مقایسه قاب خمشی و سیستم مهاربندی به زبان ساده

مقدمه

یکی از مهم‌ترین جنبه‌های مهندسی سازه، طراحی سیستم‌هایی است که بتوانند در برابر نیروهای جانبی مقاومت کنند. نیروهایی مانند باد و زلزله از جمله عوامل طبیعی‌ای هستند که می‌توانند به طور جدی پایداری سازه‌ها را به خطر بیندازند. ازاین‌رو، انتخاب یک سیستم باربر جانبی مناسب نه تنها بر ایمنی سازه تأثیر می‌گذارد، بلکه می‌تواند بر هزینه‌های اجرایی و طول عمر سازه نیز اثرگذار باشد. دو سیستم پرکاربرد در این زمینه، سیستم قاب مهاربندی‌شده و سیستم قاب خمشی هستند که هر یک ویژگی‌های منحصر به فردی دارند.

سیستم قاب مهاربندی‌شده از اجزای مهاربندی شده‌ای تشکیل شده است که به کمک اتصالات خاص، نیروهای جانبی را جذب و منتقل می‌کنند. این سیستم به دلیل سختی بالا و توانایی در کاهش تغییر مکان جانبی سازه‌ها، به‌ویژه در ساختمان‌های بلند، بسیار محبوب است. از سوی دیگر، سیستم قاب خمشی که بر مبنای انعطاف‌پذیری اتصالات تیرها و ستون‌ها طراحی شده، به سازه این امکان را می‌دهد تا بدون استفاده از مهاربند، نیروهای جانبی را جذب و توزیع کند. این سیستم بیشتر در سازه‌هایی که نیاز به فضاهای باز و بدون مانع دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای انتخاب بهترین سیستم باربر جانبی، مهندسان معمولاً چندین فاکتور مهم را بررسی می‌کنند. یکی از این فاکتورها، ضریب رفتار سازه است که نشان‌دهنده توانایی سیستم در جذب انرژی ناشی از نیروهای جانبی است. سیستم قاب مهاربندی‌شده به دلیل سختی بالا، در برابر نیروهای جانبی مقاومت خوبی دارد؛ اما ممکن است در برابر نیروهای بسیار شدید، عملکردی کمتر انعطاف‌پذیر داشته باشد. در مقابل، قاب خمشی با شکل‌پذیری بیشتر، در برابر نیروهای ناگهانی عملکرد بهتری نشان می‌دهد، هرچند که سختی کمتری نسبت به مهاربندها دارد.

علاوه بر ضریب رفتار، کارایی اقتصادی یکی دیگر از معیارهای کلیدی در انتخاب سیستم مناسب است. سیستم قاب مهاربندی‌شده معمولاً هزینه اجرای کمتری دارد، زیرا نیاز به مصالح کمتر و اجرای ساده‌تری دارد. اما در پروژه‌هایی که زیبایی و آزادی طراحی داخلی اهمیت دارد، قاب خمشی می‌تواند گزینه بهتری باشد، هرچند که هزینه اجرای آن بالاتر است.

در نهایت، یکی از عوامل مهم دیگر مطابقت با استانداردها و آیین‌نامه‌ها است. هر پروژه مهندسی باید مطابق با الزامات آیین‌نامه‌ای کشور مربوطه اجرا شود. این آیین‌نامه‌ها شامل جزئیات طراحی، ساخت و نگهداری سازه‌ها هستند و در انتخاب سیستم باربر جانبی نقش حیاتی ایفا می‌کنند.

در ادامه این مقاله، ما به بررسی دقیق‌تر هر دو سیستم پرداخته و با استفاده از مثال‌های عملی و تحلیلی، شما را در انتخاب سیستم مناسب برای پروژه‌های خود یاری خواهیم کرد.

1. قاب خمشی چیست؟

قاب خمشی یکی از سیستم‌های سازه‌ای پرکاربرد در مهندسی عمران است که در آن تیرها و ستون‌ها به شکل پیوسته و با اتصالات صلب به یکدیگر متصل می‌شوند. این ویژگی باعث می‌شود که قاب خمشی بتواند نیروهای جانبی مانند باد و زلزله را به خوبی تحمل کند. عملکرد اصلی این سیستم بر مبنای خواص خمشی، محوری و برشی اجزای آن است. این خواص، قاب خمشی را قادر می‌سازد تا علاوه بر تأمین سختی و مقاومت مورد نیاز، انعطاف‌پذیری بالایی نیز داشته باشد.

یکی از مزایای برجسته قاب خمشی، عدم وجود اجزای اضافی مانند مهاربندها یا دیوارهای برشی است. این امر، نه تنها انعطاف‌پذیری سازه را افزایش می‌دهد، بلکه فضاهای داخلی ساختمان را آزادتر و قابل‌استفاده‌تر می‌کند. انعطاف‌پذیری قاب خمشی بدین معناست که سازه می‌تواند با تغییر شکل و خمیدگی، نیروهای جانبی وارد شده را جذب کرده و از انتقال ناگهانی آن‌ها به دیگر بخش‌های سازه جلوگیری کند.

زمانی که نیروی جانبی (مانند نیروی ناشی از زلزله یا باد) به سازه وارد می‌شود، قاب خمشی با تغییر شکل و خمیدگی در تیرها و ستون‌ها، این نیروها را به اجزای مختلف سیستم توزیع کرده و از تجمع آن‌ها در یک نقطه جلوگیری می‌کند. این فرآیند جذب و تخلیه نیروها باعث می‌شود که سازه در برابر بارهای جانبی مقاومت کند و از ایجاد خرابی‌های جدی جلوگیری شود.

مزیت اصلی قاب خمشی در برابر زلزله، توانایی آن در کاهش آسیب‌های سازه‌ای است. با توجه به انعطاف‌پذیری بالای این سیستم، سازه می‌تواند در برابر تغییرات ناگهانی ناشی از لرزش‌های زلزله مقاومت کرده و بدون شکست جدی به کار خود ادامه دهد. این خاصیت، علاوه بر افزایش ایمنی، به طول عمر سازه نیز کمک شایانی می‌کند.

در نهایت، قاب خمشی به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردش، در پروژه‌هایی که طراحی معماری باز و بدون محدودیت مورد نیاز است، بسیار مورد توجه قرار می‌گیرد. این سیستم، با ایجاد تعادل بین مقاومت، سختی و انعطاف‌پذیری، یکی از بهترین گزینه‌ها برای طراحی سازه‌های مقاوم در برابر زلزله و باد به شمار می‌رود.

2. اتصالات قاب خمشی: نقش و عملکرد

اتصالات قاب خمشی یا اتصالات صلب، یکی از اجزای کلیدی این سیستم سازه‌ای هستند که وظیفه اصلی آن‌ها انتقال بارهای گشتاوری میان اجزای مختلف سازه است. این اتصالات با ایجاد سختی میان تیرها و ستون‌ها، از حرکات دورانی جلوگیری کرده و نیروهای جانبی ناشی از زلزله یا باد را به سایر بخش‌های سازه منتقل می‌کنند. ویژگی منحصربه‌فرد اتصالات صلب، توانایی آن‌ها در ترکیب سختی و انعطاف‌پذیری برای ایجاد تعادل میان عملکرد اجزا است.

1.2. عملکرد اتصالات صلب در قاب خمشی

اتصال صلب میان تیر و ستون، نقش یک پل مقاوم را ایفا می‌کند که نیروی گشتاور را از تیر به ستون انتقال داده و از شکست یا تغییر شکل غیرمنتظره اجزا جلوگیری می‌کند. در این نوع اتصالات، زاویه میان اعضای متصل‌کننده (مانند تیر و ستون) در شرایط پیش از بارگذاری، کاملاً ۹۰ درجه است و این زاویه حتی پس از اعمال بارهای جانبی نیز تقریباً حفظ می‌شود. این ویژگی سبب می‌شود که اعضای سازه در برابر چرخش‌های غیرمنتظره مقاومت بالایی داشته باشند.

2.2. ترکیب سختی و انعطاف‌پذیری

یکی از ویژگی‌های منحصر به‌فرد قاب خمشی، ترکیب سختی و انعطاف‌پذیری است. اجزای سازه، نظیر تیرها و ستون‌ها، با انعطاف‌پذیری خود قادر به جذب نیروهای جانبی هستند. از طرف دیگر، سختی ایجاد شده توسط اتصالات صلب از چرخش نادرست یا تغییر شکل بیش از حد جلوگیری می‌کند. این ترکیب عملکرد مکملی ایجاد کرده که موجب پایداری سازه در برابر بارهای جانبی می‌شود. این ویژگی، به‌ویژه در برابر نیروهای ناشی از زلزله، ایمنی سازه را به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد.

3.2. روش‌های اجرای اتصالات صلب

اتصالات سیستم خمشی به روش‌های مختلفی اجرا می‌شوند که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. برخی از روش‌های رایج اجرای این اتصالات عبارت‌اند از:

1. اتصالات جوشکاری‌شده: در این روش، تیر و ستون‌ها با استفاده از جوش به یکدیگر متصل می‌شوند. این نوع اتصال، سختی و استحکام بالایی را فراهم می‌کند و معمولاً در سازه‌هایی با اهمیت بالا و بارهای زیاد استفاده می‌شود.
2. اتصالات صفحه‌ای با جوش و پیچ: در این روش، از صفحات فلزی برای اتصال تیر و ستون استفاده می‌شود که هم توسط پیچ و هم جوش تثبیت می‌گردند. این نوع اتصال از نظر اجرایی انعطاف‌پذیرتر بوده و در پروژه‌های مختلف بسیار رایج است.
3. اتصالات فلنجی با پیچ و جوش: این روش با استفاده از فلنج‌های تقویت‌شده، اتصال بسیار محکمی میان اجزا ایجاد می‌کند. این اتصالات معمولاً در سازه‌هایی استفاده می‌شوند که نیاز به تحمل بارهای بسیار سنگین دارند.

4.2. مزایای اتصالات صلب در قاب خمشی

• جلوگیری از چرخش و تغییر زاویه بین اجزا
• افزایش سختی سازه و کاهش تغییر مکان جانبی
• جذب و توزیع نیروهای جانبی به شکل یکنواخت
• افزایش دوام و ایمنی سازه در برابر زلزله و باد

در نتیجه، اتصالات صلب به‌عنوان ستون فقرات قاب خمشی عمل کرده و با ترکیب سختی و انعطاف‌پذیری، سازه‌ای ایمن و بادوام را ایجاد می‌کنند. انتخاب روش مناسب برای اجرای این اتصالات بستگی به نوع پروژه، میزان بارهای واردشده و شرایط اجرایی دارد.

3. مزایا و معایب سیستم قاب خمشی

سیستم قاب خمشی یکی از سیستم‌های سازه‌ای پرکاربرد است که ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارد. این سیستم با وجود مزایای قابل‌توجه، محدودیت‌هایی نیز دارد که باید در طراحی و اجرای آن مورد توجه قرار گیرد. در ادامه به بررسی دقیق‌تر مزایا و معایب آن می‌پردازیم.

1.3. مزایا سیستم قاب خمشی

1. ایمنی بالا در برابر نیروهای جانبی:
   سیستم قاب خمشی به دلیل انعطاف‌پذیری بالای اجزا و اتصالات صلب، می‌تواند نیروهای جانبی مانند زلزله را به‌خوبی جذب و توزیع کند. این ویژگی باعث می‌شود که سازه‌ها با این سیستم مقاومت قابل‌توجهی در برابر خطرات طبیعی داشته باشند.
2. انعطاف‌پذیری در طراحی سازه:
   یکی از بزرگ‌ترین مزایای قاب خمشی، انعطاف‌پذیری بالا در طراحی است. به دلیل عدم وجود مهاربند یا دیوار برشی، امکان ایجاد فضاهای داخلی باز و بدون مانع فراهم می‌شود. این امر برای معماران و طراحان مزیت مهمی محسوب می‌شود، زیرا دست آن‌ها را در طراحی‌های خاص باز می‌گذارد.
3. قابلیت بازسازی پس از زلزله:
   سازه‌هایی که از سیستم قاب خمشی استفاده می‌کنند، معمولاً پس از وقوع زلزله، دچار آسیب‌های قابل تعمیر می‌شوند. این ویژگی به مهندسان اجازه می‌دهد تا به جای تخریب کامل سازه، با تعمیر اجزا یا اتصالات آسیب‌دیده، آن را به وضعیت اولیه بازگردانند.
4. افزایش طول عمر سازه:
   به دلیل توزیع یکنواخت نیروها و مقاومت بالا در برابر تغییر شکل، سازه‌هایی با قاب خمشی عمر مفید طولانی‌تری دارند و در برابر خرابی‌های ناشی از بارهای مکرر عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند.

2.3. معایب سیستم قاب خمشی

1. پیچیدگی اتصالات:
   اتصالات قاب خمشی به دلیل نیاز به طراحی خاص و استفاده از اتصالات صلب، از پیچیدگی بالایی برخوردارند. این پیچیدگی نه‌تنها اجرای سازه را دشوار می‌کند، بلکه به تخصص بیشتری در فرآیند ساخت نیاز دارد.
2. هزینه بالا:
   سیستم قاب خمشی به دلیل نیاز به مصالح با کیفیت بالا، جوشکاری دقیق و اجرای پیچیده، هزینه بیشتری نسبت به برخی از سیستم‌های سازه‌ای دیگر دارد. این هزینه شامل مراحل طراحی، اجرا و نگهداری می‌شود.
3. وزن بالای اتصالات:
   اتصالات صلب در قاب خمشی معمولاً سنگین‌تر از اتصالات ساده هستند که می‌تواند به افزایش وزن کلی سازه منجر شود. این مسئله ممکن است در طراحی سازه‌هایی با بارهای ثقلی زیاد، محدودیت ایجاد کند.
4. نیاز به دقت بالا در اجرا:
   به دلیل حساسیت بالای اتصالات، کوچک‌ترین خطا در نصب یا جوشکاری می‌تواند باعث کاهش مقاومت و ایمنی سازه شود. بنابراین، نیاز به نظارت دقیق و استفاده از نیروهای متخصص در این سیستم ضروری است.

سیستم قاب خمشی به دلیل مزایایی مانند ایمنی بالا، انعطاف‌پذیری در طراحی و قابلیت بازسازی، انتخابی ایده‌آل برای بسیاری از پروژه‌های ساختمانی است. با این حال، هزینه بالا و پیچیدگی اجرا از جمله چالش‌هایی است که باید در نظر گرفته شود. این سیستم معمولاً در پروژه‌هایی که نیاز به فضاهای باز و ایمنی بالا دارند، گزینه مناسبی است. با این حال، ارزیابی دقیق نیازهای پروژه و تحلیل هزینه‌ها، کلید انتخاب بهینه این سیستم است.

4. سیستم مهاربندی چیست؟

سیستم مهاربندی یکی از سیستم‌های سازه‌ای است که با هدف افزایش مقاومت سازه در برابر نیروهای جانبی مانند باد و زلزله طراحی می‌شود. این سیستم از اجزای اصلی سازه‌ای نظیر ستون‌ها (اجزای قائم)، تیرها (اجزای افقی) و بادبندها (اجزای مورب) تشکیل شده است. این اجزا به وسیله اتصالات افقی به یکدیگر متصل می‌شوند و یک ساختار منسجم و پایدار ایجاد می‌کنند.

1.4. عملکرد سیستم مهاربندی در سازه

سیستم مهاربندی به دلیل سختی مناسب، نقش مهمی در جذب و توزیع نیروهای جانبی ایفا می‌کند. این سیستم هنگام اعمال نیروهای جانبی، نیروها را به اجزای مختلف سازه منتقل کرده و از تمرکز آن‌ها در یک نقطه جلوگیری می‌کند. در نتیجه، تغییر شکل‌های نادرست و خرابی‌های ناشی از بارهای جانبی کاهش می‌یابد.

2.4. اجزای اصلی سیستم مهاربندی

1. ستون‌ها (اجزای قائم): ستون‌ها به عنوان اعضای اصلی باربر، نیروها را از سازه به پی منتقل می‌کنند.
2. تیرها (اجزای افقی): تیرها نیروی افقی را به بادبندها انتقال داده و در کنار ستون‌ها چارچوب اصلی سازه را تشکیل می‌دهند.
3. بادبندها (اجزای مورب): بادبندها وظیفه جذب و انتقال نیروهای جانبی را بر عهده دارند و نقش کلیدی در افزایش پایداری سازه ایفا می‌کنند.

3.4. انواع سیستم مهاربندی

سیستم‌های مهاربندی بسته به نوع سازه و نیاز پروژه به شکل‌های مختلفی طراحی می‌شوند. برخی از رایج‌ترین انواع آن عبارت‌اند از:

1. مهاربندی ضربدری (X-bracing): بادبندها به صورت ضربدری در قاب‌ها قرار گرفته و مقاومت بالایی در برابر بارهای جانبی ایجاد می‌کنند.
2. مهاربندی هشتی (V-bracing): بادبندها به صورت دوشاخه به ستون‌ها متصل می‌شوند و انعطاف‌پذیری بیشتری فراهم می‌کنند.
3. مهاربندی شورون (Chevron bracing): طراحی این نوع مهاربندی به‌گونه‌ای است که نیروها به شکل متوازن‌تری توزیع شوند.

سیستم مهاربندی با ترکیب اجزای قائم، افقی و مورب، یک چارچوب سازه‌ای مستحکم ایجاد می‌کند که در سازه‌های بلند و مقاوم در برابر زلزله کاربرد زیادی دارد. این سیستم با توزیع یکنواخت نیروهای جانبی، از تغییر شکل‌های نادرست جلوگیری کرده و پایداری سازه را تضمین می‌کند. انتخاب نوع مناسب مهاربندی باید بر اساس شرایط پروژه و تحلیل دقیق نیروهای وارد بر سازه انجام شود.

5. اتصالات سیستم مهاربندی

اتصالات در سیستم مهاربندی نقش بسیار حیاتی در عملکرد کلی سازه ایفا می‌کنند. این اتصالات به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که در عین فراهم کردن سختی و استحکام لازم برای مقاوم بودن در برابر بارهای جانبی، اجازه می‌دهند که اجزای مختلف سازه بتوانند به‌طور آزادانه حرکت کنند. این حرکت آزادانه از طریق اتصالات، به اجزای مهاربندی این امکان را می‌دهد که بارهای واردشده به سازه را جذب کرده و از ایجاد تغییر شکل‌های نادرست و خرابی‌های احتمالی جلوگیری کنند. سیستم مهاربندی در نهایت باید به‌گونه‌ای عمل کند که سختی مناسب برای مقابله با بارهای جانبی مانند زلزله و باد را فراهم کند، در حالی که این سختی نباید به حدی باشد که از انعطاف‌پذیری و توانایی جذب انرژی جلوگیری کند.

در طراحی اتصالات سیستم مهاربندی، سختی اتصالات باید به‌گونه‌ای تنظیم شود که در مرحله اول، مقاومت سازه در برابر بارهای جانبی افزایش یابد. این سختی به سازه این امکان را می‌دهد که بتواند نیروهای جانبی را بدون تغییر شکل‌های شدید تحمل کند و سازه همچنان پایدار باقی بماند. با این حال، اگر سختی اتصالات بیش از حد بالا باشد، ممکن است به‌طور ناخواسته باعث شکست سازه شود. بارهای جانبی، به‌ویژه در صورت افزایش شدت، می‌توانند به راحتی به شکست اتصالات و اجزای سازه‌ای منجر شوند، چرا که سازه نمی‌تواند به اندازه کافی تغییر شکل دهد تا انرژی اضافی را جذب کند.

از طرف دیگر، اگر سختی اتصالات کم باشد، ممکن است سازه قادر به تحمل بارهای جانبی نباشد و حرکات بیش از حد اجزای سازه منجر به تغییر شکل‌های نادرست و آسیب‌دیدگی در نقاط مختلف سازه شود. بنابراین، در طراحی سیستم مهاربندی باید تعادلی مناسب میان سختی و انعطاف‌پذیری برقرار شود تا سازه بتواند به‌طور مؤثر بارهای جانبی را جذب کرده و در برابر آن‌ها مقاوم باشد. اتصالات باید به گونه‌ای عمل کنند که همزمان از انتقال تنش‌های مخرب جلوگیری کرده و انرژی بارهای جانبی را به‌طور مؤثری مستهلک کنند، بدون آنکه باعث ایجاد خرابی در سازه شوند.

در نهایت، هدف اصلی اتصالات در سیستم مهاربندی این است که نیروی جانبی را به‌طور یکنواخت در سازه توزیع کرده و از تجمع نیروها در نقاط خاص جلوگیری کنند. این عملکرد به کاهش احتمال خرابی و شکست در اثر بارهای جانبی کمک می‌کند. در عمل، این بدان معناست که اتصالات باید به گونه‌ای طراحی شوند که نه تنها سختی کافی برای جلوگیری از تغییرات غیرقابل کنترل فراهم کنند، بلکه انعطاف‌پذیری لازم برای جذب انرژی و جلوگیری از خرابی در اثر بارهای شدید نیز در آن‌ها وجود داشته باشد. سیستم مهاربندی که به درستی طراحی شده باشد، قادر خواهد بود از این ویژگی‌ها بهره‌برداری کند تا عملکرد مطلوبی در برابر بارهای جانبی داشته باشد و سازه را در برابر خطرات مختلف حفظ کند.

6. مزایا و معایب سیستم مهاربندی

سیستم مهاربندی با افزایش مقاومت سازه در برابر بارهای جانبی مانند زلزله، یکی از روش‌های مؤثر در تأمین ایمنی سازه‌ها است. این سیستم با جذب و توزیع بارهای جانبی در سازه، موجب کاهش تغییر شکل‌ها و خرابی‌های ناشی از نیروهای شدید می‌شود و در نتیجه عمر مفید سازه را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، سیستم مهاربندی به‌دلیل انعطاف‌پذیری بالای خود، این امکان را فراهم می‌آورد که در مواقع نیاز، با افزودن اجزای جدید یا تغییر در اتصالات، سازه تقویت شود. این ویژگی باعث می‌شود که در صورت لزوم، امکان بهبود و تغییرات در سازه به راحتی فراهم شود.

یکی دیگر از مزایای سیستم مهاربندی این است که فضای داخلی سازه را بهینه می‌کند. به دلیل وجود بادبندها و اجزای مهاربندی، فضای داخلی به‌طور مؤثری در برابر بارهای جانبی مقاوم می‌شود، به طوری که بدون ایجاد تغییرات بزرگ در طراحی معماری، می‌توان از فضا به بهترین نحو استفاده کرد. این ویژگی باعث می‌شود که سیستم مهاربندی در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی، به‌ویژه در ساختمان‌هایی با نیاز به فضای بیشتر، گزینه‌ای مناسب باشد.

سیستم مهاربندی همچنین از نظر هزینه، نسبت به سایر سیستم‌های مقاومتی مانند قاب خمشی، از صرفه‌جویی بالاتری برخوردار است. هزینه‌های ساخت و نگهداری این سیستم پایین‌تر است و به‌ویژه در پروژه‌های بزرگ، باعث کاهش هزینه‌های کلی می‌شود.

با این حال، سیستم مهاربندی نیز دارای معایبی است که باید در نظر گرفته شود. یکی از معایب این سیستم محدودیت‌هایی است که در طراحی معماری ایجاد می‌کند، به‌ویژه در زمینه بازشوها. وجود بادبندها ممکن است منجر به محدود شدن ابعاد پنجره‌ها یا درب‌ها شود و این مسئله برای پروژه‌هایی که نیاز به بازشوهای بزرگ دارند، ممکن است مشکلاتی ایجاد کند. همچنین، سیستم مهاربندی ممکن است باعث ارتعاشات زیادی در سازه شود که در برخی شرایط می‌تواند موجب ناراحتی ساکنان یا آسیب به اجزای سازه‌ای شود.

در نهایت، سیستم مهاربندی با داشتن مزایای زیاد در مقاوم‌سازی سازه‌ها در برابر بارهای جانبی، هنوز نیازمند توجه به محدودیت‌ها و چالش‌های معماری است. بنابراین، طراحی آن باید به‌گونه‌ای انجام شود که همزمان با افزایش مقاومت، مشکلات مربوط به فضای داخلی و ارتعاشات سازه‌ای نیز به حداقل برسد.

7. انواع سیستم مهاربندی

سیستم مهاربندی دارای انواع مختلفی است که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. در ادامه، به معرفی انواع سیستم مهاربندی پرداخته می‌شود.

1.7. مهاربندی‌های همگرا

در سیستم مهاربندی همگرا، دو قسمت انتهایی مهاربند به قسمت‌های اتصال تیر با ستون یا مهاربندی دیگر متصل می‌شوند. این سیستم می‌تواند انواع مختلفی داشته باشد، از جمله مهاربندی‌های ضربدری، هفتی، هشتی، کا شکل، قطری و دروازه‌ای. در این نوع سیستم، هدف اصلی جذب و انتقال نیروهای جانبی به سازه است. هر یک از انواع این مهاربندی‌ها ویژگی‌های خاص خود را دارند که برای شرایط خاص طراحی و بهینه‌سازی می‌شوند.

2.7. مهاربندی واگرا

در مدل مهاربندی واگرا، تیرهای پیوند که با حرف E شناخته می‌شوند، نقش اساسی دارند. زمانی که نیروی جانبی به سازه وارد می‌شود، تیر پیوند وارد بخش غیر خطی می‌شود. بعد از وقوع زلزله، این تیر پیوند نیاز به احیا و تعمیر دارد که این فرایند ممکن است چالش‌برانگیز باشد. سیستم‌های واگرا معمولاً برای سازه‌هایی طراحی می‌شوند که نیاز به انعطاف‌پذیری بیشتری دارند، اما به دلیل نیاز به تعمیرات پس از وقوع نیروی جانبی شدید، نیاز به مراقبت‌های ویژه دارند.

3.7. سیستم‌های نوین مهاربندی

سیستم‌های نوین مهاربندی به منظور بهبود خواص سیستم‌های مهاربندی همگرا و واگرا طراحی شده‌اند. این نوع سیستم‌ها، به‌طور معمول از ترکیب روش‌های مختلف برای ایجاد سازه‌ای مقاوم و انعطاف‌پذیر بهره می‌برند. این سیستم‌ها به‌طور خاص برای سازه‌های پیچیده طراحی شده‌اند تا بهترین عملکرد را در برابر بارهای جانبی شدید، مانند زلزله، ارائه دهند.

4.7. مهاربندی زانویی

سیستم مهاربندی زانویی از یک جزء ثانویه سازه‌ای به جای اتصال برشی استفاده می‌کند تا انعطاف‌پذیری مطلوبی را در سازه ایجاد کند. در این سیستم، با وجود مهاربندی قطری، سختی بالایی به سازه وارد می‌شود. اجزای زانویی دارای مفصل‌های پلاستیک هستند که به ایمنی بخش‌های مهم سازه کمک می‌کنند. در صورت آسیب به سازه، می‌توان اجزای زانویی را تعویض و سازه را احیا کرد. این سیستم در هنگام وقوع زلزله به‌عنوان یک فیوز عمل می‌کند و با له شدن خمشی اجزای زانویی، انرژی اضافی را از بین می‌برد. طراحی دقیق این اجزا بسیار اهمیت دارد، زیرا مقطع آن باید طبق مقررات مقاطع پلاستیک طراحی شود.

5.7. مهاربندی‌های کمانش تاب

این سیستم با هدف افزایش مقاومت سازه در برابر نیروی جانبی چرخه‌ای طراحی شده است. مهاربندی‌های کمانش تاب دارای میراگری هستند که هسته فولادی را در داخل یک روکش بتنی نگه می‌دارد تا از کمانش ناشی از فشار محوری جلوگیری شود. لایه میانی بین هسته فولادی و غلاف بتنی باعث می‌شود که از اندرکنش ناخواسته بین این دو قسمت جلوگیری شود. این سیستم به‌طور خاص برای سازه‌هایی که نیاز به مقاومت بالا در برابر نیروهای جانبی متناوب دارند، طراحی می‌شود.

هر یک از این سیستم‌ها مزایای خاص خود را دارند و بسته به نیاز و شرایط خاص سازه، انتخاب نوع مهاربندی مناسب می‌تواند تأثیر زیادی در افزایش ایمنی و پایداری سازه داشته باشد.

8. سیستم دوگانه یا ترکیبی

سیستم دوگانه یا ترکیبی نوعی سیستم سازه‌ای است که در آن از عملکرد مشترک قاب خمشی به همراه دیوار برشی یا مهاربند برای مقابله با بارهای جانبی استفاده می‌شود. هدف اصلی این سیستم، برقراری تعادل بین سختی و شکل‌پذیری سازه است تا بتواند در برابر نیروهای جانبی، مانند زلزله، مقاومت کافی را داشته باشد. استفاده از سیستم دوگانه به سازه این امکان را می‌دهد که در عین برخورداری از سختی مناسب برای جلوگیری از تغییر شکل‌های بزرگ، قابلیت جذب انرژی و شکل‌پذیری در برابر بارهای جانبی را حفظ کند.

براساس استاندارد 2800، استفاده از سیستم قاب خمشی ویژه یا سیستم دوگانه برای سازه‌های بلندتر از 50 متر یا با تعداد طبقات بیشتر از 15 طبقه الزامی است. در این سازه‌ها، استفاده از قاب خمشی به‌تنهایی ممکن است به سنگینی مقاطع و افزایش مشکلات دریفت (حرکت جانبی سازه) منجر شود. به همین دلیل، سیستم دوگانه به‌عنوان یک انتخاب بهینه معرفی می‌شود، زیرا ترکیب قاب خمشی و دیوار برشی یا مهاربند، باعث تعادل بهتر بین سختی و انعطاف‌پذیری می‌شود و از مشکلات معمول سازه‌های بلند مرتبه، مانند حرکت‌های زیاد یا خرابی اجزای سازه، جلوگیری می‌کند.

برای اطمینان از عملکرد مناسب سیستم دوگانه، ضروری است که هرکدام از این سیستم‌ها (قاب خمشی و دیوار برشی یا مهاربند) به‌طور مستقل بتوانند مقدار مشخصی از نیروی جانبی را تحمل کنند. این مقدار دقیق در استاندارد 2800 تعیین شده است و اگر هر یک از سیستم‌ها نتوانند به‌طور مستقل این مقدار بار را تحمل کنند، نمی‌توان از سیستم دوگانه صحبت کرد. بنابراین، در طراحی این سیستم باید توجه ویژه‌ای به انتخاب اجزای مناسب و تأمین ظرفیت‌های لازم برای هر یک از سیستم‌های قاب خمشی و دیوار برشی یا مهاربند شود تا عملکرد کلی سازه در برابر بارهای جانبی بهینه گردد.

9. مقایسه اجمالی سیستم قاب خمشی و مهاربندی

در ابتدا باید گفت که تفاوت‌های چشمگیری بین سیستم قاب خمشی و مهاربندی وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. این تفاوت‌ها را می‌توان از جنبه‌های مختلفی مانند باربری جانبی، سختی و شکل‌پذیری، اتصالات، ضریب رفتار، دریفت، رفتار در برابر زلزله، جنس مصالح، معماری، اعضای غیرسازه‌ای، هزینه و مکانیزم‌های تسلیم مورد بررسی قرار داد.

باربری جانبی یکی از اولین تفاوت‌ها است. در سیستم مهاربندی، عمده مقاومت در برابر بار جانبی به عهده مهاربندهاست که رفتار غیرارتجاعی دارند و نیروی جانبی را جذب می‌کنند. این سیستم به‌طور کلی مشارکت کمی از اعضای دیگر در باربری جانبی دارد و مهاربندها نقش اصلی را در مقابله با نیروی جانبی ایفا می‌کنند. اما در سیستم قاب خمشی، تمام اعضای سازه در باربری جانبی مشارکت دارند. در این سیستم، اتصالات صلب میان تیرها و ستون‌ها به‌گونه‌ای است که نیروی جانبی را از طریق انتقال لنگرها از یک عضو به عضو دیگر مدیریت می‌کند، بنابراین در قاب خمشی کلیه اجزای سازه در مقابله با بار جانبی دخیل هستند.

سختی و شکل‌پذیری نیز از تفاوت‌های مهم این دو سیستم است. سیستم قاب مهاربندی به دلیل وجود مهاربندها که سختی بالایی دارند، در برابر بار جانبی مقاوم است اما به دلیل اینکه احتمال کمانش در اعضای فشاری مهاربندها وجود دارد، شکل‌پذیری کمتری دارد. در مقابل، سیستم قاب خمشی به دلیل شکل‌پذیری بالاتر می‌تواند تغییرات بیشتری را بدون آسیب‌دیدگی تحمل کند و این ویژگی به آن امکان می‌دهد تا انرژی‌های وارده را بهتر جذب و تخلیه کند، اما در عوض سختی کمتری نسبت به سیستم مهاربندی دارد.

اتصالات در این دو سیستم نیز با هم متفاوت است. در سیستم قاب مهاربندی، اتصالات مفصلی هستند که به اعضا اجازه می‌دهند تا نسبت به یکدیگر دوران کنند، بنابراین لنگرهای خمشی میان اعضا منتقل نمی‌شود. این اتصالات به‌طور عمده در سازه‌های فولادی استفاده می‌شود. اما در سیستم قاب خمشی، اتصالات صلب هستند که مانع دوران اعضا نسبت به یکدیگر می‌شود و این ویژگی باعث می‌شود تا لنگرها میان اعضای مختلف انتقال یابند. در نتیجه، قاب خمشی توانایی بیشتری در انتقال نیروی جانبی دارد.

ضریب رفتار یکی دیگر از ویژگی‌های بارز این دو سیستم است. به دلیل شکل‌پذیری بالاتر قاب خمشی، ضریب رفتار این سیستم نسبت به سیستم مهاربندی بیشتر است. ضریب رفتار به میزان توانایی سازه در جذب و تخلیه انرژی مربوط می‌شود و سیستم‌های با ضریب رفتار بالاتر معمولاً عملکرد بهتری در مقابله با بارهای جانبی دارند. در مقابل، سیستم مهاربندی که شکل‌پذیری کمتری دارد، ضریب رفتار کمتری را نشان می‌دهد.

دریفت یا تغییر مکان جانبی یکی دیگر از عوامل مؤثر است. به دلیل شکل‌پذیری بالای قاب خمشی، این سیستم تحت تأثیر بارهای جانبی مانند زلزله تغییرات مکان جانبی بیشتری تجربه می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود که در سیستم قاب خمشی، به‌ویژه در سازه‌های بلند، نیاز به افزایش ابعاد تیرها و ستون‌ها به منظور کنترل دریفت باشد. در مقابل، سیستم مهاربندی تغییرات مکان جانبی کمتری دارد و این می‌تواند به نفع طراحی سازه‌هایی با مقاطع کوچک‌تر و اقتصادی‌تر باشد.

رفتار در برابر زلزله نیز در این دو سیستم متفاوت است. در سیستم مهاربندی، هنگام بروز زلزله، تغییرشکل‌های خمشی بیشتر در طبقات بالا مشاهده می‌شود و این سیستم به‌طور عمده در طبقات بالا تغییر شکل می‌دهد. اما در سیستم قاب خمشی، تغییرشکل‌های برشی بیشتر در طبقات پایین تجربه می‌شود و این ویژگی باعث می‌شود که در سازه‌های بلند، طبقات پایین بیشتر تحت تأثیر قرار گیرند.

جنس مصالح در این دو سیستم نیز متفاوت است. سیستم قاب مهاربندی عمدتاً در سازه‌های فولادی استفاده می‌شود، زیرا اتصالات مفصلی در این سیستم نیاز به انعطاف‌پذیری دارند که در فولاد بهتر جواب می‌دهد. در حالی که سیستم قاب خمشی به‌طور معمول در سازه‌های بتن‌آرمه استفاده می‌شود، زیرا اتصالات صلب در این سیستم به‌طور راحت‌تری در بتن‌آرمه اجرا می‌شود. اما در فولاد، اجرای اتصالات صلب دشوار و پرهزینه است و نیاز به تخصص بالایی دارد.

معماری یکی از مهم‌ترین جنبه‌ها در طراحی سازه‌ها است. در سیستم مهاربندی، استفاده از مهاربندها محدودیت‌هایی در ایجاد بازشوهای بزرگ در دیوارها ایجاد می‌کند و این می‌تواند در طراحی معماری مشکلاتی به وجود آورد. اما در سیستم قاب خمشی، به‌واسطه وجود اتصالات صلب و عدم نیاز به مهاربندها، می‌توان از تمام ظرفیت دهانه‌ها برای طراحی فضاهای بزرگ و باز استفاده نمود و این امکان را برای معماری فراهم می‌آورد که طرح‌های مختلفی را اجرا کند.

اعضای غیرسازه‌ای در سیستم قاب خمشی به دلیل تغییرشکل‌های زیاد مستعد آسیب‌دیدگی هستند، زیرا این تغییرشکل‌ها می‌تواند باعث آسیب به سیستم‌های تأسیساتی و معماری داخلی شود. در مقابل، در سیستم مهاربندی معمولاً اعضای غیرسازه‌ای از آسیب‌های ناشی از تغییر شکل‌های سازه‌ای مصون می‌مانند، زیرا تغییر شکل‌های این سیستم کمتر است.

هزینه نیز یکی از پارامترهای مهم در انتخاب بین این دو سیستم است. در سازه‌های فولادی، معمولاً اجرای سیستم مهاربندی از نظر اقتصادی به صرفه‌تر است. هزینه‌های مرتبط با سیستم قاب خمشی به دلیل نیاز به اتصالات سنگین و پیچیده، معمولاً بالاتر است. این افزایش هزینه به دلیل پیچیدگی‌های طراحی و ساخت اتصالات صلب در قاب خمشی است.

در نهایت، تسلیم در این دو سیستم به‌طور متفاوتی رخ می‌دهد. در سیستم قاب خمشی، تسلیم از طریق تشکیل مفصل پلاستیک در تیرها اتفاق می‌افتد، در حالی که در سیستم مهاربندی، تسلیم می‌تواند از طریق کمانش عضو فشاری یا تسلیم برشی تیر پیوند در مهاربندهای واگرا یا کمانش عضو کششی در مهاربندهای همگرا رخ دهد. این تفاوت در مکانیزم‌های تسلیم باعث می‌شود که رفتار سازه در برابر بارهای جانبی و زلزله به‌طور متفاوتی باشد.

در نهایت، انتخاب میان سیستم قاب خمشی و مهاربندی بستگی به ویژگی‌های خاص پروژه، نیاز به انعطاف‌پذیری، نوع بارهای جانبی و هزینه‌های اجرایی دارد. هر کدام از این سیستم‌ها می‌توانند در شرایط خاص عملکرد مناسبی داشته باشند و بسته به نیاز سازه، انتخاب بهینه صورت گیرد.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

سیستم‌های قاب خمشی و مهاربندی دو روش متفاوت در طراحی سازه‌ها هستند که هر کدام ویژگی‌ها، مزایا و معایب خاص خود را دارند. یکی از اصلی‌ترین تفاوت‌ها در این سیستم‌ها، نحوه باربری جانبی است. در سیستم مهاربندی، نیروی جانبی عمدتاً توسط مهاربندها که به‌طور غیرارتجاعی عمل می‌کنند جذب می‌شود و در این سیستم فقط مهاربندها نقش اصلی در مقاومت در برابر نیروی جانبی دارند. در مقابل، در سیستم قاب خمشی، تمام اعضای سازه از جمله تیرها و ستون‌ها در باربری جانبی مشارکت دارند و نیروی جانبی به‌طور مشترک توسط تمام اعضا از طریق اتصالات صلب مدیریت می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود که سیستم قاب خمشی در برابر بارهای جانبی عملکردی جامع‌تر داشته باشد.

در بحث سختی و شکل‌پذیری، سیستم قاب خمشی از سختی کمتری برخوردار است ولی به دلیل شکل‌پذیری بالایی که دارد، قادر به جذب انرژی‌های وارد شده است و این ویژگی موجب می‌شود که سیستم قاب خمشی توانایی بالاتری در تخلیه انرژی‌های زلزله داشته باشد. در مقابل، سیستم مهاربندی سختی بالایی دارد ولی شکل‌پذیری آن کم است چرا که مهاربندها ممکن است در اثر کمانش دچار آسیب شوند. از نظر اتصالات، در سیستم مهاربندی، اتصالات مفصلی هستند که اجازه دوران به اعضا می‌دهند، در حالی که در سیستم قاب خمشی اتصالات صلب وجود دارند که مانع دوران اعضا می‌شوند و لنگرها را بین اعضا منتقل می‌کنند. این ویژگی باعث می‌شود که سیستم قاب خمشی توانایی بالاتری در انتقال نیروهای جانبی از خود نشان دهد.

در مورد ضریب رفتار، سیستم قاب خمشی به دلیل شکل‌پذیری بیشتر، ضریب رفتار بالاتری دارد که به معنی توانایی بیشتر در جذب و تخلیه انرژی‌های وارده به سازه است. در حالی که در سیستم مهاربندی به دلیل سختی زیاد و شکل‌پذیری کمتر، ضریب رفتار کمتری خواهد داشت. یکی دیگر از تفاوت‌های این دو سیستم، در رفتار آن‌ها در برابر زلزله است. در سیستم مهاربندی، تغییرشکل‌ها بیشتر در طبقات بالایی سازه رخ می‌دهد، در حالی که در سیستم قاب خمشی تغییرشکل‌ها بیشتر در طبقات پایین تجربه می‌شود و این ممکن است در بلندمرتبه‌ها مشکلاتی برای طبقات پایین ایجاد کند.

در بحث دریفت یا تغییر مکان جانبی، سیستم قاب خمشی به دلیل شکل‌پذیری بالاتر تغییرات مکان بیشتری را تجربه می‌کند و این باعث می‌شود که نیاز به افزایش ابعاد تیرها و ستون‌ها برای کنترل دریفت در این سیستم بیشتر باشد. از سوی دیگر، در سیستم مهاربندی تغییر مکان جانبی کمتری رخ می‌دهد و این ویژگی باعث می‌شود که ابعاد مقاطع تیر و ستون در این سیستم معمولاً کوچک‌تر باشد. جنس مصالح نیز در این دو سیستم متفاوت است، به‌طور کلی سیستم مهاربندی بیشتر در سازه‌های فولادی استفاده می‌شود زیرا اتصالات مفصلی و ساختار مقاومتی آن نیاز به انعطاف‌پذیری بیشتری دارد. در حالی که سیستم قاب خمشی بیشتر در سازه‌های بتن‌آرمه به کار می‌رود، چرا که اتصالات صلب در بتن‌آرمه به‌طور اقتصادی و راحت‌تری قابل اجرا است.

در بحث معماری، سیستم مهاربندی محدودیت‌هایی در طراحی ایجاد می‌کند، زیرا به دلیل استفاده از مهاربندها، اجرای بازشوهای بزرگ در دیوارها دشوار است. اما در سیستم قاب خمشی به دلیل عدم نیاز به مهاربندها، می‌توان از تمام ظرفیت دهانه‌ها برای طراحی فضاهای باز استفاده کرد و این امکان را برای معماران فراهم می‌آورد که طرح‌های مختلفی اجرا کنند. از نظر آسیب به اعضای غیرسازه‌ای، سیستم قاب خمشی به دلیل تغییرشکل‌های زیاد مستعد آسیب رساندن به تأسیسات و اجزای معماری داخلی است، در حالی که سیستم مهاربندی معمولاً آسیبی به اعضای غیرسازه‌ای وارد نمی‌کند.

هزینه‌ها نیز در این دو سیستم متفاوت است. سیستم مهاربندی معمولاً اقتصادی‌تر است، به‌ویژه در سازه‌های فولادی، زیرا نیاز به اتصالات پیچیده و گران ندارد. اما سیستم قاب خمشی به دلیل نیاز به اتصالات صلب سنگین و پیچیده، هزینه‌های بیشتری دارد. در نهایت، مکانیزم تسلیم در این دو سیستم به‌طور متفاوتی عمل می‌کند. در سیستم قاب خمشی، تسلیم از طریق تشکیل مفصل پلاستیک در تیرها صورت می‌گیرد، در حالی که در سیستم مهاربندی، تسلیم می‌تواند از طریق کمانش عضو فشاری یا تسلیم برشی تیر پیوند در مهاربندهای واگرا یا کمانش عضو کششی در مهاربندهای همگرا رخ دهد.

با توجه به تمامی این موارد، انتخاب سیستم مناسب بستگی به ویژگی‌های خاص پروژه، نوع بارهای جانبی، نیاز به انعطاف‌پذیری، هزینه‌های اجرایی و نیازهای معماری دارد. هر کدام از این سیستم‌ها در شرایط خاص خود می‌توانند عملکرد مناسبی داشته باشند و بسته به نیاز سازه، می‌توانند به‌طور بهینه استفاده شوند. انتخاب سیستم دوگانه یا ترکیبی نیز می‌تواند به‌ویژه در سازه‌های بلندمرتبه، راه‌حل مناسبی برای برقراری تعادل بین سختی و شکل‌پذیری باشد.