سقفهای بتنی
یکی از اجزای اصلی تشکیل دهندهی انواع ساختمانها، سقفها و از آن جمله سقفهای بتنی هستند که نقش اساسی آنها انتقال نیروهای قائم و افقی ناشی از بارهای ثقلی و نیروهای جانبی شامل بارهای باد و زلزله به سایر اعضای باربر است. سقفهای سازهای علاوه بر اینکه تحمل کنندهی بارهای ثقلی در ساختمانها هستند، براساس میزان صلبیت در هنگام زلزله وظیفهی توزیع و انتقال نیروهای ایجاد شده در دیافراگمها را به عناصر قائم باربر جانبی بر عهده دارند. همچنین این عناصر باید در برابر تغییرشکلهای افقی که در میان صفحهی آنها ایجاد میشود، مقاومت و سختی کافی را دارا باشند. یکی از انواع متداول سقفهای بتنی، سقفهای تیرچه و بلوک هستند. طرح و اجرای آسانتر و صرفهی اقتصادی، فلسفهی اصلی رجوع به سقفهای تیرچه و بلوک است.
انواع سقفهای تیرچه و بلوک
سقفهای تیرچه و بلوک به دو دستهی کلی سقفهای با تیرچههای بتنی و سقفهای با تیرچههای فولادی با جان باز تقسیم بندی میشوند. حال آنکه هر یک از این نوع سقفها به لحاظ جزئیات اجرایی و نیز نوع بلوک مصرفی تنوع دارند. (مانند سقفهای با بلوک بتنی، بلوک سفالی، بلوک پل یاستایرن و…..).
مزایای استفاده از سقفهای تیرچه و بلوک
استفاده از سقفهای تیرچه و بلوک در ساختمانهای متعارف، بسیار مرسوم است. از مهمترین مزایای سقفهای تیرچه و بلوک در مقایسه با سایر سقفها نظیر سقف طاق ضربی و دال بتنی مسلح یکپارچه، میتوان به موارد زیر اشاره نمود.
- به علت استفاده از بلوکهای توخالی و حذف بتن منطقه کششی، در مصرف بتن صرفه جویی قابل توجهی میشود.
- به دلیل کاهش فضای بتنی با استفاده از بلوکها در منطقهی کششی، از مصرف آرماتورهای فولادی کاسته میشود که این امر به لحاظ اقتصادی بسیار مناسب است.
- به علت تولید صنعتی تیرچه و بلوک در کارخانه، کیفیت مناسبتری حاصل شده و نیروی انسانی کمتری مورد نیاز است.
- با توجه به وزن کم تیرچهها، حمل و نصب آنها توسط کارگران امکانپذیر بوده و در ساختمانهای با طبقات کم، نیاز به استفاده از جرثقیل را منتفی مینماید.
- به علت پیش ساخته بودن تیرچه و بلوک، نصب سقف بسیار سریع و آسان بوده و به کارگران متخصص که برای قالب بندی و آرماتوربندی سقفهای بتن آرمه استخدام میشوند، نیازی نیست.
- قالب بندی زیر سقف، تنها به شمعبندی و نصب چهار تراش در فواصل معین، جهت تأمین تکیهگاههای موقت تیرچهها، محدود میشود.
- از نقطه نظر اجرایی، بهکارگیری سقفهای تیرچه و بلوک سرعت عمل بیشتری را موجب خواهد شد و به کارهای پرهزینه و وقت گیر کارگاهی نیازی نیست.
اجزای تشکیل دهنده سقفهای تیرچه و بلوک
سقفهای تیرچه و بلوک، تلفیقی از دو روش پیش ساختگی و بتن ریزی در محل است که در آن قالب تحتانی به کلی حذف میشود. در این سقفها در نوع تیرچهی فولادی با جان باز، تیرچهی فولادی و در نوع تیرچهی بتنی آن، آرماتورهای کششی و برشی (عرضی) و نیز پوشش بتن آرماتورهای اصلی، به صورت تیرچههای پیش ساخته، در کارخانه تولید میشوند. در کارگاه، پس از قراردادن تیرچهها در فواصل معین و شمعبندی زیر تیرچهها، بلوکها را بین دو تیرچه مجاور قرار داده و سپس آرماتورهای حرارتی را جای گذاری نموده و بتن ریزی را انجام میدهند. بنابراین اجزای سقف تیرچه و بلوک شامل موارد زیر هستند.
- تیرچه
- بلوک
- آرماتورهای افت و حرارت (حرارت و جمع شدگی) و آرماتور منفی
- کلاف میانی
- بتن پوششی (درجا)
تیرچه
همانطور که پیش از این عنوان شد، استفاده از دو نوع تیرچهی بتنی و تیرچهی فولادی با جان باز در سقفهای تیرچه و بلوک معمول است. در ادامه هر یک از این نوع تیرچهها، به تفکیک مورد بحث قرار گرفته است.
تیرچهی بتنی
عضو پیش ساختهای است که متشکل از بتن و آرماتورهای فولادی که با قرارگیری بلوکها مابین تیرچهها به عنوان قالب و با بتن پوششی درجا ریخته شده، مقطع مرکب T شکل مناسبی را تشکیل میدهند. تیرچه ها در دو نوع تیرچه خرپایی، و تیرچه پیش تنیده تولید میشوند. پیش از حصول مقاومت بتن ریخته شده، وزن بلوکها و بتن توسط تکیهگاههای موقت (شمع بندی) تحمل میشوند و پس از حصول مقاومت بتن ریخته شده تیرهای T شکل بتنی به هم چسبیده و مجاور هم، لنگر خمشی حاصل از بارهای قائم سقف را تحمل کرده و به تیرهای اصلی یا تکیه گاه ها منتقل میکنند. تیرچهها در سه مرحله تحت بارگذاری قرار میگیرند.
مرحله اول
تیرچه در مرحله حمل و نقل بار ناشی از مزن خود را تحمل میکند.
مرحله دوم
تیرچه در زمان اجرای سقف و به تنهایی بار مرده ناشی از اجزای سقف (وزن تیرچه، بلوک و بتن و پوششی درجا) و همچنین بارهای حین اجرا را بین تکیه گاههای موقت (شمع بندیها) تحمل میکند. این مرحله تا قبل از حصول مقاومت بتن ریخته شده است.
مرحله سوم
این مرحله در تیرچه پس از حصول مقاومت بتن ریخته شده فرا میرسد. ددر این مرحله تکیهگاههای موقت برداشته شده و تیرچه به عنوان عضو کششی مقطع T شکل، بار ناشی از بارهای مرده و زنده در هنگام بهرهبرداری را تحمل میکند.
در سقفهای تیرچه و بلوک تیرچههای بتنی در دو نوع تیرچهی پیش ساخته خرپایی و تیرچهی پیش ساخته پیش تنیده مورد استفاده قرار میگیرد.
تیرچه پیش ساخته خرپایی
این نوع تیرچهها از خرپای فولادی و پاشنه بتنی تشکیل شد ه و بر دو نوع هستند.
- با قالب ماندگار (قالب سفالی) که آن را تیرچه کفشک دار یا فندوله دار نیز مینامند.
- بدون قالب ماندگار
تیرچه پیش ساخته خرپایی برای تحمل مراحل سه گانه بارگذاری ذکر شده، از اجزای زیر تشکیل شده است.
- آرماتورهای کششی
- آرماتورهای عرضی
- آرماتور بالایی
- بتن پاشنه تیرچه
- آرماتورهای تقویتی
- آرماتور کمکی اتصال
شرح کامل جزییات در نشریه شماره ۵۴۳ آورده شده است.
تیرچه پیش ساخته پیش تنیده
این نوع تیرچه که فقط در کارخانههای مجهز تولید میشود از مقطع بتنی T شکل با رده مقاومتی C35 و بالاتر و مفتولهای فولادی با مقاوت بالا (۱۷۵۰ تا ۱۹۰۰ نیوتن بر میلیمتر مربع) تشکیل میشود. در این نوع تیرچه مفتولها را پیش از بتن ریزی تیرچه، توسط جکهایی تحت کشش معین قرار داده و سپس بتن ریزی مقطع اجرا میشود. پس از عمل آوری بتن و اطمینان از کسب مقاومت لازم، مفتولهای ار آزاد میکنند. در نیتجه بتن تیرچه تحت تنش فشاری قرار میگیرد. از آنجا که تیرچههای پیش ساخته پیش تنیده در محدوده این بخش دستورالعمل نیستند، از توضیحات بیشتر در این خصوص اجتناب میشود. به منظور دستیابی شرح مفصلتری از این نوع تیرچهها میتوان به نشریه شماره ۲۵۰ با عنوان آیین نامه طرح و محاسبه قطعات پیش تنیده مراجعه کرد.
تیرچه فولادی با جان باز
عضو پیش ساختهای است که به صورت خرپاهای ویژه دو سر ساده اجرا میشود. تیرچه فولادی با جان باز در سه مرحله تحت بارگذاری قرار میگیرد.
در مرحله اول باربری، تیرچه هنگام حمل ونقل بار ناشی از وزن خود را در مرحله دوم، در زمان اجرای سقف و قبل از گرفتن بار مرده سقف، (شامل وزن سقف، تیرچه، بلوک، بتن درجا و قالبها) و بار زنده عوامل اجرایی را در حد فاصل تکیهگاههای تیرچه تحمل میکند. در مرحله سوم باربری و پس از گرفتن بتن، مقطع مرکب شامل تیرچه و بتن، تنشهای ناشی از تمامی بارهای وارده به سقف را تحمل میکند. تیرچه فولادی برای تحنل مراحل سه گانه بارگذاری مذکور، از اجزای زیر تشکیل شده است.
- بال تحتانی
- اعضای قطری
- بال فوقانی
بلوک
بلوک سقفی قطعهای است پیش ساخته و توخالی که در بین دو تیرچه قرار گرفته و با توجه به ضخامت سقف و فاصله بین تیرچهها ، ابعاد آن متغیر است. از بلوک به عنوان قالب دائمی (که پس از اجرا در سقف باقی میماند) برای قالببندی جانبی جان تیر T شکل و همچنین قالب زیرین بتن پوششی درجا استفاده میشود. قسمت زیرین بلوک برای تأمین سطح هموار برای انجام نازک کاری زیر سقف و قسمتهای تیغههای داخلی بلوک به منظور تقویت مقطع بلوک تعبیه میشوند. مقاومت بلوکها در محاسبات مقاومت سقف منظور نشده و تنها به عنوان قالبهای دائمی و مصالح پرکننده محسوب میشوند. با این وجود، بلوکها باید مقاومت لازم برای تحمل ضربههای ناشی از حمل و نقل متعارف و نیروهای ناشی از عبور و مرور در زمان بتنریزی و قبل از آن را داشته باشند. شکل بلوک توخالی با توجه به این موارد، طراحی شده و معمولاً از مواد مختلفی نظیر سفال، بتن، بتن سبک، پلی استایرن و نظایر آن ها تولید میشود.
آرماتور افت و حرارت و آرماتور منفی
به منظور مقابله با تنشهای متفرقه در بتن پوششی (درجا) و برای جذب تنشهای ناشی از افت (جمع شدگی) و تغییر حرارت، آرماتورهایی در دو جهت عمود برهم و در قسمت بالایی بتن سقف و روی بلوک ها تعبیه میشوند که آرماتور افت و حرارت (حرارت و جمع شدگی) نامیده میشود. در صورتی که ارتفاع تیرچه خرپایی به حدی باشد که آرماتور بالایی تیرچه در محل تعبیه آرماتورهای افت و حرارت قرار گیرد، میتوان از آرماتور مذکور به عنوان آرماتور افت و حرارت در جهت طولی تیرچه استفاده کرد. با وجود طرح تیرچهها با فرض تکیهگاه ساده، لازم است قبل از بتنریزی، آرماتورهای منفی در هر یک از تیرچهها و در محل تکیهگاهها اضافه شود.
بتن پوششی (درجا)
بتن پوششی، قسمتی از تیر مرکب است که در محل کارگاه، پس از جای گذاری تیرچهها و بلوکها، بتن ریزی میشود و پس از حصول مقاومت لازم، به کمک آرماتورهای کششی تیرچه، بار وارد به سقف را تحمل میکند.
ضخامت بتن پوششی براساس طول دهانه و بار وارده طرح و محاسبه میشود. مشخصات فنی بتن پوششی نظیر دانهبندی، مصالح، نسبت آب به سیمان و نحوهی اختلاط باید مطابق ضوابط مندرج در آخرین ویرایش آیین نامه بتن ایران (آبا) باشد.
ضوابط طراحی سقفهای تیرچه و بلوک
از آنجایی که سقفهای تیرچه و بلوک خرپایی از انواع دالهای با پشت بند بتنی است، اصول طراحی این نوع سقفها براساس مبانی اعضای بتنی بوده و ضوابط طراحی مطابق مباحث عنوان شده در آیین نامه ی بتن ایران (آبا) است. بر این اساس در این بخش طراحی سقفهای تیرچه و بلوک عنوان می شود. همچنین در خصوص سقفهای تیرچه و بلوک با تیرچهی فولادی، طراحی تیرچه بر مبنای رفتار اعضای فولادی و بر اساس ضوابط طراحی مبحث دهم مقررات ملی ساختمان است.
طراحی تیرچهی خرپایی در سقفهای تیرچه و بلوک
با توجه به شیوههای معمول در اجرای سقفهای تیرچه و بلوک و با فرض رعایت الزامات عنوان شده در آبا، طراحی تیرچهی خرپایی، مشابه طراحی دال است. بدیهی است در صورت عدم حصول الزامات مذکور، همانطور که در آبا عنوان شده، این سیستم باید مشابه سیستم تیر و دال طراحی شود.
محاسبهی بارهای وارده بر سقف
اولین گام در طراحی سقفهای تیرچه و بلوک، تعیین بارهای وارد بر سقف (شامل بارهای مرده و زنده) مطابق بارهای وارده و ضوابط مبحث ششم مقررات ملی ساختمان است. با توجه به آنکه طراحی سقفهای تیرچه و بلوک در دو مرحلهی قبل از گرفتن بتن و بعد از گرفتن بتن انجام میگیرد، بارهای وارده نیز باید در این دو مرحله تعیین شود. بارهای قبل از گرفتن بتن شامل وزن دال بتنی، عوامل اجرایی که در این مرحله بارهای وارده باید توسط تیرچهی فولادی تحمل شود. بارهای بعد از گرفتن بتن متناظر با کل بارهای وارده، شامل بارهای مرده (بار کفسازی، تیغهبندی و ….) و بار زنده است که باید توسط عضو مرکب تیرچه و بلوک تحمل شود.
ضوابط طراحی خمشی تیرچهی فولادی
در این مرحله از طراحی، تیرچهی فولادی باید طوری طراحی شود که به تنهایی قادر باشد کلیهی بارهای مرده قبل از گرفتن بتن (به استثنای حالتی که این دسته از بارها به کمک پایههای موقت نگهداری میشوند) را تحمل نماید. در صورتی که در هنگام بتن ریزی دال از پایههای موقت در زیر تیر فولادی استفاده نشود، باید در تیرچهی فولادی کنترل تنش انجام گیرد تا این تیر دارای کفایت کافی برای حمل بارها باشد.
ضوابط و محدودیتهای کلی سقفهای تیرچه و بلوک
- سیستم تیرچهای شامل ترکیبی از تیرچههای متساوی الفاصله (قرار گرفته در یک راستا و یا دو راستای عمود بر هم) و یک دال فوقانی است.
- فاصله آزاد تیرچهها نباید بیشتر از ۷۵ سانتیمر باشد.
- عرض تیرچهها نباید کمتر از ۱۰ سانتیمتر و ارتفاع کل آنها نباید بیشتز از ۵/۳ برابر حداقل عرض آنها باشد.
- حداقل فاصله افقی بین دو سطح قائم بلوکهای مجاور در طرفین یک تیرچه که در مقابل یکدیگر نصب میشوند نباید کمتر از ۶/۵ سانتیمتر باشد.
- سقفهای اجرا شده با تیرچه و بلوک، در مواردی که بار یکنواخت روی سقف عمل نماید، عملکرد بسیار مناسبی دارند. در صورت وجود بار منفرد سنگین یا متحرک و یا مرتعش، بکاربردن سقف تیرچه و بلوک توصیه نمیشود.
- در سقفهای تیرچه و بلوک، بار متمرکزی که ممکن است روی کف وجود داشته باشد، بار ناشی از چرخ اتومبیلها در پارکینگها و یا بار خطی ناشی از وجود تیغههای آجری روی تیرچهها است. در مورد پارکینگها، بکارگیری سیستم تیرچه و بلوک معمول، توصیه نمیشود. در صورت استفاده از این سیستم، توصیه میشود تا ضخامت دال بتنی (روی بلوکها) حداقل ۸ سانتی متر در نظر گرفته شود و مقاومت دال در برش سورا خکننده (برش پانچ) برای بار چرخ کنترل شود. در محاسبه تیرچهها برای بار متمرکز، یا میتوان کف را با استفاده از یکی از روشهای کلاسیک، تحلیل کامل نمود و یا بار را با تقریب خوبی بین سه تیرچه مجاور یکدیگر به طور مساوی توزیع کرد.
ضوابط ومحدودیتهای بلوکهای سقفی – بتنی و سفالی
- بلوکهای سقفی مورد استفاده باید مطابق استاندارد ملی ایران به شماره ۲۹۰۹-۲ با عنوان بلوکهای سقفی مورد استفاده در سقفهای تیرچه و بلوک – ویژگیها و روشهای آزمون باشند. د راین استاندارد ویژگی نمونه برداری و روش آزمون بلوکهای سقفی آمده است.
- مواد تشکیل دهندهی بلوک نباید روی بتن درجا اثر شیمیایی داشته باشند.
- ارتفاع و عرض بلوکهای سقفی، تابع ضخامت کل سقف و فاصلهی تیرچهها از همدیگر است. طول بلوک معمولاً ۲۰ تا ۲۵ سانتی متر است. لبههای دو طرف بلوک جهت جابجایی بهتر بتن در بین دو بلوک (جان تیرچه)، به شکل شیب دار طراحی میشوند.
- وزن بلوک باید حداکثر ۲۰ کیلوگرم باشد، به نحوی که به آسانی با دست در روی سقف جابجا شود. معمولاً وزن بلوک سفالی، ۷ کیلوگرم و وزن بلوکهای بتنی با مصالح رودخانهای، ۱۱ تا ۱۷ کیلوگرم است. ابعاد و وزن بلوکها، با توجه به مشخصات کارخانههای سازنده، متفاوت است و جهت تعیین وزن و ابعاد دقیق آنها میتوان به مشخصات فنی مربوطه مراجعه کرد.
ضوابط و محدودیتهای بتن پوششی
- بتن پوششی درجا، به عنوان جان تیرچهها و همچنین به عنوان پوشش و قسمت فشاری مقطع T شکل در سقفهای تیرچه و بلوک عمل مینماید.
- حداقل ضخامت بتن پوشش روی بلوکها، ۵ سانتی متر و حداقل ردهی آن C ۲۰ است.
- مشخصات مربوط به دانهبندی، نسبت آب به سیمان، طرح اختلاط و نگهداری بتن پوششی سقفهای تیرچه و بلوک، وجه تمایزی نسبت به مشخصات کلی بتن ندارد و باید منطبق با آیین نامه بتن ایران (نشریه شماره ۱۲۰) و همچنین مشخصات فنی عمومی کارهای ساختمانی (نشریه شماره ۵۵) باشد.
نحوهی تولید تیرچه
از آنجاکه تولید سقفهای تیرچه و بلوک در دو مرحله و به صورت پیش ساخته و نیز بتن ریزی در محل انجام میگیرد، عملیات اجرایی این نوع سقف به دو بخش تولید در کارخانه و تولید و اجرا در کارگاه تقسیم میشود. به طور معمول اجزای تولیدی در کارخانه شامل تولید بلوک، تولید تیرچهی فولادی (در سقف با تیرچهی فولادی با جان باز) و آرماتورهای تیرچهی بتنی، شامل آرماتورهای کششی، فوقانی و عرضی (در تیرچهی بتنی خرپایی) و آرماتوربندی و بتنریزی تیرچه (در تیرچهی بتنی پیش ساخته) است. سایر عملیات آرماتوربندی (از جمله آرماتورهای حرارتی) و نیز بتن ریزی، در محل کارگاه صورت میگیرد.
در تیرچهی بتنی، خرپای تیرچه شبکهی پیش ساختهای از آرماتورهای کششی و عرضی و میلگرد اتصال بالایی است که به شکل خرپا به همدیگر جوش شده و ایستایی لازم را برای حمل و اجرا تأمین میکند. فولاد مورد استفاده برای ساخت خرپا، علاوه بر دارا بودن مدول ارتجاعی کافی، باید جوش پذیر بوده و حداقل مجاز تنش(تغییر طول نسبی) در مرحلهی گسیختگی را دارا باشد. این مقدار تنش در مورد فولادهای نرم (A-I)به ۲۰ % ، برای فولادهای نیمسخت و سخت گرم نورد شده، به ۱۸ % و در مورد فولادهای اصلاح شده به ۸% محدود میشود. اتصال اعضای خرپای تیرچه، معمولاً توسط عمل جوشکاری تأمین می شود و برای این منظور از دو روش جوش مقاومتی و جوش با قوس الکتریکی استفاده میشود.
بلوک بتنی
بلوکهای بتنی، معمولاً در کارخانههای مجهز تولید میشوند. ولیکن در صورت وجود ماشین آلات مناسب، در کارگاههای کوچک نیز قابل تولید هستند. به طور کلی تولید بلوک شامل ۶ مرحلهی اساسی به شرح زیر است.
- انتخاب مصالح اولیهی مناسب از نظر نوع، کیفیت و دانه بندی.
- توزین صحیح مواد اولیه، برای ساخت بتن طبق مشخصات طرح شده.
- مخلوط کردن بتن به حد کافی تا کسب کارایی مناسب و یکنواخت.
- قالبگیری بلوک در ماشین بلوک زن.
- عمل آوردن در شرایط مناسب و با تجهیزات کافی.
- انبارکردن بلوکهای ساخته شده و تأمین شرایط مناسب برای کسب مقاومت بیشتر.
تولید بلوک در کارخانهها و کارگاهها معمولاً توسط دستگاههای مجهز تمام اتوماتیک یا نیمه اتوماتیک انجام میشود و پس از ساختن بتن در دستگاههای بتنساز، بلوکها توسط بلوکزنهای ثابت و سیار، قالب گیری میشوند. در کارگاهها، تولید بلوک توسط دستگاههای بلوکزن سیار انجام میشود. در این روش تولید، بلوکها روی زمین و در بسترهای صاف بتنی قالبگیری میشوند.
بلوک سفالی
این بلوکها در ابعاد مختلف تولید میشوند. سطح بلوکهای سفالی معمولاً شیاردار است تا میزان چسبندگی آنها با بتن افزایش یابد. بلوک سفالی معمولاً در کارخانه و به وسیلهی دستگاههای مجهز تولید میشود تا بلوکها عاری از ترک و دانههای آهکی باشند و رنگ آنها کاملاً یکنواخت بوده و به طور یکسان پخته شده باشد. سطح بلوکهای سفالی باید عاری از انحنا و خمیدگی باشد و لبههای تیز و مستقیم و بافت ریز و متراکمی داشته باشند. عرض بلوکهای سفالی معمولاً ۲۵ سانتیمتر و وزن آنها حدود ۳ تا ۱۰ کیلوگرم متغیر است.