دیافراگم صلب در سازه چیست؟ آموزش نکات مهم و کاربردی در مدلسازی دیافراگم

مهندس نیکوروش در ویدئوی دیافراگم صلب در سازه به نکات فوق العاده ای اشاره کردند اما باید بدانید که:

در میان ویژگی­ های مختلف انواع سقف ها (نظیر مقدار دهانه مجاز قابل پوشش، مقدار لرزش و ارتعاش، بار مرده تحمیلی به سازه، مقاومت در برابر حریق، مقدار خیز و …)، نحوه­ ی عملکرد آن در حین زلزله، یعنی توزیع نیروی ­زلزله بین عناصر باربر جانبی (که از آن به عنوان عملکرد دیافراگم کف سازه یاد می­ شود)، از اهمیّت ویژه ­ای برخوردار است؛ چرا که تامین رفتار پیش ­بینی شده در سازه به میزان بسیار زیادی به این­ بستگی دارد که سقف را به عنوان دیافراگم صلب در ایتبس مدل کنیم؟ یا نیمه صلب؟ و یا منعطف؟

با وجود این ویژگی­ ها و حساسیت­ های مهم در انتخاب نوع سقف، سوالاتی که پیش می­ آید این است که:

  • آیا هر سقفی را می­ توان برای سازه انتخاب نمود؟
  • آیا نیازی به کنترل ویژگی­ های سقف برای بار های وارده به آن نمی­ باشد؟
  • آیا هر سقفی با توجه به منطقه­ ی لرزه ­خیزی احداث آن می­ تواند پاسخگویی قابل قبولی در حین زلزله داشته باشد؟

توزیع نیروی زلزله بین المان های باربر جانبی

برای پاسخ به سوالات مطرح­ شده لازم است با تقسیم ­بندی انواع سیستم­ های مقاوم در برابر بار جانبی آشنا شویم:

سیستم های مقاوم در برابر بارهای جانبی

­

می­ دانیم که عمده وزن یک طبقه از ­ساختمان در سقف آن طبقه متمرکز است لذا نیروی زلزله به سقف ­سازه وارد شده و سقف وظیفه دارد آن­ را بین اعضای باربر جانبی قائم به نسبت تقسیم کند. ممکن است از خود بپرسید منظور از «به نسبت» در جمله قبل چیست؟

در جواب شما لازم است بدانیم که سهم باربری هر سیستم باربر جانبی قائم از زلزله،بسته به مقدار صلبیت سقف سازه می­ تواند بر اساس نسبت سختی یا نسبت وزن لرزه­ ای قابِ (سهم از بار ثقلی) آن باشد. به عبارت دیگر اگر سقف سازه صلبیت زیادی را داشته باشد (سقف صلب باشد)، توزیع زلزله بین عناصر باربر جانبی به نسبت سختی هر المان خواهد بود.

و اگر سقف صلبیت کافی را دارا نباشد یا به عبارتی انعطاف پذیر باشد، توزیع زلزله در هر قاب باربر جانبی به نسبت وزن لرزه­ ای (بار مرده و درصدی از بار زنده ­ای) آن قاب خواهد بود. و در آخر اگر دیافراگم نیمه­ صلب (حالت بینابینی صلب و انعطاف­ پذیر) باشد، توزیع زلزله به دو نسبتی که برای دو حالت فوق ذکر گردید، انجام خواهد گرفت.

دیافراگم صلب و دیافراگم انعطاف پذیر

 

در این یادداشت چه می­ آموزیم؟

در روال طراحی ساختمان در ایران، کنترل صلبیت سقف­ ها چندان مورد توجه نمی­ باشد و مهندسین بدون هیچ کنترلی، سقف­ های رایج نظیر تیرچه بلوک، دال بتنی، عرشه فولادی و … را به عنوان دیافراگم صلب در نظر گرفته و در محاسبات را بر مبنای این فرض انجام می­ دهند. در این یادداشت سعی خواهیم کرد که بعد از آشنایی با مفهوم صلبیت در سقف­ ها و بررسی مواردی که احتمال عدم تامین صلبیت سقف وجود دارد، نسبت به کنترل آن در محاسبات اقدام نماییم و بفهمیم فرض مهندسین طراح در فرض اولیه سقف­ ها به عنوان دیافراگم صلب تا چه میزان صحیح است.

تعریف دیافراگم صلب

همانطور که پیش ­تر نیز اشاره کردیم، تعیین مقدار صلبیّت دیافراگم، به عنوان اولین جبهه ­ای که با نیروی زلزله درگیر است، از اهمیت فوق­ العاده ­ای برخوردار است؛ چرا که پس از توزیع برش پایه در ارتفاع ساختمان و تعیین نیروی جانبی طبقات، برش هر طبقه بین عناصر باربرجانبی آن طبقه توزیع می­ گردد. این توزیع نیروی جانبی که کاملاً تابع صلبیت دیافراگم است، مقدار باربری لرزه ­ای هر المان باربر لرزه ­ای را مشخص خواهد کرد که توزیع صحیح آن برای طراحی المان­ های باربر قائم امری حیاتی است.

دیافراگم­ ها بر اساس میزان صلبیت خود به 3 دسته­ ی زیر قابل تقسیم اند:

  1. دیافراگم صلب

  2. دیافراگم نیمه­ صلب

  3. دیافراگم انعطاف­ پذیر

 

1.دیافراگم صلب :

در این نوع دیافراگم سختی داخل صفحه­ ی دیافراگم بسیار زیاد بوده و تغییرشکل­ های خمشی تحت بار زلزله بسیار جزئی (که در تحلیل و مدلسازی قابل صرف­نظر کردن است) در دیافراگم ایجاد می شود. به عبارت ­دیگر سختی دیافراگم به قدری زیاد است که با بستن المان­ های متصل به دیافراگم به همدیگر، درجات آزادی درون صفحه­ ی دیافراگم را به 3 درجه (2 درجه انتقال افقی و یک درجه پیچشی) محدود می­ کند. از همین رو نیروی جانبی زلزله را به صورت یک بار متمرکز در مرکز جرم طبقه قابل اعمال خواهد بود. متمرکز کردن نیروی زلزله، سبب کاهش محاسبات (کوچکتر شدن ماتریس سختی) و سبک­تر شدن محاسبات در حین تحلیل خواهد­شد.

سختی درون صفحه دیافراگم

در مدلسازی سقف­ ها با دیافراگم صلب ، ایرادات زیر مطرح است:

  • الف- به دلیل صلب فرض نمودن دیافراگم، هیچ یکی از نقاط آن نسبت­ به­ هم تغییرشکل و جابجایی نداشته و همین امر سبب می­ شود که نیروی محوری تیر های متصل به دیافراگم صفر گردد (همین امر سبب تعجب مهندسینی می­ شود که برای اولین ­بار با نرم افزار ایتبس کار می­ کنند). تغییر شکل­ های افقی و پیچشی که در شکل زیر آورده شده است، مویّد همین ادعاست.

تغییر شکل های افقی و پیچشی دیافراگم

  • ب- ظرفیت برشی دیافراگم مستقل از سختی المان­ ها بوده و همین امر باعث می­ گردد که وجود بازشو در دیافراگم دیده نشود؛ این موضوع زمانی بحرانی­ تر می­ گردد که بازشو های بزرگ نزدیک­ هم بوده و پلان دارای نامنظمی هندسی باشد.

بازشو در دیافراگم

به نظرتان ایرادات وارده به صلب فرض کردن سقف تا چه حد قابل پذیرش می باشند؟ برای پاسخ به این سوال، این یادداشت را تا آخر بخوانید و خود جواب تان را بیابید.

 

2.دیافراگم نیمه­ صلب :

در این­ نوع دیافراگم هر دو سیستم باربر جانبی افقی و قائم بر همدگیر تاثیرگذار هستند. لذا باید به صورت دقیق و با جزئیات کامل مدلسازی شوند تا اندرکنش این دو قسمت به طور کامل دیده شود. به همین خاطر مدلسازی این نوع دیافراگم صرفاً در نرم ­افزارهایی مانند ایتبس قابل انجام­ است.

هر چند وجود اثر متقابل این دو سیستم باربرجانبی و دیده شدن آن در مدلسازی، این نوع دیافراگم را به نزدیک­ ترین مدلی که با واقعیتِ اجرایی دیافراگم تطابق دارد، بدل کرده است ولی افزایش حجم محاسبات و نزدیکی زیاد نتایج حاصل از تحلیل آن به نتایج حاصل از تحلیل دیافراگم صلب، سبب شده است جز در موارد خاص، استفاده از این نوع دیافراگم چندان مورد توجه نباشد.

چه موقع از دیافراگم صلب (Rigid) استفاده نکنیم؟

در مواقعی که لازم است مقدار نیروی محوری تیرها تعیین شود یا تیرها برای نیروی محوری نیز طراحی شوند(تیر-ستون­ها)، بایستی در نرم افزار ایتبس از سقف نیمه صلب (Semi Rigid) استفاده گردد. این موارد شامل:

  • الف-طراحی تیرهای سقف زیرزمین تحت نیروی جانبی فشار خاک
  • ب-کنترل تنش درتیرهای ­تحت بارهای حرارتی
  • ج- طراحی تیر پیوند در مهاربند واگرا (برای این مورد می ­توان سقف را صلب مدل کرده و صرفاً تیر پیوند را از اتصال به دیافراگم صلب آزاد نمود.)

 

 

3.دیافراگم انعطاف­ پذیر :

برخلاف دیافراگم صلب ، سختی درون صفحه این دیافراگم بسیارکم بوده و دچار تغییرشکل­ های خمشی داخل صفحه­ ی قابل ملاحظه ­ای می­ گردد. برای محاسبات نیروی­ های ایجاد شده در دیافراگم و توزیع بارجانبی بین المان­ های لرزه­ بر بایستی به مدل سازی دقیق نرم­ افزاری در ایتبس روی­ آورد.

به نظر شما در گذشته که نرم افزار­ های دقیق تحلیل و طراحی سازه وجود نداشت، برای توزیع نیروی زلزله در دیافراگم انعطاف پذیر، از چه روشی استفاده می شد؟

در جواب می گوییم که در این موارد مهندسین به عنوان یک روش تقریبی دستی در محاسبات، سهم هر قاب باربرجانبی از برش طبقه را برابر سطح بارگیر آن قاب از بارهای ثقلی در نظر می­ گرفتند که امروزه نیز کاربرد دارد. لازم به ذکر است که این روش بیشتر برای پلان­ هایی مفید است که بازشو های بزرگ و نزدیک هم نداشته و پلان از منظمی نسبی برخوردار باشد.

دیافراگم انعطاف پذیر

تغییر شکل های دیافراگم انعطاف پذیر

تشریح بند آیین­ نامه ­­ای

حال که با انواع دیافراگم­ ها و مکانیزم عملکردی آن­ ها آشنا شدیم، بند هایی از ویرایش چهارم استاندارد 2800 که به انواع دیافراگم اشاره دارد، بیان کرده و قسمت­ های مبهم را بیشتر توضیح خواهیم داد.

انواع دیافراگم سقف از نظر آیین نامه 2800

انواع دیافراگم سقف از نظر آیین نامه 2800

اگر بخواهیم بند الف آیین­ نامه را ساده­ تر بیان کنیم، خواهیم داشت:

Delta diaphragm / Delta story > 2 : دیافراگم انعطاف ­پذیر(نرم)

اگر بخواهیم بند ب آیین­ نامه را ساده­ تر بیان کنیم، خواهیم داشت:

Delta diaphragm / Delta story < 0.5 : دیافراگم صلب

و اگر این نسبت بین دو مقدار بالا باشد (بین 0.5 و 2) دیافراگم از نوع نیمه­ صلب خواهد بود.

ممکن است این سوال پیش آید که پارامترهای Δdiaph و Δstory در این روابط نشان دهنده ی چیست؟ در پاسخ می گوییم که این پارامترها به ترتیب بیانگر حداکثر تغییر شکل دیافراگم و تغییرمکان نسبی طبقه است که برای درک بهتر آن ها میتوانید به شکل زیر توجه کنید:

تغییر شکل دیافراگم و تغییرمکان نسبی طبقه

در ادامه می توانید گام به گام کنترل صلبیت دیافراگم را در قالب مثال عددی-نرم افزاری در مقاله ی جذاب “کنترل صلبیت دیافراگم در ایتبس 2015” مشاهده نمائید.

 

خلاصه و نتیجه گیری

  1. با تغییر تکنولوژی ساخت و ساز، شاهد معرفی انواع مختلفی از سقف­ های جدید هستم که در آیین نامه ها و استاندارهای کشورمان وارد نشده و ویژگی های بهره برداری (سرویس دهی) و سازه ای آن ها چندان روشن نیست.
  2. در میان ویژگی های مهم یک دیافراگم (نظیر حداکثر دهانه مجاز، خیز و ارتعاش حداقل و …)، صلبیت آن نقش کلیدی در تامین رفتار مناسب ساختمان در حین زلزله دارد. لذا آشنایی با چگونگی کنترل صلبیت انواع دیافراگم امری حیاتی است.
  3. هر چه سقف صلبیت بیشتری داشته باشد (صلب باشد) رفتار آن در حین بارگذاری لرزه ای قابل پیش بینی تر بوده و حجم محاسبات کاهش قابل توجهی خواهد داشت.

پیشنهاد می کنیم فیلم های آموزشی زیر را از دست ندهید:

دیافراگم با ارائه مهندس نیکوروش

تعریف دیافراگم در پلان های نامنظم با ارائه مهندس محمدی

2 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *