مهاربند کمانش تاب BRB چیست؟ بررسی مزایا و معایب

در طراحی سازه ‌های مقاوم در برابر زلزله، یکی از مهم ‌ترین دغدغه ‌ها، کنترل تغییر شکل‌ ها و جلوگیری از کمانش اعضای سازه ‌ای است. در سال ‌های اخیر، استفاده از مهاربند کمانش تاب (Buckling Restrained Brace) یا به اختصار BRB  به عنوان یکی از پیشرفته ‌ترین و مؤثرترین سیستم‌ های مقاوم جانبی، در ایران و جهان گسترش یافته است.
این نوع مهاربند که در فارسی به آن مهاربند کمانش ناپذیر نیز گفته می ‌شود، با داشتن رفتاری متقارن در فشار و کشش، قادر است انرژی زیادی را در هنگام زلزله جذب کرده و عملکرد سازه را به شکل قابل توجهی بهبود دهد. از آن‌ جا که بخش عمده‌ی اجزای این سیستم از فولاد ساخته می‌ شود، نوسانات قیمت آهن و محصولات فولادی تأثیر مستقیمی بر هزینه نهایی آن دارد. در این مقاله مرکزآهن به بررسی کامل اینکه مهاربند کمانش تاب چیست، اجزا، انواع، رفتار سازه‌ای، مزایا و معایب، و همچنین عوامل مؤثر بر قیمت مهاربند کمانش تاب خواهیم پرداخت.

مهاربند کمانش تاب چیست؟

مهاربند کمانش تاب یا مهاربند کمانش تاب  BRB، نوعی سیستم مقاوم جانبی است که برای کنترل تغییرمکان جانبی ساختمان در برابر نیروهای زلزله و باد به کار می‌ رود. تفاوت اصلی آن با مهاربندهای معمولی در این است که در برابر کمانش مقاومت می‌کند و رفتار پایدارتری دارد. در مهاربندهای سنتی، تحت نیروی فشاری، عضو دچار کمانش می ‌شود و ظرفیت باربری آن به شدت کاهش می ‌یابد. اما در مهاربندهای کمانش تاب BRB با استفاده از یک پوشش فولادی و ماده پرکننده، مانع از کمانش هسته فولادی می ‌شوند. به این ترتیب، عضو می ‌تواند در هر دو حالت کشش و فشار، به صورت متقارن انرژی را جذب کند.

اگر به تاریخچه مهاربند کمانش تاب و تاریخچه مهاربند کمانش ناپذیر نگاهی بیندازیم، می‌ بینیم که این سیستم نخستین بار در ژاپن توسعه یافت و سپس در آمریکا به‌ کار گرفته شد؛ هدف از آن، رفع مشکل کمانش در مهاربندهای معمولی و بهبود عملکرد لرزه ‌ای سازه ‌ها بود. از آن‌ جا که بخش هسته و غلاف این مهاربند از فولاد ساخته می‌ شود، نوسانات قیمت میلگرد و فولاد ساختمانی می ‌تواند تأثیر قابل توجهی بر هزینه ساخت و اجرای مهاربندهای کمانش تاب داشته باشد. به بیان ساده ‌تر، مهاربند کمانش تاب چیست؟ ابزاری است برای کنترل زلزله که رفتار غیرخطی متعادل دارد و از تسلیم فشاری و کششی فولاد، بدون کمانش، برای جذب انرژی استفاده می ‌کند.

کاربرد مهاربند کمانش ناپذیر

مهاربند کمانش ناپذیر (Buckling Restrained Brace – BRB) به دلیل عملکرد عالی در جذب انرژی و پایداری رفتار چرخه‌ای، در انواع سازه‌ های فولادی و بتنی مورد استفاده قرار می ‌گیرد. یکی از مهم ‌ترین کاربردهای این سیستم در ساختمان ‌های بلند مرتبه و برج ‌ها است. در این نوع سازه ‌ها، نیروهای جانبی ناشی از زلزله و باد بسیار زیاد بوده و رفتار غیرخطی اعضا نقش تعیین‌ کننده ‌ای در ایمنی سازه دارد. مهاربندهای کمانش تاب با جلوگیری از کمانش و رفتار متقارن در کشش و فشار، باعث می ‌شوند قاب‌ ها شکل‌ پذیری و سختی مناسبی داشته باشند، بدون آنکه در زلزله‌ های شدید دچار شکست ناگهانی شوند. از سوی دیگر، در طراحی و اجرای این سازه‌ ها، توجه به نوسانات قیمت تیرآهن و سایر مقاطع فولادی اهمیت زیادی دارد، زیرا تغییر در هزینه مصالح می ‌تواند بر انتخاب نوع مهاربند و برآورد اقتصادی پروژه تأثیرگذار باشد.

از دیگر کاربردهای گسترده این سیستم، پل ها و سازه های زیرساختی حیاتی مانند ایستگاه های مترو، پایانه ها و نیروگاه ها است. در این سازه ها، پایداری عملکرد در زمان وقوع زلزله اهمیت حیاتی دارد. مهاربندهای BRB به دلیل رفتار پایدار و قابلیت استهلاک انرژی، از انتقال نیروهای مخرب به تکیه گاه ها جلوگیری می کنند و موجب کاهش خسارات سازه ای و غیرسازه ای می شوند. در کشورهایی با سابقه زلزله خیز مانند ژاپن، آمریکا و اخیراً ایران، استفاده از مهاربندهای کمانش ناپذیر در پل های شهری به عنوان استاندارد طراحی لرزه ای شناخته شده است.

در سوله ها و سازه های صنعتی نیز، مهاربند کمانش تاب کاربرد فراوانی دارد. در این نوع سازه ها، وزن زیاد جرثقیل ها، نیروهای دینامیکی ناشی از عملکرد ماشین آلات و اثرات باد می تواند باعث تغییر شکل های قابل توجهی شود. استفاده از مهاربند کمانش تاب فولادی موجب افزایش پایداری جانبی و کاهش ارتعاشات می گردد. همچنین به دلیل سهولت نصب و قابلیت تعویض آسان، این مهاربندها در محیط های صنعتی با حداقل توقف تولید قابل اجرا هستند.

یکی از مهم ترین زمینه های استفاده از مهاربندهای کمانش تاب، پروژه های مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای ساختمان های موجود است. در بسیاری از ساختمان های قدیمی، استفاده از دیوار برشی یا افزایش ابعاد مقاطع فولادی امکان پذیر نیست یا باعث کاهش فضای مفید می شود. در این شرایط، مهاربندهای کمانش ناپذیر (BRB) می توانند با اشغال فضای بسیار کم، مقاومت جانبی مورد نیاز را فراهم کنند. از سوی دیگر، ظاهر منظم و تمیز این سیستم باعث می شود بتوان آن را در فضاهای معماری بدون نیاز به پوشش اضافی استفاده کرد.

در طراحی های لرزه ای جدید که مبتنی بر طراحی بر اساس عملکرد (Performance-Based Design) هستند، مهاربندهای کمانش ناپذیر جایگاه ویژه ای دارند. هدف این نوع طراحی، دستیابی به سطوح عملکرد مختلف نظیر «ایمنی جانی»، «پایداری سازه ای» یا «قابلیت بهره برداری بلافاصله پس از زلزله» است. مهاربندهای BRB با رفتار هیسترزیس پایدار خود، قادرند انرژی زلزله را به طور مؤثر جذب کرده و مانع از گسترش آسیب در سایر اعضای سازه شوند. به همین دلیل، این سیستم در پروژه های بیمارستانی، مراکز داده، ساختمان های دولتی، و برج های مسکونی مدرن به عنوان گزینه ای ایمن و اقتصادی مورد توجه طراحان قرار گرفته است.

در نهایت، می توان گفت که کاربرد مهاربند کمانش تاب BRB محدود به نوع خاصی از سازه نیست و از ساختمان های سبک اداری تا برج های بلند و سازه های صنعتی سنگین را در بر می گیرد. این سیستم با ترکیب عملکرد لرزه ای مطلوب، سهولت اجرا و دوام بالا، توانسته است جایگاه خود را به عنوان یکی از مهم ترین عناصر مقاوم سازی در مهندسی سازه های مدرن تثبیت کند.

انواع سطح مقطع مهاربند کمانش تاب

انتخاب نوع و شکل سطح مقطع مهاربند کمانش تاب BRB یکی از مهم ‌ترین مراحل در طراحی و اجرای این سیستم است. شکل هندسی مقطع تأثیر مستقیمی بر رفتار مکانیکی، ظرفیت باربری و حتی نحوه انتقال نیروها به اتصالات دارد. در واقع، نوع مقطع علاوه بر مقاومت فشاری و کششی، بر نحوه توزیع تنش، شکل ‌پذیری و عملکرد چرخه ‌ای مهاربند نیز اثرگذار است. از آن‌ جا که انواع مهاربند کمانش تاب و همچنین بادبند کمانش تاب در شرایط زلزله تحت بارگذاری رفت و برگشتی قرار می ‌گیرند، انتخاب صحیح نوع مقطع می ‌تواند نقش تعیین‌ کننده‌ ای در پایداری و دوام سازه داشته باشد. در طراحی مهاربندهای فولادی BRB معمولاً از سه نوع مقطع اصلی استفاده می ‌شود که هر کدام ویژگی ‌های خاص خود را دارند:

مقطع دایره ای

مقطع دایره ای یکی از پرکاربردترین انواع سطح مقطع در مهاربندهای کمانش تاب است. این مقطع به دلیل توزیع یکنواخت تنش در پیرامون محور، رفتار بسیار متقارن و پایداری بالایی در برابر پیچش و خمش جانبی دارد. علاوه بر این، در مقاطع دایره ای، تمرکز تنش در نقاط خاص به حداقل می رسد که باعث افزایش طول عمر عضو می شود. ساخت مهاربندهای دایره ای ممکن است به تجهیزات نورد یا لوله سازی نیاز داشته باشد، اما در مقابل، نگهداری و نصب آن ها آسان تر است و برای پروژه های با الزامات لرزه ای بالا گزینه ای ایده آل محسوب می شوند.

مقطع مربعی یا مستطیلی

مقطع مربعی یا مستطیلی ساده ترین و متداول ترین نوع مقطع در مهاربندهای BRB است. ساخت این نوع مقطع به راحتی با صفحات فولادی انجام می شود و امکان جوشکاری یا پیچ کردن آسان به تیر و ستون را فراهم می کند. این ویژگی باعث شده تا در پروژه های ساختمانی شهری و متوسط، بیشترین استفاده را داشته باشد. از سوی دیگر، این مقاطع قابلیت تنظیم دقیق ضخامت و عرض هسته فولادی را دارند که برای کنترل رفتار تسلیم در طراحی لرزه ای بسیار مهم است. به همین دلیل، در بسیاری از سیستم های مهاربندی کمانش تاب فولادی، مقاطع مربعی به عنوان گزینه ی استاندارد شناخته می شوند.

مقطع I یا H شکل

در سازه های سنگین صنعتی یا پروژه هایی که نیاز به ظرفیت باربری بسیار بالا دارند، از مقطع I یا H شکل استفاده می شود. این نوع مقطع با دارا بودن دو بال و یک جان میانی، مقاومت بالایی در برابر خمش و نیروهای محوری ایجاد می کند. در مهاربندهای BRB با مقطع H شکل، می توان هسته فولادی را با دقت بیشتری در برابر لغزش و تغییرشکل کنترل کرد. با این حال، ساخت و اجرای این نوع مقطع نیازمند دقت بالا و تجهیزات خاص است، زیرا باید اطمینان حاصل شود که غلاف فولادی و ماده پرکننده به طور یکنواخت نیرو را در سراسر عضو منتقل می کنند. در پروژه های پل سازی، پالایشگاه ها و ساختمان های بلندمرتبه، این نوع مقطع کاربرد گسترده ای دارد.

در نهایت، انتخاب نوع مقطع در مهاربند کمانش تاب فولادی باید بر اساس مجموعه ای از عوامل شامل ظرفیت مورد نیاز، فضاهای معماری، نوع قاب (خمشی یا مهاربندی شده)، روش اتصال و هزینه ساخت انجام شود. طراحان سازه معمولاً با در نظر گرفتن عملکرد لرزه ای مورد انتظار و شرایط اجرایی پروژه، بهترین گزینه را انتخاب می کنند تا هم عملکرد فنی مطلوب حاصل شود و هم از نظر اقتصادی و زیبایی شناسی، سازه بهینه باشد.

رفتار مهاربند کمانش ناپذیر

رفتار مهاربند کمانش ناپذیر از جمله ویژگی های منحصربه فرد این سیستم است. برخلاف مهاربندهای معمولی که در فشار دچار کمانش و افت مقاومت می شوند، در BRB ها، به دلیل وجود غلاف و ماده پرکننده، هسته فولادی تنها در راستای محوری تغییر شکل می دهد. در نتیجه، منحنی هیسترزیس نیروی-تغییرمکان مهاربندهای BRB تقریباً متقارن است و انرژی زیادی را جذب می کند. این ویژگی باعث می شود که ضریب رفتار مهاربند کمانش تاب نسبت به بادبندهای معمولی بالاتر باشد، یعنی سازه با تغییر شکل کمتر، انرژی بیشتری را مستهلک کند.

اجزای مهاربند کمانش تاب

هر مهاربند کمانش تاب (BRB) از چند جزء مهم تشکیل شده است که هماهنگی میان آن ها، عملکرد پایدار و قابل اعتماد این سیستم را تضمین می کند. در واقع، کارایی مهاربند در جذب انرژی و مقاومت در برابر نیروهای زلزله، مستقیماً به کیفیت طراحی و ساخت این اجزا وابسته است. هر بخش از مهاربند، وظیفه ای مشخص در کنترل نیروهای فشاری، کششی و جلوگیری از کمانش دارد و حذف یا ضعف هر کدام می تواند رفتار کلی سیستم را مختل کند. هر مهاربند کمانش تاب (BRB) از چند جزء اصلی تشکیل شده است که هرکدام نقش حیاتی در عملکرد نهایی دارند. این اجزا عبارتند از:

هسته فولادی

هسته فولادی بخش اصلی مهاربند است که وظیفه تحمل نیروهای فشاری و کششی را بر عهده دارد. معمولاً از فولاد با مقاومت مناسب ساخته می شود تا در برابر بارهای جانبی تسلیم کنترل شده ای داشته باشد. ضخامت و شکل هسته بر اساس طراحی مهاربند کمانش تاب تعیین می شود. در واقع، عملکرد اصلی مهاربند کمانش تاب به رفتار غیرخطی کنترل‌ شده‌ ی همین هسته بستگی دارد و کیفیت ساخت آن تعیین‌ کننده‌ی دوام و ظرفیت جذب انرژی سیستم است.

غلاف یا پوشش فولادی

غلاف فولادی یا پوسته خارجی، وظیفه دارد از کمانش هسته جلوگیری کند. این غلاف به گونه ای طراحی می شود که نیروی فشاری را مهار کرده و از تغییر شکل جانبی عضو جلوگیری نماید. جنس آن معمولاً فولادی است و سطح داخلی آن باید کاملاً صاف و یکنواخت باشد. غلاف علاوه بر جلوگیری از کمانش، نقش محافظ مکانیکی در برابر آسیب‌ های محیطی و خوردگی را نیز ایفا می‌ کند و پایداری کلی مهاربند را تضمین می‌ نماید.

ماده پرکننده

ماده پرکننده (مانند ملات سیمانی، گروت یا بتن سبک) فضای بین هسته فولادی و غلاف را پر می کند. این ماده باید توانایی انتقال نیرو را داشته باشد، اما در عین حال اجازه لغزش نسبی بین هسته و غلاف را نیز بدهد. ویژگی‌های فیزیکی ماده پرکننده، مانند چگالی و مقاومت فشاری، تأثیر زیادی بر رفتار لرزه‌ ای مهاربند دارد و باید مطابق مشخصات فنی پروژه انتخاب شود.

ماده لغزنده یا جداکننده

ماده لغزنده یا جداکننده (مانند گریس، نوار تفلون یا پلی اتیلن) بین هسته فولادی و ماده پرکننده قرار می گیرد تا از اصطکاک زیاد جلوگیری کرده و حرکت آزادانه هسته را در داخل غلاف فراهم کند. این جزء کوچک اما حیاتی، نقش مهمی در عملکرد پایدار مهاربند دارد. در واقع، این لایه نازک تضمین می‌ کند که هسته بتواند آزادانه تغییر طول دهد و در عین حال هیچ تنش ناخواسته‌ ای به غلاف منتقل نشود، که برای حفظ رفتار هیسترزیس متقارن ضروری است.

طراحی مهاربند کمانش تاب

فرآیند طراحی مهاربند کمانش تاب (BRB) از حساس ترین مراحل در مهندسی سازه به شمار می رود، زیرا کوچک ترین خطا در مدل سازی یا محاسبات می تواند منجر به کاهش عملکرد لرزه ای سیستم شود. در طراحی این نوع مهاربند، مهندس باید رفتار غیرخطی عضو، نحوه ی جذب انرژی، و پایداری چرخه ای آن را با دقت شبیه سازی کند. آیین نامه های معتبر بین المللی مانند AISC 341،  FEMA 450  و دستورالعمل های ژاپنی، ضوابط دقیق طراحی مهاربندهای کمانش ناپذیر را تعیین کرده اند تا عملکرد آن ها در برابر زلزله های شدید تضمین شود. در مرحله طراحی، موارد زیر باید به دقت بررسی و کنترل شوند:

• نسبت مقاومت فشاری به کششی هسته فولادی برای جلوگیری از رفتار نامتعادل.
• نسبت طول مؤثر به قطر مهاربند که بر پایداری عضو تأثیر مستقیم دارد.
• محدودیت های کرنش پلاستیک در چرخه های بارگذاری رفت و برگشتی.

ضریب رفتار مهاربند کمانش تاب در طراحی لرزه ای که میزان جذب انرژی سازه را نشان می دهد. در پروژه های واقعی، طراح باید مهاربند کمانش تاب به انگلیسی (Buckling Restrained Brace) را با پارامترهای مناسب برای قاب های مهاربندی شده یا خمشی انتخاب کند تا تعادل بهینه ای بین سختی و شکل پذیری حاصل شود.

مزایا مهاربند کمانش تاب

مهاربندهای کمانش تاب BRB به دلیل عملکرد لرزه ای بی نظیر و دوام بالا، امروزه به یکی از سیستم های محبوب در طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله تبدیل شده اند. این مهاربندها قادرند در هر دو جهت کشش و فشار رفتار یکنواختی از خود نشان دهند، که این ویژگی منجر به جذب انرژی بسیار بالا در طول زلزله می شود. همچنین، از آن جا که رفتار هیسترزیس آن ها پایدار است، پس از چندین چرخه بارگذاری نیز عملکرد خود را حفظ می کنند و از گسترش آسیب در سازه جلوگیری می نمایند. مزایای اصلی مهاربندهای کمانش تاب فولادی عبارتند از:

• جذب انرژی بالا: ناشی از رفتار متقارن در فشار و کشش.
• پایداری چرخه ای: مقاومت پایدار در بارگذاری رفت وبرگشتی.
• قابلیت جایگزینی آسان: در صورت آسیب در زلزله می توان عضو را تعویض کرد.
• کاهش هزینه های تعمیرات: در مقایسه با دیوارهای برشی و قاب های خمشی.
• کاربرد متنوع: در سازه های فولادی، بتنی و پروژه های مقاوم سازی.
• به همین دلایل، بادبندهای کمانش تاب در پروژه های عمرانی بزرگ به عنوان گزینه ای مطمئن، اقتصادی و بادوام شناخته می شوند.

معایب مهاربند کمانش تاب

با وجود مزایای قابل توجه، استفاده از مهاربند های کمانش تاب brb بدون چالش نیست. این سیستم برای دستیابی به عملکرد مطلوب نیازمند دقت بالا در طراحی، ساخت و نصب است. در واقع، کیفیت ساخت و هم محوری دقیق اجزا نقش کلیدی در عملکرد مناسب این مهاربند دارد. علاوه بر این، برخی محدودیت های فنی و اقتصادی ممکن است استفاده از آن را در پروژه های کوچک یا کم هزینه دشوار کند. مهم ترین معایب مهاربند کمانش تاب شامل موارد زیر است:

هزینه اولیه بالا: به دلیل نیاز به ساخت دقیق و مواد ویژه.

حساسیت اجرایی: هرگونه خطا در نصب یا جوشکاری می تواند کارایی را کاهش دهد.

وزن بالاتر از مهاربندهای معمولی: که ممکن است بار مرده سازه را افزایش دهد.

محدودیت در معماری: به علت حجم نسبتاً زیاد مهاربند در فضاهای داخلی. با این حال، در صورتی که طراحی و اجرای آن بر اساس استاندارد انجام شود، مزایای عملکردی و دوام بالای آن به مراتب از این معایب پیشی می گیرد و در بلندمدت مقرون به صرفه تر خواهد بود.

عوامل مؤثر بر قیمت مهاربند کمانش تاب

برآورد قیمت مهاربند کمانش تاب BRB نیازمند بررسی دقیق عوامل فنی، اجرایی و اقتصادی است. هزینه نهایی این سیستم به طور مستقیم به کیفیت مصالح، پیچیدگی طراحی و شرایط محل اجرای پروژه بستگی دارد. از آن‌ جا که مهاربند های کمانش تاب معمولاً به ‌صورت سفارشی ساخته می ‌شوند، هر پروژه بر اساس ظرفیت باربری و الزامات لرزه ‌ای خود قیمت متفاوتی خواهد داشت. مهم ‌ترین عوامل مؤثر بر قیمت مهاربند های کمانش ناپذیر و سیستم‌ های مشابه عبارتند از:

• جنس و ابعاد هسته فولادی: ظرفیت بالاتر به معنای هزینه بیشتر است.
• نوع غلاف و ماده پرکننده: استفاده از مصالح با دوام و مقاومت بالا هزینه را افزایش می ‌دهد.
• پیچیدگی طراحی و کنترل کیفی: BRBها نیازمند تست و کنترل دقیق هستند.
• محل اجرای پروژه: هزینه نصب و حمل در مناطق دورافتاده یا مرتفع بالاتر است.
• داخلی یا وارداتی بودن محصول: نمونه‌ های وارداتی (ژاپنی یا آمریکایی) معمولاً گران ‌تر از تولید داخل هستند. در نتیجه، برای تعیین دقیق قیمت مهاربند کمانش تاب BRB باید تمامی این فاکتورها همراه با شرایط فنی پروژه در نظر گرفته شوند تا هم از نظر اقتصادی و هم از نظر عملکرد لرزه‌ای، گزینه‌ای بهینه انتخاب گردد.

جمع بندی

در این مقاله دیدیم که مهاربند کمانش تاب چیست و چرا امروزه به عنوان یکی از بهترین گزینه ها در طراحی لرزه ای سازه ها شناخته می شود. این سیستم با جلوگیری از کمانش هسته فولادی، عملکردی متقارن و بسیار پایدار در برابر زلزله دارد. اجزای مهاربند کمانش تاب شامل هسته فولادی، غلاف فولادی، ماده پرکننده و ماده لغزنده است که هر کدام در بهبود عملکرد نقش مهمی دارند. با وجود برخی معایب مانند هزینه اولیه بالا، مزایا و عملکرد فوق العاده مهاربندهای کمانش ناپذیر باعث شده اند تا در پروژه های بزرگ ساختمانی و مقاوم سازی، به عنوان انتخاب اول مهندسان سازه مطرح شوند. به طور کلی، مهاربندی کمانش تاب راه حلی علمی، پایدار و مدرن برای افزایش مقاومت لرزه ای سازه هاست و آینده سیستم های مقاوم جانبی در طراحی ساختمان ها به سمت استفاده گسترده تر از این فناوری پیشرفته حرکت می کند.

سوالات متداول