طراحی پانلهای پیش ساخته مرکب بتن و اعضاء سرد نورد شده
1. مقدمه
به علت نیاز به صنعتی سازی در ساختمان و استفاده از قطعات پیش ساخته، امروزه آیین نامه های متعددی جهت طراحی این اعضاء تدوین شده و تحقیقات متعددی در سراسر جهان در مورد کاربرد این اعضاء در حال انجام است. یکی از انواع پیشرفته قطعات پیش ساخته در ساختمان، پانلهای پیش ساخته با عملکرد مرکب بتن و اعضاء سرد نورد شده می باشد. مطابق شکل (1)، در این نوع پانلها مقاومت سازه ای پانل از عملکرد مرکب دال بتنی و عضو سرد نورد شده تامین می شود
شکل (1) نمونه ای از این اعضاء را که دارای دو دال بتنی می باشد نشان می دهد. طبق محاسبه و بسته به بار وارده و کاربری، دال بتنی می تواند در دو طرف اعضاء سرد نورد شده یا در یک طرف قرار گیرد. از پلی استایرن نیز به عنوان ماده پر کننده بین اعضاء سرد نورد شده استفاده می شود.
در این سیستم، دال بتنی و عضو سرد نورد شده در تمام طول عضو سرد نورد شده، باهم درگیری کامل داشته و بهمین دلیل این سیستم می تواند بصورت مرکب عمل نماید. دال بتنی بوسیله میلگرد مسلح شده و بایستی کفایت باربری در حد فاصل اعضاء سرد نورد شده را دارا باشد. میلگردهای استفاده شده از نوع آجدار بوده و بایستی منطبق بر مشخصات فنی ACI318 یا آیین نامه آبا باشند. ضخامت دال، مقدار مساحت سطح مقطع میلگرد و فواصل میلگردها طبق آیین نامه های فوق الذکر محاسبه می شود. اعضاء سرد نورد شده ای که در پانلهای دیوار استفاده می شود Delta stud و اعضاء سرد نورد شده ای که در پانلهای کف سازه استفاده می شود Mega joist نامیده می شود. ]1[
شکل 1. جزییات پانلهای کامپوزیت بتن و اعضاء سرد نورد شده
کلیه اعضاء سرد نورد شده پانلهای دیوار یا کف به اعضاء ناودانی شکلی بنام Track متصل می شوند. اعضاء سرد نورد شده این پانلها از نوع اعضاء سرد نورد شده با جان باز می باشد. جان باز به اعضاء سرد نورد شده امکان عبور تاسیسات را داده و در عین حال باعث افزایش پارامتر مقاومت به وزن می شود همچنین امکان کاهش تبادل دما بین دو طرف اعضاء را مهیا می کند.]2[
شکل 2. پروفیل Mega joist ]1[
شکل 3. پروفیل Delta stud ]1[
آزمایشات مختلفی در مورد باربری پانلهای پیش ساخته ذکر شده انجام گرفته است. این آزمایشات شامل آزمایشهای باربری قائم و افقی بوده است. آزمایش باربری جانبی پانلها جهت حصول اطمینان از عملکرد لرزه ای این پانلها و اتصالات آنها در موقع زلزله انجام می شود. در طی این آزمایشها می توان به ظرفیت باربری استاتیکی و دینامیکی پانلها دست یافت.
بطور نمونه در آزمایشی که بر روی پانل به ابعاد طول و عرض 1.8. متر و با مشخصات زیر انجام گرفت. مقدار ظرفیت باربری جانبی استاتیکی پانلها مورد بررسی قرار گرفت .3
در این آزمایش از اعضاء سرد نورد شده با جان باز Delta stud 18 GA با فواصل 610 میلی متر استفاده شد. دال بتنی 38 میلیمتری در یک طرف اعضاء سرد نورد شده قرار داشته و مقاومت بتن استفاده شده نیز 25.5 مگا پاسکال بود.
در این آزمایش بار جانبی بصورت صفحه ای و به بالای پانل وارد شده و بتدریج و بصورت استاتیکی افزایش یافت. با افزایش بار، مقدار تغییر مکان در هر لحظه قرائت شد.
نتایج آزمایش بیانگر آن است که این پانل قادر به تحمل بار جانبی استاتیکی 6.5 تن تا مرحله گسیختگی می باشد. همچنین این پانلها می توانند بار جانبی استاتیکی 4.5 تنی را در مرحله خطی تحمل کنند.
Py = 4.5 Ton , Pu = 6.5 Ton ,Pu / Py = 1.44
در شکل (4) منحنی بار- تغییر مکان پانل ذکر شده تا مرحله گسیختگی نشان داده شده است.
شکل 5. پانل و دستگاه تست
شکل 6. اعمال بار جانبی به پانل
شکل 7. گسیختگی پانل تحت اثر بار جانبی صفحه ای
شکل 8.منحنی بار – تغییر مکان تا نقطه گسیختگی
2. طراحی و مدلسازی
با توجه به ظرفیت باربری این پانلها، می توان از این پانلها برای کاربریهای مسکونی، تجاری و آموزشی استفاده کرد. حداکثر بار قابل تحمل کف برای این پانلها بار گسترده 500 کیلوگرم بر متر مربع بوده و دهانه مجاز پانلهای کف 6 متر می باشد.
اگر این پانلها به عنوان دیوار باربر استفاده شوند. در این صورت حداکثر ارتفاع این ساختمان 3 طبقه می باشد.بدیهی است در صورتی که از مشارکت فولاد گرم نورد شده به عنوان قاب با این سیستم استفاده شود، می توان ارتفاع ساختمان را افزایش داد. ]4[،]5[
اگر از پانلهای دیواری برای پر کننده میانقابی اسکلت فلزی یا بتن آرمه استفاده شود در این صورت می توان برای تمام طبقات ساختمان از این پانلها استفاده نمود و محدودیتی از بابت ارتفاع ساختمان برای این سیستم وجود ندارد. در صورت استفاده برای این کاربرد، پانلهای دیوار بایستی برای بار باد عمود بر صفحه (پانلهای بیرونی) و همچنین بار زلزله عمود برآن طراحی شوند. ]4[
این پانلها علاوه بر استفاده به عنوان کف طبقات، دیوار باربر، دیوار های بیرونی و جدا کننده می توانند بعنوان تیغه و پارتیشن نیز بکار روند.
در این مقاله نحوه مدلسازی وطراحی این پانلها به عنوان دیوار باربر و همچنین کف سازه ای توضیح داده شده است. شایان ذکر است علت انتخاب ساختمان با حداکثر ارتفاع 3 طبقه برای این ساختمان محدودیت های موجود در ASCE7-05 در مورد کاربرد این ساختمانها می باشد. ]5[
جهت مدلسازی این ساختمان می توان از نرم افزار ANSYS یا نسخه های بالاتر نرم افزار SAP یا ETABS استفاده نمود. ساختمان را می توان بوسیله نرم اقزارهای مذکور بصورت خطی و با غیر خطی تحلیل نمود. این نرم افزارها قابلیت مدل کردن المانهای کامپوزیت و تحلیل غیر خطی آن را دارند.
در تصاوير ذيل مدلسازی ديوار های باربر و مدل سازه ای سيستم پانل های پيش ساخته مشاهده می گردد.
2.1.بارگذاری لرزه ای پانلها
در مورد انتخاب ضریب رفتار این سیستم در موقع زلزله، تحقیقات مختلفی در حال انجام است. در آیین نامه های IBC2009 و همچنین ASCE7-05 مفاهیم طراحی لرزه ای این پانلها وارد شده است.
مقدر ضریب R برای این سیستم در جدول 12.2.1 آیین نامه ASCE7-05 و ASCE 7-05 برابر 2 در نظر گرفته شده است. این مقدار برای طراحی در حال حدی بوده و برای طراحی در حالت تنش مجاز ، این ضریب را می توان به اندازه 1.4 برابر افزایش داد. آیین نامه IBC2009 و همچنین آیین نامه IBC2006 جهت تعیین مقدار ضریب رفتارR ، جدول 12.2.1 آیین نامه ASCE7-05 را توصیه می کنند که از آن استفاده شده است.
روش کاربردی جهت طراحی لرزه ای این پانلها استفاده از روش استاتیکی خطی معادل می باشد.در این روش که از روشهای متداول در طراحی ساختمانها در برابر زلزله می باشد، بارزلزله بصورت مثلثی در ارتفاع ساختمان توزیع می گردد. در این روش بایستی ابتدا ضریب زلزله برای ساختمان محاسبه گردد و سپس با محاسبه وزن سازه، مقدار نیروی جانبی زلزله در تراز هر طبقه بدست آید.
با توجه به عدم پیش بینی مقدار ضریب R در آیین نامه زلزله 2800 ایران ، توصیه می شود در صورت استفاده از این آیین نامه، مقدار ضریب R مطابق آیین نامه ASCE7-05 یا آیین نامه IBC تعیین گردد.
2.2. طراحی دال بتن آرمه پانلها
طراحی دال بتن آرمه پانلها طبق آیین نامه های معتبر طراحی سازه های بتن آرمه انجام می گیرد. برای این منظور می توان از آیین نامه ACI318 یا آیین نامه طراحی سازه های بتن آرمه ایران استفاده نمود.
لازم به ذکر است بایستی کلیه محدودیت های ارائه شده در آیین نامه های فوق، در طراحی ها در نظر گرفته شود. با توجه به ضخامت کم دال بتن آرمه، بایستی در تعیین طرح اختلاط برای این پانلها دقت کافی را مبذول نمود.
3.2. طراحی Mega joist
همانطور که قبلاٌ نیز ذکر شد، اعضایی که در پانلهای پیش ساخته کف بکار می روند بنام Mega joist معروف هستند. با توجه به نبود استاندارد معتبری در این مورد در کشور ما، می توان از آیین نامه های معتبر امریکا (AISI) یا کانادا(CSA136-01) استفاده نمود.این اعضاء را می توان به روش تنش مجاز (ASD ) یا روش ضرایب بار (LRFD) طراحی نمود. در این بخش مراحل طراحی Mega joist مطابق آیین نامهAISI و به دو روش تنش مجاز و LRFD توضیح داده شده است.
با توجه به آنکه در اعضاء سرد نورد شده از ورقه های با ضخامت پایین برای ساخت پروفیل استفاده می شود، بایستی ابتدا نسبت ابعاد به ضخامت این ورقه ها کنترل شود. در صورت بالا بودن نسبت عرض یا ارتفاع مقطع به ضخامت، احتمال کمانش آن جز در اثر بار وارده وجود دارد.
در روابط بالا، b و h به ترتیب عرض و ارتفاع مقطع بوده و tc نیز ضخامت ورقه استفاده شده در مقطع می باشد. مقاطع استفاده شده بایستی محدودیتهای (1) و (2) را ارضا نمایند. با توجه به احتمال جاری شدن موضعی در بال اعضاء سرد نورد شده، بایستی حتماً ضریب S برای این مقاطع محاسبه شود. دراین رابطه E به عنوان مدول مقطع و f نیز تنش خمشی جاری شدن می باشد.
( با مقایسه رابطه (1) ورابطه (3) می توان مطابق آیین نامه AISI مقدار مساحت مقطع موثر جهت تحمل تنش خمشی را محاسبه نمود. توجه به این نکته ضروری است که روابط (1) و (2) شرایط حاکم جهت استفاده از مقطع می باشند و رابطه (3) مقدار مساحت موثر مقطع را مشخص می نماید.
پس از طراحی خمشی اعضاء براساس روش تنش مجاز یا ضریب بار، بایستی طول مهار نشده جانبی Mega joist محاسبه شود تا در فواصل مناسب برای آن اعضاء جانبی به عنوان مهار تعبیه شود.
در رابطه (4) ضریب خمش Cb طبق ضوابط آیین نامه AISI و مطابق رابطه (5) تعیین می شود. در این رابطه E مدول الاستیک مقطع، d ارتفاع مقطع، Iyc ممان اینرسی بخش فشاری مقطع حول محور مرکزی موازی جان، Fy تنش جاری شدن مقطع وS مدول الاستیک مقطع می باشد.
در رابطه (5) پارامترهای موجود در مقطع بصورت زیر می باشند.
Mmax: لنگر حداکثر مقطع
M1 : لنگر در یک چهارم طول مقطع
M2 : لنگر در وسط دهانه
M3 : لنگر در سه چهارم طول دهانه
جهت طراحی مقطع برای برش بایستی کنترل های زیر انجام گیرد :
دراین رابطه d0 قطر سوراخ مقطع و d ارتفاع کل مقطع می باشد. طبق رابطه (6) سوراخ موجود در جان بایستی محدودبه مقادیر مجاز اشاره شده در آیین نامه گردد.
در رابطه (7) صورت کسر بیانگر ارتفاع خالص جان می باشد. در این فرمول d ارتفاع کل، R شعاع انحناء اتصال بال به جان و tc ضخامت جداره عضوسرد نورد شده می باشد.
جهت محاسبه حداکثر تنش مجاز آیین نامه، بایستی مقدار ضریب زیر محاسبه گردد.
با محاسبه این ضریب، می توان مقدار تنش برشی قابل تحمل برای یک Mega joist را بدست آورد. در رابطه فوق، Kv ضریب کمانش برشی بوده وطبق ضوابط AISI تعیین می شود. ضرایبE و Fy نیز قبلاً معرفی شده اند.طبق AISI مقدار تنش برشی برای هر مقطعی با توجه به ضریب فوق و برای حالات مختلف ASD و LRFD بدست می آید.
طبق ضوابط AISI، بایستی مقدار تنش برشی بدست آمده Vn را برای جان سوراخدار تصحیح نمود. بنابراین مقدار برش نهایی قابل تحمل از حاصلضرب Vn در ضریب کاهش تنش qs بدست می آید. ضریب qs نیز طبق آیین نامه به ابعاد سوراخ و همچنین مشخصات جان مقطع بستگی دارد.
بایستی این اعضاء برای ترکیب خمش و برش نیز طراحی گردند.
در رابطه (10) کنترل اعضاء سرد نورد شده برای ترکیب برش و خمش نشان داده شده است.
علاوه بر طراحی برای برش و خمش، بایستی اعضاء سرد نورد شده Mega goist برای لهیدگی جان تحت اثر بارهای متمرکز کنترل شوند. این پدیده در AISI به web crippling معروف بوده و جان اعضاء سرد نورد شده بایستی قادر به تحمل بار متمرکز باشند.
در انتها بایستی مقدار تغییر مکان حداکثر Mega joist کنترل شود. مقدار حداکثر تغییر مکان این اعضا بایستی با مقادیر مجاز آیین نامه IBC2009 وASCE7-05 مقایسه گردد. با توجه به مقایسه روابط ارائه شده در این آیین نامه ها، توصیه می شود مقادیر تغییر مکان حداکثر تحت اثر بار مرده و زنده با مقدار L/480 مقایسه گردد که L دهانه Mega joist می باشد.
4.2. طراحی Delta stud
5.2. طراحی TRACK
6.2. طراحی اتصالات
3. نتیجه گیری
· بررسی ساختمان 3 طبقه طراحی شده با استفاده از پانلهای پیش ساخته کامپوزیت بتن و اعضاء سرد نورد شده مجوف نشان می دهد، با استفاده از پانلهای مذکور مقدار مصرف مصالح نسبت به استفاده از اسکلت فلزی گرم نورد شده به اندازه بیست درصد کاهش می یابد.
· با توجه به نقش موثر دیوارها در تحمل بار جانبی در اين سيستم، و اين مهم که اثر وقوع زلزله یا باد شدید در جهت عمود بر سطح دیوار، دیوارهای دیگر موازی جهت بار وارده وظیفه انتقال بار را بر عهده خواهند داشت ، بایستی در جانمایی دیوارها اهتمام ويژه ای داشت.
· با توجه به صرفه جویی در استفاده از مصالح و همچنین کاهش زمان اجرا، توصیه می شود در ساخت ساختمان، خصوصاٌ در پروژه های انبوه سازی مسکن از این تکنولوژی استفاده شود.
4. مراجع
1. SSMA, Steel Stud Manufacturers Association ICBO ER-4943P, Chicago,Illinois
2. Bodycote Material Testing Canada Inc, BMTC-04-00-TMCP 04-08-0522, July 22,2004
3. Bodycote Material Testing Canada Inc, Report No. 03-06-M0356 , ‘Evaluation of Stud columns and composite Walls For TMCP Building System Inc.’ December 29 ,2003
4. Wei wen yu , Cold formed steel design , 1991
5. ASCE 7. 2005. Minimum design loads for buildings and other structures. SEI/ASCE 7–02, American Society of Civil Engineers: Reston, VA.
6. IBC 2009, International Building Code , International Code Council
7. IBC 2006, International Building Code , International Code Council
در صورت تمایل به دریافت نسخه کامل مقاله (همراه با اشکال و نمودارها) به ايميل سايت پیغام ارسال کنید
مقالات مختلفی که از سال 1379 تا کنون در زمينه های مختلف منتشر کرده ام و عمدتاً در مجلات فنی- تخصصی، دانشجویی و يا کنگره های ملی و بين المللی به چاپ رسيده است همگی در اين وبلاگ قابل دسترسی می باشد که اميدوارم زمينه های همکاری با علاقمندان به اين موضوعات را فراهم آورد.