهای معماری نظیر ایجاد بازشوهای بزرگ و جلوه ظاهری زیبا در نما
  • قابلیت تقویت در صورت وارد شدن بارهای اضافه
  • مشارکت کلیه اعضای سازه در باربری جانبی

❌ معایب

  • تغییر مکان جانبی(دریفت) زیاد و بزرگ‌تر شدن ابعاد مقاطع به جهت رفع آن
  • احتمال آسیب رساندن به اجزای غیرسازه‌ای به دلیل شکل‌پذیری بالا
  • اتصالات سنگین و پیچیده و نیاز به نیروی کار ماهر در اجرای آن(خصوصاً در سازه‌های فولادی)
  • انتقال لنگر به فونداسیون و افزایش وزن شالوده نسبت به قاب ساده

10. سیستم دوگانه یا ترکیبی

نوعی سیستم سازه‌ای است که در آن عملکرد مشترک قاب خمشی به همراه دیوار برشی یا مهاربند برای مقاومت در برابر بارهای جانبی مدنظر بوده و هدف آن برقراری تعادل بین سختی و شکل‌پذیری سازه می‌باشد. استاندارد 2800 برای سازه‌های بالای 15 طبقه یا بلندتر از 50 متر، استفاده از سیستم قاب خمشی ویژه یا سیستم دوگانه را الزام کرده ‌است. استفاده از قاب خمشی در سازه‌های بلندمرتبه موجب سنگین‌تر شدن مقاطع به منظور مقابله با مشکل دریفت می‌شود، به همین دلیل سیستم دوگانه انتخاب بهتری است. به منظور اطمینان از مشارکت هر دو سیستم در زلزله، هریک از آن‌ها بایستی به تنهایی قادر به تحمل مقدار مشخصی از نیروی جانبی باشند، در غیر این صورت سیستم دوگانه محسوب نمی‌شود. این مقدار مشخص در استاندارد2800 تعیین شده ‌است.

 

سیستم دوگانه یا ترکیبی چیست؟

 

با توجه به مقادیر در نظر گرفته شده، به نظر می‌رسد سیستم قاب مهاربندی یا دیوار برشی به عنوان عنصر اصلی مقابله با نیروی جانبی و قاب خمشی به عنوان عنصر ثانویه در نظر گرفته شده ‌است، بطوریکه با توجه به سختی زیاد و در نتیجه جذب انرژی زیاد در مهاربند و دیوار برشی، ابتدا این عنصر دچار آسیب می‌شود و سپس حفظ پایداری سازه در طول زلزله به عهده قاب خمشی می‌باشد.

نکته:

▪️ چنانچه قاب خمشی به تنهایی قادر به تحمل 25 درصد از نیروی جانبی نباشد ← سیستم سازه، قاب ساختمانی فرض می‌شود

▪️ دیوار برشی یا قاب مهاربندی به تنهایی قادر به تحمل 50 درصد از نیروی جانبی نباشد ← سیستم سازه، قاب خمشی فرض می‌شود

 

توجه! در بیشتر موارد می‌توان با تقویت مقاطع، درصد مورد نیاز را تأمین نمود تا با ارضای بند (پ)، سیستم دوگانه فرض شود.
در شکل زیر دو نمونه از سازه‌های دارای سیستم باربر جانبی دوگانه قابل مشاهده است.

 

سیستم باربر جانبی دوگانه

شکل 19- دو نمونه از سازه مجهز به سیستم باربر جانبی دوگانه

 

در شکل (19-الف)، سیستم‌ مورد استفاده در جهت x قاب مهاربندی و در جهت y سیستم دوگانه(قاب خمشی به همراه مهاربند) بوده و در شکل (19-ب)، در جهت x  قاب خمشی و در جهت y سیستم دوگانه(قاب خمشی به همراه دیوار برشی) می‌باشد.

نکته: اگر در  جهت x یک نوع سیستم باربر و در جهت y نوع دیگری از سیستم باربر به کار گرفته شود، این سیستم دوگانه محسوب نمی‌شود. شرط دوگانه بودن سیستم، مشارکت دو سیستم متفاوت باهم در یک جهت می‌باشد. برای مثال به شکل زیر توجه کنید که در جهت x مجهز به قاب خمشی و در جهت y مجهز به قاب مهاربندی می‌باشد. در طراحی این نوع سازه، ضریب رفتار و سایر خصوصیات مربوطه برای هر سیستم به طور جداگانه اعمال می‌شود.

 

سازه با دو سیستم باربر جانبی متفاوت در دو جهت

شکل 20- سازه با دو سیستم باربر جانبی متفاوت در دو جهت(سیستم دوگانه نیست)

 

توجه: لازم به ذکر است که با توجه به موضوع مقاله، از بررسی سیستم دوگانه دارای دیوار برشی صرف نظر می‌شود و تنها سیستم دوگانه قاب خمشی همراه مهاربند که در سازه‌های فولادی کاربرد دارد، مورد بررسی قرار می‌گیرد.

ضریب رفتار و سایر پارامترهای موردنیاز برای طراحی لرزه‌ای سیستم‌های دوگانه قاب خمشی به همراه مهاربند در جدول زیر طبقه‌بندی شده‌اند. ترکیب قاب خمشی ویژه و مهاربند واگرا که هریک در سیستم باربری مربوط به خود بیش‌ترین شکل‌پذیری را دارا بودند، دارای بیش‌ترین ضریب رفتار می‌باشد.

 

مقادیر ضریب رفتار ساختمان

 

1.10. رفتار سیستم دوگانه قاب خمشی و مهاربند

با توجه به اینکه عمده رفتار قاب خمشی در برابر زلزله تغییر شکل‌های برشی بوده و قاب مهاربندی نظیر یک تیر طره در مود خمشی تغییر شکل می‌دهد، تغییر شکل سیستم دوگانه متشکل از قاب خمشی و مهاربند، رفتاری بین دو حالت فوق می‌باشد. هنگامیکه دو سیستم قاب خمشی و قاب مهاربندی توسط دیافراگم‌های صلب کف به هم اتصال یابند، برش غیریکنواختی حاصل از اندرکنش متقابل بین آن‌ها برقرار می‌شود که موجب بهبود عملکرد کلی سازه در برابر بارهای جانبی می‌گردد. در شکل زیر تغییرشکل سیستم دوگانه به همراه برش افقی بین دو قاب نمایش داده شده ‌است.

 

مقایسه قاب خمشی و سیستم مهاربندی

شکل 21- رفتار سیستم دوگانه تحت بارهای جانبی

 

با توجه به تفاوت ماهیت تغییر شکل‌های دو سیستم به ویژه در ترازهای ارتفاعی بالا و پایین، عملکرد آن‌ها یکدیگر را پیشتیبانی می‌کنند، بطوریکه قاب خمشی تغییر مکان سازه را در طبقات فوقانی و مهاربند آن‌را در نزدیکی تراز پایه کنترل می‌نماید. لازم به ذکر است که طول بردارهای نمایش داده شده در شکل نمایانگر اندازه نیروهای برش با اندرکنش متقابل می‌باشد.

2.10. مزایا و معایب سیستم دوگانه

سیستم‌های دوگانه به منظور پوشش عیوب مربوط به دیگر سیستم‌ها به کار گرفته شدند تا از طریق ایجاد سیستم باربر جانبی قوی‌تر، در سازه‌های بلندمرتبه و مناطق لرزه‌خیز کارایی مناسبی داشته باشند، اما نیازمند دانش بالا و دارای روند طراحی طولانی‌تری هستند. مزایا و معایب استفاده از سیستم‌های باربر جانبی دوگانه به شکل زیر طبقه‌بندی می‌شوند :

✅ مزایا

  • تأمین سختی و شکل‌پذیری به طور متعادل
  • افزایش ارتفاع مجاز ساختمان
  • جلوگیری از سنگین شدن سازه و تغییر شکل‌های جانبی زیاد

❌ معایب

  • ایجاد محدودیت در طرح‌های معماری
  • نیاز به دانش و مهارت بالا در طراحی سیستم
  • زیاد بودن کنترل‌های مربوط به طراحی

11. مقایسه اجمالی سیستم قاب خمشی و مهاربندی

حال که به بررسی کامل ویژگی‌های قاب مهاربندی و قاب خمشی پرداختیم، می‌توان این دو سیستم را از نظر عوامل مختلف مقایسه نمود.

🔻باربری جانبی: در قاب مهاربندی امکان مشارکت کلیه اعضا در باربری جانبی وجود ندارد و عامل اصلی مقاومت در برابر نیروی جانبی، رفتار غیرارتجاعی مهاربندها می‌باشد. در مقابل، در قاب خمشی کلیه اعضا در باربری جانبی مشارکت دارند و عامل اصلی مقاومت در برابر نیروی جانبی، صلبیت اتصال بین اعضاء می‌باشد.

🔻سختی وشکل‌پذیری: قاب مهاربندی دارای سختی زیاد به دلیل وجود مهاربند و شکل‌پذیری کم به دلیل احتمال کمانش در عضو فشاری می‌باشد، ولی قاب خمشی از سختی کم و شکل‌پذیری بالا برخوردار است.

🔻اتصالات: در قاب مهاربندی اتصالات مفصلی بوده و با فراهم نمودن امکان دوران اعضا نسبت به هم، لنگرهای ایجاد شده منتقل نمی‌شوند. ولی در قاب خمشی اتصالات صلب بوده و با محدود نمودن دوران اعضا نسبت به هم، توانایی انتقال لنگر بین آن‌ها فراهم می‌شود.

🔻ضریب رفتار: با توجه به اینکه قاب خمشی شکل‌پذیری بیشتری را نسبت به قاب مهاربندی داراست، ضریب رفتار آن نیز عدد بزرگتری می‌باشد.

🔻دریفت: به دلیل شکل‌پذیری بالای قاب خمشی نسبت به سیستم مهاربندی، این سیستم تحت زلزله تغییرمکان‌های جانبی(دریفت) بیشتری نسبت به سیستم مهاربندی تجربه می‌کند.

 

مقایسه سیستم قاب خمشی و مهاربندی

شکل 22- مقایسه تغییرمکان جانبی در قاب خمشی و قاب مهاربندی

 

🔻ابعاد مقاطع: به علت وجود دریفت بالا در قاب خمشی نسبت به قاب مهاربندی، ناچار به افزایش ابعاد تیر و ستون به منظور رعایت دریفت مجاز می‌باشیم.
رفتار در برابر زلزله: رفتار قاب مهاربندی در برابر زلزله با بروز تغییرشکل‌های خمشی همراه بوده و در طبقات بالا تغییرشکل بیشتری را تجربه می‌کند، ولی رفتار قاب خمشی عمدتاً تغییرشکل‌های برشی را شامل می‌شود که در طبقات پایین بحرانی‌تر است.

 

مقایسه قاب خمشی و قاب مهاربندی در برابر زلزله

شکل 23- مقایسه رفتار قاب خمشی و قاب مهاربندی در برابر زلزله

 

🔻جنس مصالح: قاب مهاربندی اکثراً در سازه‌های فولادی به کار برده می‌شود و قاب خمشی کاربرد ذاتی برای سازه‌های بتن‌آرمه دارد ولی اجرای اتصالات گیردار آن در سازه فولادی مشکل و پرهزینه است و نیاز به مهارت و تخصص بالا دارد.

🔻معماری: به دلیل استفاده از مهاربندها در قاب مهاربندی، دهانه قاب محدود شده و اجرای بازشوهای بزرگ ممکن نیست، ولی در قاب خمشی می‌توان از تمام ظرفیت دهانه برای اجرای طرح‌های معماری استفاده نمود.

🔻اعضای غیرسازه‌ای: سیستم قاب خمشی به دلیل تغییرشکل زیاد مستعد آسیب رساندن به اعضای غیرسازه‌ای می‌باشند ولی قاب مهاربندی معمولاً امکان آسیب برای آن‌ها ایجاد نمی‌کند.

🔻هزینه: در سازه‌های فولادی معمولاً اجرای قاب مهاربندی اقتصادی و قاب خمشی به دلیل اتصالات سنگین، پرهزینه می‌باشد.
تسلیم: قاب خمشی از طریق تشکیل مفصل پلاستیک در تیرها به تسلیم می‌رسد ولی قاب مهاربندی از طریق تسلیم برشی تیر پیوند (در مهاربند واگرا) یا کمانش عضو فشاری و سپس تسلیم عضو کششی (در مهاربند همگرا) به تسلیم می‌رسد. تفاوت مکانیزم‌های تسلیم در قاب خمشی و قاب مهاربندی در شکل زیر نمایش داده شده‌ است.

 

قاب مهاربندی همگرا-قاب مهاربندی واگرا-قاب خمشی

شکل 24- مکانیزم‌های تسلیم در قاب خمشی و قاب مهاربندی

 

12. نکات نرم‌افزاری قاب خمشی و قاب مهاربندی

در این بخش به نکات نرم‌افزازی مربوط به قاب خمشی و قاب مهاربندی در برنامه ETABS می‌پردازیم.

یکی از اساسی‌ترین تفاوت‌های این دو سیستم، اتصالات آن می‌باشد که در قاب خمشی اتصالات صلب و در قاب مهاربندی اتصالات مفصلی مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. به جهت اعمال آن، در هنگام ترسیم تیرها یا بادبندها در قاب مهاربندی، پنجره‌ای به شکل زیر ظاهر می‌شود که در آن می‌توان نوع اتصال را تعیین نمود.

 

نکات نرم‌افزاری قاب خمشی و قاب مهاربندی در نرم افزار ایتبس

شکل 25- تعیین نوع اتصال بین اعضاء

 

با انتخاب اتصالات مربوط به تکیه‌گاه‌ها(پای ستون)، می‌توان از مسیرAssign > Joint > Restraint   نوع اتصال را تعیین نمود. در شکل زیر با انتخاب حالت گیرداری، حرکت و دوران در سه راستای x، y وz  مقید می‌شود. گزینه دوم از سمت چپ تنها از حرکت اعضا در سه راستا ممانعت نموده، گزینه سوم تنها حرکت اعضا در راستای z را مقید می‌کند و گزینه آخر اتصال مفصلی می‌باشد که در آن حرکت و دوران در هیچ راستایی مقید نبوده و تنها اعضا در کنار هم نگه داشته می‌شوند.

 

تعیین نوع اتصال تکیه‌گاه‌ها در ایتبس

شکل 26- تعیین نوع اتصال تکیه‌گاه‌ها

 

به منظور تعیین نوع قاب و اعمال تنظیمات مربوط به آن از مسیر Design > Steel Frame Design > View Revise Preferences برای سازه‌های فولادی و از مسیر Design > Concrete Frame Design > View Revise Preferences برای سازه‌های بتنی اقدام می‌کنیم.

 

تعیین نوع قاب ساختمانی در نرم افزار etabs

شکل 27- تعیین نوع قاب ساختمانی به همراه تنظیم مشخصات مربوطه

 

از قسمت Framing Type نوع قاب مورد استقاده بر اساس طبقه‌بندی زیر تعیین می‌شود.

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

موارد 8، 9 و 10 به ترتیب به ضریب رفتار، ضریب اضافه مقاومت و ضریب بزرگنمایی تغییرمکان اختصاص دارند که در بخش‌های قبل به طور مفصل به آن‌ها پرداخته شد. ضرایب مربوطه از آیین‌نامه 2800 تعیین شده و در این قسمت وارد می‌شود.

🔻نکته: در رابطه با قاب‌هایی که در سمت x دارای یک نوع سیستم و در سمت y یک نوع سیستم باربر جانبی دیگر می‌باشند، ابتدا بایستی با قرار گرفتن در حالت Elevation های جهت x و انتخاب اعضاء مربوطه از مسیر Design > Steel/Concrete Frame Design > View Overwrites اقدام به تعیین نوع قاب و تنظیم ضرایب مربوطه نمود. سپس همین مراحل برای اعضاء جهت y بایستی طی شود.

🔻نکته: در مورد سیستم‌های باربر جانبی دوگانه قاب خمشی همراه مهاربند، در یک فایل اصلی برای صد در صد نیروی زلزله بایستی سازه طراحی گردد. در فایل جداگانه‌ای بر اساس 50 درصد نیروی زلزله با مفصلی کردن اتصالات بین تیر و ستون، به طراحی ستون‌های متصل به مهاربند و مهاربندها پرداخته و در فایل دیگری با در نظر گرفتن 25 درصد و با حذف مهاربندها به طراحی کل سازه می‌پردازیم. بدیهی است در تمام فایل‌ها بایستی مقاطع جوابگو باشند.

13. پرسش و پاسخ

1) به منظور تأمین باربری جانبی قاب ساده ساختمانی چه راهکارهایی وجود دارد؟
با توجه به اینکه قاب ساختمانی دارای اتصالات مفصلی می‌باشد، در مقابل بار جانبی پایدار نیست. به این منظور می‌توان دو راهکار زیر را به کار برد.
الف) تبدیل اتصالات مفصلی به اتصالات صلب   ب) افزودن مهاربند
2) آیا سازه‌ای که در یک جهت دارای سیستم باربر جانبی قاب خمشی و در جهت عمود برآن دارای سیستم مهاربندی است، دوگانه محسوب می‌شود؟
پاسخ: خیر، شرط لازم برای دوگانه بودن سیستم باربر جانبی، عملکرد همزمان دو سیستم قاب خمشی و مهاربند در یک جهت می‌باشد.
3) راهکار کاهش تغییر مکان جانبی زیاد(دریفت) در سیستم قاب خمشی چیست؟
سیستم قاب خمشی به دلیل سختی کم و تغییرشکل بالا، دچار دریفت زیادی می‌شود. به منظور تأمین مقدار دریفت مجاز می‌توان ابعاد مقاطع مربوط به تیر و ستون را افزایش داد یا سیستم ثانویه نظیر دیوار برشی و مهاربند را به سیستم قاب خمشی افزود.

 

نتیجه گیری

در این مقاله سیستم قاب خمشی و قاب مهاربندی مورد بررسی و مقایسه قرار گرفتند. پس از معرفی خصوصیات هریک از آن‌ها، انواع سیستم‌های مهاربندی و قاب خمشی معرفی شده و به تفاوت بین آن‌ها پرداخته شد. سیستم دوگانه متشکل از قاب خمشی و قاب مهاربندی و نکات مربوط به آن بررسی گردید. نمی‌توان در رابطه با بهتر بودن قاب خمشی یا قاب مهاربندی اظهار نظر نمود، چرا که هریک دارای مزایا و معایب مختص به خود هستند. قاب مهاربندی با وجود سختی بالا، دارای شکل‌پذیری کمی بوده و قاب خمشی با وجود شکل‌پذیری بالا دارای تغییرمکان جانبی‌ زیاد می‌باشد؛ بنابراین طراح بایستی با در نظر گرفتن عوامل مختلفی نظیر شرایط سازه، ارتفاع آن، منطقه لرزه‌خیزی و… به انتخاب مناسب‌ترین سیستم جانبی برای سازه بپردازد. در نهایت در انتهای مقاله، نکات نرم‌افزاری مربوط به این سیستم‌ها در نرم‌افزار ایتبس شامل تعیین نوع قاب، نوع اتصالات و ضریب رفتار مورد بررسی قرار گرفت.

منابع

  1. کتابخانه آنلاین عمران
  2. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1401)
  3. آیین‌نامه بتن ایران (آبا)
  4. استاندارد 2800 (آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله)-ویرایش4
  5. جزوه نکات مدل‌سازی و طراحی سازه‌های بتنی و فولادی-دکتر مسعود حسین‌زاده اصل
  6. Azad, S. K., & Topkaya, C. (2017). A review of research on steel eccentrically braced frames. Journal of constructional steel research.‏
  7. Kumar, M. S., Senthilkumar, R., & Sourabha, L. (2019, August). Seismic performance of special concentric steel braced frames. In Structures .

 

 

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 30اُمین دیدگاه، به بهبود این محتوا کمک کنید.
نظرات کاربران
  1. negar shahi

    با سلام زمان اجرای سیستم قاب خمشی و مهاربند در سازه فولادی چطور محاسبه میشود؟

    پاسخ دهید

  2. محمد محمودی

    مهندس سلام عرض شد
    موردی که هست الان در حال انجام پایاننامه هستم و موضوعش هم لنگی برشی در ساختمان های بلند هستش و استاد راهنمای من در قدم اول از من مدلسازی ساختمان ۲۰و۲۵و۳۰و۳۵ طبقه رو خواسته اما من با طراحی این ساختمان ها اشنایی ندارم که قواعدش چی هستش سیستم سازه ایش چی هستش با قاب خمشی میشود با سیستم لوله ای میشود که من بلد نیستم
    ایا میتونم به استادم بگم این ساختمان ها با این تعداد طبقات با سیستم سازه ای معمولی طراحی نمیشوند؟ چون در مقاله ای خوندم ساختمان های بلند برای اینکه لنگی برشی کمتر شود از سیستم لوله ای برای مدلسازی و طراحی استفاده میکنند

    در کل خواستم ببینم اگر زمان داشتین یه راهنمایی جزعی به من داشته باشید ممنون میشم از شما

    پاسخ دهید

  3. محسن رئوفی

    با سلام
    روزتون بخیر
    یه سوال داشتم یکی ازم پرسید خیلی جواب خاصی براش نداشتم . لطفا راهنمایی کنید:
    یک ساختون فولادی ۱۷ طبقه به ارتفاع ۶۵ متر روی خاک نوع ۲ مشهد در حال طراحیه. سازه منظم پیچشی هم هست و سازه دارای ۴ دهانه مهاربند در محیط ساختمون در نظر گرفته شده. حالا میگه میشه از چه اتصالی استفاده بشه و چرا؟
    من گفتم چون سیتم ساده همراه با مهاربنده پس اتصال مفصلیه اما بنظرم چون سازه بلند هست، توش باید یک نکته ای داشته باشه.
    لطفا راهنمایی فرمایید.
    ممنون

    پاسخ دهید

  4. مهندس شکوه شیخ زاده (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام مهندس،من پیام شما رو به گروه پشتیبانی علمی سبز سازه انتقال خواهم داد و جواب رو در اسرع وقت برای شما ارسال خواهم کرد. 🌹

    پاسخ دهید

  5. mk

    با عرض سلام وخسته نباشید ممنون از مطالب مفید . در سیستم مهاربندی سختی زیاد است خب تا اینجا اوکیه منظور از اینکه نوشته شده ارتعاش زیاد چیه ????ممنون میشم راهنمایی کنین.
    از این بابت که المانی که سختیش زیاد باشه مطمعنا ارتعاشش کمه

    پاسخ دهید

  6. مهندس شکوه شیخ زاده (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام مهندس
    همانطور که در بند دوم این مقاله نوشته شده مهاربند ها در سیستم مهاربندی عامل ایجاد سختی در سیستم هستید و وجود اتصالات مفصلی در این سیستم تا حد خوبی باعث عملکرد بهینه این سیستم می‌شود اما این اتصالات مفصلی تنها مانع جدا شدن اعضا از یک دیگر شده و نه مانع حرکت آن ها و این موضوع دلیل افزایش ارتعاش در این سیستم است.

    پاسخ دهید

  7. reza23z.tehrany@gmail.com

    باسلام بهتر بودتصاویر بهتر وکاملتر از نمونه توضیحاتتان برای فهم بیشتر ارائه می کردید

    پاسخ دهید

  8. محمد

    سلام
    یک پروژه فولاد دارم رشته عمران کارشناسی . استاد گفتند ۵ دهنه در جهت x و ۴ دهنه در جهت y ، هر دهانه ۵متر . ساختمان ۸ طبقه با کاربری مسکونی در استان کرمانشاه . الان گفتند یک جهت قاب خمشی و یک جهت را مهاربندی در نظر بگیرید . اطلاعات بیشتری نداریم . به نظر شما کدام جهت x و y ، را قاب خمشی و کدام جهت مهار بندی در نظر بگیرم؟؟؟

    پاسخ دهید

  9. مهندس مرتضی قلندری (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    با سلام
    اولا باید پلان شما را بررسی کرد و سپس نظر داد. ثانیا تمام این مواردی که گفته می شود صرفا توصیه س و گاها در پروژه ها امکان رعایت این موارد نیست.
    سمتی که تعداد دهانه های باربر بیشتری دارید از سیستم قاب خمشی استفاده کنید تا کنترل دریفت مشکل ساز نشود. قاعدتا زمانی که مهاربند استفاده می کنید دریفت نگران کننده نخواهد بود.
    همچنین در مورد جانمایی مهاربندها بهتر است که دهانه مهاربندی به صورت متقارن نسبت به مرکز جرم قرار بگیرد. چون پیچش باعث میشود در بحث مربوط به ضریب نامعینی مجبور بشویم که ۲۰ درصد نیروی جانبی را افزایش بدیم (البته این مورد نیاز به بررسی دارد)، بنابراین سعی کنید دهانه مهاربندی را طوری تقسیم بندی کنید که اثر نامطلوبی در عملکرد سازه نزارد. مثلا یک سمت دو تا مهاربند نزنید و سمت دیگر یک مهاربند، اینجور جانمایی مهاربند مثل این میمونه: یک لشکر نظامی را در نظر بگیرید که دشمن دارد بهش حمله میکند و تمام لشکر در یک سمت متمرکز شده، بنابراین وقتی نیروهای لشکر صدمه ببینند یه جورایی کل لشکر دارد از بین میرود.. این مثال را میشود به سازه هم تعمیم داد. نیروی زلزله را همون دشمن فرض کنیم و خود سازه را لشکر در نظر بگیریم. بنابراین وقتی نیروی زلزله به سازه وارد میشود عملا دارد به یک سمت فقط نیرو میرسد و این باعث افزایش مقاطع این سمت سازه میشود که نیرو در اونجا متمرکز شده و بعد از آسیب در این قسمت عملکرد کل سازه مختل میشود.
    مهاربندها رو هم در دهانه خیلی کوچک و خیلی بزرگ قرار ندهید. دهانه های خیلی کوچک باعث بالا رفتن سایز ستون و صفحه ستون متصل به مهاربند میشود.اگرچه جانمایی مهاربند دهانه های بزرگتر نسبت به دهانه کوچک ارجحیت دارد ولی باید اینو در نظر داشته باشیم که این دهانه ها باعث بالا رفتن سایز مهاربند به دلیل طول کمانشی آن میشود. غیر از این طول زیاد پروفیل باعث افزایش وزن اسکلت و غیراقتصادی شدن طرح میشود. ترجیحا اگر زاویه مهاربند را بین ۳۰ تا ۶۰ در نظر بگیرید عملکرد مناسبی دارد. یعنی زاویه مهاربند نسبت به افق را محاسبه کنید اگر بین دو عدد بود طول دهانه مناسب است.
    مورد آخر هم اینکه مهاربندهارو سعی کنید در دهانه های میانی بزنید به خاطر نیروی آپلیفت که در دهانه های انتهایی این نیرو افزایش پیدا میکند.

    پاسخ دهید

  10. مرتضی امیرجنگی

    تو مقاله مهاربند همگرا اینطور نتیجه گرفته که اگر اتصال مهاربند بجای مفصلی گیردار باشه سه مفصل پلاستیک ایجاد میشه و توان باربری مهاربند بیشتر میشه. اما تو این مقاله اومده مهاربندها نیاز به اتصالاتی دارند که به اونها اجازه حرکت آزادانه بده در واقع اتصال باید از نوع مفصل باشه. پس در کل نتیجه چی میشه اتصال مهاربند مفصلی بهتره یا گیردار؟

    پاسخ دهید

  11. مهندس آرزو محمدی (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    در مقاله مقایسه سیستم قاب خمشی و مهاربند عموما مهاربندهایی با شکل پذیری معمولی مدنظر بوده که برای تامین شکل پذیری و سختی مد نظر از اتصال مفصلی استفاده میشود.
    طبق این مقاله “مسلما تا حدی سازه در برابر نیروی جانبی مقاومت می کند ولی پس از افزایش نیرو، به دلیل سختی بالا، دچار خرابی شدیدی می شود”. پس لازمه ی عملکرد بهینه سازه این است که سختی اعضای مهاربندی و شکل پذیری اتصالات آنها در کنار هم و به صورت مکمل در برابر بار جانبی وارد عمل شوند.
    اما در مقاله بعدی که بررسی (مهاربند همگرا؛ بررسی ۶ نوع بادبند همگرا در یک ویدئو به همراه مقایسه آنها ) مد نظر نویسنده بوده گذری هم به تفاوت های مهارهای همگرا با شکل پذیری معمولی و ویژه داشته و اشاره کرده “در سیستم ‌های مهاربند همگرای ویژه، ما رفتار فرا ارتجاعی (خارج از ناحیه الاستیک) بیشتری از اعضا انتظار داریم، در صورتی‌که در سیستم‌ های بادبند همگرای معمولی در ناحیه الاستیک باقی می­ مانند”.
    این بدان معناست که در سیستم مهاربندی ویژه ما به اعضای بادبندی اجازه می­ دهیم 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 بادبند همگرای ویژه استهلاک انرژی بیشتری نسبت به سیستم ‌های مهاربند همگرای معمولی دارند و بر اساس این موارد ذکر شده، در انتها بر مبنای نیاز بیشتر به استهلاک انرژی در سیستم های ویژه نتیجه گرفته که:
    برای شرایط انتهایی مهاربند، اگربادبند به‌ جای اینکه دو سر مفصل اجرا شود، دو سر گیردار اجرا شود در این صورت بجای تشکیل یک مفصل در وسط مهاربند، سه مفصل پلاستیک که دوتای آن دو انتهای بادبند است تشکیل می­شود که پتانسیل اتلاف انرژی در سیستم ویژه را افزایش می­دهد. و به این ترتیب دو مطلب مذکور که در دو مقاله ی اخیر بررسی شده متناقض هم نبوده بلکه مکمل هم می باشند.

    پاسخ دهید

  12. اصغری

    سلام ٫خسته نباشید‌من یک سازه تو ایتبس مدل سازی کردم‌که ۸طبقه هست قاب خمشی فولادی٫الان تصمیم عوض شده میخواهم قاب مهاربندی همگرا استفاده کنم٫ایا تنظیمات ایتبسم رو باید کامل تغییر بدم؟؟

    پاسخ دهید

  13. مهندس وحید صدرا (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام
    تنظیماتی که باید تغییر بدین نوع سیستم باربرتون هستش و خب برش‌پایه استاتیکی معادل رو هم بر اساس سیستم جدید محاسبه کنید

    پاسخ دهید

  14. زهرا

    سلام مهندس ،خسته نباشید
    سیستم بارگذاری در سازه های با دیوارهای کج، چگونه انجام‌میشه؟ من رشتم معماریه و الان در ستون گذاری پایان نامم به مشکل خوردم. قسمتی از حجمم دایره ست که دیوارش به سمت بیرون کج شده. اگر امکانش هست لطفا در ستون گذاریش راهنماییم کنید. با تشکر

    پاسخ دهید

  15. سعید کاویان‌پور (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام. سوالتون واضح نیست و نیاز به عکس و توضیحات بیشتری داره.
    اما اونچه از ظاهر سوال برمیاد اینه که شما باید از شبکه خرپایی برای سازه استفاده کنید. اگر تحقیق کوتاهی در مورد سازه های نوین داشته باشید مثلا سازه های ساخته شده توسط سانتیاگو کالاتراوا رو بررسی کنید میتونید شناخت خوبی نسبت به سیستم های سازه ای و ستون گذاری در این نوع سازه ها داشته باشید.

    پاسخ دهید

  16. محمد علی شمشه

    با سلام میخواستم بدونم در ایتبس ما میایم اتصالات به پی رو گیر دار فرض میکنیم ودر قاب اتصالات رو مفصلی؟ درسته؟؟؟

    پاسخ دهید

  17. سعید کاویان‌پور (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام و درود.
    در مفهوم علمی باید در قاب ساده مفصلی، همه اتصالات اعضا به یکدیگر و اتصال ستون به پی باید مفصلی باشد اما با توجه به دیتیل اجرایی سخت کننده های صفحه ستون در واقعیت، این اتصال مفصلی نیست بنابراین در طراحی با نرم افزار ایتبس میتوان اتصالات را مفصلی در نظر گرفته و پای ستون را گیردار.

    در قاب خمشی همه اتصالات چه به یکدیگر چه به پای ستون گیردار است.

    پاسخ دهید

  18. عیسی باطر

    سلام ببخشید من بادوستام فقط نسب سازه رو انجام دادیم نقشه خوانی وبقیه کار روهم یاد میدین من دیپلم دارم

    پاسخ دهید

  19. مهندس مرضیه صبور (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام جناب مهندس
    دقیقا اگر بفرمایید چه چیزی مد نظرتون هست حتما کمکتون میکنند
    منتها پیشنهاد می کنم قبل از اینکه سوال کنید اول به شهریادگیری سبزسازه سر بزنید، میتونید مطالب علمی رو دسته بندی شده و مرحله به مرحله مطالعه کنید.
    بعد از این هم میتونید به دوره های آموزشی سبزسازه سری بزنید قطعا کمک خوبی خواهد بود.

    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