در سازه‌های فلزی و بتنی، وجود عناصر مقاوم‌کننده برای مقابله با نیروهای جانبی مانند باد و زلزله اهمیت زیادی دارد. یکی از مهم‌ترین این عناصر، بادبند است که نقش حیاتی در افزایش پایداری و ایمنی ساختمان دارد. بادبندها با ایجاد یک سیستم مثلثی در قاب سازه، از تغییر شکل جانبی جلوگیری می‌کنند و موجب می‌شوند نیروها به شکل کنترل‌شده به فونداسیون منتقل شوند. در این مطلب به طور جامع بررسی می‌کنیم که بادبند یا مهاربند چیست، چه کاربردی در ساختمان‌سازی دارد، انواع مهاربند کدام‌اند و نحوه اجرای آن به چه صورت است.
فهرست محتوا
بادبند یا مهاربند چیست؟
بادبند یا مهاربند در واقع عضوی مورب در قاب‌های فلزی یا بتنی است که برای مقابله با نیروهای جانبی مانند باد، زلزله و حتی ضربات ناگهانی به کار می‌رود. در ساختمان‌ها، قاب‌ها معمولاً برای تحمل بارهای قائم مانند وزن سقف، دیوارها و کف‌ها طراحی می‌شوند. اما در زمان وقوع زلزله یا وزش باد شدید، نیروهایی به سازه وارد می‌شود که جهت آن‌ها افقی است و در صورت عدم وجود سیستم مقاوم، قاب دچار تغییر شکل، خمش یا حتی فروپاشی می‌شود. در چنین شرایطی، مهاربند به‌عنوان یک عضو مقاوم در برابر این نیروها وارد عمل می‌شود.
مهاربند معمولا از مقاطع فولادی مانند ناودانی، میلگرد، نبشی، تیرآهن یا مقاطع دوبل ساخته می‌شود و به صورت ضربدری، قطری یا V و K شکل در قاب‌ها نصب می‌گردد. هدف اصلی استفاده از مهاربند این است که انرژی ناشی از نیروهای جانبی به جای تخریب اعضای اصلی سازه، از طریق این المان‌ها جذب و به زمین منتقل شود. در واقع مهاربندها مسیر مشخصی برای انتقال نیرو ایجاد می‌کنند و از تمرکز بار در نقاط حساس سازه جلوگیری می‌کنند.
کاربرد بادبند در ساختمان‌سازی
کاربرد مهاربند در ساختمان‌سازی بسیار گسترده است. تقریباً در تمام سازه‌های فلزی میان‌مرتبه و بلندمرتبه، بادبند به عنوان یکی از عناصر اصلی مقاوم در برابر زلزله به کار می‌رود. وجود بادبند باعث می‌شود سازه از لحاظ پایداری جانبی مستحکم‌تر شده و در برابر تغییر شکل‌ها و پیچش‌های ناخواسته مقاوم باشد.
در ساختمان‌های اسکلت فلزی، مهاربندها معمولاً در قاب‌های پیرامونی نصب می‌شوند تا بتوانند حداکثر تأثیر را در مقابله با نیروهای افقی داشته باشند. این سیستم علاوه بر افزایش مقاومت سازه، موجب صرفه‌جویی در وزن و هزینه مصالح نیز می‌شود، زیرا استفاده از مهاربندها نیاز به افزایش ابعاد ستون‌ها و تیرها را کاهش می‌دهد.
در سازه‌های صنعتی مانند سوله‌ها، انبارها، پالایشگاه‌ها و کارگاه‌های بزرگ، بادبند بخش جدایی‌ناپذیر طراحی است. در این سازه‌ها، به دلیل دهانه‌های بزرگ و ارتفاع زیاد، نیروهای باد اثر قابل‌توجهی دارند و وجود بادبند برای جلوگیری از لرزش و جابجایی الزامی است. حتی در سازه‌های سبک مانند ساختمان‌های پیش‌ساخته یا اسکلت‌های چوبی نیز نوعی از بادبند به کار می‌رود تا پایداری جانبی سازه تضمین شود.
انواع مهاربند ساختمان
مهاربندها از نظر شکل و نوع عملکرد به چند دسته تقسیم می‌شوند که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاصی دارند. انتخاب نوع مناسب بادبند بستگی به نوع سازه، شرایط بارگذاری، محدودیت‌های معماری و الزامات آیین‌نامه‌ای دارد.
بادبند ضربدری (X شکل)
در این نوع، دو عضو مورب از گوشه‌های مخالف یک قاب به صورت متقاطع نصب می‌شوند و شکلی شبیه حرف X ایجاد می‌کنند. این نوع مهاربند از رایج‌ترین و موثرترین سیستم‌ها برای مقابله با نیروهای جانبی است، زیرا می‌تواند نیرو را در هر دو جهت فشار و کشش تحمل کند. از معایب بادبند ضربدری می‌توان به محدودیت فضایی برای بازشوهای پنجره یا در در قاب اشاره کرد.
بادبند ضربدری (X شکل)
در این نوع، دو عضو مورب از گوشه‌های مخالف یک قاب به صورت متقاطع نصب می‌شوند و شکلی شبیه حرف X ایجاد می‌کنند. این نوع مهاربند از رایج‌ترین و مؤثرترین سیستم‌ها برای مقابله با نیروهای جانبی است، زیرا می‌تواند نیرو را در هر دو جهت فشار و کشش تحمل کند. از معایب مهاربند ضربدری می‌توان به محدودیت فضایی برای بازشوهای پنجره یا در در قاب اشاره کرد.
بادبند قطری (قطری ساده یا تک‌قطری)
در این سیستم تنها یک عضو مورب در قاب قرار می‌گیرد. این مهاربند نیرو را تنها در یک جهت (مثلاً کشش) تحمل می‌کند، در حالی که در جهت مخالف ممکن است غیرفعال باشد. برای جبران این ضعف، معمولاً در قاب‌های مجاور بادبند در جهت مخالف نصب می‌شود. بادبند قطری برای ساختمان‌های کم‌ارتفاع یا دهانه‌های کوچک مناسب است.
بادبند V شکل
در مهاربند V شکل، دو عضو مورب از قسمت بالای ستون‌ها شروع می‌شوند و در وسط تیر به هم می‌رسند و شکل حرف V را تشکیل می‌دهند. این نوع بادبند باعث آزاد شدن فضای زیر قاب می‌شود و برای بخش‌هایی که نیاز به بازشو دارند مانند درگاه‌ها مناسب است. البته تمرکز نیرو در وسط تیر ممکن است باعث ایجاد تنش‌های خمشی اضافی شود که باید در طراحی لحاظ گردد.
مهاربند معکوس V (یا Λ شکل)
در این نوع، دو عضو بادبند از پایین ستون‌ها شروع می‌شوند و در زیر تیر به هم می‌رسند. عملکرد آن مشابه مهاربند V است با این تفاوت که جهت قرارگیری برعکس می‌باشد. این سیستم در قاب‌هایی استفاده می‌شود که نیاز به فضای باز در بالای دهانه دارند.
بادبند K شکل
در مهاربند K شکل، اعضای مورب از میانه ارتفاع ستون‌ها به وسط تیر متصل می‌شوند و شکل حرف K را تشکیل می‌دهند. این نوع از نظر معماری گاهی مطلوب است زیرا فضای وسط قاب را آزاد می‌گذارد. اما از نظر مهندسی، تمرکز نیرو در وسط ستون ممکن است موجب کمانش یا ضعف در عملکرد لرزه‌ای شود. به همین دلیل، استفاده از مهاربند K شکل در آیین‌نامه‌های جدید کمتر توصیه می‌شود.
بادبند زانویی
این نوع مهاربند با هدف افزایش شکل‌پذیری و کنترل انرژی زلزله طراحی شده است. در سیستم بادبند زانویی، بین عضو مورب و تیر یا ستون یک اتصال زانویی با زاویه خاص قرار می‌گیرد تا هنگام وقوع زلزله، تغییر شکل‌های کنترل‌شده‌ای ایجاد شود. این سیستم بیشتر در ساختمان‌های بلند و پروژه‌های خاص کاربرد دارد.
بادبند هم‌محور و خارج از محور (Concentric & Eccentric Bracing)
در مهاربندهای هم‌محور، محور اعضای مورب دقیقاً از مرکز اتصال تیر و ستون عبور می‌کند. اما در مهاربندهای خارج از محور، محل اتصال با اندکی فاصله نسبت به محور ستون یا تیر قرار دارد. نوع خارج از محور باعث افزایش شکل‌پذیری و جذب انرژی بیشتر در هنگام زلزله می‌شود، در حالی که نوع هم‌محور بیشتر برای پایداری و استحکام اولیه مفید است.
بیشتر بخوانید: روش های مقاوم سازی ساختمان
نحوه اجرای مهاربند در ساختمان
اجرای مهاربند در ساختمان نیاز به دقت بالا و رعایت اصول فنی دارد. کوچک‌ترین خطا در نصب یا جوشکاری می‌تواند عملکرد کل سیستم را تحت تأثیر قرار دهد. مراحل اجرای بادبند معمولاً شامل انتخاب نوع مهاربند، برش و آماده‌سازی مقاطع فولادی، نصب اتصالات، جوشکاری و کنترل نهایی است.
در ابتدا باید نوع مهاربند بر اساس نقشه‌های سازه و بارهای جانبی تعیین شود. سپس مقاطع مناسب از نظر ابعاد و جنس انتخاب می‌گردند. معمولاً مقاطع نبشی، ناودانی، میلگرد و گاهی تیرآهن برای ساخت بادبند استفاده می‌شوند. برش دقیق و آماده‌سازی سطح برای جوشکاری مرحله مهمی است تا اتصالات با کیفیت بالا و بدون نقص اجرا شوند.
نصب مهاربندها معمولاً به صورت مورب بین ستون و تیر انجام می‌شود. در صورت استفاده از مهاربند ضربدری، دو عضو مورب باید در نقطه تقاطع به هم متصل شوند. در بادبندهای V یا Λ، نقطه اتصال به تیر باید با دقت و تقویت مناسب انجام شود تا نیروهای فشاری و کششی به درستی منتقل شوند.
در پروژه‌های صنعتی یا ساختمان‌های بلند، اتصالات مهاربندها ممکن است به صورت پیچ و مهره‌ای اجرا شوند تا امکان تعویض یا تنظیم مجدد در آینده فراهم شود. جوشکاری در محل اتصال باید با رعایت استانداردهای جوشکاری ساختمان‌های فولادی انجام شود تا از ایجاد ترک و ضعف در محل اتصال جلوگیری گردد.
پس از نصب مهاربند، حتما باید بررسی شود که تمام اعضا در مسیر صحیح قرار گرفته و هیچ‌گونه پیچش، انحراف یا تغییر زاویه در قاب ایجاد نشده است. کنترل ابعادی و تست‌های غیرمخرب (NDT) در پروژه‌های مهم برای اطمینان از کیفیت اتصالات انجام می‌شود.
مزایای استفاده از مهاربند
به کارگیری مهاربند در ساختمان‌سازی مزایای قابل‌توجهی دارد. نخستین مزیت، افزایش پایداری جانبی سازه است. مهاربندها مانع از جابجایی افقی ساختمان در اثر زلزله یا باد می‌شوند و موجب کاهش تغییر شکل در قاب‌ها می‌گردند. این ویژگی علاوه بر افزایش ایمنی، به کاهش خسارات سازه‌ای و غیراسکلت در زمان زلزله کمک می‌کند.
مزیت دوم، صرفه‌جویی اقتصادی است. در ساختمان‌هایی که از مهاربند استفاده می‌کنند، ابعاد ستون‌ها و تیرها می‌تواند کوچکتر انتخاب شود زیرا بخشی از نیروهای جانبی توسط بادبندها تحمل می‌شود. این موضوع در نهایت باعث کاهش وزن کلی سازه و مصرف فولاد می‌شود.
از دیگر مزایا می‌توان به سادگی اجرا، قابلیت تعویض در صورت آسیب، افزایش سختی جانبی و امکان استفاده در انواع سازه‌ها اشاره کرد. بادبندها همچنین به طراح اجازه می‌دهند تا با کنترل دقیق نیروها، تغییر مکان نسبی طبقات را در حد مجاز نگه دارد.
نکات مهم در طراحی و اجرای مهاربند
در طراحی مهاربند باید به جهت انتقال نیرو، شکل‌پذیری و محل نصب دقت شود. محل بادبندها باید به گونه‌ای انتخاب شود که مرکز سختی و مرکز جرم سازه تا حد امکان بر هم منطبق باشند تا پیچش جانبی ایجاد نشود. همچنین باید از تقارن در توزیع مهاربندها در پلان استفاده شود.
در ساختمان‌های چندطبقه، مهاربندها معمولا در طبقات پایین‌تر قوی‌تر طراحی می‌شوند زیرا نیروهای زلزله در این نواحی بیشتر متمرکز می‌شود. طراحی اتصالات مهاربندها اهمیت زیادی دارد زیرا اغلب خرابی‌ها از محل اتصال آغاز می‌شود. بنابراین استفاده از ورق‌های تقویتی، جوش با کیفیت و یا پیچ‌های با مقاومت بالا ضروری است.
در هنگام اجرای مهاربند، دقت در نصب مورب‌ها با زاویه صحیح و استفاده از ابزار دقیق برای هم‌راستاسازی الزامی است. کوچک‌ترین انحراف در زاویه بادبند می‌تواند عملکرد سازه را کاهش دهد.
جمع‌بندی
مهاربند یکی از مهم‌ترین اجزای مقاوم‌ساز در سازه‌های فلزی و بتنی است که نقش حیاتی در کنترل نیروهای جانبی و افزایش ایمنی ساختمان دارد. از مهاربندها در ساختمان‌های مسکونی، تجاری، صنعتی و سوله‌ها به طور گسترده استفاده می‌شود. انواع مختلفی از بادبند مانند X، V، K، Λ و زانویی وجود دارد که هر کدام مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند. اجرای صحیح بادبند مستلزم رعایت دقیق اصول فنی، طراحی درست و استفاده از مصالح با کیفیت است.
با توجه به اهمیت مقاومت جانبی در برابر زلزله، استفاده از سیستم مهاربند در طراحی سازه‌های جدید و حتی مقاوم‌سازی ساختمان‌های موجود یکی از مؤثرترین و اقتصادی‌ترین راهکارها برای افزایش پایداری و ایمنی به شمار می‌رود.
