در ساختمان‌سازی، یکی از دغدغه‌های اصلی مهندسان و پیمانکاران، افزایش ایمنی و مقاومت سازه‌ها در برابر نیروهای جانبی مثل باد، زلزله و دیگر نیروهای طبیعی مخرب است. این نیروها می‌توانند منجر به تغییر شکل‌ها، خرابی‌ها و حتی فروپاشی کامل ساختمان‌ها شوند. برای روبه‌رو شدن با این تهدیدات، روش‌ها و تکنیک‌های زیادی برای مقاوم‌سازی و تقویت سازه‌ها به کار گرفته می‌شوند. یکی از رایج‌ترین تکنیک‌ها، استفاده از سیستم‌های مهاربند یا بادبند است. امروز در فولادسل قصد بررسی انواع مهاربند و کاربرد آن‌ها را داریم.
مهاربند یا بادبند چیست؟
وقتی از مقاومت سازه در برابر نیروهای جانبی صحبت می‌کنیم، اولین پرسش این است که بادبند چیست و چگونه می‌تواند از بروز خرابی جلوگیری کند. مهاربند یا بادبندها، یک سیستم ساختاری مهم، شامل تعدادی عضو مثل تیرها و ستون‌ها می‌شوند که به شکل‌های متفاوتی مثل ضربدری، وی‌شکل و یا دیگر الگوها در سازه قرار می‌گیرند. این اعضا با اتصال به بخش‌های مختلف ساختمان، به توزیع و انتقال نیروهای جانبی به قسمت‌های مقاوم‌تر سازه کمک می‌کنند. درکل، باد بندها به خاطر توانایی‌شان در جذب و توزیع انرژی ناشی از زلزله، نقش حیاتی در پیشگیری از آسیب‌های جدی به سازه ایفا می‌کنند.
در سازه‌های بتنی و فولادی، اجرای مهاربندها برای مقاوم‌سازی ساختمان بسیار رایج است. این سیستم‌ها به شکل قابل توجهی می‌توانند از تغییر شکل‌های ناخواسته سازه جلوگیری کنند و به بیشتر شدن پایداری ساختمان در مقابل نیروهای مخرب کمک کنند. علاوه بر همه این‌ها، باد بندها می‌توانند به کم شدن هزینه‌های تعمیر و نگهداری بعد از وقوع زلزله یا بادهای شدید کمک کنند، چرا که با توزیع مناسب نیروها، خرابی‌های احتمالی به کمترین حالت خود می‌رسد.
اهمیت سیستم‌های مهاربند در صنعت ساختمان‌سازی وقتی به وضوح مشخص می‌شود که ساختمان‌ها در معرض نیروهای جانبی قرار می‌گیرند. در این شرایط، وجود یک سیستم مقاوم و کارآمد می‌تواند از فروپاشی ساختمان ممانعت کند و جان ساکنان را نجات دهد. به همین خاطر، انتخاب و طراحی مناسب مهاربندها در مراحل اولیه ساخت و ساز از اهمیت بالایی برخوردار است.
اهمیت و کاربرد بادبند در ساختمان
برای هر مهندس سازه، پاسخ به این پرسش که بادبند چیست به معنای آشنایی با یکی از مهم‌ترین روش‌های مقاوم‌سازی است. هدف از نصب بادبند یا مهاربند در ساختمان، جلوگیری از تأثیر نیروهای جانبی و بارهای اضافی بوده که امکان دارد منجر به تخریب سازه شوند. بادبند با مهار این نیروهای مخرب، به کاهش خطر تلفات انسانی در حوادثی مثل زلزله کمک کرده و خسارات مالی را به کمترین حالت خود می‌رساند. یکی از اصول مهندسی زلزله شناخت این است که بادبند چیست و چرا به عنوان یک عنصر ضروری در سازه‌ها محسوب می‌شود. طراحی و اجرای انواع باد بندها، به‌ویژه در کشور ما که اغلب مناطق آن زلزله‌خیز هستند، از اهمیت خاصی برخوردار است و به توجه دقیق کارفرمایان نیاز دارد. مهندسان برای کاهش هزینه‌های اجرای مهاربندها، باید قیمت روز پروفیل قوطی را بررسی کرده و متناسب با بودجه، بهترین نوع پروفیل را انتخاب کنند.
انواع بادبند ساختمان
در طراحی سازه‌های مدرن، پاسخ به این سؤال که انواع بادبند چیست و هرکدام چه نقشی در تضمین پایداری و ایمنی دارد، از اهمیت بالایی برخوردار است. سیستم‌های بادبند در ساختمان به دو دسته اصلی سیستم‌های باد بندی همگرا و واگرا تقسیم می‌شوند. هر یک از این سیستم‌ها دارای ویژگی‌ها و کاربردهای خاصی هستند که بسته به نیازهای سازه‌ای و نوع ساختمان انتخاب می‌شوند. اما مفهوم سیستم واگرا یا همگرا در بادبند چیست؟
سیستم‌های بادبندی همگرا (Concentric Bracing Systems):
در سیستم‌های باد بندی همگرا، اعضای بادبند به گونه‌ای طراحی می‌شوند که محور آن‌ها در یک نقطه یا یک خط مشترک به هم می‌رسند و به ستون‌ها یا تیرها متصل می‌شوند. این سیستم‌ها بیشتر در ساختمان‌های فولادی و سازه‌های فلزی استفاده می‌شوند و به دلیل سادگی و کارایی بالا، یکی از رایج‌ترین انواع مهاربندها هستند.
مزایا:
- سختی و مقاومت بالا: به دلیل همگرایی نیروها در یک نقطه، این سیستم‌ها می‌توانند به طور موثری نیروهای جانبی مانند زلزله و باد را مهار کنند.
- اجرای ساده: نصب و اجرای این سیستم‌ها نسبت به سیستم‌های واگرا ساده‌تر است.
- هزینه کمتر: به دلیل استفاده کمتر از مصالح و پیچیدگی کمتر در طراحی و اجرا، هزینه‌های مرتبط با این سیستم‌ها معمولاً کمتر است.
معایب:
- تغییر شکل‌های موضعی: در برخی موارد، همگرایی نیروها می‌تواند منجر به تمرکز تنش و تغییر شکل‌های موضعی شود.
- محدودیت در طراحی معماری: به دلیل قرارگیری مهاربندها در مسیر دید و استفاده از فضا، ممکن است محدودیت‌هایی در طراحی معماری ایجاد شود.
انواع بادبند همگرا
باد بندهای همگرا (Concentric Bracing) انواع مختلفی دارند که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. این بادبند ها با توجه به نوع قرارگیری اعضا و شکل تشکیل‌دهنده آن‌ها به دسته‌های خاصی تقسیم می‌شوند. برخی از مهم‌ترین انواع مهاربندهای همگرا عبارتند از:
- بادبند ضربدری: اعضای باد بندی به شکل یک ضربدر (X) در میان دهانه‌های ساختمان قرار می‌گیرند. هر یک از اعضا، نیروهای فشاری و کششی را تحمل می‌کنند و به مقاومت سازه در برابر نیروهای جانبی کمک می‌کنند.
- مهاربند هفتی: در این نوع، دو عضو باد بندی از دو گوشه بالایی یک دهانه به یک نقطه مشترک در ستون یا تیر وسط دهانه متصل می‌شوند. این شکل به صورت حرف “V” یا “7” است.
- بادبند هشتی: این نوع قاب‌بندی شبیه به بادبند ۷ است، با این تفاوت که اعضا به صورت معکوس از پایین دهانه به نقطه‌ای در بالای دهانه متصل می‌شوند و شکلی شبیه به حرف “Λ” یا “V” برعکس ایجاد می‌کنند.
- مهاربند K شکل: در حالت k شکل، دو عضو مهاربندی از وسط ستون به نقاطی در تیرهای بالایی و پایینی دهانه متصل می‌شوند و شکلی شبیه به حرف “K” ایجاد می‌کنند.
- بادبند قطری: در این سیستم، تنها یک عضو باد بندی به صورت قطری (مورب) در یک دهانه نصب می‌شود.
- بادبند زانویی: سیستم قاب مهاربندی شده زانویی یکی از روش‌های نوین و مؤثر در اتلاف انرژی ناشی از بارهای دینامیکی است که دارای شکل‌پذیری بالا و سختی جانبی مناسب است. در سیستم قاب مهاربندی شده واگرا، تسلیم اتصال کوتاه در زلزله‌های شدید از کمانش قاب جلوگیری می‌کند.
- مهاربند دروازه‌ای: مهاربند دروازه‌ای با نام‌های دیگری مانند مهاربند پرده‌ای، مهاربند چندضلعی، مهاربند Y شکل و مهاربند خیمه‌ای نیز شناخته می‌شود. اگر این مهاربند از ۶ عضو تشکیل شده باشد، به آن مهاربند دروازه‌ای دو لنگه گفته می‌شود. در صورتی که مهاربند از ۳ عضو تشکیل شده باشد، به آن مهاربند دروازه‌ای تک لنگه یا Y شکل می‌گویند.
هر یک از این انواع بادبندهای همگرا می‌توانند بسته به نیاز سازه‌ای، نوع ساختمان و شرایط محیطی مورد استفاده قرار گیرند. انتخاب صحیح نوع بادبند تاثیر زیادی بر عملکرد لرزه‌ای و پایداری کلی ساختمان دارد.
سیستم‌های بادبندی واگرا (Eccentric Bracing Systems):
در سیستم‌های بادبندی واگرا، برخلاف سیستم‌های همگرا، محور اعضای بادبند در یک نقطه یا خط مشترک به هم نمی‌رسند و به جای آن، با یک فاصله مشخص از یکدیگر قرار می‌گیرند. این فاصله باعث ایجاد یک بخش غیرهمگرا (واگرا) می‌شود که نیروها را از مسیر مستقیم عبور نمی‌دهد. این سیستم‌ها معمولاً در ساختمان‌هایی که نیاز به طراحی‌های انعطاف‌پذیرتر و معماری خاص دارند، استفاده می‌شوند.
مزایا:
- کاهش تغییر شکل‌های موضعی: با توجه به فاصله‌ای که بین اعضای بادبند وجود دارد، تمرکز تنش و تغییر شکل‌های موضعی کاهش می‌یابد.
- افزایش انعطاف‌پذیری در طراحی معماری: این سیستم‌ها به معماران اجازه می‌دهند تا طراحی‌های آزادانه‌تری داشته باشند و از فضاهای داخلی بهینه‌تری استفاده کنند.
- جذب انرژی بیشتر: سیستم‌های واگرا قادر به جذب انرژی بیشتری هستند که می‌تواند در برابر زلزله‌های قوی‌تر مؤثر باشد.
معایب:
- پیچیدگی بیشتر در طراحی و اجرا: به دلیل نیاز به محاسبات دقیق‌تر و طراحی‌های پیچیده‌تر، این سیستم‌ها از نظر اجرای فنی چالش‌برانگیزتر هستند.
- هزینه بالاتر: استفاده از مصالح بیشتر و طراحی پیچیده‌تر می‌تواند منجر به افزایش هزینه‌ها شود.
انواع بادبند واگرا
باد بندهای واگرا (Eccentric Bracing Systems) از جمله سیستم‌های مقاوم در برابر زلزله هستند که در طراحی سازه‌ها به کار می‌روند. در این نوع میانقاب، برای جلوگیری از کمانش اعضای فشاری و همچنین بهبود شکل‌پذیری سازه، از تیرهای پیوند (Link Beams) استفاده می‌شود. انواع مختلف باد بندهای واگرا بر اساس تعداد اعضای قطری و تیرهای پیوند به شرح زیر است:
- بادبند واگرا با یک عضو قطری و یک تیر پیوند: یک عضو قطری به یک تیر پیوند متصل می‌شود. تیر پیوند در این سیستم نقش جذب انرژی و تغییرشکل‌های پلاستیک را ایفا می‌کند.
- بادبند واگرا با دو عضو قطری و دو تیر پیوند: دو عضو قطری به دو تیر پیوند متصل می‌شوند. این سیستم به دلیل داشتن دو تیر پیوند، قابلیت جذب انرژی بیشتری دارد و پایداری بیشتری در برابر نیروهای لرزه‌ای ایجاد می‌کند.
- بادبند واگرا با دو عضو قطری و یک تیر پیوند: دو عضو قطری به یک تیر پیوند متصل می‌شوند. این سیستم ترکیبی از سختی بیشتر و شکل‌پذیری را فراهم می‌کند.
- بادبند واگرا با یک عضو قطری و دو تیر پیوند: این نوع کمتر معمول است، و شامل یک عضو قطری است که به دو تیر پیوند متصل می‌شود. این سیستم نیز به نوبه خود ترکیب خاصی از سختی و شکل‌پذیری را به سازه اضافه می‌کند.
بادبند عمودی یا قائم
این نوع مهاربندها در صفحات عمودی بین ستون‌ها قرار می‌گیرند تا بارهای اضافی را به‌صورت عمودی به زمین منتقل کنند. در بیشتر سازه‌های فلزی، برای افزایش مقاومت در برابر پیچ‌خوردگی ناشی از نیروهای عمودی اضافی، استفاده از این نوع بادبندها ضروری است.
بادبند افقی
بادبندها می‌توانند به‌صورت افقی نیز در سازه طراحی شوند. این عناصر در هر طبقه مسیری برای انتقال نیروهای افقی به بادبندهای عمودی ایجاد می‌کنند. بنابراین، در ساختمان‌های مقاوم از بادبندهای افقی در هر طبقه استفاده می‌شود. همچنین در برخی پروژه‌ها، بام ساختمان نیز به بادبند افقی نیاز دارد.
جمع‌بندی بررسی بادبند یا مهاربند
همانطور که بررسی کردیم، یکی از اصول مهندسی زلزله شناخت این است که بادبند چیست و چرا به عنوان یک عنصر ضروری در سازه‌ها محسوب می‌شود. در مورد کاربرد سازه در ساختمان، می‌توان گفت که بادبندها نقش حیاتی در تأمین پایداری و ایمنی سازه‌ها در برابر نیروهای جانبی و عمودی، به‌خصوص در مواجهه با زلزله و باد دارند. انواع مختلف بادبندها شامل واگرا، همگرا، عمودی و افقی، هر یک باتوجه به شرایط خاص سازه و نوع نیروهایی که به آن وارد می‌شود، انتخاب و به‌کار گرفته می‌شوند.
لازم به ذکر است که انتخاب نوع و محل قرارگیری باد بندها باید با دقت و با در نظر گرفتن نیازهای خاص هر پروژه انجام شود تا علاوه بر تأمین ایمنی، کارایی و دوام سازه نیز تضمین شود.