انواع دیافراگم در ساختمان با نکات تحلیل و طراحی آنها

8461

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 سیستم مقاوم ساختمان ها در برابر نیروهای جانبی معمولاً از دو قسمت اجزای قائم و اجزای افقی (یا تقریباً افقی) تشکیل می شود. اجزای افقی نیروهای افقی زلزله و باد را به اجزای قائم منتقل نموده و اجزای قائم نیز این نیروها را به شالوده ها و نهایتاً به زمین منتقل می نمایند. به اجزای افقی یا تقریباً افقی منتقل کننده نیروهای جانبی دیافراگم افقی و یا به اختصار دیافراگم گفته می شود. در ساختمان های متعارف دیافراگم ها شامل کف ها و سقف ها (افقی و یا با شیب کم) می باشند. در چنین ساختمان هایی دیافراگم ها وظیفه باربری قائم (ثقلی) را همزمان بر عهده دارند. در ساختمان های صنعتی به طور کلی بادبندی های افقی (یا تقریباً افقی) نقش انتقال نیروهای افقی به اجزای قائم (قاب ها) را عهده دار هستند و بنابراین دیافراگم محسوب می گردند. برای سهولت دیافراگم را می توان مشابه یک تیر ورق تصور نمود که بر روی تکیه گاه هایی که همان اجزای قائم باربر جانبی می باشند (قاب ها و دیوارهای برشی) واقع شده است.

جان تیر ورق همان صفحه افقی دیافراگم بوده و بال های آن اجزای لبه دیافراگم را شامل می شوند. لیکن باید توجه داشت به واسطه بزرگی نسبت عرض دیافراگم ها (h) به دهانه آن ها معمولاً این اجزا، به عنوان تیرهای عمیق (تیر تیغه) محسوب شده و دیگر فرض مستوی ماندن مقاطع هنگام خمش در آن ها صادق نیست. در تغییر شکل تیر تیغه باید علاوه بر اثرهای تغییر شکل های خمشی، اثرهای تغییر شکل های برشی نیز منظور گردد. دیافراگم ها باید با توجه به فرضیات منظور شده در محاسبات کل سازه در برابر بارهای جانبی دارای سختی و صلبیت مناسب همراه با مقاومت کافی بوده و طوری با سایر قطعات سازه درگیر شده باشند که سازه و دیافراگم هنگام زلزله یکپارچه باقی بمانند.

انواع دیافراگم در ساختمان از نظر جنس و سیستم ساختمانی

دیافراگم ها ممکن است از کف های ساخته شده از بتن آرمه درجا ریخته شده، شامل تیرچه بلوک (با بتن آرمه مناسب رویه)، ورق های ساده یا موج دار فلزی، ورق های موج دار فلزی با بتن آرمه رویه به صورت مرکب، کف های چوبی، کف های ساخته شده از قطعات بتن پیش ساخته همراه با بتن رویه، کف های ساخته شده از قطعات بتن پیش ساخته با اتصالات خشک و یا تر با یکدیگر و بدون بتن رویه، طاق های ضربی (با مهاربندی) و غیره تشکیل شده باشند. همچنین دیافراگم ها می توانند شامل مهاربندی های افقی که از اجزای فولادی و یا بتنی ساخته شده اند نیز باشند. طراحی سیستم مهاربندی افقی مشابه سیستم مهاربندی قائم بوده و از ضوابط آیین نامه های مربوط استفاده می گردد.

انواع دیافراگم در ساختمان از نظر صلبیت و انعطاف پذیری

نیروی جانبی هر دیافراگم در ساختمان باید بین اجزای قائم سیستم باربری جانبی با توجه به سختی دیافراگم نسبت به سختی اجزای سازه ای قائم تقسیم گردد. در واقع اجزای قائم، مانند تکیه گاه های دیافراگم (تیر ورق) عمل می نمایند. جامع ترین روش تحلیلی برای تعیین نیروهای داخلی دیافراگم ها و توزیع مناسب نیروهای جانبی بین اجزای باربر قائم، مدل نمودن دیافراگم در ساختمان به صورت اجزای محدود (finite elements) همراه با اجزای تیر، ستون و دیوارهای برشی در یک مدل سه بعدی کلی است. لیکن به منظور صرفه جویی در وقت، در دیافراگم های متعارفی که فاقد بازشوهای بزرگ و نزدیک به هم بوده و دارای پلان نسبتاً منظمی می باشند، مطلوب تر است از روش های ساده شده استفاده شود. شکل ۱ وضعیت تغییر مکان و تغییر شکل کلی تیر تیغه (دیافراگم) و تکیه گاه های آن (قاب ها و دیوارهای برشی) را نشان می دهد.

دیافراگم در ساختمان

شکل ۱

بر طبق بند ۳-۸-۱ آیین نامه ۲۸۰۰ دیافراگم ها با توجه به نسبت Δdiaph / Δ story به سه دسته نرم، نیمه صلب و صلب تقسیم می شوند.

Δstory = تغییر مکان نسبی

Δdiaph = حداکثر تغییر شکل دیافراگم در ساختمان

تغییر شکل دیافراگم ها

با توجه به اینکه متداول ترین نوع دیافراگم در ایران دیافراگم های بتن آرمه هستند، در ادامه، روش تعیین صلبیت این گونه دیافراگم ها مورد بحث قرار می گیرد. همانطور که قبلاً ذکر شد، تغییر شکل کلی هر دیافراگم (Δstory) تحت اثر بارهای جانبی وارد بر آن از دو قسمت تغییر شکل خمشی (Δf) و تغییر شکل برشی (Δs) تشکیل می گردد.

رابطه ۱

رابطه 1

در تیرهای معمولی (غیر تیغه) مقدار تغییر شکل های برشی، جزئی بوده و از آن صرف نظر می شود. لیکن در تیر تیغه، مقدار تغییر شکل های برشی عمده بوده و باید منظور گردند. روش برآورد تغییر شکل های خمشی تیر تیغه، مشابه تیرهای معمولی است. مثلاً در تیر ساده شکل ۲ مقدار حداکثر Δf را می توان از رابطه ۲ محاسبه نمود:

شکل 2

شکل ۲

رابطه ۲

رابطه 2

  • w = بار گسترده یکنواخت
  • E = مدول ارتجاعی ماده
  • I = گشتاور ماند مقطع

در دیافراگم های با ضخامت ثابت برای محاسبه I معمولاً کل مقطع دیافراگم منظور می گردد. مثلاً در شکل ۳ مقدار I برابر است با:

رابطه ۳

رابطه 3

شکل 3شکل ۳

تغییر شکل برشی دیافراگم ها Δs به شرطی که دیافراگم به صورت تیر تیغه ساده فرض شود، از رابطه زیر به دست می آید:

رابطه ۴

رابطه 4

  • α: ضریب فرم
  • Aسطح مقطع کل دیافراگم
  • Gمدول برشی بتن
  • wبار جانبی یکنواخت

در رابطه فوق G برابر با ۰٫۴ مقدار مدول ارتجاعی بتن بر اساس آیین نامه بتن ایران، t ضخامت دیافراگم و ضریب α ضریبی است که برای دال های بتنی برابر با ۱/۵۰ منظور می شود. در سایر انواع دیافراگم ها مانند دیافراگم های ساخته شده از ورق های موجدار با بتن رویه یا دیافراگم های چوبی، هر چند اصول محاسبات تغییر شکل دیافراگم مطابق روش فوق است، لیکن باید بر اساس اصول مکانیک جامدات و مقاومت مصالح و رعایت شرایط سازگاری، محاسبات تغییر شکل دیافراگم انجام شود.

نکاتی درباره تحلیل دیافراگم ها

پیشنهاد مطالعه: دانلود فایل طراحی لرزه ای دیافراگم دکتر رضائیان

در تحلیل دیافراگم های چند دهانه برای تعیین نوع دیافراگم در ساختمان از نظر صلبیت، راه حل محافظه کارانه، منظور نمودن کل دیافراگم به صورت چند دهانه ساده می باشد. بررسی اجمالی یک دیافراگم، بحرانی ترین دهانه های آن را به وضوح مشخص می نماید. کنترل صلبیت دیافراگم در ساختمان می تواند فقط برای دهانه های بحرانی دیافراگم های صلب و بر اساس بارگذاری مطابق بند ۳-۳-۶ آیین نامه ۲۸۰۰ انجام شود. در صورت صلب بودن دیافراگم در چند دهانه و عدم صلبیت آن در یک دهانه ممکن است نیاز به تحلیل جامع کل دیافراگم و سازه وجود داشته باشد.

از طرف دیگر، در صورتی که کل سازه با فرض دیافراگم صلب تحلیل شده باشد، می توان مجموع دیافراگم را به صورت یک تیر ممتد چند دهانه بر روی تکیه گاه های صلب و با منظور نمودن سختی های خمشی (گشتاور ماند) متفاوت و سطوح مقطع برشی مؤثر متفاوت در دهانه های مختلف و قسمت های مختلف هر دو دهانه تحلیل نمود. بر این اساس تغییر مکان های حداکثر دهانه های مختلف را با تغییر مکان های مجاز هر طبقه مقایسه نموده و صلبیت دیافراگم را تأیید نمود. کنترل تغییر شکل های هر دیافراگم در ساختمان باید در امتداد هر دو محور اصلی دیافراگم انجام گیرد. از طرف دیگر برای تعیین تلاش های داخلی هر دیافراگم بعد از تعیین میزان صلبیت آن باید نیروهای طراحی مطابق بند ۳-۸-۳ آیین نامه ۲۸۰۰ ملاک عمل قرار گیرد. توزیع افقی نیروهای برشی بین تکیه گاه های دیافراگم (عناصر قائم بار بر جانبی) با رعایت بند ۳-۳-۷-۱ آیین نامه ۲۸۰۰ صورت می گیرد. در صورت صلبیت دیافراگم، این توزیع به نسبت سختی جانبی هر کدام از تکیه گاه ها (دیوار برشی، قاب، مهاربند و …) انجام می شود. برای تعیین نسبت سختی جانبی عناصر قائم می توان تغییر مکان واحدی را در سقف طبقه مورد نظر وارد کرده و در حالتی که کلیه طبقات زیرین بدون حرکت باشند از نسبت نیروهای برشی ایجاد شده در عناصر قائم بار بر جانبی آن طبقه استفاده کرد.

نکاتی درباره طراحی دیافراگم ها

ضخامت حداقل دیافراگم های بتنی و یا بتن رویه دیافراگم های ساخته شده از ورق و یا قطعات پیش ساخته نباید از ۵ سانتیمتر کمتر باشد. کنترل کفایت ضخامت باید با توجه به تلاش های داخلی دیافراگم و ضوابط آیین نامه بتن ایران انجام گردد. این کنترل به خصوص باید در کنار بازشوهای نسبتاً بزرگ با دقت خاص انجام پذیرد. در صورت عدم کفایت بتن دیافراگم، می توان آن را با سیستم مهاربندی فولادی مناسب نیز تقویت نمود. به طور کلی توصیه می گردد که میزان و تعداد بازشوها در دیافراگم ها به حداقل ممکن محدود گردد. کلیه اجزای متصل به دیافراگم (سازه ای یا غیرسازه ای) باید قادر به تحمل تغییر شکل دیافراگم در محل اتصال باشند. همچنین اتصالات دیافراگم با دیوارهای برشی و یا قاب های خمشی باید به نحوی طراحی شوند که کل نیروهای وارده را تحمل نمایند. کلیه نیروها و تلاش هایی که برای طراحی دیافراگم ها به کار می روند باید بر اساس نحوه بارگذاری مطابق بند ۸-۳ آیین نامه ۲۸۰۰ محاسبه شده باشند.

نیروی جانبی که باید برای طراحی دیافراگم در ساختمان منظور شود، شامل نیروی اینرسی ایجاد شده در اثر وزن خود دیافراگم و همچنین وزن قطعات سازه ای و غیرسازه ای متصل به آن می باشد. علاوه بر آن دیافراگم ها باید نیروهای جانبی سازه های باربر جانبی را که در محل دیافراگم جابجا یا قطع شده اند تحمل نمایند.

منبع: آیین نامه ۲۸۰۰ ویرایش چهارم

مجید غواصیه

فارغ التحصیل کارشناسی مهندسی عمران از دانشگاه شیراز هستم. موضوعات مورد علاقه من راه سازی، حمل و نقل، مهندسی ترافیک و مسائل مربوط به محیط زیست می باشد.

    نوشته‌های مرتبط

    قوانین ارسال دیدگاه

    • دیدگاه های فینگلیش تایید نخواهند شد.
    • دیدگاه های نامرتبط به مطلب تایید نخواهد شد.
    • از درج دیدگاه های تکراری پرهیز نمایید.
    دیدگاه‌ها

    دیدگاه

    avatar
      مشترک شوید  
    اطلاع رسانی کن