اتصال مفصلی تیر میان طبقه راه پله بتنی به ستون
امروزه در ساختمانهای قاب خمشی بتنی اتصال پله در میان طبقه به ستونها یکی از مشکلات طراحی و اجرایی محسوب میشود. این مشکل از آنجا ناشی میشود که اتصال تیر میان طبقه به ستون، در نرم افزار به صورت مفصل مدل سازی میشود این در حالی است که اجرای این اتصال مفصلی به علت عدم جزییات اجرایی مناسب با فرض اولیه (اتصال مفصلی) تطابق ندارد. آشکار است این اتصال غیراصولی تیر میان طبقه به ستون از نظر تغییر بارگذاری و در آخر تغییر رفتار چند ستون متصل به دال نیم طبقه پله، ضعفی آشکار برای این ستونها و کل سازه محسوب میشود.
این اتصال بر اساس ظرفیتهای موجود در ضوابط و مقررات ملی ساختمان، مبحث ۳ تعریف شده و میتواند راهکاری مناسب برای تطبیق طراحی با اجرا باشد.
از وظایف اصلی راه پله در ساختمانها فراهم کردن امکان حرکت افراد از طبقهای به طبقهی دیگر است. این فلسفه وجودی راه پلهها در کنار مسایلی مانند افزایش تعداد طبقات ساختمان و استفاده از آنها به عنوان پله فرار اهمیت زیادی برای این فضاها در سازه ایجاد کرده است. باید در طرح و اجرای آنها دقت زیادی کرد تا در خدمت رسانی بدون وقفه آنها در مواقع اضطرای خللی وارد نیاید. پله در ساختمان از نظر سازهای نقش دوم را دارد در حالی که هنگام خدمت رسانی، در نقش اول ظاهر میشود. به این معنا که با حذف پله، سازه ناپایدار و تخریب نمیشود لیکن خدمت رسانی سازه مختل میشود.
از این رو کمتر به این مهم توجه میشود و نقایص طراحی و اجرایی کنونی در حدی نیست که تحت بارگذاری ثقلی آسیب جدی به سازه و خدمت رسانی آن وارد کند. اما با توجه به تجربیات زلزلههای گذشته و صدمات جدی این بخش از سازه در مییابیم که نه تنها این اعضاء نخواهند توانست به وظیفه ذاتی خود هنگام وقوع زلزله که همان تخلیه ساکنین است عمل کند بلکه با عملکرد غیر اصولی خود جان ساکنین و پایداری سازه را نیز به خطر میاندازند.
راه پلهها دارای انواع بسیار زیادی هستند که در یک نگاه کلی میتوان بر حسب نوع مصالح سازه، آنها را تقسیم بندی نمود.
به علت مزایای نسبی ساختمانهای بتن آرمه نسبت به سایر مصالح امروزه کشور شاهد اجرای گستردهی این ساختمانها است. اجرای ساختمانهای بتن آرمه باید بر اساس ضوابط و رعایت جزییات اجرایی آنها باشد. زیرا تنها عملیاتی شدن دقیق طراحها است که میتواند ضامن عملکرد مورد نظر سازه و اجزای آن مطابق محاسبات انجام شده، باشد. از گذشته تاکنون تطابق طراحی و اجراء همواره از دغدغههای پژوهشگران، طراحان، محاسبان، ناظران و عوامل اجرایی ساختمان بوده و در این عرصه کارهای بسیاری صورت گرفته به گونهای که امروزه توان اجرای دقیق طرحهای محاسباتی ساختمانهای بتن آرمه به وجود آمده است. اما در این مسیر همچنان راههای نرفته بسیاری وجود دارد که با عملیاتی شدن آنها شاهد ارتقاء کیفیت ساخت و سازه این نوع سازهها خواهیم بود.
یکی از کمبود های موجود در خصوص ساختمانهای بتن آرمه کشور عدم جزییات اجرایی مناسب در اتصال پله بتنی به ستون است. جزییات اجرایی این اتصالات امروزه به صورت قانونی نوشته نشده بین متخصصین طراح و مجری وجود داشته و به صورت سلیقهای اجرا میشوند.
راه پله بتنی در ساختمانهای بتن آرمه دارای سه جزء اصلی شمشیری، دال پله وتیرها و اتصالات رابط پله با سازه هستند. روشها و مصالح مختلفی برای اجرای یک راه پله در سازه بتنی وجود دارد که میتوان به روش تیرچه بلوک، دال بتنی، کامپوزیت و پیش ساخته اشاره نمود.
ضخامت این دالها برحسب دهانه و مقدار بارگذاری تعیین میشود که دو شبکه میل گرد مطابق با مشخصات طراحی در این ضخامت جای میگیرند . پلههای قابل اجرا از نظر معماری در ساختمانهای بتن آرمه شامل پله پیچ، دوطرفه، سه طرفه و چهار طرفه است. انتقال بار این پلهها بر اساس تعداد اتصال آنها به سازه تعیین میشود. برای مثال پله پیچ درابتدا و انتها به تیرهای کف متصل است و کل وزن و بارهای وارد بر آن به وسیلهی این دو نقطه به سازه منتقل میشود. در حالی که به علت شکستگی و تغییر زاویه در پلههای دیگر این انتقال بار در هر تغییر جهت پله به وسیلهی اتصال دال پله به ستون مجاور آن منتقل میشود.
بر اساس جزییات کنونی، این اتصال به وسیلهی تیر میان طبقه پله که در زیر دال پله قرار گرفته و دوسر آن به ستونهای دوطرف متصل است، تأمین میشود. فلسفه طراحی و مفروضات این اتصال برای جلوگیری از تحلیل دینامیکی، بسیار ساده منظور میشود اما در واقع با جزییات اجرایی کنونی این اتصال تطبیق ندارد.
اجزای پله (دال شمشیری و کف) با رفتار پوستهایی خود فقط نیروهای برشی را به تکیه گاهها منتقل میکنند. این تکیه گاهها شامل کف طبقات بالا، پایین و در حد فاصل ارتفاع طبقه به وسیلهی تیر میان طبقه به ستونهای کناری آن منتقل میشود. در این جزییات تیر میان طبقه قرار نیست به عنوان بخشی از قاب خمشی در سیستم باربر جانبی مشارکت نماید. بلکه باید تیری دو سر مفصل باشد و فقط انتقال نیروی برشی قائم و افقی توسط آن امکان پذیر باشد نه نیروهای خمشی یا پیچشی.
به علت سختی اندک دال و شمشیری پله در جهت افقی نیروی وارد از آن به ستونها بسیار کم است که در غیر این صورت برای جلوگیری از وقوع پدیدهی ستون کوتاه باید در بالا و پایین اتصال تیر به ستون خاموت گذاری فشرده صورت گیرد. روشن است طراحی و اجرای اتصالی بتنی که دارای چنین ویژگی باشد بسیار دشوار است. به عبارتی میتوان گفت اجرای اتصال مفصلی ایدهال با بتن ریزی درجا غیر ممکن است. جزییات اجرایی اتصالات و نحوه انتقال بارهای وارد از پله در نیم طبقه به سازه، درصدی از یک اتصال مفصلی ایده ال را پوشش میدهند.
تیر میان طبقه با اتصال x
این اتصال متداولترین اتصال مفصلی تیر میان طبقه به ستون است. در گذشته نه چندان دور تنها گزینه پیش روی برای اجرای اتصال تیر میان طبقه بود. در طراحی این اتصال با عبور میل گردهای بالا و پایین تیر در بر تکیه گاه (ستونها) به صورت ضربدری، از انتقال نیروهای خمشی و پیچشی به ستون جلوگیری میشود. فلسفه کاربرد این اتصال و همگرا کردن میل گردهای طولی طرحی از پرفسور نعیم است، که از این اتصال برای دور کردن مفصل پلاستیک از محل اتصال استفاده کردهاند.
اما براساس جدیدترین پژوهشهای صورت گرفته این اتصال رفتار مفصلی ندارد. درحالی که اجرای اتصال فوق در کشور دشوار و به ندرت میتوان اتصالی را با این روش اجرا یافت. نصب خاموتها در محل اتصال، خم دقیق میلگردهای طولی، قالب بندی و بتن ریزی ستون و تیر، برخی از مشکلات اجرایی این روش است. برای آسانی اجرای این اتصال در عمل، میلگردهای تیر در داخل ستون، دارای قلاب۹۰درجه بوده و رفتار آنها بیشتر شبیه به تیر دو سر گیردار است.
تیر میان طبقه به ضخامت دال
پس از اجرای ناموفق اتصال x در اجرا برخی طراحان برای هماهنگی فرضیات خود با روشهای اجرایی، پیشنهاد کاهش ارتفاع تیر میان طبقه به اندازهی ضخامت دال پله را ارائه نمودند. در این طرح کاهش ارتفاع تیر به اندازهی ضخامت دال مطرح شد تا به این طریق با کاهش ارتفاع مؤثر تیر نیم طبقه ظرفیت خمشی تیر کاهش یابد. به این صورت لنگر انتقالی به ستونها کاهش زیادی پیدا میکند.
تیر میان طبقه با حذف مهار میلگرد تیر
در این روش برای کاهش ظرفیت خمشی تیر، مهار میلگردها در ستون حذف شده، و انتظار میرود هنگام وارد شدن لنگر، این میلگردها بر اثر کشش وارد شده در جای خود بلغزند و نیرویی منتقل نشود. از این اتصال به مراتب استقبال بیشتری نسبت به نوع x صورت گرفت. اما برخی از مشکلات اجرایی عنوان شده در اتصال قبلی همچنان مانع از اجرای دقیق آن میشود. به طوری که عموماً میلگردهای طولی پایین نیز مانند بالا ساده اجرا میشود.
تیر میان طبقه فولادی
این روش به بهترین شکل، اتصال مفصلی دو سر تیر را عملیاتی میکند. از آنجا که اجرای اتصال مفصلی با فولاد با دقت بسیار بیشتری نسبت به بتن قابل اجرا است، در این روش با تعبیه صفحات فولادی بر وجوه ستون محل اتصال تیر، به صورت درجا با شاخک یا کاشت بولت امکان اتصال نبشیهای بالا و پایین، تیر فولادی فراهم میشود.
در اتصال دو سر تیر آهن با نبش بالا و پایین عملاً نیروی برشی منتقل میشود. بال بالای این تیر آهن نشیمن گاه دال بتنی کف پله خواهد بود و به علت وجود درز اجرایی سرد (عدم بتن ریزی پیوسته بین دو عضو بتنی دال و ستون) بین دال بتنی و ستون هیچ لنگری بر ستون وارد نخواهد آمد. در صورت نیاز به کاهش نیروهای افقی وارد از دال پله به ستون لازم است درز اتصال دال پله با ستون با مصالحانعطاف پذیر پُر شود.
علاوه بر روشهای یاد شده برخی راه کارهای دیگر مانند تعبیه دستک (کُربل) در وضعیت پیش ساختگی و انتقال بار کف پله در میان طبقه به تیر بالا یا پایین، اجرایی است. در ایران روشهای یاد شده کم استفاده میشود و روشهای گفت شده (الف-ب-پ-ت) با تمام نواقص همچنان به عنوان گزینههای اجرایی به کار برده میشوند.
پس از بررسی دقیق بارهای وارده تیر میان طبقه و عملکرد مورد نیاز اتصال این تیر، ظرفیتهای موجود در ضوابط و استانداردهای کشور مطالعه و طرح اتصال برشی -اصطکاکی برای این اتصال پیشنهاد شد. همان گونه که از نام این اتصال مشخص است، بخش اعظم نیروی برشی به وسیلهی میلگرد (ظرفیت برشی فولاد) و بخش اندکی از آن در صورت رعایت ضوابط اجرایی اتصال بتن جدید به قدیم به وسیلهی اصطکاک بتن، به ستون منتقل میشود. تمرکز اصلی انتقال نیرو به وسیلهی این اتصال، بر برش فولاد بوده، البته در صورت نیاز و تمهیدات لازم در این اتصال میتوان از ظرفیت برشی اصطکاکی بتن نیز استفاده کرد. برای به کمینه رساندن ظرفیت لنگر این اتصال، باید در این طرح اتصال دال پله با ستون با کمترین سطح مقطع اجرا شود. پس دال کف پله فقط به گوشهی ستون به وسیلهی میلگردهای انتظار قرار داده شده، متصل میشود. لازم است میلگردهای انتظار در کنج ستون با پیش بینی قرارگیری آنها در حد فاصل دو شبکه میلگرد دال پله و در جهتهای مختلف برای کاهش طول مهاری جای گذاری شوند. سپس قالب بندی و بتن ریزی ستون با موقعیت میلگردهای قرار داده شده انجام میشود.
میلگردگذاری این اتصال، بعد از بستن شبکهی میلگرد ستون انجام میشود. این اتصال کمترین مزاحمت را برای قالب بندی ستون خواهد داشت و فقط قالب کنج محل اتصال به اندازهی ضخامت دال کف پله بالاتر نصب میشود. پس از آن منافذ موجود بسته میشود تا از خروج و کرمو شدن بتن این ناحیه جلوگیری شود. پس از بازکردن قالب، برای کاهش مصرف میلگرد در این اتصال می توان سطوح بتنی در تماس با دال کف پله را مضرس کرد. تا به این طریق از ظرفیت برشی اتصال بتن دال پله با بتن ستون به شکل مناسبی استفاده شود.
ضوابط طراحی اتصال مفصلی جدید
طراحی این اتصال بر اساس مبحث ۹ مقررات ملی ایران انجام میشود. با توجه به نوع اتصال دال به ستون، در دو صفحه جداگانه، نیرو به صورت برشی اصطکاکی منتقل میشود. کاربرد این ضوابط در مواردی مجاز است که انتقال نیروی برشی بین دو سطح با مشخصات مندرج زیر، مورد نظر باشد و انتقال برش در موارد بالا به وسیلهی عملکرد برشی اصطکاکی صورت میگیرد.
- وجود ترک یا استعداد ترک خوردن بین دو سطح
- دو سطح ساخته شده با مصالح غیر متشابه
- دو سطح بتنریزی شده در زمانهای متفاوت
با وجود بتن ریزی در زمانهای مختلف با پیوستگی بتن جدید و قدیم همراه خواهد بود و در مقابل برش مستقیم نسبتاً قوی است، با این وجود همواره این احتمال وجود دارد که یک ترک در موقعیت نامناسبی تشکیل شود. در فرضیه اتصال برش اصطکاکی است که وقوع چنین ترکی در این حد فاصل را در نظر میگیرد و میلگردها باید در عرض ترک فراهم شوند تا مقاومتی در برابر جابه جایی نسبی در راستای ترک بوجود آید. هنگامی که برش در راستای یک ترک اثر میکند، صفحهی ترک نسبت به صفحهی دیگر دچار لغزش میشود. چنانچه سطوح ترک زبر و ناهموار باشند این لغزش با جدا شدن سطوح ترک همراه است. در آخر این جدا شدگی برای ایجاد تنش در میلگردهای گذرنده از محل ترک تا رسیدن به نقطهی تسلیم کفایت میکند.
مزایای اتصال مفصلی تیر میان طبقه
این روش با توجه به مزایای زیادی که دارد به راحتی میتواند جایگزین روشهای کنونی در این زمینه باشد. نیاز بیشتر ساختمانهای بتنی به اجرای تیر میان طبقه از دیگر امتیازات این طرح است تا در جهت حفظ سرمایههای کشور در کنار بهبود عملکرد این سازهها نقش آفرینی کند. برخی از مهمترین مزایای این اتصال نوین ارایه میشود.
- هماهنگی بیشتر با چگونگی مدل سازی در مقایسه با سایر روشهای موجود.
- کاهش آثار نامطلوب تیر میان طبقه بر ستونها
- کاهش مصرف مصالح (بتن و میلگرد)
- کاهش بارگذاری (به علت حذف تیر میان طبقه)
- کاهش قالببندی (به علت حذف تیر میان طبقه)
- افزایش سرعت اجرایی (به علت حذف تیر میان طبقه)
- اقتصادی بودن
- اجرای آن در بسیاری از نقاط دیگر ساختمانها که دارای چنین شرایطی هستند.
- سادگی و کفایت تخصص موجود در اجرای اتصال
- مطابقت با ظرفیتهای موجود در مقررات ملی ساختمان مبحث ۳ و استانداردهای جهانی.
- قابلیت کاربرد به عنوان روشی مناسب در بهسازی و مقاوم سازی سازههای بتن آرمه خصوصاً در اتصالات راه پله.
