مهاربند کمانش تاب (BRB)

مهمترین ضعف سیستم های مهاربند فولادی ناشی از اختلاف ظرفیت فشاری و کششی است. این امر در نتیجه کمانش فشاری این مهاربندها است. در حقیقت ظرفیت فشاری مهاربند معمولی توسط نیروی کمانشی کنترل شده و این مقدار معمولاً بسیار کمتر از ظرفیت کششی مهاربند خواهد بود. از همین رو در طراحی لرزه ای معمولاً از ظرفیت فشاری این المان ها صرف نظر می شود. علاوه بر این، زوال مقاومت تحت بارگذاری چرخه ­ای ضعف دیگر مهاربندهای معمولی است که موجب می شود که نتوان از قابلیت استهلاک انرژی فولاد در بارگذاری های رفت و برگشتی بهره گرفت. از دهه هشتاد میلادی، مطالعات عددی و آزمایشگاهی بسیاری برای حل این مسأله آغاز شد و هدف بهینه سازی مهاربندها و رسیدن به یک رفتار الاستوپلاستیک ایده ­آل بود. مهمترین عامل در نیل به این هدف، رفع مسأله کمانش فشاری مهاربند با استفاده از مکانیزمی مناسب بود تا امکان تسلیم فشاری فولاد نیز فراهم شود. در نتیجه فعالیت های تحقیقاتی صورت گرفته، مهاربند کمانش تاب (Buckling Restrained Brace) یا همان BRB اختراع شد. ژاپنی ها پیشگام این تحقیقات بودند و در سال ۱۹۸۹، مهاربند کمانش تاب برای اولین بار در ژاپن مورد استفاده قرار گرفت. این فناوری که نام دیگر مهاربند کمانش ناپذیر است، امروزه به عنوان یکی از سیستم ­های شکل­ پذیر لرزه ­ای در کشورهای لرزه خیز دنیا، مانند ژاپن، ایالات متحده، تایوان، چین، ترکیه، و نیوزیلند به صورت گسترده ­ای به کار برده می ­شود.

در تصویر مقابل نمونه ای از سیستم های مهاربند معمولی را می بینید که در مواجهه با زمین لرزه (زلزله کرمانشاه) دچار کمانش شده است. همچنین در تصویر زیر اجزای مهاربند کمانش تاب را به صورت شماتیک و همچنین مقایسه ای تئوریک از رفتار هیسترزیس آن با مهاربند معمولی را مشاهده می کنید.

مبانی اصلی عملکرد مهاربند کمانش تاب (که در کشور ژاپن از آن به عنوان نوعی میراگر استفاده می ­شود)، جلوگیری از وقوع کمانش هسته فولادی به منظور امکان وقوع پدیده تسلیم فشاری در آن است. در نتیجه امکان جذب انرژی در این عضو از سازه فراهم می شود. این امر با قراردادن هسته فولادی در لوله فولادی پر شده با بتن میسر می­ گردد.

می توان گفت که چالش اصلی در ساخت مهاربند کمانش تاب ایجاد مکانیزمی مؤثر برای افزایش مقاومت فشاری بدون افزایش سختی است؛ به عبارت دیگر اگر بخواهیم تنها با افزایش مقطع مهاربند بر مقاومت فشاری و آستانه کمانش آن بیافزاییم، در عمل نتیجه ی مطلوب حاصل نخواهد شد چرا که اولاً اختلاف مقاومت کششی و فشاری باقی خواهد ماند و دوماً این افزایش مقطع موجب افزایش سختی نیز شده که خود منجر به افزایش جذب نیروی زلزله خواهد شد.

پس می توان گفت که در ساخت مهاربند کمانش تاب هنر افزایش مقاومت بدون افزایش سختی است. همانطور که در شکل مقابل ملاحظه می کنید، با ایجاد غلاف و حائلی پیوسته ای که المان باربر مهاربند کمانش تاب (هسته فولادی) را در بر می گیرد، تعداد تکیه گاه های جانبی را به تعداد بسیار زیادی افزایش می دهیم. این تکیه کردن باید به گونه ای باشد که غلاف در باربری سهیم نشده و موجب افزایش سختی مقطع و تبدیل آن به مقطعی مرکب نشود.

اجزاء تشکیل دهنده مهاربند کمانش تاب (BRB)

هر مهاربند کمانش تاب شامل:

۱- هسته فولادی میانی مهاربند کمانش تاب که می بایست تحت نیروهای فشاری و کششی جاری شود. از همین رو بهتر است که نوع فولاد هسته میانی از جنس فولاد نرمه و با مقاومت پایین تر باشد تا در بارگذاری های رفت و برگشتی زلزله، فولاد در حد مورد نظر تسلیم شده و عمل استهلاک انرژی به خوبی صورت گیرد. مهم است که دو قسمت انتهایی سیستم های مهاربند کمانش تاب به گونه ­ای طراحی شود تا تحت اثر بارهای وارده در محدوده الاستیک باقی بماند.
۲- ماده جداکننده ­ای که حائل میان هسته فولادی و بتن است و هسته فولادی را از غلاف فولادی جدا می کند. در نتیجه نیروی محوری وارد بر مهاربند تنها توسط هسته فولادی تحمل شده؛ چرا که اصطکاک میان هسته و بتن به حداقل رسانده می شود و غلاف پیرامونی بر مبنای سختی خمشی مانع از کمانش هسته فولای خواهد شد.
۳- غلاف پیرامونی که شامل بخش بتنی یا ملاتی می شود که در اطراف هسته فولادی قرار گرفته است و یک مقطع جدار نازک فولادی پیرامونی که با سختی خمشی خود در حکم تکیه گاه جانبی پیوسته بوده و جلوی کمانش جانبی هسته فولادی را می­ گیرد.

کاربرد مهاربند کمانش‌ تاب (BRB)

این نوع از مهاربندها را در کلیه سازه ­هایی که امکان نصب مهاربند در آنها وجود دارد، می­ توان به کار برد. با توجه به تنوعی که در نحوه اتصال این نوع مهاربندها به سازه وجود دارد، امکان استفاده از آن‌ها در طراحی و یا مقاوم­ سازی کلیه سازه­ های صنعتی، پل­ ها و ساختمان­های فولادی و بتن مسلح وجود دارد. برای ملاحظه مثال هایی از نصب مهاربند کمانش تاب در پروژه هایی متنوع در دنیا به سایت شرکت پویا تدبیر ویرا مراجعه نمایید
به دلیل اینکه ظرفیت نیرویی این مهاربند در کشش و فشار برابر است، در نتیجه دیگر نیازی به استفاده از مهاربندهای کششی و فشاری نمی ­باشد. جانمایی‌ های مختلف قابل استفاده برای این نوع از مهاربندها در شکل مقابل ارائه شده است.

مقاوم سازی ساختمان های مسکونی با مهاربند کمانش تاب

در سال ۹۷، تعدادی ساختمان مسکونی که در شهرستان سرپل ذهاب در اثر زمین لرزه کرمانشاه (سال ۹۶) خسارت دیده بودند، به کمک فناوری مهاربند کمانش تاب مقاوم سازی شدند. مزایای فنی مهاربند کمانش تاب شامل رفتار یکسان در کشش و فشار، اضافه کردن یک مکانیزم میرایی هیسترزیس قابل اطمینان به سازه و در نتیجه به حداقل رساندن نیاز به مقاوم سازی پی، قابل تعویض بودن پس از زلزله، قیمت مناسب و راحتی نصب، از جمله مهمترین دلایل ترجیح این سیستم بر روش های متعارفی مانند اجرای مهاربند معمولی و دیوار برشی، در طرح های مقاوم سازی است.