سقف عرشه فولادی؛ از طراحی دستی تا اجرا همراه با حل 11 مثال کاربردی

سقف عرشه فولادی چیست؟

همانطور که قطعا می دانید سقف کامپوزیت عرشه فولادی در واقع، بهبود یافته سقف کامپوزیت معمولی است که به عنوان یکی از اقتصادی ترین انواع سقف معرفی می شود اما اصلا عرشه فولادی چیست؟ حداکثر دهانه سقف عرشه فولادی به چه میزان است؟ بارگذاری سقف عرشه فولادی به چه صورتی است؟ نقش گلمیخ در سقف عرشه فولادی چیست؟

ما در این مقاله ابتدا به بررسی اجزای سقف عرشه فولادی خواهیم پرداخت و در ادامه آیین‌نامه‌ها و استانداردهای مرتبط را مورد بررسی قرار خواهیم داد. با توجه‌ به مطالبی که از اجزای سقف عرشه فولادی و آیین‌نامه‌ها می‌آموزیم، تیرهای مختلط فولادی و برشگیرها از نوع گل‌میخ را طراحی خواهیم کرد. در نهایت در انتهای مقاله برخی مطالب اجرایی و نظارتی را به همراه 11 مثال فوق العاده مورد بررسی قرار خواهیم داد.

⌛ آخرین به روز رسانی: 19 دی 1400

📕 تغییرات به روز رسانی: آپدیت بر اساس مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399

1. معرفی سقف کامپوزیت عرشه فولادی

سقف کامپوزیت عرشه فولادی (composite metal deck floor) نیز، مانند دیگر سیستم‌ های کامپوزیتی که به عنوان سقف ساختمان‌ ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، دارای اجزاء مختلفی هستند که مشخصاً دو جزء اصلی این قبیل اعضاء، فولاد ساختمانی و بتن می‌باشد که با یک نگاه اجمالی به شکل زیر نیز، می‌توان به این موضوع پی برد. به طور کلی، سقف‌ های عرشه فولادی از شبکه‌های آرماتور، بتن، ورق‌ های گالوانیزه (عرشه فولادی)، برشگیرهایی از نوع گلمیخ، و پیچ، پرچ یا دیگر اجزائی که منظور مهار ورق‌های گالوانیزه با استفاده از اتصالات مکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، تشکیل می‌شوند. در اولین بخش از آموزش جاری، قصد داریم تا هر کدام از قسمت‌های تشکیل دهنده‌ ی سقف‌ های عرشه فولاد را به طور کامل مورد بررسی قرار دهیم.

شکل 1- جزئیات سقف عرشه فولادی

2. سقف عرشه فولادی از کارخانه تا کارگاه

در این بخش مهم‌ترین نکات اجرای سقف‌های عرشه فولادی، از تولید ورق‌های عرشه فولادی در کارخانه تا بتن‌ریزی در کارگاه، مورد بحث قرار خواهد گرفت. اجرای سقف عرشه فولادی به ترتیب شامل مراحل زیر می‌باشد:

– طراحی سقف‌ها بر اساس آخرین ویرایش استانداردها و آیین‌نامه‌ها
– تهیه نقشه‌های کارگاهی چیدمان ورق‌های عرشه فولادی بر مبنای پلان تیرریزی
– تهیه جدول برش عرشه‌های فولادی به تفکیک طول و تعداد موردنیاز آن‌ها در هر طبقه
– تولید و بسته‌بندی ورق‌های عرشه فولادی و قطعات جانبی آن
– حمل و باراندازی ورق‌ها در محل پروژه
– جابه‌جایی و قرار دادن بندیل‌های ورق‌ها در طبقات و در موقعیت مناسب
– پخش و تثبیت ورق‌های عرشه فولادی مطابق نقشه‌های کارگاهی و جزئیات اجرایی استاندارد
– جوشکاری برشگیرها (گل‌میخ‌ها)
– نصب بتن بند (فلاشینگ)
– تمیزکاری سقف و اجرای میلگردها یا شبکه‌های سیمی جوش شده
– بتن‌ریزی و عمل‌آوری آن

توجه: در این قسمت مطالب اجرایی سقف عرشه فولادی را بررسی خواهیم کرد و در قسمت بعدی به نکات آیین‌نامه‌ای و طراحی خواهیم پرداخت.

1.2. نقشه‌های کارگاهی و جداول برش عرشه‌های فولادی

ورق‌های گالوانیزه، باتوجه‌به ابعاد دهانه‌های سازه که از طریق نقشه‌های As Built (بخوانید اَزبیلت) یا “چون ساخت” استخراج می‌کنند، تولید می‌شوند. در طول پروژه‌های عمرانی، ممکن است بنا به دلایلی مانند خطاها و مشکلات به وجود آمده پیش‌بینی نشده در حین ساخت و یا به هر دلیل دیگری، بخش اجرا شده مغایرتی با نقشه‌های اجرایی داشته باشد. در این صورت می‌بایست گزارشات دقیقی از جزئیات و دلایل تغییرات به وجود آمده تهیه شده و در نهایت پس از تأیید کارشناس پروژه، با درنظرگرفتن این تغییرات و درنظرگرفتن آن‌ها در نقشه‌های موجود و تغییر و اصلاح نقشه‌ها بر مبنای تغییرات ایجاد شده، نقشه‌های جدیدی حاصل شوند. این نقشه‌های جدید تحت عنوان نقشه‌های As Built یا چون‌ساخت شناخته می‌شوند.

نقشه‌های کارگاهی با استفاده از نقشه‌های محاسباتی و چون ساخت تهیه می‌شوند. کارخانه به‌منظور ساخت ورق‌های گالوانیزه، در هنگام سفارش ساخت، نقشه‌های کارگاهی یا “چون‌ساخت” را درخواست و ابعاد ورق‌های گالوانیزه را بر مبنای این نقشه‌ها تعیین و تولید می‌نمایند. در ارائه نقشه‌ها به کارخانه بایستی حدود پوشش معماری رعایت شده باشد و محل و اندازه دقیق بازشوها مشخص باشد. در شکل زیر نمونه‌ای از نقشه کارگاهی مشاهده می‌شود.

شکل 2- نقشه کارگاهی سقف عرشه فولادی

بر مبنای نقشه‌های کارگاهی تأیید شده، جدول برش ورق‌ها که شامل اطلاعاتی نظیر نام کارفرما، محل پروژه، مرحله ارسال، شماره بندیل، نام بندیل، طول و تعداد ورق‌های عرشه و مقادیر تجمعی آن می‌باشد، تهیه می‌گردد. بر اساس این جداول برش‌ها صورت می‌گیرد و در نهایت بسته‌بندی انجام می‌شود.

شکل 3- جدول برش ورق‌های عرشه فولادی

2.2. تولید ورق‌های عرشه فولادی

ورق‌های فولادی گالوانیزه در واقع نقش عرشه این نوع سیستم سقف را دارا می‌باشند (دیگر اجزاء سقف روی این ورق‌ها قرار خواهند گرفت) و از همین رو نام این نوع سقف یعنی عرشه فولادی از این خصوصیت برگرفته شده است. ابتدا در سال 1920 میلادی به‌عنوان قالب بتن در آمریکا مورداستفاده قرار گرفت. سپس در سال 1926، سیستم عرشه فولادی به‌عنوان سیستمی ایمن و مناسب برای سقف سازه‌های ساختمانی معرفی گردید.

به دلیل اهمیت نقش ورق‌های گالوانیزه در این سیستم، تا سال‌ها بعد، به طور مستمر اصلاحاتی به‌منظور توسعه و بهبود عملکرد سیستم سقف، در خصوصیات مکانیکی و ظاهری این بخش از سقف‌های عرشه فولادی صورت می‌گرفت تا اینکه در نهایت، در سال 1961، شرکت Inland-Ryerson، ورق‌های گالوانیزه را در شکلی ذوزنقه‌ای که با ایجاد زائده‌هایی روی آن، قادر به ایجاد درگیری مناسبی بین ورق گالوانیزه و بتن روی آن، در جهت تحمل نیروهای برشی بود، ارائه کرد. این ورق‌های گالوانیزه، در کارخانه به روش‌های نورد سرد (Cold Forming)، با استفاده از دستگاه «Roll Forming» که نمونه‌ای از این دستگاه را در زیر مشاهده می‌کنید، به شکل ذوزنقه‌ای ساخته می‌شوند.

شکل 4- ساخت ورق گالوانیزه در کارخانه

سپس در ادامه، در بخش بعدی فرایند تولید، ورق‌های گالوانیزه متناسب با طول موردنیاز که باتوجه‌به ابعاد دهانه‌های سازه بر مبنای نقشه‌های سازه‌ای مشخص است، به‌وسیله دستگاه برش ورق‌ها (اصطلاحاً گیوتین) برش داده می‌شوند. این ورق‌ها معمولاً ضخامتی بین 0.8 تا 1.2 و عرضی حدود 1000 تا 1250 میلی‌متر دارند و سطح آن‌ها دارای زائده‌هایی به‌منظور درگیری (locking) بین بتن و ورق گالوانیزه بوده که عملکرد یکپارچه این دو جزء مهم از سقف را به ارمغان می‌آورند که می‌توانند دارای اشکال و طرح‌های گوناگونی به‌صورت برآمدگی و تورفتگی باشند.

شکل 5- شکل دهی ورق گالوانیزه سقف عرشه فولادی

❓ آیا شکل خاص ورق‌های عرشه فولادی دلیل خاصی دارد؟

در واقع فلسفه‌ چنین شکلی از مقاطع ورق‌های گالوانیزه، به یکی از مهم‌ترین خصوصیت مقاطع یعنی ممان اینرسی بر می‌گردد. برای درک بهتر این موضوع، یک کاغذ را در نظر بگیرید که شخصی قصد دارد از برگه‌ کاغذ، به‌عنوان بادبزن استفاده نماید. حتما می‌توانید این موضوع را در ذهن تحلیل و تصور نمایید که یک برگه‌ی کاغذی با حالت و شکل معمول خود، نمی‌تواند به خوبی نیروی موردنیاز برای به حرکت در آوردن ذرات هوا را ایجاد نماید و به دلیل صلبیت و اینرسی کم، دچار تغییرشکل‌های زیادی می‌شود. اما اگر کاغذ موردنظر را به شکل مثلث‌های متوالی در آوریم، خواهیم دید که این کار باعث افزایش مقاومت کاغذ می‌شود. این کار تنها باعث افزایش اینرسی برگه‌ کاغذ شده است و همین اتفاق، بهبود عملکرد کاغذ را نتیجه می‌دهد (می‌توانید این موضوع را یکبار با قرار دادن یک کاغذ معمولی و بار دیگر کاغذ تغییرشکل داده شده بین دو شی مشابه یک تیر آزمایش کرده و نتیجه را مقایسه کنید.)

این موضوع در مورد ورق‌های گالوانیزه نیز صادق بوده و شکل ذوزنقه‌ای این ورق‌ها، شرایط را برای حرکت پرسنل پروژه روی سقف و همچنین تحمل وزن بتن، بدون ایجاد خمیدگی، تغییرشکل و حرکت محسوس و همین‌طور افزایش اینرسی دال ایجاد می‌نماید.

شکل 6- کاغذ تغییرشکل داده شده به‌منظور استفاده به‌عنوان بادبزن

ورق‌های گالوانیزه مورداستفاده در سقف‌های عرشه فولادی می‌توانند دارای اشکال مختلفی باشند که تولیدکنندگان موظف‌اند اشکال و خصوصیات هندسی و مکانیکی مقاطع تولیدی خود را تحت جداولی به‌منظور تصمیم‌گیری و طراحی بهتر و دقیق‌تر توسط مهندس طراح ارائه نمایند. در ذیل، چند نمونه از اشکال مختلف موجود از ورق‌های گالوانیزه سقف عرشه فولادی را مشاهده می‌نمایید.

شکل 7- نمونه‌هایی از انواع شکل‌های ورق‌های عرشه فولادی

3.2. انتقال ورق‌های عرشه فولادی به کارگاه

پس از اتمام پروسه تولید، ورق‌های گالوانیزه مشابه شکل زیر، دسته‌بندی و آماده ارسال به محل ساخت می‌شوند. به هرکدام از این دسته ورق‌ها، اصطلاحاً بندیل گفته می‌شود که این اصطلاح از لغت لاتینBundle (بخوانید باندل)، به معنی بسته یا دسته گرفته شده است. در زمان حمل این ورق‌ها، می‌بایست به این نکته توجه نمود که به دلیل لاغر بودن آن‌ها (ضخامت کم در مقابل دو بعد دیگر) ، می‌بایست دقت لازم به‌منظور جلوگیری از تغییرشکل (Deformation) به عمل آید.

شکل 8- دسته‌بندی ورق‌های عرشه‌فولادی بر اساس اندازه و حمل آنها به کارگاه

اولین مرحله از اجرای این نوع از سقف‌ها، انتقال ورق‌های گالوانیزه از کارخانه به محل ساخت و نصب آن‌ها می‌باشد. همان‌طور که گفته شد، پس از تولید ورق‌های فولادی، این ورق‌ها باتوجه‌به ابعادشان دسته‌بندی و یا اصطلاحاً “بندیل” می‌شوند. عملیات دسته‌بندی می‌تواند به انواع روش‌ها صورت پذیرد. اما این عمل به‌طورکلی باید به‌گونه‌ای صورت گیرد که ورق‌های گالوانیزه دچار آسیب‌دیدگی و تغییرشکل نشوند. در ادامه انواع حالت‌های مرسوم دسته‌بندی ورق‌ها را به همراه توضیحاتی ارائه می‌کنیم.

حالت اول

در این شیوه که ابعاد همه ورق‌های یک دسته برابر هستند، حالت ایده‌آل بندیل کردن ورق‌های گالوانیزه بوده و عمل حمل بندیل‌ها در این حالت آسان می‌باشد. همچنین مقدار و احتمال آسیب‌دیدگی ورق‌ها بسیار کم می‌باشد.

شکل 9- بندیل کردن «حالت 1»

حالت دوم

این حالت از دسته‌بندی مناسب نبوده و حتی‌الامکان نباید از این روش استفاده نمود، چرا که هم عملیات حمل این بندیل‌ها و هم عملیات جداسازی ورق‌ها با توجه ابعاد مختلف ورق‌های یک بندیل، در کارگاه و انتقال مجدد آنها به بخش‌های مختلف ساختمان نیز دشوار می‌باشد.

شکل 10- بندیل کردن «حالت 2»

حالت سوم

در این حالت نیز، احتمال آسیب‌دیدگی ورق‌های زیرین در حین حمل‌ونقل بندیل‌ها زیاد می‌باشد و توصیه نمی‌شود.

شکل 11- بندیل کردن «حالت 3»

حالت چهارم

این حالت مشابه حالت قبل بوده با این تفاوت که تعداد ورق‌های (شیت‌ها) بزرگ‌تر زیر شیت‌های کوچک‌تر بیشتر می‌باشد. قرار دادن تعداد بیشتری از ورق‌های بزرگتر زیر تعدادی ورق‌ کوچک، مشکل خاصی را ایجاد نکرده و به مراتب از حالت قبل بهتر است.

شکل 12- بندیل کردن «حالت 4»

به‌طورکلی در هنگام عملیات بندیل کردن و انتقال ورق‌های گالوانیزه، رعایت موارد زیر، باعث افزایش ایمنی افراد و درعین‌حال، کاهش خسارات و همین‌طور اصطلاحاً پِرتی مصالح می‌شود:

 تمام ورق‌های عرشه بایستی حداقل تفاوت طولی را نسبت به ورق‌های مجاور داشته باشند. پرسنل نصب نبایستی مجبور شوند که ورق‌های عرشه را در مسافت زیاد بر روی سازه حمل نمایند و ورق‌های عرشه طبقات مختلف نبایستی در یک بندیل قرار گیرند.
 تنوع طول ورق‌های عرشه بایستی به حداقل رسانده شود و این کار کمک می‌کند که ورق‌ها در هنگام حمل آسیب نبینند.
 بایستی سعی گردد که وزن بندیل‌ها از 2000 کیلوگرم تجاوز ننماید این یک وزن ایده‌آل برای جابجایی آن‌ها با جرثقیل می‌باشد.
 ورق‌های عرشه کوچک، در صورت بندیل شدن با ورق‌های بزرگ باعث رساندن آسیب به آن‌ها می‌شوند و بایستی از این کار تا حد امکان پرهیز گردد.
 حداقل تعداد ورق‌های یک بندیل 10 تا 12 عدد می باشد. کم بودن تعداد ورق‌ها، بسته‌بندی و بندیل کردن آن‌ها را دچار مشکل می‌کند.

شکل 13- حمل ورق‌های عرشه فولادی با جرثقیل

4.2. جایگذاری، پخش و تثبیت ورق‌های عرشه فولادی

پس از انتقال ورق‌های گالوانیزه به محل پروژه و انتقال مجدد بندیل‌ها به طبقات و محل‌های موردنظر، ورق‌ها در دهانه مربوطه جاگذاری می‌شوند. انتقال بندیل‌ها به طبقات بر اساس برگه راهنما صورت می‌گیرد تا تعداد مشخصی از ورق‌های عرشه فولادی در مکان‌های مناسب در طبقات قرار داده شوند. در اشکال زیر ورق‌های منتقل شده به طبقات را مشاهده می‌کنیم.

شکل 14- جایگذاری و پخش ورق‌های عرشه فولادی در طبقات

مطابق نقشه‌های کارگاهی، ورق‌های عرشه در هر طبقه پخش شده و در جای خود قرار می‌گیرند. سپس برش‌کاری‌های لازم انجام می‌شود و ورق‌ها در محل خود با استفاده از اتصالات مکانیکی یا جوش تثبیت می‌شوند. برش‌کاری نباید به‌صورت گرم انجام شود؛ زیرا موجب آسیب رساندن به پوشش ورق عرشه فولادی می‌شود.

شکل 15- تثبیت ورق‌های عرشه فولادی در سقف و پله‌ها

پس از پخش و تثبیت ورق‌های عرشه فولادی، نوبت به اتصال لبه‌های طولی ورق‌های عرشه فولادی می‌شود. در شکل نمونه‌ای از ابزار ایجاد زبانه و کام بین دو ورق عرشه فولادی را مشاهده می‌کنیم.

شکل 16- نمونه‌ای از ابزار اتصال طولی دو ورق عرشه فولادی

اتصال هم‌پوشانی ورق‌های عرشه به سه روش مختلف انجام می‌شود.

الف) پیچی
ب) جوشی
پ) بست دکمه‌ای

شکل 17- انواع اتصال همپوشانی ورق‌های عرشه فولادی

عرشه‌های فولادی باید توسط جوش نقطه‌ای، جوش گوشه و یا اتصال‌های مکانیکی مانند میخ یا پیچ به تکیه‌گاه‌های سازه‌ای متصل شوند تا از لغزش عرشه روی تکیه‌گاه جلوگیری کنند. اتصالات به تکیه‌گاه‌ها را می‌توان به‌عنوان تثبیت ورق‌های عرشه فولادی که در قسمت‌های قبل ذکر کردیم، به‌حساب آورد.

شکل 18- روش‌های اتصال عرشه به تکیه‌گاه (الف) اتصال با جوش گوشه (ب) اتصال با جوش نقطه‌ای (کام) (پ) میخ با واشر فولادی (ت) میخ و چاشنی هیلتی (ث) میخ بدون واشر فولادی (ج) پیچ

5.2. جوشکاری برشگیرها (گل‌میخ‌ها)

به‌طورکلی برشگیرها در سقف‌های کامپوزیت، همان‌طور که از نامشان مشخص است، نقش جذب و انتقال تنش‌های برشی به تیرهای سازه در جهت حفظ پایداری جانبی سقف را دارند. اما یکی از نقاط قوت سقف‌های عرشه فولادی، ایفای این نقش سازه‌ای بسیار مهم، توسط گل‌میخ‌ها می‌باشد. گل‌میخ‌ها در واقع میخ‌های سرپهن از جنس آلیاژی از فولاد با مقدار کربن پائین و با مقطع استوانه‌ای با حداکثر قطر 20 میلی‌متر هستند. نمونه‌ای از گل‌میخ‌های مورداستفاده در سقف عرشه فولادی را در شکل زیر مشاهده می‌نمایید.

شکل 19- برشگیر (گل‌میخ)

طبق الزامات آیین‌نامه A.W.S-D1.1 که یکی از استاندارهای ارائه شده توسط A.W.S(American Welding Society) یا جامعه جوشکاری آمریکا می‌باشد، به‌منظور تولید گل‌میخ‌ها، به دلیل اهمیت بالای خصوصیات مکانیکی این جزء از سقف‌های عرشه فولادی، می‌بایستی از آلیاژ خاصی از فولاد و روش فورج سرد (Cold Forging) در جهت ساخت آن‌ها استفاده نمود. در روش فورج سرد، تمامی امور لازم در جهت شکل‌دهی مقاطع به‌صورت سرد انجام‌گرفته و به هیچ عنوان عمل حرارت‌دهی به مصالح صورت نمی‌گیرد.

روش فورج سرد، یکی از بهترین روش‌ها برای ساخت اجزایی است که تحت تنش‌ها و شرایط بحرانی قرار دارند. گل‌میخ‌ها، قابلیت تحمل و انتقال تنش‌های برشی در همه جهات را دارند درحالی‌که نبشی‌ها یا ناودانی‌های مورداستفاده به‌عنوان برشگیر در سقف‌های کامپوزیت سنتی، تنها در جهت طولی خود قادر به تحمل برش می‌باشند.

اما به‌منظور حصول اطمینان از صحت عملکرد مطلوب گل‌میخ‌ها، در به‌کارگیری آن‌ها باید به نکاتی از قبیل عدم وجود زنگ‌زدگی، رطوبت، ترک، لهیدگی و دیگر مشکلات مؤثر در خواص مکانیکی در بدنه گل‌میخ‌ها توجه نمود. عملیات جوشکاری گل‌میخ‌ها به تیرهای سازه، توسط دستگاه جوش قوس الکتریکی خاصی به نام Stud Welder انجام می‌گیرد که نمونه‌ای از این دستگاه را به همراه دیگر تجهیزات همراه آن در زیر مشاهده می‌کنیم.

شکل 20- دستگاه جوش گل‌میخ (stud welder)

گل‌میخ‌ها توسط دستگاه جوش قوس الکتریکی به تیرهای سازه جوش می‌شوند. به‌منظور محافظت از حوضچه مذاب تشکیل شده نسبت به پدیده پاشش در لحظه ایجاد قوس الکتریکی و همچنین حفظ کیفیت و بٌعد مناسب جوش، یک حلقه سرامیکی دندانه‌دار در محل موردنظر قرار می‌گیرد که در شکل 19 نیز قابل مشاهده می‌باشد. این حلقه‌های سرامیکی می‌بایست پس از سرد شدن کامل جوش، از گل‌میخ‌ها جدا شوند.

علاوه بر این، یک زائده در بخش انتهایی گل‌میخ‌ها به‌منظور ایجاد فاصله بین گل‌میخ و سطح موردنظر برای جوشکاری (معمولاً بال فوقانی تیر) در نظر گرفته می‌شود که در واقع نقش این زائده ایجاد فاصله‌ای است که یک جوشکار برای جلوگیری از چسبیدن الکترود به سطح بین الکترود و سطح فلزی در نظر می‌گیرد.

شکل 21- نمای نزدیک از گل‌میخ

به‌طورکلی، فرایند عملیات جوشکاری گل‌میخ‌ها به فلز پایه (عموماً تیرها) به شکل زیر است:

1. قرار دادن حلقه‌ سرامیکی محافظ حوضچه مذاب در محل موردنظر
2. قرار دادن گل‌میخ درون گیره تپانچه دستگاه Stud Welder
3. شروع عملیات جوشکاری و تشکیل حوضچه مذاب
4. شکستن حلقه‌ سرامیکی محافظ حوضچه‌ مذاب پس از سرد شدن کامل جوش

شکل 22- مراحل جوشکاری گل‌میخ‌ها

6.2. نصب بتن‌بندها (فلاشینگ)

در سقف‌های عرشه فولادی، به‌منظور جلوگیری از خروج بتن از روی ورق‌های گالوانیزه، از مقاطع L شکل(مشابه نبشی) در لبه آزاد دهانه‌ها استفاده می‌شود که این مقاطع، اصطلاحاً فلاشینگ (Flushing) نام دارند. کاربرد آن‌ها در بخش پیرامونی سقف، رمپ، اطراف بازشوها و داکتها و … می‌باشد.

شکل 23- فلاشینگ در سقف عرشه فولادی (الف) بخش پیرامونی سقف (ب) اطراف بازشو

جهت حفظ پایداری فلاشینگ‌ها در مقابل نیروی جانبی وارده از طرف بتن (به علت خاصیت خمیری و روان بودن بتن تازه)، لازم است تا به‌وسیله تسمه‌های مخصوصی که وظیفه اتصال و مهار فلاشینگ‌ها به ورق‌های گالوانیزه عرشه سقف را بر عهده دارند، استفاده نماییم. در شکل زیر، موقعیت و جزئیات بیشتری از فلاشینگ و طریقه مهار آن به‌وسیله اتصال مکانیکی به ورق گالوانیزه را ملاحظه می‌نمایید.

شکل 24- جزئیات (گل‌میخ – فلاشینگ – تسمه اتصال) سقف عرشه فولادی

7.2. اجرای میلگردها یا شبکه‌های سیمی جوش شده

به علت مقدار آب مازاد موردنیاز سیمان موجود در بتن و به‌منظور هیدراتاسیون و خروج این مقدار آب به‌خاطر خاصیت مویینگی، با شروع عملیات گیرش، بتن تمایل به جمع‌شدگی پیدا کرده و پدیده انقباض اتفاق می‌افتد. به دنبال این جمع‌شدگی، شاهد ایجاد ترک‌هایی در سطح بتن نیز خواهیم بود که این ترک‌ها در بتن‌ریزی‌های حجیم بیشتر هم خواهند بود.

همچنین تغییر دما نیز می‌تواند باعث انقباض، انبساط و متعاقباً ایجاد تنش در بتن شود. ازاین‌رو، در سقف‌های عرشه فولادی نیز مانند سایر سقف‌ها مانند تیرچه‌بلوک می‌بایست از آرماتورهای افت و حرارت که معمولاً میلگرهای ساده با قطر 8 میلی‌متر و از نوع AIII هستند، استفاده نماییم.

یکی از مهم‌ترین مزایای سقف‌های عرشه فولادی، سرعت بالای اجرای آن‌ها می‌باشد. اما از طرفی به دلیل زمان‌بر بودن عملیات میلگردگذاری در سقف‌های کامپوزیت با استفاده از میلگردهای شاخه‌ای موجود در بازار (روش سنتی)، سرعت اجرا کاهش خواهد یافت. در نتیجه، به‌منظور حفظ خصوصیت سرعت اجرای بالا در این نوع از سقف‌ها، می‌توان از مش‌های آماده (شبکه‌ای از میلگردها که به‌وسیله جوش، متصل و پایدار شده‌اند) یا بتن‌های دارای الیاف مسلح کننده استفاده کرد که توضیحات بیشتر در قسمت «بررسی استانداردها و آیین‌نامه‌های سقف عرشه فولادی» ارائه شده است.

شکل 25- مسلح کردن سقف عرشه فولادی

مسلح کننده‌ها پس از تثبیت عرشه و جوشکاری برشگیرها و البته قبل از بتن‌ریزی سقف اجرا می‌شوند. مسلح کننده‌ها برای موارد زیر انجام می‌شوند که طراح در طراحی و ارائه نقشه‌ها آن‌ها را در نظر می‌گیرد:

– اجرای میلگرد، مش آماده یا الیاف‌های مسلح کننده گسسته (توضیحات بیشتر در قسمت «بررسی استانداردها و آیین‌نامه‌های سقف عرشه فولادی»)
– نصب میلگردهای تقویت خمشی سقف
– تعبیه میلگردهای تقویتی در اطراف بازشوها

همان‌طور که اشاره شد، مسلح کننده‌ها می‌توانند برای تقویت خمشی سقف مورداستفاده قرار گیرند. به طور مثال، درصورتی‌که از ظرفیت کششی ورق‌های گالوانیزه صرف‌نظر شود، به‌منظور افزایش ظرفیت خمشی مقطع دال در برابر لنگرهای مثبت و کنترل گسترش ترک‌های ناشی از خمش، می‌بایست از میلگردهای تقویتی در نواحی وسط دهانه دال استفاده نماییم که نمونه‌ای از این مورد را در شکل زیر مشاهده می‌کنیم.

شکل 26- تقویت خمشی سقف عرشه فولادی

همچنین در نزدیکی تیرهای سقف و نواحی طره‌ای سازه، مشابه اشکال زیر، شاهد ایجاد نیرو و به دنبال آن تغییرشکل‌های کششی هستیم. پس به‌منظور جلوگیری از گسیختگی کششی بتن و گسترش ترک‌ها در این نواحی، نیازمند استفاده از میلگردهای تقویتی خواهیم بود.

شکل 27- میلگردهای تقویتی برای جلوگیری از گسترش ترک‌های کششی

8.2. بتن‌ریزی و عمل‌آوری آن

پیش از آغاز بتن‌ریزی، باید تمامی مصالح باقی‌مانده شامل قطعات سیم‌جوش‌ها، سرامیک‌های محافظ جوش گل‌میخ‌ها، اتصال‌های مازاد و سایر قطعات اضافی از روی سطح جمع‌آوری گردند و تمیزکاری سقف انجام شود. بتن‌ریزی این سقف‌ها به دلیل عدم نیاز به شمع‌بندی، می‌توانند برای طبقات مختلف در یک‌زمان انجام شوند.

پس از بتن‌ریزی سقف می‌بایست عملیات مراقبت و نگهداری از بتن (Curing) صورت پذیرد. همچنین تا قبل از رسیدن بتن به مقاومت 7 روزه، از بارگذاری و دپو مصالح در طبقات خودداری شود. باتوجه‌به اینکه صفحات فولادی قالب سقف را تشکیل داده‌اند لذا شیره بتن بعد از بتن‌ریزی کاملاً حفظ شده و بتن سقف در شرایط ایده‌آل‌تری به عمل می‌آید و دارای مقاومت بهتری می‌باشد. جهت کسب اطلاع بیشتر در مورد نحوه عمل‌آوری بتن، می‌توانید به مقاله عمل‌آوری بتن مراجعه کنید.

شکل 28- بتن‌ریزی سقف عرشه فولادی

نکات مهم اجرایی

نکته 1: ارتفاع نازل بتن از سقف باید به‌شکلی باشد که باعث وارد شدن ضربه به عرشه‌ها نگردد.
نکته 2: از انباشته شدن بتن بر روی یک عرشه، به‌خصوص در وسط طول دهانه عرشه‌ها پرهیز شود.
نکته 3: تجمع افراد اجرایی بر روی یک یا دو عرشه محدود نشده و نفرات مربوط به پمپ، پخش و تسطیح بتن به ترتیب و پشت‌سرهم کار خود را انجام دهند.
نکته 4: بتن‌ریزی دهانه‌های طره نبایستی قبل از دهانه مجاور انجام شود.

3. بررسی استانداردها و آیین‌نامه‌های سقف عرشه فولادی

هرکدام از اجزاء سازه‌ای ساختمان‌ها، دارای ضوابط و الزاماتی است که آیین‌نامه‌ها و استانداردها رعایت این موارد در امور طراحی، اجرا و نظارت مربوط به آن جزء را الزامی دانسته و دراین‌بین، یکی از مهم‌ترین اجزاء سقف‌های عرشه فولادی یعنی ورق‌های گالوانیزه نیز از این امر مستثنا نمی‌باشند و “استاندارد ملی ایران شماره 21973 : 1396” بدین منظور برای سقف‌های مرکب عرشه فولادی ارائه شده است.

1.3. هدف و دامنه کاربرد

این استاندارد در بخش اول کلیاتی را در مورد خصوصیات ورق‌های گالوانیزه مورداستفاده به‌عنوان عرشه سقف‌های عرشه فولادی، ارائه کرده است. هر آیین‌نامه یا استانداردی دارای هدف و محدوده کاربرد است که در ابتدا باید مدنظر همه مهندسین قرار گیرد.

2.3. مدارک اجرایی سقف عرشه فولادی

برای اجرای این سقف‌ها مانند سایر اجزای سازه، نیاز به حداقل اطلاعات و مدارک هستیم که این موارد در ادامه مشخص شده‌اند:

الف) بارها

الف-1) بارهای طراحی وارد بر دال مرکب عرشه فولادی بر اساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان
الف-2) بارهای هنگام ساخت

ب) پلان‌های تیرریزی سازه

پ) عرشه و اتصال‌های آن‌ها

پ-1) عمق، مقطع ورق شکل‌دهی شده، ضخامت طراحی ورق و طرح هندسی آج‌ها
پ-2) مشخصات مکانیکی ورق و مشخصات پوشش آن
پ-3) چیدمان ورق‌های عرشه، نوع، فاصله و جزئیات اتصال آن‌ها

ت) بتن و مسلح‌کننده‌ها

ت-1) مقاومت مشخصه فشاری بتن، f´_C
ت-2) چگالی بتن
ت-3) مقاومت مشخصه تسلیم، Fy یا رده مقاومتی میلگردهای فولادی و یا شبکه سیمی جوش شده (Welded wire reinforcement) در صورت استفاده
ت-4) قطر، موقعیت و محل قطع کلیه میلگردها و شبکه‌های سیمی جوش شده
ت-5) ضخامت دال در قسمت‌های مختلف
ت-6) جنس، نوع و عیار الیاف‌های مسلح کننده گسسته (Discontinuous fiber reinforcement) در صورت استفاده

❓ منظور از شبکه سیمی جوش شده و الیاف‌های مسلح کننده گسسته چیست؟

جهت مسلح کردن بتن دال عرشه فولادی، سه روش (میلگردهای فولادی، شبکه سیمی جوش شده و الیاف‌های مسلح کننده گسسته) در دنیا مرسوم است. در
ایران نیز استفاده از شبکه‌های سیمی جوش شده گسترش پیدا کرده است. به‌جای آرماتور می‌توان از شبکه‌های سیمی جوش شده استفاده کرد. این مش‌ها مشابه کارکرد آرماتورها، جهت کنترل ترک‌ها می‌باشد. این روش مورد تأیید مؤسسه SDI نیز می‌باشد.

از جمله مشکلاتی که در این روش وجود دارد، برش به اندازه‌های مناسب و قرار دادن در محل مناسب می‌باشد. منظور از محل مناسب از نظر جانمایی در سقف و
همچنین ارتفاع مناسب نسبت به ورق عرشه است؛ زیرا این شبکه‌بندی نبایستی به ورق عرشه چسبانده شوند. همچنین این شبکه‌بندی باید در محل خود چفت
شوند تا در بتن‌ریزی موقعیتشان تغییر نکند. می‌دانیم که راه رفتن بر روی عرشه فولادی کار دشواری است و اگر شبکه سیمی جوش شده نیز به آن افزوده شود، دشوارتر خواهد شد. این موضوع یکی از مشکلاتی است که همواره پیمانکاران را دچار سختی کار می‌کند و کوچک‌ترین سهل‌انگاری ترک‌های وسیعی را در سقف به وجود خواهد آورد.

الیاف‌های مسلح کننده گسسته مشکلات شبکه‌های سیمی جوش شده را پوشش می‌دهند. بر خلاف مش سیم، نصب الیاف به نیروی کمی نیاز دارد. آن‌ها معمولاً در کارخانه آماده و مخلوط می‌شوند ولی می‌توانند در محل هم به کامیون‌های بتنی اضافه شوند و بتن‌ریزی صورت پذیرد. همچنین در استفاده از الیاف مشکل راه رفتن روی عرشه دشوارتر نمی‌شود و لغزش احتمالی سیم‌ها از سر جای خود وجود ندارد؛ زیرا مسلح‌سازی با آرماتور یا سیم وجود ندارد و بتن با الیاف تسلیح شده است.

شکل 29- مسلح کننده بتن (الف) شبکه سیمی جوش شده (ب) الیاف‌های مسلح کننده گسسته

نکات اجرایی استفاده از الیاف‌های مسلح کننده بتن

نکته 1: الیاف فولادی یا پلیمری (در صورت نیاز) بایستی قبل از پمپ بتن به داخل میکسر اضافه شده و فرصت کافی جهت مخلوط شدن با بتن و به‌دست‌آمدن یک مخلوط یکنواخت به آن داده شود.

نکته 2: در صورت استفاده شدن از الیاف، به دلیل سفت شدن بتن معمولاً از فوق روان‌کننده جهت بالا بردن کارایی بتن استفاده می‌شود.

3.3. مصالح (ورق فولادی، بتن و مسلح کننده)

“استاندارد ملی ایران شماره 21973 : 1396” برای ورق فولادی، بتن و مسلح کننده‌ها مشخصاتی را در نظر گرفته است که برای هرکدام به‌اختصار توضیحاتی ارائه می‌دهیم. لازم به ذکر است در مورد مصالح فولادی استانداردها و مشخصات توسط کارخانه رعایت می‌شود و در اجرا کافی است مصالح را از شرکت‌ها و کارخانه‌های معتبر تهیه کنیم.

الف) ورق فولادی

ورق‌های فولادی که در عرشه و الحاقات آن مورداستفاده قرار می‌گیرند، باید دارای حداقل مقاومت مشخصه تسلیم 230 مگاپاسکال باشند.
در مواردی که عرشه نقش تسلیح کننده دال را بر عهده دارد، عرشه باید از نوع آجدار با حداقل عمق آج 1 میلی‌متر باشد.

ب) بتن

بتن مورداستفاده در روی عرشه باید مطابق آخرین ویرایش مبحث 9 مقررات ملی ساختمان باشد.
در دال‌های مرکب عرشه فولادی مقاومت مشخصه بتن نباید کمتر از 20 مگاپاسکال و بیش از 40 مگاپاسکال باشد. چنانچه برای مقاومت کردن در برابر نیاز به مقاومت بیشتر برای بتن بود، در اجرا از مقاومت بیشتر می‌توان است به شرطی که در طراحی مقاومت مذکور را حداکثر مقدار یعنی 40 مگاپاسکال در نظر بگیریم.
استفاده از افزودنی‌هایی که دارای نمک‌های کلردار یا مواد خورنده دیگری که به ورق عرشه و اجزای مدفون در بتن آسیب می‌رسانند، مجاز نمی‌باشد.

پ) مسلح کننده‌ها

میلگردها و شبکه‌های فولادی باید مطابق استانداردهای زیر باشند:

1. استاندارد ملی ایران شماره 3132 برای میلگردهای آجدار
2. استاندارد ملی ایران شماره 3-8133 برای شبکه سیمی جوش شده
3. میلگردهای آجدار یا شبکه‌های سیمی جوش شده طبق ACI-318
4. الیاف مسلح کننده گسسته مطابق استاندارد ASTM A820 برای الیاف‌ فولادی و استاندارد ASTM D7508 برای الیاف مصنوعی

تسلیح کننده‌هایی که به‌منظور کنترل ترک‌ها استفاده می‌شود، باید توسط یکی از روش‌های زیر تأمین شود:

1) شبکه سیمی جوش شده یا میلگرد: نسبت مساحت شبکه سیمی جوش شده یا میلگرد به مساحت بتن بایستی حداقل 0.00075 باشد. در مورد شبکه سیمی جوش شده برای این مقدار یک محدودیت دیگری نیز وجود دارد که در شکل زیر مشاهده می‌شود.

شکل 30 – محدودیت تسلیح‌کننده میلگرد و شبکه سیمی جوش شده

مثال 1: فاصله میلگردهای به قطر 10 میلی‌متر را در سقف عرشه طوری تعیین کنید که حداقل نسبت مساحت تسلیح کننده به مساحت بتن رعایت شود. ضخامت بتن 10 سانتی‌متر فرض شود.

شکل 31- شکل مثال 1 و 2

مثال 2: قطر میلگرد شبکه‌ها را در شبکه‌های سیمی جوش شده طوری تعیین کنید که حداقل نسبت مساحت تسلیح کننده به مساحت بتن رعایت شود. ضخامت بتن را 10 سانتی‌متر فرض کنید. همچنین شبکه‌ها را 120×120 mm فرض کنید.

2) الیاف‌های فولادی: وزن الیاف فولادی در واحد حجم حداقل 15 kg⁄m^3 می‌باشد.

3) الیاف ماکرو سنتتیک: وزن الیاف ماکرو سنتتیک در واحد حجم حداقل 2.4 kg⁄m^3 می‌باشد.

نکته: ترک‌های خمشی در نواحی گشتاور منفی (روی تکیه‌گاه) و عرض ترک‌ها را می‌توان با روش‌های زیر کاهش داد. این ترک‌ها حتی با وجود میلگرد افت حرارت محتمل است.

• بکار بردن عرشه فولادی با سختی خمشی بیشتر
• کاهش دهانه عرشه
• جلوگیری از ایجاد اضافه‌بار در میانه دهانه عرشه حین ساخت
• استفاده از میلگردهای منفی در تکیه‌گاه‌ها

نکته: آج‌ها زائده‌های برجسته روی عرشه فولادی هستند که در برابر نیروهای برشی موجود بین دال بتنی و عرشه فولادی مقاومت می‌کنند. آج‌ها به‌صورت منقطع و پیوسته در عرشه فولادی کاربرد دارند. آج‌های منقطع نقش جلوگیری از لغزش بین دال بتنی و عرشه فولادی و آج‌های پیوسته نقش جلوگیری از جداشدگی بین دال بتنی و عرشه فولادی را دارند. همان‌طور که اشاره کردیم، حداقل عمق این آج‌ها 1 میلی‌متر می‌باشد. در شکل زیر آج پیوسته و منقطع به همراه انواع تیپ‌های آج منقطع را مشاهده می‌کنیم.

شکل 32- تفاوت آج پیوسته و منقطع و انواع تیپ آج منقطع

4.3. رواداری ابعاد عرشه‌های فولادی

“استاندارد ملی ایران شماره‌ 21973 : 1396” مقادیر مجاز رواداری (مقدار خطا در ابعاد یا انحراف در جاگذاری و ساخت اعضاء) ورق‌های گالوانیزه عرشه‌های فولادی را به شرح زیر ارائه می‌دهد.

5.3. پوشش ورق‌های عرشه فولادی

پوشش روی عرشه‌های مرکب فولادی توسط طراح مشخص می‌شود و بایستی شرایط محیطی را لحاظ کرده باشد. به دلیل اینکه عرشه‌های فولادی نقش مسلح کننده مثبت را در عرشه‌های مرکب دارند، عمر بهره‌برداری آن‌ها بایستی حداقل برابر عمر بهره‌برداری سازه (مثلاً 50 سال) باشد. در جاهایی که عرشه‌های فولادی به‌صورت لایه رویی ساده و لایه زیر رنگی استفاده می‌شوند، یک لایه رنگ آستر برای حفاظت فولاد در کوتاه مدت و جهت حفاظت در برابر شرایط جوی عادی بایستی بر روی عرشه‌ها انجام شود. این رنگ غیر ماندگار است. همچنین در محیط‌های خورنده و یا شیمیایی باید پوشش خاص و مناسب آن شرایط بکار رود.

علاوه بر این اگر به دلیل لزوم حفاظت در برابر حریق نیاز به رنگ آمیزی خاص باشد، از رنگ‌های مجاز مربوطه بایستی استفاده نمود. در حالت کلی سه روش مقاوم‌سازی المان یا المان‌ها در برابر آتش وجود دارد:

الف) نصب یک قطعه اضافی حفاظت شده در برابر حریق
ب) نصب یک قطعه حفاظت نشده در برابر حریق
پ) حفاظت مستقیم قطعه در برابر حریق

واضح است که فقط مورد «پ» مختص عرشه‌های فولادی می‌باشد. در این سیستم‌ها، نوع پوشش عرشه فولادی می‌تواند عامل مهمی در تعیین مقاومت در برابر
حریق باشد. در حالت مستقیم استفاده از پوشش مناسب بسیار تعیین‌کننده می‌باشد. در مورد مباحث مرتبط با آتش در این سقف‌ها در ادامه بیشتر صحبت خواهیم کرد.

6.3. افتادگی عرشه

مسئله خیز و افتادگی در سقف‌ها و تیرها یک امر اجتناب‌ناپذیر است. این افتادگی یا همان خیز در اثر وزن خود المان یا بار وارد بر آن ایجاد می‌شود. در سقف‌های عرشه فولادی علاوه بر اهمیت خیز تیرهای فرعی و اصلی، افتادگی عرشه (ورق‌های گالوانیزه) نیز اهمیت دارد. افتادگی عرشه در بین تیرهای فرعی ایجاد می‌شود و در حضور بتن تازه با ضخامت زیاد و یا قرارگیری عرشه به نحوی که کنگره‌ها موازی تیرهای فرعی باشند، محتمل است. “استاندارد ملی ایران شماره 21973 : 1396” محدودیت افتادگی عرشه‌ها را به‌صورت زیر بیان می‌کند:

7.3. مقاومت در برابر آتش

در طراحی سقف عرشه فولادی، مقاومت کششی ورق عرشه فولادی در محاسبات منظور نمی‌شود؛ لذا برخی از طراحان بر این باور هستند که به دلیل عدم ورود مقاومت کششی عرشه در طراحی آن، نیازی به مقاوم‌سازی عرشه نیست و حتی اگر در زمان آتش‌سوزی، این ورق‌ها دچار افت مقاومت گردند، نباید نگران پایایی سازه بود. در پیوست 4 آیین‌نامه AISC360-16 برای اجزای سازه‌ای در مقابل آتش عملکرد خاصی را در نظر گرفته است. حفظ پایایی سازه و عدم شکست به دلیل از دست رفتن مقاومت و همچنین عدم انتقال حرارت از سطوح به قسمت‌های بدون حریق و افزایش دمای نامطلوب، از جمله این عملکردها هستند. اگرچه با از دست رفتن مقاومت عرشه، پایداری سازه از بین نمی‌رود؛ اما انتقال حرارت و افزایش دمای نامطلوب در آتش‌سوزی اجتناب‌ناپذیر است.

در نتیجه سقف عرشه فولادی بتنی باید برای بارگذاری حریق نیز طرح شده و در صورت عدم برآورده شده حداقل‌های مورد انتظار، جهت برآورده کردن عملکرد سقف، نسبت به مقاوم‌سازی با پوشش‌های ضدحریق اقدام نمود.

واقعیت این است طراحی بر اساس آتش، دردسرهای خود را دارد و مورد پسند مهندسین نیست؛ لذا مهندسین دنبال راهکار آسان‌تری برای مقاوم‌سازی سقف عرشه فولادی در برابر حریق هستند. ازاین‌رو، “استاندارد ملی ایران شماره 21973 : 1396” جدولی را برای تعیین حداقل ضخامت دال سقف ارائه داده است که می‌توان با مراجعه به آن، برای مدت‌زمان مشخص مقاومت در برابر حریق، ضخامت دال سقف را برداشت کرد.

شکل 33- تعیین ضخامت بتن برای مقاومت در برابر آتش

همان‌طور که در بند زیر از “استاندارد ملی ایران شماره‌ 21973 : 1396” اشاره شده است، حداقل ضخامت پوشش بتن 50 میلیمتر است که با درنظرگرفتن مقاومت در برابر حریق، این مقدار افزایش می‌یابد.

مطابق “استاندارد ملی ایران شماره‌ 21973 : 1396” درصورتی‌که به مقاومت بیشتری در برابر حریق نیاز باشد، می‌توان از میلگردهای تقویتی درون کنگره عرشه‌ها استفاده کرد. این میلگردها اصطلاحاً میلگردهای آتش پاد یا ضدحریق نامیده می‌شوند. این میلگردها به‌صورت طولی با قطر 10 تا 14 میلیمتر مورداستفاده قرار می‌گیرند که مقاومت در برابر آتش را 60 تا 180 دقیقه افزایش می‌دهند. این میلگردها تا نزدیکی فلاشینگ‌ها ادامه پیدا می‌کنند.

شکل 34- نمونه‌ای از دیتیل سقف عرشه فولادی به همراه میلگرد آتش پاد

8.3. اجرای سقف با و بدون شمع‌بندی

نحوه اجرای سقف مختلط تحت خمش به دو صورت با و بدون شمع‌بندی صورت می‌پذیرد؛ لذا متناسب با نوع اجرا باید تمهیداتی را در طراحی اعضا در نظر گرفت. در ادامه به توضیح مختصر این دو روش می‌پردازیم:

الف) اجرای سقف با شمع‌بندی

در این روش بعد از نصب قطعات فولادی، از پایه‌های موقتی در زیر آن‌ها استفاده می‌شود تا اعضا قادر به تحمل وزن قالب‌بندی (ورق‌های گالوانیزه عرشه) و بتن تازه تا قبل از سفت شدن بتن باشند. پس از رسیدن مقاومت بتن به حداقل 75 درصد مقاومت فشاری بتن، پایه‌های موقت جمع‌آوری می‌شوند و مقطع مختلط برای تحمل کلیه بارهای وارده تکمیل می‌شود. در ادامه بند مرتبط را از “استاندارد ملی ایران شماره 21973 : 1396” مشاهده می‌کنیم.

ب) اجرای سقف بدون شمع‌بندی

در این روش حین اجرای اعضای مختلط، از پایه‌های موقت استفاده نمی‌شود؛ لذا قبل از سفت شدن بتن و تا قبل از رسیدن بتن به 75 درصد مقاومت خود، مقطع فولادی باید بتواند بارهای ناشی از وزن خود، وزن بتن تازه، قالب‌بندی و بارهای حین اجرا را تحمل کند. در ادامه بند مرتبط از مبحث 10 مقررات ملی ساختمان را مشاهده می‌کنیم.

9.3. اتصالات

در این قسمت به بررسی اتصالات هم‌پوشانی و اتصال عرشه به تکیه‌گاه‌ها خواهیم پرداخت. این ضوابط در “استاندارد ملی ایران شماره 21973 : 1396” بیان شده است.

1) اتصال هم‌پوشانی ورق‌های عرشه، برای عرشه‌ها با دهانه کمتر از 1.5 متر نیاز نیست. اما اگر دهانه بیشتر از 1.5 باشد، اتصال هم‌پوشانی عرشه‌ها در فواصل حداکثر 1 متر انجام شود. در شکل 17 انواع اتصالات هم‌پوشانی نشان داده شده است. رعایت نکات زیر در اتصالات هم‌پوشانی حائز اهمیت است.

• حداقل قطر پیچ 5 میلی‌متر
• حداقل قطر جوش نقطه‌ای 16 میلی‌متر
• حداقل طول جوش گوشه 40 میلی‌متر
• استفاده از جوش در ورق‌های با ضخامت کمتر از 0.9 میلی‌متر توصیه نمی‌شود.
• در طره‌ها اتصال هم‌پوشانی در انتهای طره و در فواصل حداکثر 300 میلی‌متر در طول آن صورت پذیرد.
• برای اتصال هم‌پوشانی نباید از واشر استفاده شود.

نکته: قبل از اعمال هرگونه باری به طره‌ها، باید اتصال‌های هم‌پوشانی ورق‌ها و نیز اتصال عرشه به تکیه‌گاه‌ها اجرا شده باشد.

نکته: بتن‌ریزی دهانه مجاور طره قبل از بتن‌ریزی طره انجام شده باشد.

2) استفاده از جوش برای اتصال ورق‌های عرشه به تیرهای فرعی باید ضوابط زیر را ارضا کند. هدف از این اتصال ثابت شدن ورق عرشه می‌باشد. از دیگر راهکارها می‌توان به استفاده از گل‌میخ استفاده کرد که در قسمت مربوط به ضوابط گل‌میخ‌ها مورد بحث قرار گرفته است.

• درصورتی‌که برای اتصال عرشه به نشیمن از جوش نقطه‌ای استفاده شود، اگر ضخامت عرشه کمتر از 0.7 میلی‌متر باشد، باید از واشرهای مخصوص مطابق شکل زیر استفاده شود. اگر ضخامت عرشه بزرگ‌تر یا مساوی 0.7 میلی‌متر باشد، حداقل قطر ظاهری جوش نقطه‌ای 15 میلی‌متر می‌باشد.
• در صورت استفاده از جوش خطی برای اتصال ورق به نشیمن، حداقل طول آن 50 میلی‌متر باشد.
• در صورت استفاده از جوش گوشه برای اتصال ورق به تکیه‌گاه‌، حداقل طول آن 40 میلی‌متر باشد.

شکل 35- مشخصات واشر مورداستفاده در جوش نقطه‌ای عرشه به نشیمن

10.3. ضوابط مرتبط با گل‌میخ‌ها

در این قسمت به بررسی “آیین‌نامه جوشکاری ایران، نشریه شماره 228” ، مبحث 10 مقررات ملی ساختمان و آیین‌نامه AISC360-16 خواهیم پرداخت.

1.10.3. ملاحظات مبحث دهم مقررات ملی ساختمان

الزامات و جزئیات‌بندی برشگیرها (گل‌میخ‌ها) در سقف عرشه فولادی را که در مبحث 10 مقررات ملی ساختمان ذکر شده‌اند به شرح زیر می‌باشد:
1) ضخامت دال بتنی در قسمت فوقانی ورق فولادی شکل داده شده، نباید کمتر از 50 میلی‌متر باشد. باتوجه‌به ضوابط مربوط به مقاومت در برابر آتش، حداقل ضخامت بتن بدون طراحی برای آتش و عدم نیاز به عایق آتش، معمولاً حداقل 90 میلی‌متر اختیار می‌شود. درهرصورت این مقدار نباید از 50 میلی‌متر کمتر باشد.
2) ارتفاع اسمی ورق‌های فولادی شکل داده شده (h_r) نباید از 75 میلی‌متر بیشتر باشد.
3) پهنای متوسط (W_r) کنگره‌های پر شده با بتن نباید کمتر از 50 میلی‌متر باشد. در محاسبات، پهنای متوسط کنگره نباید از حداقل پهنای آزاد در نزدیکی سطح فوقانی ورق فولادی شکل داده شده بیشتر در نظر گرفته شود. برای مثال در ورق شکل داده شده پاباز رو به پایین این موضوع اهمیت دارد.
4) پس از نصب گل‌میخ‌ها، ارتفاع گل‌میخ‌ها که از بالای ورق فولادی شکل داده شده اندازه‌گیری می‌شود، نباید از 40 میلی‌متر (ذکر شده در مبحث 10 مقررات ملی ساختمان) بیشتر باشد. این اندازه در آیین‌نامه AISC360-16، 38 میلی‌متر ذکر شده است.
5) پوشش بتن روی گل‌میخ‌ها نباید کمتر از 15 میلی‌متر (ذکر شده در مبحث 10 مقررات ملی ساختمان) باشد. این اندازه در آیین‌نامه AISC360-16، 13 میلی‌متر ذکر شده است.

نکته: به فرورفتگی‌ها در ورق‌های عرشه فولادی، کنگره گفته می‌شود.

شکل 36- محدودیت ورق‌های عرشه فولادی

‌
6) حداکثر قطر گل‌میخ‌ها که به مقطع فولادی متصل می‌شوند، 20 میلی‌متر می‌باشد. قطر گل‌میخ‌ها نباید از 2.5 برابر ضخامت فلز پایه که به آن جوش می‌شود، تجاوز کند؛ مگر در حالتی که گل‌میخ درست در امتداد جان مقطع فولادی قرار گیرد.
7) ورق‌های فولادی شکل داده شده باید در فواصلی حداکثر 450 میلی‌متر به مقطع فولادی و سایر اعضای تکیه‌گاهی مهار شوند. مهار می‌تواند توسط گل‌میخ‌ها، ترکیبی از گل‌میخ‌ها و جوش‌های نقطه‌ای و یا راهکارهای مناسب دیگر انجام شود. واضح است که در صورت استفاده از گل‌میخ برای مهار ورق‌های فولادی به اعضای تکیه‌گاهی، حداکثر فاصله گل‌میخ‌ها به 450 میلی‌متر محدود می‌شود.
8) حداقل فاصله مرکز تا مرکز گل‌میخ‌ها در هر امتداد 4 برابر قطر گل‌میخ می‌باشد.
9) درهرصورت حداکثر فاصله مرکز تا مرکز بین برشگیرها نباید از 8 برابر ضخامت کل دال بتنی (t_C) یا 800 میلی‌متر (900 میلی‌متر در ACI360-16) تجاوز کند. همچنین برای برشگیرهای از نوع گل‌میخ، این مقدار به 30 برابر قطر گل‌میخ (ds)محدود می‌شود.

شکل 37- محدودیت فواصل گل‌میخ‌ها در سقف عرشه فولادی

10) به استثنای برشگیرهای نصب شده در داخل کنگره ورق‌های فولادی شکل داده شده، برشگیرها باید حداقل 25 میلی‌متر پوشش جانبی از بتن داشته باشند. در شکل زیر این فاصله با عبارت cover برای گل‌میخ‌های متصل به تیر پیرامونی نمایش داده شده است. لازم به ذکر است حداقل فاصله گل‌میخ تا لبه بتن در امتداد برش افقی که با عبارت edge نمایش داده شده است، برای بتن‌های معمولی حداقل 20 میلی‌متر و برای بتن‌های سبک حداقل 25 میلی‌متر می‌باشد. واضح است که این محدودیت‌ها برای احاطه شدن گل‌میخ‌ها توسط بتن و عملکرد مناسب آن می‌باشد.

شکل 38- محدویت پوشش و فواصل گل‌میخ از لبه بتن درحالتی‌که (الف) گل‌میخ‌ها در داخل کنگره قرار ندارند. (ب) گل‌میخ‌ها در داخل کنگره قرار دارند.

11) چنانچه ارتفاع اسمی ورق‌های فولادی شکل داده شده 40 میلی‌متر یا بزرگ‌تر باشد ( 40mm ≤h_r≤75mm)، پهنای متوسط کنگره‌های پر شده با بتن در روی تیر تکیه‌گاهی نباید کمتر از 50 میلی‌متر برای یک گل‌میخ باشد. این پهنا برای هر گل‌میخ اضافی به اندازه 4 برابر قطر گل‌میخ باید افزایش یابد.

شکل 39- محدودیت پهنای متوسط با اضافه شدن هر گل‌میخ

2.10.3. ملاحظات نشریه 228

در این قسمت ضوابط عمومی برای جوشکاری گل‌میخ فولادی به قطعه فولادی را بررسی خواهیم کرد. همچنین ضوابط تولید، اتصال، کنترل کیفیت تولید، خواص مکانیکی و کنترل کیفیت اتصال گل‌میخ‌ها را موردبحث قرار خواهیم داد.

1) هندسه گل‌میخ‌ها باید برای انجام جوش قوس الکتریکی به‌وسیله تجهیزات اتوماتیک مخصوص این کار مناسب باشد. هر گل‌میخ باید یک حلقه محافظ حرارت از جنس سرامیک داشته باشد. دلایل استفاده از سرامیک را می‌توان به‌صورت زیر خلاصه کرد:

در حال حاضر سه نوع سرامیک با کاربردهای مختلف در صنعت سقف‌های کامپوزیت رایج است و با نام‌های زیر توسط خریدار و فروشنده، خریدوفروش می‌شود:

الف) سرامیک با دندانه درشت ← اجرای گل‌میخ روی ورق گالوانیزه
ب) سرامیک با دندانه ریز ← اجرای گل‌میخ به طور مستقیم روی تیر فلزی
پ) سرامیک نیم دندانه ← اجرای گل‌میخ روی سطوح راه‌پله و شیب‌دار جهت جلوگیری از فرار مواد مذاب

حلقه‌های سرامیکی باتوجه‌به استاندارد بودن قطر گل‌میخ‌ها به‌صورت تیپ با رواداری خاص ارائه می‌شوند. در جدول زیر برای گل‌میخ‌های رزوه نشده ابعاد حلقه‌های سرامیکی ارائه شده است.

شکل 40- ابعاد حلقه‌های سرامیکی

2) تولید و پرداخت گل‌میخ می‌تواند توسط عملیات حرارتی، نورد و یا ماشین‌کاری انجام گیرد. روش تولید گل‌میخ‌ها به سه روش سرد صورت می‌پذیرد.

شکل 41- تولید گل‌میخ در کارخانه

3) گل‌میخ‌های تولید شده باید عاری از هرگونه لوچه، شکاف، ترک، تابیدگی، خمیدگی و یا هر ناپیوستگی مضر دیگر باشند. گل‌میخ تولید شده باید دارای خواص و کیفیت یکنواخت باشد. در صورت وجود ترک‌های شعاعی در کله گل‌میخ، اگر ترک‌ها از حد مجاز نصف فاصله محیط کله تا تنه گل‌میخ بیشتر نباشد، قطعه مورد قبول می‌باشد.

شکل 42- پلان گل‌میخ و محدوده قبول یا رد گل‌میخ بدلیل ترک کله گل‌میخ

نکته: کله یا همان سر گل‌میخ‌ها معمولاً در معرض ترک یا شکاف هستند. ترک‌ها به‌صورت شکاف یا ناپیوستگی عمیق در محیط کله تا مرکز آن ممکن است وجود داشته باشند. بعضی از ترک‌ها اثرات منفی روی مقاومت سازه‌ای، مقاومت خوردگی یا دیگر پارامترهای مقاومتی کله گل‌میخ ندارند و قابل صرف‌نظر هستند.

4) سازنده مخیر است مشخصات مکانیکی گل‌میخ‌ها را بعد از اتمام عملیات سرد و یا پس از اتمام ساخت و بر اساس قطر تمام شده گل‌میخ، تعیین نماید. گل‌میخ‌ها باید محدودیت‌های جدول زیر را برآورده کنند. در واقع محدودیت‌های زیر برای مشخصات گل‌میخ‌های ساخته شده می‌باشد. منظور از طول اسمی، طولی است که برای گل‌میخ باتوجه‌به ضوابط مربوط به آن در مبحث 10 مقررات ملی ساختمان در نظر گرفته‌ایم. این طول متأثر از ارتفاع اسمی ورق‌های فولادی می‌باشد.

شکل 43- ابعاد و رواداری مجاز اتصالات برشگیر از نوع گل‌میخ

5) می‌دانیم که گل‌میخ‌ها بایستی به ورق عرشه جوش شوند. با تنظیم صحیح دستگاه و رعایت اصول جوشکاری، با حرارت ایجاد شده و ذوب قسمتی از گل‌میخ و سطحی از فلز تکیه‌گاه، حوضچه مذاب تشکیل می‌شود. قرارگیری گل‌میخ در این حوضچه و سرد شدن آن، جوش نفوذی کامل گل‌میخ را ایجاد می‌کند که تمام سطح نوک گل‌میخ‌ها بطور کامل و 360 درجه به تیر تکیه‌گاه جوش می‌شوند. جوش نفوذی گل‌میخ‌ها یکی از مزیت‌های آن نسبت به سایر برشگیرها مانند ناودانی یا نبشی است. همچنین سرعت جوشکاری در این حالت بسیار بالاست. طول گل‌میخ پس از جوشکاری نبایستی با طول اسمی آن بیش از 1 میلی‌متر تفاوت داشته باشد.

شکل 44- جوشکاری مناسب و نامناسب گل‌میخ

6) در حین جوشکاری، گل‌میخ‌ها باید عاری از هرگونه زنگ، زخم ناشی از زنگ‌زدگی، پوسته، روغن، چربی و رطوبت باشد. رنگ‌آمیزی، گالوانیزه کردن و اندود پایه گل‌میخ قبل از جوشکاری مجاز نیست.

7) گل‌میخ‌ها از نظر خواص مکانیکی به 3 دسته A، B و C تقسیم می‌شوند. گل‌میخ نوع A در هر نوع و اندازه‌ای برای مصارف عمومی به‌جز مواردی که تأمین عملکرد انتقال برش مدنظر باشد، استفاده می‌شود. گل‌میخ‌های نوع B در مقاطع مختلط بتن و فولاد برای تأمین عملکرد انتقال برش بکار می‌روند. گل‌میخ‌های نوع C از جنس میله‌های فولادی هستند که دارای قطر اسمی معادل قطر استوانه دارای وزن واحد طول یکسان باشد. حداکثر قطر گل‌میخ‌های نوع C، 16 میلی‌متر است. باتوجه‌به اهمیت گل‌میخ از نوع B در سقف‌های کامپوزیت، فقط به بیان مشخصات آن‌ها اکتفا می‌کنیم.

8) سطح قطعه‌ای که گل‌میخ‌ها به آن جوش می‌شوند باید عاری از زنگ، رطوبت و یا هرگونه مواد مضری که مانع از یک جوش مناسب است، باشد. می‌توان با برس سیمی، پوسته کردن رنگ سطوح، سنبه‌زنی یا سنگ زدن سطوح، قطعات را تمیز کرد.

9) حلقه سرامیکی بکار رفته در جوش گل‌میخ‌ها بایستی کاملاً خشک باشد. اگر گل‌میخ‌ها در اثر رطوبت هوا یا اثر باران خیس یا تر شده باشند، باید قبل از استفاده به مدت 2 ساعت در دمای 120 درجه سانتی‌گراد قرار گیرند تا به طور کامل خشک شوند.

10) فواصل طولی و عرضی برشگیرهای گل‌میخ از نوع B از یکدیگر و همچنین فاصله آن‌ها از لبه بال تیر یا شاه‌تیر نسبت به آنچه در نقشه‌ها نشان‌ داده ‌شده است، می‌تواند حداکثر 25 میلی‌متر مغایرت داشته باشد. این مسئله در حین اجرا زمانی مهم می‌شود که یکی از گل‌میخ‌ها بنا به دلایلی (محدودیت یا اشتباه اجرایی) با کمی فاصله نسبت به محل دقیق اجرا شود.

11) حداقل فاصله لبه پایه گل‌میخ از لبه بال تیر، نباید از مقدار زیر کمتر شود. دلیل این محدودیت برای جلوگیری از شکم دادن قطعه (فاصله جوش از لبه کم) و یا در رفتگی جوش یا به عبارتی جوش خارج از قطعه (فاصله جوش از لبه بسیار کم) می‌باشد.

شکل 45- (الف) فاصله مجاز جوش گل‌میخ از لبه قطعه (ب) مشکلات عدم رعایت فاصله مجاز جوش گل‌میخ از لبه قطعه

12) درصورتی‌که دمای فلز پایه کمتر از 18- درجه سانتیگراد باشد و یا سطح کار مرطوب باشد، جوشکاری گل‌میخ ممنوع است. اگر در حین جوشکاری دمای فلز پایه زیر صفر درجه سانتیگراد باشد ولی کمتر از 18- درجه سانتیگراد نباشد، از هر 100 گل‌میخ باید یکی آزمایش شود. در مورد آزمایش گل‌میخ‌ها در ادامه بحث خواهد شد.

13) درصورتی‌که به‌جای جوش نفوذی گل‌میخ، از جوش گوشه برای اتصال گل‌میخ استفاده شود، بایستی بعد جوش گوشه به‌صورت جدول زیر رعایت شود.

14) یکی از مهم‌ترین مواردی که می‌بایست نسبت به گل‌میخ‌های سقف عرشه فولادی رعایت نمود، آزمایش گل‌میخ‌ها می‌باشد که نشریه 228 به این موضوع مهم اشاره نموده است. روش‌های مختلفی به‌منظور ارزیابی مقاومت، چگونگی عملکرد و رفتار گل‌میخ‌ها وجود دارد، اما یکی از ساده‌ترین روش‌های مرسوم که توسط آیین‌نامه نیز پیشنهاد شده است، آزمایش خمش کارگاهی می‌باشد. مهم‌ترین خصوصیت این آزمایش، عدم نیاز به تجهیزات و امکانات خاص در جهت تست گل‌میخ‌ها می‌باشد.

❓ در چه شرایطی نیاز به انجام آزمایش‌های ارزیابی گل‌میخ‌ها داریم؟

گل‌میخ‌هایی که در کارخانه تولید می‌شوند و یا در محل در موقعیت تخت و در یک سطح افقی (شیب کمتر از 15 درجه) جوش می‌شوند، پیش‌پذیرفته فرض می‌شوند و معمولاً آزمایش ارزیابی اضافی در آن‌ها موردنیاز نیست. در موارد زیر نیاز به انجام آزمایش‌های ارزیابی داریم:

• گل‌میخ‌های مورداستفاده در ورق‌های ذوزنقه‌ای
• گل‌میخ‌های مورداستفاده در سطوح غیر صفحه‌ای
• گل‌میخ‌های بکار رفته در موقعیت قائم یا سقفی
• گل‌میخ‌هایی که مشخصات آن‌ها به‌غیراز مشخصات نوع A، B و C باشد.

نتیجه: در سقف عرشه فولادی آزمایش‌های ارزیابی انجام می‌شود.

نکته: برای هر قطر، وضعیت و هندسه سطح، باید 10 نمونه آزمایشی به طور متوالی جوش داده شوند.

روش‌های آزمایش

الف) آزمایش خمش: در این آزمایش گل‌میخ 90 درجه نسبت به محور گل‌میخ خم می‌شود. اگر در ورق یا تنه گل‌میخ شکست اتفاق بیفتاد ولی در جوش شکستی حاصل نشود، نتیجه قابل‌پذیرش خواهد بود. این آزمایش می‌تواند با استفاده از پتک یا قرار دادن یک لوله توخالی بر روی گل‌میخ و خم کردن آن انجام شود. در درجه حرارت زیر 10 درجه سانتیگراد، خم کردن گل‌میخ‌ها ترجیحاً به‌صورت آهسته و پیوسته باشد تا در اثر ترد شکنی، گل‌میخ از بین نرود؛ لذا در این حالت استفاده از پتک توصیه نمی‌شود.

شکل 46- (الف) گل‌میخ خم شده به اندازه 90 درجه (ب) خم کردن گل‌میخ با اهرم

آزمایش پیچش: آزمایش پیچش می‌تواند در گل‌میخ‌های رزوه شده جایگزین آزمایش خمش شود. درصورتی‌که در این آزمایش، قطعه موردنظر بدون شکست جوش‌ها، در اثر پیچش تخریب شود، نتیجه آزمایش مورد قبول است. در حین آزمایش باید داخل گام رزوه‌ها عاری از مواد چربی و یا ترانشه‌های باقی‌مانده از عملیات برش باشد.

شکل 47- نحوه انجام آزمایش پیچش و جدول مقایسه نتایج آزمایش

آزمایش کشش: در این آزمایش گل‌میخ توسط دستگاهی که بتواند یک نیرو کششی در گل‌میخ ایجاد کند، انجام می‌شود. این آزمایش تا مرحله گسیختگی ادامه پیدا می‌کند. اگر شکست نمونه از ناحیه جوش نباشد، نتایج آزمایش قابل‌قبول است.

نتیجه: در تمامی آزمایش‌های ذکر شده، هدف آزمایش جوش گل‌میخ به قطعه است.

آزمایش حین ساخت: این آزمایش‌ها مربوط به قبل از انجام هر جوشکاری با اندازه و نوع خاصی از گل‌میخ و همچنین در آغاز هر شیفت کاری روزانه می‌باشد؛ لذا قبل از شروع کار، یک جفت گل‌میخ متناسب با شرایط واقعی، از جمله مشخصات گل‌میخ، ورق، نحوه جوشکاری و …، مورد آزمایش قرار می‌گیرند. نمونه‌های گل‌میخ جوش شده تحت بازرسی چشمی قرار می‌گیرند تا مطمئن شویم ناحیه ترشح در پای گل‌میخ حول 360 درجه وجود دارد.

نکته: به فلز مذاب بیرون‌زده از پای گل‌میخ، ترشح گوییم. ترشح در جوشکاری گل‌میخ موجب افزایش مقاومت اتصال می‌شود و برای جوشکاری مضر نیست.

شکل 48- ناحیه ترشح در جوشکاری گل‌میخ

علاوه بر بازرسی چشمی جوش‌ها و کنترل ترشح در پای گل‌میخ، آزمایش خم کردن گل‌میخ به اندازه 30 درجه نیز بعد از سرد شدن انجام می‌شود. در گل‌میخ‌های رزوه شده می‌توان آزمایش پیچش را جایگزین این آزمایش کرد. اگر در بازرسی چشمی میزان ترشح در حول 360 درجه مشاهده نشود یا در حین آزمایش خمش یا پیچش، گسیختگی در ناحیه جوش اتفاق بیفتد، روش جوشکاری را باید اصلاح کرد. درصورتی‌که میزان ترشح در حول 360 درجه مشاهده نشود، می‌توان با جوش گوشه با حداقل بعد مطابق جدول 2 آن را تعمیر کرد.

بعد از اصلاح روش جوشکاری، یک جفت گل‌میخ دیگر به قطعه متصل شوند و مورد ارزیابی چشمی و آزمایش خمش 30 درجه یا پیچش قرار گیرند. اگر هر یک از دو نمونه گل‌میخ مردود شود، بایستی جوشکاری اضافی ادامه یابد تا جایی که آزمایش دو نمونه گل‌میخ متوالی نتایج رضایت‌بخشی را نشان دهد.

درصورتی‌که گل‌میخ‌های نمونه غیرقابل‌پذیرش باشند، بایستی آن‌ها را از سطح حذف کرد. قطعه‌ای که گل‌میخ‌ها به آن جوش شده‌اند، می‌توانند در دو حالت تحت تنش کششی و فشاری قرار گیرند که اصلاح سطح عضو در این دو حالت باهم متفاوت است.

عضو تحت تنش کششی:

سطحی که گل‌میخ از آن جدا شده است، باید سنگ زده شود تا صاف و همسطح شود. اگر در حین برداشتن گل‌میخ از روی سطح فلز پایه، در قسمتی از فلز پایه حفره ایجاد شود، بایستی آن قسمت را با جوش قوسی با الکترود روکش‌دار کم هیدروژن پر کرد. در انتها سطح جوش سنگ زده شود تا همسطح و صاف شود.

عضو تحت تنش فشاری:

در این حالت اگر گسیختگی در تنه گل‌میخ یا ناحیه ذوب جوش باشد، می‌توان گل‌میخ غیرقابل‌پذیرش را در محل باقی گذاشت و یک گل‌میخ دیگر در کنار آن جوش کرد. درصورتی‌که بخواهیم گل‌میخ معیوب را حذف کنیم، مشابه موارد اشاره شده در عضو تحت کششی عمل می‌کنیم.

شکل 49- خم 30 درجه گل‌میخ‌ها توسط چکش یا اهرم

توجه: در این آزمایش‌ها نیز در دمای کمتر از 10 درجه سانتیگراد، ترجیحاً از خمش گل‌میخ توسط اهرم به‌صورت آهسته و پیوسته استفاده می‌کنیم.

تاکنون دو مرحله از آزمایش‌ها را مورد بررسی قرار داده‌ایم. اولاً آزمایش‌های کلی گل‌میخ مانند نمونه‌برداری‌های مرسوم از میلگرد یا بتن است. ثانیاً آزمایش‌هایی که به دلیل تغییر شرایط محیطی، نوع گل‌میخ، شیفت کاری و در حالت کلی صحت‌سنجی جوشکاری در لحظه است. یعنی اگر جوشکاری از همان ابتدا دچار مشکل است، آن را قبل از جوشکاری گسترده متوجه شویم و اصلاح کنیم. حال سؤال اینجاست که اگر بعد از صحت‌سنجی اولیه جوشکاری، ایراداتی در برخی یا همه جوش‌ها مشاهده شد، چه کنیم؟ برای پاسخ به این سؤال، نوع سوم آزمایش‌ها را بررسی می‌کنیم.

اگر در حین جوشکاری، با بازرسی چشمی عدم ترشح کامل 360 درجه مشاهده شود و یا نیاز به اصلاح برخی از نواحی جوشکاری تشخیص داده شود، گل‌میخ‌ها باید تحت آزمایش خمش 15 درجه قرار بگیرند. توجه شود که در این حالت نیز در دمای کمتر از 10 درجه سانتیگراد، ترجیحاً از اهرم برای خم گل‌میخ استفاده شود. خم کردن گل‌میخ باید در جهت خلاف سمتی باشد که جوشکاری نقص دارد. در مورد گل‌میخ‌های رزوه شده از آزمایش پیچش استفاده می‌شود.

درصورتی‌که هیچ‌گونه شکست و گسیختگی در نمونه‌های خم شده مشاهده نشد، استفاده از آن‌ها مجاز می‌باشد. می‌توان این گل‌میخ‌ها را در حالت خم شده باقی گذاشت و یا به حالت صاف بازگرداند. البته توصیه می‌شود در همان حالت خم شده باقی بماند. گل‌میخ‌هایی که ترشح کامل 360 درجه در آن‌ها رخ نداده است می‌توانند توسط جوش گوشه با بعد حداقل اصلاح شوند.

نکته: تمام خم کردن و صاف‌کردن‌ها در آزمایش‌های خمش بایستی بدون استفاده از حرارت انجام شود.

نکته: فرد جوشکاری که سابقه ارزیابی درگذشته را ندارد بایستی مورد ارزیابی قرار داد. بدین منظور قبل از شروع عملیات جوشکاری گل‌میخ‌ها، با جوشکاری یک جفت گل‌میخ او را ارزیابی می‌کنیم.

11.3. انتخاب ضخامت ورق واریز لبه (فلاشینگ)

ضخامت ورق واریز یا همان فلاشینگ، متناسب با طول طره و ضخامت دال سقف انتخاب می‌شود. در اینجا منظور از ضخامت دال، ضخامت کل بتن می‌باشد و با hc متفاوت است. ضخامت ورق واریز لبه باید مقاومت کافی در برابر وزن بتن و نیروی رانش آن را داشته باشد. درصورتی‌که مشخصات طول طره و دال سقف در جدول زیر موجود نباشد، می‌توان از درون‌یابی استفاده کرد. در شکل زیر مشخصات جوش اتصال ورق واریز به تیر تکیه‌گاهی، حداقل طول هم‌پوشانی ورق واریز با تیر تکیه‌گاهی و خم انتهای ورق واریز مشخص شده است.

مثال 3: ضخامت ورق واریز لبه را در حالتی که طول طره 18 و ضخامت دال 17.5 سانتی‌متر باشد را به دست آورید.

مشاهده می‌شود که برای اعداد مذکور، ضخامتی ارائه نشده است. در اینجا نیاز به سه بار درون‌یابی داریم.

متغیرهای L (طول طره مدنظر ما)، t (ضخامت دال بتن مدنظر ما) و tf (ضخامت فلاشینگ) را فرض می‌کنیم. متغیرهای کمکی x و y را نیز به‌ترتیب برای درونیابی دو ردیف جدول تعریف می‌کنیم. حال به سادگی با جایگذاری اعداد جدول، مقدار ضخامت ورق واریز لبه را درون‌یابی می‌کنیم.

این مقدار ضخامت حداقل است و به‌عنوان ضخامت انتخابی می‌توان عدد 2.9 میلی‌متر را انتخاب کرد.

توجه: جدول فوق بر اساس فرضیات زیر ارائه شده است:

1. وزن مخصوص بتن معمولی برابر 2400 کیلوگرم در مترمکعب فرض شده است.
2. تغییر مکانی مجاز افقی و عمودی زیر اثر بار مرده به 6.5 میلی‌متر محدود شده است.
3. تنش طراحی زیر اثر بار مرده حداکثر 140 مگاپاسکال و زیر اثر بار زنده هنگام ساخت به هنگام 30 درصد افزایش داده شده است.
4. اثرات افتادگی یا چرخش ورق واریز در محاسبات در نظر گرفته نشده است.
5. استفاده از خم انتهای لبه قائم ورق واریز در کلیه ضخامت‌ها توصیه می‌شود.
6. این جدول به‌صورت پیشنهادی است و تصمیم نهایی به عهده مهندس طراح است.

4. طراحی دستی سقف عرشه فولادی

اعضای خمشی مختلط به‌عنوان پوششی برای سقف‌ها بکار می‌روند که سقف‌های عرشه فولادی نوعی از این سقف‌هاست. همان‌طور که اشاره شد، در چنین سقف‌هایی یک دال بتنی بر تیرچه‌های فولادی متکی می‌باشد. طراحی دال بتنی و محاسبه میلگردهای لازم موجود در آن، بر اساس اصول طراحی سازه‌های بتن‌آرمه به کمک آخرین ویرایش مبحث نهم مقررات ملی ساختمان و یا آیین‌نامه بتن آمریکا ACI انجام می‌گیرد.

از طرف دیگر برای طراحی تیرچه‌های فلزی لازم است تا قسمتی از دال در محاسبه مقطع مختلط دخیل گردد. به عبارتی لنگر خمشی باید توسط مجموعه‌ای شامل تیرچه و بخشی از دال بتنی تحمل شود و سختی دال نیز در باربری تیرچه مؤثر می‌باشد. برای درنظرگرفتن اثرات مختلط دال بتنی و تیرچه فلزی از ویرایش آخر مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و یا آیین‌نامه فولاد آمریکا AISC استفاده می‌شود.

1.4. تعیین عرض مؤثر دال بتنی

همان‌طور که ذکر شد، برای عملکرد مختلط تیرچه فلزی و دال بتنی، قسمتی از دال بتنی به‌عنوان قسمتی مؤثر در عملکرد مختلط لحاظ می‌گردد. این مورد در مبحث 10 مقررات ملی ساختمان و AISC360-16 بصورت زیر بیان شده است که در ادامه مفهوم تصویری 3 بند را نیز مشاهده می‌کنیم:

شکل 50- تعیین عرض مؤثر مقطع مختلط

مثال 4: سقف مختلطی را متصور شوید که طول دهانه تیرچه‌های فلزی 6 متر و فاصله آن‌ها از هم 1 و 1.2 متر می‌باشد. عرض مؤثر تیرچه 1 و 2 را تعیین کنید.

شکل 51- شکل مثال 4

2.4. روش‌های تعیین مقاومت (ظرفیت خمشی) اسمی مقاطع مختلط

مقاومت اسمی مقاطع مختلط نیز مانند سایر مقاطع فولادی بایستی بر اساس اصول و روش‌هایی تعیین شود. بر همین اساس، آیین‌نامه AISC360-16 چهار روش کلی را برای تعیین مقاومت اسمی مقاطع مختلط مجاز می‌داند. در هر 4 روش از ظرفیت کششی بتن صرف‌نظر شده است. دلیل ارائه این روش‌ها تفاوت در اصول مقاومت مصالح بتن و فولادی می‌باشد که باهم متفاوت می‌باشند؛ لذا برای مقاطع ترکیبی از این دو ماده، نیاز به ارائه روش‌های بهتر داریم.

روش 1: روش توزیع تنش پلاستیک (The Plastic Stress Distribution Method)

در این روش مقطع را در حالت حد نهایی مورد بررسی قرار می‌دهیم. تنش قطعات فولادی هم در ناحیه کشش و هم در ناحیه فشار برابر با تنش یکنواخت F_y فرض می‌شود. همچنین باتوجه‌به ACI318، جهت محاسبه مقاومت خمشی نهایی مقطع برای بتن می‌توان به‌جای استفاده از دیاگرام تنش سهمی شکل، از دیاگرام تنش مستطیلی یکنواخت بنام «بلوک معادل تنش ویتنی» استفاده کرد. در این صورت تنش یکنواخت 0.85f´_C لحاظ می‌شود.

مثال 5: ظرفیت خمشی اسمی مقطع زیر را به روش توزیع تنش پلاستیک تعیین کنید.

(F_y = 2400 kg/cm² ، f´_C = 240 kg/cm²)

شکل 52- شکل مثال 5

ابتدا فرض می‌کنیم محور خنثی در جان مقطع قرار دارد. مجموع نیروهای فشاری و کششی مقطع را به‌صورت زیر محاسبه می‌کنیم.

P_c=0.85×240×(120×10)+2400×25×2+2400×(38-x)×1.5=501600-3600 x
P_t=2400×25×2+2400×(x-2)×1.5=112800+3600 x

برای برقراری تعادل بایستی تعادل نیرویی P_c=P_t برقرار باشد که در اینصورت مقدار x را بدست می‌آوریم:

P_c=P_t → 501600-3600 x=112800+3600 x → x=54 cm >38 cm

مشاهده می‌شود که تار خنثی در جان مقطع فولادی قرار نمی‌گیرد. حال فرض می‌کنیم تار خنثی در بال فوقانی مقطع فولادی قرار بگیرد و محاسبات را از سر می‌گیریم.

P_c=0.85×240×(120×10)+2400×(40-x)×25=2644800-60000 x
P_t=2400×(x-38)×25+2400×36×1.5+2400×25×2=-2030400+60000 x

برای برقراری تعادل بایستی تعادل نیرویی P_c=P_t برقرار باشد که در اینصورت مقدار x را بدست می‌آوریم:

P_c=P_t → 2644800-60000 x=-2030400+60000 x → 40 cm>x=38.96 cm >38 cm

مشاهده می‌شود که تار خنثی در بال فوقانی مقطع فولادی قرار می‌گیرد. در نتیجه ظرفیت خمشی اسمی مقطع برای خمش مثبت به‌صورت لنگرگیری از تنش‌ها حول محور خنثی به دست خواهد آمد.

M_n=0.85×240×(120×10)×(45-38.96)+2400×(40-38.96)×25×((40-38.96)/2)+2400×(38.96-38)×25×((38.96-38)/2)+2400×36×1.5×(38.96-18)+2400×(25×2)×(38.96-1)=88.1 t.m

روش 2: روش توزیع تنش الاستیک (The Elastic Distribution Method)

در این روش رفتار مصالح الاستیک فرض می‌شوند و توزیع تنش در مقطع خطی در نظر گرفته می‌شود. از ظرفیت کششی بتن در این روش صرف‌نظر شده و فرضیات مقاومت مصالح الاستیک بر مقطع حاکم فرض می‌شود. می‌توان در این روش با مقطع تبدیل یافته، تنش‌های حداکثر در مقطع را محاسبه کرد. در این روش مطابق AISC360-16 و مبحث 10 مقررات ملی ساختمان، حداکثر تنش در فولاد به Fy و حداکثر تنش فشاری بتن به 0.7 fc’ محدود می‌شود.

مثال 6: ظرفیت خمشی اسمی مقطع زیر را به روش توزیع تنش الاستیک به دست آورید.

(F_y = 2400 kg/cm2 ، f´_c = 240 kg/cm2 ، n=E_s/E_c ≈10)

شکل 53- شکل مثال 6

ابتدا مقطع بتنی را به مقطع فولادی معادل تبدیل می‌کنیم. برای این کار کافی است تا عرض مقطع بتنی (عرض مؤثر) را بر مقدار نسبت مدول الاستیسیته فولاد و بتن تقسیم کنیم. حال بایستی محور خنثی را به‌صورت زیر محاسبه کنیم.

مشاهده می‌شود که تار خنثی در ناحیه فولادی بوده و به ادامه انجام محاسبات می‌پردازیم. ابتدا ممان اینرسی حول محور خنثی را یافته و سپس نسبت به آن، حداکثر تنش‌ها را در بتن و فولادی محاسبه خواهیم کرد.

در نتیجه ظرفیت خمشی اسمی مقطع با روش توزیع تنش الاستیک، 66t.m  محاسبه می‌شود.

روش 3: روش سازگاری کرنش‌ها (The Strain Compatibility Method)

در این روش نیاز داریم تا منحنی تنش – کرنش فولادی و بتن را تحت بارهای کششی و فولادی در دست داشته باشیم. برای به‌دست‌آوردن این منحنی‌ها باید از نتایج حاصل از آزمایش‌های استاندارد استفاده کرد. در صورت عدم وجود امکان انجام آزمایش، می‌توان از نتایج مصالح مشابه که در آیین‌نامه مجاز است، استفاده کرد. در شکل زیر مدل دوخطی برای فولاد و مدل خط و سهمی برای بتن در نظر گرفته شده است.

شکل 54- منحنی تنش – کرنش (الف) بتن در فشار (ب) فولاد در فشار و کشش

تغییرات کرنش در ارتفاع مقطع به‌صورت خطی فرض می‌شود و حداکثر کرنش در بتن برابر 0.003 فرض می‌گردد. در نهایت با ارضای روابط تعادل در مقطع، ظرفیت خمشی اسمی مقطع تعیین خواهد شد. این روش به دلیل استفاده از منحنی تنش – کرنش منجر به افزایش حجم محاسباتی می‌شود و برای مقاطع معمول مورداستفاده قرار نمی‌گیرد؛ لذا از این روش عمدتاً برای مقاطع نامنظم و مقاطعی که رفتار فولاد آن‌ها الاستوپلاستیک نمی‌باشد، استفاده می‌گردد. در معادله زیر نقاط مختلف منحنی تنش – کرنش بتن در فشار قابل دستیابی است که باتوجه‌به نتایج آزمایش، منحنی تنش – کرنش نیز می‌تواند متفاوت فرض شود.

روش 4: روش تنش – کرنش مؤثر (The Effective Stress-Strain Method)

مقاومت اسمی مقطع در این روش بر اساس لنگرگیری از توزیع تنش مؤثر مقطع حول محور خنثی محاسبه می‌شود. در این روش اثرات کمانش موضعی تسلیم و محصورشدگی لحاظ می‌شود و عموماً برای محاسبه ظرفیت خمشی مقاطع پر شده با بتن بکار می‌رود.

نتیجه: همان‌طور که مشاهده شد، از روش 1 و 2 جهت تعیین ظرفیت اسمی خمشی مقطع استفاده خواهیم کرد. این دو روش با ارائه یک مثال برای هریک آموزش داده شد تا در ادامه برای محاسبه ظرفیت خمشی اسمی مقاطع مختلط (سقف عرشه فولادی) از آن‌ها استفاده شود.

❓ اگر در حین محاسبه ظرفیت خمشی اسمی مقطع به روش توزیع پلاستیک یا الاستیک، تار خنثی در ناحیه بتنی قرار گیرد، چه باید کرد؟

در این حالت کافی است تا بتنی که تحت کشش قرار می‌گیرد و یا به عبارتی پایین تار خنثی قرار می‌گیرد را لحاظ نکرده و محاسبات را تکرار کنیم. درواقع در بتن قرار گرفته در زیر تار خنثی را نادیده می‌گیریم.

❓ آیا می‌توان با یک حدس اولیه، محل تار خنثی را در توزیع تنش پلاستیک به دست آورد؟

درصورتی‌که مساحت قسمت بتنی در عرض مؤثر، Ac و مساحت نیمرخ فولادی As نامیده شود، می‌توان گفت اگر A_s F_y>0.85f´_c A_c باشد، محور خنثی در فولاد و اگر  A_sF_y<0.85f´_c A_c باشد، محور خنثی در بتن قرار می‌گیرد. به‌عنوان مثال این موضوع را برای مثال 5 بررسی می‌کنیم:

A_sF_y=(2×25×2+36×1.5)×2400=369600 kg

0.85A_c f´_c=0.85 ×120 ×10 ×240=244800 kg

A_sF_y>0.85A_c f´_c → تار خنثی در فولاد قرار دارد.

3.4. محاسبه ظرفیت خمشی اسمی مقاطع مختلط عرشه فولادی

باتوجه‌به اینکه دال بتنی در قسمت فوقانی مقطع قرار دارد، عملکرد بهینه مقطع زمانی اتفاق خواهد افتاد که لنگر وارد بر مقطع مختلط مثبت باشد. اگر این‌گونه نباشد، مقطع بتنی تحت کشش قرار می‌گیرد و دیگر در محاسبات جایی نخواهد داشت. به همین دلیل در اجرای سقف‌های مختلط، تیرهای فرعی فولادی را دو سر مفصل اجرا می‌کنند تا در حین بارگذاری ثقلی، لنگر مثبت را تحمل کنند. در ادامه دو موضوع مهم لاغری جان مقطع فولادی و نحوه قرارگیری کنگره‌های سقف نسبت به تیرهای فولادی را مورد بحث قرار خواهیم داد.

1.3.4. بررسی لاغری جان مقطع فولادی

ظرفیت خمشی مقطع بر اساس حالات حدی تسلیم و کمانش صورت می‌پذیرد. باتوجه‌به اینکه دال بتنی در قسمت فوقانی مقطع مختلط قرار دارد، نقش تکیه‌گاه را برای بال فشاری مقطع فولادی ایفا می‌کند و یک تکیه‌گاه ممتد جانبی از کمانش جانبی – پیچشی بال فوقانی مقطع فولادی جلوگیری خواهد کرد. پس حالت حدی کمانش پیچشی – جانبی بر تعیین ظرفیت خمشی مقطع مختلط حاکم نخواهد بود. همچنین دال بتنی اجازه کمانش موضعی را به بال فوقانی نمی‌دهد و بحث حالت حدی کمانش موضعی بال نیز منتفی است.

در نتیجه آیین‌نامه‌های فولاد حالت حدی تسلیم را برای مقطع فولادی در نظر گرفته‌اند که با لاغری جان مقطع کنترل می‌شود. پس در این صورت دو حالت کلی برای محاسبه ظرفیت خمشی یک مقطع فولادی مختلط وجود خواهد داشت که به لاغری جان مقطع فولادی مرتبط است:

2.3.4. بررسی نحوه قرارگیری کنگره‌های سقف عرشه فولادی

جهت قرارگیری کنگره‌ها نسبت به تیرهای فولادی در سقف‌های عرشه فولادی حائز اهمیت می‌باشد. دو حالت را می‌توان برای نحوه قرارگیری عرشه‌ها متصور شد:

الف) جهت کنگره‌های عرشه عمود بر محور تیر

در این حالت به دلیل عدم وجود ناحیه تحتانی بتن در قسمتی از طول عضو مختلط، از بتن موجود در زیر سطح فوقانی ورق فولادی عرشه صرف‌نظر شده و در محاسبه ظرفیت خمشی تیر مختلط مورداستفاده قرار نمی‌گیرد.

ب) جهت کنگره‌های عرشه موازی محور تیر

در این حالت در تعیین مشخصات مقطع از بتن موجود در سطح فوقانی ورق فولادی عرشه صرف‌نظر نشده و مشخصات مقطع با لحاظ بتن محاسبه می‌شود.

شکل 55- جهت قرارگیری کنگره‌ها نسبت به تیر فولادی

نکته: از نظر ظرفیت خمشی مقاطع مختلط، مقاطعی که کنگره‌های آن عمود بر محور تیرهای فولادی است، دارای مقاومت خمشی بالای دال بتنی در فاصله بین تیرها هستند و می‌توان فواصل بیشتری را برای تیرهای فرعی در نظر گرفت. اما در مقاطعی که کنگره‌ها موازی محور تیرها می‌باشد، مقاومت خمشی دال بتنی در بین تیرهای فرعی کم بوده ولی از لحاظ اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌باشد؛ زیرا بتن نیز در محاسبات مشخصات مقطع مختلط لحاظ می‌شود.

مثال 7: ظرفیت خمشی مقطع ساخته شده از ورق‌های شکل داده شده را در دو حالت زیر به دست آورید. تیرهای فرعی از نیمرخ IPE270 ساخته شده و دهانه آن‌ها 6 متر است. ضخامت دال بتنی روی ورق‌ها را 9 سانتی‌متر فرض کنید.

الف) تیرهای فرعی عمود بر کنگره‌ها قرار دارد و فاصله آن‌ها از هم 1.5 متر می‌باشد.

ب) تیرهای فرعی موازی کنگره‌ها قرار دارد و فاصله آن‌ها از هم 1 متر می‌باشد.

شکل 56- ورق‌های شکل داده شده مثال 7

مشخصات IPE270:

A_s=45.9 cm² , d=27 cm , t_w=0.66 cm , t_f=1.02 cm , h=d-2 c=21.9 cm

مشخصات مصالح:

E=2×10⁶ kg⁄cm² , F_y=2400 kg⁄cm² , f´_c=210 kg⁄cm²

حل (الف):

ابتدا عرض مؤثر دال بتنی در طرفین تیرهای فرعی را به دست می‌آوریم. فرض می‌کنیم تیرچه‌ها، تیرهای میانی هستند و فقط دو شرط برای بررسی عرض مؤثر طرفین تیرچه داریم.

b_e/2=min⁡{600/2.150/2}=75 cm → b_e=150 cm

h/t_w =21.9/0.66=33.18<3.76√(E/F_y )=108.5 → ظرفیت خمشی مقطع بر اساس توزیع تنش پلاستیک تعیین می‌شود.

از آنجایی‌که کنگره‌ها عمود بر تیرچه‌ها می‌باشند، از بتن داخل کنگره‌ها صرف نظر می‌کنیم و حدس اولیه محل تار خنثی پلاستیک را بصورت زیر بدست می‌آوریم.

A_s F_y=45.9×2400=110160 kg
A_c f´_c=0.85×150×9×210=240975 kg

A_s F_y<0.85 A_c f´_c   →تار خنثی در بتن قرار دارد

باتوجه‌به اینکه تار خنثی پلاستیک در بتن قرار دارد، از قسمت کششی آن صرف‌نظر خواهیم کرد. بدین منظور محل تار خنثی پلاستیک را بدون احتساب بتن ناحیه کششی بصورت زیر بدست می‌آوریم.

در نهایت با برقراری تعادل حول محور خنثی پلاستیک، ظرفیت خمشی اسمی مقطع به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

شکل 57- شکل مثال 7 – الف

حل (ب):

ابتدا عرض مؤثر دال بتنی در طرفین تیرهای فرعی را به دست می‌آوریم. فرض می‌کنیم تیرچه‌ها، تیرهای میانی هستند و فقط دو شرط برای بررسی عرض مؤثر طرفین تیرچه داریم.

باتوجه‌به عرض مؤثر دال بتنی، تعداد کنگره‌هایی که با بتن پر می‌شوند را محاسبه کرده و در حالت کلی مقدار مساحت معادل بتن را بدست می‌آوریم و محل تار خنثی پلاستیک اولیه را حدس می‌زنیم.

A_c=9×100+4×7.5×6=980 cm²

A_s F_y=45.9×2400=110160 kg

0.85A_Cf´ _c=0.85×980×210=174930 kg

A_s F_y<0.85A_Cf´ _c → تار خنثی در بتن قرار دارد.

باتوجه‌به اینکه تار خنثی پلاستیک در بتن قرار دارد، از قسمت کششی آن صرف‌نظر خواهیم کرد. بدین منظور محل تار خنثی پلاستیک را بدون احتساب بتن ناحیه کششی بصورت زیر بدست می‌آوریم. ابتدا فرض می‌کنیم تار خنثی در روی ورق‌های عرشه قرار بگیرد. اگر مقدار بدست آمده برای yp<9cmباشد، فرض صحیح است. در غیر اینصورت فرض اصلاح خواهد شد.

شکل 58- شکل مثال 7 – ب

4.4. انتقال بار بین تیر فولادی و دال بتنی

در قسمت ضوابط آیین‌نامه‌ای طراحی سقف عرشه فولادی، محدودیت‌های گل‌میخ‌ها را مورد بررسی قرار دادیم. درصورتی‌که محدودیت‌های مذکور رعایت شوند، مقاومت برشی اسمی هر برشگیر (گل‌میخ) متصل به بال فوقانی تیر فولادی از رابطه زیر به دست می‌آید:

در رابطه فوق، Asa سطح مقطع هر گل‌میخ، f´ _c مقاومت فشاری مشخصه نمونه استاندارد بتنی، E_c مدول الاستیسیته بتن و F_u تنش کششی نهایی مصالح گل‌میخ می‌باشد. ضرایب R_g و R_p ضرایب اصلاحی هستند که به کمک جدول زیر برای هر حالتی تعیین می‌شود.

برشگیرها (گل‌میخ‌ها) در اعضای مختلط تحت خمش، جهت جلوگیری از لغزش دال بتنی بر روی بال تیر فولادی مورداستفاده قرار می‌گیرند؛ لذا برشگیرها باید مقاومت برشی کافی در برابر نیروی افقی که باعث لغزش بتن بر روی فولاد می‌شود را داشته باشند. نیروی افقی وارد بر برشگیرها بر اساس حالت حدی خردشدگی بتن و تسلیم کششی مقطع فولادی در نظر گرفته می‌شود.

V_hu=min⁡{0.85f´ _c A_c .F_y A_s}

نیروی برشی ایجاد شده در مرز بین دال بتنی و مقطع فولادی (V_hu) بایستی توسط برشگیرهای موجود در طولی از تیر بین لنگر مثبت و صفر تحمل شود. در این حالت ضریب کاهش مقاومت 1 می‌باشد (φ_v=1).

مثال 8: درصورتی‌که تیرهای فرعی بکار رفته در ساخت سقف عرشه فولادی دو سر مفصل باشند، فاصله برشگیرهای لازم با قطر 19 میلی‌متر برای تأمین مقاومت برشی لازم را در دو حالت زیر به دست آورید. تیرهای فرعی از نیمرخ IPE270 ساخته شده و دهانه آن‌ها 7 متر است. ضخامت دال بتنی روی ورق‌ها را 9 سانتی‌متر فرض کنید.

الف) تیرهای فرعی عمود بر کنگره‌ها قرار دارد و فاصله آن‌ها از هم 1.5 متر می‌باشد.

ب) تیرهای فرعی موازی کنگره‌ها قرار دارد و فاصله آن‌ها از هم 1 متر می‌باشد.

مشخصات IPE270 و مصالح:

A_s=45.9cm² . E_c=21.9×10⁴ kg⁄ cm² . F_y=2400 kg⁄ cm² . f´_c =210 kg⁄ cm²

حل (الف):

ابتدا عرض مؤثر دال بتنی در طرفین تیرهای فرعی را به دست می‌آوریم. فرض می‌کنیم تیرچه‌ها، تیرهای میانی هستند و فقط دو شرط برای بررسی عرض مؤثر طرفین تیرچه داریم. سپس مساحت ناحیه بتنی را بدون احتساب بتن داخل کنگره‌ها به دست می‌آوریم.

b_e/2=min⁡{700/2.150/2}=75 cm → b_e=150 cm
A_c=150×9=1350 cm²

مقدار نیروی برشی طراحی را به‌صورت زیر محاسبه می‌کنیم:

V_hu=min⁡{0.85 f´_cA_c .F_y A_s }
V_hu=min⁡{0∙85×210×1350 .2400×45∙9}=110160 kg

باتوجه‌به شکل 56، با درنظرگرفتن یک گل‌میخ در داخل هر کنگره، فاصله گل‌میخ‌ها از هم 25 سانتی‌متر در امتداد تیر فرعی می‌شود. تعداد گل‌میخ‌ها از نقطه لنگر صفر تا لنگر مثبت بیشینه در تیر فرعی برابر است با N=700/2×1/25=14

باتوجه‌به تعداد گل‌میخ 1 در یک کنگره در هر ردیف و امتداد عمود کنگره‌ها بر تیرچه‌های‌ فولادی، مقادیر ضرایب اصلاحی Rg=1 و Rp=0.6 در نظر گرفته می‌شود.

حال بایستی فاصله گل‌میخ‌ها را کنترل کنیم تا در بازه موردنظر قرار گیرد.

4d_s≤S≤min⁡{8t_c .800 mm .30d_s } → 4×19≤S≤min⁡{8×90 .800 .30×19}
76mm≤S≤570 mm → S=25 cm=250 mm OK

در نتیجه در این دهانه که کنگره‌ها عمود بر محور تیرچه‌ها قرار دارند، گل‌میخ‌ها در هر کنگره بافاصله 25 سانتی‌متر مورداستفاده قرار می‌گیرند. تعداد این گل‌میخ‌ها در نصف تیر به تعداد 14 عدد می‌باشد.

حل (ب):

ابتدا عرض مؤثر دال بتنی در طرفین تیرهای فرعی را به دست می‌آوریم. فرض می‌کنیم تیرچه‌ها، تیرهای میانی هستند و فقط دو شرط برای بررسی عرض مؤثر طرفین تیرچه داریم. سپس مساحت ناحیه بتنی را با احتساب بتن داخل کنگره‌ها به دست می‌آوریم.

b_e/2=min⁡{700/2.100/2}=50 cm → b_e=100 cm
A_c=9×100+4×7.5×6=980 cm²

مقدار نیروی برشی طراحی را به‌صورت زیر محاسبه می‌کنیم:

V_hu=min⁡{0.85f´_cA_c .F_y A_s }
V_hu=min⁡{0∙85×210×980 .2400×45∙9}=110160 kg

در نهایت تعداد گل‌میخ‌ها را در حدفاصل میان لنگر صفر و بیشینه مثبت به‌صورت زیر محاسبه می‌کنیم. باتوجه‌به امتداد موازی کنگره‌ها با تیرچه‌های فولادی و نسبت  W_r/h_r =75/60<1.5 ، مقادیر ضرایب اصلاحی R_g=0.85 و R_p=0.75 در نظر گرفته می‌شود.

حال بایستی فاصله گل‌میخ‌ها را کنترل کنیم تا در بازه موردنظر قرار گیرد.

در نتیجه در این دهانه که کنگره‌ها موازی محور تیرچه‌ها قرار دارند، گل‌میخ‌ها در هر کنگره بافاصله 25 سانتی‌متر مورداستفاده قرار می‌گیرند.

5.4. کنترل تغییر مکان (خیز) در اعضای خمشی مختلط

خیز تیرها به مشخصات مقطع از جمله ممان اینرسی بستگی دارد. درگذشته برای محاسبه ممان اینرسی مقطع مختلط از مشخصات مقطع تبدیل یافته و فرضیات الاستیک توزیع تنش استفاده می‌شد. اما بعد از انجام تحقیقات مشخص شد که ممان اینرسی مؤثر مقطع مختلط می‌تواند کمتر از ممان اینرسی مقطع تبدیل یافته باشد؛ لذا آیین‌نامه‌ها برای محاسبه خیز تیرهای مختلط، ممان اینرسی مؤثر را 0.75 ممان اینرسی مقطع تبدیل یافته (I_eff = 0.75 I_tr) لحاظ می‌کردند.

در حال حاضر آیین‌نامه‌ها برای محاسبه خیز اعضای خمشی مختلط از ممان اینرسی مؤثر استفاده می‌کنند؛ بطوریکه عملکرد کامل یا ناقص مقطع مختلط با لحاظ تعداد کافی برشگیرها را در محاسبات لحاظ می‌کنند. مطابق رابطه زیر، در صورت کافی بودن تعداد برشگیرها (_I∑Q_n=C_f) مقدار I_eff یعنی مقدار ممان اینرسی مؤثر با مقدار I_tr یعنی ممان اینرسی مقطع تبدیل‌یافته ترک نخورده با فرضیات الاستیک برابر خواهد بود و در غیر اینصورت بدلیل لغزش احتمالی بین دال بتنی و تیرهای فرعی فولادی، ممان اینرسی مؤثر کاهش یافته و خیز افزایش می‌یابد.

نکته: رابطه فوق برای ممان اینرسی مؤثر برای نسبت _I∑Q_n/C_f کمتر از 0.25 صادق نیست.

با چهار فرض زیر می‌توان تخمینی از ممان اینرسی را برای محاسبه خیز تیر مختلط انجام داد:

• در مقطع مختلط برشگیرها برای عملکرد کامل مقطع کافی نباشد.
• تیرچه فولادی نسبت به محور افقی متقارن باشد.
• ناحیه فشاری کلاً در بتن قرار گیرد.
• از ممان اینرسی ناحیه بتنی حول محور عبوری از مرکز خودش صرف‌نظر شود.

به‌عنوان تخمینی از خیز کوتاه‌مدت، می‌توان ممان اینرسی را به‌صورت زیر محاسبه کرد. این ممان اینرسی با نام ممان اینرسی کرانه پایین شناخته می‌شود.

شکل 59- شماتیک متغیرهای ممان اینرسی کرانه پایین

علاوه بر خیز کوتاه‌مدت تیرهای مختلط، خیز بلندمدت آن‌ها نیز بایستی مورد بررسی قرار گیرد. خیز بلندمدت ناشی از دو پدیده خزش و جمع‌شدگی می‌باشد. خزش خاصیتی از بتن می‌باشد که به دلیل وجود این خاصیت، بتن تحت اثر بارهای طولانی‌مدت تحت یک نیروی تنشی ثابت، دچار تغییرشکل می‌شود. جمع‌شدگی نیز خاصیت ذاتی بتن می‌باشد که به‌صورت تغییر حجم آن در اثر خروج آب رخ می‌دهد و تفاوت در رطوبت محیط و بتن عامل ازدست‌دادن آب و برقراری شرایط تعادل می‌باشد. اما سؤالی که پیش می‌آید این است که موضوع خزش و جمع‌شدگی در سقف مختلط عرشه فولادی چگونه لحاظ می‌شود؟

نحوه درنظرگرفتن اثرات خزش در محاسبه خیز تیر مختلط:

پدیده خزش را می‌توان با استفاده از روش‌های دقیق برای محاسبه خیز در نظر گرفت. اما به‌عنوان یک پیشنهاد معقول و منطقی، کافی است تا مدول الاستیسیته بتن را به‌اندازه 2 الی 3 برابر کاهش داده و مشخصات مقطع تبدیل یافته را مجدد حساب کرد.

نحوه درنظرگرفتن اثرات جمع‌شدگی در محاسبه خیز تیر مختلط:

اثرات جمع‌شدگی را می‌توان را به‌صورت یک لنگر یکنواخت در کل تیر اعمال کرد. جهت محاسبه مقدار لنگر اعمالی کافی است تا لنگر حاصل از نیروی فشاری ایجاد شده ناحیه بتنی مقطع را نسبت به محور خنثی الاستیک مقطع تبدیل یافته محاسبه کرد.

P_sh=ε_sh E_c A_c
M_sh=P_sh∙e

در رابطه فوق e فاصله مرکز سطح ناحیه بتنی تا محور خنثی الاستیک مقطع تبدیل یافته می‌باشد. در صورت نبودن اطلاعات کافی می‌توان کرنش جمع‌شدگی (ε_sh) را برابر 0.002 در نظر گرفت.

شکل 60- نحوه درنظرگرفتن اثرات جمع‌شدگی بتن

محاسبه خیز مطابق آیین‌نامه

درصورتی‌که در تیرهای مختلط دارای برشگیر، در هنگام بتن‌ریزی دال از پایه‌های موقت در زیر تیر فولادی استفاده نشود، کنترل خیز تیر مختلط را مطابق مراحل زیر انجام می‌دهیم:

ابتدا بار ناشی از وزن تیر فولادی، دال بتنی و بار ناشی از قالب‌بندی بر تیر فولادی تنها اثر داده شده و تغییر شکل را محاسبه می‌کنیم.
سپس بار مرده اضافی (تمام بارهای مرده‌ای که بعد از گرفتن دال بتنی وارد می‌شوند، نظیر کف‌سازی، تیغه‌ها و موارد مشابه) و بار زنده بر مقطع مختلط اثر داده می‌شوند و تغییر شکل تیر مختلط محاسبه می‌گردد.

تغییر شکل‌های اضافی ناشی خزش و جمع‌شدگی بتن به نحو مؤثری محاسبه شده و به خیز محاسبه شده در مرحله 1 و 2 افزوده می‌شود.
در نهایت به مقایسه خیز درازمدت با محدوده مجاز l/240 و خیز آنی تحت اثر بار زنده با محدوده مجاز l/360 خواهیم پرداخت.

مثال 9: خیز حداکثر تیر فرعی فولادی IPE300 با دهانه 7 متری و عملکرد مختلط را با درنظرگرفتن فرضیات زیر بیابید.

• وزن مخصوص بتن به همراه تسلیح کننده‌ها = 2500 کیلوگرم بر مترمربع
• عرض مؤثر دال بتنی = 2.5 متر
• بار مرده کفسازی + تیغه‌ها = 350 کیلوگرم بر مترمربع
• بار زنده = 200 کیلوگرم بر مترمربع
• جرم واحد سطح ورق گالوانیزه = 10 کیلوگرم بر مترمربع
• ضخامت دال بتنی روی عرشه = 9 سانتی‌متر
• جهت قرارگیری کنگره‌ها عمود بر محور تیر فرعی است.
• کرنش جمع‌شدگی بتن را 0.002 فرض کنید.
• کاهش مدول الاستیسیته بتن در اثر پدیده خزش را 3 برابر فرض کنید.
• 20 درصد از بار زنده به‌صورت دائمی در سازه اثر می‌کند.
• تعداد برشگیرهای بکار رفته برای عملکرد مختلط کافی است.

مشخصات IPE270 و مصالح:

A_s=53.8 cm² . W_IPE300=42.2 kg⁄m . F_y=2400 kg⁄cm² . f´_c=200 kg⁄cm² . E_s=2.1×10⁶ kg⁄cm²
I_s=8360 cm⁴

شکل 61- شکل ورق‌های گالوانیزه مثال 9

ابتدا بار واحد سطح ناشی از بتن و تسلیح کننده‌ها را به‌صورت زیر می‌یابیم:

q_c=(2500×1×(1×0.15-3×((0.2+0.15)×0.06)/2))/(1×1)=296∙25 Kg⁄m²

حال بار خطی ناشی از وزن تیر فولادی، دال بتنی و ورق‌های گالوانیزه به‌صورت زیر محاسبه می‌شود.

Q₁=42∙2+(296∙25+10)×2∙5=807.825 Kg⁄m≈8 Kg⁄cm

حال مقدار تغییرشکل آنی تیر ناشی از وزن تیر فولادی، دال بتنی و ورق‌های گالوانیزه را می‌یابیم.

در مرحله بعدی تغییرشکل آنی تیر ناشی از بار مرده اضافه مانند کفسازی و تیغه‌بندی و همچنین بار زنده محاسبه خواهد شد. بار خطی ناشی از بار مرده اضافی و بار زنده را به‌صورت زیر محاسبه می‌کنیم.

Q₂=(200+350)×2∙5=1375 Kg⁄m=13.75 Kg⁄cm

مدول الاستیسیته بتن طبق مبحث 9 مقررات ملی ساختمان به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

E_c=4700√(f´_c (MPa))=15100√(f´_c (Kg⁄cm² )) →E_c=15100√210=21.3×10⁴ Kg⁄cm²

مشخصات هندسی مقطع تبدیل یافته را محاسبه کرده و سپس خیز ناشی از بارهای موردنظر محاسبه می‌شود:

n=E_s/E_c =(2.1×10⁶)/(21∙3×10⁴ )=10.16
b_tr=250/10.16=24.6 cm

باتوجه‌به عمود بودن جهت کنگره‌ها نسبت به تیرهای فرعی، در محاسبات مشخصات هندسی مقطع از بتن داخل کنگره‌ها صرف‌نظر می‌کنیم.

y_tr=(24.6×9×4.5+53.8×(6+9+15))/(24.6×9+53.8)=9.48 cm>9 cm
I_tr=1/12×24.6×9³+24.6×9×(9.48-4.5)²+8360+53.8×(9+6+15-9.48)²=37998∙8 cm⁴

نکته: باتوجه‌به کافی بودن تعداد برشگیرها برای عملکرد مختلط تیر، مقدار I_eff با مقدار I_tr برابر می‌باشد.

I_eff=I_s+√((∑Q_n)/C_f) (I_tr-I_s) → ∑Q_n =C_f → I_eff=I_tr

حال مقدار تغییرشکل آنی تیر ناشی از وزن تیر فولادی، دال بتنی و ورق‌های گالوانیزه را می‌یابیم.

در نتیجه تغییرشکل کل تیر مختلط بعد از بارگذاری آنی برابر است با:

اگر تغییرشکل درازمدت تیر مختلط نیز مدنظر باشد، اثرات جمع‌شدگی و خزش را نیز باید محاسبه کنیم.

با فرض کرنش جمع‌شدگی بتن برابر با 0.002 مطابق با فرض سؤال، مقدار خیز ناشی از جمع‌شدگی به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

با فرض کاهش 3 برابری مدول الاستیسیته بتن، پدیده خزش به‌صورت زیر در نظر گرفته می‌شود:

حال مقدار بار خطی دائمی را برای محاسبه تغییرشکل درازمدت ناشی از خزش به دست می‌آوریم. مطابق فرض سؤال، 20 درصد از بار زنده را به‌عنوان بار دائمی در نظر می‌گیریم.

در نهایت مقدار تغییرشکل ناشی از بار زنده‌ای که به‌صورت دائمی نیست، به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

پیشنهاد می‌شود که مجموع خیز درازمدت تیر به اضافه خیز ناشی از بار زنده نیز از L/240 مطابق آیین‌نامه بیشتر نباشد. پس:

6.4.کنترل ارتعاش در اعضای مختلط تحت خمش

باتوجه‌به اینکه اعضای خمشی مختلط عمدتاً برای پوشش دهانه‌های بزرگ و خالی از عناصر میرا کننده ارتعاش بکار می‌روند، ممکن است از نظر کنترل ارتعاش بحرانی شوند و این ارتعاش باشد که در طراحی تیر حاکم باشد؛ لذا توجه به این موضوع بسیار مهم می‌باشد. بارهای جنبشی مانند بارهای ناشی از رفت‌وآمد افراد، حرکت و توقف آسانسورها، حرکت ماشین‌آلات و نظایر آن‌ها مواردی هستند که می‌توانند منبع تولید ارتعاش باشند.

مبحث 10 مقررات ملی ساختمان برای محاسبه فرکانس دوره‌ای تیرهای دو سر ساده تحت بار مرده یکنواخت رابطه‌ای ارائه داده است. فرکانس نوسانی تیر باید به‌اندازه‌ای باشد که از حد احساس بشر تجاوز نکند. این حد در آیین‌نامه 5 هرتز در نظر گرفته شده است.

در رابطه فوق g ثابت گرانش بوده و مقدار آن  981cm/s² می‌باشد.

مثال 10: با درنظرگرفتن فرضیات مثال 9، ارتعاش را برای تیر مختلط موردنظر بررسی کنید.

I_tr=37998.8 cm⁴ . E_s=2.1×10⁶ kg⁄cm² . g=981 cm⁄s² . L=700 cm

Q_D=42∙2+(296∙25+10+350)×2∙5=1682∙825 Kg⁄m≈16∙8 Kg⁄cm

نکته: برخلاف سقف‌های کامپوزیت معمولی، قالب‌ها (ورق‌های گالوانیزه) در سقف کامپوزیت عرشه فولادی باقی می‌مانند و در جهت کاهش فرکانس عمل می‌کنند.

7.4. مثال جامع طراحی دستی سقف عرشه فولادی

در این قسمت یک مثال جامع برای طراحی دستی سقف عرشه فولادی حل خواهد شد. این مثال دربردارنده تمامی مثال‌های جزئی است که در بخش‌های قبلی مورد بررسی قرار گرفت.

مثال 11: سقف عرشه فولادی مطابق شکل زیر را در نظر بگیرید بطوریکه طول تیرچه‌های آن 4.8 متر باشند و فاصله آن‌ها از هم 2 متر باشد. کنگره‌ها در این سقف عمود بر تیرهای فرعی بوده و مشخصات آن نیز در شکل زیر نمایش‌داده‌شده است. مطلوب است طراحی تیر فولادی با عملکرد مختلط و برشگیرهای لازم.

قبل از شروع طراحی مقطع مختلط و برشگیرهای لازم، دو مورد بایستی برای سقف عرشه فولادی انتخاب شوند. یکی ضخامت بتن روی عرشه و دیگری شکل ورق‌های گالوانیزه. برای تعیین ضخامت بتن روی عرشه، از جدول تعیین ضخامت بتن برای مقاومت در برابر آتش استفاده خواهیم کرد که در اینجا با فرض مقاومت 1 ساعته در مقابل آتش بدون نیاز به عایق آتش، ضخامت بتن روی عرشه 9 سانتی‌متر انتخاب می‌شود. همچنین شکل ورق‌های گالوانیزه باتوجه‌به ورق‌های موجود در بازار تعیین می‌شود که در این مثال یک نوع خاصی از آن‌ها با ابعاد مشخص در نظر گرفته شده است.

شکل 62- مثال طراحی سقف عرشه فولادی

مشخصات بارگذاری سقف:

بار مرده کفسازی + تیغه‌بندی = 350 کیلوگرم بر مترمربع
بار زنده = 200 کیلوگرم بر مترمربع
جرم واحد سطح ورق‌های گالوانیزه = 10 کیلوگرم بر مترمربع

مشخصات مصالح:

E_s=2∙1×10⁶ kg⁄cm² . F_y=2400 kg⁄cm² . f´_c=210 kg⁄cm² . w_c=2500 kg⁄m³

طراحی برای تیرهای فرعی بکار رفته در میانه دهانه انجام می‌شود؛ لذا عرض مؤثر دال بتنی به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

b_e/2=min⁡{450/2.200/2}=100 cm → b_e=200 cm

مقدار بار مرده وزنده سطحی به‌صورت زیر محاسبه می‌شوند:

مقدار بار سطحی و خطی طراحی از ماکزیمم دو ترکیب بار ثقلی طبق مبحث 6 مقررات ملی ساختمان به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

q_u=max⁡{1∙4 D .1∙2 D+1∙6 L}=max⁡{918∙75 .1107∙5}=1107∙5 Kg⁄m²
Q_u=1107∙5×2=2215 Kg⁄m

حال باتوجه‌به مقدار بار خطی اعمالی به تیر، مقدار نیروی برشی و لنگر خمشی طراحی را محاسبه می‌کنیم.

V_u=(Q_u L)/2=(2215×4∙8)/2=5316 Kg
M_u=(Q_u L²)/8=(2215×4∙8²)/8=6379∙2 Kg∙m=637920 Kg∙cm

ظرفیت خمشی و برشی اسمی مقطع را به‌صورت زیر بررسی کرده و یک مقطع برای تیر فرعی فولادی انتخاب می‌کنیم.

کنترل برش

ازآنجایی‌که در سازه‌های فولادی، عموماً مقاطع IPE به‌عنوان تیر مورداستفاده قرار می‌گیرند، در جهت انتخاب مقطع مناسب به‌منظور تأمین مقاومت برشی مقاوم موردنیاز، از رابطه ارائه شده توسط مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، در بند 10-2-6-2-1 استفاده می‌نماییم؛

در ادامه‌ متن بالا از آیین‌نامه، روابطی به‌منظور محاسبه‌ ضریب Cv در نظر گرفته شده است که در اینجا، به‌منظور تسهیل در امر محاسبات، Cv=1فرض می‌شود. همچنین برای مقاطع نورد شده، ضریب کاهش بار (φ_v) برابر 1 می‌باشد.

باتوجه‌به توضیحات بالا و رابطه محاسبه مقاومت برشی داریم:

با محاسبه مقادیر A_w=d×t_w پروفیل IPE120 برای تحمل برش مناسب می‌باشد.

فرض Cv=1 و φ_v=1 برای جان مقاطع I شکل نورد شده با عبارت زیر می باشد

که این مورد را بصورت زیر برای پروفیل IPE120 چک می‌کنیم.

کنترل خمش

در محاسبات فوق فقط از ظرفیت برشی فولاد استفاده کردیم و از ظرفیت برشی بتن صرف‌نظر شد. بااین‌حال مشاهده می‌شود که مقطع با شماره کوچک پاسخگوی نیاز برشی بوده است. واضح است که مقطع فوق پاسخگوی نیاز خمشی نخواهد بود؛ لذا در ادامه بایستی ظرفیت خمشی مقطع مختلط مورد بررسی قرار گیرد. اما مشکلی که وجود دارد این است که باتوجه‌به وجود بیش از یک مجهول (محل تارخ خنثی و مساحت مقطع فولادی)، نیاز هست تا ابتدا مساحت مقطع فولادی را به مقطع واقعی موردنیاز نزدیک کرده و آن را حدس بزنیم، سپس تمامی محاسبات و کنترل‌ها با فرض مقطع موردنظر بررسی شود و در صورت نیاز، مقطع اصلاح شود.

به‌عنوان یک روش برای حدس مقطع اولیه، مقطع فولادی تنها را قبل از بهره‌برداری و اعمال بار مرده اضافی (بارهای کفسازی، تیغه‌بندی و زنده) بررسی می‌کنیم:

D=296∙25+10=306∙25 Kg⁄m²
q_u=1∙4 D=1∙4 ×306∙25=428∙75 Kg⁄m²
Q_u=428∙75×2=857∙5 Kg⁄m
M_u=(Q_u L²)/8=(857∙5×4∙8²)/8=2469∙6 Kg∙m=246960 Kg∙cm
M_u≤φM_n → M_u≤φF_y Z → 246960≤0∙9×2400×Z → Z≥114 cm³

باتوجه‌به جدول اشتال، مقطع IPE160 را انتخاب می‌کنیم. حال به سراغ محاسبات ظرفیت خمشی مقطع مختلط می‌رویم.

ابتدا بررسی می‌کنیم که آیا ظرفیت خمشی مقطع از توزیع تنش پلاستیک محاسبه شود یا توزیع تنش الاستیک. سپس محل محور خنثی مقطع را به دست خواهیم آورد

h/t_w =127/5=25∙4<3∙76√(E/F_y)=108∙5 → ظرفیت خمشی مقطع بر اساس توزیع تنش پلاستیک تعیین می‌شود.

از آنجایی‌که کنگره‌ها عمود بر تیرچه‌ها می‌باشند، از بتن داخل کنگره‌ها صرف نظر می‌کنیم و حدس اولیه محل تار خنثی پلاستیک را بصورت زیر بدست می‌آوریم.

A_s F_y=20∙1×2400=48240 kg
0.85A_c f´_c =0∙85×200×9×210=321300 kg

A_s F_y<0∙85A_c f´_c → تار خنثی در بتن قرار دارد.

باتوجه‌به اینکه تار خنثی پلاستیک در بتن قرار دارد، از قسمت کششی آن صرف‌نظر خواهیم کرد. بدین منظور محل تار خنثی پلاستیک را بدون احتساب بتن ناحیه کششی به‌صورت زیر به دست می‌آوریم.

در نهایت با برقراری تعادل حول محور خنثی پلاستیک، ظرفیت خمشی اسمی مقطع به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

شکل 63- تار خنثی پلاستیک مثال 11

کنترل خیز

در ادامه به کنترل خیز مقطع مختلط خواهیم پرداخت.

بار خطی ناشی از وزن تیر فولادی، دال بتنی و ورق‌های گالوانیزه به‌صورت زیر محاسبه می‌شود.

حال مقدار تغییرشکل آنی تیر ناشی از وزن تیر فولادی، دال بتنی و ورق‌های گالوانیزه را می‌یابیم.

در مرحله بعدی تغییرشکل آنی تیر ناشی از بار مرده اضافه مانند کفسازی و تیغه‌بندی و همچنین بار زنده محاسبه خواهد شد. بار خطی ناشی از بار مرده اضافی و بار زنده را به‌صورت زیر محاسبه می‌کنیم.

مدول الاستیسیته بتن طبق مبحث 9 مقررات ملی ساختمان به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

مشخصات هندسی مقطع تبدیل یافته را محاسبه کرده و سپس خیز ناشی از بارهای موردنظر محاسبه می‌شود:

n=E_s/E_c =(2∙1×10⁶)/(21∙9×10⁴ )=9∙6
b_tr=200/(9∙6)=20∙83 cm

باتوجه‌به عمود بودن جهت کنگره‌ها نسبت به تیرهای فرعی، در محاسبات مشخصات هندسی مقطع از بتن داخل کنگره‌ها و قسمت بتن تحت کشش صرف‌نظر می‌کنیم.

y_tr=(20∙83×9×4∙5+20∙1×(6+9+8))/(20∙83×9+20∙1)=6∙29 cm<9 cm قسمتی از بتن به کشش می‌افتد.

محاسبات با صرف‌نظر از بتن کششی تکرار می‌کنیم. برای درک بهتر روش یافتن تار خنثی به شکل زیر توجه کنید.

شکل 64- بدست آوردن تار خنثی الاستیک در مثال 11

باتوجه‌به کافی بودن تعداد برشگیرها برای عملکرد مختلط تیر، مقدار Ieff با مقدار Itr برابر می‌باشد.

حال مقدار تغییرشکل آنی تیر ناشی از وزن تیر فولادی، دال بتنی و ورق‌های گالوانیزه را می‌یابیم.

در نتیجه تغییرشکل کل تیر مختلط بعد از بارگذاری آنی برابر است با:

مشاهده می‌شود که در این مثال خیز کنترل‌کننده است. مقطع را به IPE180 تغییر می‌دهیم. خیز محاسبه شده در بالا بدون درنظرگرفتن خیز درازمدت می‌باشد که در ادامه برای مقطع جدید انتخابی، خیز درازمدت نیز لحاظ خواهد شد.

محاسبات با صرف‌نظر از بتن کششی تکرار می‌کنیم.

اگر تغییرشکل درازمدت تیر مختلط نیز مدنظر باشد، اثرات جمع‌شدگی و خزش را نیز باید محاسبه کنیم.

با فرض کرنش جمع‌شدگی بتن برابر با 0.002 مطابق با فرض سؤال، مقدار خیز ناشی از جمع‌شدگی به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

با فرض کاهش 3 برابری مدول الاستیسیته بتن، پدیده خزش به‌صورت زیر در نظر گرفته می‌شود:

حال مقدار بار خطی دائمی را برای محاسبه تغییرشکل درازمدت ناشی از خزش به دست می‌آوریم. مطابق فرض سؤال، 20 درصد از بار زنده را به‌عنوان بار دائمی در نظر می‌گیریم.

در نهایت مقدار تغییرشکل ناشی از بار زنده‌ای که به‌صورت دائمی نیست، به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

پیشنهاد می‌شود که مجموع خیز درازمدت تیر به‌اضافه خیز ناشی از بار زنده نیز از L/240 مطابق آیین‌نامه بیشتر نباشد. پس:

در ادامه به طراحی برشگیرها از نوع گل‌میخ خواهیم پرداخت. مقدار نیروی برشی طراحی را به‌صورت زیر محاسبه می‌کنیم:

A_c=200×9=1800 cm²
V_hu=min⁡{0.85f´_c A_c .F_y A_s }
V_hu=min⁡{0∙85×210×1800 .2400×23∙9}=57360 kg

باتوجه‌به شکل 84، با درنظرگرفتن یک گل‌میخ در داخل هر کنگره، فاصله گل‌میخ‌ها از هم 30 سانتی‌متر در امتداد تیر فرعی می‌شود. تعداد گل‌میخ‌ها از نقطه لنگر صفر تا لنگر مثبت بیشینه در تیر فرعی برابر است با N=480/2×1/30=8

باتوجه‌به تعداد گل‌میخ 1 در یک کنگره در هر ردیف و امتداد عمود کنگره‌ها بر تیرچه‌های فولادی، مقادیر ضرایب اصلاحی R_g=1 و R_p=0.6 در نظر گرفته می‌شود.

حال بایستی فاصله گل‌میخ‌ها را کنترل کنیم تا در بازه موردنظر قرار گیرد.

4d_s≤S≤min⁡{8t_c .800 mm .30d_s } → 4×19≤S≤min⁡{8×90 .800 .30×19}
76mm≤S≤570 mm → S=30 cm=300 mm OK

کنترل ارتعاش

ارتعاش آخرین کنترلی است که باید در طراحی مقطع مورد بررسی قرار گیرد. البته این آخرین مرحله نیست و بعد از این مرحله به کنترل مجدد برش و خمش برای مقطع نهایی خواهیم پرداخت.

کنترل مجدد برش و خمش برای مقطع IPE180

باتوجه‌به تغییر مقطع در طراحی، در انتهای کار مقاومت خمشی و برشی را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

ظرفیت خمشی مقطع بر اساس توزیع تنش پلاستیک تعیین می‌شود.

ابتدا محل تار خنثی را با صرف‌نظر بتن داخل کنگره‌ها حدس می‌زنیم.

باتوجه‌به اینکه تار خنثی پلاستیک در بتن قرار دارد، از قسمت کششی آن صرف‌نظر خواهیم کرد. بدین منظور محل تار خنثی پلاستیک را بدون احتساب بتن ناحیه کششی به‌صورت زیر به دست می‌آوریم.

0∙85×210×200×y_p=2400×23∙9 → y_p=1∙6 cm<9 cm

در نهایت با برقراری تعادل حول محور خنثی پلاستیک، ظرفیت خمشی اسمی مقطع به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

M_n=0∙85×210×200×1∙6×(1∙6)/2+2400×23∙9×(9+6+9-1∙6)=1330560 kg∙cm
M_u≤φM_n → 637920≤0∙9×1330560=1197504 OK

5. بررسی دیداری جوش گل‌میخ و شکست آن در آزمون خمش

بعد از جوشکاری گل‌میخ‌ها، بایستی آن‌ها به‌صورت چشمی مورد بررسی قرار گیرند. همچنین نتایج آزمایش خمش را می‌توان به‌صورت چشمی کنترل کرد. در ادامه با ارائه تصاویر مناسب از نتیجه جوشکاری و آزمایش خمش، جوش و آزمایش را مورد ارزیابی قرار خواهیم داد و همچنین راهکارها را برای حل مشکل ارائه خواهیم داد.

مشخصات ظاهری	ارزیابی	ارائه راهکار
ارزیابی چشمی جوش
	قابل قبول پارامترهای جوش به‌درستی لحاظ گردیده است.
	بیرون‌زدگی گل‌میخ از سرامیک کافی نبوده است. شرایط هم‌مرکز بودن لحاظ نشده است. انرژی جوش بالا شدت نیروی پایین آورنده گل‌میخ زیاد بوده است.	بیرون‌زدگی گل‌میخ افزایش یابد. هم مرکز بودن گل‌میخ و سرامیک کنترل شود. شدت جریان و یا زمان جوش کاهش یابد. سرعت مکانیزم پایین آورنده گل‌میخ کاهش یابد. بازه بالا کشندگی کافی نبوده است.
	انرژی جوش کم سرامیک مرطوب بالاکشندگی کم	شدت جریان و یا زمان جوش افزایش یابد. سرامیک مرطوب خشک شود. بالاکشندگی افزایش یابد.
	فرار جوش سرامیک به‌درستی هم مرکز نشده است.	شرایط ارت‌بندی کنترل شود. هم مرکزی سرامیک رعایت شود.
	انرژی جوش بالا سرعت مکانیزم پایین آوردن زیاد	شدت جریان یا زمان جوش کاهش یابد. سرعت مکانیزم پایین آورده کاهش یابد.
بررسی شکست جوش در آزمایش خمش
	قابل قبول
	قابل قبول
	شکست در جوش با تخلخل بالا انرژی جوش بسیار کم سطح آلوده به رنگ، روغن و … مواد مورداستفاده مناسب نیست.	زمان یا شدت جریان افزایش یابد. تمیزکاری سطحی صورت گیرد. مواد مناسب انتخاب شود.
	شکست با تغییر شکل کم شکست در ناحیه HAZ کربن فلز پایه زیاد سرعت سرد شدن بالا	انتخاب مواد مناسب برای فلز پایه زمان جوش افزایش یابد. پیش گرمایش انجام شود.
	در شکست جوش نقاط براق مشاهده می‌شود. حجم زائده آلومینیومی زیاد زمان جوش کم	حجم آلومینیوم کاهش یابد. زمان جوش افزایش یابد.
	پارگی فلزی در فلز پایه مشاهده می‌شود و دلیل آن نامناسب بودن فلز پایه است.	انتخاب فلز پایه مناسب

6. بررسی اشتباهات رایج در اجرای سقف عرشه فولادی و ارائه چک‌لیست نظارتی

از جمله اشتباهات رایج در اجرا ناشی از عدم طراحی صحیح و یا ارائه نقشه‌های دقیق است. اما آنچه در این قسمت و در جدول زیر مورد بررسی قرار خواهد گرفت، اشتباهات ناشی از اجراست که با نظارت ناظر و مجری این مشکلات قابل حل شدن می‌باشد.

همچنین در ادامه چک‌لیست نظارتی مطابق با استاندارد “استاندارد ملی ایران شماره 21973 : 1396” برای سقف عرشه فولادی را مشاهده می‌کنیم.

7. پاسخ به برخی سؤالات متداول اجرایی

❓ دمای سطح کار در فصول سرد نیازمند چه شرایطی است؟

در دمای زیر صفر درجه سانتیگراد پیش گرمایش نیاز می‌باشد که این امر می‌بایست با تنظیمات دستگاه و یا ابزار گرمایشی صورت گیرد. در این مورد حتماً قبل از شروع کار اطمینان حاصل شود.

❓ آیا به طور هم‌زمان علاوه بر دستگاه جوش، مصرف‌کننده دیگری نیز در مدار می‌تواند وجود داشته باشد؟

ترجیحاً منبع تغذیه جدا برای دستگاه جوش گل‌میخ در نظر گرفته شود.

❓ برای جوشکاری گل‌میخ آیا شرایط رطوبتی خاصی مدنظر است؟

در شرایط بارندگی و پس از آن، حتماً رطوبت از سطح قطعه کار حذف شود و در صورت وجود رطوبت، جوشکاری انجام نشود.

❓ برای جوشکاری گل‌میخ چه محدودیت‌های دمایی برای محیط لحاظ شود؟

باید توجه داشت که جوشکاری در دمای کمتر از 18- درجه سانتیگراد ممنوع می‌باشد و همچنین در دمای کمتر از صفر درجه سانتیگراد نیاز به پیش‌گرمایش داریم.

❓ آیا می‌توان در شرایط وزش باد جوشکاری گل‌میخ را انجام داد؟

خیر، زیرا وزش باد باعث عدم یکنواختی در حوضچه و امکان نفوذ اکسیژن می‌شود. همچنین در صورت وزش باد، سرعت سرد شدن حوضچه بالا می‌رود و موجب تردی جوش می‌شود.

8. دیتیل‌های اجرایی

در این قسمت دیتیل‌های اجرایی را برای سقف‌های عرشه فولادی مورد بررسی قرار خواهیم داد. از جمله دیتیل‌های مهم می‌توان به دیتیل فلاشینگ‌ها، طره‌ها، ورق‌های پوششی، تأسیسات و سقف کاذب اشاره کرد.

9. مزایا و معایب سقف عرشه فولادی

سقف عرشه فولادی نیز مانند سایر سقف‌های سازه‌ای دارای مزایا و معایبی است که در این قسمت به بررسی آن خواهیم پرداخت.

نتیجه‌گیری

سقف‌های عرشه فولادی که نوعی از سقف‌های کامپوزیت هستند، با بهره‌گیری از خواص منحصربه‌فرد هر یک از مصالح فولاد و بتن عملکرد مناسبی را نشان می‌دهند و به‌عنوان یکی از سقف‌های پرکاربرد در سازه‌های فولادی کاربرد دارند. در این سقف‌ها با قرارگیری بتن روی قالب‌های ماندگار فولادی و به‌کارگیری برشگیرها از نوع گل‌میخ، عملکرد مرکب سقف تأمین می‌شود. درواقع در اعضای مرکب از ظرفیت فشاری بتن و ظرفیت کششی فولاد به طور هم‌زمان استفاده خواهد شد.

جهت عملکرد مناسب سقف، رعایت ضوابط آیین‌نامه‌ها و استانداردها از جمله استاندارد ملی ایران، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، نشریه 228 و AISC360 ضروری است. در این مقاله به معرفی سقف عرشه فولادی، بررسی آیین‌نامه‌ها و استانداردها، طراحی تیر مختلط به همراه برشگیرها و در نهایت نکات اجرایی پرداخته شد تا یک آشنایی کلی با سقف عرشه فولادی و طراحی آن حاصل شود.

منابع

1. طراحی سازه‌های فولادی به روش حالت حدی، جلد پنجم – طراحی اعضا، دکتر مجتبی ازهری، دکتر حسین عمو شاهی، دکتر سید رسول میر قادری.
2. سازه‌های بتن‌آرمه بر اساس روش طرح مقاومت ACI 318-14 و طراحی در حالات حدی/تألیف داود مستوفی نژاد، انتشارات ارکان دانش،1394.
3. کتابخانه آنلاین عمران سبزسازه
4. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران ویرایش 1392
5. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399
6. استاندارد ملی ایران شماره‌ی 21973 : 1396، سقف‌های مرکب عرشه فولادی
7. استاندارهای ارائه شده توسط ANSI/SDI
8. آیین نامه جوشکاری ساختمانی ایران (نشریه شماره 228)؛ انتشارات سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور؛ 1380
9. سقف‌های مرکب عرشه فولادی به همراه ترجمه استاندارد ANSI/SDI، جزئیات اجرایی استاندارد، تألیف و ترجمه مهندس محسن جدیدی
10. Specifcation for Structural Steel Buildings, An American National Standard, AISC 360-16
11. Composite Slabs and Beams using Steel Decking: Best Practice for Design and Construction, J W Rackham, G H Couchman and S J Hicks
12. The Fire Resistance of Composite Floors with Steel Decking (2^nd Edition), SCI Publication 056

• مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!

• ارسال سوال برای تولید محتوا