مهاربند یا بادبند های همگرا و واگرا (CBF و EBF)

1-1- تاثیر سختی بر رفتارهای لرزه ای:

افزایش سختی موجب کاهش تناوب می شود و در نتیجه سازه را اگر در ناحیه نرم باشد به سمت ناحیه تشدید و شتاب پاسخ را افزایش می دهد. بعکس اگر سازه در ناحیه تشدید باشد، آن را به سمت ناحیه سخت برده و شتاب پاسخ را کاهش می دهد. بنابراین افزایش سختی روی شتاب پاسخ تاثیری دوگانه دارد. از آنجا که نواحی سه گانه جایگاه ثابتی ندارند نمی توان با قطعیت بیان

کرد که آیا سخت کردن یک سازه به افزایش نیروهای زلزله می انجامد یا به کاهش آن به همین دلیل نقش طبقه نرم در یک سازه مدتها مورد بحث و جدل بوده است. برخی معتقدند که وجود یک طبقه نرم موجب کاهش سختی و در نتیجه کاهش نیروهای زلزله می شود و گروهی دیگر طبقه نرم را موجب تمرکز انرژی در یک طبقه و در نتیجه انهدام آن طبقه می دانند.

در عمل درستی نظر گروه دوم ثابت شده است و اکنون نظریه اول کنار گذاشته شده است. گروه اول دو نکته را از نظر دور داشته اند:

1. اول اینکه با کاهش سختی معلوم نیست نیروهای زلزله کاهش یابد. اگر چه این مطلب با توجه به طیف آیین نامه درست به نظر می رسد، اما چرا در طیف آیین نامه نیروی زلزله در ناحیه سخت با ناحیه تشدید یکی در نظر گرفته شده است.
2. دوم آنکه افزایش سختی که معمولا به کمک بادبند یا دیوار برشی صورت می گیرد با افزایش مقاومت همراه است. حال حتی اگر بپذیریم که افزایش سختی موجب افزایش نیروی زلزله می شود سوال این است:

سوال؛ آیا این افزایش نیرو از آن افزایش مقاومت بیشتر است یا کمتر؟

راه حل این مشکل در این است که ملاک را در جابجایی سازه قرار دهیم نه در نیرو. اگر با افزایش سختی، جابجایی ها کاهش یابند، سازه در جهت افزایش پایداری حرکت کرده است و بر عکس. بررسی این موضوع یه کمک طیف پاسخ جابجایی قابل انجام است.

1-2- سیستمهای لرزه بر:

منظور از سیستم لرزه بر یک سیستم سازه ای است که در برابر نیروهای افقی توان مقاومت داشته باشد. از آنجا که جهت نیروهای زلزله را نمی توان از قبل تعیین نمود هر ساختمان بناچار باید در هر دو جهت متعامد مجهز به سیستم لرزه بر باشد تا بتواند نیروهای احتمالی را در هر دو جهت تحمل نماید.

انواع سیستم های مقاوم بصورت زیر در استاندارد 2800 تقسیم بندی شده اند:

1-2-1- سیستم قاب ساختمانی ساده:

نوعی سیستم سازه ای است که در آن بارهای قائم عمدتا توسط قالب های ساختمانی کامل تحمل شده و مقاومت در برابر نیروهای جانبی به وسیله دیوارهای برشی و یا

قاب‌های مهاربندی شده تأمین می شود. در این سیستم اتصالات مفصلی است. سیستم قالب های با اتصالات خورجینی (یا رکابی) همراه با مهاربندی های قائم نیز جزء این گروه اند.

در این سیستم این نوع قاب اتصالات از نوع مفصلی بوده و خود قاب هیچ نیروی جانبی را تحمل نمی کند و تمام نیروهای جانبی توسط مهاربند و دیوارهای برشی و تیهل می شوند. این نوع سیستم دارای سختی جانبی بالایی می باشد. در این سیستم طول موثر ستون ها برای کفاش، KL از حدود 0.8h تا h (h: ارتفاع طبقه) می باشد.

به علت سختی جانبی بالا، قاب تغییر مکان جانبی بسیار کمی دارند (در عمل بدون تغییر مکان در نظر گرفته می شوند) که این مسأله باعث می شود اعضای غیر سازه ای از ایمنی بالاتری برخوردار باشند و اثرات مرتبه دوم، P – Δ ، کم می شود.

1-2-2- دیوار برشی بتن آرمه:

این نوع دیوار معمولاً به صورت یکپارچه از روی پی تا ارتفاع مورد نظر ساخته می شود. در داخل بتن شبکه ای از میلگردهای افقی و قائم قرار می گیرد و میلگردهای قائم تا درون پی امتداد می یابند. دیوارهای برشی در ساختمان های بتنی، فولادی و آجری قابل استفاده هستند. در ساختمانهای فولادی دیوار برشی بتنی می تواند مانند میانقاب در داخل قاب قرار می گیرد که در این صورت نحوه محاسبه خاصی را خواهد داشت. دیوار برشی بتن آرمه هم از طبیعت زیادی برخوردار است و هم دارای نرمی و مقاومت چشمگیری می باشد. از محاسن دیگر آن انعطاف برای تغییرات مربوط به معماری است مثلاً به راحتی می توان در میان آن باز شد (در و پنجره) تعبیه کرد و یا از ضخامتش کاست.

1-2-3- دیوار برشی آجری مسلح:

با استقرار میلگردهای افقی و قائم در داخل دیوار آجری و مهار میلگردهای قائم در شناژ زیرین، می توان دیوار آجری را مسلح کرد. چنین دیواری می تواند مانند دیوار بتن آرمه در برابر نیروی جانبی زلزله بایستد. وجود میلگرد علاوه بر افزایش مقاومت موجب افزایش چشمگیر نرمی نیز می شود و از این رو این نوع دیوار در زمره سیستمهای لرزه بر قرار می گیرد.

1-2-4- بادبند

ساختمانهای فولادی را می توان به کمک بادبند در برابر نیروی جانبی مقاوم ساخت. از انواع متداول آن می توان از بادبندهای ضربدری، جناغی،‌ زانویی، لوزی نام برد. علاوه بر این در ساختمانهای بتنی پیش ساخته گاهی از بادبند بعنوان سیستم لرزه بر استفاده می شود.

1-2-5- قاب خمشی

در یک قاب چنانچه اتصالات تیر و ستون گیردار باشد، قاب خمشی نامیده می شود. این چنین قابی می تواند

مقاوم خمشی که حد اقل 25 درصد نیروهای جانبی را داشته باشد اجباری است و برای مقابله با نیروهای جانبی نباید منحصراً به دیوارهای برشی یا بادبند اکتفا نمود.

نیروهای جانبی را به کمک کنش خمشی تحمل کند و به زمین منتقل سازد، و به همین خاطر جزء سیستمهای لرزه بر شناخته می شود. در قابهای بتنی اتصالات به طور طبیعی گیر دارند و از این رو کلیه قابهای بتنی از نوع خمشی اند بجز در ساختمانهای پیش ساخته که ممکن است میزان گیرداری اتصالات چندان مشخص نباشد، در ساختمانهای فلزی طرح اتصالات گیرداری ضوابط خاصی است و معمولاً اجرای آن پر هزینه تر و مشکل تر از اتصالات مفصلی است. از این گذشته سیستم قاب خمشی در مقایسه با قاب بندی شده اصولاً از توان و کارایی کمتری برخوردار است زیرا بجای کنش خرپایی (که موجب ایجاد نیروی محوری در اعضا می شود) نیروها را با کنش خمشی تحمل می کند و این باعث می شود که اعضاء تحت خمش قرار گیرند.

1-2-6- سیستمهای مختلط (دوگانه) :

می توان ترکیبی از سیستمهای فوق را بکار گرفت. این ترکیب می تواند روی یک محور و یا چند محور موازی انجام شود. در ترکیب سیستم های لرزه بر باید توجه داشت که دیوارهای برشی و قابهای بادبندی شده از منحنی مشابهی برخوردارند و هنگامی که تحت جابجایی یکسان قرار می گیرند نیروی واکنش آنها مشابه است، در حالیکه سختی دیوار برشی و قاب خمشی (و یا قاب بادبندی شده و قاب خمشی) تفاوت بسیاری دارد و وقتی این دو تحت جابجایی یکسانی قرار گیرند، بخش بزرگتری از نیرو متوجه سیستم سخت یعنی دیوار برشی (و یا بادبند) شده و در قاب خمشی نیروی کمتری ایجاد می گردد.

البته طبق بند 70102 آیین نامه 2800 در ساختمانهای بلند تر از 15 طبقه یا 50 متر احداث قاب با اتصالات مقاوم خمشی که حد اقل 25 درصد نیروهای جانبی را داشته باشد اجباری است و برای مقابله با نیروهای جانبی نباید منحصراً به دیوارهای برشی یا بادبند اکتفا نمود.

1-3- توزیع نیروی زلزله بین قابهای خمشی و قابهای بادبندی شده

طبق آیین نامه 2800 اگر از سیستم مختلط استفاده شود می توان ضریب رفتار را برابر 8 فرض نمود، چنین سیستمی از اختلاط قاب خمشی و قاب بادبندی شده (یا دیوار برشی) تشکیل می شود. در محاسبه چنین سیستمی توجه به نکات زیر ضروری است:

1. هنگامی سیستم لرزه بر مختلط محسوب می شود که تعداد قابهای خمشی آنقدر باشد که مقاومت مجموعه آنها برابر 25% کل نیروی زلزله باشد. این بدان معنا نیست که 25% نیروی زلزله بین عناصر توزیع شود بلکه توزیع نیروی زلزله همانگونه که در زیر اشاره شده باید به نسبت سختی عناصر لرزه بر صورت گیرد.
2. اگرمقاومت قابهای خمشی کمتر از 25% نیروی زلزله باشد طبق آیین نامه 2800 سیستم از نوع قاب ساده محسوب می شود و ضریب رفتار برابر 7 خواهد بود. در این حالت قابهای بادبندی شده سیستم لرزه بر اصلی تلقی می شود اما

نیروی زلزله بین قابهای خمشی و بادبندی شده به نسبت سختی توزیع می شود.

3. طبق آیین نامه 2800 برای ساختمانهای تا 8 طبقه و یا کوتاهتر از 30 متر می توان 100% نیروی جانبی زلزله را به دیوارهای برشی و بادبندها اعمال نمود و از مقایسه صلبیت عناصر مقاوم صرف نظر کرد مشروط بر آنکه قابها تحمل 30% نیروی جانبی را داشته باشند.

3-1- خصوصیات مهاربندهای همگرا و واگرا:

قاب های مهاربندی شده همگرا دارای سختی متناسب، اتصالات ساده و سرعت اجرایی بالا هستند. این قاب ها، به علت سختی بالا، شکل پذیری مناسبی ندارند. استفاده از این قاب ها در مناطق زلزله خیز به علت شکل پذیری پایین توصیه نمی گردد.

قاب های مهاربندی شده واگرا دارای شکل پذیری خوب و سختی مناسبی هستند. از مشخصات اصلی این نوع مهاربندها یک جزء تیر می باشد، که به تیر پیوند معروف است (که در اشکال فوق با حرف e نمایش داده شده است) به این تیر، فیوز نیز گفته
می شود. این تیر مقدار زیادی از نیروی زلزله را جذب نموده و از کمانش مهاربند نیز جلوگیری می نماید. از دیگر مزایای این قاب امکان ایجاد باز شو در ساختمان می باشد. از نظر سختی این نوع مهاربندی از قاب خمشی سخت تر و از قاب های مهاربندی شده هم مرکز نرم تر می باشد.

3-2- مقایسه بادبندهای EBF و CBF

عموماً در سازه های فولادی قابهای مهاربندی همگرا (CBF) برای مقابله با نیروهای جانبی به کار گرفته می شود. این سیستم دارای سختی و مقاومت قابل ملاحظه می باشد و از لحاظ اقتصادی برای دهانه نسبتاً کوچک استفاده از این روش به علت ساده بودن اتصالات و سرعت اجرائی بالای آنها مقرون به صرفه می باشد. اما در مناطقی با زلزله خیزی بالا استفاده از این نوع سیستم پیشنهاد نمی شود، چرا که عناصر فشاری نظیر مهارها و ستونها، در صورت لاغری کلی با موضعی تحت اثر بارهای تناوبی

احتمال دارد بعد از چند سیکل بخش زیادی از مقاومت خود را از دست بدهند و در نتیجه به علت کمانش مهاربندها در بادهای متناوب، قدرت جذب انرژی، شکل پذیری در رفتار غیر ارتجاعی این نوع سیستم مهاربندی ضعیف می گردد. برای غلبه بر نواقص فوق ایده استفاده از سیستم مهاربندی واگرا (EBF) توسط پروفسور پوپوف و همکاران در اواسط دهه هفتاد میلادی پیشنهاد گردید، که در آن عضو قطری به جای اتصال به محل برخورد تیر ستون و یا تقاطع محدود و بادبند در یک نقطه ، با مقداری خروج از مرکزیت بر تیر متصل می گردد. با انتخاب فاصله مناسب برای تأمین سختی جانبی (شکل پذیری بصورت همزمان دست یافت. قاب مهاربندی واگرا در حقیقت، مقاومت و سختی قاب مهاربندی همگرا را با رفتار غیر ارتجاعی و قدرت جذب انرژی قاب خمشی ترکیب نموده و نهایتاً رفتار مناسبی از خود نشان می دهد.

در این سیستم مهاربندی، تیر پیوند که بین ستون و بادبند (تک قطری) و پایین دو بادبند (دو قطری) قرار گرفته است مانند فیوزی از وارد شدن نیروی بیش از حد به بادبندها و کمانش آنها جلوگیری می نماید و نیروی محوری بادبند های قطری به صورت برش یا خمش به ستون یا به بادبند دیگر منتقل می شود. در طی چندین بارگذاری رفت و برگشتی تیر پیوند به صورت غیر ارتجاعی تغییر شکل می دهد و جذب انرژی به صورتی که در قابهای خمشی ملاحظه می گردد، انجام می شود.

1-2-3 رفتار بادبندهای واگرا

رفتار بادبندهای واگرا به طول تیر پیوند آنها بستگی دارد. اصولاً بادبندهای واگرا با طول پیوند کوتاه رفتار برشی و با طول پیوند بلند، رفتار خمشی دارند. هر چقدر طول پیوند کوتاه تر باشد سختی قاب بیشتر است. رابطة کیفی سختی قاب با طول تیر پیوند در جدول زیر آمده است.

آزمایشات انجام شده بر روی این سیستم نشان از رفتار خوب قاب های EBF با طول پیوند کوتاه نسبت به طول پیوند بلند در بارهای دینامیکی دارد. لذا توصیه می شود در طراحی طول پیوند کوتاه مد نظر باشد[1].

3-3- انتخاب مهاربندی و ابعاد آن

جهت انتخاب مکان مهاربند توجه به توصیه های زیر مفید است:

• مهاربندها در پلان به صورت متقارن قرار بگیرند، (برای جلوگیری از پیچش).
• مهاربندها تا حد امکان دورتر از مرکز جرم باشند، (برای افزایش بازوی مقاوم).
• مهاربند در دهانه های بزرگتر قرار بگیرند، (جهت کاهش نیروی کششی ستون و افزایش سختی جانبی).
• مهاربندها طوری انتخاب شوند که سختی سازه در دو جهت به هم نزدیک شود، (رفتار سازه یکنواخت شود و تغییر شکل ها یکسان باشند).
• مجتمع کردن سیستم های مهاربندی در دو جهت باعث خواهد شد مهاربندی ها در عملکرد متقابل بار جانبی در جهت دیگر هم کمک کنند.
• لازم به ذکر است لنگر پیچشی در اثر اعلام انطباق مراکز جرم و سختی به وجود می آید.

3-4- حداقل دهانه مهاربندی

تعیین حداقل تعداد دهانه برای مهاربندی بر اساس کنترل نیروی کششی ستونی می باشد. ابتدا نیروی جانبی زلزله محاسبه شده و نیروی کششی تولید شده در ستون یا بار ثقلی موجود در ستون مقایسه می گردد.

راه حل های جلوگیری از نیروی کششی ستونی:

• ازدیاد وزن فونداسیون ها؛
• یکپارچه کردن عمل فونداسیون ها؛
• افزایش دهانه های مهاربندی؛
• داخل کردن باربری دیگر ستون ها.

سه روش اول بسیار بدیهی می باشد. درباره مورد آخر توضیحات بیشتری ادائه می گردد:

دخالت باربری دیگر ستون ها در مقابل باربری جانبی

در این روش با دخالت دادن ستون های دیگر در باربری جانبی مقدار کشش در ستون های دهانه مهاربندی شده کمتر می گردد.

3-5- مقایسه انواع سیستم های مقاوم جانبی

از مزایای قاب های خمشی این است که، می توان بازشوهای بزرگ جهت طرح های معماری در ساختمان ایجاد نمود. این قاب ها دارای یکپارچگی و شکل پذیری خیلی خوب می باشند اما در این قاب ها اجرای اتصالات مشکل است و از نظر مسائل اقتصادی پرهزینه می باشند. مخصوصاً در سازه های بلند به علت شکل پذیری و نرمی زیاد این قاب ها، تغییر شکل های جانبی بزرگی به وجود می آید.

قاب های مهاربندی شده همگرا دارای سختی مناسب، اتصالات ساده و سرعت اجرای بالا هستند. این قاب ها، به علت سختی بالا، شکل پذیری مناسبی ندارند. استفاده از این قاب ها در مناطق زلزله خیز به علت شکل پذیری پائین توصیه نمی گردد.

قاب های مهاربندی شده واگرا دارای شکل پذیری خوب و سختی مناسبی هستند. از مشخصات اصلی این نوع مهاربند یک جزء تیر می باشد، که به تیر پیوند معروف است (در شکل 1-10 با حرف e نمایش داده شده است) به این تیر، فیوز نیز گفته می شود. این تیر مقدار زیادی از نیروی زلزله را جذب نموده و از کمانش مهاربندی ها نیز جلوگیری می نماید. از دیگر مزایای این قاب امکان ایجاد بازشو در ساختمان می باشد[2]. از نظر سختی، این نوع مهاربندی از قاب خمشی سخت تر و از قاب های مهاربندی شده هم مرکز نرم تر می باشند.

3-6- نرمی بادبند برون محور:

در سیستم مهاربند برون محور تیر رابط حلقه ضعیف شکست را تشکیل می دهد و ضوابط به گونه ای تنظیم شده است که به صورتی هدایت شده در این جزء ایجاد شود و بقیه اجزاء از تسلیم و شکست مصون بمانند و از حوزه ارتجاعی خارج نشوند. ضوابط یو بی سی عمدتاً بر تحقیقات پوپوف و دانشجویانش بتنی است. در این ضوابط برای تضمین تمرکز شکست در تیر رابط، با یک اعمال ضریب اطمینان مناسب، در سایر اجزاء ظرفیت بیشتری نسبت به ظرفیت لازم برای ایجاد تسلیم در یک تیر رابط تدارک شده است. برای ایجاد یک شکست نرم و مطلوب در تیر رابط، تلاش شده است که مواد زیر در ضوابط آیین نامه در نظر گرفته شوند:

تأمین پایداری موضعی بال تیر ازطریق محدودساختن نسبت عرض به ضخامت بال.

• تأمین پایداری موضعی جان از طریق:
• نصب ورقهای تقویت به صورت تابعی از ضخامت و ارتفاع جان، و زاویه چرخش تیر
• عدم استفاده از ورق مضاعف برای جان
• حاکم ساختن شکست برشی بجای شکست خمشی در تیر رابط.
• جلوگیری از ورود به حوزه رفتار کاهنده از طریق محدود ساختن چرخش تیر رابط.

[1] – توجه ویژه به این گونه بادبندها به علت رفتار منابشان در زلزله و قابل کنترل بودن مفاصل پلاستیک و خرابی می باشد نه ایجاد پارامترهای بزرگ ماننده در و پنجره که به غلط جا افتاده است.
[2] – لازم به ذکر است استفاده از این بادبندها فقط به جهت ایجاد بازشو نمی باشد بلکه دلیل اصلی استفاده از آنها رفتار مناسب شان در زلزله است.