انتخاب سیستم سازهای مناسب برای مقاومسازی ساختمانها در برابر نیروهای جانبی ناشی از زلزله و باد، یکی از مهمترین تصمیمات در فرآیند طراحی سازه است. دو سیستم رایج و پرکاربرد در این زمینه، سیستم قاب خمشی (Moment Resisting Frame) و سیستم مهاربندی هممحور (Concentrically Braced Frame) میباشند.
هر یک از این سیستمها دارای ویژگیهای منحصربهفرد، مزایا و محدودیتهایی هستند که انتخاب نهایی را به عواملی همچون نوع کاربری، ارتفاع ساختمان، منطقه لرزهخیزی، معماری و مسائل اقتصادی وابسته میسازد.
فهرست عناوین مقاله
در این مقاله خبری، به مقایسه فنی و عملکردی این دو سیستم بر اساس آخرین یافتههای پژوهشی میپردازیم.
بررسی عملکرد لرزهای: سختی در برابر شکلپذیری
مهمترین تفاوت این دو سیستم در نحوه مقابله با نیروی زلزله است.
- سیستم مهاربندی (CBF): عملکرد اصلی این سیستم مبتنی بر ایجاد سختی بالا برای کنترل تغییر شکلهای جانبی است. مهاربندها، که اعضای قطری هستند، بخش عمده نیروی زلزله را به صورت نیروی محوری (فشاری و کششی) جذب میکنند و از تغییر مکانهای زیاد طبقات جلوگیری مینمایند. تحقیقات نشان میدهد که استفاده از مهاربند، به طور قابل توجهی تغییرمکان نسبی طبقات (Drift) و تغییرمکان بام را در مقایسه با قاب خمشی کاهش میدهد . به عنوان مثال، در یک مطالعه، سیستم مهاربندی موفق به کاهش تغییرمکان بین ۵ تا ۴۲ درصد در مقایسه با قاب خمشی شده است . این سختی بالا باعث میشود که دوره تناوب ارتعاشی سازه نیز به شدت کاهش یابد.
- سیستم قاب خمشی (MRF): برخلاف سیستم مهاربندی، قاب خمشی برای مقابله با زلزله بر شکلپذیری (Ductility) بالا و ظرفیت استهلاک انرژی تکیه دارد. در این سیستم، اتصالات تیر و ستون به گونهای طراحی میشوند که تحت نیروهای شدید، وارد مرحله غیرخطی شده و با ایجاد مفاصل پلاستیک، انرژی زلزله را مستهلک کنند . این ویژگی باعث میشود که قاب خمشی ضریب رفتار (Response Modification Factor) و شکلپذیری بیشتری نسبت به سیستم مهاربندی داشته باشد . در واقع، قاب خمشی اجازه میدهد سازه بدون فروپاشی، تغییر شکلهای بزرگتری را تحمل کند.
تحلیل اقتصادی و اجرایی: وزن و زمان
تفاوت در عملکرد فنی، تأثیر مستقیمی بر هزینهها و زمان اجرا دارد.
- وزن اسکلت فلزی: در سیستم قاب خمشی فولادی، برای تأمین شکلپذیری و مقاومت خمشی، نیاز به مقاطع سنگینتری برای تیرها و ستونها است. تحقیقات نشان داده است که وزن فولاد مصرفی در یک قاب خمشی به طور قابل توجهی بیشتر از یک قاب مهاربندی است. در برخی مطالعات، وزن اسکلت قاب خمشی تا ۲۳ درصد بیشتر از سیستم مهاربندی گزارش شده است . در پژوهشی دیگر، وزن کل سازه با سیستم مهاربندی بیش از دو برابر قاب خمشی محاسبه شده است که نشاندهنده اهمیت انتخاب سیستم بر اساس شرایط پروژه است . (توجه: این تفاوت وزن میتواند تحت تأثیر نوع مهاربند و الزامات لرزهای متغیر باشد).
- زمان و هزینه ساخت و نصب: سیستم مهاربندی از نظر اجرایی بسیار مقرونبهصرفهتر است. استفاده از اتصالات ساده (گیردار-ساده) در مهاربندها به جای اتصالات گیردار پرزحمت در قاب خمشی، باعث کاهش چشمگیر زمان نصب میشود. بر اساس مطالعات موردی، تغییر سیستم از قاب خمشی به مهاربندی میتواند تا ۳ هفته در زمان نصب و ۱۴ روز در زمان ساخت صرفهجویی ایجاد کند . همچنین، کاهش تعداد اتصالات پیچیده، هزینههای ساخت را به شدت کاهش میدهد. به عنوان مثال، در یک پروژه، جایگزینی قاب خمشی با مهاربندی منجر به حذف ۴۱۰ اتصال گیردار و صرفهجویی حدود ۷۵,۰۰۰ دلاری شد .
عملکرد در برابر بارهای باد
تحقیقات جدید نشان میدهد که سیستم مهاربندی در برابر بارهای باد نیز عملکرد بسیار مطلوبتری دارد. منحنیهای شکنندگی (Fragility Curves) نشان میدهند که قابهای مهاربندی در سرعتهای باد بسیار بالاتری نسبت به قابهای خمشی وارد مرحله تسلیم و سپس فروریزش میشوند.
به عنوان مثال، در یک مطالعه، قاب خمشی در سرعت باد ۱۰۰ متر بر ثانیه با احتمال ۱۰۰٪ دچار فروپاشی میشد، در حالی که قاب مهاربندی این سطح از آسیب را تا سرعت ۲۲۰ متر بر ثانیه تحمل میکرد .
جدول مقایسه نهایی
«انتخاب سیستم سازهای، یکی از تأثیرگذارترین تصمیمات بر هزینه، زمان و کیفیت نهایی پروژه است. در جدول پیشرو، سیستم قاب خمشی و مهاربندی از پنج منظر کلیدی شامل عملکرد لرزهای، وزن اسکلت، سرعت اجرا، هزینه و مقاومت در برابر باد مقایسه شدهاند تا مسیر انتخاب شفافتر گردد.»
| معیار مقایسه | سیستم قاب خمشی (MRF) | سیستم مهاربندی هممحور (CBF) |
|---|---|---|
| سختی (Stiffness) | پایین (تغییرمکان جانبی زیاد) | بالا (تغییرمکان جانبی کم) |
| شکلپذیری (Ductility) | بالا (جذب انرژی از طریق مفاصل پلاستیک) | پایینتر (شکنندهتر) |
| وزن اسکلت فلزی | بیشتر (نیاز به مقاطع سنگینتر) | کمتر (بهینهتر) |
| هزینه اجرا (نصب) | بالاتر (اتصالات پیچیده و زمانبر) | پایینتر (اتصالات ساده و سریعتر) |
| زمان ساخت و نصب | زمان بیشتر | زمان کمتر (صرفهجویی تا چند هفته) |
| عملکرد در برابر باد | آسیبپذیری در سرعتهای پایینتر | مقاومت در سرعتهای بسیار بالا |
نتیجهگیری و توصیه فنی
انتخاب بین سیستم قاب خمشی و مهاربندی یک تصمیم چندوجهی است و نمیتوان یک سیستم را به طور مطلق بر دیگری ترجیح داد.
√ قاب خمشی گزینهای ایدهآل برای ساختمانهای بلندمرتبه و مناطقی با لرزهخیزی بسیار بالا است که در آنها تأمین شکلپذیری و انعطافپذیری جهت جذب انرژی زلزله اولویت دارد. همچنین در مواقعی که معماری داخلی اجازه استفاده از مهاربندهای قطری را نمیدهد، این سیستم تنها گزینه است.
√ سیستم مهاربندی به دلیل سختی بالا، کاهش تغییر مکانها و صرفهجویی اقتصادی قابل توجه، انتخاب اول برای ساختمانهای کوتاهمرتبه و میانمرتبه در مناطق با لرزهخیزی متوسط تا زیاد است. این سیستم از نظر اقتصادی مقرونبهصرفهتر بوده و زمان اجرای پروژه را به طور قابل ملاحظهای کاهش میدهد. استفاده از مهاربندهای مدرن مانند مهاربندهای کمانشناپذیر (BRB) میتواند تا حد زیادی ضعف شکلپذیری سیستمهای مهاربندی سنتی را نیز پوشش دهد .
مهندسین مشاور محترم آرمان بنای اشراق با در نظر گرفتن تمامی این پارامترها شامل هزینه، زمان، عملکرد لرزهای و الزامات معماری میتوانند بهینهترین سیستم سازهای را برای هر پروژه طراحی و پیشنهاد نمایند.
پرسش و پاسخ متداول
کدام سیستم برای ساختمانهای بلندمرتبه مناسبتر است؟
قاب خمشی به دلیل شکلپذیری بالاتر و عدم محدودیت معماری (عدم وجود مهاربند قطری)، گزینه مناسبتری برای ساختمانهای بلندمرتبه است، هرچند با افزودن مهاربندهای کمانشناپذیر (BRB) میتوان از مهاربندی نیز در ارتفاع استفاده کرد.
کدام سیستم اقتصادیتر است؟
در اکثر پروژههای کوتاهمرتبه و میانمرتبه، سیستم مهاربندی به صرفهتر است؛ زیرا وزن اسکلت کمتر، اتصالات سادهتر و زمان نصب کوتاهتری دارد.
آیا میتوان هر دو سیستم را در یک ساختمان ترکیب کرد؟
بله، ترکیب این دو سیستم تحت عنوان سیستم دوگانه (Dual System) بسیار رایج است. در این حالت، قاب خمشی به عنوان پشتیبان شکلپذیری و مهاربندها به عنوان تأمینکننده سختی عمل میکنند.