مهندسی عمران

مهاربند یا بادبند
نویسنده : سید امیررضا شجاعیان - ساعت ٢:٥٤ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٩/۱٢/٥
 
مهار بند یا بادبند یک عضو سخت کننده سازه در برابر نیروهای جانبی همانند باد یا نیروی زلزله می باشد.به دلیل اجرای سریع نسبت به دیوار برشی عمومیت خاصی بین عامه پیدا کرده،اما اجرای ناصحیح نه تنها سبب پایداری بلکه سبب پیچش می گردد.

انواع باد بند:
مطابق پیوست 2 آینن نامه 2800 انواع مهاربندها به صورت زیر می باشد.
1-مهاربند ضربدری:این نوع مهاربند که به همکاربند همگرا نیز معروف می باشد،حالتی است که دو عضو مهاربند به صورت قطری زوایای متقابل یک دهانه را به هم متصل نمایند.
2-مهاربند قطری:حالتی که فقط یک قطر داخل چشمه وجود داشته باشد.
3-مهاربند ٧ و ٨ :در این نوع مهاربندها،دو عضو مهاربند بر روی یک گره در رو و یا زیر تیر با یکدیگر متقارب باشند.
4-مهاربند K :در این نوع مهاربند،یک جفت مهاربند در یک طرف ستون قرار می گیرند و یکدیگر را در نقطه ای بر روی ستون قطع می نمایند.


باد بندهای هم محور: در سیستم بادبندی هم محور طراحی تیرها در دهانه های بادبندی همانند دیگر تیرهای معمولی وتحت بارهای ثقلی انجام می پذیرد و در ترکیب بار زلزله نیروی قابل توجهی در این تیرها ایجاد نمیشود ؛ اما در سیستم برون محور علاوه بر برش و لنگرهای بارهای ثقلی ، در ترکیب بار زلزله ودر اثر نیروهای محوری ایجاد شده در بادبندها یک سری لنگر و برش اضافی در این تیرها ایجاد می شود و باعث بحرانی شدن ترکیب بار زلزله برای طراحی این تیرها می شود . معمولاً محل بحرانی در این تیرها محل اتصال بادبند به تیر می باشد و در این محل عموماً احتیاج به ورق تقویتی بال بالا وپایین می باشد.
طراحی تیرچه ارتباطی :یکی از مهمترین و حساسترین مسایل در سیستم برون محور ، طراحی تیرچه ارتباطی می باشد ؛ مساله ای که اکثر طراحان به راحتی از کنار آن میگذرند. برخی از مسایلی که در طراحی تیرچه ارتباطی باید به آن توجه نمود ، به شرح زیر می باشد:
1- مطابق آیین نامه(( تیرچه ارتباطی باید تمامی شرایط مقطع فشرده را دارا باشد.)) به این ترتیب در صورت عدم استفاده از مقاطع نورد شده و استفاده از مقاطع ساخته شده (تیرورق) باید محدودیتهای مقطع فشرده در آن رعایت شود و مخصوصاً اتصال بال و جان تیرورق (حداقل در قسمت تیرچه ارتباطی) باید با جوش پیوسته (ونه جوش منقطع) انجام گیرد. ضمن آنکه باید توجه داشت که جوش اتصال بال به جان باید در برابر تنش های برشی موجود کفایت لارم را داشته باشند.(این مساله در تیرچه های ارتباطی کوتاه که معمولاً به صورت برشی عمل نموده و داراری برش های زیادی هستند بسیار حساس تر میباشد.)
3- مطابق آیین ئامه ((جان قطعه رابط باید از یک ورق تک بدون هرگونه ورق مضاعف کننده تشکیل یابد و هیچگونه بازشویی نباید در جان قطعه رابط تعبیه شود.)) به این ترتیب همانطور که مشخص است استفاده از مقاطع دوبل (به علت وجود بیش از یک جان ) و مقاطع زنبوری (به علت وجود سوراخ در جان ) برای قطعه رابط از نظر آیین نامه یک امر کاملاً مردود می باشد؛ امری که متاسفانه بسیار معمول می باشد. گاهی دیده شده است که برخی طراحان برای قطعه رابط از مقطع زنبوری استفاده نموده و تمامی سوراخها را در قسمت تیرچه ارتباطی به وسیله ورق تقویتی جان می پوشانند، که این مساله نیز به این دلیل که ورق تقویتی جان به نوعی یک ورق مضاعف کننده می باشد، از نظر آیین نامه مردود میباشد. پیشنهاد میشود که در صورت عدم جوابگویی مقاطع نورد شده تک برای این تیرها، طراحان از مقطع I شکل و به صورت تیرورق و با جوش پیوسته جان وبال در قسمت قطعه رابط استفاده نمایند و به هیچ وجه از مقاطع دوبل وزنبوری استفاده ننمایند.
4- مطابق آیین نامه ((در انتهای قطعه رابط که عضو قطری به آن متصل است، باید سخت کننده جان در تمام ارتفاع ، در دو طرف قرار داده شود.)) یکی از شایع ترین ایرادات در طراحی قطعه رابط همین مساله می باشد ، که طراحان باید به این مساله توجه بیشتری نمایند. این مساله به غیر از سخت کننده های میانی قطعه رابط میباشد که لزوم قرارگیری یا عدم قرارگیری آنها باید توسط طراحان مورد بررسی قرار گیرد.
طراحی عضو قطری (بادبند):طراحی عضو قطری در این سیستم مشابه سیستم هم محور میباشد با این تفاوت که طبق آیین نامه ((هر بادبند باید دارای مقاومت فشاری 1.5 برابر نیروی محوری نظیر مقاومت خمشی قطعه رابط باشد.)) با توجه به اینکه در حالت طراحی معمولی مقاومت فشاری بادبند و مقاومت خمشی قطعه رابط به همدیگر نزدیک میباشند ، رعایت این بند باعث بالا رفتن سطح مقطع بادبند تا حدود 50 درصد نسبت به طراحی حالت معمولی در این سیستم میشود؛ ضمن آنکه باید توجه داشت که در این سیستم به دلیل آنکه معمولاً زاویه بادبندها با افق نسبت به سیستم هم محور بیشتر می باشد ، نسبت به سیستم هم محور نیروی محوری بیشتری در بادبندها ایجاد می شود.
نتیجه گیری:استفاده صحیح از این سیستم بادبندی باعث شکل پذیری بیشتر سازه و کاهش برش پایه زلزله میشود ؛ اما در طراحی این بادبندها باید دقت کافی در جهت رعایت کلیه نکات آیین‌نامه ای چه از طرف طراحان و چه از طرف دستگاه های نظارتی انجام پذیرد. طراحی صحیح این بادبندها منجر به بادبندها و تیرهایی سنگین تر از حالت بادبند هم محور می شود ؛ به همین جهت پیشنهاد می شود که طراحان حتی الامکان از این سیستم به عنوان اولین گزینه استفاده ننمایند.

بادبندهای برون محور (EBF) و برخی ایرادات در طراحی این بادبندها
نوع جدیدی از بادبندها که به تازگی استفاده از آن رو به افزایش می باشد سیستم بادبندی خارج از محور1(EBF) میباشد. اما متاسفانه اکثر طراحان آشنایی اندکی با نحوه طراحی این سیستم بادبندی دارند.و اکثرا” به این سیستم به چشم یک بادبند پرده ای و در جهت تطبیق با نقشه معماری (به طور مثال در محل در و پنجره )نگاه می‌شود ؛ به همین جهت به نظر می رسد لازم باشد که در این زمینه بحث بیشتری انجام گیرد.
در طرح و محاسبه شکلهای مشبک و خرپاها تاکید بر این نکته هست که تلاشهای به وجود آمده همه به صورت نیروهای محوری باشند و امتداد محور اعضای جمع شده در یک گره تا حد امکان در یک نقطه تلاقی نماید تا از به وجود آمدن لنگرهای خمشی جلوگیری شود. تحقیقات سالهای اخیر در طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله نشان داده که با طرح مهاربندی خارج از مرکز، در سازه های فولادی می توان مزایایی در تامین شکلپذیری سازه و اطمینان بر رفتار آن در زلزله به دست آورد. چنانچه در شکل (1) دیده می شود مهاربندی خارج از محور به این ترتیب به عمل می آید که طراح به میل خود مقداری خروج از مرکز (e) را در مهاربندیهای نوع 7 و8 (و یا انوا ع دیگر) تعبیه می کند ، به طوری که لنگر خمشی و نیروی برشی در طول کوتاهی از تیر (یعنیe) که به نام تیرچه ارتباطی (Linkbeam) نامیده می شود به وجود آید. تیرچه ارتباطی ممکن است در اثر لنگر خمشی به جاری شدن برسد؛ در این صورت ارتباط را خمشی(Momentlink) میگویند ویا اینکه اگر طول (e) خیلی کوتاه باشد جاری شدن در برش اتفاق افتد که در این صورت ارتباط را برشی(Shear link) می نامند. به این ترتیب می توان با کنترل شکلپذیریی تیرچه ارتباطی، شکلپذیری قابل اطمینانی برای کل سازه ، درزلزله به دست آورد. مطابق آیین نامه 2800 ضریب شکلپذیری برای این سیستم سازه ای R=7 میباشد، که در مقایسه با سیستم هم محور R=6)) حدود 15 درصد شکلپذیرتر میباشد ، که همین مساله باعث کاهش برش پایه زلزله به همین میزان می شود.
ترکیب این سیستم با سیستم های سازه ای دیگر:
الف: ترکیب در پلان:در بسیاری از موارد دیده شده است که طراحان در یک طبقه در یک یا چند دهانه از سیستم خارج از محور و در یک یا چند دهانه دیگر به موازات بادبندهای نوع اول از بادبندهای هم محور استفاده نموده اند. در اینجا باید به این نکته توجه داشت که از آنجایی که نوع رفتار این سیستم با سیستم هم محور متفاوت می باشد، اساساً استفاده از این سیستم در ترکیب با سیستم هم محور در یک جهت و یک پلان کاملاً مردود میباشد و باعث ایجاد رفتارهای غیر متعارف در سازه در هنگام زلزله میشود؛ به همین جهت به طراحان توصیه میشود که اگر تمایل به استفاده از این نوع سیستم بادبندی دارند ، در پلان، تمامی دهانه های بادبندی را به صورت خارج از محور طراحی نمایند . البته این مساله مانع استفاده از ترکیب این سیستم با سیستم قاب خمشی به صورت سیستم دوگانه و ضریب رفتار R=7.5 و یا استفاده از یک سیستم مقاوم متفاوت در جهت متعامد با جهتی که از سیستم برون محور استفاده شده است ، نمی باشد.
ب: ترکیب در ارتفاع:در این زمینه نیز در موارد بسیاری دیده شده است که طراحان در یک دهانه بادبندی خاص در برخی طبقات (عموماً بنا به ملاحظات معماری) از سیستم خارج از محور استفاده کرده و باقی طبقات را به صورت بادبند هم محور طراحی نموده اند. در اینجا نیز باید به این نکته توجه داشت که آیین نامه2 ترکیب این سیستم با سیستمهای دیگر را در ارتفاع، به طور کامل ممنوع کرده است ، مگر در موارد زیر:
1- برای بادبندهای برون محور بالاتر از 5 طبقه میتوان بادبند طبقه آخر را به صورت هم محور و بدون تیرچه ارتباطی طراحی نمود.
2- طبقه اول یک بادبند برون محور بیش از 5 طبقه می تواند هم محور باشد به شرط آنکه بتوان نشان داد که ظرفیت الاستسک آن 50 درصد بزرگتر از ظرفیت تسلیم طبقه بالاتر از طبقه اول باشد.
طراحی تیر در دهانه بادبندی: در سیستم بادبندی هم محور طراحی تیرها در دهانه های بادبتدی همانند دیگر تیرهای معمولی وتحت بارهای ثقلی انجام میپذیرد و در ترکیب بار زلزله نیروی قابل توجهی در این تیرها ایجاد نمیشود ؛ اما درسیستم برون محور علاوه بر برش و لنگرهای بارهای ثقلی ، در ترکیب بار زلزله ودر اثرنیروهای محوری ایجاد شده در بادبندها یک سری لنگر و برش اضافی در این تیرها ایجادمی شود و باعث بحرانی شدن ترکیب بار زلزله برای طراحی این تیرها می شود . معمولاًمحل بحرانی در این تیرها محل اتصال بادبند به تیر می باشد و در این محل عموماًاحتیاج به ورق تقویتی بال بالا وپایین می باشد.
طراحی تیرچه ارتباطی :یکی ازمهمترین و حساسترین مسایل در سیستم برون محور ، طراحی تیرچه ارتباطی می باشد ؛مساله ای که اکثر طراحان به راحتی از کنار آن میگذرند. برخی از مسایلی که در طراحیتیرچه ارتباطی باید به آن توجه نمود ، به شرح زیر می باشد:
1- مطابق آیین نامه(( تیرچه ارتباطی باید تمامی شرایط مقطع فشرده را دارا باشد.)) به این ترتیب در صورتعدم استفاده از مقاطع نورد شده و استفاده از مقاطع ساخته شده (تیرورق) بایدمحدودیتهای مقطع فشرده در آن رعایت شود و مخصوصاً اتصال بال و جان تیرورق (حداقل درقسمت تیرچه ارتباطی) باید با جوش پیوسته (ونه جوش منقطع) انجام گیرد. ضمن آنکه بایدتوجه داشت که جوش اتصال بال به جان باید در برابر تنشهای برشی موجود کفایت لارم راداشته باشند.(این مساله در تیرچه های ارتباطی کوتاه که معمولاً به صورت برشی عملنموده و داراری برشهای زیادی هستند بسیار حساستر میباشد
3- مطابق آیین ئامه ((جان قطعه رابط باید از یک ورق تک بدون هرگونه ورق مضاعف کننده تشکیل یابد وهیچگونه بازشویی نباید در جان قطعه رابط تعبیه شود.)) به این ترتیب همانطور که مشخصاست استفاده از مقاطع دوبل (به علت وجود بیش از یک جان ) و مقاطع زنبوری (به علتوجود سوراخ در جان ) برای قطعه رابط از نظر آیین نامه یک امر کاملاً مردود می باشد؛امری که متاسفانه بسیار معمول می باشد. گاهی دیده شده است که برخی طراحان برای قطعهرابط از مقطع زنبوری استفاده نموده و تمامی سوراخها را در قسمت تیرچه ارتباطی بهوسیله ورق تقویتی جان می پوشانند، که این مساله نیز به این دلیل که ورق تقویتی جانبه نوعی یک ورق مضاعف کننده می باشد، از نظر آیین نامه مردود میباشد. پیشنهاد میشودکه در صورت عدم جوابگویی مقاطع نورد شده تک برای این تیرها، طراحان از مقطع I شکل وبه صورت تیرورق و با جوش پیوسته جان وبال در قسمت قطعه رابط استفاده نمایند و بههیچ وجه از مقاطع دوبل وزنبوری استفاده ننمایند.
4- مطابق آیین نامه ((در انتهایقطعه رابط که عضو قطری به آن متصل است، باید سخت کننده جان در تمام ارتفاع ، در دوطرف قرار داده شود.)) یکی از شایعترین ایرادات در طراحی قطعه رابط همین مسالهمیباشد ، که طراحان باید به این مساله توجه بیشتری نمایند. این مساله به غیر از سختکننده های میانی قطعه رابط میباشد که لزوم قرارگیری یا عدم قرارگیری آنها باید توسططراحان مورد بررسی قرار گیرد.
طراحی عضو قطری (بادبند):طراحی عضو قطری در اینسیستم مشابه سیستم هم محور میباشد با این تفاوت که طبق آیین نامه ((هر بادبند بایددارای مقاومت فشاری 1.5 برابر نیروی محوری نظیر مقاومت خمشی قطعه رابط باشد.)) باتوجه به اینکه در حالت طراحی معمولی مقاومت فشاری بادبند و مقاومت خمشی قطعه رابطبه همدیگر نزدیک میباشند ، رعایت این بند باعث بالا رفتن سطح مقطع بادبند تا حدود 50 درصد نسبت به طراحی حالت معمولی در این سیستم میشود؛ ضمن آنکه باید توجه داشت کهدر این سیستم به دلیل آنکه معمولاً زاویه بادبندها با افق نسبت به سیستم هم محوربیشتر می باشد ، نسبت به سیستم هم محور نیروی محوری بیشتری در بادبندها ایجاد میشود.
نتیجه گیری:استفاده صحیح از این سیستم بادبندی باعث شکلپذیری بیشتر سازه وکاهش برش پایه زلزله میشود ؛ اما در طراحی این بادبندها باید دقت کافی در جهت رعایتکلیه نکات آیین‌نامه ای چه از طرف طراحان و چه از طرف دستگاههای نظارتی انجا مپذیرد. طراحی صحیح این بادبندها منجر به بادبندها و تیرهایی سنگینتر از حالت بادبندهم محور می شود ؛ به همین جهت پیشنهاد می شود که طراحان حتی الامکان از این سیستمبه عنوان اولین گزینه استفاده ننماین
بادبند های همگرا (CBF) و باد بند های واگرا (EBF)
بادبند‌های فولادی از جمله سیستم هایی هستند که در برابر نیروهای جانبی مقاومت می کنند با بادبندگذاری در تعدادی از قاب‌های ساختمان درهرامتداد و با کمک عملکرد دیافراگم صلب کف سازه می‌توان آن راستا را مهار شده در نظر گرفت . بادبند‌گذاری به دو نوع همگرا و واگرا تقسیم می شود . در مهاربندی همگرا امتداد اعضا شامل تیر، ستون و مهاربند همگرا از یک نقطه عبور می کنند.
از مزایا و معایب بادبندهای همگرا می توان به موارد زیر اشاره کرد :
مزایا:
_ سختی بالا برای سازه
_ کنترل تغییر مکان جانبی سازه تا حد زیاد

معایب:
_ایجاد محدودیت از نظر معماری برای ایجاد بازشو
_با توجه به سختی زیاد این مهاربندها شکل‌پذیری آنها کم می‌شود و در نتیجه قابلیت جذب و دفع نیروی زلزله در آنها کاهش پیدا می‌کند و ارتعاش در سازه بالا می‌رود.

مهاربندهای واگرا را در انواع زیر می توان به کار برد :
بادبندهای واگرا باید حداقل در یک انتهای باد بند به تیر متصل باشند و حداقل یک انتهای بادبند به گره تقاطع تیر و ستون متصل نباشد.
دراین مهاربندها شکل پذیری نسبت به بادبندهای همگرا افزایش پیدا می‌کند و عمل دفع انرژی ناشی از نیروی زلزله بهتر انجام می‌شود .
شکل‌پذیری در این مهاربند‌ی‌ها توسط جاری‌شدن تیر بین 2 سر مهاربند و یا تیر بین مهاربند و ستون شکل می‌گیرد ، که این قسمت از تیر، تیر واسط نام دارد
زمانی که طول تیر واسط زیاد باشد جاری شدن آن توسط لنگر خمشی شکل می‌گیرد و زمانی که طول تیر واسط کم باشد جاری شدن آن توسط نیروهای برشی اتفاق می‌افتد . وقتی که تیر واسط توسط نیروهای وارده از طرف مهاربند وارد رفتار غیر خطی شد آن‌گاه شاهد تغییر شکل‌های زیاد از این تیر هستیم که همین شکل پذیری غیرارتجاعی عامل دفع نیروهای زلزله خواهد شد . البته باید این تیر را در حدی تقویت کنیم که تیر اجازه تغییر شکل را داشته باشد ولی از مکانیسم شدن آن جلوگیری به عمل آید.
برای کنترل شکل‌پذیری تیر واسط بایستی موارد زیر زا عمل کنیم :
_در ابتدا و انتهای طول تیر واسط استفاده از سخت کننده الزامی است . (در تیر واسط سخت کننده‌ها تا پایان تیر ادامه پیدا می‌کنند.)
_زمانی که طول تیر واسط از یک متر کمتر باشد علاوه بر سخت کننده‌های ابتدایی و انتهایی از یک جفت سخت کننده در وسط تیر واسط استفاده می گردد.
_توصیه میشود طول تیر واسط از 0.2 طول کل دهانه بیشتر نشود.
_زاویه بین عضو مهاربند و تیر واسط بین 30 الی 60 محدود شود.
_از بکار بردن تیرهای لانه زنبوری در تیرهای واسط جلوگیری شود.
_سعی گردد از مقاطع دوبل برای تیرهای واسط استفاده نگردد چرا که نیروی وارده از مهاربند مقدار زیادی دارد و بال تیر آهن‌ها قدرت انتقال این نیرو را ندارد.
مقایسه دو بادبند 7 و 8 (هم‌محور و بدون‌محور(:
از دیدگاه معماری استفاده از بادبندهای 7 نسبت به بادبندهای 8 امکان ایجاد باز شوهای بزرگتری را برای تعبیه پنجره‌ها فراهم می‌کند . اما از دیدکاه سازه‌ای در بادبندهای 7 نسبت به بادبندهای 8 تغیر مکان‌های قاب افزایش پیدا می‌کند و مسیر انتقال نیرو بیشتر می شود . در بادبندگذاری 8 در اولین طبقه مشکل بازشو (در) را نخواهیم داشت ولی در بادبندگذاری 7 در اولین طبقه اولاً فضای بازشو محدود می‌گردد . ثانیاًبرای اتصال بادبندها به فونداسیون باید از ورق فولادی استفاده کرد

منبع: www.elmofan.ir