سیستم بادبند یا مهاربندی (Cross Bracing)، مجموعه‌ای از چند عضو فولادی می باشد که جهت استحکام و پایداری سازه در برابر نیروهای افقی ناشی از زلزله مورد استفاده قرار می‌گیرد. بادبندها از مهمترین جنبه‌های طراحی در سازه‌های فولادی می باشد که برای تحمل نیروهای جانبی در جهت افزایش سختی در ساختمان کاربرد دارند.
استفاده از مهاربندها، در اواخر قرن نوزدهم میلادی رایج شد. از همان زمان، مهاربندها به همراه یک قاب خمشی و نیز به کمک میان قاب های بنایی مورد استقاده قرار می گرفتند. در بین سال ها 1960 تا 1970 در طرح و شکل مهاربندها (بادبند ها)، از روش های پیشرفته تری استفاده می شد. همچنین به دلیل پایین بودن هزینه ها و امکان جابجایی راحت آن ها بسیار گسترش یافت.
اجرای مهاربند یا بادبند، موجب افزایش مقاومت ساختمان ها در برابر زلزله و نیرو های جانبی می گردد. علاوه بر استفاده از مصالح مرغوب برای مقاوم سازی ساختمان، یکی از روش های مقابله و کاهش آسیب های ناشی از زلزله به ساختمان ها، اجرای مهاربند ( بادبند) است.
تعریف مهاربند و سیستم های مهاربندی:
مهاربند یا بادبند یک عضو مقاوم کننده ساختمان در برابر نیروهای جانبی همچون باد یا نیروی زلزله می باشد. نیروهای بادی و زلزله که بر فونداسیون یا پایه ساختمان اثر می گذارند، باعث حرکت عرضی در سازه می شوند. با توجه به این امر، برای مقابله با این نیروها و ایجاد استحکام لازم، ساختمان‌های فلزی نیاز به بادبند دارند.
مهاربندها شامل میله های فولادی یا کابل ها و یا تیر ها (معمولآ نبشی یا ناودانی) هستند، که با توجه به نوع مورد نظر در قاب اطراف سازه قرار داده می‌شوند. در ساختمان‌هایی که چندین دهانه دارند، اغلب از مهاربندی در دهانه بزرگ‌تر در کلیه طبقات همان دهانه استفاده می‌شود. همچنین می‌توان مهاربند را در دهانه اول و آخر در هر طبقه طراحی کرد.
اعضای مهاربند، بار را در یک انتها دریافت می‌کنند و آن را به قاب بعدی منتقل می‌کنند تا بار در سراسر قاب ها توزیع شود. همچنین بادبند ها در مقابل کشش نیز مقاومت می‌کنند، زیرا در نقاط تلاقی خود با استفاده از پیچ و مهره یا جوش به محل مورد نظر دوخته شده اند.
سیستم بادبند یا مهاربندی (Cross Bracing)، مجموعه‌ای از اعضاء است که جهت استحکام و پایداری سازه در برابر نیروهای عرضی ناشی از زلزله مورد استفاده قرار می‌گیرد. بادبند ها، مهمترین جنبه های طراحی سازه های فولادی برای نیروهای جانبی در جهت افزایش مقاومت ساختمان هستند. با توجه به اینکه باد و نیروی زلزله از هر جهت ممکن است به وجود آید، همه قاب ها باید در دهانه بیرونی در ۴ جهت در صورت لزوم با بادبند مناسب مقاوم سازی شوند. همچنین بایستی ساختار در برابر پیچ خوردگی، فشار، برش، خمش و بلند شدن مقاومت کند.
اساس کار مهاربند بر خصوصیت مثلثی شکل آن است. وقتی چند عضو خطی یا صفحه ای با اتصال به هم، از حالت یکنواخت خارج می شوند و تشکیل یک یا چند مثلث را می دهند، در صورتی که طول المان ها تغییر نکند، زوایای بین آن ها ثابت خواهد ماند. بنابراین عضو ساخته شده، در صورت وجود تکیه گاه های ثابت می تواند در برابر نیروهای خارجی از خود مقاومت بیشتری نشان دهد. بادبند ها نیز در قاب های سازه ای با تشکیل چنین ساختاری، مقاومت سازه را در برابر نیروهای جانبی فراهم می کنند.
انواع سیستم های مهاربندی:
دو سیستم مهاربندی به شرح ذیل، برای تثبیت سازه ها در برابر نیروهای افقی وجود دارد.
• مهاربند عمودی: این نوع مهاربندی که در صفحه عمودی بین ستون‌ها قرار گرفته است، برای انتقال نیروهای افقی به زمین ایجاد می شوند.
• مهاربند افقی:. اکثر ساختمان‌های فلزی برای ایجاد مقاومت در برابر پیچ خوردگی، نیاز به مهار افقی دارند. مهاربندی در هر طبقه مسیری را برای انتقال بار نیروهای افقی به مهاربند عمودی ایجاد می‌کند. هر طبقه و همچنین بام، برای ایجاد مقاومت نیاز به مهار افقی دارد.
انواع مدل های سازه ای در سیستم های مهاربندی :
مهاربند مورب منفرد: نام دیگر این نوع سیستم، خرپا یا مثلث نیز می باشد که با قرارگیری یک عضو به صورت مورب در داخل قاب، در برابر تنش و نیروهای جانبی مقاومت می‌کند.
مهاربند ضربدری: به این نوع بادبند، مهاربندی X نیز گفته می شود. از نظر شکل ظاهری دارای دو عضو مورب هستند که در محل تلاقی تیر و ستون، یک شکل ضربدری ایجاد می کنند. مقاومت مهار فقط به مقاومت در برابر تنش نیاز دارد، زیرا یک بادبند برای مقاومت در برابر نیروهای افقی در یک قاب بسته در مسیر بار عمل می‌کند. کابل های فولادی یا تیرآهن های ناودانی یا نبشی اغلب برای این مهاربندی استفاده می‌شوند. این روش فضای موجود در داخل نما یا دهانه را محدود می‌کند و باعث بیشترین خمش تیرها در کف می شود.
مهاربند هفتی شکل (7): دو عضو موربی است که از دو گوشه بالای یک عضو افقی کشیده شده‌اند و در میانه تیر تحتانی شکل 7را ایجاد می‌کند. همچنین بادبند هشتی شکل (۸)، نوع معکوس مهاربند 7 شکل است. به محض رسیدن هر دو عضو به ظرفیت مقاومت، بار وارده باید از طریق نیروی خمشی تیر افقی دفع شود.
مهاربند کا شکل (K): در این نوع بادبند، دو عضو مورب به جای اتصال به تلاقی تیر و ستون در میانه ستون به یکدیگر متصل می‌شوند و انعطاف‌پذیری بیشتری را برای دهانه ها ایجاد می‌کند (از نظر قرار دادن پنجره) و تیر افقی با این نوع مهاربند نیروی خمشی کمتری را تحمل می‌کند. با این حال، بادبند K شکل، انتخاب مناسبی برای مناطق لرزه‌ای فعال نیست، زیرا در این نوع مهاربند، پتانسیل خرابی ستون نسبت به مدل‌های دیگر بیشتر است.
مهاربند برون محور: برخلاف مهاربند K شکل، این بادبند معمولآ در مناطق فعال لرزه‌ای استفاده می‌شود. این بادبند از دو عضو مورب تشکیل شده است که به جای اتصال به محل تلاقی تیر و ستون، در یک نقطه مرکزی با فاصله‌ای نسبت به یکدیگر، به تیر بالا متصل می‌شوند. فاصله بین دو این عضو، انرژی حاصل از فعالیت لرزه‌ای را از طریق تغییر شکل پلاستیک جذب می‌کند.
باید این نکته را در نظر داشت که از طریق کد ساختمان محل (کد مربوط به ساختمانی در یک شهر بر حسب پهنای زلزله)، نوع مهاربند مورد نیاز برای سازه‌ای خاص، مشخص شده است و به طراحی لرزه‌ای یا سرعت باد بستگی دارد.
خصوصیات اصلی سیستم مهاربندی
• شکل پذیری محدودی دارند.
• مشارکت کلیه اعضای سازه در باربری جانبی فراهم نیست.
• در رفتار لرزه ای، دیافراگم ها نقش عمده تری بر عهده دارند.
• ظرفیت باربری الاستیک زیادی دارند.
• در این سیستم ها، رفتار غیر ارتجاعی مهاربندها از عناصر تعیین کننده هستند.
• ستون های طرفین دهانه مهاربندی عناصر مقاومتی هستند.
اجرای مهاربند دارای مقطع مرکب
مهاربند یا بادبند دارای مقطع مرکب، باعث افزایش مقاومت ساختمان ها در برابر زلزله و باد های شدید می گردد.این نوع از بادبند ها در سازه هایی مانند پل ها، سازه های مهندسی و ساختمان ها کاربرد دارند. از جمله مشکلات بادبند های مقطع مرکب، وقوع کمانش در هنگام وارد شدن فشار است. همین مسئله باعث کاهش پایداری مهاربند می شود. یکی از راه حل های جلوگیری از این مشکل، پر کردن قوطی های فولادی با بتن است. هسته فولادی در مقطع کامپوزیت قابلیت شکل پذیری دارد و برای حذف کمانش استفاده می شود. این هسته، درون یک غلاف فولادی قرار گرفته و برای پرکردن غلاف از بتن استفاده می شود. مقاومت کششی مقطع فولادی بسیار بالا است، چرا که پوسته فولادی، هسته بتنی را احاطه کرده است. برای هسته می توان از بتن های معمولی استفاده کرد.
فواید قاب های مهاربندی شده مقطع مرکب:
این نوع قاب ها، نسبت به قاب های مهاربندی شده معمولی یا (خمشی)، مزایا و معایب زیادی دارند که در ادامه به چند مورد از آن ها اشاره شده است.
- مقاومت الاستیک این مهاربندها در برابر تحریکات لرزه‌ای همچون زلزله و باد بالا است.
- این مهاربند ها نیاز به جوشکاری ندارند؛ چرا که از طریق پیچ و مهره بهم متصل شده اند. بنابراین هزینه نصب آن ها بسیار پایین بوده و سرعت کار به میزان چشمگیری افزایش خواهد یافت.
- در صورت خرابی این مهاربند، می توان با سایر مهاربندها جایگزین کرد.
با وجود مزایای فوق، سازه های مهاربندی مقطع مرکب، دارای معایبی از جمله نیازمند دقت بالا در هنگام طراحی نسبت به سایر مهاربند ها می باشند.
مهاربند واگرا و همگرا چیست؟
مهاربند ها به دو دسته کلی واگرا و همگرا تقسیم بندی می شوندکه در ادامه به معرفی آن ها می پردازیم.
مهاربند واگرا
ساختار مهاربندهای واگرا به این شکل است که باید بادبند در یک انتها به تیر متصل شده و حداقل در انتهای دیگر به گره تقاطع تیر و ستون متصل نباشد. نام دیگر این نوع مهاربندها، بادبندهای برون محور می باشد.
مهمترین نکته ای که در سیستم مهاربندهای واگرا یا برون محور مورد توجه است، طراحی صحیح تیرچه ارتباطی است.
مقدار نیروی برشی و لنگر خمشی در تیر اتصال یافته، نیز از جمله مواردی است که باید با دقت بالایی محاسبه شود. در صورتی که از این سیستم مهاربند به شکل صحیحی استفاده شود، باعث شکل پذیری بیش تر سازه و کاهش برش پایه زلزله خواهد شد. طراحی و اجرای صحیح این سیستم مهاربند، بر اساس آیین نامه ها و رعایت تمام نکات اجرایی آن از اهمیت خاصی برخوردار است.
مهاربند همگرا
با عبور امتداد اعضای تیر و ستون و اعضای مهاربند از یک نقطه، مهاربند همگرا ایجاد می شود. این نوع مهاربندها، با عنوان بادبندهای هم محور نیز شناخته می شوند.
طراحی این گونه بادبندها به گونه ای است که طراحی تیرها در قسمت های بادبندی مانند تیرهای معمولی و تحت بارهای ثقلی شکل می گیرد. با اینکار در صورت بروز زلزله، نیروی قابل توجهی در تیرها ایجاد نمی شود. از جمله مزایای این سیستم ها، مواردی همچون ایجاد سختی بالا برای سازه و کنترل تغییر مکان جانبی سازه می باشد. استفاده از این سیستم معایبی نیز دارد که از جمله ایجاد برخی محدودیت ها در معماری سازه و شکل پذیری پایین آن ها است. شکل پذیری کم آن ها، قابلیت دفع نیروی زلزله را کاهش می دهد. که در نهایت این امر، باعث بالا رفتن نیروی ارتعاشات در سازه خواهد شد.
تفاوت اصلی مهاربند همگرا و مهاربند واگرا
با توجه به تعاریف ارائه شده در قسمت فوق، دو تفاوت اصلی در سیستم مهاربند واگرا و همگرا وجود دارد. اولین تفاوت آن ها، در قالب طراحی معماری ساختمان است.
انعطاف پذیری سیستم مهاربندی واگرا نسبت به مهاربند همگرا بیشتر می باشد. تفاوت دیگر آن ها در عملکرد سازه ای آن ها است. سیستم های مهاربندی همگرا از نظر عملکرد به نسبت سیستم واگرا سختی بیش تری از خود نشان می دهند. این در حالی است که در سیستم واگرا طول تیرهای پیوند در سختی آن ها موثر می باشد. هرچه طول تیرهای پیوندی بلندتر باشد، سختی قاب کاهش یافته اما در مقابل انعطاف پذیری آن بالاتر می رود.
محل مناسب برای نصب مهاربند
تعیین مکان مناسب برای نصب مهاربند از مهمترین نکات در ساخت سازه های ساختمانی است. بر این اساس بایستی در حد امکان، محل قرارگیری مهاربند در اطراف سازه باشد.این امر سبب ایجاد بازوی مقاوم بزرگ تری در برابر پیچش می شود.
اهمیت وجود بادبند در ساختمان
سیستم مهاربندی عرضی، بارهای جانبی را از روی هر یک از قاب‌ها (تیر و ستون) به مهارها منتقل و پراکنده می‌کنند. همین عملکرد به ظاهر ساده، هم می‌تواند ساختمان را به حدی در برابر زلزله و متعاقبآ خسارات انسانی آن پشتیانی کند و هم از فروپاشی سازه جلوگیری به عمل آورد.
در کشورهایی همانند ایران (به دلیل زلزله خیز بودن)، وجود بادبندها در طراحی ساختمان‌های فولادی بسیار مهم و حائز اهمیت بوده و با توجه به این مسئله، ساز و کار تصمیم گیری در صنعت ساختمان نیازمند دقت و هوشیاری و رعایت اصول مهندسی بالایی است.
جمع بندی:
سیستم های مهاربندی یکی از مهمترین بخش های مورد توجه در ساختمان ها به شمار می آیند. از گذشته تا به امروز حمل و جابجایی این سیستم ها آسان بوده است؛ با توجه به این امر، از آن ها بعنوان مهمترین المان جهت پیشگیری از وقوع تحریکات لرزه ای همچون نیروهای باد و زلزله و ایجاد مقاومت پایه و ستون در ساختمان سازی استفاده می شود.
این سیستم ها مدل های مختلفی دارند که هر یک از اهمیت خاصی برخوردارند و در حالت کلی به دو دسته با نام های سیستم های هم گرا و سیستم های واگرا تقسیم می شوند. هر یک از این دو سیستم در عملکرد دارای مزیت های متفاوتی با یکدیگر هستند.
در ایران به دلیل موقعیت جغرافیایی خاص یعنی زلزله خیز بودن آن، در ساختمان سازی، مهاربندها به عنوان میراگر زلزله و سایر نیروهای وارده بر زمین از اهمیت بالایی برخوردار هستند. همچنین این مهارسازی و نحوه عملکرد آن تا حد امکان با دقت بالا و نیز از طریق روش ها و آیین نامه های اصولی و مهندسی شده صورت می پذیرد.
