امتیاز کاربران

ستاره غیر فعالستاره غیر فعالستاره غیر فعالستاره غیر فعالستاره غیر فعال
 

مبانی تحلیل و طراحی سازه های پیش ساخته پانلی

الزامات تحلیل و طراحی سامانه‌های پانلی کامل در این مقاله مورد بررسی قرار می‌گیرند. به طور کلی این الزامات بر اساس مبانی تحلیل و طراحی ساختمان‌های بتن‌آرمه متعارف می‌باشند.

4-1- ملاحظات معماری

ملاحظات معماری زیر باید در طراحی معماری ساختمان‌های پیش ساخته پانلی کامل رعایت شوند. از آنجا که دیوارهای جداکننده در سامانه‌های پانلی کامل نقش باربر سازه‌ای دارند، به منظور ارزیابی و تحلیل رفتار ساختمان، لازم است بین مهندس معمار و مهندس محاسب ساختمان تبادل‌نظر و هماهنگی ایجاد گردد. پلان ساختمان دارای شکل متقارن یا تقریباً متقارن نسبت به محورهای اصلی بنا باشد. در مسیر انتقال نیروی جانبی از سامانه پانلی به زمین، انقطاعی وجود نداشته باشد. به عبارت دیگر دیوارهای پانلی باربر باید به صورت ممتد تا روی پی امتداد داشته باشند. از احداث طره‌های بیشتر از یک متر احتراز شود. از ایجاد بازشوها بزرگ و مجاور یکدیگر در دیافراگم‌های کف خودداری شود. از قرار دادن اجزای ساختمانی، تأسیسات و یا اشیای سنگین بر روی طره‌ها، عناصر لاغر و دهانه‌های بزرگ پرهیز گردد. از ایجاد اختلاف سطح در کف‌ها خودداری شود. از کاهش یا افزایش مساحت زیربنای طبقات در ارتفاع به طوری که تغییرات قابل ملاحظه‌ای در جرم طبقات ایجاد شود، پرهیز گردد. برای حذف یا کاهش خسارت ناشی از ضربه ساختمان‌های مجاور پیش‌بینی درز انقطاع مطابق ضوابط مبحث ششم مقررات ملی ساختمانی ایران صورت گیرد. ارتفاع مجاز هر طبقه بدون کلاف میانی به 4 متر محدود می‌شود. افزایش ارتفاع از این مقدار فقط برای ساختمان‌های یک طبقه مجاز بوده و لازم است یک کلاف میانی در نظر گرفته شده و در هر حال ارتفاع طبقه نباید از 6 متر بیشتر شود. در صورتی که رعایت موارد مذکور در بندهای فوق به دلیل محدودیت‌های معماری و در موارد بسیار خاص مقدور نباشد، لازم است مطالعات و تحلیل‌های ویژه به انجام رسیده و به تأیید مهندس محاسب برسند.

4-2- بارگذاری

بارهای وارد بر سامانه باید بر اساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمانی ایران با عنوان «بارهای وارد بر ساختمان» تعیین شوند.

4-2-1- بارگذاری ثقلی

بارگذاری ثقلی ساختمان پیش ساخته پانلی بر اساس بارهای مرده، زنده و بار برف انجام می‌گیرد. این بارگذاری بر اساس آئین‌نامه «حداقل بار وارده بر ساختمان‌ها و ابنیه فنی» در قالب آئین‌نامه 519 و یا مبحث ششم مقررات ملی ساختمان معروف است، صورت می‌پذیرد.

الف- بار مرده: بارهای مرده عبارتند از وزن اجزای دائمی ساختمان مانند وزن دیوارهای پانلی، دال کف، بام و تأسیسات و تجهیزات ثابت. در محاسبه بارهای مرده باید وزن و ابعاد واقعی مصالح مصرفی و اجزای ساختمان مورد استفاده قرار گیرد در بارگذاری بار مرده سقف‌های پانلی باید دقت گردد که دیوارهای باربر را نباید به عنوان تیغه در نظر گرفت. دیوارهای پانلی باربر عموماً روی یکدیگر قرار گرفته و اصولاً بار آنها بر روی کف وارد نمی‌شود. باید در نظر داشت که ممکن است در برخی سازه‌های پانلی، تعدادی از دیوارها به صورت تیغه غیرباربر در نظر گرفته شده باشند و باید مطاب سایر تیغه‌ها مدل گردند.

جدول 4-1: نحوه محاسبات جزئیات سقف

جنس ضخامت (متر) وزن مخصوص وزن مؤثر
موزاییک و ملات 0.04 22.0 88
پوکه 0.05 1300 65
بتن روی سقف 0.06 2300 138
بتن تیرچه 0.1 2400 40
پانل 6
بتن زیر سقف 0.04 2300 92
گچ 0.01 1300 13
جمع 442

ب- بار زنده: بارهای زنده عبارتند از بارهای غیردائمی که در حین بهره‌‎برداری از ساختمان به آن وارد می‌شود. این بارها با توجه به نوع کاربری ساختمان و یا هر بخش از آن و مقداری که احتمال دارد در طول مدت عمر ساختمان به آن وارد گردد، تعریف می‌شود. این بارها نباید کمتر از مقادیر مندرج در آیین‌نامه 519 و یا مبحث ششم مقررات ملی ساختمان در نظر گرفته شود. بارهای زنده به طور عمده بار گسترده یکنواختی هستند که در سراسر کف اثر داده می‌شوند. علاوه بر آن بارهای متمرکز مشخص‌شده‌ای نیز به عنوان بارهای زنده می‌تواند مدنظر باشد. جدول 4-2 نمونه‌ای از بارگذاری زنده متداول و کاربردی می‌باشد. جداول کامل در آیین‌نامه 519 و یا مبحث ششم مقررات ملی ساختمان آورده شده است.

جدول 4-2: نمونه‌ای از بارهای زنده گسترده یکنواخت

نوع کاربری گسترده
ساختمان مسکونی، اتاق‌ها، راهروی خصوصی و سرویس‌ها 200
انبارهای ساختمان مسکونی 500
راهروهای اصلی ساختمان‌های اداری و مسکونی 250
اتاق بیمار در بیمارستان 200
اتاق عمل در بیمارستان 200
کلاس‌های درسی، قرائت‌خانه‌ها 250

ج- بار برف: بنا به تعریف وزن لایه برفی بصورتی تعریف می‌شود که بر اساس آمار موجود در منطقه، احتمال آن در سال کمتر از 2% باشد. این احتمال شامل دوره بازگشتی معادل 50 سال می‌باشد. در آیین‌نامه 519 و یا مبحث ششم مقررات ملی ساختمان بر اساس خصوصیات هواشناسی مناطق مختلف کشور و آمارهای قبلی، نقشه کشور به 4 ناحیه گرمسیر، معتدل، سردسیر، برفگیر و کوهستانی تقسیم شده، و بر اساس آنها بار برف مبنا و بار برف بام‌ها با توجه به زاویه شیب سقف و نوع آن شرح داده شده است. (مبحث 6 مقررات ملی ساختمان)

4-3- بارگذاری زلزله

عمده‌ترین و مهم‌ترین بارگذاری در سازه، بار زلزله می‌باشد. این مسأله در کشور ایران که دارای گسل‌های فراوان و سوابق زلزله‌های مخرب و تلفات جانی و خسارات مالی زیاد می‌باشد، از اهمیت خاصی برخوردار است. مبنای بارگذاری زلزله بر اساس آیین‌نامه بارگذاری لرزه‌ای ساختمانی (آیین‌نامه 2800 و یا مبحث ششم مقررات ملی ساختمان معروف است انجام می‌شود. در آیین‌نامه 2800 روح حاکم بر تحلیل سازه‌ها مبتنی بر تحلیل دینامیکی می‌باشد ولی در شرایط خاص اجازه داده می‌شود که از تحلیل استاتیکی معادل استفاده شود. از طرفی اگر روش تحلیل دینامیکی بکار گرفته شود، باید نتایج آن با تحلیل استاتیکی معادل سنجیده و اصلاح شود. اگرچه روش استاتیکی معادل روش ساده‌ای است ولی بر پایه تئوری‌های دینامیک سازه بنا شده است و بررسی زلزله‌های اخیر جهان نشان داده است که ساختمان‌هایی که با این روش تحلیل می‌شوند از مقاومت و شکل‌پذیری نسبتاً مناسبی در مقابل لرزه‌ها برخوردار هستند. به همین جهت این روش در اکثر آئین‌نامه‌های بارگذاری زلزله در جهان با اندک اختلافی آورده شده است. برای کاهش خطای این روش، تلاش‌های تحقیقاتی فراوانی صورت گرفته است تا به نحو مناسبی، خواص مکانیکی سازه‌ها در این فرایند بکار رود. به طور کلی عوامل مؤثری همانند رفتار مصالح، زمان تناوب طبیعی، شرایط ساختگاهی و نوع خاک، سیستم سازه‌ای، اهمیت ساختمان، شدت و محتوای فرکانسی زلزله در تعیین ضریب زلزله مؤثرند. بر طبق استاندارد 2800 ایران، ساختمان‌های منظمی که ارتفاع آنها از تراز پایه کمتر از 50 متر باشد و همچنین سازه‌های نامنظمی که کمتر از 5 طبقه بوده یا ارتفاع آنها کمتر از 18 متر باشند را می‌توان به روش استاتیکی معادل تحلیل نمود که این محدوده، اکثر سازه‌های پانلی را در بر می‌گیرد. اگر نیروی برش پایه که سازه بر اساس آن طراحی لرزه‌ای می‌شود به V و وزن ساختمان به W نشان داده شود، نیروی برش پایه برابر است با V = C.W که در آن C ضریب زلزله نامیده می‌شود.

ضریب C چنین تعریف شده است:

در زیر راجع به هریک از عوامل و پارامترهای فوق توضیح مختصری با توجه به تعاریف پایه و ویژگی‌های سازه‌های پانلی ارائه می‌گردد.

الف- شتاب مبنای طرح (A)

شتاب مبنای طرح به نوعی بیانگر حداکثر شتابی است که در هر منطقه برای بالاترین سطح خطر زلزله احتمالی بوجود می‌آید. بنابراین کمیت مزبور به محل احداث ساختمان مربوط می‌شود.

شتاب مبنا به صورت نسبی از شتاب ثقل (g) ارائه می‌گردد. با توجه به مطالعات انجام‌شده تحلیل ریسک زلزله در کشور، استاندارد 2800 شتاب مبنای طرح بر اساس چهار منطقه در کشور ارائه کرده است که با رجوع به آن می‌توان برای هر منطقه مقدار آن را استخراج نمود. مقدار شتاب طرح برای منطقه با خطر نسبی خیلی زیاد 35/0 و برای مناطق با خطر نسبی زیاد، متوسط و کم به ترتیب 3/0 و 25/0 و 2/0 تعیین شده است. (استاندارد 2800 ایران 1387)

ب- ضریب بازتاب ساختمان (B)

این ضریب در برگیرنده عواملی چون زمان تناوب طبیعی ساختمان و خواص دینامیکی زمین محل احداث می‌باشد که با داشتن زمان تناوب طبیعی ساختمان می‌توان آن را از نمودار 1-2 به دست آمده جهت محاسبه دقیق این رابطه از بند 2-3-4 آیین‌نامه استاندارد 84-2800 می‌توان استفاده نمود.

باید توجه داشت که نوع زمین و لایه‌های آن بر روی حرکات و ارتعاش زمین اثرات محلی یا موضعی می‌گذارد.

T زمان تناوب طبیعی ساختمان بر حسب ثانیه می‌باشد. برای محاسبه زمان تناوب ساختمان‌ها از روابطی که تابعی از ارتفاع ساختمان‌ها می‌باشد استفاده شده است. بر اساس این روابط زمان تناوب سازه‌های پانلی را می‌توان از روابط زیر به دست آورد.

                                                                           1-4

در این رابطه H ارتفاع ساختمان بر حسب متر و T زمان تناوب طبیعی ساختمان بر حسب ثانیه می‌باشد. (نشریه 385 معاونت برنامه‌ریزی و نظارت راهبردی ریاست جمهوری)

این رابطه زمان تناوب به مراتب کوچکتری نسبت به سازه‌های قابی را به دست می‌دهد که نشان‌دهنده سختی قابل توجه سیستم دیوار باربر می‌باشد.

کلاً سازه‌های پانلی در قسمت ابتدائی منحنی بازتاب طرح که به ناحیه شتاب نامگذاری می‌شود، قرار می‌گیرد. (شکل 4-2)

شکل 4-2: منحنی ضریب بازتاب نسبت به زمان تناوب اصلی ساخمتان برای مناطق با خطر نسبی زیاد و خیلی زیاد

ج- ضریب اهمیت ساختمان (I)

طراحی لرزه‌ای هر سازه پیش ساخته با نوع بهره‌برداری از آن اثر مستقیم دارند. بنابراین طراح می‌باید اثر کیفی درجه اهمیت ساختمان را به صورت کمی در محاسبات خود وارد کند. ویرایش سوم استاندارد 2800 ساختمان‌ها را بسته به نوع کاربری به چهار گروه اهمیت خیلی زیاد، زیاد، متوسط و کم تقسیم‌بندی کرده است.

از این دیدگاه ساختمان‌هایی که اهمیت اجتماعی و خدمت‌رسانی عمومی داشته و هنگام وقوع زلزله باید حداقل خسارت ممکن به آن وارد شود تا پس از زلزله بتوانند خدمت‌رسانی وسیعی انجام دهند، در زمره ساختمان‌های با اهمیت خیلی زیاد قرار می‌گیرند. بیمارستان‌ها، مراکز انتقال خون و مراکز انتظامی از این دسته می‌باشند. ساختمان‌های مسکونی و اداری در گروه سازه‌های با اهمیت متوسط قرار می‌گیرند. مقدار ضریب I برای گروه با اهمیت خیلی زیاد 4/1 و گروه‌های با اهمیت زیاد، متوسط و کم به ترتیب 2/1، 1 و 8/0 در نظر گرفته شده است. به عبارت ساده‌تر آئین‌نامه جهت بارگذاری لرزه‌ای ساختمان‌های با اهمیت خیلی زیاد 40% بر مقدار برش پایه نسبت به ساختمان‌های مسکونی اضافه می‌کند تا ساختمان از مقاومت بالاتری برخوردار شده و در سطح قوی‌تری از لرزش زمین وارد محدوده رفتار غیرارتجاعی شود. (نشریه 385 معاونت برنامه‌ریزی و نظارت راهبردی ریاست جمهوری)

د- ضریب رفتار ساختمان (R)

اگر قرار باشد در حین نیروهای زلزله، رفتار کلی ساختمان پیش ساخته در محدوده ارتجاعی قرار داشته باشد و یا به عبارت ساده‌تر تنش در تمام اعضای سازه‌ای کمتر از تنش حد ارتجاعی باشد، مسلماً ابعاد و اندازه سازه یا بیش از حد متعارف بزرگ می‌شود و طبعاً طرح ساختمان غیر اقتصادی می‌گردد. به این ترتیب برای زلزله‌ای که احتمال وقوع آن در طول عمر 50 ساله یک ساختمان 10% است، سازه طراحی می‌گردد. آیا چنین طرحی مقرون به صرفه است واز آن مهم‌تر آیا می‌توان سازه‌ای تا بدین حد سخت بنا کرد.

پاسخ روشن است که باید راه‌حل دیگری جستجو کرد و آن اینکه طراح اجازه دهد تا رفتار سازه از حد ارتجاعی خود بگذرد و وارد محدوده غیرارتجاعی شود. اما در عوض با پذیرش تغییر شکل و تغییر مکان‌های نسبی قادر باشد بخش قابل توجهی از انرژی ورودی ناشی از زلزله را مستهلک نماید. در آئین‌نامه‌های زلزله جهان نیروهای زلزله را با توجه به فلسفه فوق کاهش می‌دهند. در استاندارد 2800، ضریب رفتار R نشانگر این کاهش نیروست که نیروی زلزله ABI بر آن تقسیم می‌شود. بحث‌های دقیق و علمی ضریب رفتار و عوامل مؤثر به آن در بسیاری از مراجع آورده شده است.

به طورکلی ضریب رفتار یک ساختمان از جمله سازه پیش ساخته پانلی تابعی از زمان تناوب طبیعی، میرایی ساختمان، درجات نامعینی، شکل‌پذیری و خواص مصالح به کار رفته در ساختمان می‌باشد.

مقدار ضریب رفتار از حاصلضرب چند پارامتر اصلی تشکیل شده است که مهمترین آنها ضریب شکل‌پذیری (Rm) و ضریب اضافه مقاومت (RS) می‌باشد. (مهندسی زلزله مبانی و کاربرد 1381)

ضریب شکل‌پذیری نمایانگر گنجایش استهلاک انرژی کل سازه می‌باشد که از روش‌های تئورری یا آزمایشگاهی به دست می‌آید. ضریب اضافه مقاومت بیان‌کننده مقاومت ذخیره‌شده در سازه بعد از جاری شدن آن می‌باشد که بواسطه آن تخریب سازه به تعویق می‌افتد. این ضریب بدلیل عواملی همچون بازپخش نیروهای داخلی اعضای سازه در رفتار غیرخطی، وجود نامعینی و شکل‌پذیری در سازه، دست بالا بودن مقاطع انتخابی اعضا نسبت به مقدار لازم و وجود ضرایب اطمینان طراحی می‌باشد. در سازه‌های با زمان تناوب کم که سازه‌های پانلی در زمره آن قرار دارند، ضریب اضافه مقاومت اهمیت بیشتری دارد که این مسأله بدلیل نامعینی زیاد سازه و اهمیت بیشتر بارهای قائم در طراحی آنها می‌باشد و ضریب اضافه مقاومت سهم عمده مقدار ضریب رفتار را شامل می‌شود. برای تعیین مقدار ضریب اضافه مقاومت می‌توان علاوه بر روش‌های آزمایشگاهی، از روش‌های تحلیلی مانند روش تحلیل push over و یا روش طیف ظرفیت استفاده نمود.

با توجه به کل مسائل ذکرشده، در اکثر آئین‌نامه‌ها از جمله استاندارد 2800، مقدار ضریب رفتار بر حسب نوع ساختمان به صورت یک عدد ثابت ذکر شده است.

در استاندارد 2800، برای سازه‌های دارای سیستم دیوار باربر که دارای دیوار برشی بتن مسلح معمولی است و می‌تواند سازه‌های پانلی را هم شامل شود. ضریب رفتار 4 تا 5 اختیار شده است. این مسأله با توجه به آزمایش‌های دینامیکی اعضای سازه‌ای و آزمایش میز لرزان بر روی سازه‌های پانلی تصدیق می‌گردد.

آرایش سازه ساختمان های پیش ساخته پانلی

طرح معماری که نیازهای اصلی ساختمان را در زمان بهره‌برداری مشخص می‌نماید، نحوه استقرار دیوارهای پانلی و سایر اجزای سازه‌ای را معین می‌سازد. بنابراین باید پس از مشورت مهندس سازه و مهندس معمار و با در نظر گرفتن مسائل مختلف و پیش‌بینی عملکرد مناسب ساختمان در برابر بارهای ثقلی و جانبی، آرایش سازه تعیین گردد. به طورکلی طراحی باید به نوعی انجام شود که سازه حتی‌المقدور متقارن و منظم باشد و تغییرات سختی قابل ملاحظه‌ای در آرایش اجزای سازه‌ای در پلان و در ارتفاع وجود نداشته باشد.

نیروی اعمالی به ساختمان باید از طریق مقاومت اجزای سازه‌ای آن تحمل گردد و سپس در یک مسیر قابل قبول که پایداری کلی ساختمان را مخدوش نسازد، به شالوده منتقل شود. بنابراین دیوارهای پانلی باربر باید حتی‌المقدور بدون انقطاع و به طور یکپارچه تا فوندانسیون اجرا شوند.

البته در شرایطی که بدلیل ملاحظات معماری از قبیل احداث پارکینگ در طبقه همکف، انقطاع دیوار الزامی باشد، بایستی نکات سازه‌ای خاصی در طراحی مدنظر قرار گیرد. نکته قابل ذکر دیگر تقارن سازه در پلان و ارتفاع است. پلان سازه باید به گونه‌ای طراحی شود که نحوه توزیع نیروهای جانبی که موجب حرکت بلوک‌های مجزا در دو جهت مختلف می‌گردد، باعث وارد آمدن خسارت به آنها نشود. عدم جداسازی بلوک‌ها باعث ایجاد نیروهای قابل توجهی بین دو قسمت سازه می‌شود که با جدا نکردن آنها از یکدیگر، حرکت افقی یکی نسبت به دیگری و همچنین تغییر شکل خمشی بخشی از ساختمان نسبت به بخش دیگر را موجب می‌گردد.

از اینرو تقارن در پلان ساختمان بایستی رعایت شود در صورتیکه در یک پروژه خاص عدم تقارن در پلان الزامی باشد، باید محدودیت‌هایی برای آن در نظر گرفت که طبق استاندارد 2800 مجموع طول قسمت‌های اضافی در هر جهت نباید از 25% طول اصلی همان جهت بیشتر باشد.

مسأله نظم سازه در ارتفاع نیز باید در طراحی لرزه‌ای سازه مورد توجه جدی قرار گیرد که محدودیت‌های آن در استاندارد 2800 ذکر شده است. (مهندسی زلزله مبانی و کاربرد 1381)

4-3-1- بارگذاری و ترکیبات بار

مسائلی از قبیل توزیع نیروهای جانبی زلزله در ارتفاع، اثرات P-D، حد بهره‌برداری محدودیت‌های تغییر مکان و ترکیبات بارگذاری نیروهای جانبی باد و توزیع آن مطابق با استانداردهای 2800، 519، مبحث ششم مقررات ملی ساختمان و همچنین آئین‌‎نامه بتن ایران (آبا) می‌باشد.

تعداد طبقات و حداکثر ارتفاع مجاز:

تعداد طبقات و ارتفاع مجاز سامانه‌های پانلی کامل، 4 طبقه با حداکثر 15 متر از تراز پایه است. برای ساختمان‌های بااهمیت زیاد، تعداد طبقات و ارتفاع مجاز به 3 طبقه با حداکثر 12 متر از تراز پایه محدود می‌گردد. برای ساختمان‌های با اهمیت خیلی زیاد، تعداد طبقات و ارتفاع مجاز به 2 طبقه با حداکثر 10 متر از تراز پایه محدود می‌گردد. حداکثر نسبت ارتفاع به عرض در سامانه‌های پانلی کامل به 2 محدود می‌گردد.

4-4- اصول تحلیل

اصول تحلیل سامانه‌های پیش ساخته پانلی کامل و روش‌های مدل‌سازی آنها مطابق اصول تحلیل ساختمان‌های متعارف بتن‌آرمه می‌باشند. مدل‌سازی تحلیلی دیوارهای پانلی می‌تواند مبتنی بر روش اجزای محدود باشد. برای دیوارهای پانلی دارای بازشو لازم است شبکه‌بندی المان‌های دیوار پانلی به نحوی باشد که بتواند رفتار واقعی دیوار پانلی با بازشو را از نظر نیروهای داخلی و تغییر شکل‌های نسبی نشان دهد. در مدل‌سازی دیوارهای پانلی دارای بارشو می‌توان از دیوار بدون بازشو معادل استفاده کرد. به طوری که سختی آن برابر سختی دیوار اصلی باشد.

4-5- مشخصات مصالح

روش اندازه‌گیری مدول الاستیسیته بتن پاشیده مطابق استاندارد ملی ایران به شماره 525 با عنوان ’’بتن - تعیین مدول ارتجاعی و ضریب پواسون بتن - روش آزمون’’ است. مدول الاستیسیته بتن پاشیده کاهش قابل ملاحظه‌ای نسبت به بتن معمولی دارد و بین 40 درصد تا 75 درصد مدول الاستیسیته تن معمولی است (uang 1991) ضریب کاهش مدول الاستیسیته بتن پاشیده به شاخص‌های کیفی موضوع بند 6-11-3-4- بستگی دارد. سایر مشخصات مصالح به کار رفته در سامانه‌های پانلی، مطابق فصول مربوط تعیین می‌شوند.

4-6- مبانی طراحی

به طورکلی کنترل حالات حدی مقاومت و بهره‌برداری قطعات پانلی تحت اثر خمش، پیچش، نیروی محوری و برش و منظور نمودن آثار لاغری - کمانش، فرضیات و ضوابط کلی طراحی، و مهار و وصله شبکه ی جوش‌شده و میلگردها در سامانه‌های پانلی، با توجه به موارد مندرج در بندهای ذیل، مطابق ضوابط و مبانی طراحی ساختمان‌های بتن‌آرمه متعارف می‌باشند.

ضریب اصلاحی

در سامانه‌های پانلی در محاسبات مربوط به کنترل مقاومت فشاری بتن پاشیده و مقاومت برش نهایی تأمین‌شده توسط بتن پاشیده، علاوه بر ضریب جزیی ایمنی مقاومت بتن، fc، لازم است ضریب اصلاحی fn = 0.5 برای بتن پاشیده نیز در نظر گرفته شود.

طول مهاری و وصله

در محاسبه طول مهاری و طول وصله شبکه‌ها و میگلردهایی که بتن‌پاشی می‌شوند، تنش گیرایی، مطلوب فرض شده و ضریب موقعیت برابر واحد منظور می‌گردد.

مبانی تحلیل سازه‌های پانلی

پس از بارگذاری سازه و تعیین بارهای ثقلی و جانبی، ساختمان باید به نحو مناسبی تحلیل شود تا نیروهای وارده به هر عضو مشخص گردد تا در نهایت بتوان آن عضو را طراحی نمود. در گذشته روش‌های تقریبی گوناگونی که بر پایه‌های ریاضی و مکانیک بوجود آمده بودند، برای آنالیز ساختمان‌ها به کار می‌رفت. این روش‌ها برای سازه‌های قابی که از المان‌های خطی تیر و ستون تشکیل شده است کاربرد زیادی دارد ولی در مورد سازه‌هایی که درجات نامعینی بالایی دارند آنالیز بسیار طولانی و وقت‌گیر و با تقریب زیاد انجام می‌شود. با پیدایش ماشین‌های حسابگر، روش‌های عددی حل معادلات در تمام شاخه‌های علوم علی‌الخصوص مهندسی سازه وارد شدند، پس از پیدایش روش‌های تحلیل ماتریسی و اجزای محدود، الگوریتم آنها در قالب یک سری برنامه‌های کامپیوتری تهیه شدند و مهندسان برای تحلیل سازه‌ها از این برنامه‌ها کمک گرفتند. امروزه تقریباً تمام برنامه‌های موجود بر اساس روش اجزای محدود تهیه شده‌اند و دارای قابلیت ویژه برای مدل‌سازی و تحلیل سازه‌های پانلی می‌باشند.

4-7- مدل‌سازی دیوارهای پیش ساخته پانلی

در آنالیز دیوارهای برشی پانلی به روش اجزای محدود، فرمول‌بندی المان پانل بر پایه المان ایزوپارامتریک غشایی با تغییر شکل‌های داخلی سازگار قرار دارد. این روابط شامل مؤلفه‌های سختی چرخشی در صفحه خود المان می‌باشد. به عبارتی المان پانل نیروی محوری، خمش و برش را در صفحه خود تحمل کرده و نیرویی را در خارج از صفحه تحمل نمی‌کند. در تعیین ابعاد و تعداد المان‌های هر دیوار باید به مفاهیم و اصول روش اجزای محدود توجه نمود.

همچنین می‌توان هر چشمه دیوار را با یک المانم محدود معادل مدلسازی کرد. در این حالت هر چشمه دیوار بر اساس درجات آزادی چهارگوشه خارجی آن محاسبه شده و در متن برنامه تحلیل سازه گنجانده می‌شود. درجات آزادی مذکور شامل جابجائی در دو جهت x و y و دوران در جهت z در هر گروه می‌باشد. لذا ماتریس سختی مذکور دارای 12´12 سطر و ستون خواهد بود. این روش از دقت و سرعت بسیار خوبی برخوردار بوده و کار با نتایج آن ساده می‌باشد. نمونه عینی استفاده از این روش در برنامه ETABS به کار گرفته شده است. در اکثر برنامه‌ها امکان تعریف دیوارهای T , L و U شکل یا هر شکل پیچیده‌تر با تجمعی از المان‌های پانل در یک تراز خاص وجود دارد. خروجی برنامه شامل نیروها و لنگر‌ها در مرکز جرم دیوار می‌باشد. با توجه به ماهیت بارگذاری دیوارهای برشی روی سطح فوقانی دیوارها یک تیر با مقاطع بسیار کوچک تعریف می‌شود تا قابلیت مدل کردن بارهای ثقلی روی دیوارها وجود داشته باشد.

4-8- مشخصات قابل معادل در مدلسازی المان

مدلسازی دیوارهای برشی یکی از مسائل قابل توجه طراحان ساختمان در نرم‌‎افزارهای مهندسی سازه بوده است. هدف از این مدلسازی ارائه رفتار صحیح دیوارهای برشی به ازای بهینه‌ترین فرم معرفی و برداشت نتایج آن جهت طراحی می‌باشد.

استفاده از روش‌های دقیق اجزا محدود گرچه از دقت بسیار خوبی برخوردار می‌باشد ولی نه تنها معرفی آنها توسط اپراتور و تحلیل آنها توسط کامپیوتر مستلزم صرف وقت زیادی می‌باشد، بلکه همچنین نتایج آنها جهت طراحی کاربردی نمی‌باشد.

از آنجا که استفاده از المان‌های سطحی دو و سه بعدی در برنامه‌های کامپیوتری حجم و زمان تحلیل را به شدت افزایش می‌دهند و در مواقعی استفاده از نتایج آنها برای طراحی کاربردی بسیار مشکل می‌باشد، برخی از مهندسین و طراحان ترجیح می‌دهند از اعضای با رفتار معادل با پانل برشی استفاده کنند. روش‌های مختلفی برای معرفی دیوار برشی با المان معادل وجود دارد. مدلسازی توسط یک ستون معادل، یک ستون و بادبند معادل از یک قاب بادبندی شده معادل از جمله آنها می‌باشد که در این بخش به طور مختصر به روش قاب معادل اشاره می‌شود.

برای مدلسازی دیوارهای برشی با قاب معادل، هر چشمه دیوار برشی توسط یک قاب بادبندی شده مدلسازی می‌گردد. به طوری که خصوصیات مقطع اعضاء آن به نحوی محاسبه می‌شوند که سختی محوری، برشی و خمشی مجموعه آن معادل دیوار برشی گردند.

در این شبیه‌سازی پارامترهای بکاررفته عبارتند از:

E: مدول الاستیسیته قاب یا دیوار، L: ارتفاع قاب یا دیوار، H: ارتفاع قاب با دیوار

Iw: ممان اینرسی دیوار برشی حول محور قوی، Aw: سطح مقطع دیوار برشی

Ic: ممان اینرسی ستون در صفحه، Ac: سطح مقطع ستون، Ab: سطح مقطع بادبند قاب و a: زاویه بین بادبند و محور افقی

در این بخش از آوردن ریز محاسبات خودداری می‌شود و در واقع پس از بررسی معادلات تعادل و سازگاری تغییر شکل‌ها نتایج زیر حاصل می‌شود.

                                                                       2-4

                                                                         3-4

                                                                                4-4

با داشتن سه معادله فوق مشخصات قاب بادبندی شده معادل دیوار برشی به دست می‌آید. تجربیات تحلیلی نشان می‌دهد که روش قاب بادبندی شده معادل به خوبی می‌تواند رفتار دیوار برشی را مدلسازی نماید. (نشریه 385 معاونت برنامه‌ریزی و نظارت راهبردی ریاست جمهوری)

مزیت این روش نسبت به سایر روش‌های تقریبی استفاده از گره‌های موجود سازه جهت معرفی دیوار برشی دوبعدی و سه بعدی در هر برنامه تحلیل سازه می‌باشد. ضمن آنکه معرفی آن نیز بسیار ساده و اجرایی است. نتایج این روش نسبت به روش اجزا محدود و یا المان معادل به ازای هر طبقه ساختمان حداکثر 5 درصد خطا خواهد داشت.

4-9- بررسی رفتار دیوار برشی کوپله (دارای بازشوی منظم)

در اغلب ساختمان‌های بتنی، دیوارهای خارجی دارای یک یا چند ردیف قائم از بازشوها برای پنجره هستند و دیوارهای داخلی نیز بازشوهایی برای درها یا راهروها دارند. در این مورد می‌توان در نظر گرفت که دو دیوار بوسیله، اعضای مقاوم خمشی به یکدیگر متصل شده‌اند. اگر ناوه‌های کف با دیوار‌ها اتصال صلب داشته باشند، برش از یک دیوار به دیوار دیگر منتقل می‌شود (شکل 4-7). این نوع دیوارها که توسط اعضای خمشی به هم وصل شده‌اند را دیوارهای کوپله[1] می‌گویند وجود اعضای اتصالی مقاوم خمشی با رعایت دقیق جزئیات اجرا، باعث افزایش سختی و بازدهی سیستم می‌شود.

اگر دو دیوار برشی توسط اعضای با اتصالات مفصلی که قادر به انتقال نیروی محوری هستند، به یکدیگر متصل شوند، لنگرهای اعمالی بر آنها توسط لنگرهای داخلی هر دو دیوار تحمل می‌گردد و تنش‌های خمشی به صورت خطی در طول هر دیوار توزیع می‌شود. چنانچه دیوارها توسط تیرهای صلب به یکدیگر متصل شوند، تشکیل یک طره قائم دوتایی را می‌دهند. لنگر اعمالی توسط هر دو دیوار که رفتار مشابه دیوار یکنواخت دارند، با خمش حول محور مرکزی تحمل خواهد شد. در شرایط کاربردی، دو دیوار توسط تیرهای انعطاف‌پذیر، به یکدیگر متصل می‌شوند که عملاً حالتی بین دو حالت قبل می‌باشد. حد بالا و پایین رفتار دیوارها کوپل خواهند بود، هرچه تیرها سخت‌تر باشند، رفتار سازه بیشتر شبیه یک طره مرکب خواهد شد.

هنگامیکه دیوارها تحت یک نیروی جانبی قرار می‌گیرند، انتهای تیر اتصال مجبور به چرخش و تغییر مکان قائم می‌شود و خمش دو انحنائی پیدا می‌کند. رفتار خمشی دیوارها در تیرهای اتصالی ایجاد برش کرده و در خود دیوار این برش ایجاد نیروی محوری می‌کند. بنابراین لنگر خمشی ناشی از بار جانبی در هر تراز کف، توسط مجموع لنگرهای خمشی دیوارها و لنگر ناشی از نیروی محوری تحمل می‌شود.

M = M1 + M2 + NL

در رابطه فوق M1 و M2 لنگرهای خمشی هر قسمت از دیواره‌های اصلی و NL معرف لنگر معکوس ناشی از خمش تیرهای اتصالی است که با خمش آزادانه دیوارها مقابله می‌کند. NL برای دیوار با اتصال مفصلی صفر و حداکثر وقتی است که کاملاً صلب باشند. لذا عمل تیرهای اتصالی، کاهش مقدار لنگر دیوارها بوسیله دخالت دادن نیروهای محوری برای تحمل بخشی از لنگرهای خارجی خواهد بود. از آنجا که بازوی لنگر نسبتاً بزرگ است، تنش‌های محوری نسبتاً کوچک، می‌توانند سهم زیادی در تحمل لنگرها داشته باشند. در نتیجه ضمن اینکه تنش‌های کششی در بتن کاهش می‌یابند، خنثی‌سازی تنش کششی ناشی از بار جانبی توسط تنش فشاری ناشی از بارهای وزنی امکان‌پذیر می‌شود. (طراحی سازه‌های بلند 1381)

4-9-1- روش‌های تحلیل سازه پیش ساخته پانلی

دیوارهای کوپل برشی، مانند انواع سازه‌ها، قابل آنالیز به روش دقیق یا تقریبی هستند. در روش اجزای محدود می‌توان در مدل کردن دیوارها، بازشوهای موجود را از مدل هندسی حذف نمود. در عین حال بایستی با تدبیر و دقت زیاد، تعداد و ابعاد المان‌های دیوار بخصوص در اطراف بازشو را بدلیل بحث تمرکز تنش و سازگاری تغییر شکل‌ها تغییر داد. به همین دلیل گروهی از مهندسین از روش‌های تقریبی با دقت مناسب در تحلیل استفاده می‌کنند. مهم‌ترین روش تقریبی، روش محیط پیوسته[2] می‌باشد. در این روش فرض می‌شود که تمامی اعضای اتصالی افقی، یک محیط اتصالی پیوسته بین اعضای قائم، در تمام ارتفاع ساختمان ایجاد کرده و بدین‌گونه ساده‌سازی می‌شود. این روش برای سیستم‌هایی با تیر اتصالی یکنواخت و دال کف یکسان، دقت قابل قبولی دارد. در اینجا از ذکر تشکیل و روش حل معادلات دیفرانسیل حاکم بر سیستم خودداری گردیده و فقط فرضیات اولیه آنالیز ذکر می‌شود. این فرضیات عبارتند از:

1- مشخصات دیوار و تیر اتصالی در ارتفاع تغییر نمی‌کند.

2- مقاطع صفحه‌ای قبل از خمش و بعد از آن، به صورت صفحه باقی می‌مانند.

3- صلیب خمشی تیرهای اتصالی، با صلبیت خمشی مربوط به محیط اتصالی پیوسته جایگزین می‌گردد.

4- بدلیل صلبیت کف و سختی محوری تیرهای اتصالی، شیب دیوارها در هر نقطه از ارتفاع تحت تغییر مکان افقی برابر است. پس محیط پیوسته، تغییر شکل خمشی با نقطه عطف در وسط دهانه دارد. همچنین نتیجه می‌شود که انحنای دیوار در ارتفاع یکسان بوده و لنگر خمشی هر دیوار متناسب با صلبیت خمشی آن می‌باشد.

پس از حل معادلات دیفرانسیل حاکم بر دیوار پانلی برشی، حاصل کار را می‌توان بصورت زیر بیان کرد که KaH بیانگر سختی تیرهای اتصالی است.

                                               5-4

که در آن A = A1 + A2 و I = I1 + I2 تعریف شده است. همچنین در فرمول فوق تعریف شده است که در آن ضریب r اثر تغییر شکل برشی بر صلبیت تیر اتصال می‌باشد.

                                                                      6-4

صلبیت برشی تیر: (GA)beam

صلبیت خمشی تیر: EIb

l = 1.2

در یک دیوار با ابعاد مشخص، مقدار KaH بیانگر سختی تیرهای اتصالی است که نسبت مستقیم با IC و نسبت معکوس با b دارد. در واقع KaH معرف درجه رفتار مرکب سازه است و چگونگی مقاومت در برابر لنگرهای اعمالی را مشخص می‌کند. در نتیجه اگر KaH < 1 باشد، تیرها انعطاف‌پذیر بوده و دیوارها به صورت مستقل عمل می‌کنند. در صورتیکه KaH > 10 گردد، تیرهای سخت و دیوار یکپارچه خواهد بود، مثل اینکه بازشویی در دیوار وجود ندارد. همچنین 1 < KaH < 10 حالتی بین دو حد بالا می‌باشد. در این حالت می‌توان اینرسی معادل را برای دیوار تعریف کرد.

اینرسی معادل دیوار مذکور (Iw) در واقع مشابه اینرسی دیوار توپری است که تحت نیروی افقی T خیز یکسانی داشته باشد.

                                                                           7-4

                                                    8-4

اگر بازشوها نامنظم یا سیستم تکیه‌گاهی پیچیده باشد، ممکن است نتوان سازه را با اطمینان با قاب مسطح مدل کرد. در چنین شرایطی روش اجزاء محدود بهترین روش آنالیز عددی دیوارها خواهد بود. (طراحی سازه‌های بلند 1381)

4-10- طراحی سقف‌های پانلی

به طورکلی سقف سامانه‌های پانلی می‌تواند دیافراگم متشکل از سقف‌های پانلی، تیرچه بلوک، تیرچه‌های فلزی با جان باز و یا دال بتن‌آرمه باشد. در هر حال لازم است دیافراگم سقف از نوع صلب باشد به نحوی که عملکرد سه‌بعدی سامانه را تأمین نماید، لازم است صلبیت دیافراگم مطابق مبحث ششم مقررات ملی ساختمانی ایران کنترل گردد. در صورت استفاده از دیافراگم متشکل از سقف‌های پانلی، باید طول آزاد دهانه به 6 متر محدود گردد. لازم است ضخامت بتن فوقانی دیافراگم حداقل 60 میلی‌متر در نظر گرفته شود. در دیافراگم‌های پانلی از آنجا که شبکه پانل دارای مقدار فولاد کمی است باید دیافراگم به یکی از دو روش زیر طراحی شود.

الف- عملکرد خمشی دال پانلی به صورت دال یکطرفه

در این حالت باید موارد زیر مورد توجه قرار گیرد:

الف-1- با توجه به طول دهانه و بارهای وارده، لنگرهای مقاومت موردنیاز محاسبه شده و میلگردهای تقویتی لازم، با کسر میلگردهای موجود شبکه در مقاطع لازم تعبیه شوند. در صورتی که مقاومت جاری شدن فولادهای تقویتی و فولادهای شبکه متفاوت باشند، حداقل مقاومت جاری شدن آنها در محاسبات منظور می‌شود.

الف-2- قطر، فاصله و زاویه برشگیرها به نحوی اختیار شوند که مقاومت برشی لازم در مقاطع دال تأمین گردد.

الف-3- عملکرد ساختاری پانل‌های تحت خمش، در صورت کفایت برشگیرها جهت انتقال مناسب برش بین لایه‌ای به صورت مقطع همگن (ترکیبی کامل) فرض می‌شود.

الف-4- در صورت عدم کفایت برشگیرها باید عملکرد مقطع با تحلیل و انجام محاسبات دقیق مشخص شود و ظرفیت باربری مربوط به نسبت صحیح کاهش یابد.

الف-5- حداقل آرماتور خمشی و آرماتور برشی، باید مطابق ضوابط مربوط به ساختمان‌های متعارف بتن‌آرمه در دال‌های پانلی با توجه به ارتفاع مفید کل دال تعبیه شوند.

الف-6- فاصله حداکثر میلگردهای تقویتی خمشی، نباید از 3 برابر ضخامت کل دال، 4 برابر چشمه دال‌ها و 350 میلی‌متر بیشتر اختیار شود.

الف-7- برای اتصال عرضی دال‌های پانلی به همدیگر، در طول پانل‌ها، باید از شبکه اتصال مشابه شبکه دال‌ها و یا میگلردهای معادل آنها، با حداکثر فاصله مربوط به میلگردهای تقویتی خمشی استفاده شود.

الف-8- در صورتی که دال پانلی به صورت دو سر آزاد طراحی شده باشد، برای کنترل ترک‌‎خوردگی مقطع در بالای تکیه‌گاه‌ها لازم است میلگرد حداقلی در آن قسمت‌ها پیش‌بینی شود.

ب- عملکرد خمشی دال به صورت تیر و دال

ب-1- بین هر دو پانل سقفی، محدوده‌ای به عرض حداقل 200 میلی‌متر، به اندازه تقریبی مساوی از هر پانل، از لایه عایق برداشته و میلگردهای طولی و عرضی لازم در این تیرها تعبیه شده تا پس از بتن‌‍پاشی و بتن‌ریزی سامانه تیر و دال یکطرفه با فواصل معین ایجاد گردد.

ب-2- دال‌های فوقانی و تحتانی بین تیرها، با توجه به میلگردهای برشی رابط آنها، مشترکاً، و ترجیحاً دال فوقانی بین تیرها به تنهایی، برای مقاومت در برابر آثار بارهای وارده و انتقال آنها، با عملکرد یکطرفه، به تیرها طراحی می‌شوند. در این حالت لزومی ندارد که میلگردهای برشی بین شبکه‌ها، در طول دال، ضوابط مربوط به حداقل‌ها و حداکثرهای آیین‌نامه را اقناع نمایند.

ب-3- در صورتی که تیرهای بتن‌آرمه بین دال‌ها، مطابق ضوابط آیین‌نامه‌ای، بدون میلگردهای عرضی طراحی شوند، برای اتصال عرضی دال‌های پانلی به همدیگر، باید مطابق روش مندرج در بند الف عمل شود و در صورت وجود میلگردهای عرضی در تیرهای بتن‌آرمه لازم است طول مهاری سیم‌ها در داخل تیر بتن‌آرمه تأمین شده و یا مطابق روش مندرج در بند الف عمل شود.

ب-4- در صورتی که طول تیرهای بتن‌آرمه مذکور از 5/4 متر بیشتر باشد، لازم است با برداشتن لایه عایق، نسبت به تعبیه کلاف رابط عمود بر آنها متشکل از دو میلگرد، یکی در بالا و یکی در پایین کلاف اقدام شود. کلاف رابط تا تکیه‌گاه‌های جانی امتداد داشته و در آنجا مهار می‌شود.

در دیافراگم‌های غیرپانلی به کار رفته، لازم است مشخصات هندسی، مشخصات مکانیکی و شرایط تکیه‌گاهی مناسب برای حصول دیافراگم مناسب، انتقال بار به اعضای باربر جانبی و ثقلی و اطمینان از عملکرد سه‌بعدی تأمین گردد.

با توجه به رفتار خمشی، پانل‌ها به 3 دسته تقسیم می‌گردد. در واقع میزان تغییر شکل نسبی لایه‌های بالایی و پایینی معیاری جهت تقسیم‌بندی خمشی پانل‌ها می‌باشد.

الف) پانل کامپوزیتی کامل: در این پانل لایه‌های بتنی بالایی و پایین تحت بارهای الاستیک و در محدوده خطی بصورتی رفتار می‌کند که میزان تغییر نسبی در آنها (چرخش) یکسان بوده و در واقع مقطع بصورت یکپارچه عمل کند. در این حالت برش بین لایه‌ای ناشی از خمش بصورت کامل از یک لایه به لایه دیگر منتقل می‌شود. در این حالت مدل کاملاً مرکب عمل می‌کند.

ب) پانل نیمه کامپوزیتی: در این پانل، لایه‌های بالا و پایین هر کدام نسبت به یکدیگر چرخش نسبتاً مستقل داشته ولی کاملاً مستقل نیستند، در واقع برش بین لایه‌ای در این حالت که ناشی از خمش ایجاد می‌شود، بصورت کامل از لایه بالا به پائین منتقل نمی‌شود. در این حالت با توجه به درصد انتقال برش بین لایه‌ای میزان درصد مرکب عمل کردن پانل مشخص می‌شود.

ج) پانل غیر کامپوزیتی: در این حالت لایه میانی و برشگیرها نمی‌توانند برش بین لایه‌ای ایجادشده در خمش را بین لایه‌ها منتقل کنند. در این صورت هر لایه چرخش مستقل دارد. در این حالت مدل غیرمرکب عمل می‌کند. (محمدرضا رهبر، گزارش داخلی شرکت سپ)

- فرض‌های اساسی طراحی دال کف و تئوری خمش

1- نمودار کرنش در مقطع تغییر شکل یافته خطی است.

2- طبق فرض ویتنی، ارتفاع بلوک تنش فشاری در مقطع برابر a = b1x می‌باشد که در آن X، طول ناحیه فشاری و b1 = 0.85 می‌باشد.

3- در حالت گسیختگی متعادل، کرنش بتن برابر 0.003 و کرنش فولاد برابر ey (کرنش جاری شدن) می‌باشد.

4- طراحی به روش مقاومت نهایی انجام می‌گیرد. بارهای خارجی تحت ضرایب تشدید بار و مقاومت مصالح موجود تحت ضرایب جزئی ایمنی قرار می‌گیرند.

5- دال بصورت یکطرفه با تکیه‌گاه‌های مفصلی رفتار می‌کنند.

6- مقطع مقاوم در برابر خمش بصورت تیر I شکل است که جان آن همان تیرچه و بال فوقانی آن بتن روی سقف و بال پایین آن بتن شانکریتی زیر سقف است. البته چون همیشه بال پایین تحت کشش قرار دارد بتن این قسمت تأثیری در باربری آن ندارد و فقط فولاد کششی شبکه مش آن در نظر گرفته می‌شود. برعکس در بال فوقانی از میلگرد فشاری شبکه مش صرفنظر می‌شود و بخشی از بتن آن تحت فشار قرار دارد به عنوان بال تیر T شکل عمل می‌کند. عرض مؤثر این بال طبق بند (10-7-4-1) آیا تعیین می‌شود. بر این اساس عرضی از دال که به طور مؤثر به عنوان بال تیر عمل می‌کند نباید بیشتر از یک چهارم طول دهانه آزاد تیز، برای تیرهای یکسره و بیشتر از 5/2 طول دهانه آزاد تیر برای تیرهای ساده اختیار شود. همچنین عرض مؤثر بال نیز میانی در هر طرف جان تیر نیز نباید بیشتر از دو مقدار زیر اختیار گردد:

الف) هشت برابر ضخامت دال

ب) نصف فاصله آزاد تا جان تیرهای مجاور

همچنین مقدار b عرض بال مؤثر، باید ضابطه زیر را تأمین نماید.

 

t: ضخامت بتن روی سقف

4-10-1- طراحی بر اساس خمش

جهت طرح خمشی پانل‌های سقفی می‌توان بر اساس آیین‌نامه آبا، طراحی را انجام داد. سطح مقطع فولاد کششی برابر مجموع سطح مقطع آرماتورهای طولی شبکه مش پانل (Arw = 1.2cm2/m = 1.44cm2/1.2m) با تنش تسلیم Fyw = 4000kg/cm2 و میلگردهای تقویتی است که در فاصله دو پانل تعبیه می‌گردد. مقدار لنگر مقاومت مقطع بر اساس روابط بتن مسلح بصورت زیر محاسبه می‌گردد:

9-4

 

برای مثال مقدار آرماتور اضافی برای چند دهانه در جدول 7-1 مقایسه شده است.

جدول 4-3: مقدار آرماتور لازم برای دهانه‌های مختلف

طول دهانه (m) آرماتور تقویتی لازم
1.2 ___
2.4
3.6
4.8

البته لزومی ندارد تمام آرماتورهای فوق در تمام طول دهانه ادامه پیدا کنند و می‌توان برخی از آنها را در نواحی نزدیک تکیه‌گاه که لنگر خمشی کاهش می‌یابد قطع کرد.

4-10-3- طراحی برای برش

مطابق روابط بتن مسلح، با محاسبه اثر آرماتور برشی علاوه بر برش قابل تحمل توسط بتن می‌توان کنترل‌های لازم را انجام داد. مقطع مقاوم در برابر برش شامل جان تیرچه است و طبق بند (12-6-3-2پ) آیا در مورد تیرهای با ارتفاع کمتر از 25cm تا تنش برشی کمتر از Vc نیازی به استفاده از خاموت نیست.

البته به دلیل وجود دو ردیف برشگیر در هر تیرچه مقاومت برشی تا حدی افزایش می‌یابد.

طراحی تیرهای سقف

در این سیستم بار سقف مستقیماً روی دیوارها وارد می‌شود و کاربرد تیر در آن محدود است. با این وجود در موارد زیر مجبوریم از تیر جهت انتقال بار سقف به دیوار استفاده کنیم.

1- روی تمام گشایش‌های دیوار

گشایش‌های دیوار شامل در، پنجره و سوراخ‌های تأسیساتی هستند که فاصله لبه بالایی آنها از سقف متغیر است. در صورتیکه این فاصله نسبت به عرض گشودگی و میزان بار وارده کوچک باشد ممکن است خود پانل جوابگوی نیازهای سازه‌ای باشد و نیازی به استفاده از آرماتورهای اضافی نباشد ولی در صورتیکه بازشدگی‌ها نزدیک سقف باشد و عرض آنها و مقدار بار وارده زیاد باشد، احتمالاً لازم است از میلگردهای تقویتی استفاده شود.

2- در مواردی که فاصله دیوارها زیاد باشد.

به طوری‌ک طول دهانه سقف با پله جوابگو نبوده و یا در صورت جوابگو بودن غیراقتصادی باشد، بین آنها از یک تیر استفاده خواهد شد، که ارتفاع آن بسته به طول دهانه و مقدار بار وارده متغیر خواهد بود، و حتی ممکن است در داخل سقف قرار گیرند. بهتر است عرض آنها (مخصوصاً در حالتی که موازی دیوار هستند) برابر ضخامت دیوار انتخاب شود (تا از بر دیوار بیرون‌زدگی نداشته باشد). به هر حال باید تیرریزی و پانل‌ریزی سقف طوری در نظر گرفته شود که کمترین نیاز به استفاده از تیر وجود داشته باشد. در هر صورت طراحی این تیرها بر اساس مفاهیم و روش‌های طراحی تیرهای بتن مسلح انجام می‌گیرد.

4-11- طراحی دیوارهای پانلی

لازم است دیوارهای پانلی برای تحمل بارهای محوری، خمشی و برشی طراحی شوند. در محاسبات مربوط به مقاومت فشاری و مقاومت برشی داخل صفحه دیوار، ضخامت محاسباتی دیوار پانلی باید معادل مجموع ضخامت لایه‌های بتن پاشیده دو طرف در نظر گرفته شود. در محاسبات مربوط به مقاومت خمشی و ضریب لاغری دیوارها، ضخامت‌های لایه‌های بتن پاشیده در دو طرف دیوار، در موقعیت خود و به صورت یک مقطع یکپارچه منظور می‌شوند. حداقل ضخامت کل دیوارهای پانلی باربر معادل 150 میلی‌متر می‌باشد. در طراحی پانل‌های دیواری تحت برش داخل صفحه دیوار، می‌توان اثر دیوار پانلی متعامد با آن را، با در نظر گرفتن طول مؤثر آن، در نظر گرفت. این عملکرد با فرض اتصال پیوسته مناسب بین دو دیوار پانلی حاصل می‌گردد. طول مؤثر دیوار متعامد، اندازه‌گیری شده از بر دیوار برشی در هر سمت نباید بیشتر از مقادیر زیر در نظر گرفته شود، مگر آنکه با تحلیل دقیق‌تر مقدار آن تعیین شود.

نصف فاصله بین لبه دیوار تا لبه دیوار مجاور، ده درصد ارتفاع کل دیوار

حداقل آرماتور قائم دیوارها بر اساس ضخامت کل دیوار، و حداقل آرماتور افقی دیوارها بر اساس ضخامت‌های لایه‌های بتن پاشیده تعیین می‌شود. در سامانه‌های پانلی در معرض نیروهای ناشی از زلزله، باید ضوابط مربوط به تعبیه کلاف‌های قائم در دیوارها، مطابق مندرجات فصل دهم رعایت شوند. برای طراحی دیوارهای پانلی تحت اثر توأم بارهای محوری و لنگرهای خمشی خارج از صفحه لازم است اندرکنش تلاش‌های وارده مورد بررسی قرار گیرند. دیوارهای پانلی که عملکرد دیوار برشی دارند در صورت نیاز باید دارای اعضای لبه (اعضای مرزی) مطابق ضوابط مربوط در ساختمان‌های بتن‌آرمه متعارف باشند.

طبق بندهای 16-4-2 و 16-6-3 آئین‌نامه بتن ایران، حداقل مفتول برای شبکه‌های جوش‌شده صاف در دیوارهای قائم باربر به شرح زیر می‌باشد.

(r min) قائم = 0.0012

(r min)افقی = 0.0020

پانل‌های دیواری بر اساس رفتار دیوار برشی طراحی و برای رفتار ستونی (نیروی محوری و لنگر خمشی) کنترل می‌شوند.

4-11-1- طراحی بر اساس رفتار دیوار برشی

برش وارده بر دیوار پانلی بایستی کمتر از مقاومت نهایی دیوار باشد. مقاومت برشی نهایی دیوارهای پانلی نیز برابر مقاومت برشی سهم بتن و فولاد دیوار می‌باشد. بر این پایه روابط طراحی زیر که بر اساس بند 12-16-2-3 آئین‌نامه بتن ایران می‌باشند، ارائه می‌شود.

 

 

 

                                             10-4

fc : ضریب جزئی ایمنی بتن

fs: ضریب جزئی ایمنی فولاد

f¢c: مقاومت فشار مشخصه بر حسب N/mm2

: طول افقی دیوار، mm

h : ضخامت کل بتن دیوار mm

بر اساس مقایسه نسبت مقاومت‌های برشی، دیوار پانلی به شرح زیر طراحی می‌شوند.

           میل‌گردهای حداقل

 

 

 

: نسبت سطح مقطع آرماتور برشی در امتداد عمود بر برش به سطح مقطع کل بتن در امتداد برش

S1: فاصله بین میلگردهای آرماتور قائم دیوار، میلی‌متر (80 mm)

S2: فاصله بین سفره‌های آرماتور برشی یا پیچشی در امتداد عمود بر آرماتور طولی - یا فاصله بین میلگردهای آرماتور افقی بر حسب میلی‌متر

An: سطح مقطع آرماتور مقاوم در برابر نیروی کششی در دستک و شانه‌ها، میلی‌متر مربع

همچنین در صورتیکه باشد حداقل میلگردها باید 0.0025 باشد که در این حالت نیز شبکه جوش شده موجود مفروض، پاسخگوی نیاز برش دیوار خواهد بود.

اگر در مواردی نسبت بزرگتر از یک باشد، بایستی آرماتور افقی تقویتی در دیوار تعبیه گردد.

4-11-4- ارائه منحنی‌های اندرکنش نیروی محوری و لنگر خمشی پانل‌های دیواری برای چند تیپ دیوار

استفاده از جداول و گراف‌ها به منظور سادگی انجام طراحی در دفاتر مهندسی بسیار متداول می‌باشد. در این قسمت با استفاده از روابط آبا برای عملکرد دیوارهای باربر پانلی تحت اثر همزمان نیروی محوری لنگر خمشی در جهت عرضی دیوار، منحنی‌های اندرکنش تهیه شده است. این گراف‌ها به منظور استفاده در ظرفیت باربری دیوارهای پانلی بر حسب ضخامت‌های مختلف بتن و پلی‌استایرن استفاده می‌شوند. در این محاسبات از فرضیات زیر استفاده گردیده است.

الف- اندرکنش نیروی محوری و لنگر خمشی (P-M) در پانل‌های سه‌بعدی بر اساس آئین‌نامه بتن ایران (آبا) انجام شده است.

ب- فرض می‌شود اعضای مورب پانل بتواند رفتار همگن[3] را برای پانل تأمین کند.

ج- منظور از لنگر خمشی، لنگر حول محور ضعیف پانل می‌باشد.

برای کلیه مراحل فوق که در قالب یک مثال ارائه گردید می‌توان یک برنامه کامپیوتری تهیه کرد تا با استفاده از آن برای هر نوع پانل با ابعاد و هندسه دلخواه، منحنی اندرکنش P-M را به دست آورد. (شکل 4-9)

جدول 4-4: مشخصات یک نمونه پانل

قطر مفتول‌های به کار رفته در شبکه جوش‌شده mm 5/3
اندازه چشمه‌های شبکه mm 80
ضخامت لایه پلی‌استایرن mm 60
قطر مفتول‌های خرپایی Mm 5/3
تعداد اعضای خرپایی در هر مترمربع 78
ضخامت هر لایه بتنی mm 40
سطح مقطع مفتول‌های موجود در شبکه mm2 6/240AST =
فاصله لبه فشاری بتن تا مرکز سطح فولاد کششی mm 25/118 d =
فاصله لبه فشاری بتن تا مرکز سطح فولاد فشاری mm 75/201d¢ =
فاصله مرکز فولاد کششی تا مرکز سطح پانل mm 25/48d² =
تنش تسلیم شبکه جوش‌شده fy = 4000 MPa
مقاومت مشخصه فشاری بتن fc = 200 MPa

شکل 4-9: نمودار اندرکنش بار محوری و لنگر خمشی برای پانل با tp = 4cm

همچنین می‌توان منحنی‌ها را بر اساس بار محوری و خروج از مرکزیت آنها ترسیم کرد تا به راحتی بتوان در یک گراف طراحی و کنترل‌های لازم را انجام داد. به عنوان مثال برای سه نوع پانل که هندسه آنها فقط در ضخامت پلی استایرن متفاوت است، از این برنامه استفاده و منحنی‌های مربوط برای حالت bd برابر 7/0 رسم شده است. در اشکال 4-10 تا 4-12 منحنی‌های اندرکنش مشاهده می‌شوند. (محمدرضا رهبر، گزارش داخلی شرکت سپ)

4-12- طراحی بازشوها

در دیوارهای پانلی باربر باید تا حد امکان از ایجاد بازشوهای با ابعاد بزرگ خودداری شود. در مواردی که ایجاد این بازشوها اجتناب‌ناپذیر باشد باید موقعیت هندسی آنها را طوری در نظر گرفت که دیوار بتواند به صورت دیوارهای همبسته عمل نماید. در غیر این صورت لازم است با تحلیل دقیق، نیروهای داخلی اطراف بازشوها مورد بررسی قرار گرفته و برای تأمین یکپارچگی دیوارها و انتقال برش، آرماتور تقویتی لازم برای بازشو طراحی شود. در بازشوهای کوچک به جای تحلیل دقیق نیروهای داخلی اطراف آنها، تعبیه میلگردها تقویتی با حداقل مساحت معادل 75% مساحت مفتول‌های قطع‌شده در هر دو طرف بازشو در همان راستا کفایت می‌کند. استفاده از شبکه‌های اتصال با زاویه °45 نسبت به کنج بازشوها در هر وجه اکیداً توصیه می‌شود.

4-13- حداقل ضخامت پوشش بتن

به طور کلی حداقل ضخامت پوشش بتن روی شبکه ی جوش‌شده یا میلگردها مطابق آیین‌نامه طراحی ساختمان‌های متعارف بتن‌آرمه تعیین می‌شود که در شرایط محیطی ملایم، مطابق تعریف ارایه‌شده در آیین‌نامه بتن ایران، برابر 20 میلی‌متر می‌باشد. در سایر شرایط محیطی می‌توان به جای مبادرت به افزایش ضخامت پوشش بتنی به مقدار مورد نیاز، با انجام تمهیدات مناسب نظیر استفاده از لایه‌های نفوذناپذیر با ورقه‌های پیش‌ساخته مناسب یا استفاده از شبکه ی جوش‌شده گالوانیزه گرم در ساخت پانل‌ها، مبادرت به کاهش نفوذپذیری بتن و افزایش پایایی نمود که در این حالت نیز حداقل ضخامت پوشش بتنی نباید کمتر از 20 میلی‌متر باشد.

4-14- آنالیز اعضای خرپایی (برشگیرها) در پانل

در این قسمت رفتار برشگیر‌های مورب در پانل‌ها مورد مطالعه قرار می‌یگرد.

4-14-1- تئوری آنالیز خطی

پانل‌های 3D از دو لایه بتن مسلح تشکیل شده است که توسط یک سری اعضای خرپایی به یکدیگر متصل شده‌اند. در اثر خمش در پانل، برش بین لایه‌ای ایجاد می‌شود که اعضای مورب خرپایی بایستگی برش حاصله را بین دو لایه بتنی منتقل نمایند.

جریان برش در لایه بتنی از رابطه زیر به دست می‌آید:

                                                                                  13-4

که در آن:

Q : ممان استاتیک لایه فوقانی نسبت به مرکز سطح

I : ممان اینرسی کل مقطع

V : برش وارده می‌باشد.

سهم برش در طول S (فاصله بین دو عضو مورب) برابر است با:

                                                                               14-4

همانطور که ذکر شد این مقدار برش (P) بایستی توسط اعضای خرپایی مورب بین دو لایه منتقل گردد. تعداد برشگیرها در هر ردیف می‌باشد که با توجه به هندسه پانل‌ها نیمی در کشش و نیمی در فشار عمل می‌کنند.

Pe = سهم فشار، Pr = سهم کشش

                                                                                      15-4

در اینجا رفتار فشاری و کششی اعضای خرپایی به تفکیک بررسی می‌شود. در این بررسی فرض بر آنالیز تنش مجاز در اعضای خرپایی می‌باشد.

4-14-1-1- اعضای فشاری

اگر سهم افقی هر عضو مورب Fe فرض شود:

                                                                             15-4

با توجه به عملکرد خرپایی اعضای مورب خواهیم داشت: Fc = Rc . cosq که در آن

Rc : نیروی فشاری هر عضو خرپایی

q : زاویه برشگیر با محور طولی پانل

بایستی توجه داشت که طول کمانش عضو خرپایی برابر با طول برشگیر در لایه عایق می‌باشد.

                                                                                17-4

که در آن te ضخامت لایه عایق می‌باشد.

دو سر مفتول‌های مورب در بتن قرار گرفته‌اند ولی جهت قرارگیری اعضای خرپایی با تکیه‌گاه دارای زاویه می‌باشد به این علت ضریب لاغری باید بین 5/0 تا 0/1 فرض شود که در اینجا معادل 75/0 در نظر گرفته شده است.

با توجه به فرض رفتار الاستیک برای اعضای خرپایی و آنالیز تنش مجاز ضریب لاغری بر حسب طول و قطر برشگیربه دست می‌آید.

                                                                  18-4

اگر Fy تنش مجاز برشگیر فرض شود، تنش مجاز اعضای خرپایی (Fa) از روابط زیر حاصل می‌شود.

و                                                                  19-4

 

 

4-14-1-2- اعضای کششی

اگر سهم افقی هر عضو مورب کششی Fr فرض شود، با توجه به عملکرد خرپایی اعضای مورب خواهیم داشت:

فرمول

4-14-2- آنالیز خطی برشگیرهای پانل سقفی

تئوری ذکرشده را در مورد پانل‌های سقفی 3D به کار می‌بریم.

مشخصات پانل: عرض پانل = 100 سانتی‌متر

قطر مفتول خرپایی d = 3.5 mm

تنش تسلیم خرپایی fy = 4000 kg/cm2

                                                               22-4

طول آزاد عضو خرپایی

 

 

 

 

 

سطح مقطع عضو خرپایی:

 

 

 

برای اعضای کششی خواهیم داشت:

 

 

 

 

همانطور که ملاحظه می‌شود حدود 67% این نیرو سهم اعضای کششی و 33% سهم اعضای فشاری شده است. جریان برش برابر است با:

 

جریان برش فوق به ازای مقدار نیروی برشی فوق زیر ایجاد خواهد شد.

                                                                                  23-4

با فرض مقطع ترک نخورده در بتن خواهیم داشت:

 

 

 

ممان استاتیک لایه فوقانی:

 

 

بنابراین با فرضیان فوق حداکثر برشی که می‌تواند فرض عملکرد کامپوزیت کامل را در پانل سقفی تأمین کند حدود kg940 می‌باشد. (نجفی، 1383)

4-14-3- تحلیل تئوریک آزمایش برشگیرها

در این مرحله در نظر است نتایج تست مقاومت برشگیرها که در مرکز تحقیقات ساخمتان و مسکن انجام شده است با تئوری موردنظطر مقایسه گردد. در اینجا بایستی دقت کرد که چون نتایج تئوری با نتایج تست مقایسه می‌گردد باید از ضرایب اطمینان موجود در روابط تئوری صرفنظر شود. آزمایش مقاومت برشگیرها در مرکز تحقیقات روی دو پانل به ابعاد 1.0m ´ 1.0m با جزئیات زیر انجام گردید.

در آزمایش فوق دو لایه بتن بیرونی روی تکیه‌گاه قرار گرفته و لایه‌های داخلی تحت نیروی فشاری واقعی می‌شوند، این نیرو به صورت فشاری و کششی به اعضای خرپایی منتقل می‌گردد. دیاگرام نیرو - تغییر مکان آزمایش در شکل 4-15 آمده است.

همانطور که مشخص است بار نهایی حدود 17750kg می‌باشد. به عبارت سهم برش وارده به هر پانل 8875 کیلوگرم می‌باشد.

مشخصات برشگیرها در پانل‌های تست‌شده عبارتست از:

                   

مقدار تنش تسلیم بر اساس نتایج مقاومت کششی مفتول‌های f25 در نظر گرفته شده است.

 

 

و       

 

 

 

 

 

تعداد اعضای برشگیر هر پانل 78 عدد می‌باشد که نیمی فشاری و نیم دیگر کششی کار می‌کنند.

 

 

همانطور که مشخص است در رابطه فوق 27% نیرو سهم المان‌های فشاری و 62% آن سهم المان‌های کششی می‌باشد. (نجفی، 1383)

4-14-4- محاسبه مقدار نیروی برشی انتقال‌یافته توسط پلی استایرن

طبق نمودار بار - تغییر مکان آزمایش برشگیرها، مقدار تغییر مکان برشی پلی استایرن در ناحیه خطی (D) برابر 2/2 میلی‌متر به دست می‌آید.

 

مقدار الاستیسیته پلی استایرن 1.6MPa است و طبق روابط مقاومت مصالح که می‌باشد.

 

بر این اساس:

 

با توجه به سطح پلی استایرن که 1m ´ 1m می‌باشد.

 

که برای دو عدد پانل می‌شود.

 

طبق تئوری:

 

همانطور که مشخص است برش منتقل شده توسط پلی استایرن حدود 20% کل برش انتقالی است که مقدار قابل توجهی می‌باشد.

جدول 2-5: نتایج تئوری و آزمایشگاهی مقاومت برش بین لایه

نتیجه آزمایش نتیجه تئوری نسبت آزمایش به تئوری
177750 19249 92%

علت اختلاف حاصل از تئوری و آزمایش را می‌توان در موارد زیر ذکر نمود:

1- دقیق نبودن مقدار k در محاسبات تئوری

2- پراکندگی مشخصات هندسی مفتول‌های خرپایی

3- پراکندگی مقاومت کششی مفتول‌های خرپایی

4- عدم دقیق بودن مطلق فرمول تنش فشاری

5- وجود نقص اولیه در برشگیرها

6- عملکرد لایه پلی استایرن در اطراف اعضای خرپایی که همانند بستر الاستیک برای آنها می‌باشد.

7- پیچیدگی رفتار انتقال برش بعد از کمانش تعدادی از برشگیرها

4-14-5- انجام مراحل آنالیز اعضای خرپایی بر اساس قطر مفتول مختلف

برای بررسی مطالب ذکرشده در مورد مفتول‌های خرپایی پانل‌های مختلف با کمک نرم‌افزارهای نگاشته‌شده، با ورود اطلاعات اولیه پانل‌ها، جریان برش و سایر مشخصات مورد نیاز داده می‌شود.

- پانل دیواری

 

 

جریان برش:

جدول 4-6: جریان برشی در پانل‌های دیواری باربر

q (kg/cm) p (kg) RT (kg) Re (kg) Fa (kg/cm2) l قطر mm
7/36 8/586 8/117 5/68 3/1395 4/83 5/2
9/56 1/897 6/169 2/115 6/1629 5/69 0/3
2/79 1/1267 9/230 4/171 5/1781 6/59 5/3
1/106 8/6961 6/301 1/237 2/1887 1/52 0/4

همانطور می‌شود که جریان برش با تغییر قطر مفتول، افزایش محسوسی پیدا می‌کند به طوری‌ک با افزایش آن از f15 به f4 ، جریان برش محدود 34% افزایش می‌یابد.

- پانل سقفی

 

 

جریان

جدول 4-7: جریان برشی در پانل‌های سقفی باربر

q (kg/cm) p (kg) RT (kg) Re (kg) Fa (kg/cm2) l قطر mm
256 4/409 8/117 6/28 4/583 2/134 5/2
0/40 7/59 1/840 8/111 0/3
9/59 5/958 9/230 9/111 5/1163 8/95 5/3
2/83 0/4

در این پانل‌ها نیز با افزایش قطر از 5/3 به 4 میلی‌متر افزایشی در حدود 39% در جریان برش شاهد هستیم، در ضمن با توجه به افزایش طول المان‌های فشاری در پانل‌های سقفی نسبت به پانل‌های دیواری، در قطرهای ثابت، جریان برش کاهش می‌یابد. به طوری‌ک در قطر 5/2 میلی‌متر این کاهش در حدود 25% می‌باشد.

پانل تیغه غیر باربر

 

 

جریان برش

جدول 4-8: جریان برشی در پانل‌های دیواری غیرباربر

q (kg/cm) p (kg) RT (kg) Re (kg) Fa (kg/cm2) l قطر mm
0/52 0/832 8/117 3/84 7/1717 8/63 5/2
7/77 0/1243 6/169 3/132 4/1872 2/53 0/3
3/108 0/1732 9/230 9/189 8/1973 6/25 5/3
7/108 0/1732 9/230 9/189 8/1973 6/45 5/2
7/143 9/2298 6/301 9/256 7/2044 9/39 0/2

در این پانل‌ها با توجه به کوتاه شدن طول اعضای فشاری، بار کمانش افزایش یافته و در نتیجه جریان برش بیشتر شده است.

4-15- طراحی پانل بعنوان دیوار غیرباربر و جداکننده

4-15-1- مقدمه

یکی از مهمترین مصارف پانل‌ها، تیغه‌های جداکننده داخلی و پیرامونی ساختمان می‌باشد. این تیغه‌ها مزایای سازه‌ای و حرارتی فراوانی نسبت به دیوارهای متداول آجری دارد. همچنین این تیغه‌ها برای دیوارهای سوله‌ها، با توجه به ارتفاع قابل ملاحظه آنها بسیار مناسب می‌باشد. پانل‌های تیغه با توجه به سرعت قابل ملاحظه‌ای که در اجرا دارند، به خوبی می‌توانند در دیوارکشی دور محوطه به کار روند. با توجه به انعطاف اجرائی پانل‌ها و سبکی آنها، می‌توان از آنها در مواردی چون گنبدها و پوسته‌ها نیز استفاده کرد.

در این قسمت مزایای استفاده از این پانل‌ها بعنوان تیغه‌های جداکننده داخل و دیوارهای خارجی ساختمان و نیز دیوار حفاظ بررسی می‌گردد. از جمله این مزایا می‌توان به موارد زیر اشاره شود:

الف. کاهش مصرف انرژی با توجه به خاصیت عایق پلی‌استایرن با توجه به این نکته که قابلیت هدایت حرارتی پلی استایرن حدود 3% آجر می‌باشد.

ب. عایق صوت که مانع از انتقال سر و صدای خارج ساختمان به داخل می‌گردد.

ج. سرعت اجرایی بالا به طوری‌ک زمان اجرائی آن بسته به نوع دستگاه بتن‌پاشی 1:3 تا 1:7 دیوارهای سنتی می‌باشد. پانل‌های تولیدی در حجم وسیع و با فاصله حمل قابل توجه، به کارگاه ساختمانی منتقل شده و با استفاده از اتصالات مناسب با سرعت در محل نصب و به صورت دستی یا ماشینی بتن‌پاشی می‌شود.

د. آسانی در نصب پانل‌ها، با توجه به اینکه وزن هر مترمربع پانل قبل از بتن‌پاشی در حدود 3 تا 5 کیلوگرم می‌باشد.

ه‍ . مقاومت کافی در برابر نیروهای جانبی (باد و زلزله). در اکثر زمین‌لرزه‌هایی که در کشور رخ می‌دهد، درصد قابل توجهی از تلفات انسانی به دلیل ریزش تیغه‌های ساختمان می‌باشد. تیغه‌های آجری، گچی و ... در ساختمان‌ها بدون هیچگونه اتصالی به کف، سقف و یا دیوار اجرا می‌شوند به طوری‌ک با کوچکترین بار جانبی فرو پاشیده و باعث آسیب‌های مالی و جانی قابل توجه می‌گردند. با توجه به اینکه تیغه‌های پانلی برای مقاومت در بربر بارهای زلزله نیز طراحی می‌شوند، لذا به همنظور عدم رانش افقی و واژگونی آنها به کف، سقف و یا ستون‌ها متصل می‌باشند. در اسکلت بتنی پانل‌ها به آرماتورهای انتظار در تیرهای بتنی و در اسکلت فولادی بر میلگردهای جوش‌شده بر روی تیر و یا ستون فولادی نصب می‌شوند.

و. سبکی وزن این نوع تیغه‌ها باعث کاهش وزن ساختمان و در نتیجه کاهش نیروی زلزله و اثرات منفی آن می‌شود. همچنین این سبک سازی سبب کاهش مقاطع اعضای سازه‌ای نظیر تیر و ستون می‌گردد.

ز. سطح بتن حاصل تقریباً صاف بوده و نیازی به گچ و خاک یا آستر ندارد. بنابراین آماده نازک‌کاری بوده و مستقیماً سفیدکاری صورت می‌پذیرد یا نماکاری می‌شود.

ح. دیوارهای دوجداره آجری برای ایجاد عایق حرارتی سطح مقطع زیادی دارند. در صورت استفاده از تیغه‌های پانلی، سطح زیربنای مفید بخاطر کاهش سطح اشغال تیغه‌ها، افزایش خواهد داشت.

ط. پانل‌ها در برابر حشرات و جانوران غیرقابل نفوذ می‌باشند.

ی. پانل‌ها دارای مقاومت بالا در برابر آتش‌سوزی می‌باشند.

4-15-2- بارگذاری و طراحی

انواع بارهای وارده بر تیغه‌های پانلی عبارتند از:

- نیروی باد (عمود بر سرح دیوار)

- نیروی زلزله (عمود بر سطح دیوار)

در این قسمت هر نوع بارگذاری مورد بررسی قرار می‌گیرد.

4-15-2-1- وزن تیغه (در راستای قائم)

وزن تیغه (دیوار) برابر است با مجموع وزن پانل بعلاوه وزن پوشش روی آن، وزن پانل اساساً وابسته به ضخامت بتن روی آن می‌باشد و می‌توان با تغییر آن، با توجه به طراحی پانل، وزن‌های مختلفی را به دست آورد. یک نمونه از جزییات پانل دیواری در شکل 7-8 آورده شده است.

2-15-2-2- نیروی باد (عمود بر سطح دیوار)

برای بررسی مقاومت پانل‌ها در برابر باد باید محاسبات لازم در هر منطقه انجام پذیرد. دیوارهای خارجی ساختمان و همچنین دیوارهای حفاظ (در محیط باز) تحت تأثیر باد قرار می‌گیرند و باید برای تحمل آن طراحی شوند. این محاسبات بر اساس استاندارد 519 ایران انجام می‌پذیرد.

وزن (کیلوگرم) وزن مخصوص ضخامت (متر)
بتن دیوار 184 2300 0.08
پانل 6
گچ 26 1300 0.02
وزن کل 216

4-15-2-3- نیروی زلزله (عمود بر سطح دیوار)

در مورد بارهای لرزه‌ای، دیوارهای غیرباربر کافیست نیروی زلزله ناشی از وزن خود را که در بحرانی‌ترین حالت بر سطح دیوار است تحمل نمایند. طبق آیین‌نامه 2800 نیروی جانبی وارد بر اجزاء ساختمان از رابطه زیر به دست می‌آید:

24-4                                                                          

A: شتاب مبنای طرح (مثلاً 35/0 برای تهران)

BP: ضریبی با مقدار 7/0 برای دیوارهای جداکننده

I: ضریب اهمیت ساختمان

WP: وزن قطعه الحاقی (دیوار) برابر

 

نیروی جانبی وارد بر دیوارهای پانلی

 

برای محاسبه لنگر نهائی ناشی از بار زلزله، ضریب 2/1 به آن اعمال می‌شود.

 

 

برای دیوارهای خارجی این دیوارها تحت تأثیر نیروی باد و زلزله قرار می‌گیرند که بحرانی‌ترین آنها برای طراحی در نظر گرفت:

                                                بار باد در تهران

مشاهده می‌شود که بار باد تعیین‌کننده است. بنابراین دیوار را برای تحمل این بار طراحی می‌کنیم. این دیوارها معمولاً بین کف و سقف یکپارچه هستند. بنابراین بصورت دو سر مفصل در نظر گرفته می‌شوند. در جدول 4-9 مقدار لنگر نهایی حاصل از باد بر حسب ارتفاع دیوار محاسبه شده است. (موسوی، گزارش داخلی شرکت سپ)

جدول 4-9: لنگر نهایی حاصل از باد بر حسب ارتفاع دیوار

ارتفاع تیغه h(m) 5/2 0/3 5/3 0/4 5/4 0/5 5/5 0/6 5/6 0/7
لنگر نهایی Mu(Lm) 084/0 12/0 165/0 22/0 27/0 33/0 41/0 48/0 57/0 66/0

البته مقاطع جدول فوق جهت اطمینان از پایداری دیوار است و برای تأمین درجه عایق بودن کافی دیوار در مقابل حرارت و صورت بر حسب مورد (نوع ساختمان و محل ساخت)، ممکن است استفاده از مقاطع بزرگتر (مخصوصاً برای ارتفاع‌های کم که ضخامت محاسبات دیوار کم است) لازم باشد. در جاهایی که ارتفاع سقف زیاد باشد، مانند سوله ممکن است جداکننده‌ها تا سقف ادامه پیدا نکنند که در اینصورت رفتار آنها بصورت کنسولی خواهد بود. در این حالت باید با اتخاذ تدابیر لازم و ایجاد تکیه‌گاه مناسب جهت دیوار مانع از چرخش انتهای آن شد. چون این تیغه‌ها معمولاً در داخل ساختمان قرار دارند، آنها را برای تحمل بار زلزله طراحی می‌کنیم.

دیوارهای حفاظ که در محیط بار ساخته می‌شوند تحت تأثیر نیروی زلزله و فشار باد قرار می‌گیرند که بار باد بحرانی‌تر است. این دیوارها هم بصورت کنسولی رفتار می‌کنند.

عرض پی زیر دیوار بر اساس جلوگیری از واژگونی دیوار با اعمال ضریب اطمینان نسبتاً بالا به دست می‌آید.

گاهی اوقات ممکن است دیوارهای خارجی ساختمان با دیوارهای حفاظ و دیوارهای حائل در تمام یا بخشی از ارتفاع خود تحت فشار خاک قرار بگیرند. در این حالت باید پوشش بتنی روی آرماتور کافی باشد تا از زنگ‌زدگی آرماتورهای شبکه جلوگیری شود.

- برای پانل‌های مجاور هم در یک دیوار، چون پانل‌ها بصورت دو سرفصل بین کف و سقف در نظر گرفته می‌شوند، از لحاظ فنی نیازی به وصله پانل‌ها نیست ولی به لحاظ اجرائی و جلوگیری از ترک خوردن بتن در این محل درز نیاز به اجرای وصله می‌باشد.

در محل اتصال دیوارهای عمود بر یکدیگر نیازی به استفاده از شناژ قائم نیست و از لحاظ فنی نیز نیاز به اتصال نیست. بنابراین این اتصال بیشتر جنبه اجرائی دارد.

یک نکته مهم که باید در اتصالات رعایت شود این است که آرماتورهای تقویتی آن تا حد امکان در زیر شبکه بتن قرار گیرند تا هم بهتر مهار شوند و هم باعث افزایش ضخامت دیوار می‌شود.

در مورد پانل‌هایی که میلگردهای عرض آن f2.5 است میلگردهای f1، در فواصل 0/56 سانتی‌متر و در مورد f2 میلگردهای f3 در فواصل cm0/40 قرار می‌گیرد. اگر f1.5 در جهت عرضی وجود داشته باشد، نداریم ولی اگر داشته باشیم میلگردهای f4 در فواصل cm0/40 قرار می‌گیرد. اگر f1.5 در جهت عرضی وجود داشته باشد نداریم ولی اگر داشته باشیم میلگردهای f2 در فواصل cm0/42 قرار خواهد گرفت. از لحاظ فنی اتصال دیوار به کف و سقف بسیار مهم هستند چون کف و سقف تکیه‌گاه‌های اصلی دال یکطرفه دیوار تلقی می‌شوند. بدین منظور باید آرماتورهای انتظار کافی قبلاً تدارک دیده شوند. در گوشه بازشوهای در و پنجره برای جلوگیری از ترک‌خوردگی بتن باید آرماتور f2 که طول 50 سانتی‌متر و به شکل °45 استفاده نمود. لازم به ذکر است تمام آرماتورها باید آرماتور آجدار باشند.

4-15-3- ارائه جدول طراحی برای دیوارهای پارتیشن (غیرباربر) پانلی

در این قسمت به طور خلاصه جدول طراحی برای دیوارهای جداکننده غیرباربر پانلی ارائه شده است. (موسوی، گزارش داخلی شرکت سپ)

A: در این دسته از پانل‌ها قطر مفتول شبکه جوش شده و برشگیرها 5/2 میلی‌متر است و ضخامت لایه بتن در هر طرف 2 سانتی‌متر می‌باشد. جدول 4-10 بیانگر خصوصیات مورد نیاز در این سری از طراحی می‌باشد.

جدول 4-10: طراحی پانل گروه A

نام مقطع A-1 A-2 A-3
ضخامت لایه عایق (cm) 2 4 6
ضخامت کل (cm) 8 10 12
حداکثر ارتفاع تیغه (m) داخلی 4.5 4 4.5
پیرامونی 3 3.5 3

B: در این رده قطره مفتول شبکه جوش‌‍شده 5/2´5/3 میلی‌متر و برشگیرها 3 میلی‌متر است. ضخامت بتن در هر طرف 3.5 سانتی‌متر می‌باشد. جدول 4-11 بیانگر قطر موردنیاز در این گروه می‌باشد.

جدول 4-11: طراحی پانل گروه B

نام مقطع A-1 A-2 A-3
ضخامت لایه عایق (cm) 5 7 9
ضخامت کل (cm) 16 16 16
حداکثر ارتفاع تیغه (m) داخلی 6.5 6 6.5
پیرامونی 5.5 5 5.5

C: در این رده قطر مفتول شبکه جوش‌شده 2.5´3.5 میلی‌متر و برشگیرها 3.5 میلی‌متر است. ضخامت بتن در هر طرف 4 سانتی‌متر می‌باشد. جدول 4-12 بیانگر خصوصیات مورد نیاز برای طراحی پانل‌های گروه 2 می‌باشد.

جدول 4-12: طراحی پانل گروه C

نام مقطع A-1 A-2 A-3
ضخامت لایه عایق (cm) 6 8 10
ضخامت کل (cm) 14 16 18
حداکثر ارتفاع تیغه (m) داخلی 5.5 6 6.5
پیرامونی 6 6.5 7

4-16- طراحی بازشوها و اتصالات

4-16-1- بازشوها

در طراحی اتصالات لازم برای تقویت اطراف بازشوها لازم است با تحلیل دقیق، نیروهای داخلی اطراف بازشوها مورد بررسی قرار گرفته و برای تأمین یکپارچگی دیوارها و انتقال برش، آرماتورهای تقویتی لازم طراحی شوند. در اطراف بازشوها باید مساحت معادل مفتول‌های قطع‌شده از پانل، بصورت فولاد متمرکز در دو طرف بازشو در همان راستا قرار داده شود.

همچنین تعبیه آرماتورها با شبکه‌های جوش‌شده با زاویه موازی قطر بازشو در کنج داخل دیوارهای اطراف بازشو ضروری است. مقدار این آرموتورها باید بر مبنای بار جانبی طراحی و حداقل برابر یک شبکه آزماتور از جنس شبکه‌های موجود در پانل و در هر طرف دیوار مدنظر قرار گیرد.

4-16-2- اتصالات

در طراحی اتصالات سازه‌های پیش ساخته پانلی لازم است بر اساس نتایج تحلیلی، محاسبات مورد نیاز صورت گرفته و جزئیات اتصال موردنظر برای تحمل تمامی تلاش‌های محوری، برشی، خمشی و پیچشی با در نظر گرفتن شکل‌پذیری مورد نیاز طراحی شود. لازم است در طراحی اتصالات قطر آرماتورهای تقویتی به گونه‌ای طراحی شوند که از 5/3 برابر قطر مفتول‌های شبکه بیشتر نباشد.

4-16-2-1- اتصالات دیوار به دیوار (w-w)

در طراحی اتصالات دیوار به دیوار لازم است موارد زیر در نظر گرفته شود.

الف. جدایش دیوارها براثر بارهای وارده با تأمین اتصال کافی برای انتقال لنگر در ناحیه بین دو دیوار ایجاد نشود.

ب. وجود اتصال کافی بین دیوارها برای انتقال نیرو و تأمین طول مؤثر دیوار متعامد پانل مفروض در افزایش باربری برشی آن رعایت گردد.

پ. در دیوارهای کنار هم باید اتصال پانل‌ها به گونه‌ای باشند که یک دیوار پیوسته حاصل گردد. به نحوی که مقاومت کششی میلگردهای تقویتی معادل مقاومت کششی مفتول‌های پود شبکه جوش‌شده در پانل باشد.

ت. طول وصله‌ها برای اتصال دو دیوار بر اساس ضوابط فصل هجدهم آیین‌نامه بتن ایران تعیین می‌شود.

ث. فاصله میلگردهای تقویتی در پانل‌ها نباید بیشتر از چهار برابر بعد چشمه شبکه جوش شده باشد.

چ. در اتصالات دیوار به دیوار کنار هم (w-wl) باید میلگردهای تقویتی در هر دو سمت پانل به طور متقارن نسبت به مرکز پانل توزیع گردند.

4-16-2-2- اتصالات سقف به دیوار (R-W)

اتصال سقف به دیوار باید سه منظور زیر را تأمین نماید:

- انتقال نیروهای برشی و خمشی ناشی از بارهای ثقلی از دال به دیوار

- انتقال نیروهای برشی داخل صفحه دیافراگم به پانل‌های دیواری به نسبت سختی دیوارها

در اتصالات سقف‌های پانلی لازم است برای تأمین عملکرد سه‌بعدی سیستم تمامی اتصالات طراحی‌شده در جهت باربر پانل‌ها بر روی دیوار، برای اتصال با دیوارهای موازی با امتداد پانل‌های سقفی، نیز در نظر گرفته شوند.

4-16-2-3- اتصالات سقف به سقف (R-R)

در اتصال سقف به سقف باید موارد زیر در نظر گرفته شود:

فاصله میلگردهای تقویتی در پانل‌های سقفی نباید بیشتر از چهار برابر بعد چشمه شبکه جوش شده باشد.

لازم است میلگردهای تقویتی در هر دو وجه پانل سقفی تعبیه شوند.

شبکه‌ها و میلگردهای اتصال

شبکه‌ها و میلگردهای اتصال باید به طریق مناسب با سیم آرماتوربندی به شبکه جوش‌شده متصل شوند.

4-16-3- اتصالات پله (S)

اتصال پله به دیوار باید بر اساس دو عملکرد زیر به صورت مجزا طراحی گردد.

الف- اتصال دال مورب پله به دیوار در امتداد طولی دال با فرض اتصال طره‌ای یک سر گیردار (طره)

ب- اتصال گیردار دال پله به دیوارهای عمود بر امتداد طولی پله.

4-17- مبانی تحلیل دینامیکی ساختمان پانلی

4-17-1- مقدمه

هر قدر آثار و خواص لرزه‌ای اجزاء با کل ساختمان به صورت کمی در روابط مربوط به تحلیل استاتیکی معادل گنجانده شود، نتایج به دست‌آمده از آن روش به رفتار واقعی لرزه‌ای ساختمان مأنوس‌تر و نزدیک‌تر خواهد بود. لکن روش استاتیکی معادل نمی‌تواند با تمامی خصوصیات رفتار لرزه‌ای ساختمان متناسب و منطبق باشد. به عبارت ساده‌تر روش تحلیل دینامیکی مبتنی بر خصوصیات دینامیکی سازه ساختمان استوار است.

برای تحلیل دینامیکی سازه هر ساختمان بتن مسلح، می‌توان از چند روش استفاده کرد. ناگفته نماند در این روش‌ها می‌توان سازه را به صورت یک سیستم چند درجه آزادی گرفت. روش‌های مزبور به دو نوع تقسیم می‌شوند. یکی روش دینامیکی در قلمرو زمان یا اصطلاحاً روش دینامیکی تاریخچه زمانی[4] و دیگری روش دینامیکی مودال[5] دینامیکی را برای دو حالت از رفتار سازه‌ها می‌توان بکار برد. یکی برای حوزه ارتجاعی خطی و دیگری حوزه غیرارتجاعی غیرخطی. برای تحلیل دینامیکی لازم است مطالعات ویژه ساختگاهی انجام پذیرد، زیرا تحلیل دینامیکی برای ساختمان‌هایی که شرایط آورده‌شده در آیین‌نامه را ندارند و ثانیاً در مقایسه با نتایج به دست‌آمده از روش استاتیکی معادل چندان تفاوت قابل توجهی به دست نمی‌دهد. بنابراین اگر قرار باشد تحلیل دینامیکی انجام پذیرد بدون در دست داشتن نتایج مطالعات ویژه ساختگاهی به نتیجه مطلوب از تحلیل ساختمان دست نخواهیم یافت. در هر صورت برای اینکه روش تحلیل دینامیکی بتواند مزیت و برتری خود را در مقایسه با سایر روش‌های تحلیل نشان دهد باید شرایط زیر در بکارگیری آن به طور مناسبی ملحوظ شود.

برای مدل‌سازی سازه، از فرضیات صحیحی که بیشترین انطباق را با اجزاء سازه‌ای دارد، استفاده شود. به عبارت ساده‌تر هر قدر فرضیات بکاررفته برای ارائه مدل ریاضی سازه‌ای جامع‌تر باشد، نتایج تحلیل دینامیکی با رفتار واقعی سازه همخوانی بیشتری خواهد داشت. عوامل مربوط به مشخصه‌های مصالح و شرایط هندسی اجزای سازه‌ای از دیگر مواردی است که مستقیماً بر نتایج به دست‌آمده از تحلیل دینامیکی مؤثر است. تنظیم مدل‌سازی به نحو مطلوبی دربرگیرنده اندرکنش سازه با خاک محل احداث (از طریق شالوده) بوده باشد. این موضوع نیز بر نتایج تحلیل اثر دارد. از مهمترین مواردی که باید در تحلیل دینامیکی به کار برده شود، اثر حرکت زمین است، زیرا حرکت زمین به عنوان اصلی‌ترین عامل تحریک ساختمان تلقی می‌شود. حرکت زمین دارای خصیصه‌هایی است که باید به صورت مناسبی تنظیم و به عنوان داده‌های ورودی در تحلیل دینامیکی بکار برده شود.

4-17-2- معادله تعادل دینامیکی

معادلات تعادل حاکم بر پاسخ دینامیکی یک سیستم عناصر محدود به صورت زیر می‌باشد.

                                                                 25-4

که در آن M و C و K ماتریس‌های جرم، میرایی و سختی هستند و R بردار بار خارجی است و بردارهای تغییر مکان، سرعت و شتاب مجموعه همبسته عناصر محدود می‌باشد از ملاحظه شرایط ایستایی در زمان t حاصل شده است، به عبارت دیگر:

 

که در آن FI(t) نیروهای اینرسی، و FD(t) نیروهای میرایی، و FE(t) نیروهای ارتجاعی FE(T)=KU می‌باشند. همه نیروهای مذکور وابسته به زمان‌اند. بنابراین در تحلیل دینامیکی، بر اساس تعادل ایستایی در زمان t که شامل اثر نیروهای اینرسی وابسته به شتاب و نیروهای میرایی وابسته به سرعت است در نظر گرفته می‌شود.

4-17-3- روش حل معادلات دینامیکی

الف- انتگرال‌گیری مستقیم و ملاحظات انتخاب روش

در انتگرال‌های مستقیم، با استفاده از یک روش عددی گام به گام انتگرال‌گیری می‌شوند. واژه ”مستقیم” به این معنی است که پیش از انتگرال‌گیری عددی تبدیل معادلات به فرم دیگری انجام نمی‌گیرد. نکته اساسی در انتخاب یک مدل مناسب عناصر محدود یک مسأله دینامیکی سازه‌ای این است که تنها مدهای پایین‌تر (با تنها اندکی از مدهای مبانی) یک سیستم فیزیکی به وسیله بردار بار تحریک می‌شوند. یک تحلیل Fourier از ورودی بار دینامیکی نشان می‌دهد که بارگذاری تنها شامل فرکانس‌های wu (فرکانس حداکثر در بارگذاری خاص) است؛ روش کامل برای مدل نمودن یک مسأله ارتعاش سازه‌ای عبارت است از:

1- فرکانس‌هایی را که بارگذاری به طرزی قابل توجه شامل آنها است مشخص شود، اگر ضروری باشد برای این امر از یک تحلیل Fourier استفاده گردد. این فرکانس‌ها ممکن است به عنوان تابعی از زمان تغییر کنند فرض می‌شود wu بالاترین فرکانسی است که بارگذاری به طور قابل توجهی شامل آن باشد.

2- شبکه عناصر محدودی انتخاب شود که بتواند به طور دقیق پاسخ ایستایی و کلیه فرکانس‌های تا حدود wu = 4wu را به نمایش گذارد.

3- یک تحلیل انتگرال‌گیری مستقیم انجام شود. پله زمانی Dt برای این تحلیل باید حدوداً مساوی باشد که در آن داریم (یا کوچکتر از مقدار مذکور در هنگام استفاده از روش تفاضلات مرکزی به دلیل معیار پایداری روش حل) اگر طول موج بحرانی با Iu نشان داده شود، در این صورت کل زمان مورد نیاز برای گذشتن موج از یک نقطه عبارت است از:

                                                                                  27-4

که در آن C سرعت موج است. فرض می‌شود که g پله زمانی برای نشان دادن سیر موج ضروری است،

                                                                                  28-4

و "طول مؤثر" یک عنصر محدود باید به صورت زیر باشد.

                                                                                29-4

این طول مؤثر و پله‌های زمانی متناظر باید بتواند سیر کامل موج را به طور دقیق نشان دهند، در ضمن آنها بر حسب نوع ایده‌آل‌سازی عناصر محدود و روش انتگرال‌گیری زمانی مورد استفاده به طور متفاوت انتخاب می‌شوند. برای روش تفاضلات مرکزی، می‌توان از پله زمانی زیر استفاده کرد:

                                                                30-4

ب- انتگرال‌گیری آشکارا

عملگر انتگرال‌گیری زمانی صریحی که غالباً در تحلیل دینامیکی غیرخطی استفاده می‌شود عملگرد تفاضلات محدود است. همچون حالت تحلیل خطی تعادل سیستم عناصر محدود در زمان t برای محاسبه تغییر مکان‌ها در زمان r + Dt در نظر گرفته می‌شود. با صرفنظر کردن از اثر ماتریس میرایی، برای هر پله زمانی گسسته حل، عملیات زیر را در روی معادلات انجام می‌دهیم.

                                                                         31-4

نقص استفاده از روش تفاضلات محدود مرکزی در محدودیت شدید برای اندازه پله زمانی نهفته است، برای پایداری اندازه پله زمانی Dt باید کوچکتر از یک پله زمانی بحرانی Dtcr باشد که مساوی با Tn / p2 است و Tn کوچکترین زمان تناوب سیستم عناصر محدود است. این محدودیت اندازه پله زمانی با در نظر گرفتن یک سیستم خطی استخراج می‌شود.

4-17-4- نحوه اعمال تحریک لحظه‌ای و شتابنگاشت

برای مقاصد مهندسی، نمودار تغییر شتاب زمین بر حسب زمان که شتابنگاشت نامیده می‌شود، در هر زلزله سه مؤلفه شتاب، دو مؤلفه متعامد در صفحه افق و یک مؤلفه قائم، ثبت می‌گردد. اگر رابطه حاکم بر ارتعاش سیستم یک درجه آزادی الاستیک تحت تحریک لرزه‌ای با شتاب تقسیم بر m شود.

                                                                   32-4

هر دو سیستم که Tn و z یکسانی داشته باشند، دارای پاسخ تغییر شکل u(t) یکسانی خواهند بود، حتی اگر جرم و صلبیت (سختی) جانبی آنها با یکدیگر متفاوت باشد. با توجه به تغییرات نامنظم و شدید شتاب زمین بر حسب زمان، استفاده از روش عددی برای حل معادله حرکت اجتناب‌ناپذیر است.

4-17-5- پاسخ لرزه‌ای سیستم‌های غیرالاستیک

اگر ساختمانی با نیروهای حاصل از آئین‌نامه محاسبه شده باشد، وقتی که تحت زمین‌لرزه‌ای با طیف طرح 0.4g قرار گیرد، تغییر شکل‌های فراتر از الاستیک در آن ایجاد خواهد شد. بنابراین صفحه دیدن ساختمان‌ها تحت زمین‌لرزه‌های بزرگ نباید خیلی تعجب‌آور باشد. چالش مهندسی در این جهت است که طراحی طوری باشد که میزان خسارت به هدرجه قابل قبولی محدود شود. اگر خسارت ساختمان از لحاظ اقتصادی غیر قابل تعمیر باشد و یا باعث خرابی ساختمان گردد، مسلماً طرح موفقی نخواهد بود. بنابراین پاسخ تغییر شکل سازه در حوزه غیرالاستیک در حین زلزله‌های شدید، در مهندسی زلزله از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

الف- رابطه نیرو تغییر شکل

از دهه 1960 صدها آزمون آزمایشگاهی برای تعیین رفتار نیرو تغییر شکل سازه‌ها تحت شرایط زلزله انجام شده است. در حین زلزله، سازه تحت حرکت نوسانی قرار گرفته و تغییر شکل‌های رفتی و برگشتی را تجربه می‌کند. آزمایش‌های دوره‌ای که چنین شرایطی را مشابه‌سازی می‌کنند، بر روی اعضاء، مجموعه‌ای از اعضاء، اتصالات، مدل‌های کوچک مقیاس از سازه، و مدل‌های تمام مقیاس از سازه‌های کوچک، انجام شده است. نتایج تجربی مبین این است که رفتار نیرو - تغییر شکل دوره‌ای یک سازه بستگی به سیستم و مصالح آن سازه دارد. نمودار نیرو - تغییر شکل تحت تغییر شکل‌های دوره‌ای به علت رفتار غیرالاستیک و وقوع تغییر شکل‌های خمیری، تشکیل حلقه‌های چرخه‌ای می‌دهد. شکل این حلقه‌ها بستگی به سیستم سازه‌ای و مصالح دارد. از دهه 1960 مطالعات شبیه‌سازی کامپیوتری متعددی در مورد پاسخ لرزه‌ای سیستم‌های یک درجه آزادی با ایده‌آل‌سازی رفتار نیرو - تغییر شکل حاصل از آزمایش‌های واقعی انجام شده است.

ب- معادله حرکت و پارامترهای حاکم

رابطه زیر، معادله حاکم بر یک سیستم غیرالاستیک است.

                                                       34-4

که در آن نیروی مقاوم برای یک سیستم الاستوپلاستیک است. برای تعیین u(t) باید با یکی از روش‌های عددی حل گردد (مثلاً روش شتاب متوسط با گام زمانی Dt = 0.02 sec). البته در محل انتقال رفتار خطی به غیرخطی (و یا بالعکس)، این گام زمانی به گام‌های کوچکتری تقسیم می‌شود.

                                               35-4

که در آن

                                          36-4

کمیت wn فرکانس طبیعی (Tn = 2p/wn زمان تناوب طبیعی) سیستم غیرالاستیک در حین ارتعاش در محدوده الاستیک می‌باشد (به عبارت دیگر در محدوده u £ uy). این مقدار فرکانس طبیعی سیستم الاستیک نظیر نیز می‌باشد. به طور مشابه z نیز نسبت میرایی سیستم بر پایه میرایی بحرانی 2mwn سیستم غیرالاستیک در حین ارتعاش در حوزه الاستیک می‌باشد. این مقدار، نسبت میرایی سیستم الاستیک نظیر نیز می‌باشد. تابع رابطه نیرو - تغییر شکل (که در اینجا به صورت الاستو-پلاستیک انتخاب شده) می‌باشد.

ج- انرژی مستهلک شده

انرژی اعمال‌شده به یک سیستم غیرالاستیک به وسیله زلزله، به علت هر دو مکانیسم تسلیم و میرایی کاهش می‌یابد با انتگرال‌گیری از جملات مختلف معادله حرکت یک سیستم غیرالاستیک، جملات مختلف انرژی به صورت زیر به دست می‌آید.

                           37-4

طرف راست معادله فوق، انرژی اعمال‌شده به سازه از شروع تحریک زلزله می‌باشد. در طرف چپ معادله اولین جمله انرژی جنبشی جرم در حرکت نسبت به زمین، جمله دوم، انرژی مستهلک‌شده به علت میرایی و جمله سوم، مجموع انرژی مستهلک شده به واسطه تسلیم و انرژی کرنشی قابل بازیابی سیستم می‌باشد.

د- روش تحلیل نیومارک

در این قسمت روش نیومارک، برای سیستم‌های غیرخطی بسط داده می‌شود. اگرچه این روش به سهولت روش تفاضل مرکزی نیست، ولی به علت دقت بیشتر، متداولتر از آن است. اختلاف بین روابط معادلات حرکت، رابطه تعادل نموی را بصورت زیر به دست می‌دهد.

                                                       38-4

نیروی مقاوم برابر است با:

                                                               39-4

که در آن سختی تقاطعی (یا وتری) (kf)sec می باشد، قابل تعیین نیست، زیرا تابعی از مجهول uf+1 می‌باشد. اگر فرض گردد که در گام زمانی کوچک Df، سختی تقاطعی (kf)sec قابل تعویض با سختی مماس (kf)T می‌باشد، سمت راست رابطه تقریباً با (kf)TDuf برابر است و با حذف زیرنویس T از (kf)T و قرار دادن آن در معادله فوق رابطه زیر به دست می‌آید:

 

بر اساس این روش‌ها با توجه به سازگاری‌های لازم روش تحلیل نیومارک برای تحلیل‌های عددی در اولویت خواهد بود، با این نظر که در صورت عدم دسترسی به همگرایی لازم نیاز به یافتن شرایط لازم و کافی الزامی است. در واقع به علت غیرخطی بودن مصالح در این سیستم از تحلیل آشکارا استفاده خواهد شد. در واقع غیرخطی بودن مصالح در این تحقیق با توجه به بررسی در سطح شکست مصالح الزامی است. تحلیل غیرخطی هندسی در این موضوع با توجه به ناچیز بودن تغییر شکل‌ها در مقایسه با ابعاد سازه مدنظر نمی‌باشد.

4-18- مبانی ضریب رفتار

آئین‌نامه سعی نموده‌اند قضاوتشان را از عملکرد انواع مختلف سازه‌ها در زلزله‌های گذشته به طور نسبی در ضریب رفتار متجلی سازند. در این زمینه به نظر می‌رسد از چند پیش‌فرض اساسی استفاده شده باشد:

حدود R طوری اختیار شود که نیروی محاسباتی برای زلزله ساختمان‌های کوتاه تا متوسط (تا 6 طبقه) با سیستم لرزه بر بادبند با دیوار برشی که بصورت معمولی طرح شده‌اند (بدون اعمال ضوابط خاص شکل‌پذیری) حدود 10% وزن ساختمان باشد تا بدین ترتیب سنت گذشته حفظ گردد. برای سازه‌هایی که در اثر کمبود نرمی در زلزله‌های واقعی با تحقیقات آزمایشگاهی (میز زلزله و مانند آن) از خود ضعف نشان داده‌اند، ضریب رفتار کمتری در نظر گرفته می‌شود. این سازه‌ها عبارتند از: ساختمان‌های آجری مسلح، قابل بتن آرمه بدون دیوار برشی یا بادبند و سازه‌های منارگونه که در اثر حالت‌های شکست نامطلوب و ترد دچار پدیده کاهندگی سختی و مقاومت می‌شوند. در مواردی که حالت شکست سازه مطلقاً به صورت ترد بوده و هیچ نوع ظرفیتی برای تحمل تغییر شکل خمیری وجود ندارد. ضریب R معمولاً برابر 1 اختیار می‌شود و نیروی زلزله برابر با مقدار ارتجاعی منظور می‌گردد سازه‌ها در هنگام وقوع زلزله‌های متوسط و بالا وارد محدوده غیرخطی می‌گردند و برای طراحی آنها نیاز به یک تحلیل غیرخطی می‌باشد ولی به دلیل پرهزینه بودن این روش، عدم گستردگی برنامه‌های تحلیل غیرخطی و سهولت روش خطی، روش‌های طراحی و تحلیل معمول بر اساس تحلیل خطی سازه و با نیروهای کوچک‌شده زلزله منظور می‌گردد. بدین منظور آیین‌نامه‌های طراحی لرزه‌ای کنونی با فلسفه ذکرشده، نیروهای لرزه‌ای طراحی خطی ساختمان را از یک طیف خطی که وابسته به پریود طبیعی ساختمان و شرایط خاک محل احداث ساختمان است به دست می‌آورند و برای ملحوظ کردن رفتار غیرخطی و اتلاف انرژی در اثر رفتار هیسترزیس، میرایی و اثر اضافه مقاومت سازه، این نیروی خطی را به وسیله یک ضریب به نام اصلاح رفتار و یا ضریب رفتار به نیروی طراحی تبدیل می‌کنند. در این صورت از آنجایی که در تحلیل و طراحی سازه از نیروی زلزله کوچکتری استفاده می‌گردد، باید تغییر مکان‌های حاصل از چنین آنالیزی افزایش یافته تا نمایانگر تغییر مکان‌های واقعی ایجاد شده در سازه در اثر زلزله‌های شدید باشد. بدین منظور در بیشتر آیین‌نامه‌ها از یک ضریب تشدید تغییر مکان استفاده می‌شود.

با توجه به مطالب فوق ضریب رفتار در طراحی لرزه‌ای، نقش بسیار مهمی دارد و پایه و اساس طراحی لرزه‌ای بر آن استوار است، طوری که اختیار مقادیر صحیح برای این ضریب طرحی مناسب برای سازه ایجاد می‌کند و سازه در زلزله‌های شدید می‌تواند احتیاجات لرزه‌ای مانند شکل‌پذیری و مقاومت را به خوبی تأمین کند و در نهایت پایدار بماند و تلفات جانی کمینه داشته باشد.

بر این اساس مقاومت الاستیک لازم با ضریب برش پایه Ccu به صورت زیر بیان می‌گردد:

                                                                                41-4

که W وزن جرم‌های غیرمتحرک سازه و Ve حداکثر برش پایه به وجود آمده در سازه در حد الاستیک می‌باشد. به دلیل وجود شکل‌پذیری در سازه‌های واقعی یک سازه اقتصادی می‌تواند به صورتی طراحی گردد که مقدار حداکثر مقاومت واقعی Cy´W را داشته باشد و در این حالت تغییر مکان حداکثر سازه با Dmax بیان می‌گردد. Dmax مربوط به باری است که سازه می‌تواند بدون از دست دادن مقاومت خود آن را به طور قابل توجهی تحمل نماید. پیشنهاد شده است که تغییر مکان حداکثر سازه مربوط به باری فرض گردد ، 20 درصد کوچکتر از بار حداکثر قابل تحمل سازه باشد (Newmark,1982).

4-18-1- تعیین ضریب رفتار و ضریب افزایش تغییر مکان R , Rw , Cd

مقدار کلی ضریب رفتار مربوط به طراحی حالت حدی به صورت زیر به دست می‌آید:

                                                        42-4

مقدار ضریب رفتار مربوط به طراحی تنش مجاز عبارت است از:

                                              43-4

که در آن ضریب تنش مجاز (Y) عبارت است از ضریب که بر اساس نحوه برخورد آئین‌نامه‌های مصالح با تنش‌های طراحی (بار مجاز) تعیین می‌شود و مقدار آن عبارت است از نسبت نیرو در حد تشکیل اولین لولای خمیری Cx به نیرو در حد تنش‌های مجاز Cw، مقدار ضریب افزایش تغییر مکان Cd که نسبت به است طبق شکل به صورت زیر به دست می‌آید:

                                                                44-4

                                                                          45-4

و شکل‌پذیری عبارتست از:

                                                                                46-4

با توجه به رابطه‌ها داریم:

                                                                               47-4

4-18-2- پارامترهای مؤثر در ضریب رفتار

همانطور که بیان شد پارامترهای اصلی تأثیرگذار بر ضریب رفتار، ضریب کاهش نیرو در اثر شکل‌پذیری Rm و ضریب اضافه مقاومت Rs می‌باشد. در این بخش در مورد این دو ضریب بحث خواهد شد و نتایج مطالعات انجام‌شده برای تعیین آنها آورده خواهد شد.

الف- روش محاسبه ضریب کاهش نیرو در اثر شکل‌پذیری

سازه‌ها در اثر وجود شکل‌پذیری مقدار قابل توجهی از انرژی زلزله را به صورت هیسترزیس تلف می‌کنند و مقدار این اتلاف انرژی بستگی به مقدار شکل‌پذیری کلی سازه دارد. این شکل‌پذیری کلی باید به گونه‌ای باشد که شکل‌پذیری محلی اعضاء از مقدار مجاز خود بیشتر نشود. بدین منظور در موقع طراحی لازم است که حداقل مقاومت لازم سازه که شکل‌پذیری کلی آن را به حد شکل‌پذیری مشخص‌شده از قبل محدود می‌کند، مشخص شود. برای یک سازه یک درجه آزادی رابطه بین m و Rm توسط نیومارک (ناصر اسدی 1377) کاملاً مشخص شده و به دست آمده است. این رابطه به شکل زیر است:

 

                                                         48-4

که T پریود طبیعی سازه یک درجه آزادی بر حسب ثانیه می‌باشد.

با توجه به روابط فوق مشخص می‌شود که ضریب کاهش مقاومت در اثر شکل‌پذیری، Rm تابعی از دو متغیر اصلی می‌باشد که یکی شکل‌پذیری موردنظر m و دیگری پریود سازه T است؛ به طوری‌ک در محدوده‌های زیاد پریود، این ضریب تقریباً مستقل از پریود است و تقریباً مساوی شکل‌پذیری موردنظر است و در محدوده پریودی کم این ضریب با مجذور شکل‌پذیری متناسب است.

ب- ضریب اضافه مقاومت Rs

با توجه به نمودار رفتار کلی سازه شکل 5-2، مقدار مقاومت ذخیره‌شده در سازه از حد اولین جاری شدن محسوس سازه Cs تا حد تسلیم واقعی سازه Cy، اضافه مقاومت سازه نامیده می‌شود. در واقع مقدار مقاومتی است که در اثر عوامل مختلف در سازه ذخیره شده است و انهدام سازه را به تأخیر می‌اندازد. این عامل یک عامل بسیار مهم در طراحی لرزه‌ای می‌باشد. تحقیقات نشان داده است که پایداری ساختمان‌ها (مخصوصاً ساختمان‌های کوتاه) در هنگام زلزله به این عامل بستگی داشته است (امید رضایی فر 1386) محققین از این عامل به عنوان ”ناجی ساختمان‌ها” یاد می‌کنند. عوامل مختلفی در اضافه مقاومت سازه نقش دارند که برخی از آنها در ذیل بیان شده است: راه عملی تعیین ضریب اضافه مقاومت یک سازه استفاده از یک تحلیل غیرخطی است. یک تحلیل حدی و یا یک تحلیل استاتیکی غیرخطی پیش‌رونده[6] می‌تواند برای تعیین این ضریب استفاده شود. برای تعیین اضافه مقاومت یک سازه به این صورت عمل می‌شود که نیروهای طراحی جانبی سازه و نیروهای ثقلی بر سازه اعمال می‌شوند سپس به طور مداوم مقدار نیروی جانبی افزایش داده می‌شود و مقادیر عکس‌العمل سازه و تغییر مکان بالای سازه به طور مداوم ثبت می‌شوند. این عمل تا آنجا که اولین المان سازه جاری شود و به صورت مفصل پلاستیک درآید، ادامه می‌یابد. افزایش نیرو بعد از این مرحله باعث بازتوزیع نیروها در بقیه اعضاء شده و سازه قادر به تحمل نیروی جانبی بیشتر می‌شود. نیروی جانبی مجدداً افزایش داده می‌شود تا در بقیه اعضاء مفصل پلاستیک تشکیل شود و در صورتی بارگذاری متوقف می‌شود که یا سازه مکانیزم شده و یا شکل‌پذیری یکی از المان‌ها از حد مجاز بیشتر شود (المان گسیخته شود). در این حالت از حاصل تقسیم حداکثر نیروی جانبی تحمل‌شده توسط سازه در حالت خطی به نیروی حد جاری شدن اولین المان سازه ضریب اضافه مقاومت سازه به دست می‌آید. داریم:

                                                                                 49-4

از حاصل تقسیم حداکثر تغییر مکان سازه به حد جاری شدن آن شکل‌پذیری سازه تعیین می‌شود.

                                                                                50-4

غیر از عوامل ذکرشده در بالا عوامل دیگری در ضریب اضافه مقاومت تأثیر دارند که عبارتند از:

اثر خاک خیلی نرم، اثر P-D، اثرات پیچشی زلزله، اثرات تنه زدن ساختمان‌ها (Pounding)، سیستم مقاوم قائم و غیریکنواختی در آن، اثرات متقابل خاک و سازه، که مطالعه اثرات آن نیاز به تحقیقات گسترده‌ای دارد. با توجه به توضیحاتی که در مورد ضریب اضافه مقاومت بیان شد روشن می‌شود که این ضریب تابع پارامترهای مختلف می‌باشد و با توجه به شرایط مختلف مقدار آن در هر سازه، مقدار مشخصی است. بهتر آن است که برای هر سازه با توجه به شرایط آن و به روش تحلیلی مقدار ضریب اضافه مقاومت را به دست آورد و بدین وسیله اثر پارامترهای مختلف را در آن وارد کرد و از آن برای تعیین ضریب رفتار سازه استفاده کرد.

 


[1]. Coupled shear wall

[2].

[3]. Full Composite

[4]. Time History Analysis

[5]. Mudal Analysis

[6]. Push-Over