قاب خمشی یکی از اجزای مهم و اساسی در سازه‌های مدرن است که به‌عنوان سیستم مقاوم در برابر نیروهای جانبی، به‌ویژه زلزله، نقش کلیدی ایفا می‌کند و در زبان انگلیسی تحت عنوان “Bending frame” شناخته می شود.

در طراحی قاب‌های خمشی، اعضای افقی و عمودی به‌گونه‌ای متصل می‌شوند که بتوانند در برابر نیروی وارده به سازه مقاومت کنند و تغییرشکل مناسبی از خود نشان دهند. این سیستم به‌ویژه در ساختمان‌های بلند و مناطقی که احتمال وقوع زلزله بالاست، انتخابی مناسب برای کنترل نوسانات سازه‌ای و جلوگیری از تخریب است.

قاب خمشی چیست؟

قاب خمشی به سازه‌ای گفته می‌شود که اجزای آن شامل تیرها و ستون‌های بتنی هستند و با اتصالات محکمی به یکدیگر متصل شده‌اند تا در برابر نیروهای جانبی، مانند باد و زلزله، مقاومت کنند. این قاب‌ها به دلیل طراحی خاص خود توانایی جذب و کنترل نیروهای وارده را دارند و در بسیاری از ساختمان‌های مدرن به‌عنوان یکی از سیستم‌های مقاوم جانبی به کار می‌روند.

سیستم قاب خمشی چیست؟

سیستم قاب خمشی بر اساس توانایی تحمل بارهای جانبی و ارائه انعطاف‌پذیری بالا عمل می‌کند و بدون نیاز به دیوارهای برشی یا عناصر تقویتی اضافی، پایداری و ایمنی را برای سازه فراهم می‌کند. با این ویژگی‌ها، این سیستم برای انواع ساختمان‌ها، از برج‌های بلندمرتبه تا بناهای با ارتفاع کمتر، کارایی مطلوبی دارد.

تاریخچه و کاربردهای قاب خمشی

تاریخچه قاب خمشی به سال‌ها پیش بازمی‌گردد، به حدود دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ ، زمانی که نیاز به روش‌های مقاومتی جدید در برابر زلزله در صنعت ساخت‌وساز افزایش یافت. این سیستم با گسترش ساختمان‌های بلند و مناطق زلزله‌خیز، به یکی از اصول اساسی در طراحی ساختمان‌های مقاوم تبدیل شد.

امروزه، از این سیستم در سراسر جهان به عنوان یکی از سیستم‌های ایمن و کارآمد شناخته می‌شود و در پروژه‌های بزرگ ساختمانی، به ویژه در مناطق با خطر زلزله بالا، استفاده گسترده‌ای دارد.

کاربردهای قاب خمشی بتنی شامل انواع سازه‌های تجاری، مسکونی، صنعتی و زیرساخت‌های حیاتی است، چرا که علاوه بر استحکام و انعطاف‌پذیری، امکان ایجاد فضاهای بزرگ و باز را نیز فراهم می‌کند.

انواع قاب خمشی

قاب‌های خمشی بر اساس نوع مصالح و میزان سختی اتصالاتی که دارند به چند دسته تقسیم می‌شوند. در ادامه، هر کدام از این دسته‌ها را یه صورت مختصر توضیح می‌دهیم:

قاب خمشی بتنی

 این نوع از قاب‌ها از بتن مسلح ساخته می‌شوند و اتصالات تیر و ستون با آرماتوربندی مناسب آن تقویت می‌شوند. این نوع قاب‌ها اغلب در مناطقی با خطر زلزله بالا به کار می‌روند و به دلیل استحکام مناسب بتن در تحمل نیروهای جانبی و فشاری، بسیار ایمن هستند.

قاب خمشی فولادی

قاب‌های فولادی از تیرها و ستون‌های فولادی تشکیل شده‌اند. این قاب‌ها به دلیل وزن کمتر و مقاومت بیشتر فولاد، در ساختمان‌های بلند ا استفاده می‌شوند. اتصالات در این نوع قاب‌ها ممکن است جوشی، پیچی یا پرچی باشند.

قاب خمشی معمولی

 این نوع قاب‌ها برای تحمل تغییر شکل‌های کوچک طراحی می‌شوند و ظرفیت تحمل تغییرشکل‌های بزرگ ناشی از زلزله‌های شدید را ندارند.

قاب خمشی متوسط

ظرفیت این قاب‌ها برای تغییرشکل‌های بزرگ‌تر از قاب‌های معمولی است ولی به اندازه قاب‌های ویژه نیست.

قاب خمشی ویژه

اگر بپرسید قاب خمشی ویژه چیست و چه تفاوتی با دیگر انواع دارد باید بگوییم که این نوع قاب‌ها برای تحمل تغییرشکل‌های بزرگ و مقاومت بالا در برابر زلزله‌های شدید طراحی شده‌اند. اتصالات این قاب‌ها به گونه‌ای طراحی و ساخته می‌شوند که بتوانند انرژی زلزله را به خوبی جذب کنند.

تفاوت قاب خمشی و دیوار برشی در چیست؟

تفاوت اصلی این قاب ها با دیوار برشی به نحوه عملکرد و ساختارشان برمی‌گردد. قاب‌های خمشی نسبت به دیوارهای برشی انعطاف بیشتری داشته و فضای بازتری را فراهم می‌کنند که برای پروژه‌های معماری با نیاز به فضاهای بزرگ مناسب است.

این سیستم‌ها با بهره‌گیری از اتصالات صلب بین تیرها و ستون‌ها، بارهای جانبی را با رفتار خمشی تحمل می‌کنند، در حالی که دیوار برشی با استفاده از صفحات برشی، نیروهای جانبی را کنترل می‌کند و معمولاً در سازه‌های بلند و مقاوم به کار می‌رود.

انتخاب ازمیان این دوگزینه برای پروژه‌های مختلف به نیاز پروژه، شرایط جغرافیایی و سطح خطر زلزله بستگی دارد؛ برای مثال، در مناطقی با خطر نسبی زلزله بالا، استفاده از قاب خمشی ویژه توصیه می‌شود.

قاب خمشی بتنی چیست؟

قاب خمشی بتنی، سیستمی سازه‌ای با اتصالات صلب بین تیر و ستون است که برای مقاومت در برابر بارهای جانبی و قائم، به‌ویژه زلزله، در ساختمان‌ها استفاده می‌شود. این قاب به دلیل شکل‌پذیری بالای بتن و اتصالات مستحکم، نیروهای جانبی را با رفتار خمشی جذب و منتقل می‌کند و در سازه‌های بلند و مناطق زلزله‌خیز کارایی بالایی دارد.

برای اجرای این سیستم، رعایت الزامات ساخت و ساز ضروری است. این الزامات شامل مراحل آماده‌سازی قالب‌بندی، دقت در بتن‌ریزی و تراکم مناسب آن، و اطمینان از استقرار دقیق و محکم آرماتورها در محل‌های پیش‌بینی شده می‌شود. همچنین توجه به جزئیات اتصالات تیر و ستون، و ایجاد مفاصل پلاستیکی در نقاط خاص برای کنترل تغییر شکل‌ها از اصول مهم در ساخت قاب خمشی بتنی به شمار می‌آید. رعایت این الزامات ساخت و ساز به افزایش استحکام و دوام سازه کمک کرده و پایداری لازم را در برابر نیروی زلزله فراهم می‌آورد.

انواع قاب خمشی بتنی

قاب‌های خمشی بتنی به دو نوع اصلی “متوسط” و “ویژه” تقسیم می‌شوند که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.

1.قاب خمشی بتنی متوسط

قاب خمشی بتنی متوسط برای تحمل تغییر شکل‌های محدود در برابر بارهای جانبی طراحی شده است و مناسب مناطقی با خطر زلزله کم تا متوسط است. این نوع قاب با توجه به ویژگی‌های زیر شناخته می‌شود:

• مقاومت نسبی در برابر زلزله: به دلیل طراحی خاص، قادر به تحمل نسبی بارهای جانبی است.
• ایجاد مفاصل پلاستیک در تیرها: مفاصل پلاستیکی در انتهای تیرها تشکیل می‌شود که موجب جذب انرژی و رفتار بهتر سازه در برابر نیروهای جانبی می‌شود.
• کارایی و هزینه مناسب: برای مناطقی با خطر زلزله پایین، گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه و کارآمد محسوب می‌شود.

2.قاب خمشی بتنی ویژه

ویژگی‌های کلیدی این نوع قاب عبارتند از:

شکل‌پذیری بالا: طراحی دقیق و استفاده از ضوابط خاص باعث افزایش ایمنی و مقاومت سازه می‌شود

تحمل تغییر مکان‌های جانبی بالا: با ضریب رفتار بالا (Ru=7.5) و توانایی تحمل تغییر مکان‌هایی تا 0.04 رادیان، قاب خمشی ویژه به‌ویژه برای پروژه‌های حساس و مناطق زلزله‌خیز مناسب است.

ایمنی بالا: تمرکز بر شکل‌گیری مفاصل پلاستیکی خارج از نواحی اتصال تیر به ستون، که ایمنی و پایداری سازه را در برابر بارهای شدید بهبود می‌بخشد. بر اساس ضوابط ملی، قاب خمشی ویژه بتنی باید تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی را تحمل کند و از مفاصل پلاستیک برای جذب انرژی در نقاط خاص بهره ببرد.

مزایا و معایب قاب خمشی بتنی

سیستم قاب خمشی بتنی به عنوان یک گزینه محبوب در مهندسی سازه، مزایای قابل توجهی دارد که آن را برای بسیاری از پروژه‌های ساختمانی جذاب می‌کند اما ممکن است از معایبی نیز برخوردار باشد که درادامه به آن اشاره می‌کنیم.
مزایای سیستم قاب خمشی بتنی

• انعطاف‌پذیری طراحی: این سیستم به معماران این امکان را می‌دهد تا فضاهای باز و بدون مزاحمت سازه‌ای بیشتری ایجاد کنند.
• ایمنی بالا در برابر زلزله: قاب خمشی بتنی توانایی بالایی در جذب و انتقال نیروهای جانبی دارد و می‌تواند در مناطق زلزله‌خیز عملکرد مناسبی ارائه دهد.
• قابلیت بازسازی:  این سیستم به راحتی قابل بازسازی و ترمیم است.
• سرعت اجرای بالا: این سیستم به دلیل نصب آسان و سریع، زمان اجرای پروژه‌ها را کاهش می‌دهد.
• پایداری و مقاومت:  این سیستم بارهای خمشی را به خوبی منتقل می‌کند و در برابر بارهای جانبی مقاومت خوبی دارد.

معایب سیستم قاب خمشی بتنی

• اتصالات پیچیده:  اتصالات در قاب خمشی بتنی می‌تواند پیچیده و سنگین باشد که نیاز به دقت بالا در طراحی و ساخت دارد.
• هزینه بالا: هزینه استفاده از این سیستم در مقایسه با سایر سیستم‌های سازه‌ای ممکن است بالاتر باشد.
• وزن زیاد:  استفاده از مصالح بتنی باعث افزایش وزن سازه شده که نیاز به بنیادهای قوی‌تری دارد.

مراحل ساخت قاب خمشی بتنی

برای ساخت قاب خمشی بتنی، چندین مرحله‌ی مهم باید با دقت اجرا شود تا به پایداری، شکل‌پذیری و مقاومت مطلوب سازه دست یابیم. فرآیند ساخت شامل مراحل زیر است:

1. طراحی و قالب‌بندی: قالب‌های موقتی نصب می‌شوند تا به شکل‌دهی صحیح تیرها و ستون‌ها کمک کنند.
2. آرماتوربندی: میلگردهای فولادی بر اساس نقشه‌ها در تیرها و ستون‌ها قرار می‌گیرند تا مقاومت کافی در اتصالات ایجاد شود.
3. بتن‌ریزی: بتن با دقت در چند مرحله ریخته و با ویبراتور فشرده می‌شود تا استحکام سازه بالا برود.
4. طراحی مفاصل پلاستیکی: ایجاد مفاصل پلاستیکی در نقاط بحرانی برای افزایش شکل‌پذیری سازه در برابر زلزله.
5. کنترل نهایی: تست‌های نهایی برای اطمینان از عملکرد سازه در برابر بارها انجام می‌شود.

رعایت این مراحل و استانداردها منجر به سازه‌هایی مقاوم و ایمن برای مناطق زلزله‌خیز خواهد شد.

قاب خمشی فولادی چیست؟

قاب خمشی فولادی سیستم سازه‌ای است که از تیرها و ستون‌های فولادی با اتصالات صلب تشکیل می‌شود. این سیستم به دلیل انعطاف‌پذیری بالای فولاد، توانایی بالاتری به نسبت توع بتنی در تحمل بارهای جانبی و ثقلی دارد.

انواع قاب خمشی فولادی

انواع قاب خمشی فولادی مانند نوع بتنی به طور کلی به سه دسته تقسیم می‌شوند: معمولی، متوسط و ویژه. این انواع سیستم‌های سازه‌ای هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند که می‌توانند تأثیر زیادی بر روی عملکرد سازه در برابر بارهای مختلف، به‌ویژه بارهای جانبی ناشی از زلزله داشته باشند.

1. قاب خمشی معمولی (OMF): این نوع قاب مقاومت محدودی در برابر نیروهای جانبی دارد و معمولاً در مناطقی با خطر زلزله پایین استفاده می‌شود. این قاب حفاظت ابتدایی را فراهم می‌کند اما قابلیت تغییرشکل زیادی ندارد.
2. قاب خمشی میانه (IMF): این قاب برای تحمل تغییرات کششی و فشاری متوسط طراحی شده است و در مناطقی با خطر زلزله متوسط مناسب است.
3. قاب خمشی ویژه (SMF): این نوع قاب برای مناطق با خطر زلزله زیاد طراحی شده است و می‌تواند تغییرات شدید در اثر زلزله را تحمل کند بدون اینکه پایداری کلی ساختمان تحت تأثیر قرار گیرد. این نوع قاب برای ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله انتخابی ایده‌آل است.

مراحل ساخت قاب خمشی فولادی

مراحل ساخت قاب خمشی فولادی به‌طور خلاصه به این صورت است:

1. طراحی سازه: محاسبه ابعاد و اتصالات قاب بر اساس استانداردها.
2. آماده‌سازی مواد: برش و ساخت تیرها و ستون‌ها در کارخانه.
3. حمل و نصب قطعات: انتقال قطعات به محل پروژه و نصب اولیه.
4. اتصال نهایی: جوشکاری یا پیچ‌کردن قطعات در محل.
5. بازرسی کیفیت: بررسی جوش‌ها و اتصالات برای اطمینان از استحکام.
6. پوشش ضدخوردگی: رنگ‌آمیزی برای محافظت سازه در برابر فرسایش.

این مراحل تضمین‌کننده دوام و پایداری قاب در برابر نیروهای جانبی مثل زلزله هستند.

تفاوت قاب خمشی ویژه و متوسط

این دو نوع قاب بر اساس نیازهای پروژه، سطح خطر زلزله و الزامات طراحی انتخاب می‌شوند. در ادامه به مهمترین تفاوت های میان آنان ها می‌پردازیم:

• استحکام و انعطاف‌پذیری

قاب خمشی ویژه به دلیل طراحی خاص و استفاده از مفاصل پلاستیکی، قادر است تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی بیشتری را تحمل کند. این نوع قاب در نواحی با خطر زلزله بالا توصیه می‌شود و می‌تواند به خوبی در برابر بارهای جانبی مقاوم باشد. از سوی دیگر، سیستم  متوسط به نسبت استحکام کمتری دارد و معمولاً برای مناطق با خطر زلزله متوسط مناسب است. این نوع قاب می‌تواند تغییر شکل‌های محدودی را در برابر بارهای جانبی تحمل کند و در صورت بروز زلزله، نسبت به نوع ویژه، آسیب‌پذیرتر است.

• مقاومت در برابر زلزله و شرایط محیطی:

قاب خمشی ویژه طراحی شده است تا در شرایط زلزله به طور مؤثری مقاومت کند و مفاصل پلاستیکی آن در انتهای تیرها می‌تواند انرژی زلزله را جذب کند. در عوض، نوع متوسط آن توانایی کمتری در مدیریت نیروهای جانبی ناشی از زلزله دارد و می‌تواند در صورت بروز زلزله‌های شدید آسیب ببیند. همچنین، انتخاب مواد مناسب و روش‌های ساخت در هر دو نوع قاب تأثیر بسزایی در عملکرد آنها در برابر شرایط محیطی مختلف دارد.

• هزینه و پیچیدگی ساخت

به طور کلی، هزینه ساخت و طراحی قاب خمشی ویژه نسبت به متوسط بیشتر است، زیرا نیاز به جزئیات دقیق‌تری دارد و استفاده از مواد با کیفیت بالاتر معمولاً ضروری است. این پیچیدگی در طراحی و نیاز به مهارت‌های بالا در ساخت باعث می‌شود که هزینه‌های پروژه به طرز قابل توجهی افزایش یابد. در مقابل، قاب خمشی متوسط با طراحی ساده‌تر و هزینه‌های پایین‌تر می‌تواند گزینه‌ای مناسب برای پروژه‌هایی باشد که در مناطق با خطر زلزله کمتر واقع شده‌اند.

نکات اجرایی و طراحی قاب خمشی

قاب خمشی ویژه بتنی به‌عنوان یکی از عناصر اصلی سازه‌های بتنی، تحت تأثیر ضوابط و استانداردهای خاصی طراحی و اجرا می‌شود. بر اساس ضوابط آیین‌نامه‌ای، اعضای خمشی باید از لحاظ هندسی و مقاطع دارای محدودیت‌هایی باشند تا مقاومت و پایداری سازه تأمین شود.

به‌عنوان مثال، فاصله آزاد برای اعضا نباید کمتر از چهار برابر عمق آن‌ها باشد و ارتفاع موثر مقطع نباید بیش از یک‌چهارم طول دهانه آزاد باشد. همچنین، عرض مقطع باید حداقل ۲۵۰ میلیمتر و ۳۰ درصد ارتفاع آن باشد. این ضوابط، با هدف کاهش خطر تسلیم و ایجاد رفتار مناسب در برابر بارهای مختلف، طراحی شده‌اند و از اهمیت بالایی برخوردارند.

در طراحی قاب خمشی ویژه، رعایت نکات اجرایی و ضوابط مربوط به آرماتورگذاری نیز حائز اهمیت است. به‌طور خاص، برای آرماتورهای طولی و عرضی، حداقل نسبت آرماتور باید در مقاطع خمشی رعایت شود تا ظرفیت خمشی مناسب تأمین شود. همچنین، نصب خاموت‌های بسته در مکان‌های مشخص و تعیین شده برای جلوگیری از تسلیم شدن خمشی و برشی اعضا ضروری است.

 این نکات، به‌همراه دیگر شرایط طراحی، به حفظ استحکام و کارایی سازه کمک می‌کند. در نتیجه، توجه به جزئیات در طراحی و اجرای قاب خمشی ویژه بتنی، به‌ویژه در ارتباط با ضوابط قاب خمشی ویژه بتنی، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

قاب خمشی در پروژه‌های ساختمانی کرمانی

مجموعه ساختمانی کرمانی، با بهره‌گیری از دانش روز و فناوری‌های نوین، در پروژه‌های ساختمانی خود از سیستم قاب خمشی استفاده می‌کند. این مجموعه که شامل زیرمجموعه‌ای به نام شرکت تعاونی آرمانی نیز می‌باشد، با به‌کارگیری قاب خمشی در سازه‌های خود، به‌ویژه در مناطق زلزله‌خیز، توانسته ایمنی و استحکام ساختمان‌ها را به شکل قابل توجهی افزایش دهد. استفاده از این سیستم نه‌تنها فضاهای معماری باز و انعطاف‌پذیری را فراهم می‌کند، بلکه مقاومت بیشتری را در برابر زلزله و بارهای جانبی به ارمغان می‌آورد. مجموعه ساختمانی کرمانی و شرکت آرمانی با این فناوری به دنبال ساخت سازه‌هایی با کیفیت برتر، عمر طولانی و سازگار با نیازهای ساکنان مدرن هستند.

جمع‌بندی

قاب خمشی به‌عنوان یکی از سیستم‌های مقاوم در سازه‌ها، با فراهم‌سازی استحکام و انعطاف‌پذیری بالا، انتخابی مناسب برای ساختمان‌های مدرن محسوب می‌شود. این سیستم که از اتصالات صلب تیر و ستون بهره می‌برد، به‌ویژه در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله عملکرد مطلوبی دارد و امکان ایجاد فضاهای باز معماری و کاهش موانع داخلی را فراهم می‌آورد.

 مزایای استفاده از سیستم قاب خمشی شامل ایمنی بالا، انعطاف‌پذیری طراحی و امکان بازسازی آسان پس از زلزله است. با این حال، برای انتخاب نوع مناسب قاب خمشی، مانند قاب خمشی متوسط یا قاب خمشی ویژه، باید عواملی چون شرایط محیطی، ریسک زلزله، هزینه‌ها و پیچیدگی ساخت را در نظر گرفت تا بتوان بهترین گزینه را برای افزایش دوام و ایمنی سازه انتخاب کرد.