طراحی سقف شیبدار؛ آموزش گام به گام مدلسازی و بارگذاری در ایتبس

در این مقاله جامع چه می آموزیم؟

• 1. سقف شیبدار و انواع آن
  • 1.1. پوشش سقف شیبدار
• 2. سقف‌های شیبدار در نرم‌افزار
  • 1.2. مدل‌سازی سقف شیبدار
  • 2.2. بار مرده سقف شیبدار
  • 3.3. بار زنده سقف شیبدار
  • 4.2. بار برف وارد بر سقف شیبدار
  • 5.2. بار باد سقف شیبدار
• 3. پرسش و پاسخ
• 4. نتیجه گیری

1.سقف شیبدار و انواع آن

سقف‌های شیبدار یا شیروانی از سقف‌های مرسوم در سازه‌های مسکونی و صنعتی می‌باشند که اغلب در شرایط اقلیمی بارانی مورد استفاده قرار می‌گیرند تا مانع از نفوذ آب باران و آسیب به مصالح ساختمانی شوند. این نوع سقف‌ها به دلیل تأمین ارتفاع بالاتر نسبت به سقف‌های تخت، در سالن‌ها، سوله‌ها و خانه‌های ویلایی نیز کاربرد دارند. از مزایای آن‌ها می‌توان به نصب آسان و کم‌هزینه، دوام بالا در برابر باران و برف، ایجاد تهویه مناسب و زیبایی بصری اشاره نمود. در مقابل این سقف‌ها در برابر طوفان و باد شدید آسیب‌پذیر می‌باشند. سقف‌های شیبدار از نظر شکل ظاهری می‌توانند از یک، دو یا چند جهت دارای شیب باشند. میزان شیب و ضخامت سقف بسته به نوع کاربری و معماری سازه متفاوت است. سقف‌هایی که از چهار طرف دارای شیب هستند، به سقف‌های چهار بر یا سقف‌های فرانسوی معروف می‌باشند.

شکل 1- انواع متداول سقف شیبدار

در سقف‌های تخت به منظور هدایت آب باران، سطح سقف شیب‌بندی شده و از این طریق آب باران به کف شوی‌های متصل به فاضلاب هدایت می‌شوند. ولی در سقف‌های شیبدار به منظور مدیریت و جمع آوری آب باران از آبرو استفاده می‌شود. آبروها از پروفیل‌هایی با جنس فولاد گالوانیزه یا آلومینیوم ساخته شده و در شکل‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند که نمونه‌ای از آن در شکل زیر قابل مشاهده است.

شکل 2- تفاوت هدایت آب باران در سقف‌های تخت و شیبدار

1.1. پوشش سقف شیبدار

مصالح مورد استفاده در پوشش سقف شیبدار دارای تنوع بالایی است که هریک از آن‌ها مزایا و معایب مخصوص خود را دارند. انتخاب نوع پوشش سقف شیبدار بر اساس کاربری سازه، شرایط اقلیمی و بودجه اقتصادی انجام می‌گیرد. متداول‌ترین پوشش‌های مورد استفاده در سقف شیبدار به شکل زیر دسته بندی شده‌اند.

سقف‌های شیبدار فلزی از ورق‌های گالوانیزه با شکل‌ها و رنگ‌های متنوعی تشکیل می‌شوند که در این مقاله چهار نوع از پرکاربردترین آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

▪️ سقف شیبدار کرکره‌ای یا سینوسی از مقرون به صرفه‌ترین نوع سقف‌های شیبدار می‌باشد که از نظر ظاهر به موج‌های سینوسی شباهت دارد.

▪️ سقف شیبدار ذوزنقه‌ای یکی دیگر از انواع سقف‌های شیبدار فلزی می‌باشد که با دارا بودن طرحی مشابه ذوزنقه، از مقاومت بیشتری نسبت به سقف شیبدار سینوسی برخوردار است.

▪️ سقف شیبدار پالرمو که اکثر شیروانی‌های ژاپنی از آن ساخته می‌شود، از زیباترین سقف‌های شیبدار فلزی با طرحی نظیر سفال می‌باشد و در سقف‌های ویلا آلاچیق و سایه‌بان کاربرد گسترده‌ای دارد.

▪️ در نهایت، سقف شیبدار پرچین، با دارا بودن وزن سبک و انعظاف‌پذیری قابل توجه، مقاومت بالایی را در برابر طوفان و تگرگ نسبت به سایر سقف‌های فلزی دارا می‌باشد.

به طور کلی سقف‌های شیبدار فلزی علاوه بر سهولت در نصب دارای نمای زیبا، مقاومت قابل توجه، طول عمر بالا و صرفه‌ی اقتصادی می‌باشند؛ ولی عایق صدا و گرما نبوده و در مدت زمان طولانی ممکن است دچار تغییر شکل گردند. در شکل زیر یک نمای کلی از انواع سقف‌های شیبدار فلزی معرفی‌شده را مشاهده می‌‌‌کنید.

شکل 3- انواع سقف شیبدار فلزی  الف) کرکره‌ای   ب) ذوزنقه‌ای   پ) پالرمو   ت) پرچین

سقف شیبدار با پوشش چوب از قدیمی‌ترین نوع سقف‌های شیبدار می‌باشد که در گذشته بسیار رایج بود. اما به مرور زمان مصالح نوینی نظیر فلز، سفال و… جایگزین آن گردید. از مهم‌ترین معایب این سقف‌ها می‌توان به عدم مقاومت در برابر آب و قابلیت اشتعال اشاره نمود. پوشش سقف شیبدار سفالی از خاک رس، سیمان یا بتن ساخته می‌شود و وجه تمایز آن با دیگر پوشش‌ها، قابلیت تحمل بار بالای سفال می‌باشد.

در مقابل نصب و اجرای این نوع سقف مدت زمان طولانی‌تری را می‌طلبد. از دیگر مصالح پرکاربرد می‌توان به ایرانیت اشاره نمود که از جمله مصالح سبک وزن و ارزان قیمت برای پوشش سقف‌های شیبدار بوده و از فایبرگلاس، الیاف و سیمان ساخته می‌شود و ظاهری شبیه به موج دارد. این پوشش ترد بوده و در مقابل شکستگی آسیب‌پذیر است.

از لوکس‌ترین سقف‌های شیبدار، می‌توان سقف شیبدار شینگل را نام برد که به دلیل زیبایی، طول عمر بالا و نصب آسان در دو دهه اخیر رواج زیادی پیدا کرده است. ورق‌های شینگل از سیلس و مشتقات نفت در چندین لایه‌ی فشرده ساخته شده، با فایبرگلاس و قیر اشباع گشته و با دانه‌های معدنی در رنگ‌های مختلف پوشش داده می‌شوند. آخرین مورد، پوشش پلی‌کربنات می‌باشد که از ورق‏ های چندجداره‌ی بی‌رنگ و شفاف تشکیل شده و نور را از خود عبور می‌دهد. این پوشش معمولاً در سقف‌های شیبدار و قوس‌دار روی استخرها، گلخانه‌ها و پاسیو کاربرد دارد.

شکل 4- الف) سقف شیبدار چوبی    ب) سقف شیبدار سفالی    پ) سقف شیبدار ایرانیت ت) سقف شیبدار شینگل    ث) سقف شیبدار پلی‌کربنات

2. سقف های شیبدار در نرم‌افزار ایتبس

در این بخش به بیان نکات مربوط به سقف شیبدار در نرم‌افزار ETABS می‌پردازیم. مدل‌سازی، بارگذاری و طراحی سقف‏ های شیبدار با سقف‌های تخت متفاوت است. سقف‌های شیبدار سازه‌های صنعتی نظیر سوله‌ها بهتر است در نرم‌افزار sap انجام بگیرد؛ در مقابل نرم‌افزار ETABS برای طراحی سازه‌های ساختمانی مناسب‌تر است. در سازه‌های ساختمانی معمول، ممکن است قسمتی از سقف طبقه آخر به دلایلی نظیر سایه‌اندازی به ملک روبه رو، بصورت شیبدار اجرا گردد.

در نرم‌افزار ETABS دو نوع رویکرد را می‌توان در پیش گرفت. در رویکرد اول با توجه به اینکه سقف‌های شیبدار معمولاً سبک بوده و به صورت غیر صلب اجرا می‌شوند، در نرم‌افزار مدل نمی‌شوند و بارهای سطحی وارد بر سقف به صورت بار خطی گسترده بر روی تیرها توزیع می‌گردد. در رویکرد دوم سقف شیبدار با رعایت نکات خاصی به‌گونه‌ای مدل‌سازی می‌شود که نرم‌افزار بتواند توزیع بار ثقلی و جانبی را به درستی انجام دهد.

نکته: طراحی دال شیبدار بتنی(آرماتورها) می‌تواند بصورت دستی یا مشابه طراحی رمپ پله‌ها در نرم‌افزار ایتبس انجام شود.

1.2. مدلسازی سقف شیبدار

فرض کنید سازه‌ای مطابق شکل زیر وجود دارد که می‌خواهیم سقف شیبدار برای آن ترسیم کنیم. به این منظور در elevation مربوطه قرار گرفته و تیرهای مورب بین دو نقطه را ترسیم می‌نماییم.

شکل 5- ترسیم سقف شیبدار در ایتبس

حال یکی از تیرهای ترسیم‌شده را انتخاب نموده و از مسیر Edit >Extrude >Extrude frames to shells آن را به سطح تبدیل می‌نماییم. بخش اول نمایانگر فاصله‌ای است که می‌خواهیم سطح در آن ترسیم شود که در این پروژه حدفاصل بین آکس A وB در جهت x می‌باشد. تعداد دفعات تکرار مشخص می‌کند که چه تعداد از این سطح به طور متوالی بایستی ترسیم گردد. چنانچه تیک مربوط به گزینه آخر فعال باشد، تیر ترسیم شده حذف خواهد شد.

شکل 6- تبدیل تیر به سطح

چنانچه زاویه‌ی سقف شیدار با افق کمتر از 20 درجه باشد، نرم‌افزار آن را المان سطح تشخیص می‌دهد و بارهای ثقلی را بر روی تیرها توزیع می‌نماید. اگر در تعیین مشخصات مقطع، سطح را membrane در نظر بگیریم، به منظور توزیع صحیح بارها بایستی چند گره به صورت دستی از مسیر Draw > Draw Joint Object بر روی تیرهای شیبدار ترسیم گردد. این گره‌ها نظیر مش‌بندی عمل می‌کنند و بار سطحی از طریق آن‌ها به تیرها انتقال می‌یابد.

شکل ۷- ترسیم گره‌های دستی بر روی تیر

حال اگر زاویه‌ی سقف شیدار با افق بیشتر از 20 درجه باشد، نرم‌افزار آن را به عنوان دیوار در نظر گرفته و نتایج متفاوتی در تحلیل نشان می‌دهد. در این حالت چنانچه سقف از نوع membrane انتخاب شود، توزیع بار بر روی تیرها انجام نگرفته و بارها تنها به چهار گوشه‌ی سطح توزیع می‌شوند که به دور از واقعیت است؛ بنابراین بایستی سطح را از نوع Shell مدل کرده و پس از انتخاب آن از مسیر  Assign > Shell > Stiffness Modifiersسختی خارج از صفحه مطابق شکل زیر اصلاح کنیم تا سقف نقشی در باربری جانبی ایفا نکند.

با توجه به اینکه زاویه سقف با افق بالای 20 درجه است، از مسیر مش‌بندی مربوط به دیوار  Assign > Shell > Wall Auto Mesh Options اقدام به مش‌بندی سقف در هر دو جهت می‌کنیم.

شکل 9- مش‌بندی سقف شیبدار

لازم است از مسیر Define > Diaphragms یک دیافراگم نیمه صلب (Semi rigid) تعریف کرده و از قسمت Assign آن را به سقف شیبدار اختصاص داد تا امکان انتقال نیروی محوری به تیرهای مورب سقف شیبدار فراهم شود. در این حالت با انجام تحلیل و با توجه به سختی سقف، نرم‌افزار بارهای وارده را بر روی تیرهای کناری سقف شیبدار به درستی توزیع می‌کند.

نکته: چنانچه تیرهای مورب بتنی باشند، ممکن است به دلیل تحمل نیروی محوری رفتار تیر-ستون در آن‌ها ایجاد شود که بایستی در طراحی لحاظ گردد و اگر این تیرها فولادی باشند از نظر نرم‌افزار مهاربند تلقی می‌شوند و لازم است ضوابط لرزه‌ای در مورد آن‌ها غیرفعال شود.

2.2. بار مرده سقف شیبدار

همان­طور که اشاره شد، اگر سقف شیبدار در نرم‌افزار ترسیم نگردد، بار مرده ناشی از وزن سقف را در سطح بارگیر تیرها ضرب نموده و به صورت بار خطی مرده بر روی تیرها اعمال می‌کنیم. مقدار دقیق این بار را بایستی از بروشورهای شرکت تولیدکننده استخراج نمود که برای سقف‌های سبک در حدود 50 کیلوگرم بر متر مربع می‌باشد. اگر سقف شیبدار سبک مدلسازی شده باشد، در تخصیص مقطع آن بهتر است از مصالحی با وزن صفر استفاده نمود و وزن سقف شیبدار را به طور مستقیم از مسیر Assign > Shell Loads > Uniforms به سقف اعمال کرد. در پنجره بازشده جهت اعمال بار را از قسمت  Direction بر روی Gravity (در جهت مرکز ثقل) بایستی تنظیم نمود.

شکل 10- اعمال بار مرده سقف شیبدار

به منظور آشنایی بیشتر با جزئیات مربوط به بار مرده انواع سقف‌ها می‌توانید به مقاله‌ی دتایل بارگذاری انواع سقف‌ها مراجعه نمایید.

3.2. بار زنده سقف شیبدار

کاربری، پوشش و نوع بام در تعیین مقدار بار زنده آن اهمیت دارد. مقادیر مربوط به بار زنده‌ سقف‌های شیبدار را در مبحث ششم مقررات ملی می‌توان مشاهده کرد.

در سقف‌های شیبدار خانه‌های ویلایی اگر شیب سقف کم باشد، می‌توان بام باغ یا روف گاردن بر روی آن اجرا نمود که موجب افزایش وزن سازه و بار زنده وارد بر سقف می‌شود؛ به­ علاوه بایستی تمهیداتی برای عبور و مرور افراد اندیشیده شده و حفاظ‌هایی دورتا دور سقف شیبدار نصب گردد. به منظور آشنایی بیشتر با روف گاردن می‌توانید به مقاله نکات طراحی، بارگذاری و اجرای روف گاردن مراجعه نمایید.

مطابق رابطه ارائه شده در مبحث ششم، می‌توان بار زنده سقف شیبدار را کاهش داد.

در این رابطه R₁ و R₂ ضرایب کاهش‌دهنده بار زنده می‌باشند که طبق روابط زیر به دست می‌آیند. S شیب سقف به درصد و A_T سطح بارگیر عضو می‌باشد.

به منظور آشنایی کامل با انواع بار زنده و نحوه کاهش آن می‌توانید به مقاله معرفی و کاهش بارهای زنده ساختمان در ایتبس مراجعه کنید.

بار زنده سقف شیبدار را می‌توان به صورت خطی به تیرهای کناری یا به صورت سطحی به خود سقف اعمال نمود. با فرض مدلسازی سقف شیبدار از مسیر Assign > Shell Loads > Uniforms بار زنده بام را وارد می‌نماییم.

نکته: بار زنده برخلاف بار مرده که در جهت عمود بر مرکز ثقل اعمال گردید، بایستی عمود بر سطح شیبدار وارد شود. به این منظور از قسمت Direction گزینه Gravity Proj را انتخاب می‌کنیم.

شکل 11- اعمال بار زنده سقف شیبدار

4.2. بار برف وارد بر سقف شیبدار

مباحث مربوط به بار برف مفصل‌تر از آن است که در این مقاله بگنجد. در مقاله محاسبات بار برف در ساختمان این موضوع به طور کامل تشریح شده است. در این مقاله خلاصه‌ای از نکات مربوط به بار برف سقف شیبدار طبق مبحث ششم ارائه می‌شود. دو نوع بار متوازن و نامتوازن برای سقف‌های شیبدار لازم است در نظر گرفته شود.

پارامترهای فوق در جدول زیر معرفی و خلاصه شده‌اند.

بار برف مبنا بر اساس شهر محل احداث قرائت شده و جداول مربوط به سایر پارامترها در تصویر زیر جمع‌بندی شده اند.

چنانچه تحت شرایطی نظیر وزش بار شدید، برف در سمت پشت به باد با شدت بیشتری توزیع می‌شود و در این حالت لازم است بار برف نامتوازن در سقف‌های شیبدار در نظر گرفته شود.

نکته: محاسبه بار برف نامتوازن برای سقف‌های با شیب کمتر از 4% و بیشتر از 60% لازم نیست.

بار متوازن برف به صورت خطی بر روی تیرهای نگهدارنده سقف و یا به صورت سطحی بر روی خود سقف اعمال می‌گردد. مسیر اعمال بار نظیر مسیر ذکرشده در بخش بار مرده و بار زنده می‌باشد. بار نامتوازن برف بایستی از مسیر Assign > Shell Loads > Non-Uniforms و بر روی طول محاسبه شده اعمال شود.

توجه: در تعیین جهت بار برف متوازن و نامتوازن نیز مانند بار زنده بایستی Gravity Proj انتخاب گردد.

5.2. بار باد سقف شیبدار

تمامی سازه‌ها ضمن تحمل بارهای ثقلی، بایستی قادر به تحمل بارهای جانبی نظیر باد و زلزله نیز باشند. در سازه‌های ساختمانی معمولاً تنها اثر زلزله بررسی شده و از بررسی نیروی باد صرف نظر می‌شود. نیروی باد در سازه‌های بلند یا سازه‌های صنعتی و ویلایی خارج از شهر و سقف‌های شیبدار اهمیت پیدا می‌کند. مطابق بند 6-10-1-3 تحلیل و طراحی سازه در برابر بار باد و بار زلزله بایستی به تفکیک انجام بگیرد.

سطوحی از سازه که به طور مستقیم در معرض وزش باد قرار می‌گیرند فشار خارجی قابل توجهی را تحمل کرده و سطوحی که در جهت موازی با جریان باد یا پشت به باد قرار دارند تمایل به بیرون زدگی دارند و مکش خارجی را تجربه می‌کنند. از طرفی جریان باد به دلایلی نظیر وجود بازشوها، ممکن است وارد داخل سازه نیز شود و فشار یا مکش داخلی نیز ایجاد نماید. اثر باد بایستی در دو امتداد عمود بر هم و به صورت غیرهمزمان بررسی شود.

فشار خالص باد از جمع جبری فشار یا مکش داخلی و فشار یا مکش خارجی به دست می‌آید و به عنوان بار باد در نرم‌افزار وارد می‌شود. همانطور که مشاهده می‌کنید تمامی پارامترها به جز C_p و C_g که در فشار داخلی با C_pi و C_gi نشان داده شده‌اند مشترک می‌باشند. پارامتر I_w ضریب اهمیت ساختمان برای بار باد می‌باشد که در جدول 2-1-6 موجود است. q بار مبنای باد بر اساس سرعت باد در هر شهر می‌باشد که از جدول 6-10-1 قابل مشاهده است. C_t ضریب پستی و بلندی زمین می‌باشد که برای زمین‌های معمولی با شیب کمتر از 10 درصد برابر 1 در نظر گرفته می‌شود. C_e ضریب تراکم منطقه و C_d ضریب همراستایی باد هستند که مطابق شکل زیر تعریف می‌شوند.

ضرایب C_p و C_g در محاسبه فشار خارجی باد به صورت ترکیبی برای قسمت‌های مختلف سازه در دو جهت همسو و عمود بر شیب سقف در مبحث ششم ارائه شده‌اند. چنانچه سازه با نسبت ارتفاع به طول کمتر از 1 و ارتفاع کمتر از 20 متر باشد، ضرایب ترکیبی فشار و مکش به صورت زیر است.

چنانچه سازه دارای شرایط فوق نباشد، برای حالات دیگر بام‌‌های شیبدار نموگراف‌هایی به منظور استخراج ضرایب ترکیبی ارائه شده‌اند که در بند 6-10-9-3 به آن‌ها اشاره شده است.

طبق بند 6-10-8-1 ضریب C_gi در محاسبه فشار یا مکش داخلی را می‌توان به طور محافظه‌کارانه برابر 2 لحاظ نمود. ضریب C_pi ضریب اثر بازشو طبق بند 6-10-11 برای ساختمان‌های مختلف به شکل زیر است.

هر دو محدوده اعلام شده برای C_pi در C_gi ضرب شده و با حاصل ضرب C_p C_g در دو جهت جمع جبری می‌گردد تا برای هر جهت بحرانی ترین ضرایب و در نهایت بحرانی‌ترین نیروی باد به دست آید. در این مقاله نحوه محاسبه و اعمال بار باد برای سقف شیبدار مدنظر قرار دارد. به منظور آشنایی کامل با انواع حالات بار باد به مقاله نحوه محاسبه بار باد در ساختمان مراجعه کنید.

در نرم افزار ایتبس ابتدا از قسمت Define > Load Pattern اقدام به تعریف بار باد نموده و آیین‌نامه ملی کانادا را که منطبق بر مبحث ششم می‌باشد برمی‌گزینیم. سپس با انتخاب Modify Lteral Load صفحه‌ای ظاهر می‌شود که در آن ابتدا انتخاب می‌کنیم تأثیر بار باد بر روی سطح مورد نظر یا دیافراگم لحاظ شود که در اینجا اعمال بر Shell انتخاب شده است. سپس در منوی سمت چپ مقادیر بار باد مبنا، C_g، C_t، ضریب اهمیت و ضریب تراکم منطقه که در شکل زیر منطقه باز لحاظ شده، بایستی وارد شود. در این قسمت C_g را 1 وارد می‌کنیم تا هنگام اعمال بار به قسمت‌های مختلف سقف شیبدار، ضریب مربوط به هر قسمت را که بحرانی‌ترین C_p C_g می‌باشد در آنجا اعمال کنیم. در قسمت ارتفاع می‌توان از کف تا ارتفاع طبقه مدنظر را انتخاب نمود تا در محاسبات لحاظ شود.

شکل 12- تعریف بار باد در ایتبس

در صورت لزوم سقف شیبدار را با دستور devide به بخش‌های مختلف مطابق اشکال مبحث ششم تقسیم کرده و با انتخاب هر قسمت از مسیر Assign > Shell Loads > Wind Pressure Coefficient ضریب مربوطه را وارد نموده و مشخص می‌کنیم که ناحیه مربوطه در جهت رو به باد یا پشت به باد قرار گرفته است. این محاسبات با فرض تأثیر بار باد در جهت دیگر ساختمان بایستی تکرار شود.

شکل 13- اعمال بار باد بر روی سقف شیبدار

3. پرسش و پاسخ

نتیجه گیری

در این مقاله سقف‌های شیبدار و انواع آن‌ها از نظر تفاوت درشکل ظاهری مورد بررسی قرار گرفتند و متداول‌ترین پوشش‌های مورد استفاده در این نوع سقف‌ها  نیز معرفی گشتند. به دو رویکرد طراحی سازه‌های با سقف شیبدار در نرم افزار ایتبس اشاره شده و نکات کامل نرم‌افزاری به جهت توزیع بار صحیح شرح داده شد. نحوه مدل‌سازی صحیح سقف شیبدار و تخصیص ویژگی‌های آن در نرم‌افزار ذکر گردید و انواع بارهای وارد بر آن نظیر بار مرده، بار زنده، بار برف و بار باد و نحوه اعمال آن‌ها در نرم افزار به طور کامل مورد بررسی قرار گرفت.

منابع

1. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1398)
2. آیین نامه بارگذاری آمریکا ASCE7-22
3. آیین نامه ملی کانادا (بخش بار باد)
4. کتابخانه آنلاین سبزسازه