مهاربند کمانش‌ تاب

خواص مصالح در نحوه عملکرد آن‌ها بسیار تأثیرگذار است . واکنش‌های سازه‌ای نیز از این قاعده مستثنی نبوده و مصالحی که در تولید و ساخت سازه به کار رفته اند ، نقش مهمی در رفتار آن دارند . به عنوان مثال طراحی سازه‌های معمولی بتنی به دلیل مقاومت فشاری بالای بتن مورد توجه قرار گرفت و جایگزین مصالح سنتی بنایی شد . اما در کنار آن مقاومت کششی ضعیفی دارد و در نواحی که دچار کشش می‌شود ، نمی‌تواند خوب عمل کند و فولاد به کمک آن می‌آید .

در اسکلت‌های فلزی نیروی کششی برای مقابله با بارهای وارده مطلوب بوده اما در اعضای فولادی لاغر و بلند مانند ستون‌ها و مهاربند‌ها پدیده کمانش به دلیل ضعف در برابر انتقال  نیروی فشاری رخ می‌دهد . اختلاف ظرفیت فشاری و کششی باعث می‌شود در اثر وارد شدن نیروی کمانش ، مقاومت فشاری که بایستی آن را کنترل کند ، توان مقاومت خود را از دست دهد و کمانش فشاری ایجاد شود .

از این رو در طراحی لرزه‌ای سازه‌ها از میزان ظرفیت فشاری مهاربند‌ها صرف نظر شده و به دلیل ناکارا بودن این المان‌ها در مقابله با بارهای ثقلی و جانبی به دنبال مقاوم‌سازی و بهسازی آن‌ها می‌باشند .

از دهه 80 میلادی در راستای رسیدن به رفتار الاستوپلاستیک مهاربند‌ها تحقیقات و آزمایشات بسیاری صورت گرفته که ژاپن از کشورهای پیشگام در این صنعت می‌باشد و انواع مختلف میراگرها تولید شده‌اند . در این سلسله پژوهش‌ها ایجاد امکان وقوع پدیده‌ی تسلیم فشاری و جاری شدن فولاد جهت جلوگیری از وقوع کمانش در آن و در نتیجه جذب بیشتر انرژی توسط فولاد جاری شده راهکار به‌دست‌آمده می‌باشد. در واقع از خاصیت متریال در راستای بهبود وضعیت و رفع نقطعه ضعف آن استفاده شده‌است و بدین ترتیب مهاربند کمانش‌تاب (Buckling Restrained Brace) ، یعنی مهاربندی که کمانش را تاب می‌آورد تولید شد . امروزه مهاربند کمانش‌ناپذیر یکی از سیستم های شکل پذیر لرزه‌ای پرکاربرد در جهان می‌باشد .

عملکرد و ساختار مهاربند کمانش‌تاب

برای تولید مهاربند کمانش‌تاب از همان مصالح معمول ساخت و ساز استفاده می‌شود ؛ منتها نحوه و محل به کار بردن آن‌ها و نوع اتصال آن‌ها به هم چنین ساختاری را ایجاد کرده‌است . از مقاومت کششی فولاد ، مقاومت فشاری بتن و طراحی رفتار سازه‌ای برای رسیدن به حد تسلیم شدن ، به صورت ترکیب با هم استفاده شده‌است .

یک هدف مهم برای بهینه سازی مهاربندها آن است که بدون افزایش سختی مهاربند ، مقاومت فشاری آن را افزایش دهیم ؛ به این منظور یک هسته فولادی توسط مصالح غیر چسباننده پوشانده شده و سپس درون ملات بتنی قرار گرفته‌است . در نهایت نیز یک غلاف و پوشش فولادی این سه لایه را در دل خود جای داده‌است . چنانچه تنها با افزایش سطح مقطع و ابعاد چنین هدفی دنبال شود ، پاسخ مناسبی دریافت نخواهد شد و اختلاف مقاومت کششی و فشاری به همان صورت باقی خواهد ماند . از طرف دیگر این افزایش حجم و جرم سازه و به تبع افزایش سختی ، موجب جذب بیشتر نیروی زلزله شده و نکته سبک سازی را که از اصول مهم ضدزلزله کردن ساختمان‌هاست ، زیر پا می‌گذارد .

اجزاء مهاربند کمانش‌تاب

1. هسته فولادی میانی : این قسمت تحت نیروهای کششی و فشاری به حد جاری شدن می‌رسد  و بهتر است از جنس فولاد نرمه با مقاومت پایین باشد تا در حرکات رفت و برگشتی زلزله در حد موردنظر تسلیم شده و نیروی جانبی وارده را جذب و تلف کند . لازم است دو قسمت انتهایی این مهاربند به گونه‌ای طراحی شود که با وارد شدن نیرو در محدوده الاستیک باقی بماند .

2. ماده جداکننده : یک لایه نازک حائل میان هسته فولادی و بتن می‌باشد و هسته فولادی تسلیم شونده را از بتن و غلاف خارجی جدا می‌کند . پس نیروی محوری وارد شده را تنها خود هسته فولادی متحمل شده و چون اصطکاک بتن و هسته به حداقل رسیده ، نقش باربری به سایر قسمت ها راه نمی یابد .

3. ماده پرکننده : میان هسته فولادی و پوشش بیرونی فلزی را با بتن که مقاومت فشاری خوبی دارد پر می‌کنند تا تغییر شکل هسته فولادی را بتواند کنترل کند ؛ البته هنگامی که فولاد جاری شود ، دیگر کمانش نکرده و اصطلاحا مقاومتی برای مقابله با نیرو بروز نمی دهد که بتن با مقاومت فشاری خود به آن کمک کند و به این ترتیب نیروی وارده جذب فولاد می‌شود .

4. غلاف بیرونی فلزی : یک پوشش قوطی شکل فولادی با سختی خمشی مناسب دورتادور بتن قرار می‌گیرد و حکم تکیه‌گاه جانبی پیوسته را داشته تا از کمانش جانبی هسته فولادی ممانعت به عمل آید .

این نوع مهاربند در تمام ساختمان‌هایی که امکان نصب مهاربند در آن‌ها وجود دارد قابل استفاده می‌باشد . اتصالات در دسترس نیز برای نصب آن‌ها بسیار متنوع بوده و مشکلی از این بابت در ساختمان‌ها با کاربری‌های گوناگون به‌وجود نمی‌آید . همچنین انواع بادبند هشتی(8) ، هفتی (7) ، قطری قرینه ، قطری یک جهته و مدل X عملکرد خوبی دارند .

ویژگی‌های مهاربند کمانش‌تاب

- ایمنی بیشتر در زلزله نسبت به دیگر مهاربندهای رایج

- صرفه جویی در مصالح مصرفی اعضاء سازه‌ای از فونداسیون تا ابعاد ستون

- سرعت در تولید و نصب به دلیل صنعتی و به روز بودن و تنوع اتصالات ؛ و در نتیجه افزایش سرعت اجرای پروژه

- افزایش شکل‌پذیری سازه

- عدم ایجاد خسارت در قسمت های غیرسازه‌ای و کاهش خسارت در سایر بخش‌های سازه به دلیل عدم وقوع کمانش فشاری

- امکان نصب در انواع سازه‌ها و ساختمان‌ها بدون محدودیت در طول مهاربند

- مدل‌سازی آسان در نرم‌افزارهای شبیه‌سازی و امکان طراحی به کمک تحلیل‌های خطی

- عدم نیاز به تعویض پس از هر سانحه و زلزله خفیف و در صورت وقوع زلزله شدید ، تعویض و تعمیر آسان و کم‌هزینه بدون ایجاد اختلال در عملکرد کل سازه

- مقاوم در برابر عوامل جوی و شرایط محیطی و عدم نیاز به نگهداری در زمان بهره‌برداری