مفاهیم پایه در مورد دیافراگم سقف در سازه ها(کاملترین بررسی)

دیافراگم مجموعه اجزاء افقی سازه است که انتقال بارها به عناصر مقاوم جانبی قائم را انجام می دهند.

دیافراگم ها در سه دسته صلب ، نیمه صلب و انعطافپذیر دسته بندی میشوند.

این تقسیم بندی بر این مبنا است که میزان جابه جایی ایجاد شده در دیافراگم سقف ناشی از بار جانبی ( با کسر مقادیر ناشی از عملکرد صلب کامل دیافراگم ) در مقایسه با جابه جایی جانبی نسبی سقف ( با فرض عملکرد صلب کامل ) چه نسبتی دارد :

انواع دیافراگم سقف در سازه :

دیافراگم صلب : نسبت جابه جایی دیافراگم به جابه جایی جانبی نسبی طبقه کمتر از 0.5 است
دیافراگم نیمه صلب : نسبت جابه جایی دیافراگم به جابه جایی جانبی نسبی طبقه کمتر از 2 و بیشتر از 0.5 است
دیافراگم انعطافپذیر : نسبت جابه جایی دیافراگم به جابه جایی جانبی نسبی طبقه بیشتر از 2 است

عناصر دیافراگم سقف :

کالکتور ها یا جمع کننده ها :

دیافراگم خود از عناصر مختلفی تشکیل شده است. یکی از این عناصر ، Collector یا جمع کننده است. وظیفه کالکتور جمع کردن نیروهای جانبی از بخش های مختلف دیافراگم و انتقال آن به عناصر مقاوم جانبی مثل دیوار برشی ، قاب خمشی یا قاب مهاربندی شده است.

کالکتور ها یا جمع کننده ها با عناصر مقاوم جانبی در یک محور قرار میگیرند و انتقال نیرو را از طریق عملکرد محوری به صورت نیروهای کششی یا فشاری انجام میدهند.

کالکتورها در دو سمت عناصر مقاوم جانبی و به موازات و در راستای آنها قرار میگیرند.

کالکتور میتواند هم عرض عنصر مقاوم جانبی باشد و یا عرض آن بیشتر از عنصر مقاوم جانبی باشد که در این حالت بخشی از نیروی جانبی با عملکرد برش اصطکاکی منتقل میشود. در صورتی که عناصر مقاوم جانبی در تمام عرض پلان (به موازات نیروی زلزله ) گسترش داشته باشند ، انتقال نیرو به شکل دیگری انجام میشود.

در این حالت انتقال نیرو با اتصال مستقیم دیافراگم سقف به عناصر مقاوم جانبی و عمدتاً از طریق عملکرد #برش_اصطکاکی انجام میگیرد. در برش اصطکاکی ، اتصال عنصر مقاوم جانبی و دیافراگم ممکن است یک اتصال سرد باشد ( بتن ریزی در دو زمان مختلف انجام گیرد ) که در این حالت با استفاده از آرماتورهای برش اصطکاکی ( Dowell ) که نیمی در داخل دیافراگم و نیم دیگر در عنصر مقاوم جانبی ( به طور خاص دیوارهای برشی ) قرار میگیرند اتصال این دو برقرار میشود و انتقال نیرو انجام میشود.

عناصر لبه یا کورد :

 یکی دیگر از عناصر تشکیل دهنده دیافراگم ، عناصر لبه یا #Chord است. این عناصر، عمود بر نیروی جانبی زلزله و در لبه های دیافراگم و یا لبه های بازشوهای بزرگ سقف قرار میگیرند. این عناصر به نوعی نقشی مشابه المان مرزی در دیوارهای برشی را ایفا میکنند.

عمده لنگر خمشی داخل صفحه ایجاد شده در سقف ناشی از نیروی دیافراگم توسط این عناصر تحمل میشود.

این عناصر بر اساس نیروهای محوری کششی یا فشاری طراحی میشوند. جهت تامین مقاومت خمشی مورد نیاز در دیافراگم و جلوگیری از تراکم آرماتور در منطقه ای کوچک از دیافراگم میتوان عرض این عناصر را تا یک چهارم بعد پلان به موازات نیروی جانبی زلزله در نظر گرفت.

عنصر توزیع کننده :

 عنصر توزیع کننده یا #Distributer بخش دیگری از دیافراگم ها میباشد. این بخش وقتی به وجود می آید و مورد نیاز است که یکی از عناصر مقاوم جانبی ( مانند دیوارهای برشی ) در طبقات بالاتر به یکباره قطع شده و در طبقات پایین ادامه نمی یابد و یا به موقعیت دیگری در پلان جابه جا میشود. در این حالت دیافراگم سقف در این تراز، وظیفه جمع کردن نیروی عناصر طبقه بالاتر و انتقال آن به دیگر عناصر مقاوم در طبقه پایین را دارد. Distributer عنصری طولی در راستای عنصر مقاوم جانبی قطع شده است که مشابه کالکتور یا کورد تحت نیروی محوری قرار دارد و این نیرو میتواند به صورت کششی یا فشاری باشد.

آنالیز دیافراگم :

دیافراگم سقف باید تحت اثر بارهای جانبی خاص طراحی دیافراگم و همزمان با اثر بارهای ثقلی آنالیز و طراحی شود.

جهت آنالیز سازه تحت بارهای جانبی دیافراگم ، میتوان آن را همانند یک تیر عمیق در نظر گرفت. راستای این تیر، عمود بر نیروهای جانبی است. عمق تیر به اندازه بعد پلان در راستای نیروی جانبی و تکیه گاه های این تیر همان قاب های مقاوم جانبی ( دیوارها ، قابهای خمشی ، قابهای مهاربندی شده ) میباشند.

بر اساس بارهای جانبی میتوان این تیر فرضی را تحلیل و نمودار برش و لنگر آن را استخراج نمود و بر اساس مقادیر به دست آمده برای برش و لنگر ، اقدام به طراحی دیافراگم نمود. نیروی برشی میتواند توسط تمام عناصر دیافراگم ( در مقطعی از دیافراگم به موازات نیروی برشی ) تحمل گردد. لنگر خمشی نیز عمدتاً توسط عناصر لبه میتواند تحمل شود.

ضوابط طراحی دیافراگم سقف :

ضوابط طراحی دیافراگم برای برش و خمش در فصول 12 و 18 آیین نامه #ACI -318-14 قابل دسترسی است. همانطور که در قسمتهای قبل ذکر شد، جهت تحمل لنگر خمشی میتوان به عنوان یک روش ساده شده ، در هر سمت تا حدود یک چهارم بعد تیر فرضی ( بعد پلان در راستای نیروی جانبی ) را در تحمل لنگر خمشی مشارکت داد. در صورت تغییر بعد پلان ( تغییر در ارتفاع تیر فرضی) یا وجود بازشو در پلان لازم است که آرماتورهای قرار گرفته در دیافراگم جهت تحمل خمش به اندازه طول مهاری در قسمت مجاور ادامه یابد.

به جای استفاده از این روش ساده شده میتوان از روش اجزاء محدود نیز استفاده نمود و مقادیر دقیق تنشها در نقاط مختلف سقف را محاسبه و بر حسب آن اقدام به طراحی بخشهای مختلف دیافراگم نمود.

نکته :

✅ تحت بارهای جانبی ایجاد شده در دیافراگم و لنگر خمشی ایجاد شده ناشی از آن ، در بخشهایی از سقف که تنش از مقدار 0.2f’c افزایش می یابد لازم است که مشابه المان مرزی دیوار برشی و نیز ستونهای بتنی ، آرماتورهای طولی عناصر لبه به طور مناسب با آرماتورهای عرضی محصور شوند. این موضوع در مورد قسمتهای لبه بازشوها در دیافراگم نیز صادق است.

✅ بخشهایی از دیافراگم سقفها ، دارای حساسیت بیشتر بوده و در آنها نیروهای بیشتری متمرکز میشود و لازم است به صورت دقیقتری مورد بررسی قرار گیرند. سازه های دارای نامنظمی هندسی در ارتفاع که در یک تراز خاص به یکبار دچار تغییر قابل توجه در ابعاد پلان میشوند از آن جمله هستند.

در این موارد در ترازی که تغییر پلان رخ میدهد ، دیافراگم سقف دچار نیروهای قابل توجه، ناشی از عناصر طبقات بالاتر شده که لازم است به عناصر جدید اضافه شده در پلان در طبقات پایینتر ،آنها را منتقل نماید. یکی دیگر از ترازهایی که دچار این موضوع میشود تراز پودیوم ( #Podium ) میباشد.

پودیوم در ساختمانهایی وجود دارد که دارای طبقات زیرزمین بوده و به دلیل دیوارهای حائل پیرامونی متصل به سازه ، تراز پایه در آنها بالاتر از تراز فونداسیون است.

در اینگونه ساختمانها در طبقات زیر تراز پایه ، عملکردی تحت عنوان #Backstay_effect رخ میدهد که باعث ایجاد یک برش وارونه قابل توجه در دیافراگم سقف میشود که لازم است به صورت دقیق مورد بررسی قرار گیرد ( در این مورد قبلاً در یک پست از کانال بحث شده است)

نکات آیین نامه :

✅ نکته دیگر که باید توجه گردد لزوم بررسی عناصری از دیافراگم برای اثر #زلزله_تشدیدیافته است. جمع کننده ها مطابق آیین نامه 2800 باید تحت اثر زلزله تشدیدیافته و با حضور بارهای ثقلی مورد طراحی قرار گیرند.

✅ آخرین نکته در این بخش اینکه مطابق بند 3-8-7 از #آیین_نامه_2800 در صورتی که سازه دارای #نامنظمی_در_پلان به دلایل هندسی ، دیافراگم و خارج از صفحه و یا #نامنظمی_در_ارتفاع به دلیل قطع سیستم باربر جانبی باشد لازم است که برای مناطق با سطح خطر زلزله متوسط و بالاتر ، نیروی طراحی اتصالات دیافراگم به اجزای قائم اجزای جمع کننده به میزان 25 درصد افزایش یابد.

نویسنده :احمد رضا جعفری

با مرکز طراحی ساختمان مهندس طراحی سازه شوید