اتصال برشی – اصطکاکی
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 براساس ظرفیت‌های موجود در ضوابط و مقررات ملی ساختمان، مبحث ۳ تعریف شده و می‌تواند راهکاری مناسب برای تطبیق طراحی با اجرا باشد.
یکی از کمبود‌های 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.
اجرای صحیح جزییات ساختمان‌های بتنی همواره از سخت‌ترین مراحل اجرای یک سازه بتنی است. ساده سازی و قابلیت اجرایی جزییات سازه بتنی فقط با آگاهی طراحان از تجهیزات کارگاهی و نکات فنی امکان پذیر خواهد بود. برای یک طراحی اصولی و اجرایی که با کم‌ترین خطا عملیاتی شود لازم است طراحان ضمن تمرکز بر اصول فنی، نیم نگاهی بر عوامل تأثیر گذاری چون اقتصاد و سرعت اجرایی طرح، تجهیزات و دانش اجرایی مورد نیاز اجرای آن داشته باشند. در این صورت ضمن رعایت اصول فنی وکاهش خطاهای اجرایی با استقبال مصرف کنند‌گان نیز همراه می‌شود. متأسفانه برخی تجویزهای طراحی به علت دشواری بسیار زیاد در اجرا تا‌کنون اجرا نشده‌اند که می‌توان به اتصال مفصلی تیر میان طبقه، اجرای خاموت ستون در حدفاصل ضخامت سقف و رامکای بتنی ستون اشاره کرد.
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 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.
راه پله بتنی در ساختمان‌های بتن آرمه دارای سه جزء اصلی شمشیری دال پله و تیرها و اتصالات رابط پله با سازه است. روش‌ها و مصالح مختلفی برای اجرایی راه پله در سازه بتنی وجود دارد که می‌توان به روش تیرچه بلوک، دال بتنی، کامپوزیت و پیش ساخته اشاره نمود.
دال بتنی به صورت پیوسته بتن ریزی شده و دو اختلاف سطح را به هم متصل می‌نماید. ضخامت این دال‌ها برحسب دهانه و مقدار بارگذاری تعیین می‌شود که دو شبکه میلگرد 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 در ابتدا 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 دو سر آن به ستون‌های دو طرف 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 حدفاصل 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 باربرجانبی 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.
انواع اتصالات متداول در این زمینه و مقایسه آنها با اتصال
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 میلگردهای بالا و پایین تیر در بر تکیه گاه (ستون‌ها) به صورت ضربدری، از انتقال نیروهای خمشی و پیچشی به ستون جلوگیری می‌شود.
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 بیش تری 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 نبش‌های 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 مصالح انعطاف 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 با تمام نواقص هم چنان به عنوان گزینه‌های اجرایی به کار برده می‌شوند.
ویژگی‌های طرح جدید اتصال مفصلی
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 باز کردن قالب، برای کاهش مصرف میلگرد در این اتصال می‌توان 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 ۳ مقررات ملی ایران انجام می شود. با توجه به نوع اتصال دال به ستون که 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 (۱( الی)۳) 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
روشن است که اتصال فوق دارای شرایط بند (۳) است. ازطرفی شرایط بند (۱) نیز در مورد آن می‌تواند درست باشد. زیرا 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 برشی – 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.
