به طورکلی بارهایی که به یک ساختمان وارد می شوند، به دو دسته بارهای قائم (ثقلی) و بارهای جانبی تقسیم میشوند. برای انتقال بارهای ثقلی و بارهای جانبی سازه، از سیستم های باربر سازه ای استفاده میشود که وظیفه توزیع و انتقال این نیروها به فونداسیون و سپس به زمین را برعهده دارد. سیستم سازه‌ای مناسب برای یک ساختمان، با توجه به کاربری مورد نیاز و شرایط بارگذاری مورد انتظار تعیین میشود.
۱- سیستم باربر ثقلی(قائم)
بارهای ثقلی شامل بارهایی میشود که به‌صورت قائم به سازه وارد میشوند. که عمدتاً ناشی از وزن اجزای سازه، بار زنده ساختمان و بار برف است. مسئولیت تحمل این بارها، بر عهده تیرها و ستون ها میباشد. بار قائم که ناشی از وزن المانها و افراد و وسایل است، ابتدا به کف سازه وارد میشود و سپس به تیرها میرسد، و در نهایت به ستونها و سپس به پی و زمین منتقل میشود. به مچموعه این سیستم، سیستم باربر ثقلی گفته میشود. در واقع مجموعه اعضای سازه ای که در برابر بارهای ثقلی مقاومت میکنند، شامل سیستم باربر ثقلی میشوند.
۲- سیستم باربر جانبی
سیستم باربر جانبی قسمتی از یک سازه است که وظیفه دارد در برابر بارهای جانبی مقاومت کرده و آنها را از مسیری ایمن به سمت شالوده هدایت کند.
انواع سیستم های سازه ای
انواع سیستم های سازه ای از دیدگاه آیین نامه ۲۸۰۰ به صورت زیر دسته بندی شده اند:
۱- سیستم دیوارهای باربر
۲- سیستم قاب ساختمانی
۳- سیستم قاب خمشی
۴- سیستم دوگانه یا ترکیبی
۵- سیستم کنسولی
۶- سایر سیستم های سازه ای
۱- سیستم دیوارهای باربر
دیوار باربر دیواری است که، علاوه بر وزن خود، وزن طبقات بالاتر و سقف ها را نیز تحمل کرده، و به فونداسیون منتقل میکند. دیوارهای باربر میتوانند داخلی یا خارجی باشند. در این نوع سیستم سازه‌ای دیوارها و یا قابهای مهاربندی‌شده به‌طور هم‌زمان دارای دو نقش تأمین مقاومت در برابر بارهای ثقلی و تأمین مقاومت در برابر بارهای جانبی می‌باشند. سیستم قالب تونلی و سازه‌های بنایی با دیوار باربر و دیوارهای متشکل از قابهای سبک فولادی سرد نورد با تسمه فولادی و یا صفحات پوششی فولادی مهارشده‌اند، جزء این سیستم‌اند. در این سیستم معمولاً تیر وجود ندارد و خمش ناشی از بارهای قائم و جانبی توسط سیستم سقف که عموماً دال میباشد، تحمل میکنند.
۲- سیستم قاب ساختمانی
در این سیستم اتصال تیر به ستون مفصلی است و سختی خمشی تیر در جذب نیروهای جانبی زلزله مشارکت ندارد. این سیستم بارهای قائم را به کمک تیر و ستون تحمل میکند و به‌تنهایی توانایی جذب و تحمل بارهای جانبی را نداشته و در اثر اعمال بارهای جانبی ناپایدار است؛ بنابراین برای ایجاد مقاومت و نامعینی و پایداری در این سیستم می‌بایست یا از اعضای مورب تحت عنوان مهاربند استفاده نمود و یا دیوار برشی فولادی یا بتن‌آرمه تعبیه نمود. یکی از متداول ترین راهکارهایی که برای انتقال بار های جانبی وارد بر سازه به فونداسیون بکار می‌رود، استفاده از بادبند در قاب میباشد. به طور کلی مهاربندهای فولادی بر اساس محل تقاطع محور طولی بادبند با محور طولی تیر و یا ستون به دو دسته مهاربند های همگرا و مهاربند های واگرا تقسیم بندی میشوند.
۳- سیستم قاب خمشی
قاب های خمشی در سازه به عنوان یکی از مؤثرترین سیستم‌های سازه‌ای در مهندسی عمران شناخته میشوند که با استفاده از اتصالات صلب بین تیرها و ستونها، توانایی تحمل لنگرهای خمشی ناشی از بارهای جانبی مانند زلزله و باد را دارند. این سیستم با بهره‌گیری از تغییرشکل‌های الاستیک و پلاستیک، انرژی زلزله را جذب کرده و از تخریب ناگهانی سازه جلوگیری میکند، به همین دلیل برای ساختمان‌های بلندمرتبه، بیمارستان‌ها و مناطق زلزله‌خیز گزینه‌ای ایده‌آل محسوب میشود. در مقابل، قابهای ساده با اتصالات مفصلی، تنها بارهای عمودی را منتقل میکنند و برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی نیاز به بادبند یا دیوار برشی دارند، بنابراین بیشتر در سوله‌های صنعتی و سازه‌های کم اهمیت به کار می‌روند. انتخاب بین این دو سیستم به عواملی مانند میزان خطر لرزه خیزی منطقه، بودجه پروژه و نوع کاربری سازه بستگی دارد و در بسیاری از موارد، استفاده ترکیبی از آن ها می تواند به راه حلی بهینه منجر شود.
۴- سیستم‌های دوگانه یا ترکیبی
نوعی سیستم سازه‌ای است که در آن بارهای قائم عمدتاً توسط قابهای سـاختمانی تحمل می‌شـوند. مقاومـت در برابـر بارهـای جـانبی توسـط مجموعه‌ای از دیوارهای برشـی یـا قاب‌هـای مهاربنـدی شـده همراه با مجموعه‌ای از قابهای خمشی صورت می‌گیرد. سهم باربری جانبی هر یک از دو مجموعـه بـا توجـه بـه سـختی جانبی و اندرکنش آن دو، درتمام طبقات تعیـین مـی‌شـود. قابهای خمشی قادرند به تنهایی، حداقل ۲۵ درصـد نیـروی جانبی وارد به ساختمان را تحمل کنند.
۵- سیستم کنسولی
نوعی سیستم سازه‌ای است که در آن نیروهای جانبی توسط ستون به‌صورت کنسولی تحمل میشوند. سازه‌های کنسولی با استفاده از این ایده طراحی میشوند و در آنها ستونها عملکردی مشابه یک ستون طره دارند و به‌عنوان تنها عنصر باربر بارهای جانبی ناشی از زلزله و باد را تحمل میکنند. به‌عبارت‌دیگر در این سیستم‌ها نیروهای جانبی ناشی از زلزله مستقیماً از سقف به ستون منتقل میشوند. درواقع این سازه‌ها یک ستون یکسر گیردار هستند و عملکرد خمشی دارند. حداکثر ارتفاع مجاز این سیستم سازه بیش از ۱۰ متر میباشد و دارای ویژگی‌هایی نظیر شکل‌پذیر کم و سختی زیاد است. سازه‌های پارکینگ و سایبان ماشین‌ها از مصادیق این سیستم هستند.
۶- سایر سیستم های سازه ای
سیستم های سازه ای غیر از موراد فوق، به شرطی مجاز است که ویژگی های آن ها در ارتباط با بارهای قائم و زلزله توسط یکی از آیین نامه های معتبر جهانی، به تایید کمیته اجرایی آیین نامه ۲۸۰۰ رسیده باشد.
قاب چیست؟
یک قاب (Frame) در کلی‌ترین تعریف خود، یک ساختار یا چارچوب است که برای احاطه کردن، حمایت کردن، تثبیت کردن یا سازمان‌دهی اجزای دیگر طراحی شده است.
در مهندسی سازه و عمران، قاب به یک سیستم سازه‌ای متشکل از تیرها (Beams) و ستونها (Columns) گفته میشود که به‌صورت صلب یا نیمه‌صلب به یکدیگر متصل شده‌اند تا بارهای ثقلی (نیروهای عمودی) و بارهای جانبی (مانند نیروی باد یا زلزله) را تحمل و به فونداسیون منتقل کنند. این قاب‌ها اسکلت اصلی ساختمان‌ها، پل‌ها و دیگر سازه‌ها را تشکیل می‌دهند.
کاربرد قاب چیست؟
اصلی‌ترین کاربرد قاب‌ها در حوزه سازه‌ای و عمرانی است. قابهای سازه‌ای اسکلت باربر ساختمان‌ها، پل‌ها، سوله‌های صنعتی، برج‌ها و بسیاری دیگر از سازه‌ها را تشکیل می‌دهند. این قاب‌ها مسئول تحمل و انتقال ایمن تمام بارهای وارد بر سازه ) وزن خود سازه، تجهیزات داخلی آن، برف، باران، باد و زلزله( به زمین هستند.
قاب خمشی چیست؟
قاب خمشی Moment Resisting Frame یاMRF یک سیستم سازه‌ای خاص و بسیار مهم در مهندسی عمران و زلزله است که برای مقابله با بارهای جانبی (عمدتاً ناشی از زلزله و باد) طراحی میشود. ویژگی تعیین‌کننده و متمایزکننده این نوع قاب از انواع دیگر، اتصالات صلب (Rigid Connections) یا اتصالات خمشی (Moment Connections) بین تیرها و ستونها است.
اتصالات صلب: بر خلاف اتصالات ساده (مفصلی) که فقط قابلیت انتقال نیروی برشی را دارند، اتصالات صلب در قابهای خمشی این قابلیت را ایجاد میکنند که گشتاور خمشی (Bending Moment) به‌طور قابل توجهی بین تیر و ستون منتقل شود. این اتصالات از طریق جوشکاری کامل، استفاده از صفحات انتهایی (End Plates) با بولت‌های پرقدرت یا دیگر جزئیات اجرایی خاص ایجاد میشوند تا اطمینان حاصل شود که زاویه بین تیر و ستون در حین اعمال بار، تقریباً ثابت می‌ماند.
مکانیزم عملکرد: هنگامی که یک نیروی جانبی (مثلاً از طرف زلزله) به سازه وارد میشود، قاب خمشی با جابجا شدن به صورت برشی (Shear Deformation) واکنش نشان می‌دهد. در این حالت، تیرها و ستونها به‌طور یکپارچه عمل کرده و با خمش خود (کمانش تیرها و خمش دوطرفه ستونها) انرژی ناشی از نیروی جانبی را جذب و مستهلک میکنند. این رفتار باعث میشود سازه بتواند تغییرمکان‌های جانبی قابل توجهی را بدون ریزش تجربه کند.
انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری (Ductility): قابهای خمشی به‌طور کلی سیستم‌های شکل‌پذیر محسوب میشوند. این بدان معناست که آنها میتوانند تغییرشکل‌های پلاستیک بزرگ و قابل توجهی در نقاط خاصی (معمولاً در انتهای تیرها که به عنوان “فولادهای تسلیم” طراحی شده‌اند) از خود نشان دهند و در عین حال بخش عمده‌ای از ظرفیت باربری خود را حفظ کنند. این خاصیت کلیدی باعث میشود قاب خمشی بتواند انرژی زلزله را به‌خوبی مستهلک کند و از تخریب ناگهانی سازه جلوگیری نماید.
مقایسه قاب خمشی با قاب معمولی با اتصالات ساده:
در یک قاب با اتصالات ساده (مفصلی)، بارهای جانبی عمدتاً باید توسط سیستم‌های دیگری مانند بادبندها (Braces) یا دیوارهای برشی (Shear Walls) تحمل شوند، زیرا اتصالات قابلیت انتقال گشتاور را ندارند. اما در قاب خمشی، خود قاب به‌تنهایی مسئول مقابله با این بارها است.
کاربرد قاب خمشی چیست؟
کاربرد اصلی و حیاتی قابهای خمشی در سازه‌هایی است که در معرض بارهای جانبی قوی، به‌ویژه در مناطق زلزله‌خیز قرار دارند. این سیستم به‌عنوان یکی از متداول‌ترین و موثرترین سیستم‌های باربر جانبی شناخته میشود.
ساختمان‌های مرتفع (برج‌ها): در آسمان‌خراش‌ها، نیروهای باد به‌عنوان بار جانبی غالب مطرح هستند. استفاده از قابهای خمشی (اغلب در ترکیب با هسته مرکزی بتنی یا دیوارهای برشی) اجازه می‌دهد تا سازه سختی و پایداری لازم را در مقابل این نیروها به‌دست آورد و تغییرمکان‌های جانبی (Drift) را در محدوده مجاز کنترل کند تا آسیبی به عناصر غیرسازه‌ای وارد نشود و احساس راحتی برای ساکنان ایجاد شود.
ساختمان‌ها با معماری باز و فضاهای بدون ستون: یکی از بزرگ‌ترین مزیت‌های قابهای خمشی ایجاد دهانه‌های وسیع و فضاهای داخلی کاملاً باز و بدون مانع است. از آن‌جایی که این سیستم برای مقابله با بارهای جانبی به وجود بادبند یا دیوار برشی نیاز ندارد، آزادی عمل کامل را در طراحی پلان معماری (از جمله نمای کاملاً شیشه‌ای) به طراح می‌دهد. این ویژگی آن را برای طراحی ساختمان‌های اداری مدرن، مراکز خرید، سالن‌های ورزشی، موزه‌ها و به‌طور کلی هر ساختمانی که به فضای داخلی وسیع و قابل انعطاف نیاز دارد، ایده‌آل می‌سازد.
سازه‌های با اهمیت بالا (Essential Facilities): ساختمان‌هایی که باید حتی پس از یک زلزله شدید نیز به عملکرد خود ادامه دهند (مانند بیمارستان‌ها، مراکز آتش نشانی، مراکز ارتباطی و اورژانس)، اغلب از قابهای خمشی ویژه (Special Moment Frames – SMF) استفاده میکنند. این قاب‌ها تحت آیین‌نامه‌های سخت‌گیرانه‌تری (مانند AISC 341 در ایالات متحده) طراحی و اجرا میشوند تا از شکل‌پذیری و توانایی جذب انرژی بسیار بالاتری برخوردار باشند و بتوانند در برابر زلزله‌های شدید بدون ریزش مقاومت کنند.
انواع قاب های خمشی در سازه
قاب های خمشی در سازه نقش کلیدی در مقاومت ساختمان در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله و باد ایفا می کنند. انواع قاب خمشی نیروهای وارده به سازه را به صورت یکنواخت بین تیرها و ستون ها توزیع می کنند تا امکان جذب انرژی و تغییرشکل پلاستیک را فراهم کنند. همین ویژگی، قاب های خمشی را به گزینه ای ایده آل برای مناطق زلزله خیز تبدیل کرده است.
قابهای خمشی در دو نوع بتنی (بر اساس آیین‌نامه ACI 318) و فولادی (طبق استاندارد AISC 360) سازه های فولادی و بتنی و در سه سطح شکل پذیری معمولی (OMF)، متوسط (IMF) و ویژه (SMF) طراحی می شوند. انعطاف پذیری بالای سیستم‌های قاب خمشی باعث شده تا از آنها به صورت سیستم دوگانه یا ترکیبی نیز استفاده شود. این سیستم‌ها ترکیبی از دو سیستم باربر جانبی هستند مثلا قاب خمشی – مهاربند، قاب خمشی – دیوار برشی و قاب خمشی- خرپا که هر کدام عملکرد متفاوتی در انتقال نیروها دارند.
۱- قاب های خمشی معمولی (OMF)
قاب خمشی معمولی (Ordinary Moment Frame) یکی از سیستم‌های سازه‌ای متداول است که در آن اتصالات تیر به ستون به صورت نیمه صلب طراحی میشوند و توانایی محدودی در تحمل لنگرهای خمشی ناشی از بارهای جانبی مانند زلزله دارند. برخلاف قابهای خمشی ویژه که برای مناطق با خطر لرزه‌خیزی بالا استفاده میشوند، این قاب های خمشی در سازه تغییرشکل پذیری کمتری داشته و عمدتا در ساختمان های کوتاه یا مناطقی با خطر زلزله خیزی متوسط به کار می روند و نسبت به قاب های خمشی ویژه، نیاز به جزئیات اجرایی ساده تر و هزینه کمتر دارد، اما در عوض، شکل پذیری و توانایی جذب انرژی کمتری در برابر زلزله از خود نشان می‌دهد. از این رو، در پروژه هایی که الزامات لرزه ای خیلی سختگیرانه نیستند، انتخابی اقتصادی و کاربردی محسوب میشود.
۲- قاب های خمشی متوسط (IMF)
قابهای خمشی متوسط (Intermediate Moment Frame) قاب‌هایی هستند که میتوانند در برابر نیروی جانبی زلزله تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی محدودی را تحمل کنند. این سیستم از نوع معمولی عملکرد بهتری داشته و در طراحی اعضا و اتصالات آن، چنانچه بخشی از سیستم باربر لرزه‌ای سازه باشند، باید الزامات تکمیلی سخت گیرانه‌تری نسبت به قابهای خمشی معمولی لحاظ شود.
از این سیستم برای مناطقی که سطح زلزله خیزی متوسطی دارند استفاده شده و لازم است یا از اتصالات گیردار پیش تایید شده استفاده شود یا اینکه با انجام آزمایش کنترل کیفیت از کیفیت اتصالات اطمینان حاصل کرد.
۳- قاب های خمشی ویژه (SMF)
قابهای خمشی ویژه (Special Moment Frame) قاب‌هایی هستند که قادر به تحمل نیروی جانبی زلزله و تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی قابل ملاحظه‌ای هستند. برای طراحی اعضا و اتصالات این نوع قاب‌ها، چنانچه بخشی از سیستم باربر لرزه‌ای سازه باشند، الزامات لرزه‌ای سخت‌گیرانه‌تری نسبت به قابهای خمشی متوسط در نظر گرفته شده است. این سیستم‌ها از بهترین انواع سیستم باربر جانبی بوده و برای تحمل بارهای دینامیکی بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند از طرفی همانطور که گفتیم شکل‌پذیری این سیستم بسیار بالا است.
از این سیستم برای مناطقی استفاده میشود که دارای سطح لرزه‌خیزی متوسط تا بسیار زیاد هستند. در سیستم قاب خمشی ویژه هم باید از اتصالات گیردار پیش‌تاییدشده استفاده کرد و هم لازم است تا آزمایش کنترل کیفیت انجام شود.
مزایا قاب خمشی
به طور کلی از مهم ترین مزایای این سیستم ها می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- انعطاف پذیری بالا
- ایجاد فضای خوب و آزادی عمل در معماری
- قابلیت تقویت در صورت وارد شدن بارهای اضافه
- به علت نوع طراحی دسترسی راحت به مصالح
- سرعت اجرای بالا
قاب فولادی چیست؟
قابهای فولادی به عنوان اسکلت اصلی بسیاری از سازه‌های بلندمرتبه، صنعتی و مسکونی مدرن شناخته میشوند. انتخاب نوع سیستم قاب‌بندی یکی از اساسی‌ترین تصمیم‌ات در فرآیند طراحی سازه است که مستقیماً بر روی ایمنی، عملکرد لرزه‌ای، هزینه و سرعت اجرای پروژه تأثیر می‌گذارد. این سیستم‌ها عمدتاً بر اساس نحوه انتقال بارهای قائم (ناشی از وزن مرده و بار زنده) و بارهای جانبی (ناشی از زلزله و باد) دسته‌بندی میشوند. رفتار اتصالات در این قاب‌ها (صلب، نیمه صلب یا ساده) نیز نقش تعیین‌کننده‌ای در تحلیل و طراحی دارد. درک ویژگی‌ها، مزایا و محدودیت‌های هر سیستم برای مهندسین عمران و معماران جهت دستیابی به بهینه‌ترین طراحی ضروری است.
انواع قاب های فولادی
۱. قاب خمشی معمولی (OMF – Ordinary Moment Frame)
قابهای خمشی معمولی سیستم‌هایی هستند که در آنها اتصالات تیر به ستون، به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا بتوانند لنگرهای خمشی ناشی از بارهای جانبی را انتقال دهند. این قاب‌ها دارای کمترین میزان شکل‌پذیری و اتلاف انرژی هستند. درجه نامعینی و مقاومت آنها پایین‌تر است و به همین دلیل، استفاده از آنها در مناطق با خطر لرزه‌خیزی بسیار بالا معمولاً محدودیت دارد. اتصالات در این قاب‌ها اغلب از نوع نیمه صلب یا حتی ساده هستند و جزئیات اجرایی آنها ساده‌تر است. طبق استاندارد AISC، ضریب تعدیل پاسخ لرزه‌ای (R-factor) برای این سیستم پایین (معمولاً ۳.۵) در نظر گرفته میشود که نشان‌دهنده رفتار نسبتاً ترد آن در برابر زلزله است.
۲. قاب خمشی متوسط (IMF – Intermediate Moment Frame)
این قاب‌ها سطح میانی از عملکرد لرزه‌ای را بین قابهای معمولی و ویژه ارائه می‌دهند. الزامات طراحی و اجرایی برای IMFها سخت‌گیرانه‌تر از OMFهاست. در این قاب‌ها، اتصالات باید بتوانند تغییرشکل‌های غیرالاستیک بیشتری را بدون از دست دادن قابل توجه مقاومت تحمل کنند. طراحی آنها بر اساس ظرفیت انجام میشود تا از تشکیل مکانیسم‌های خرابی ناگهانی جلوگیری شود و مفاصل پلاستیک در محل‌های از پیش تعیین شده (معمولاً انتهای تیرها) تشکیل شوند. ضریب R برای این سیستم‌ها معمولاً حدود ۴.۵ تا ۵ در نظر گرفته میشود. این قاب‌ها برای ساختمان‌های با اهمیت متوسط در مناطق با لرزه‌خیزی متوسط گزینه مناسبی هستند.
۳. قاب خمشی ویژه (SMF – Special Moment Frame)
قابهای خمشی ویژه، پیشرفته‌ترین و کارآمدترین سیستم قاب خمشی در برابر بارهای لرزه‌ای هستند. هدف اصلی از طراحی SMFها، ایجاد یک سیستم بسیار شکل‌پذیر با توانایی اتلاف انرژی بسیار بالا از طریق تشکیل مفاصل پلاستیک و تغییرشکل‌های بزرگ بدون ریزش است. الزامات طراحی این قاب‌ها بسیار سختگیرانه است و شامل جزئیات خاصی در ناحیه اتصال تیر به ستون میشود تا از کمانش موضعی جلوگیری شود. همچنین، مقررات دقیقی برای “اتصال مقاومت‌یافته” (Strong Column-Weak Beam) وجود دارد تا اطمینان حاصل شود که خرابی در تیرها (که عناصر باربر ثانویه هستند) رخ می‌دهد، نه در ستونها (که عناصر اصلی باربر هستند). ضریب R برای این سیستم‌ها بالا (معمولاً ۸) است که به معنی کاهش قابل توجه نیروی وارده براثر زلزله میباشد.
۴. قابهای ساده (Simple Frames)
در این سیستم، اتصالات تیر به ستون فقط قادر به انتقال برش (نیروی عمودی) هستند و هیچ لنگر خمشی قابل توجهی را انتقال نمی‌دهند. این اتصالات اغلب به عنوان “مفاصل” یا “لولا” در نظر گرفته میشوند. پایداری جانبی کل سازه در این سیستم‌ها باید توسط عناصر دیگری مانند دیوارهای برشی یا مهاربندها تأمین شود. تیرها در این قاب‌ها به صورت اعضای ساده طراحی میشوند که این امر محاسبات را بسیار ساده‌تر میکند. این سیستم از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است و برای سازه‌هایی که در مناطق کم‌خطر قرار دارند یا پایداری جانبی آنها توسط سیستم دیگری تأمین میشود، گزینه ایده‌آلی است.
۵. قابهای نیمه صلب (Semi-rigid Frames)
این قاب‌ها رفتاری بینابین بین قابهای ساده و قابهای صلب (خمشی) دارند. اتصالات در این سیستم‌ها تا حدی قادر به انتقال لنگر هستند، اما کامل نیستند و درجه‌ای از چرخش را اجازه می‌دهند. طراحی و تحلیل این قاب‌ها به مراتب پیچیده‌تر است، زیرا رفتار غیرخطی اتصالات باید در مدل‌سازی در نظر گرفته شود. استاندارد AISC در ویرایش‌های اخیر (مانند AISC 360) راهنمایی‌هایی برای طراحی این نوع اتصالات ارائه داده است. استفاده از این سیستم می‌تواند به بهینه‌سازی مقاطع تیر و ستون و در نتیجه صرفه‌جویی در مصالح منجر شود، اما نیازمند دقت بالا در محاسبات و ساخت است.
۶. قابهای مهاربندی شده (Braced Frames)
این سیستم‌ها با استفاده از اعضای مورب (مهاربند) که معمولاً به صورت ضربدری، کا (K)، وی (V) یا اینورت طراحی میشوند، پایداری جانبی سازه را تأمین میکنند. این اعضای مورب، اغلب به صورت اعضای فشاری یا کششی عمل کرده و مانند یک سیستم قائم، بارهای جانبی را به فونداسیون منتقل میکنند. این سیستم‌ها بسیار کارآمد و صلب هستند و تغییرمکان جانبی کمتری را تجربه میکنند. آنها به دو دسته اصلی تقسیم میشوند:
۶-۱. مهاربند همگرا (CBF – Concentric Braced Frames)
در این سیستم، محورهای تمام اعضای مهاربند، تیر و ستون در یک نقطه (موسوم به “گره”) همگرا میشوند. این سیستم بسیار صلب و اقتصادی است. با این حال، رفتار آن در برابر زلزله می‌تواند مشکل‌ساز باشد؛ زیرا مهاربندها در فشار کمانش میکنند و پس از کمانش، ظرفیت باربری و سختی خود را به شدت از دست می‌دهند. برای بهبود این رفتار، انواع خاصی مانند مهاربندهای کمانش‌ناپذیر (BRB) توسعه یافته‌اند.
۶-۲. مهاربند واگرا (EBF – Eccentric Braced Frames)
این سیستم یک هیبرید هوشمندانه بین قاب خمشی و قاب مهاربندی شده است. در EBFها، محور مهاربندها به عمد طوری طراحی میشود که در یک نقطه به تیر متصل نشوند و در نتیجه یک قسمت از تیر (معروف به ” لینک بیم”) بین انتهای مهاربند و ستون (یا بین دو مهاربند) ایجاد شود. این تیر کوتاه ( لینک ) به عنوان یک فیوز قابل تعویض عمل میکند و با تسلیم برشی یا خمشی، انرژی زلزله را به طور قابل توجهی مستهلک میکند. در حالی که سایر اعضای اصلی سازه (ستونها، مهاربندها و سایر قسمت‌های تیر) در ناحیه الاستیک باقی می‌مانند. این سیستم ترکیبی عالی از سختی بالا (مربوط به مهاربند) و شکل‌پذیری فوق‌العاده (مربوط به لینک ) ارائه می‌دهد.
کاربرد قاب های فولادی
قابهای فولادی به دلیل استحکام بالا، سرعت اجرا و انعطاف‌پذیری در طراحی، ستون فقرات سازه‌های معاصر را تشکیل می‌دهند. کاربرد اصلی این قاب‌ها در ساخت سازه های بلند (برج‌های اداری و مسکونی)، سازه‌های صنعتی (مانند کارخانه‌ها، انبارهای بزرگ و پل‌ها) و ساختمان‌های عمومی با دهانه‌های وسیع (مانند سالن‌های ورزشی، فرودگاه‌ها و مراکز خرید) است. در این پروژه‌ها، قابهای فولادی با تحمل بارهای سنگین ثقلی و نیروهای جانبی ناشی از باد یا زلزله، ایمنی و پایداری کل سازه را تضمین میکنند.
انتخاب نوع قاب (خمشی، مهاربندی شده یا ساده) به طور مستقیم به نیازهای پروژه بستگی دارد. برای مثال، در مناطق با خطر لرزه‌ای بالا از قابهای خمشی ویژه (SMF) یا مهاربندهای واگرا (EBF) برای جذب انرژی استفاده میشود، در حالی که برای سازه‌های صنعتی که نیاز به فضای باز داخلی دارند، قابهای ساده به همراه سیستم‌های مهاربندی در پیرامون به کار می‌روند. به طور خلاصه، انعطاف پذیری، دوام و قابلیت پیش‌سازی، قابهای فولادی را به یکی از پرکاربردترین و اقتصادی‌ترین سیستم‌های سازه‌ای در جهان تبدیل کرده است.
از قابهای خمشی فولادی همچنین به‌عنوان یک سیستم اضافی برای تقویت سازه‌های موجود که در برابر زلزله آسیب‌پذیر تشخیص داده میشوند، استفاده می‌گردد. اضافه کردن این قاب‌ها می‌تواند سختی، مقاومت و شکل‌پذیری کلی سازه را به‌طور قابل توجهی افزایش دهد.
قاب خمشی بتنی
قابهای بتنی مسلح به عنوان رایج‌ترین و پرکاربردترین سیستم سازه‌ای در سراسر جهان شناخته میشوند که این محبوبیت مرهون مزایای منحصر به فردی همچون قابلیت شکل‌پذیری بالا در اجرا، مقاومت بسیار خوب در برابر آتش، دسترسی آسان به مواد اولیه و هزینه نسبتاً پایین آن است. رفتار این قاب‌ها تحت بارهای ثقلی و جانبی، مستقیماً به جزئیات آرماتورگذاری و کیفیت اجرا وابسته است، به طوری که استانداردهای طراحی لرزه‌ای با تعریف سطوح مختلفی از سیستم‌های قاب خمشی (معمولی، متوسط و ویژه)، الزامات خاصی را برای نحوه مسلح کردن تیرها، ستونها و اتصالات آنها وضع کرده‌اند تا اطمینان حاصل شود که سازه می‌تواند بدون فروریزی، تغییرشکل‌های بزرگ ناشی از زلزله‌های شدید را تحمل کند. علاوه بر قابهای خمشی، استفاده از دیوارهای برشی یا مهاربندها در قابهای بتنی نیز برای افزایش صلبیت و مقاومت سازه بسیار متداول است.
انواع قاب های بتنی
۱. قاب خمشی بتنی ساده (Ordinary Moment Frame – OMF)
قابهای خمشی بتنی ساده، سیستم‌هایی هستند که در آنها اتصالات تیر به ستون برای مقاومت در برابر لنگرهای ناشی از بارهای جانبی طراحی میشوند، اما الزامات آرماتورگذاری برای آنها نسبت به قابهای ویژه کمتر سختگیرانه است. در این سیستم‌ها، انتظار نمی‌رود که سازه بتواند تغییرشکل‌های غیرالاستیک بزرگ و قابل تکرار را بدون افت قابل توجه مقاومت تحمل کند؛ به عبارت دیگر، شکل‌پذیری و توانایی استهلاک انرژی در این قاب‌ها محدود است. به دلیل ظرفیت تغییرمکان جانبی نسبتاً کم و رفتار شکل‌پذیری پایین، استفاده از این سیستم در مناطق با خطر لرزه‌خیزی بالا مجاز نیست و معمولاً برای مناطق با خطر لرزه‌خیزی بسیار پایین یا برای سازه‌های کوتاه‌مرتبه توصیه میشود. ضریب تعدیل پاسخ لرزه‌ای (R-factor) برای این سیستم طبق استاندارد ASCE 7 معمولاً حدود ۳ در نظر گرفته میشود.
۲. قاب خمشی بتنی متوسط (Intermediate Moment Frame – IMF)
قابهای خمشی بتنی متوسط سطحی بالاتر از عملکرد لرزه‌ای را نسبت به قابهای ساده ارائه می‌دهند و الزامات طراحی و جزئیات آرماتورگذاری در آنها دقیق‌تر است. هدف از طراحی این قاب‌ها، ایجاد مقداری شکل‌پذیری و توانایی تحمل تغییرشکل‌های غیرالاستیک محدود است. در این سیستم، برای جلوگیری از شکست برشی ناگهانی، باید از آرماتورهای عرضی (خاموت‌ها)ی محصورکننده نزدیک به انتهای تیرها و ستونها استفاده شود. اگرچه این سیستم نسبت به قاب ساده عملکرد بهتری دارد، اما هنوز برای رسیدن به سطح اطمینان قابهای ویژه فاصله دارد و استفاده از آن در مناطق با خطر لرزه‌خیزی متوسط و برای ساختمان‌هایی با اهمیت متوسط مجاز است. ضریب R برای این سیستم‌ها معمولاً در حدود ۵ در نظر گرفته میشود.
۳. قاب خمشی بتنی ویژه (Special Moment Frame – SMF)
قابهای خمشی بتنی ویژه، برای ارائه بالاترین سطح از عملکرد لرزه‌ای و شکل‌پذیری طراحی شده‌اند. هدف اصلی این است که سازه بتواند تحت زلزله‌های شدید، تغییرمکان‌های جانبی بسیار بزرگ را از طریق مفاصل پلاستیک در نقاط از پیش تعیین شده (معمولاً انتهای تیرها) تحمل کند، بدون آنکه ریزش کند یا مقاومت خود را به طور قابل توجه از دست بدهد. دستیابی به این سطح از عملکرد، مستلزم رعایت شدیدترین و دقیق‌ترین الزامات آرماتورگذاری است:
- محصور کردن کامل بتن: در نواحی بحرانی تیر و ستون (مناطق احتمالی تشکیل مفصل پلاستیک)، از خاموت‌های با فاصله بسیار کم استفاده میشود تا از بتن در برابر خردشدن محافظت شده و از کمانش آرماتورهای طولی جلوگیری شود.
- اصول تیر قوی-ستون ضعیف (Strong Column-Weak Beam): این اصل تضمین میکند که مفاصل پلاستیک در تیرها (که اعضای باربر ثانویه هستند) تشکیل شوند، نه در ستونها (که اعضای اصلی باربر هستند)، تا از ایجاد مکانیسم خرابی ستون که منجر به فروریزی کلی میشود، جلوگیری شود.
- جزئیات ویژه اتصال: ناحیه اتصال تیر به ستون یک ناحیه بسیار حساس است و باید با خاموت‌های مخصوص مهاربندی شود تا بتواند تنش‌های منتقل شده از تیر به ستون را تحمل کند. ضریب R برای این سیستم‌ها بالا(معمولاً ۸) است و برای سازه‌های بلند و مهم در مناطق با خطر لرزه‌خیزی بالا الزام میشود.
۴. قابهای مهاربندی شده همگرا (بتنی) (Concentrically Braced Frames – CBF)
در این سیستم، از اعضای فشاری (مهاربندها)ی بتنی مسلح که به صورت مورب در دهانه‌های قاب قرار می‌گیرند، استفاده میشود. محور این مهاربندها در یک نقطه (گره) همگرا میشوند. وظیفه اصلی این مهاربندها تحمل بارهای جانبی است. در حالی که قاب بتنی اصلی بارهای ثقلی را تحمل میکند. این سیستم به دلیل صلبیت بسیار بالا، تغییرمکان‌های جانبی سازه را به نحو موثری کنترل میکند. با این حال، رفتار مهاربندهای بتنی تحت فشار می‌تواند مشکل‌ساز باشد، زیرا تمایل به کمانش دارند که منجر به کاهش ناگهانی سختی و مقاومت میشود. برای بهبود این رفتار، اغلب از مهاربندهای فولادی در داخل قاب بتنی استفاده میشود که طراحی آنها تلفیقی از الزامات ACI و AISC است.
۵. قابهای مهاربندی شده واگرا (بتنی) (Eccentrically Braced Frames – EBF)
این سیستم بیشتر در قاب های فولادی رایج است، اما می‌توان از آن در بتن مسلح نیز به صورت تلفیقی استفاده کرد. در این ساختار، مهاربندها به گونه‌ای به تیر متصل میشوند که محور آنها در یک نقطه مشترک همگرا نباشند و در نتیجه یک قسمت از تیر (به نام ” لینک بیم”) بین انتهای مهاربند و ستون ایجاد شود. این تیر کوتاه به عنوان یک فیوز عمل میکند و با تسلیم برشی، انرژی زلزله را مستهلک می‌نماید، در حالی که سایر اعضای اصلی سازه در ناحیه الاستیک باقی می‌مانند. طراحی و اجرای این سیستم در بتن مسلح بسیار پیچیده است و نیازمند جزئیات بسیار دقیقی برای اطمینان از عملکرد صحیح ” لینک” تحت بارهای چرخه‌ای است.
کاربرد قاب های بتنی
قابهای بتنی به دلیل تطبیق‌پذیری، مقاومت فشاری بالا و دوام، کاربردهای بسیار گسترده‌ای در صنعت ساخت‌وساز دارند. پرکاربردترین حوزه استفاده از آنها در ساخت ساختمان‌های مسکونی، اداری و تجاری با هر تعداد طبقه است، جایی که قاب‌بندی انعطاف‌پذیر آن امکان طراحی پلان‌های معماری متنوع را فراهم می‌آورد. در سازه‌های زیربنایی مانند پل‌ها، تونل‌ها، سدها و پایه‌های ماشین‌آلات سنگین نیز از قابهای بتنی مسلح استفاده میشود، زیرا توانایی تحمل بارهای سنگین و شرایط محیطی سخت را دارا می‌باشند. انتخاب بین سیستم‌های مختلف قاب بتنی (خمشی ویژه، متوسط، ساده یا مهاربندی شده) به عواملی مانند تعداد طبقات، اهمیت سازه، شدت خطر زلزله محل احداث و ملاحظات اقتصادی بستگی دارد که توسط مهندس سازه بر اساس استانداردهای روز انجام می‌پذیرد.
جمع بندی
قاب های خمشی در سازه با اتصالات صلب، گزینه‌ای ایده‌آل برای مناطق زلزله‌خیز و ساختمان‌های بلند هستند که با جذب انرژی زلزله از تخریب سازه جلوگیری میکنند. در مقابل، قاب های ساده با اتصالات مفصلی و هزینه کمتر، بیشتر برای سازه‌های صنعتی و کم اهمیت مناسبند. انتخاب نوع قاب های خمشی در سازه به عوامل مختلفی از جمله شرایط لرزه خیزی، بودجه و نوع کاربری سازه بستگی دارد.
https://clearcalcs.com/blog/portal-frames-types-and-design-considerations
https://engineeringstatics.org/frames-and-machines.html
https://www.civilconcept.com/moment-frame-vs-braced-frame/
https://ijaseit.insightsociety.org/index.php/ijaseit/article/download/2341/pdf_395