انواع دیافراگم در ساختمان با نکات تحلیل و طراحی آنها

در این نوشتار به بررسی دیافراگم در ساختمان می پردازیم و تغییر شکل دیافراگم و همچنین نکاتی برای تحلیل و طراحی آن ها را مورد بحث قرار خواهیم داد. با ما همراه باشید.

مجموعه سيستم مقاوم ساختمان ها در برابر نيروهاي جانبي معمولاً از دو قسمت اجزاي قائم و اجزاي افقي (يا تقريباً افقي) تشكيل مي شود. اجزاي افقي نيروهاي افقي زلزله و باد را به اجزاي قائم منتقل نموده و اجزاي قائم نيز اين نيروها را به شالوده ها و نهايتاً به زمين منتقل مي نمايند. به اجزاي افقي يا تقريباً افقي منتقل كننده نيروهاي جانبي ديافراگم افقي و يا به اختصار ديافراگم گفته مي شود. در ساختمان هاي متعارف ديافراگم ها شامل كف ها و سقف ها (افقي و يا با شيب كم) مي باشند. در چنين ساختمان هايي ديافراگم ها وظيفه باربري قائم (ثقلي) را همزمان بر عهده دارند. در ساختمان هاي صنعتي به طور كلي بادبندي هاي افقي (يا تقريباً افقي) نقش انتقال نيروهاي افقي به اجزاي قائم (قاب ها) را عهده دار هستند و بنابراين ديافراگم محسوب مي گردند. براي سهولت ديافراگم را مي توان مشابه يك تير ورق تصور نمود كه بر روي تكيه گاه هايي كه همان اجزاي قائم باربر جانبي مي باشند (قاب ها و ديوارهاي برشي) واقع شده است.

جان تير ورق همان صفحه افقي ديافراگم بوده و بال هاي آن اجزاي لبه ديافراگم را شامل مي شوند. ليكن بايد توجه داشت به واسطه بزرگي نسبت عرض ديافراگم ها (h) به دهانه آن ها معمولاً اين اجزا، به عنوان تيرهاي عميق (تير تيغه) محسوب شده و ديگر فرض مستوي ماندن مقاطع هنگام خمش در آن ها صادق نيست. در تغيير شكل تير تيغه بايد علاوه بر اثرهاي تغيير شكل هاي خمشي، اثرهاي تغيير شكل هاي برشي نيز منظور گردد. ديافراگم ها بايد با توجه به فرضيات منظور شده در محاسبات كل سازه در برابر بارهاي جانبي داراي سختي و صلبيت مناسب همراه با مقاومت كافي بوده و طوري با ساير قطعات سازه درگير شده باشند كه سازه و ديافراگم هنگام زلزله يكپارچه باقي بمانند.

انواع ديافراگم در ساختمان از نظر جنس و سيستم ساختماني

ديافراگم ها ممكن است از كف هاي ساخته شده از بتن آرمه درجا ريخته شده، شامل تيرچه بلوك (با بتن آرمه مناسب رويه)، ورق هاي ساده يا موج دار فلزي، ورق هاي موج دار فلزي با بتن آرمه رويه به صورت مركب، كف هاي چوبي، كف هاي ساخته شده از قطعات بتن پيش ساخته همراه با بتن رويه، كف هاي ساخته شده از قطعات بتن پيش ساخته با اتصالات خشك و يا تر با يكديگر و بدون بتن رويه، طاق هاي ضربي (با مهاربندي) و غيره تشكيل شده باشند. همچنين ديافراگم ها مي توانند شامل مهاربندي هاي افقي كه از اجزاي فولادي و يا بتني ساخته شده اند نيز باشند. طراحي سيستم مهاربندي افقي مشابه سيستم مهاربندي قائم بوده و از ضوابط آيين نامه هاي مربوط استفاده مي گردد.

انواع ديافراگم در ساختمان از نظر صلبيت و انعطاف پذيري

نيروي جانبي هر دیافراگم در ساختمان بايد بين اجزاي قائم سيستم باربري جانبي با توجه به سختي ديافراگم نسبت به سختي اجزاي سازه اي قائم تقسيم گردد. در واقع اجزاي قائم، مانند تكيه گاه هاي ديافراگم (تير ورق) عمل مي نمايند. جامع ترين روش تحليلي براي تعيين نيروهاي داخلي ديافراگم ها و توزيع مناسب نيروهاي جانبي بين اجزاي باربر قائم، مدل نمودن دیافراگم در ساختمان به صورت اجزاي محدود (finite elements) همراه با اجزاي تير، ستون و ديوارهاي برشي در يك مدل سه بعدي كلي است. ليكن به منظور صرفه جويي در وقت، در ديافراگم هاي متعارفي كه فاقد بازشوهاي بزرگ و نزديك به هم بوده و داراي پلان نسبتاً منظمي مي باشند، مطلوب تر است از روش هاي ساده شده استفاده شود. شكل 1 وضعيت تغيير مكان و تغيير شكل كلي تير تيغه (ديافراگم) و تكيه گاه هاي آن (قاب ها و ديوارهاي برشي) را نشان مي دهد.

شكل 1

بر طبق بند 3-8-1 آیین نامه 2800 ديافراگم ها با توجه به نسبت Δ_{diaph /} Δ _story به سه دسته نرم، نيمه صلب و صلب تقسيم مي شوند.

Δ_{story =} تغيير مكان نسبي

Δ_{diaph =} حداكثر تغيير شكل دیافراگم در ساختمان

تغيير شكل ديافراگم ها

با توجه به اينكه متداول ترين نوع ديافراگم در ايران ديافراگم هاي بتن آرمه هستند، در ادامه، روش تعيين صلبيت اين گونه ديافراگم ها مورد بحث قرار مي گيرد. همانطور كه قبلاً ذكر شد، تغيير شكل كلي هر ديافراگم (Δ_story) تحت اثر بارهاي جانبي وارد بر آن از دو قسمت تغيير شكل خمشي (Δ_f) و تغییر شكل برشي (Δ_s) تشكيل مي گردد.

رابطه 1

در تيرهاي معمولي (غير تيغه) مقدار تغيير شكل هاي برشي، جزئي بوده و از آن صرف نظر مي شود. ليكن در تير تيغه، مقدار تغيير شكل هاي برشي عمده بوده و بايد منظور گردند. روش برآورد تغيير شكل هاي خمشي تير تيغه، مشابه تيرهاي معمولي است. مثلاً در تير ساده شكل 2 مقدار حداكثر Δ_f را مي توان از رابطه 2 محاسبه نمود:

شكل 2

رابطه 2

• w = بار گسترده يكنواخت
• E = مدول ارتجاعي ماده
• I = گشتاور ماند مقطع

در ديافراگم هاي با ضخامت ثابت براي محاسبه I معمولاً كل مقطع ديافراگم منظور مي گردد. مثلاً در شكل 3 مقدار I برابر است با:

رابطه 3

شكل 3

تغيير شكل برشي ديافراگم ها Δ_s به شرطي كه ديافراگم به صورت تير تيغه ساده فرض شود، از رابطه زير به دست مي آيد:

رابطه 4

• α: ضريب فرم
• A: سطح مقطع كل ديافراگم
• G: مدول برشي بتن
• w: بار جانبي يكنواخت

در رابطه فوق G برابر با 0.4 مقدار مدول ارتجاعي بتن بر اساس آيين نامه بتن ايران، t ضخامت ديافراگم و ضريب α ضريبي است كه براي دال هاي بتني برابر با 1/50 منظور مي شود. در ساير انواع ديافراگم ها مانند ديافراگم هاي ساخته شده از ورق هاي موجدار با بتن رويه يا ديافراگم هاي چوبي، هر چند اصول محاسبات تغيير شكل ديافراگم مطابق روش فوق است، ليكن بايد بر اساس اصول مكانيك جامدات و مقاومت مصالح و رعايت شرايط سازگاري، محاسبات تغيير شكل ديافراگم انجام شود.

نكاتي درباره تحليل ديافراگم ها

پیشنهاد مطالعه: دانلود فایل طراحی لرزه ای دیافراگم دکتر رضائیان

در تحليل ديافراگم هاي چند دهانه براي تعيين نوع دیافراگم در ساختمان از نظر صلبيت، راه حل محافظه كارانه، منظور نمودن كل ديافراگم به صورت چند دهانه ساده مي باشد. بررسي اجمالي يك ديافراگم، بحراني ترين دهانه هاي آن را به وضوح مشخص مي نمايد. كنترل صلبيت دیافراگم در ساختمان مي تواند فقط براي دهانه هاي بحراني ديافراگم هاي صلب و بر اساس بارگذاري مطابق بند 3-3-6 آیین نامه 2800 انجام شود. در صورت صلب بودن ديافراگم در چند دهانه و عدم صلبيت آن در يك دهانه ممكن است نياز به تحليل جامع كل ديافراگم و سازه وجود داشته باشد.

از طرف ديگر، در صورتي كه كل سازه با فرض ديافراگم صلب تحليل شده باشد، مي توان مجموع ديافراگم را به صورت يك تير ممتد چند دهانه بر روي تكيه گاه هاي صلب و با منظور نمودن سختي هاي خمشي (گشتاور ماند) متفاوت و سطوح مقطع برشي مؤثر متفاوت در دهانه هاي مختلف و قسمت هاي مختلف هر دو دهانه تحليل نمود. بر اين اساس تغيير مكان هاي حداكثر دهانه هاي مختلف را با تغيير مكان هاي مجاز هر طبقه مقايسه نموده و صلبيت ديافراگم را تأييد نمود. كنترل تغيير شكل هاي هر دیافراگم در ساختمان بايد در امتداد هر دو محور اصلي ديافراگم انجام گيرد. از طرف ديگر براي تعيين تلاش هاي داخلي هر ديافراگم بعد از تعيين ميزان صلبيت آن بايد نيروهاي طراحي مطابق بند 3-8-3 آيين نامه 2800 ملاك عمل قرار گيرد. توزيع افقي نيروهاي برشي بين تكيه گاه هاي ديافراگم (عناصر قائم بار بر جانبي) با رعايت بند 3-3-7-1 آيين نامه 2800 صورت مي گيرد. در صورت صلبيت ديافراگم، اين توزيع به نسبت سختي جانبي هر كدام از تكيه گاه ها (ديوار برشي، قاب، مهاربند و …) انجام مي شود. براي تعيين نسبت سختي جانبي عناصر قائم مي توان تغيير مكان واحدي را در سقف طبقه مورد نظر وارد كرده و در حالتي كه كليه طبقات زيرين بدون حركت باشند از نسبت نيروهاي برشي ايجاد شده در عناصر قائم بار بر جانبي آن طبقه استفاده كرد.

نكاتي درباره طراحي ديافراگم ها

ضخامت حداقل ديافراگم هاي بتني و يا بتن رويه ديافراگم هاي ساخته شده از ورق و يا قطعات پيش ساخته نبايد از 5 سانتيمتر كمتر باشد. كنترل كفايت ضخامت بايد با توجه به تلاش هاي داخلي ديافراگم و ضوابط آيين نامه بتن ايران انجام گردد. اين كنترل به خصوص بايد در كنار بازشوهاي نسبتاً بزرگ با دقت خاص انجام پذيرد. در صورت عدم كفايت بتن ديافراگم، مي توان آن را با سيستم مهاربندي فولادي مناسب نيز تقويت نمود. به طور كلي توصيه مي گردد كه ميزان و تعداد بازشوها در ديافراگم ها به حداقل ممكن محدود گردد. كليه اجزاي متصل به ديافراگم (سازه اي يا غيرسازه اي) بايد قادر به تحمل تغيير شكل ديافراگم در محل اتصال باشند. همچنين اتصالات ديافراگم با ديوارهاي برشي و يا قاب هاي خمشي بايد به نحوي طراحي شوند كه كل نيروهاي وارده را تحمل نمايند. كليه نيروها و تلاش هايي كه براي طراحي ديافراگم ها به كار مي روند بايد بر اساس نحوه بارگذاري مطابق بند 8-3 آيين نامه 2800 محاسبه شده باشند.

نيروي جانبي كه بايد براي طراحي دیافراگم در ساختمان منظور شود، شامل نيروي اينرسي ايجاد شده در اثر وزن خود ديافراگم و همچنين وزن قطعات سازه اي و غيرسازه اي متصل به آن مي باشد. علاوه بر آن ديافراگم ها بايد نيروهاي جانبي سازه هاي باربر جانبي را كه در محل ديافراگم جابجا يا قطع شده اند تحمل نمايند.

منبع: آیین نامه ۲۸۰۰ ویرایش چهارم