مهاربند کمانشتاب یا BRB یکی از سیستمهای مقاوم در برابر نیروهای جانبی ساختمان است که برخلاف مهاربندهای متعارف، برای رفتار پایدارتر در کشش و فشار طراحی میشود. این عضو فولادی با جلوگیری از کمانش زودهنگام هسته و ایجاد تغییرشکل کنترلشده، میتواند بخشی از انرژی ناشی از زلزله را مستهلک کند. صنعتگرد در بازدید از مجموعه BRB KIAN در مشهد، از نزدیک روند ساخت و کاربرد این فناوری در صنعت ساختمان را بررسی کرده است.
مهاربند کمانش تاب (فناوری BRB ) شرکت بناراد بریس کیان در مشهد
به گزارش صنعتگرد، در طراحی ساختمان مقاوم در برابر زلزله، هدف فقط این نیست که اعضای سازهای هرچه ضخیمتر و مقاومتر ساخته شوند. یکی از مهمترین رویکردهای مهندسی زلزله، کنترل محل ایجاد تغییرشکل و هدایت انرژی زلزله به اعضایی است که از ابتدا برای رفتار شکلپذیر طراحی شدهاند.
مهاربند کمانشتاب یا Buckling Restrained Brace که به اختصار BRB نامیده میشود، یکی از همین اعضاست؛ قطعهای که شاید در نگاه اول تفاوت زیادی با یک مهاربند فولادی معمولی نداشته باشد، اما نحوه رفتار آن هنگام واردشدن نیروهای رفتوبرگشتی زلزله متفاوت است.
مهاربند کمانشتاب چیست؟
مهاربند کمانشتاب نوعی عضو فولادی در سیستم باربر جانبی ساختمان است که بهگونهای طراحی میشود تا هسته فولادی آن بتواند تحت نیروهای کششی و فشاری وارد محدوده تسلیم شود، بدون آنکه مانند یک مهاربند معمولی بهسرعت دچار کمانش شود.
در واقع فلسفه اصلی BRB را میتوان در یک جمله خلاصه کرد:
هسته فولادی اجازه تغییرشکل و تسلیم دارد، اما سیستم پیرامونی مانع کمانش آن میشود.
همین ویژگی باعث شده مهاربندهای کمانشتاب در طراحی برخی ساختمانهای جدید و همچنین پروژههای مقاومسازی مورد توجه مهندسان سازه قرار بگیرند.
کمانش؛ نقطه ضعف مهاربندهای متعارف در فشار
برای درک تفاوت BRB با مهاربندهای معمولی، ابتدا باید مفهوم «کمانش» را شناخت.
اگر یک عضو نسبتاً باریک تحت نیروی فشاری قرار گیرد، ممکن است پیش از آنکه از تمام ظرفیت مصالح خود استفاده کند، از مسیر مستقیم خارج شده و به طرفین خم شود. این پدیده در مهندسی سازه کمانش نام دارد.
مهاربندهای متعارف نیز تحت نیروهای زلزله دائماً در معرض کشش و فشار قرار میگیرند. عضو ممکن است در یک جهت کشیده شود و با تغییر جهت حرکت سازه، تحت فشار قرار گیرد.
مشکل اینجاست که رفتار عضو در کشش و فشار الزاماً یکسان نیست و وقوع کمانش در فشار میتواند بر ظرفیت و پایداری رفتار چرخهای مهاربند اثر بگذارد.
ایده مهاربند کمانشتاب دقیقاً از همین مسئله شکل گرفته است: چگونه میتوان از ظرفیت هسته فولادی در فشار استفاده کرد، بدون آنکه کمانش زودهنگام مانع عملکرد آن شود؟
داخل مهاربند کمانشتاب چه اتفاقی میافتد؟
در ساختار BRB معمولاً یک هسته فولادی وجود دارد که عضو اصلی تحملکننده نیرو و بخش تسلیمشونده سیستم محسوب میشود.
پیرامون این هسته نیز مجموعهای قرار میگیرد که وظیفه اصلی آن محدودکردن کمانش جانبی هسته هنگام واردشدن نیروی فشاری است.
به این ترتیب، زمانی که زلزله باعث ایجاد حرکتهای رفتوبرگشتی در سازه میشود، هسته مهاربند میتواند در سیکلهای متوالی کشش و فشار تغییرشکل دهد.
این تغییرشکل کنترلشده یکی از مکانیزمهایی است که میتواند به جذب و استهلاک بخشی از انرژی واردشده به سازه کمک کند.
بنابراین فلسفه طراحی چنین سیستمی صرفاً «مقاومترکردن یک قطعه فولادی» نیست، بلکه تلاش برای کنترل رفتار سازه در زمان زلزله است.
BRB چگونه به «فیوز سازهای» تبدیل میشود؟
در طراحی لرزهای، مهندسان تلاش میکنند مشخص کنند کدام اجزای سازه اجازه ورود به محدوده غیرالاستیک را داشته باشند و کدام اجزا تا حد امکان در محدوده ایمن باقی بمانند.
از این منظر، BRB را میتوان تا حدودی به یک فیوز سازهای تشبیه کرد.
همانطور که یک فیوز الکتریکی برای کنترل یک وضعیت پیشبینینشده در مدار در نظر گرفته میشود، عضو تسلیمشونده در سازه نیز از ابتدا برای رفتار مشخص در شرایط شدید طراحی میشود.
این تشبیه البته به معنای یکسانبودن عملکرد این دو نیست؛ هدف آن توضیح ساده این مفهوم است که مهندس تلاش میکند محل تغییرشکل و استهلاک انرژی را تا حد ممکن از قبل کنترل کند.
در اطلاعات فنی منتشرشده از سوی BRB KIAN نیز طراحی سیستم بر مبنای یک عضو شکلپذیر و تسلیمشونده و طراحی سایر اجزای مرتبط با توجه به ظرفیت مورد انتظار این عضو توضیح داده شده است.
چرا به آن «مهاربند کمانشتاب» میگویند؟
نام فارسی این سیستم مستقیماً به مهمترین ویژگی آن اشاره دارد.
در BRB، سیستم پیرامونی هسته فولادی بهگونهای طراحی میشود که مقاومت لازم در برابر کمانش هسته را فراهم کند. در نتیجه هسته میتواند علاوه بر کشش، در فشار نیز رفتار کنترلشدهتری داشته باشد.
این موضوع امکان ایجاد رفتار چرخهای پایدارتر و استفاده بهتر از ظرفیت تغییرشکل عضو را فراهم میکند.
به همین دلیل در منابع فنی مرتبط با این سیستم، ویژگیهایی مانند تسلیم در کشش و فشار، شکلپذیری و قابلیت استهلاک انرژی از شاخصههای اصلی مهاربندهای کمانشتاب معرفی میشوند.
صنعتگرد در ادامه پرونده معرفی فناوریها و محصولات کمتر دیدهشده صنعت ساختمان، از مجموعه بناراد بریس کیان با نام تجاری BRB KIAN در مشهد بازدید کرد.
بناراد بریس کیان؛ مسیر بومیسازی مهاربند کمانشتاب
این مجموعه فعالیت خود را از سال ۱۳۹۳ با هدف بررسی، تحقیق و بومیسازی دانش طراحی و تولید مهاربندهای کمانشتاب آغاز کرد. این مجموعه پس از انجام مطالعات تخصصی، طراحی نمونههای اولیه و انجام آزمایشهای فنی، توانست فناوری تولید این سیستم سازهای را در داخل کشور توسعه دهد.
نمونههای تولیدی این شرکت در آزمایشگاه سازه مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی مورد ارزیابی قرار گرفتند؛ فرآیندی که نقش مهمی در تأیید عملکرد فنی محصول و تطبیق آن با الزامات مهندسی داشت.
پس از طی مراحل تحقیقاتی و آزمایشگاهی، محصول BRB KIAN در سال ۱۳۹۵ وارد مرحله تجاریسازی شد و زمینه استفاده از این فناوری در پروژههای ساختمانی کشور فراهم گردید.
این مجموعه، تاکنون بیش از ۱۸۰۰ قطعه مهاربند کمانشتاب برای پروژههای مختلف تولید شده است.
این محصولات در طیف متنوعی از پروژهها مورد استفاده قرار گرفتهاند، از جمله:
- ساختمانهای مسکونی
- پروژههای اداری
- ساختمانهای آموزشی
- طرحهای مقاومسازی سازهها
تنوع کاربرد این سیستم نشاندهنده اهمیت آن در افزایش ایمنی ساختمانها و ارتقای استانداردهای طراحی لرزهای است.
فناوری، کنترل کیفیت و توسعه صنعتی
تولید مهاربند کمانشتاب نیازمند ترکیبی از دانش طراحی سازه، فرآیندهای دقیق ساخت، کنترل کیفیت مواد و آزمونهای عملکردی است. برخلاف بسیاری از محصولات ساختمانی که صرفاً بر تولید انبوه تمرکز دارند، در این حوزه کیفیت و عملکرد نهایی محصول ارتباط مستقیمی با ایمنی سازه دارد.
BRB KIAN با تمرکز بر طراحی مهندسی، آزمایش نمونهها و کنترل فرآیند تولید، تلاش کرده است محصولی مطابق نیازهای پروژههای ساختمانی کشور ارائه کند.
این موضوع اهمیت ویژهای دارد؛ زیرا توسعه فناوریهای نوین ساختمانی علاوه بر افزایش کیفیت ساختوساز، میتواند وابستگی به تجهیزات و محصولات خارجی را نیز کاهش دهد.
اتصال جوشی، پیچی یا پینی؛ BRB فقط یک شکل ندارد
مهاربند کمانشتاب الزاماً با یک روش ثابت به سازه متصل نمیشود.
براساس اطلاعات فنی BRB KIAN، این مجموعه مهاربندهای خود را با اتصال جوشی، پیچی و پینی طراحی و تولید میکند و انتخاب روش اتصال به سیستم سازهای، طراحی مهندس، الزامات اجرایی و شرایط پروژه بستگی دارد.
هرکدام از این روشها ویژگیهای اجرایی متفاوتی دارند.
در اتصال پیچی، امکان نصب و بازکردن عضو میتواند یکی از ملاحظات طراحی باشد. اتصال جوشی نیز متناسب با جزئیات سازه و شرایط نصب اجرا میشود. در مدل پینی، انتقال نیرو از طریق مجموعه اتصال و پین انجام میشود و این روش میتواند در برخی طرحهای خاص سازهای یا معماری مورد استفاده قرار گیرد.
بنابراین انتخاب نوع اتصال را نمیتوان صرفاً به ترجیح مجری محدود کرد و لازم است از ابتدا در فرآیند طراحی سازه دیده شود.
آیا مهاربند کمانشتاب فقط برای ساختمانهای جدید است؟
یکی از نکات قابل توجه درباره BRB، امکان استفاده از این سیستم در برخی پروژههای مقاومسازی ساختمانهای موجود است.
البته استفاده از مهاربند کمانشتاب در یک ساختمان موجود به معنای امکان نصب ساده یک قطعه جدید روی هر سازه نیست. شرایط ساختمان، سیستم باربر موجود، وضعیت اعضای سازهای، فونداسیون، اتصالات و اهداف مقاومسازی باید توسط مهندسان متخصص بررسی شود.
با این حال در فهرست پروژههای منتشرشده از سوی BRB KIAN، علاوه بر ساختمانهای جدید، نمونههایی از پروژههای مقاومسازی ساختمانهای اقامتی و درمانی نیز دیده میشود.
از این رو، BRB را میتوان هم در طراحی برخی سازههای جدید و هم، در صورت تأیید مطالعات مهندسی، بهعنوان یکی از گزینههای قابل بررسی برای مقاومسازی مطرح کرد.
مزیت مهاربند کمانشتاب برای صنعت ساختمان چیست؟
اهمیت فناوریهایی مانند BRB را باید فراتر از خود یک قطعه فولادی دید.
صنعت ساختمان طی سالهای گذشته به سمت سیستمهایی حرکت کرده است که در آنها رفتار سازه هنگام زلزله تا حد امکان قابل پیشبینی، کنترلپذیر و مبتنی بر طراحی ظرفیت باشد.
در چنین رویکردی، سؤال تنها این نیست که «یک مهاربند چقدر نیرو تحمل میکند؟» بلکه سؤال مهمتر این است که:
این عضو هنگام چندین سیکل کشش و فشار چگونه رفتار میکند و انرژی زلزله در کدام بخش سازه مستهلک میشود؟
BRB یکی از پاسخهای مهندسی به همین مسئله است.
البته عملکرد واقعی هر سیستم لرزهای به مجموعهای از عوامل از جمله طراحی سازه، کیفیت ساخت مهاربند، جزئیات اتصالات، اجرای صحیح و کنترل کیفیت وابسته است و نمیتوان عملکرد لرزهای یک ساختمان را صرفاً به استفاده از یک محصول خاص نسبت داد.
قطعهای که اهمیتش هنگام زلزله مشخص میشود
بسیاری از تجهیزات صنعتی عملکرد خود را هر روز مقابل چشم کاربر نشان میدهند؛ اما برخی محصولات صنعت ساختمان ممکن است برای سالها پشت دیوارها، نما یا اجزای سازه پنهان بمانند.
مهاربند کمانشتاب یکی از همین محصولات است.
ممکن است یک BRB سالها در ساختمان باقی بماند، بدون آنکه ساکنان بدانند چنین عضوی در سازه وجود دارد. اهمیت اصلی طراحی آن زمانی آشکار میشود که ساختمان در معرض نیروهای جانبی شدید قرار گیرد.
در آن لحظه، مسئله اصلی ظاهر قطعه فولادی نیست؛ مسئله این است که سازه چگونه تغییرشکل میدهد، انرژی زلزله در کجا مستهلک میشود و کدام اعضا برای ورود کنترلشده به محدوده غیرالاستیک طراحی شدهاند.
بازدید صنعتگرد از BRB KIAN نیز از همین زاویه انجام شد؛ شناخت یکی از محصولاتی که در ظاهر شاید تنها یک عضو فولادی باشد، اما پشت طراحی آن مجموعهای از مفاهیم مهندسی زلزله، رفتار چرخهای، شکلپذیری و کنترل کمانش قرار دارد.
صنعتگرد در پرونده صنعت ساختمان، به سراغ همین فناوریها، خطوط تولید و محصولات صنعتی میرود؛ تجهیزاتی که شاید برای عموم کمتر شناختهشده باشند، اما بخشی از عملکرد فنی ساختمانها و زیرساختهای امروز را شکل میدهند.
