سیستم قاب مهاربندی‌شده‌ی هم‌محور

سیستم قاب مهاربندی‌شده‌ی هم‌محور (Concentric Braced Frame – CBF) یکی از سیستم‌های مقاوم در برابر بارهای جانبی (نظیر زلزله و باد) در ساختمان‌ها است. این سیستم به ویژه در طراحی سازه‌های مقاوم در برابر زلزله کاربرد فراوانی دارد و از ترکیب قاب‌های فولادی یا بتنی با اعضای مهاربندی برای افزایش پایداری و کاهش تغییر شکل‌های غیرمجاز استفاده می‌کند.

1. تعریف و ساختار سیستم

در سیستم قاب مهاربندی‌شده‌ی هم‌محور، از مهاربندهای فولادی یا بتنی در داخل یک قاب استفاده می‌شود که این مهاربندها معمولاً به‌صورت هم‌محور و در راستای نیروهای برشی طراحی می‌شوند. این اعضای مهاربندی می‌توانند در اشکال مختلفی از جمله اعضای فشاری و کششی قرار بگیرند و به منظور مقابله با بارهای جانبی، نیروهای برشی را از دیوارهای خارجی ساختمان به فونداسیون منتقل کنند.

به‌طور کلی، در این سیستم:

• قاب سازه شامل ستون‌ها و تیرها است که بارهای ثقلی را به فونداسیون منتقل می‌کنند.
• مهاربندها در قسمت‌های مختلف قاب برای مقابله با بارهای جانبی (زلزله یا باد) تعبیه می‌شوند.
• این سیستم به‌طور معمول در ساختمان‌های چند طبقه و در مناطق با خطر زلزله بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد.

2. انواع مهاربندها

در سیستم قاب مهاربندی‌شده‌ی هم‌محور، مهاربندها می‌توانند در دو دسته‌ اصلی قرار گیرند:

• مهاربندهای کششی (Tension braces): این مهاربندها در مواجهه با بارهای فشاری به کشش وارد می‌شوند و وظیفه انتقال بارهای جانبی را به ستون‌ها دارند.
• مهاربندهای فشاری (Compression braces): این مهاربندها در مواجهه با بارهای کششی، به فشاری وارد می‌شوند و وظیفه انتقال بارهای جانبی به تیرها و ستون‌ها را بر عهده دارند.

مهاربندها معمولاً از فولاد با مقاطع پروفیلی ساخته می‌شوند که ویژگی‌های مکانیکی و شکل‌دهی خاصی دارند.

3. مزایا و معایب سیستم قاب مهاربندی‌شده‌ی هم‌محور

مزایا:

• کارایی در برابر زلزله: این سیستم به‌ویژه در مناطقی که احتمال وقوع زلزله بالا است، بسیار مؤثر است زیرا می‌تواند بارهای جانبی زیادی را تحمل کند و از تغییرشکل‌های غیرمجاز جلوگیری نماید.
• سادگی و سرعت اجرا: طراحی و اجرای این سیستم نسبت به بسیاری از سیستم‌های مقاوم دیگر (مانند سیستم‌های دیوار برشی یا سیستم‌های قاب خمشی) ساده‌تر است و سرعت ساخت و نصب بالاتری دارد.
• استحکام و پایداری: به دلیل استفاده از مهاربندها که در برابر نیروهای جانبی مقاومت می‌کنند، این سیستم از استحکام و پایداری بالایی برخوردار است.
• انعطاف‌پذیری در طراحی: این سیستم امکان طراحی بر اساس نیازهای مختلف مهندسی سازه‌ای را فراهم می‌کند، به‌ویژه برای ساختمان‌های متوسط تا بلند.

معایب:

• نیاز به فضای زیاد در پلان: یکی از معایب این سیستم این است که به دلیل قرار گرفتن مهاربندها در پلان، ممکن است فضای داخلی ساختمان محدود شود و طراحی پلان معماری پیچیده‌تری را نیازمند باشد.
• معماری محدود: در برخی از طرح‌های معماری، ممکن است به دلیل وجود مهاربندها، طراحی داخلی و نمای ساختمان محدود شده و به‌طور خاص، در ساختمان‌های با طراحی‌های باز و بدون دیوارهای داخلی (مانند فضاهای اداری و تجاری) مشکلاتی ایجاد شود.
• شکنندگی در برابر بارهای شدید: مهاربندها در برابر بارهای فشاری یا کششی ممکن است به صورت ناگهانی شکست کنند و در این صورت سیستم می‌تواند به طور کلی آسیب ببیند. به‌ویژه در زلزله‌های با شدت زیاد، امکان شکست در نواحی خاص وجود دارد.

4. کاربردها و شرایط مناسب

سیستم قاب مهاربندی‌شده‌ی هم‌محور در ساختمان‌هایی که بارهای جانبی زیاد دارند و نیاز به سیستم مقاوم در برابر زلزله یا باد دارند، به‌ویژه در موارد زیر کاربرد دارد:

• ساختمان‌های بلند مرتبه که نیاز به استحکام و پایداری در برابر زلزله دارند.
• ساختمان‌های صنعتی و تجاری که در آنها پلان باز و فضاهای بزرگ معمولاً مورد نیاز است.
• مناطق زلزله‌خیز که نیاز به تقویت سازه‌ها برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی بسیار زیاد است.

این سیستم در ساختمان‌هایی با طبقات بیشتر از 5 تا 10 طبقه به طور معمول استفاده می‌شود، زیرا در این ارتفاعات بارهای جانبی بیشتر شده و این سیستم می‌تواند به‌خوبی آن‌ها را تحمل کند.

5. جزئیات فنی و طراحی

در طراحی سیستم قاب مهاربندی‌شده‌ی هم‌محور، باید به موارد زیر توجه ویژه‌ای داشته باشید:

• انتخاب نوع مهاربند: بستگی به شرایط مختلف ساختمان، مهاربندهای کششی یا فشاری انتخاب می‌شوند. این انتخاب باید بر اساس بارهای وارد شده، شرایط دینامیکی (مانند زلزله) و نوع خاک منطقه انجام گیرد.
• اتصالات: اتصالات بین اعضای مهاربند و سایر اجزای قاب (مانند تیرها و ستون‌ها) باید به‌گونه‌ای طراحی شوند که بتوانند نیروهای زیادی را منتقل کرده و از خرابی اجزا جلوگیری کنند.
• پایداری در برابر بارهای غیرجانبی: علاوه بر بارهای جانبی (زلزله یا باد)، باید به بارهای ثقلی نیز توجه شود که سیستم باید بتواند به‌طور همزمان این بارها را نیز تحمل کند.
• ضوابط طراحی: در طراحی این سیستم باید از استانداردهای معتبر ملی و بین‌المللی (مانند آیین‌نامه‌های زلزله و بارگذاری) تبعیت شود. این شامل ضوابط مربوط به ابعاد اعضای مهاربند، فاصله بین مهاربندها، مقاومت مصالح، و نحوه تحلیل سازه تحت بارهای مختلف است.

نتیجه‌گیری

سیستم قاب مهاربندی‌شده‌ی هم‌محور یک انتخاب مناسب برای ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله است که هم از نظر ساختاری و هم از نظر اقتصادی، کارایی مناسبی دارد. این سیستم به‌ویژه در ساختمان‌هایی که نیاز به مقاومت بالا در برابر بارهای جانبی دارند، مفید است. البته باید در نظر داشت که محدودیت‌هایی از لحاظ معماری و فضای داخلی دارد که باید در طراحی‌ها مدنظر قرار گیرد.