سازههای بتنی پیش ساخته
در طراحی سازههای بتنی پیش ساخته، هدف طراحی شامل تامین ایمنی، عملکرد مطلوب و پایایی و نیز روش طراحی شامل حالات حدی نهایی و بهرهبرداری و همچنین ضرایب ایمنی جزیی شامل ضرایب تشدید بارها، تقلیل مقاومتها و ضرایب ایمنی اصلاحی، باید مطابق آیین نامه بتن ایران (آبا) و بخشهای الحاقی آن، با تغییرات و اضافات زیر رعایت شوند. پایایی سازهها را باید با رعایت مشخصات فنی و اجرایی در مراحل تولید، حمل و نصب از قبیل کیفیت مصالح تشکیل دهنده بتن آرمه، شرایط بتن ریزی، متراکم کردن، عمل آوردن، کنترل هنگام جابجایی، انبار و حمل و نصب قطعات، شرایط و نحوه انجام اتصالات، تامین کرد.
در طراحی سازههای بتنی پیش ساخته متشکل از صفحات بزرگ، علاوه بر حالات حدی نهایی و بهرهبرداری، گروه سوم حالات حدی با عنوان سایر حالات حدی نیز باید مدنظر قرار گیرند. در طرح سازههای بتنی پیش ساخته، بررسی ایستای سازه با فرض گسیختگی یک عضو بار بر در اثر انفجار، ضربه یا نظایر آنها ضروری است.
بارگذاری سازههای بتنی پیش ساخته
ضوابط بارگذاری سازههای بتنی پیش ساخته مطابق ضوابط مندرج در آیین نامه بتن ایران و بخشهای الحاقی آن و سربارها و عاملهای اضافی زیر هستند.
- بارها و سربارهای استثنایی
- سایر عاملهای موثر بر قطعات یا سازههای بتنی پیش ساخته که در مراحل قالب برداری، بلند کردن، انبار کردن، حمل، نصب و استقرار قطعات به آنها اثر میکنند.
بارها و سربارهای استثنایی
این بارها و سربارها در اثر نیروهای حاصل از انفجار یا ضربه وسائط نقلیه و مشابه آنها اعمال میشوند. در طرح سازههای بتنی پیش ساخته متشکل از صفحات بزرگ، در نظر گرفتن احتمال از بین رفتن یک عضو باربر و فرو ریختن زنجیرهای تمام قسمتهای متصل به آن الزامی است. این پدیده به نام گسیختگی زنجیرهای طبقه بندی میشود.
بارهای هنگام جابجایی و نصب قطعات
مقاومت اعضای پیش ساخته بتن آرمه و پایداری شکل آنها باید در برابر نیروهایی که ممکن است در طول عملیات جابجا کردن (قالب برداری، بلند کردن، انبار کردن، حمل و نصب) وارد شوند، برای هر وضعی که قطعه بتواند نسبت به نقاط اتکا یا نقاط تعلیق خود احراز نماید، تامین شود. همچنین مقاومت قطعات، مقطع و موقعیت میلگردهای جابجایی، شعاع انحناء، نحوه و طول مهاری آنها باید با در نظر گرفتن نیروهای استاتیکی و دینامیکی وارد بر آنها و مشخصات بتن در سنی که عملیات انجام میشوند، کنترل شود. این عاملها در مراحل مختلف با توجه به موارد زیر تعیین میشوند.
پایداری سازههای بتنی پیش ساخته
طراحی سازههای بتنی پیش ساخته باید به گونهای انجام پذیرد که از رفتار منسجم و پایدار سازه اطمینان حاصل شود. پایداری این گونه سازهها در برابر بارهای قائم و نیروهای جانبی بشرح زیر قابل تامین است.
انتخاب سیستم سازهای
سیستمهای سازهای میتوانند با عملکردهای زیر اختیار شوند.
- عملکرد قاب ساده با اتصالات مفصلی با مهاربندی مناسب در سازههای خطی
- عملکرد قاب خمشی با اتصالات صلب
- عملکرد دیوارهای برشگیر متشکل از دیوارها و سقفهای بهم پیوسته و یکپارچه به همراه اتصالات مناسب. این عملکرد توسط تعدادی دیوار که روی یکدیگر نصب شده و بصورت یک طره قائم که طره ساده نامیده میشود و در پای خود بطور کامل و ارتجاعی گیردار بوده و قادر به تحمل نیروهای افقی در صفحه طره است. تعداد زیادی طره ساده را که با پیوندهای ارتجاعی از انواع مختلف به یکدیگر متصل شدهاند ، میتوان بصورت یک طره مرکب، که مقاومت آن از مجموع مقاومتهای طرههای ساده بیشتر است، در محاسبات منظور نمود.
کلاف بندی
کلاف ها میلگردهایی هستند که بصورت متمرکز یا پخش شده در امتداد محور قطعات پیش ساخته یا عمود بر آنها از ابتدا تا انتهای آن قطعه ادامه یافته و در انتها به قطعات مجاور مهار میشوند. این میلگردها ممکن است در داخل قطعه یا بصورت میلگردهایی در درز بین دو قطعه مجاور بعد از نصب قطعات و قبل از بتن ریزی و یا ملات ریزی در کارگاه یا حالتی بین این دو اجرا شوند.
- کلاف بندی در ساختمانهای پیش ساخته باید به منظور تامین موارد زیر انجام شود.
- جلوگیری از گسیختگی زنجیرهای از طریق مشارکت در تعادل جدید پس از گسیختگی موضعی یک عضو باربر.
- متصل نمودن قطعات منفرد قائم و افقی به یکدیگر و تبدیل آنها به دیافراگمهای صلب در رفتار فضایی سازه برای انتقال بارهای جانبی.
- جلوگیری از ایجاد ترکهای بزرگ ناشی از تکیدگی بتن و آثار مربوط به تغییرات دما، رطوبت و بارگذاریهای نامتعادل از طریق یکنواخت کردن تغییر شکلها.
- جذب نیروهای ناشی از خطاهای احتمالی هنگام نصب و اختلاف سطح بین تکیهگاهها.
انواع کلافها
کلافها در سازههای بتنی پیش ساخته به سه دسته تقسیم میشوند.
- کلافهای داخلی در تراز هر طبقه
- کلافهای محیطی در تراز هر طبقه
- کلافهای قائم در ارتفاع کل ساختمان
کلافهای داخلی در تراز هر طبقه، در دو جهت عمود بر هم بدون قطع شدگی امتداد دارند و در انتها به کلافهای محیطی که در پیرامون آن طبقه امتداد دارند مهار میشوند. کلافهای محیطی در تراز هر طبقه، بطور پیوسته و در اطراف کل ساختمان ایجاد میشوند. کلافهای قائم در ارتفاع کل ساختمان، بطور پیوسته از شالوده تا آخرین طبقه ادامه دارند و در هر طبقه در کلافهای افقی و محیطی آن طبقه مهار میشوند. در طرح سازههای بتنی پیش ساخته ممکن است پیش بینی یک یا چند نوع از کلافهای گفته شده مورد پیدا نکند.
گسیختگی زنجیرهای
منظور از گسیختگی زنجیرهای فرو ریختن پشت سر هم قطعات پس از گسیختگی موضعی یک عضو باربر است. در ساختمانهای متشکل از صفحات بزرگ، در صورتی که اتصالات ویژه بین صفحات دیوار و کف وجود نداشته باشند، احتمال پدیدار شدن گسیختگی زنجیرهای در اثر گسیختگی موضعی بسیار است. گسیختگی موضعی ممکن است بدلایل زیر اتفاق بیافتد.
- از بین رفتن اتصال صفحات و در رفتن یک دیوار باربر خارجی ساختمان از زیر بار.
- از بین رفتن اتصال یا گسیختگی برخی از دیوارهای باربر داخلی.
- از بین رفتن اتصال صفحات کف یا سقف تحت اثر بارهای قائم پیش بینی نشده .
برای جلوگیری از گسیختگی زنجیرهای در این سازهها باید روشی مبتنی بر منطق مهندسی برای کنترل و محدود نمودن دامنه خسارات در سازههای صفحهای اتخاذ شود.
رواداریها
رواداریهای مجاز باید در هنگام تولید و نصب قطعات پیش ساخته با توجه به بیدقتیهای احتمالی اجرایی تعیین شود این خطاها با تحلیل آماری از خطاهای اندازه گیری شده یا پیش بینی شده بیان میشوند. ابعاد قطعات پیش ساخته، براساس سازگاری رواداری های منظور شده توسط طراح، که در تناسب با دامنه دقت در تولید و نصب قطعات اختیار شده اند، تعیین میشوند. در طرح قطعات و سازههای پیش ساخته باید آثار رواداریها ملحوظ شوند.
قطعات پیش ساخته
طرح قطعات پیش ساخته بتنی باید بر اساس روشهای طرح اعضای بتن آرمه، مطابق آیین نامه بتن ایران و بخشهای الحاقی آن انجام شود. ایمنی و قابلیت بهرهبرداری قطعات نیز با توجه به مسائل خاصی که در تولید، جابجایی و نصب اینگونه قطعات وجود دارد، بررسی میشود.
قطعات مرکب
قطعات مرکب عبارتند از اعضای بتن آرمهای که از یک عضو بتن آرمه پیش ساخته به اضافه بتنی که درجا ریخته میشود، تشکیل میشوند. این قطعات را در صورتی که نیروی مماسی بین دو سطح تماس آنها از طریق اصطکاک یا ادوات برشی منتقل شود، میتوان بعنوان یک قطعه بتن آرمه همگون تلقی، با توجه به ویژگیهای کرد. طرح اینگونه قطعات بصورت پیش ساخته یا درجا علاوه بر ضوابط نشریه شماره ۳۸۸ مصالح مورد استفاده مانند مقاومت، تکیدگی، وارفتگی و تغییر شکل پذیری، انجام میشود.
قطعات دانه تسبیحی
قطعات دانه تسبیحی عبارتند از اعضا یا قطعات بتن آرمه پیش ساختهای که به روش پس کشیدگی به همدیگر متصل میشوند. طراحی این قطعات پیش ساخته بر اساس ضوابط مربوط به قطعات بتنی پیش تنیده صورت میگیرد.
نشیمنگاهها و نواحی تکیهگاهی
رفتار نواحی تکیهگاهی باید با فرضیات طرح و رفتار مورد انتظار اتصالات مطابقت داشته باشد. یکپارچگی تکیهگاه با عضو پیش ساخته باید به وسیله آرماتوربندی و محدود نمودن تنشهای موجود در این ناحیه با کارگذاری صفحات زیرسری و مشابه آن انجام شود. برای مقابله با نیروهای احتمالی افقی یا خمشی که در ناحیه تکیه گاه بر اثر تغییرات دما، وارفتگی یا تکیدگی بتن یا برون محوریهای پیشبینی نشده و غیره پدید میآیند، باید تمهیدات لازم از قبیل قابلیت لغزش یا چرخش یا آرماتوربندی مناسب در این ناحیه پیش بینی شود.
اجزای مدفون در بتن قبل از بتن ریزی
در طرح این اجزا باید امکان انتقال مناسب نیروها، بین آنها و قسمت بتنی قطعه پیش ساخته، مقادیر رواداریها و نیز آسیبهای محتمل در حین حمل و نصب برای اجزایی که از قطعه پیش ساخته بیرون آمدهاند، مانند تغییر شکل و یا کنده شدن از قطعه، مدنظر قرار گیرند.
اجزای قابل کارگذاری در بتن پس از بتن ریزی
در صورت وجود محدودیتهای اجرایی با تصویب مهندس مسؤول، میتوان اجزای کم اهمیتی که از بتن بیرون میزنند یا برای بازرسی بصورت نمایان باقی میمانند را در حالی که بتن هنوز در حالت خمیری است در بتن کارگذاشت، مشروط بر اینکه :
- اجزای کارگذاری شده به قلاب شدن یا بسته شدن به آرماتور داخل بتن نیازی نداشته باشند.
- تا زمانی که بتن در حالت خمیری است، اجزای کارگذاری شده در موقعیت صحیح خود نگه داشته شوند.
- در اطراف اجزای کارگذاری شده، بتن کاملاً متراکم شود
انواع قطعات پیش ساخته و ضوابط طراحی آنها
قطعات شالوده پیش ساخته
شالودههای پیش ساخته بتنی باید قادر به انتقال بارهای قائم، لنگرها و برشهای افقی از ستونها به خاک زیرین خود باشند. در اتصال بین ستون و شالوده، چنانچه از طریق گلدانیهای ایجاد شده در شالوده انجام شود، فضای گلدان باید به مقدار کافی بزرگ باشد تا بتوان بتن یا مواد پرکننده را در اطراف و زیر ستون براحتی ریخت و متراکم نمود. در این شالودهها فرض میشود که انتقال بارهای قائم از ستون به شالوده، توسط سطح زیرین ستون صورت میگیرد مگر در حالتی که سطح تماس جانبی ستون و دیواره گلدان به نحوی مناسب زبر شده یا کلیدهای برشی در آنها تعبیه شده باشند. تلاشهای ناشی از لنگرهای خمشی و نیروهای برشی را میتوان از طریق دیوارههای این شالودهها جذب نمود.
ستونهای پیش ساخته
ضوابط طرح و محاسبه ستونهای بتنی پیش ساخته از نظر کلی باید مطابق با ضوابط مشروح در آیین نامه بتن ایران در مورد قطعات فشاری و ستونها باشد. علاوه بر موارد مذکور توجه و رعایت موارد زیر در مورد ستونهای پیش ساخته الزامی است.
- ستونهای بتنی پیش ساخته در صورتی که بطور افقی تولید و جابجا شوند، باید با توجه به نیروها و لنگرهای اضافی مربوط با احتساب ضریب ضربه مناسب طراحی شوند.
- جزییات خاص آرماتوربندی در دو سر ستونها با توجه به احتمال شکاف برداشتن آن ضرورت دارد.
- کف ستونهای فلزی باید با توجه به بارهای هنگام برپایی و بارهای بهره برداری طراحی شوند. این کف ستونها باید به میلگردهای اصلی ستون مهار شوند. مهاری لازم باید با در نظر گرفتن بارهای وارد به کف ستون ها طرح شود.
تیرهای پیشساخته
تیرهای بتنی پیش ساخته معمولاً بصورت ساده روی دو تکیه گاه طرح میشوند و باید در برابر بارهای افقی ناشی از باد، بارگذاریهای نامتعادل، خطاهای احتمالی هنگام نصب یا ضربه، با اعمال تمهیدات کافی در نواحی تکیه گاهی مقاوم شوند. ضخامت هیچ یک از اجزای تیر نباید کمتراز ۵۰ میلیمتر باشد.
قطعات سقف پیش ساخته
- قطعات پیشساخته سقف با مقاطع مختلف از جمله مقاطع مستطیلی توپر، سوراخدار، U شکل، Tشکل و T مضاعف ساخته میشوند.
- این مقاطع با توجه به مقاومت، پایایی، تغییر شکلهای دراز مدت و مقاومت در برابر آتش سوزی انتخاب میشوند. ضخامت کلی یا بال مقطع بتن آرمه باید با توجه به مقاومت در برابر سوراخ شدگی، توزیع عرضی بارها و حداکثر افتادگی مجاز تعیین شود.
- در صورتی که سقفها، مرکب از قطعات پیش ساخته موازی و مجاور همدیگر باشند باید از اختلاف افتادگی قطعات مجاور در اثر بارهای وارده، از طریق تامین پیوستگی بین قطعات جلوگیری شود.
سیستمهای سقفهای پیش ساخته
هدف از ایجاد سیستم سقف در ساختمانهای پیش ساخته تامین موارد زیر است.
- تحمل بار دهانهها
- توزیع عرضی بارها
- توزیع بارهای جانبی بین عناصر مقاوم با عملکرد دیافراگم افقی
- مقاومت در برابر بارهای تصادفی که احتمال دارد بر سقف یا تکیه گاهها اثر کنند.
طراحی هر یک از سقفهای پیش ساخته مرکب از دال پیش ساخته کف با بتن درجا، سقفهای توپر از نوع بتن آرمه با بتن سبک، سقفهای سوراخدار بتنی با بتن رویه یا بدون آن، سقفهای تیرچه و بلوک ، سقفهای U شکل ، T شکل یا به شکل TT پیش ساخته، با بتن درجا یا بدون آن، باید با توجه به موراد مذکور د رنشریه شماره ۳۸۸ صورت گیرد.
درزهای طولی بین قطعات مجاور
درزهای طولی بین قطعات پیش ساخته سقف باید چنان سازمان داده شوند که با تحمل برشهای قائم و طولی در صفحه خود، از بینظمیهای ناشی از تغییر شکلهای نامساوی حاصل از اختلاف سربار و غیره جلوگیری کنند. برش بین دو قطعه را میتوان با درزهای سازمان یافته دندانهای یا تعبیه آرماتور دوخت با مهار کافی یا یک دال بتنی رویه درجا با پیوندهای مکانیکی منتقل کرد.
توزیع عرضی بار
توزیع عرضی بار بین دو قطعه مجاور تحت بارهای بهرهبرداری، باید با ایجاد درزهای طولی که دارای قابلیت تحمل برش باشند یا با ایجاد کلافهای بتن ریزی شده درجا، در جهت عمود بر جهت دهانهها، تامین شود.
سقفهای مرکب با نیم دال پیش ساخته
این نوع س قف متشکل یک دال بتن آرمه تحتانی، آرماتوربندی دوخت بین دال تحتانی و بتن رویه درجا و احتمالا مواد غیر سازهای که برای ایجاد سوراخ داخل سقف به کار برده می شوند، است.
دیوارهای پیش ساخته
دیوارهای پیش ساخته باربر ممکن است به صورت یک لایه باربر و یا بصورت چند لایه (ساندویچی) ساخته شوند. در لایه باربر دیوارهای پیش ساخته باید حداقل از میلگردهایی موضعی در گوشهها و شبکه آرماتور در سطح خارجی برای کنترل آثار ناشی از تکیدگی و تغییرات دما استفاده شود. دیوارهای پیش ساخته باربر چندلایه از یک لایه داخلی باربر و یک لایه عایق حرارتی و یک لایه بتنی خارجی تشکیل میشود.
لایه خارجی باید بطور مستقل قابلیت تغییر شکل داشته باشد در غیر این صورت آثار تغییر شکلهای ناشی از تغییرات دما و تکیدگی باید در نظر گرفته شوند. چنانچه دیوارهای چند لایه بصورت مرکب در نظر گرفته شوند، این فرض باید با آ زمایش یا تحلیل ثابت شود. متصل کنندههای لایههای داخل و خارج نیز باید از فلز مقاوم در برابر خوردگی انتخاب شوند.
سیستمهای متعارف سازهای پیش ساخته
سیستمهای دیوارری
سیستمهای دیواری از به هم پیوستن تعدادی دیوار که در تراز هر طبقه با سقفهایی که عملکرد دیافراگم افقی را انجام میدهند، تشکیل میشود. سقفها ممکن است متکی بر دیوارها (سیستم دیوار باربر) یا تیر و ستون، باشند. در هر دو حالت پایداری سازه در برابر بارهای جانبی، توسط سیستم دیوار تأمین میشود. اتصالات به صورت قائم و افقی متشکل از بتن یا ملات هستند و در صورت نیاز در داخل آنها میلگرد قرار داده میشود. تحلیل سیستم برای بارهای قائم، جانبی و گسیختگی موضعی باید به صورت مجزا انجام شود و هنگام طرح، ایمنی سازه در برابر آثار مجموع آنها بررسی شود. مقاومت در برابر بارهای جانبی میتواند بوسیله دیوارهایی که روی یکدیگر قرار گرفته و در یک یا دو امتداد عمود بر هم استقرار یافته اند، تأمین شود.
سیستمهای خطی (تیر و ستون)
سازه ساختمانهایی که از قطعات خطی تشکیل شدهاند، براساس یکی از سه مدل سازهای زیر طرح میشود.
- قاب خمشی
- ستون های پیوسته طره
- قاب ساده همراه با دیوارهای باربر
دیوارهای باربر را میتوان با مدلهای ۱ و ۲ ترکیب کرد. معمولاً در همه مدلها، سقفها به عنوان یک دیافراگم افقی در مقاومت همکاری میکنند. در این سیستم، اتصالات، در تحلیل سازه باید با فرض مفصلی بودن در برابر بارهای جانبی و با قبول مدل واقعی سختی در عملکردهای دیگر سازه وارد محاسبه شوند.
اتصالاتی که صلب فرض شوند، باید درجا بتن ریزی شوند یا کاملاً با جزییات اتصال قاب درجا بتن ریزی شده، مشابه باشند. در غیر اینصورت باید مقاومت خمشی و سختی آنها در نامناسبترین شرایط توسط آزمایشهای دقیق ثابت شده باشند. در این آزمایشها بخصوص باید اثر بارهای نوسانی و تغییرات داخلی سازه بر اثر جمع شدگی بتن و تغییرات دما تعیین شوند.
تولید قطعات پیش ساخته در شرایط کارخانهای و کنترل کیفی
قطعات پیش ساخته بتنی در کارخانه یا در محل کارگاه در شرایط کارخانهای تولید میشوند. مراحل تولید شامل آماده سازی مواد اولیه و قالبها، استقرار آرماتور، قلاب حمل و دیگر ملحقات لازم در داخل بتن، اختلاط و حمل بتن، بتن ریزی و مرتعش نمودن آن، حفظ و مراقبت و پروراندن بتن، قالب برداری و در نهایت انبار نمودن قطعات است.
مراحل فوق باید چنان طراحی و سازماندهی شوند که روند مستمر تولید با هدایت و نظارت متخصصین ذیربط ایجاد شود. دراین روند، مکانیزه کردن، سرعت بخشیدن، اقتصادی نمودن و کنترل کیفیت فرآوردهها، همچنین بهبود شرایط کار و به حداقل رسانیدن آثار جوی هنگام تولید مدنظر هستند. این مراحل باید با فرضیاتی که هنگام طرح و محاسبه ساختمان (از نظر مقاومتها و بارگذاریهای هنگام تولید) منظور شدهاند، هماهنگ باشند.
