اتصالات بادبندها به تیر و ستون‌ها

مقدمه

به‌عنوان یک مهندس عمران، چه‌قدر در مورد مهاربندها اطلاع دارید؟! مهاربندها در سازه‌های با قاب ساده یا سیستم‌های دوگانه از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند، به‌طوری‌که تمام یا قسمت عمده نیروهای جانبی باد و زلزله توسط این اعضا تحمل می‌شود. به همین دلیل در صورت عدم طراحی مناسب یا اجرای غیراصولی بادبند خسارات جانی و مالی بسیاری پدید می‌آورد. پس تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید؛ زیرا در این مقاله به شرح تمام نکات حرفه‌ای  بادبند پرداخته‌ایم تا ایده خوبی نسبت به اجرای صحیح بادبند پیدا کنید.

1. بادبند یا مهاربند چیست؟

اصولاً سختی محوری اعضای سازه در مقابل سختی خمشی آن‌ها قابل‌توجه است و چون انتقال نیروهای جانبی در سیستم قاب مهاربندی از طریق افزایش یا کاهش طول مهاربندها انجام می‌شود، سختی قابل‌ملاحظه‌ای در مقابل بارهای جانبی مانند (باد و زلزله) ایجاد می‌شود.

قاب مهاربندی شده به دو صورت همگرا (CBF) و واگرا (EBF) به کار می‌رود. هر کدام از این قاب‌ها خود به دو نوع ویژه و معمولی تقسیم می‌شوند.

در مهاربند همگرا اتلاف انرژی توسط مهاربندها و در مهاربند واگرا اتلاف انرژی توسط رفتار شکل‌پذیر تیر پیوند انجام می‌گیرد.

مهاربند همگرا معمولی با طراحی و اجرا نسبتاً ساده، برای ساختمان‌های کوچک و سازه‌های غیرساختمانی مناسب است، درحالی‌که مهاربند همگرا ویژه عموماً برای ساختمان‌های بزرگ و ساختمان‌های باهدف عملکرد لرزه‌ای بالاتر مورداستفاده قرار می‌گیرد.

در مهاربند واگرا نیروهای جانبی، به‌صورت ترکیبی از کنش خمشی–برشی تیرها و ستون‌های دهانه مهاربندی شده به‌علاوه عملکرد کششی – فشاری مهاربندی‌ها تحمل می‌شوند.

این قاب در واقع ترکیبی مناسب از قاب‌ خمشی و قاب مهاربندی شده همگرا بوده که هر دو خاصیت سختی و شکل‌پذیری را با هم دارد.

2. نحوه اتصال بادبند به ستون و تیر

این اتصال معمولاً توسط یک صفحه کمکی (صفحه اتصال یا گاست پلیت) انجام می‌گیرد و محل اتصال به‌صورت ساده (مفصلی) در نظر گرفته می‌شود.

صفحات اتصال مهاربندها باید کاملاً در آکس تیر و ستون نصب شوند، زیرا میزان کمی دو آکسه شدن باتوجه‌به نیروی بسیار زیاد در مهاربندها، باعث به‌وجودآمدن پیچش در ستون‌ها می‌شود.

همچنین گاست پلیت مهاربندها باید هم‌راستا با تیر و ستون نصب شوند، زیرا پیچش صفحات اتصال باعث می‌شود امکان جوشکاری مناسب به تیر میسر نباشد.

شکل زیر نمونه‌ای از اتصال بادبند به تیر و ستون را نشان می‌دهد.

نیروی طراحی اتصال مهاربندها باید کمترین مقدار دو عبارت زیر باشد:

• نیروی کششی حداکثر مجاز مهاربند که برابر RyFyAg / F.S است. F.  ضریب اطمینان است. RyFyAg حداکثر نیروی مورد انتظار است.
• حداکثر نیروی مجازی که از طرف سیستم سازه به مهاربند منتقل می‌شود.

نیروی طراحی اتصال مهاربند به تیر و ستون به‌منظور طراحی‌های زیر به کار برده می‌شوند:

• اتصال‌دهنده‌های مهاربند به ورق اتصال مهاربند
• ابعاد و ضخامت ورق اتصال مهاربند
• اتصال‌دهنده‌های ورق اتصال مهاربند به تیر و ستون
• اتصال تیر به ستون در تیرهایی که مهاربند به آن‌ها متصل است و نیروی مهاربند را به ستون منتقل می‌کند.
• اتصال مهاربند به صفحه زیر ستون
• کلیه اتصالات در مسیر انتقال نیروهای مهاربندها

1.2. جزئیات نحوه اتصال بادبند به ستون و تیر طبق مبحث دهم

طبق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان رعایت موارد زیر که در مورد اتصالات بادبند به تیر و ستون است، الزامی است:

• اتصالات در قاب مهاربندی شده واگرا می‌توانند به شکل گیردار یا مفصلی طراحی و اجرا شوند.
• در مهاربند واگرا، در مواقعی که مهاربندی برای تحمل بخشی از لنگر انتهایی تیر پیوند طراحی‌ می‌شود، اتصال مهاربند به تیر پیوند باید از نوع گیردار کامل یا صلب باشد.
• مقاومت‌های موردنیاز اتصالات مهاربندها شامل اتصال تیر به ستون اگر بخشی از سیستم مهاربندی باشد، باید بر اساس بزرگ‌ترین نیروهای حاصل از ترکیبات بار متعارف و نیروهای حاصل از الزامات زیر تعیین شود:

1. مقاومت کششی موردنیاز اتصالات بادبند به تیر و ستون باید حداقل برابر R_yF_yA_g باشد.
2. مقاومت فشاری موردنیاز باید حداقل 1.1 برابر R_yF_yA_g باشد.
3. سازگاری اتصال‌ها با کمانش مهاربندی‌ها

3. هدف از اجرای بادبند در ساختمان اسکلت فلزی چیست؟

در اثر نیروی ایجاد شده توسط زلزله در ساختمان تغییر مکان‌های جانبی رخ می‌دهد.

همان‌طور که اشاره شد مهاربندها به‌وسیله کاهش یا افزایش طول خود در برابر این نیروها، سختی زیادی به وجود می‌آورند که باعث کاهش تغییر مکان جانبی ساختمان می‌شود.

همچنین نیروهای جانبی وارده بر ساختمان از طریق بادبند‌ها به ستون و از ستون به فونداسیون منتقل می‌شوند. به‌عبارت‌دیگر در صورت وجود بادبندها، مسیر انتقال نیرو به فونداسیون به‌درستی انجام می‌گیرد.

در ادامه به بررسی جزئیات موارد گفته شده و لزوم اجرای بادبند در ساختمان می‌پردازیم.

4. نحوه اجرای بادبند در اسکلت فلزی

سرعت اجرای بالا، سهولت نصب و قیمت پایین‌تر نسبت به قاب‌های خمشی از محاسن سیستم قاب مهاربندی شده به‌حساب می‌آید.

به دلیل سهولت نسبی و کاهش هزینه‌ها، در موارد زیادی اجرای این سیستم توسط افراد غیرمتخصص انجام شده و مشاهدات حاکی از عدم رعایت نکات فنی از طرف مجریان و نیز ناظرین محترم در کنترل ضوابط فنی است.

جهت نصب مهاربندها ابتدا صفحات اتصال در آکس تیر و ستون‌ها قرار گرفته و با جوش گوشه به آن‌ها متصل می‌شود.

گفتیم صفحات اتصال مهاربندها باید کاملاً در آکس تیر و ستون نصب شوند، زیرا میزان جزئی دو آکسه شدن باتوجه‌به نیروی بسیار زیاد مهاربندها موجب پیچش در ستون‌ها می‌شود.

همچنین صفحات اتصال مهاربندها باید کاملاً هم راستا با تیر و ستون نصب شوند، زیرا پیچش صفحات اتصال موجب می‌شود امکان جوشکاری مناسب به تیر میسر نباشد.

بعدازاین مرحله، اعضای مهاربندها عمدتاً از پروفیل‌های دوبل نبشی و ناودانی در طول‌های مناسب برش خورده و با خال‌جوش در جای خود تثبیت می‌شوند.

لازم به ذکر است که استفاده از پروفیل‌های مستعمل و زنگ‌زده حاصل از تخریب ساختمان و وصله‌کردن آن‌ها جهت استفاده در مهاربندها، یکی از اشتباهات رایج مخصوصاً در کارگاه‌های کوچک است که باید از آن جلوگیری شود.

در انتها پس از تکمیل مونتاژ مهاربندها و کنترل صحت نصب، جوش‌های تکمیلی انجام می‌شود. همچنین امکان نصب اتصالات بر روی ستون‌ها در کارخانه و استفاده از پیج در کارگاه جهت افزایش سرعت و کیفیت میسر است.

5. نکات اجرایی بادبند 

• قوی‌تر کردن عضو اصلی مهاربند (افزایش سایز مقطع) بدون هماهنگی با طراح، لحاظ تغییر در بازتوزیع نیروها و افزایش تنش در سایر اعضا موجب بروز صدمات غیرقابل‌جبران به سازه خواهد بود.

زیرا نیروی وارده از طرف مهاربند ممکن است موجب تخریب ستون‌ها و ایجاد مفاصل پلاستیک در آن‌ها شود.

• امتداد تیر، ستون و مهاربند در مهاربندهای همگرا باید در یک نقطه داخل ستون همگرا شوند.
• جهت حصول رفتار شکل‌پذیر، ترجیحاً اعضای مهاربند قبل از خط آزاد خمش ورق‌های اتصال قطع شوند. این امر در مورد مهاربندهای ویژه الزامی است.
• در مهاربند شورون باید امتداد اعضا در طبقات مختلف کاملاً در یک خط قرار گیرد.
• وصله ورق‌های اتصال مهاربند مجاز نیست و در صورت بروز اشتباهات اجرایی باید کلاً تعویض شوند.
• حتی‌المقدور از وصله عضو اصلی مهاربند اجتناب شود. در صورت ضرورت وصله اعضای قطری، محل وصله باید از نواحی 0.25 طول عضو در وسط و نیز قسمت‌های نزدیک به صفحات اتصال کناری در نظر گرفته شود.

وصله اعضا در مهاربندهای ویژه به‌طورکلی ممنوع است.

• در موارد مجاز به استفاده از وصله، ترجیحاً وصله مقاطع دوبل در نواحی متفاوت انجام گیرد و از وصله هم‌زمان مقاطع دوبل در یک نقطه اجتناب شود.
• در نصب ورق‌های اتصال مهاربند به فونداسیون باید قبل از بتن‌ریزی تمهیدات لازم در نظر گرفته شده و ابعاد صفحه‌ستون‌ها متناسب با طول ورق اتصال باشد.
• لقمه‌های اتصال بین دو عضو ناودانی به تعداد کافی و در فواصل منظم نصب شوند.

6. نکات نصب بادبند ضربدری

• در مهاربند ضربدری سعی شود تا در هر زوج نیمرخ، یک پروفیل به‌صورت سراسری امتداد یابد. در این صورت باید گاست میانی (ورق اتصال) جهت تأمین طول جوش مناسب، بزرگ‌تر انتخاب شود.
• توصیه می‌شود در قسمت مرکزی مهاربندهای ضربدری، جهت عملکرد شکل‌پذیر مهاربند و پیشگیری از کمانش موضعی زودهنگام گاست میانی از ورق تقویت استفاده شود.

نکته مهم در این قسمت آن است که این ورق تنها به دو سر عضو برش خورده جوش شده و نباید به یال دیگر مهاربند متصل شود (قسمت وسط ورق تقویت جوش نمی‌شود).

• در مهاربند ضربدری از اتصال عضو برش خورده به یال دیگر مهاربند اجتناب شود. به‌عبارت‌دیگر، اعضای متقاطع نباید به هم متصل باشند.

لازم به ذکر است که افزایش زیاد این فاصله نیر موجب احتمال کمانش ورق میانی در زلزله‌های شدید خواهد بود

• ورق‌های اتصال میانی در مهاربند ضربدری باید به‌صورت منظم و متقارن نسبت به اعضای متقاطع قرار گیرند.

7. نکات نحوه اجرای بادبند واگرا

• اندازه طول تیر پیوند در بادبند واگرا دقیقاً مطابق نقشه‌های سازه‌ای باشد.
• مهاربندهایی که به وسط تیر بالایی یا پایینی وصل می‌شوند، همانند مهاربند شورون و مهاربند واگرا، نیروی برشی به تیر وارد می‌شود که برای جلوگیری از رسیدن تیر به مرحله گسیختگی برشی، باید سخت‌کننده‌های جان تیر مطابق با نقشه‌های سازه‌ای اجرا شوند.
• در تیر پیوند ساخته شده از ورق، اتصال جان به بال تیر باید از نوع جوش گوشه دوطرفه یا جوش شیاری بانفوذ کامل باشد.
• در دو انتهای تیر پیوند در بال‌های فوقانی و تحتانی باید مهارهای جانبی تعبیه شود.
• ابعاد اعضای اصلی و اتصالات مهاربندها کاملاً مطابق با نقشه‌های سازه انجام شده و از تغییر در آن‌ها شامل افزایش یا کاهش سایز اعضای اصلی، تغییر در ابعاد اتصالات یا تغییر در چیدمان سخت‌کننده‌ها اجتناب شود.

8. نحوه اتصال بادبند یا قاب مهاربندی شده

اتصالات تیرها و ستون‌ها در قاب‌های مهاربندی می‌توانند به‌صورت مفصلی (بدون قابلیت انتقال لنگر خمشی) یا به شکل صلب (با قابلیت انتقال لنگر خمشی) طراحی و اجرا شوند.

اتصال معمولاً توسط یک صفحه اتصال یا گاست پلیت انجام می‌گیرد و محل اتصال بادبند به تیر و ستون به‌صورت ساده (مفصلی) در نظر گرفته می‌شود.

گاست پلیت مهاربندها باید کاملاً در آکس تیر و ستون نصب شوند، در غیر این صورت باتوجه‌به نیروی بسیار زیادی که در مهاربندها وجود دارد، حتی میزان کمی دو آکسه شدن باعث پیچش در ستون‌ها می‌شود.

همچنین گاست پلیت جهت امکان جوشکاری مناسب به تیر، باید هم‌راستا با تیر و ستون نصب شود، زیرا در غیر این صورت در صفحات اتصال پیچش رخ می‌دهد.

9. نکات مهمی که در مورد بادبند باید بدانیم!

1.9. تغییر مکان جانبی نسبی طبقات

نیروهای ایجاد شده در سازه در اثر وقوع زلزله، تغییر مکان‌های جانبی قابل‌توجهی را در طبقات ساختمان پدید می‌آورند.

وجود تغییر مکان‌های جانبی باعث خواهد شد که به اعضای غیر باربر نظیر دیوارهای جداکننده داخلی، خارجی و پنجره‌ها آسیب جدی رسانده شود.

به همین دلیل لازم است این اعضا به طور مناسبی از طریق تعبیه تکیه‌گاه‌های انعطاف‌پذیر یا با ایجاد فواصل مناسب نسبت به عناصر اصلی و باربر سازه، محافظت شوند.

مشکل اساسی دیگری که وجود تغییر مکان‌های جانبی در هنگام وقوع زلزله پدید می‌آورد، اعمال نیروهای ضربه‌ای به اعضا و ساختمان‌های مجاور است که خود موجب افزایش و تشدید خرابی خواهد شد.

در شکل زیر دو سازه مجاور یکدیگر که ارتفاع طبقات غیریکسانی دارند، نشان داده شده است.

چنانچه هر یک از سازه‌ها تحت اثر زلزله با شدت زیاد واقع شوند، جابه‌جایی طبقات در هر یک از سازه‌ها، نیروهای جانبی قابل‌توجهی به ستون‌های ساختمان مجاور اعمال می‌کند که این امر احتمال ویرانی هر کدام از سازه‌ها را شدت می‌بخشد.

سازه‌های نشان داده در شکل بالا مشخصه‌های دینامیکی متفاوت و در نتیجه پریودهای مختلف دارند.

وجود بادبندها باعث کاهش تغییر مکان‌های جانبی شده و از بروز خسارت به ساختمان و سازه‌های مجاور جلوگیری می‌کند.

2.9. مسیر بار

سازه‌های مقاوم در برابر زلزله عمدتاً از اعضای افقی و قائم برای انتقال نیروهای ثقلی و جانبی تشکیل شده‌اند.

اعضای قائم نقش مؤثرتری در تحمل و انتقال نیروهای جانبی (نظیر زلزله) به پی و نهایتاً به زمین را ایفا می کنند، سازه‌های قائم مقاوم باربر جانبی به‌صورت سیستم‌های متعددی مانند قاب خمشی، سیستم قاب مهاربندی شده و دیوارهای برشی هستند.

اعضای افقی نظیر دیافراگم‌های کف و دال‌ها و تیرها علاوه بر تحمل بارهای ثقلی نقش مهمی را در انتقال نیروهای جانبی به اعضای قائم مقاوم دارند.

در محل‌هایی از دیافراگم که بازشوهای بزرگ موجب قطع جریان انتقال نیرو می‌شود، استفاده از مهاربندی‌های افقی برای انتقال نیروهای زلزله توصیه می‌شود.

نیروهای زلزله که متناسب با جرم اعضای سازه در محل مرکز جرم دیافراگم به وجود می‌آیند، باید به نحو مناسبی از طریق دیافراگم کف به عناصر قائم مقاوم و نهایتاً به پی منتقل شوند.

نیروهای زلزله در سازه، بیشتر در اعضای با جرم زیاد مانند دیافراگم‌ها ایجاد می‌شوند و با تغییر شکل دیافراگم و از طریق جمع‌کننده‌ها به اعضای قائم مانند دیوارهای برشی، بادبندها و قاب‌های خمشی منتقل و توزیع می‌شوند.

همان‌طور که اشاره شد این نیروها از طریق سیستم‌های مهار جانبی به ستون و از ستون به پی منتقل شده و باعث کاهش خسارات وارده بر ساختمان در اثر زلزله می‌شوند.

3.9. نتیجه حذف بادبند در ساختمان 

اگر در مسیر بار ناپیوستگی وجود داشته باشد، سازه علی‌رغم مقاومت کافی در دیگر اعضای خود، قادر به تحمل نیروی زلزله نیست.

بنابراین، نیاز به اعضای پیوسته واسطه برای تکمیل مسیر انتقال نیرو به‌منظور عملکرد مناسب سازه در برابر زلزله ضروری است.

در صورت حذف بادبند در مسیر بار ناپیوستگی در انتقال نیرو رخ می‌دهد.

4.9. مقاطع مناسب برای بادبند یا قاب مهاربندی شده

مهارهای جانبی از نیمرخ نبشی  و ناودانی ساخته می‌شوند. در شکل زیر نحوه اتصال بادبند با استفاده از دوبل ناودانی را مشاهده می‌کنید.

5.9. فاصله 2t در بادبند

طبق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، یکی از مواردی که در تعیین مقاومت موردنیاز اتصالات مهاربندی‌ها باید در نظر گرفته شود، سازگاری اتصال با کمانش مهاربندی‌ها است.

به‌منظور سازگاری اتصال با کمانش مهاربندی‌ها، اتصالات مهاربندی‌ها باید یکی از الزامات زیر را برآورد کند:

• اتصال اعضای مهاربندی باید مقاومت خمشی موردنیاز حداقل برابر 1.1RyMp را داشته باشد. Mp لنگر خمشی پلاستیک مقطع عضو مهاربندی حول محور کمانش بحرانی مقطع است.
• مهیاکردن شرایط کمانش بحرانی مهاربندی در خارج از صفحه قاب و قطع مهاربندی به‌اندازه دوبرابر ضخامت صفحه اتصال (2t) قبل از خط تکیه‌گاهی ورق اتصال (خط آزاد خمش) سبب سازگاری با دوران غیرالاستیک حاصل از تغییر شکل‌های پس از کمانش در خارج از صفحه مهاربندی می‌شود.

6.9. محل قرارگیری بادبند

شاید برای شما این سؤال پیش‌آمده باشد که «بادبند در کجا قرار دارد؟». در انتهای این مقاله به نکات محل قرارگیری بادبند می‌پردازیم.

• یکی از نکات مهمی که در مورد محل قرارگیری بادبند باید به آن توجه کنیم این است که بادبندها حتماً به‌صورت متقارن در دو طرف ساختمان قرار بگیرند.

اگر بادبندها متقارن نباشند، مرکز سختی و مرکز جرم سازه روی‌هم نمی‌افتد و هنگام زلزله در سقف پیچش رخ می‌دهد.

•  بادبندها هرچقدر دورتر از مرکز پلان باشند، کارکرد بهتری دارند. چون هر چه‌قدر فاصله نیروهای مقاوم از مرکز سختی بیشتر شود، لنگر پیچشی بزرگ‌تری تحمل می‌گردد.
• دهانه‌هایی که در مجاورت دیوار همسایه قرار دارند، به دلیل اینکه از نظر معماری بازشو ندارند، محل مناسبی برای بادبندها هستند.

• تعداد دهانه‌های لازم با میزان نیروی وارده ناشی از زلزله بر ساختمان ارتباط مستقیم دارد. هر چقدر نیروی زلزله بیشتر باشد، تعداد دهانه‌ها بیشتر می‌شود.

همچنین طول دهانه‌ها نیز در تعداد دهانه‌های لازم مؤثر است.

• در هنگام انتخاب دهانه مناسب قرارگیری بادبند، به محل بازشوها و نقشه‌های معماری توجه شود. بهترین محل قرارگیری بادبند در دهانه‌های مجاور ساختمان است.
• به دلایل زیر بهتر است ستون‌های متصل به بادبند، ستون‎‌های باکس راه‌پله نباشد:

1. احتمال آسیب در دهانه‌هایی که مهاربند قرار داده می‌شود، زیاد است درحالی‌که راه‌پله باید امن‌ترین بخش ساختمان هنگام زلزله جهت خروج باشد.
2. مهاربند مانند فیوز عمل می‌کند و اولین بخش آسیب‌دیده در زلزله خواهد بود.

• دهانه‌هایی که به‌صورت متعامد قرار دارند (دو قاب مهاربندی به یک ستون متصل می‌شوند) دهانه‌های مناسبی برای قرارگیری مهاربند نیستند؛ زیرا باعث به‌وجودآمدن نیروی کششی و فشار زیادی به ستون می‌شود.

جمع‌بندی ونتیجه‌گیری