مقایسه قاب خمشی و سیستم مهاربندی(قاب ساده)؛ کدام مناسب‌تر است؟(آپدیت 1405)

انتخاب سیستم باربر جانبی یکی از مهم‌ترین گام‌ها در طراحی سازه است؛ زیرا سازه باید در برابر بارهای جانبی ناشی از باد و زلزله، ضمن تأمین پایداری، از سختی و شکل‌پذیری مناسبی نیز برخوردار باشد. در این میان، قاب خمشی و قاب مهاربندی از مهم‌ترین سیستم‌های باربر جانبی هستند که هرکدام با توجه به نحوه انتقال نیرو، سختی، شکل‌پذیری، محدودیت‌های معماری و الزامات اجرایی، رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند.

قاب خمشی با تکیه بر عملکرد خمشی تیرها و ستون‌ها و اتصالات صلب، شکل‌پذیری و آزادی معماری بیشتری فراهم می‌کند؛ در مقابل، قاب مهاربندی با انتقال بخش قابل‌توجهی از نیروهای جانبی از طریق اعضای محوری، سختی جانبی بالاتری ایجاد کرده و کنترل تغییرمکان را بهبود می‌دهد. البته هر یک از این سیستم‌ها دارای مزایا، محدودیت‌ها و الزامات آیین‌نامه‌ای خاص خود هستند.

در این مقاله، قاب خمشی و قاب مهاربندی را از نظر عواملی مانند ضریب رفتار، سختی، شکل‌پذیری و عملکرد لرزه‌ای مقایسه می‌کنیم. همچنین انواع قاب‌های مهاربندی، سیستم دوگانه و نکات مهم مربوط به مدل‌سازی و طراحی این سیستم‌ها در نرم‌افزارهای مهندسی را بررسی خواهیم کرد.

⌛ آخرین به روز رسانی: 6 مهر 1405

📕 تغییرات به روز رسانی: آپدیت بر اساس آیین نامه استاندارد 2800 ویرایش پنجم

1. سیستم باربر سازه

سیستم باربر سازه‌ متشکل از اعضای باربر است که بارهای وارده را از طریق یک مسیر بار مشخص، ابتدا میان تیرها، ستون‌ها و سقف‌ها توزیع کرده و سپس به پی و خاک منتقل می‌سازد؛ این فرایند انتقال مستقیماً به هندسه چیدمان و صلبیت اتصالات وابسته بوده و سازه را به دو حوزه عملکرد ثقلی (انتقال وزن مرده و زنده کف‌ها از خمش تیرها به فشار محوری ستون‌ها) و عملکرد جانبی (مهار نیروهای زلزله و باد به‌کمک مهاربندها، دیوارهای برشی یا گیرداری اتصالات) تفکیک می‌کند که تحقق هم‌زمان این دو نقش در قالب سازه‌های قابی، امکان مقاومت در برابر لنگرها، برش‌ها و نیروهای محوری را فراهم آورده و پایداری کلی و کنترل تغییرمکان‌های نسبی طبقات را بدون نیاز به دیوارهای باربر سنتی تضمین می‌نماید.

1.1. عملکرد سیستم باربر ثقلی

این فرایند نشان‌دهنده مسیر پیوسته و سلسله‌مراتبی انتقال بارهای ثقلی در اسکلت سازه است که طی آن، ابتدا بارهای مرده و زنده روی سطح دال سقف اعمال شده و از طریق رفتار خمشی به شاه‌تیرها هدایت می‌شوند؛ سپس شاه‌تیرها با تحمل لنگرهای ناشی از این بارها، نیروها را به‌صورت عکس‌العمل‌های برشی تکیه‌گاهی به سر ستون‌ها تحویل می‌دهند تا ستون‌ها با تکیه بر ظرفیت باربری فشاری محوری، بار تجمیع‌شده را در امتداد ارتفاع طبقات به سمت پایین برانند و در نهایت، شالوده این بارهای متمرکز ستون‌ها را به تنش‌های فشاری گسترده و مجاز تبدیل کرده و بدون ایجاد نشست‌های نامتقارن، به لایه‌های باربر خاک و سنگ بستر زیرین انتقال دهد.

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.

انتخاب سیستم باربر جانبی بدون انجام تحلیل‌های دقیق سازه‌ای، به‌دلیل پیچیدگی‌های رفتار دینامیکی سازه‌ها، غیرممکن و به‌شدت خطرناک است؛ چرا که شهود مهندسی تنها ابزاری برای برآورد اولیه است و هرگز نمی‌تواند جایگزین محاسبات عددی برای تعیین دقیق مشخصات دینامیکی مانند پریود ارتعاشی، شکل مودی و توزیع مرکز سختی نسبت به مرکز جرم گردد. عدم تحلیل دقیق، سازه را در معرض مخاطرات پنهانی همچون پیچش‌های شدید ناشی از بی‌نظمی‌های هندسی، ناپایداری‌های ثانویه نظیر اثرات پی-دلتا و گسیختگی‌های ناگهانی در مسیر انتقال بار قرار می‌دهد که همگی خارج از درک بصری هستند؛ لذا تنها با استناد به نتایج مدل‌سازی دقیق و تحلیل‌های دینامیکی و مرتبه دوم است که می‌توان میان انتخاب سیستم سازه‌ای و تأمین ایمنی پایدار در برابر بارهای لرزه‌ای، پیوندی مهندسی و قابل‌اعتماد برقرار کرد. نمونه‌ای از سیستم‌های باربر جانبی مورد استفاده در سازه‌های فولادی و بتنی به صورت زیر تفکیک شده ‌است.

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

2. عوامل مؤثر بر انتخاب سیستم باربر جانبی

درک درست مفهوم سیستم باربر جانبی از آن جهت برای انتخاب سیستم سازه‌ای ضروری است که نیروهای ناشی از زلزله و باد برخلاف بارهای ثقلی، ماهیتی دینامیکی، رفت‌وبرگشتی و افقی دارند و نادیده گرفتن سازوکار انتقال آن‌ها می‌تواند به فروپاشی کامل بنا منجر شود. شناخت دقیق این مفهوم به مهندس طراح اجازه می‌دهد تا مشخصه‌های بنیادین نظیر سختی جانبی، شکل‌پذیری و ضریب رفتار را متناسب با کاربری، ارتفاع ساختمان، میزان لرزه‌خیزی منطقه و محدودیت‌های معماری به‌درستی تنظیم کند؛ چرا که انتخاب یک سیستم با سختی ناکافی (مانند قاب خمشی در سازه‌های بسیار بلند) موجب تغییرمکان‌های نسبی بیش از حد مجاز طبقات و خرابی اجزای غیرسازه‌ای می‌گردد، در حالی که استفاده از سیستمی با سختی بسیار بالا و شکل‌پذیری اندک (نظیر برخی مهاربندهای معمولی) بارهای لرزه‌ای جذب‌شده را به شدت افزایش داده و ریسک شکست ترد را به همراه دارد.

از این رو، فهم عمیق نحوه عملکرد، ظرفیت استهلاک انرژی و اندرکنش میان سیستم باربر ثقلی و جانبی، پیش‌شرط بنیادین برای دستیابی به طرحی ایمن، پایدار، منطبق بر ضوابط آیین‌نامه‌ای و در عین حال اقتصادی است. 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.

شکل 2- انواع سیستم باربر جانبی

3. سیستم قاب ساختمانی

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

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.

شکل 3- قاب ساده و قاب مهاربندی تحت بار ثقلی و جانبی

❓آیا قاب ساده به تنهایی می‌تواند در برابر نیروی زلزله عملکرد مناسبی داشته باشد؟

قاب ساده ساختمانی به‌هیچ‌وجه به‌تنهایی توانایی مقاومت در برابر نیروهای جانبی زلزله را ندارد و عملکرد آن در برابر بارهای لرزه‌ای ناپایدار است. دلایل اصلی آن عبارتند از:

۱. ماهیت اتصالات: اتصالات تیر به ستون و پای ستون‌ها در قاب ساده کاملاً مفصلی هستند و لنگر خمشی ناشی از بار جانبی را انتقال نمی‌دهند؛ بنابراین زاویه ۹۰ درجه بین اعضا حفظ نشده و سازه در برابر نیروی افقی زلزله ناپایدار (مکانیزم) می‌شود.

۲. تفکیک وظایف باربری: قاب ساده ذاتاً یک سیستم باربر ثقلی است، نه سیستم باربر جانبی.

۳. راهکار آیین‌نامه‌ای: برای پایدارسازی این قاب در برابر زلزله، الزاماً باید از یک عضو باربر جانبی مکمل شامل مهاربند (بادبند) یا دیوار برشی استفاده شود تا سیستم «قاب ساختمانی» تشکیل شده و سختی و مقاومت جانبی لازم تأمین گردد.

4. سیستم مهاربندی

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.

شکل 4-سیستم مهاربندی

1.4. اتصالات سیستم مهاربندی

سیستم‌های باربر جانبی بر اساس نحوه تقابل میان سختی، شکل‌پذیری و نیازمندی‌های معماری انتخاب می‌شوند؛ به‌طوری‌که قاب مهاربندی با تکیه بر اتصالات مفصلی و عملکرد خرپایی اعضای قطری تحت کشش و فشار خالص، سختی جانبی بسیار بالا و کنترل بهینه تغییرمکان نسبی (دریفت) را با مقاطع سبک‌تر و هزینه‌های اجرایی اقتصادی‌تر به ارمغان می‌آورد، هرچند به دلیل انسداد دهانه‌های معماری و آسیب‌پذیری در برابر کمانش چرخه‌ای در نوع همگرا با محدودیت‌هایی روبه‌روست، در حالی که در نقطه مقابل، قاب خمشی با انتقال لنگر از طریق اتصالات صلب گیردار و تشکیل مفاصل پلاستیک در تیرها بر اساس اصل «ستون قوی–تیر ضعیف»، شکل‌پذیری فوق‌العاده و آزادی عمل کامل در پلان و نما را بدون ایجاد مانع فراهم می‌سازد، اما سختی جانبی پایین آن طراح را وادار به استفاده از مقاطع سنگین، اتصالات پیچیده پرهزینه و تمهیدات سخت‌گیرانه برای مهار تغییرمکان‌های جانبی بزرگ و لنگرهای پای ستون می‌کند.

در نتیجه در سازه‌های بلندمرتبه (بیش از ۵۰ متر)، آیین‌نامه‌ها برای ایجاد مصالحه فنی میان رفتار برشی قاب خمشی و رفتار طره‌ای مهاربندها، استفاده از سیستم دوگانه را الزامی می‌دانند تا مهاربندها تغییرمکان طبقات زیرین و قاب‌های خمشی تغییرشکل‌های طبقات فوقانی را مهار کرده و عملکرد لرزه‌ای مطمئنی حاصل شود.

شکل 5-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.

❓آیا سختی بیشتر به‌تنهایی به معنای برتری سیستم مهاربندی است؟

در مهندسی سازه، انتخاب سیستم باربر جانبی یک بهینه‌سازی چندمعیاره است و سختی بیشتر به‌تنهایی به معنای برتری نیست. سختی جانبی بالا دریفت را کنترل می‌کند اما با کاهش تناوب ارتعاشی، نیروی لرزه‌ای جذب‌شده را نیز افزایش می‌دهد. از سوی دیگر غلبه مطلق سختی بر شکل‌پذیری، سازه را به سمت شکست ترد و شکنندگی سوق می‌دهد. بنابراین سیستم «برتر»، سیستمی است که تعادلی میان سختی کافی (برای کنترل تغییرمکان) و شکل‌پذیری بالا (برای استهلاک انرژی غیرخطی و جلوگیری از گسیختگی ناگهانی) برقرار سازد.

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.

شکل 6-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 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.

شکل 7- 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.

شکل 8-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.

شکل 9-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.

شکل 10-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.

شکل 11-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 (R_u)، ضریب بزرگنمایی تغییرمکان (c_d) و ارتفاع مجاز برای ساخت (H_m) 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 را کاهش 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.

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

شکل 12-از بین رفتن زیبایی نمای قاب مهاربندی به دلیل استفاده از مهاربند

نکته: در محدودیت‌های شدید معماری، مهاربندی بدترین گزینه است چون دهانه‌ها را مسدود می‌کند. در این شرایط، قاب خمشی به دلیل آزاد گذاشتن کامل پلان بهترین انتخاب است و اگر کنترل دریفت لازم باشد، دیوار برشی در هسته سازه به جای مهاربند استفاده می‌شود.

باید به این موضوع توجه که در برخی موارد ممکن است از قاب‌های مهاربندی شده به‌جای دیوار برشی استفاده شود اما مهاربند نمی‌تواند همیشه جایگزین دیوار برشی شود، زیرا دیوار برشی بتنی سختی جانبی و پیچشی به‌مراتب بالاتری در ساختمان‌های بلندمرتبه ارائه می‌دهد. همچنین دیوارهای برشی بر خلاف مهاربندها دچار کمانش چرخه‌ای نمی‌شوند، پایداری بهتری در برابر حریق دارند و اثر واژگونی بر پی را به دلیل جذب بارهای ثقلی کاهش می‌دهند. از سوی دیگر، جانمایی دیوار برشی در هسته راه‌پله و آسانسور، تداخل‌های معماری سنگین مهاربندها را در پلان به‌طور‌کلی برطرف می‌سازد.

شکل 13- عملکرد دیوار برشی و سیستم مهاربندی در مقابل بارهای جانبی

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. البته ناگفته نماند هر سازه قابی، قاب خمشی نیست. واژه «قاب» صرفاً به معنی شبکه تیر و ستون است، اما «قاب خمشی» نیازمند اتصالات کاملاً صلب و گیردار برای انتقال لنگر و مقاومت در برابر زلزله است.

بطورکلی می‌توان گفت تفاوت قاب خمشی و قاب ساده در درجه اول به رفتار سازه‌ای و نحوه تقسیم نیروها برمی‌گردد و نوع اجرا صرفاً روشی برای ساخت و پیاده‌سازی این رفتار است. در قاب خمشی، سازه به گونه‌ای رفتار می‌کند که محل اتصال تیر به ستون کاملاً سفت و گیردار باقی می‌ماند و نیروهای پیچشی و خمشی ناشی از زلزله از تیر به ستون منتقل می‌شوند تا کل اسکلت در برابر تکان‌های جانبی مقاومت کند؛ اما در قاب ساده، رفتار گره‌ها به‌صورت لولایی یا مفصلی است و تیرها اجازه چرخش آزاد دارند و هیچ لنگری را به ستون‌ها منتقل نمی‌کنند و تنها بار وزن ساختمان را به سمت پایین می‌فرستند؛ بنابراین، اگرچه در کارگاه این تفاوت را در شکل ورق‌ها، جوشکاری‌های سنگین یا پیچ‌کاری‌های سبک می‌بینیم، اما این نحوه رفتار و حرکت سازه در برابر زلزله است که مشخص می‌کند مهندسان چه جزییات اجرایی و نوع اتصالی را در عمل پیاده‌سازی کنند.

برای کسب اطلاعاتی درمورد وزن سازه، مقاله «محاسبه سریع و تقریبی وزن سازه» بررسی شود.

شکل 14-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.

❓نقش اتصال صلب در عملکرد قاب خمشی دقیقا چیست؟

نقش اتصال صلب در قاب خمشی به عنوان قلب تپنده این سیستم، ایجاد پیوستگی کامل میان تیر و ستون است تا گره‌ها در هنگام زلزله به جای دوران آزادانه، لنگرهای خمشی و نیروهای برشی را به‌طور کامل منتقل کنند و با حفظ زاویه قائم میان اعضا، سختی جانبی لازم برای مهار تغییرمکان‌های ساختمان را تأمین نمایند؛ فراتر از این عملکرد ساختاری، این اتصال با جلوگیری از شکست‌های ترد در محل گره، نقش حیاتی در کنترل مکانیزم تسلیم دارد و با هدایت شکل‌پذیری به درون تیرها، بستری امن برای تشکیل مفاصل پلاستیک فراهم می‌کند که در نهایت منجر به استهلاک حداکثری انرژی ناشی از امواج لرزه‌ای و پیشگیری از ناپایداری کل سازه یا خرابی زودرس ستون‌ها می‌شود.

شکل 15-رفتار قاب خمشی درمقابل نیروهای جانبی

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.

شکل 16-عدم محدودسازی دهانه و زیبایی نما در قاب خمشی

نکته: البته قاب خمشی همیشه بهترین گزینه برای کاهش محدودیت در معماری نمی‌باشد.  قاب خمشی هرچند بازشوها و دهانه‌ها را آزاد می‌گذارد، اما به دلیل نیاز به تیرهای عمیق‌تر کاهش ارتفاع مفید سقف و تداخل با تأسیسات (ستون‌های حجیم‌تر) بیرون‌زدگی از دیوارها (اتصالات گیردار برجسته و آسیب بیشتر به نازک‌کاری و نما ناشی از دریفت بالا) همیشه بهترین گزینه برای معماری نیست و در ساختمان‌های بلندمرتبه یا دارای محدودیت ارتفاع، سیستم‌های دیگر اولویت پیدا می‌کنند.

بنابراین نتیجه می‌گیریم قاب خمشی معمولاً زمانی انتخاب اول است که «شکل‌پذیری» و «عملکرد معماری» بر «سختی جانبی» اولویت داشته باشند. در شرایط زیر قاب خمشی نسبت به سایر سیستم‌های قاب ساختمانی گزینه مناسب‌تری است:

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.

شکل 17-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 می­کند. 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.

شکل 18- 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.

شکل 19- 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.

شکل 20- 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.

شکل 21- 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.

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.

برای کسب اطلاعات بیستر درمورد قاب خمشی فولادی به مقاله«بررسی انواع قاب خمشی فولادی و ضوابط اتصالات آن» ارجاع شود.

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.

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 (R_u)، ضریب بزرگنمایی تغییرمکان (C_d) و ارتفاع مجاز نیز باهم تفاوت دارند که در استاندارد 2800 به آن پرداخته شده است.

قاب خمشی بتنی به سه دلیل عمده می‌تواند گزینه‌ای به مراتب کارآمدتر از قاب فولادی باشد:

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.

ممکن است این سوال پیش بیاید که آیا انواع قاب‌های خمشی نام‌برده از نظر رفتار لرزه‌ای مشابه می‌باشند؟! مسلماً جواب خیر است، تمام قاب‌های خمشی رفتار لرزه‌ای یکسانی ندارند؛ تفاوت اصلی آن‌ها در میزان شکل‌پذیری و توانایی جذب انرژی است. قاب‌های «ویژه» با جزئیات مهندسی دقیق، مفاصل پلاستیک را در تیرها هدایت کرده و چرخه‌های پسماند پایدارتری دارند، در حالی که قاب‌های «معمولی» به دلیل ضعف در شکل‌پذیری، مستعد شکست‌های ترد و زوال سریع مقاومت هستند. علاوه بر این، تفاوت در نوع مصالح (فولاد در برابر بتن) و پدیده کمانش یا ترک‌خوردگی، باعث می‌شود هر سیستم با ضریب رفتار متفاوت، پاسخ متفاوتی به زلزله نشان دهد.

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

❓تفاوت اصلی قاب خمشی و دیوار برشی در رفتار جانبی چیست؟

تفاوت اساسی این دو در مکانیزم تغییرشکل است: قاب خمشی مانند یک «ستون برشی» عمل می‌کند که بیشترین دریفت را در طبقات پایین دارد، در حالی که دیوار برشی همانند یک «تیر طره‌ای» تحت خمش قرار می‌گیرد و بیشترین انحراف و دریفت را در طبقات فوقانی تجربه می‌کند. در نتیجه، دیوار برشی سختی جانبی بسیار بالاتری دارد و برای کنترل تغییرمکان‌های جانبی (دریفت) در سازه‌های بلند، بسیار مؤثرتر از قاب خمشی است.

شکل 22- تفاوت دریفت در قاب خمشی و  دیوار برشی

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. 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.

جهت آشنایی بیشتر با ترکیب انواع سیستم‌های باربر جانبی با یکدیگر می‌توانید به مقاله «بررسی ترکیب سیستم سازه ای مختلف در ارتفاع به همراه بیان یک مثال کاربردی» مراجعه فرمائید.

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.

شکل 23- 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.

شکل 24- 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.

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.

شکل 25- 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

برای کسب اطلاعات تکمیلی درمورد سیستم‌های دوگانه مقاله «بررسی سیستم دوگانه به همراه کنترل 25 درصد نیروی زلزله و 50 درصد دیوار برشی در ایتبس» بررسی شود.

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.

هزینه: سیستم مهاربندی نسبت به سیستم قاب خمشی همیشه مقرون‌به صرفه‌تر نیست؛ زیرا اگرچه ممکن است مصرف فولاد اسکلت را کاهش دهد، اما تمرکز نیرو در دهانه‌های مهاربندی موجب ایجاد نیروهای واژگونی و کشش شدید شده و هزینه اجرای فونداسیون (بتن‌ریزی، آرماتوربندی یا شمع) را به شدت بالا می‌برد. علاوه بر این، هزینه سنگین ساخت و جوشکاری ورق‌های ضخیم اتصال مهاربند (گست‌پلیت‌ها) و همچنین محدود کردن فضاهای معماری نظیر پارکینگ‌ها و بازشوها، می‌تواند صرفه‌جویی اولیه در وزن آهن‌آلات را کاملاً خنثی کرده و هزینه نهایی کل پروژه را افزایش دهد.

شکل 26- 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.

شکل 27- 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.

شکل 28- مکانیزم‌های تسلیم در قاب خمشی و قاب مهاربندی

انتخاب سیستم باربر جانبی در مهندسی سازه، یک تصمیم دلبخواه نیست؛ بلکه نتیجه یک تحلیل «بهینه‌سازی چندمعیاره» است که در آن مهندس طراح باید میان عملکرد لرزه‌ای، محدودیت‌های معماری، اقتصاد پروژه و شرایط اجرایی تعادل ایجاد کند. دلایل اصلی ترجیح یکی بر دیگری را می‌توان در چهار محور اصلی زیر خلاصه کرد:

12. نکات نرم‌افزاری

در این بخش به نکات نرم‌افزاری 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.

شکل 29- 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.

شکل 30- 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.

شکل 31- 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

14. نتیجه گیری

در این مقاله سیستم قاب خمشی و قاب مهاربندی شده 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. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1401)
2. آیین‌نامه بتن ایران (آبا)
3. استاندارد 2800 (آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله)-ویرایش5
4. جزوه نکات مدل‌سازی و طراحی سازه‌های بتنی و فولادی-دکتر مسعود حسین‌زاده اصل
5. Azad, S. K., & Topkaya, C. (2017). A review of research on steel eccentrically braced frames. Journal of constructional steel research.‏
6. Kumar, M. S., Senthilkumar, R., & Sourabha, L. (2019, August). Seismic performance of special concentric steel braced frames. In Structures .

• مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!

• ارسال سوال برای تولید محتوا