وظایف دیافراگم‌ها و جمع‌کننده‌ها در سازه

• مقدمه

در این مقاله قصد داریم موضوع بند 3-8 استاندارد (4)2800 را با عنوان “دیافراگم‌ها و جمع‌کننده‌ها” مورد بررسی دقیق قرار دهیم. در ابتدا به معرفی دیافراگم‌ها بر اساس تعاریف ASCE/SEI 7-10 پرداخته سپس وظایف آنها بصورت کامل تشریح شده و در آخر ضوابط آیین‌نامه‌ای در مورد آنها، مطرح و تفسیر می‌گردد.

• معرفی

سازه یک ساختمان، از قاب‌بندی 3 بعدی تشکیل می‌گردد که می‌بایست در برابر بارهای ثقلی و جانبی مقاومت کافی را داشته باشد. اگر چه کل سازه در مقابل بارها بصورت یکپارچه عمل می‌نماید، مطابق شکل زیر می‌توان، سیستم مقاوم لرزه‌ای را به سه بخش اعضای قائم، اعضای افقی و فونداسیون بخش‌بندی نمود.

شکل 1 – نمای ایزومتریک ساختمان شامل اعضای افقی (دیافراگم‌ها)، اعضای قائم (قابها و دیوارها) و فونداسیون

اعضای قائم جهت انتقال تمام نیروها از بالا به سمت پی باید از روی فونداسیون شروع و تا آخرین طبقه ساختمان گسترش یابند. در این میان اعضای افقی شامل دیافراگم‌ها (و جمع‌کننده‌ها که جزئی از دیافراگم می‌باشد)، نیروی زلزله وارد بر مرکز جرم طبقه را به اعضای قائم منتقل می‌نماید. وظیفه دیگر دیافراگم ایجاد انسجام بین اعضای قائم یک طبقه است؛ بگونه‌ای  که توزیع بار بصورت منطقی بین اعضای قائم اتفاق بیفتد.

بنابراین دیافراگم‌ها جزو اعضای پر اهمیت سیستم باربر لرزه‌ای محسوب شده که نیازمند توجه ویژه طراح سازه است.

• وظایف دیافراگم

دیافراگم نقش‌های مختلفی جهت انتقال نیروها در سازه ایفا می‌نماید که در ادامه اشاره شده است. شکل 2 انواع این وظایف را در موقعیت‌های مختلف در یک ساختمان با دال انتقال و دیوار حائل نشان داده است.

شکل 2 – وظایف دیافراگم

تحمل بارهای ثقلی:

اغلب دیافراگم‌ها جزو کف سازه‌ای می‌باشند که در وهله نخست وظیفه انتقال بارهای ثقلی را دارند.

انتقال بارهای جانبی به سیستم باربر لرزه‌ای:

کف سازه‌ای عموما در برگیرنده بخش بزرگی از جرم سازه است که مسلما هنگام زلزله موجب ایجاد نیروی داخل صفحه بزرگی برای دیافراگم می‌گردد. یکی از مهم‌ترین وظایف دیافراگم علاوه بر حفظ کاربری، انتقال این نیروها به اعضای باربر جانبی سازه نظیر بادبندها و دیوارهای برشی می‌باشد.

ایجاد پایداری جانبی برای اعضای قائم:

دیافراگم‌ها با اتصال به اعضای قائم و باربر لرزه‌ای در تراز هر طبقه ایجاد پایداری جانبی نموده و از کمانش آنها مخصوصا در زمان حضور اثرات مرتبه دوم (P-Delta) جلوگیری می‌نماید. بعلاوه باید توجه داشت که دیافراگم با دوختن اعضای قائم به یکدیگر ایجاد یک قاب 3 بعدی منسجم می‌نماید.

تحمل بارهای خارج از صفحه:

دیوارهای خارجی هنگام وقوع زلزله و وزش باد، از طریق ناحیه اتصال به دیافراگم نیروهای خارج از صفحه تولید می‌نماید که دیافراگم باید توان تحمل آنها را داشته باشد.

تحمل نیروهای ناشی از ستونهای مورب:

گاهی اوقات الزامات معماری ایجاد ستونهای مورب را (بیشتر در وجوه ساختمان) دیکته می‌نماید. وجود ستونهای کج تحت بارهای ثقلی و لنگرهای واژگونی مسبب ایجاد نیروهای کششی و فشاری بزرگی داخل صفحه شده که دیافراگم باید توان مقابله با آنها را داشته باشد.

انتقال بارها از یک سیستم به سیستم باربر لرزه‌ای دیگر:

در هنگام زلزله، نیروهای برشی لرزه‌ای در یک ساختمان مابین اعضای لرزه‌بر بصورت افقی منتقل می‌شود. این جابجایی افقی هنگامی قابل توجه می‌شود که ساختمان دارای “نامنظمی خارج از صفحه” یا “قطع سیستم باربر لرزه‌ای در ارتفاع” (موضوع بندهای 1-7-1 و 1-7-2 آیین‌نامه 2800 ویرایش 4) باشد. در شکل 2 مشخص است که انتقال نیروها از دیوار برشی به دیوار حائل موجب ایجاد نیروهای برشی بزرگی در دیافراگم می‌نماید.

ایجاد ساپورت در برابر بارهای ناشی از فشار خاک:

در طبقات زیر تراز پایه، نیروهای افقی ناشی از فشار خاک توسط دیوارهای حائل جذب و بصورت بار خطی فشاری روی لبه‌های دیافراگم وارد می‌گردد. در این حالت جهت تعیین نیروها می‌توان دیوارها را مانند تیرهای سرتاسری فرض نمود که روی تکیه‌گاه‌هایی (بعبارتی دیافراگم‌های طبقات) نشسته است.

• بخش‌های دیافراگم

دیافراگم از سه بخش عمده:

1- دال [Slab]،

2- وجوه لبه [Chords]،

3- جمع‌کننده‌ها [Collectors] و

4- اتصالات به اعضای قائم [Connections]، تشکیل می‌گردد.

در شکل 3 مقاومت داخل صفحه دیافراگم توسط وجوه لبه خود در برابر بار جانبی نشان داده شده است. در این حالت دیافراگم مانند یک تیر دو سر ساده روی تکیه‌گاه‌هایی که همان دیوارهای برشی هستند، قرار گرفته است. نیروی جانبی مانند نیروی متمرکزی به وسط تیر، موجب ایجاد لنگر داخلی در دیافراگم می‌شود. لنگر ایجاد شده ایجاد کوپل نیروهای Tu و Cu می‌نماید که وجوه لبه دیافراگم باید برای آنها طراحی گردد.

شکل 3 – وجوه کششی و فشاری لبه

با تحمل لنگر توسط وجوه لبه، ایجاد تعادل در دیافراگم ایجاب می‌کند که برش دیافراگم بصورت یکنواخت در عرض توزیع شود (شکل c-3). اعضایی تحت عنوان جمع‌کننده‌ها وظیفه جمع کردن و انتقال این نیروهای برشی را به اعضای باربر جانبی قائم دارد.

شکل 4 نحوه انتقال نیروهای برشی را در قالب کشش و فشار توسط جمع‌کننده‌ها به دیوارهای برشی، نمایش می‌دهد. بخشی از دیافراگم که بعنوان جمع‌کننده عمل می‌کند، باید در برابر نیروهای Cu و Tu طراحی گردد.

• ضوابط طراحی طبق آیین‌نامه 2800 ویرایش 4

حال که بصورت کامل وظایف دیافراگم‌ها در ساختمان مطرح گردید، مناسب است نگاهی به ضوابط مطرح شده راجع به آنها در آیین‌نامه 2800 ویرایش 4 داشته باشیم.

بند 3-8-1 آیین‌نامه اشاره به در نظر گرفتن صلبیت صحیح دیافراگم در محاسبات دارد. از این رو تغییر شکل حداکثر افقی دیافراگم صلب را به نسبت تغییر مکان نسبی متوسط طبقه تحت بار جانبی آن طبقه به 0/5 محدود نموده است.

بند 3-8-2 کنترل اثر لنگرهای پیچشی را تنها برای دیافراگم‌های صلب و نیمه صلب ضروری اعلام نموده.

بند 3-8-3 رابطه ای را ارائه می‌دهد که بر اساس آن نیروهای طراحی دیافراگم طبقه iام (که در بخش قبل توضیح داده شد) تعیین می‌گردد.

بند 3-8-4 عنوان می‌دارد که اگر نیروی اعضای قائم بصورت افقی از طریق دیافراگم بین هم منتقل می‌گردد (در شرایط نامنظمی خارج از صفحه یا قطع سیستم باربر لرزه‌ای در ارتفاع)، باید مقدار آن نیرو با منظور کردن ضریب نامعینی، در محاسبات اضافه شود.

بند 3-8-5 لزوم تحلیل دقیق نیروها و تغییر شکلها را در دیافراگم به کمک روش‌های معتبر دیکته می‌نماید.

بند 3-8-6 طراحی جمع‌کننده‌ها را تحت نیروهای زلزله تشدید یافته مشخص می‌دارد. و

بند 3-8-7 در شرایطی خاص مانند نامنظمی در پهنه‌های با خطر نسبی متوسط به بالا، افزایش 25% نیروها را در طراحی اتصالات و جمع‌کننده‌های دیافراگم اعلام می‌دارد.

 

 

منابع:

NIST GCR 10-917-4, “Seismic Design of Cast-in-Place Concrete Diaphragms, Chords and Collectors”

آیین نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله (استاندارد 2800) ویرایش 4. مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی.