به منظور مقاوم سازی در مقابل عوامل مخرب مختلف و همچنین بالا بردن عمر مفید یک ساختمان یا سازه مهندسان طراح سازه در هنگام طراحی محاسبات و شبیه سازیهای بسیاری را انجام میدهند. هر چه یک سازه بزرگتر باشد این حجم محاسبات و شبیه سازیها بیشتر میشود. یکی از مهمترین مواردی که در طراحی یک ساختمان یا سازه مد نظر قرار میگیرد چگونگی توزیع بارهای مختلف در آن است. گرچه این موضوع مبحثی بسیار مفصل و عمیق است در این مقاله به بیان مطالبی میپردازیم که میتواند به عنوان مقدمهای در این خصوص به حساب آید. البته خواننده علاقهمند میتواند با مراجعه به مقالات تخصصیتر طراحی عمران و سازه این مبحث را دنبال نماید.
انواع بارها در یک ساختمان یا سازه
در یک ساختمان یا سازه به طور کلی دو نوع بار وجود دارد. به عبارت دیگر این دو نوع بار است که بر ساختمان یا سازه اثر میکنند و مهندس طراح باید ساختمان را در مقابل این دو نوع بار تجهیز نماید به طوری که ساختمان یا سازه به سادگی توانایی تحمل آنها را داشته باشد.
نوع اول بارهای وارده به سازه بارهای قائم یا به عبارتی ثقلی یا وزنی هستند. بارهایی که در اثر نیروی جاذبه و وزن اجزای مختلف در یک ساختمان به آن وارد میشوند. خود این بار معمولا به دو دسته بارهای مرده و متغیر تقسیم میشوند. بارهای مرده قائم حاصل وزن اجزای خود سازه یا ساختمان هستند. بارهایی که از زمان ساخت ساختمان در اثر وزن اجزای ساختمان به وجود میآیند. دسته دیگر بارهای قائم، بارهای متغیر هستند. بارهایی که در زمانهای مختلف مقدار آنها تغییر میکند. وزن نفراتی که در یک ساختمان رفت و آمد دارند، وزن وسایل یا تجهیزات قرار گرفته در یک ساختمان، وزن ایجاد شده در اثر بارش برف یا باران و … از این جمله بارها به حساب میآیند. بعضی از سازهها یا ساختمانهای خاص نیز برای تحمل بارهای متغیر ویژهای طراحی میشوند. به طور مثال ساختمانی که بر روی پشت بام خود محل فرود هلیکوپتر دارد یا ساختمانی که دارای استخر در طبقات فوقانی خود است. فارغ از نوع و اجزایی که در یک ساختمان به کار رفته است تمام این اجزا ایجاد کننده بارهای گرانشی به صورت عمودی بر روی ساختمان هستند. در یک ساختمان وظیفه تحمل این بارها عمدتا بر روی تیرها و ستونهای آن است. این تیرها و ستونها میتوانند از مواد اولیه مختلفی ساخته شوند یا طراحیهای مختلفی داشته باشند. در کشور ما ایران عمدهترین مصالح به کار رفته در تیرها و ستونها بتون و فولاد میباشد. طبق تعریف در مهندسی عمران به کلیه اجزایی که وظیفه تحمل بارهای قائم در یک ساختمان یا سازه را دارند، سیستم باربر قائم میگویند.
نوع دوم بارهای وارد به سازه یا ساختمان بارهای جانبی میباشند که در این مقاله عمدتا به آنها میپردازیم. این بارها عمدتا در اثر باد یا تکانهای ناشی از زلزله یا عواملی مشابه آن ایجاد میشوند. در هر سازه یا ساختمان بسته به ویژگیهای آن المانهایی وظیفه تحمل این بارهای جانبی را دارند. به مجموعه این اجزا سیستم باربر جانبی گفته میشود. نسبت به سیستم باربر قائم یا ثقلی، سیستم باربر جانبی در ساختمانها تنوع بیشتری دارند و تجهیزات مختلفی میتوانند برای این مهم به کار روند. در این مقاله به طور مختصر به معرفی انواع آنها میپردازیم.
انواع سیستمهای باربر جانبی
در این بخش به معرفی چند نمونه رایج از سیستمهای باربر جانبی میپردازیم. سیستمهایی که به طور معمول در ساختمانها و سازههای مختلف کاربرد دارند. بدیهی است که انتخاب نوع سیستم باربر جانبی مناسب بر عهده طراح سازه یا ساختمان است. این عمل توسط طراح بر اساس بررسی عوامل مختلف انجام میگردد. موارد زیر نمونههای پرکاربرد از سیستم باربر جانبی هستند.
استفاده از دیوارهای باربر
به طور کلی در یک ساختمان دیوارها به دو نوع دیوارهای سازهای و دیوارهای غیرسازهای تقسیم میشوند. دیوارهای غیرسازهای دیوارهایی هستند که که جزو سازه اصلی به حساب نمیآیند و به دلایل مختلف دیگری به کار میروند. دلایلی از قبیل جداکنندگی فضای داخل ساختمان، استفاده به عنوان المان معماری به منظور زیباسازی طراحی داخلی، محلی برای نصب تجهیزات خاص و … . دیوارهای سازهای دیوارهایی هستند که جزو سازه اصلی به حساب میآیند. این دیوارها در طراحی جزو سازه در نظر گرفته میشوند و در محاسبات و شبیه سازیهای سازه نقش ایفا میکنند. این دیوارها میتوانند تحمل کننده بارهای قائم یا جانبی باشند. یک نمونه از دیوارهای سازهای دیوارهای باربر هستند. به طور کلی دیوارهای باربر دیوارهایی هستند که وظیفه تحمل بارهای قائم و بارهای جانبی را دارند. به عبارت دیگر این دیوارها به گونهای طراحی و ساخته میشوند که هر دوی بارهای ثقلی و جانبی وارد بر خود را تحمل کنند.
در ساختمانی که از دیوارهای باربر استفاده میشود چیزی به نام ستون وجود ندارد و خود دیوارها نقش ستون را بازی میکنند. در این نوع ساختمانها تیر به معنای تعریف معمول وجود ندارد و مقطع بالایی دیوارها نقش تیرها را ایفا میکنند. در واقع این مقطع بالایی دیوارهای باربر هستند که نگاه دارنده کف طبفات میباشند. در استاندارد 2800 انواع مختلفی از این نوع دیوارها نام برده شده است. در این آیین نامه موارد استفاده مجاز برای هر کدام از این انواع آمده است که باید در زمان استفاده از آنها توسط طراح و سازنده رعایت شوند.
استفاده از قاب های خمشی
سیستم قاب خمشی عمدتا بر اساس اتصال صلب بین تیرها و ستونها عمل میکند. در این نوع قابها تیرها و ستونها به صورت گیردار به هم متصل شدهاند. این اتصال باعث میشود علاوه بر به وجود آمدن محدودیت در جابجایی عمودی و افقی، در مقابل لنگر نیز محدودیت ایجاد گردد. در قابهای خمشی در فضای میانی قاب نیازی به استفاده از هیچ گونه المان دیگری نیست. بنابراین از این لحاظ این نوع سیستم اجازه اجرای طرحهای متنوعتری را به طراح معمار میدهد. به دلیل نیاز به ایجاد اتصالات گیردار با استحکام بالا بین تیر و ستون، اجرای این نوع قابها نسبت به قابهای ساختمانی ساده دارای هزینه و پیچیدگی بیشتری هستند.
در زمان وقوع زلزله یا نیروهای جانبی در قابهای خمشی در تیرها و ستونها تغییر شکل موج مانندی ایجاد میشود. این تغییر شکل به این خاطر صورت میگیرد که اتصال گیردار و صلب بین تیر و ستون اجازه حرکت لنگری یا دورانی تیر نسبت به ستون را نمیدهد. این موج دار شدن تیرها و ستونها میتواند انرژی نیروی جانبی را تلف کند و ساختمان را پایدار نگه دارد. تقریبا میتوان گفت تغییر شکل کلی سازه در اثر نیروهای جانبی 65 درصد در اثر تغییر شکل خمشی تیرها و 15 درصد ناشی از خمش ستونها میباشد. به عبارت دیگر در هنگام اعمال نیروهای جانبی تغییر شکل تیرها بیشتر از ستونها خواهد بود.
توجه گردد که لازم است دیوارهای غیرسازهای قرار گرفته در این نوع قابها با جزئیات منطبق در آیین نامهها اجرا شوند. دیوارهای داخل این قابها با استفاده از انواع وال پست و میلگرد بستر باید به گونهای ساخته شوند که در اثر تغییر شکل قابهای خمشی فرو نریزند. این دیوارها باید علاوه بر استحکام خارج از صفحه، آزادی حرکتی اندکی در راستای داخل صفحه داشته باشند تا در اثر تغییر شکل قاب بتوانند پایداری خود را حفظ کنند. چگونگی اجرای صحیح این نوع دیوارها در پیوست ششم آیین نامه 2800 با جزئیات کامل آمده است.
علیرغم استحکام بسیار مناسبی که این قابهای خمشی به ساختمان میبخشند، تغییر شکل آنها باعث میشود تغییر شکل کلی ساختمان یا سازه در زمان وقوع نیروهای جانبی زیاد باشد. در نتیجه طراح باید اقداماتی را در طراحی خود در نظر بگیرد که بتواند این تغییر شکل را کاهش دهد. یکی از این اقدامات بالاتر بردن سختی کلی تیرها و ستونها است که خود میتواند باعث بالا رفتن هزینه ساخت و پیچیدگی اجرا شود. به طور کلی اجرای اتصالهای گیردار و صلب هزینه بسیار بالاتری نسبت به اجرای اتصالات مفصلی بین تیر و ستون دارد که طراح در هنگام انتخاب نوع سیستم باربر جانبی خود باید مد نظر داشته باشد.
استفاده از دیوارهای برشی
دیوارهای برشی دیوارهایی هستند که به واسطه نوع ساخت آنها توانایی بالایی در مقابل تحمل بارهای جانبی دارند. در مقایسه با قابهای خمشی دیوارهای برشی در مقابل بارهای جانبی سختی بالاتری دارند و همچنین کمتر تغییر شکل پیدا میکنند. در مقابل معمولا ساخت آنها نیاز به مصالح بیشتری دارد و سنگینتر هستند. همچنین ساختمانهایی که بر اساس دیوارهای برشی ساخته میشوند نیاز به فونداسیون بزرگتر و قطورتری دارند. دیوارهای برشی در یک ساختمان میتوانند به عنوان دیوارهای پیرامونی یا دیوارهای داخلی ساخته شوند. مکان قرارگیری دیوارهای برشی در یک ساختمان باید به دقت و با محاسبات لازم توسط طراح صورت گیرد. همچنین استفاده از دیوارهای برشی در طبقات مختلف و نوع آنها معمولا متفاوت هستند.
دیوارهای برشی خود انواع مختلفی دارد که معمولترین آنها دیوارهای برشی بتون آرمه و دیوارهای برشی فولادی هستند. دیوارهای برشی بتون آرمه در داخل خود به گونه آرماتورکشی شدهاند که بتواند هم نیروهای قائم و هم نیروهای جانبی را تحمل کنند. ساخت این نوع دیوار برشی با آرماتوربندی اولیه و بتون ریزی پس از آن توسط قالبهای مخصوص صورت میگیرد. دیوارهای برشی فولادی نوع دیگری از دیوارهای برشی هستند که به تدریج استفاده از آن ها گسترش بیشتری پیدا کرده است. این دیوارهای برشی در واقع ورقهای فولادی هستند که در داخل یک قاب قرار میگیرند و دیوار نهایی را در مقابل نیروهای جانبی و حتی بارهای قائم مقاوم میکنند. دیوارهای برشی فولادی نسبت به دیوارهای برشی بتونی بسیار سبکتر هستند. ضخامت این دیوارها نیز کمتر از دیوارهای برشی بتونی می باشند. ضمنا اجرا و نصب آنها نیز ساده ترند. در عین حال دیوارهای برشی فولادی به تنهایی یک دیوار به حساب نمیآیند و باید بر روی آنها قسمتهای دیگری نیز اجرا شوند تا بتوانند مانند یک دیوار معمولی عمل کنند. مشکلی که در مورد دیوارهای برشی بتونی وجود ندارد.
استفاده از مهاربندها
در بسیاری از ساختمانهای معمولی از قابهای ساده استفاده میشود. قابهای ساده قابهایی هستند که اتصال بین تیر و ستون در آنها از نوع مفصلی است. این نوع قابها میتوانند بارهای قائم را تحمل کنند اما برای تحمل بارهای جانبی نیاز به استفاده از المان دیگری دارند. بارهای قائم در این نوع ساختمانها توسط تیرها و ستونها تحمل میشوند. معمولترین روش برای ایجاد مقاومت لازم در قابهای ساختمانی ساده استفاده از مهاربند است.
مهاربندها المانهایی هستند که معمولا از فولاد ساخته میشوند. این المانها در یک قاب ساده به گونهای نصب میشوند که به قاب ساده امکان مقاومت در مقابل نیروهای جانبی را میدهند. مهاربندها انواع مختلفی دارند، اما در مهندسی عمران عمدتا به دو دسته مهاربندهای همگرا و واگرا تقسیم بندی میشوند. مهاربندهای همگرا مهاربندهایی هستند که در آنها المانهای نصب شده در یک نقطه مشترک همه به هم متصل میشوند. به عبارت دیگر در این نوع مهاربندها نقطه مشترکی وجود دارد که تمام قسمتهای مهاربند به آن وصل هستند. اما در مورد مهاربندهای واگرا این صادق نیست. فارغ از شکل و نوع، در هنگام اعمال نیروهای جانبی المانهای مایل مهاربندها دچار کشش یا تنش میشوند. توانایی مهاربندها در تحمل این کشش و تنش باعث ایجاد پایداری و ثبات برای سازه یا ساختمان میگردند.
مهاربندهای مختلف بر اساس شکلی که در داخل قاب ایجاد میکنند نیز نامگذاری میشوند. از این لحاظ مهاربندهای هفتی یا هشتی، ضربدری، K شکل و A شکل و مهاربند قطری وجود دارند. هر کدام از این مهاربندها مزایای و معایب خود را دارند و در موقعیتهای خاص خود به کار میروند. مهاربندهای هفتی و هشتی بیشتر در زمانی کاربرد دارند که در قاب مربوط نیاز به وجود بازشو میباشد. این مهاربندها این امکان را فراهم میکنند در حالی که مثلا مهاربندی مانند مهاربند ضربدری این اجازه را نمیدهد.
درباره استفاده در مهاربندها نیز در آیین نامه استاندارد 2800 توضیحات فراوانی آمده است. طبق این آیین نامه اتصال بین المانهای مهاربند و قاب ساده میتوانند از نوع مفصلی یا گیردار باشند اما فارغ از نوع اتصال طراحی باید به گونهای صورت گیرد که در سازه تحمل نیروهای قائم بر روی تیرها و ستونها و تحمل بارهای جانبی بر روی مهاربندها قرار بگیرند. به عبارت دیگر بارهای جانبی باید توسط مهاربندها و نه توسط تیرها و ستونها تحمل شوند. به علت عملکرد نه چندان مناسب، طبق آیین نامه مهاربند K شکل مجاز دانسته نمی شود و باید از به کار بردن آن پرهیز گردد. در آیین نامه همچنین از مهاربند دیگری که نسبت به مهاربندهای سنتی جدیدتر است به نام مهاربند کمانش تاب صحبت شده است. مهاربند کمانش تاب مهاربندی است که در آن المان فولادی توسط غلافی بتونی محافظت میشود. این غلاف بتونی باعث میشود که این نوع مهاربند علاوه بر کشش تحمل خوبی نسبت به تنش نیز داشته باشد.
هر کدام از مهاربندهای نام برده شده ویژگیهای مختص خود را دارند. بر اساس این ویژگیها طراح سازه تشخیص میدهد که بهتر است در هر قسمت از کدام نوع از این مهاربندها استفاده کند. به طور کلی مهاربندهای همگرا نسبت به مهاربندهای واگرا سختی بیشتری را ایجاد میکنند. در مقابل، مهاربندهای واگرا انعطاف بیشتری دارند و اجازه تغییر شکل بیشتری را به سازه میدهند. این تغییر شکل بیشتر، امکان استهلاک بیشتر انرژی نیروهای جانبی وارد به سازه را فراهم میکند. به طور کلی در بین مهاربندهای واگرا مهاربند A شکل پراستفاده تر است.
عوامل موثر در انتخاب نوع سیستم باربر جانبی
انتخاب سیستم باربر جانبی برای یک سازه یا ساختمان به عوامل زیادی بستگی دارد. این عوامل توسط مهندس محاسب و طراح در نظر گرفته میشود و طبق آنها بهترین سیستم باربر جانبی قابل اجرا انتخاب میگردد. در این قسمت یه برخی از این عوامل اشاره میکنیم.
ارتفاع ساختمان
برخی از سیستمهای باربر جانبی تنها برای ساختمانهایی با ارتفاع کم قابل اجرا هستند در حالی که برخی دیگر برای برجهای بلند نیز به کار میروند. به طور کلی دیوارهای برشی برای ساختمانهای بلندتر و قابهای خمشی در هر دو نوع ساختمانهای با ارتفاع کم و ارتفاع زیاد قابل اعمال هستند. در آیین نامه استاندارد 2800 جدولی آمده که در آن ارتفاع ساختمان مجاز در استفاده از انواع مختلف سیستم های باربر جانبی بیان شده است. لازم به ذکر است که امکان دارد سیستمهای باربر جانبی گفته شده برای ساختمانهای خیلی بلندی مانند آسمان خراشها و برجهای مرتفع کافی نباشند که در این حالت طراحان سازه ممکن است از دیگر سیستمهای نوین مستحکم سازی سازه بهره ببرند. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه می توانید به مقاله انواع میراکننده و نقش آنها در ساختمان مراجعه کنید.
کاربری ساختمان
مقصودی که ساختمان برای آن در نظر گرفته شده است میتواند بسیار در انتخاب سیستم باربر جانبی آن موثر باشد. به طور مثال یک ساختمان که قرار است یک اداره پرتردد باشد با یک ساختمان مسکونی بسیار متفاوت است. یک ساختمان اداری در ساعات کاری میتواند میزبان نفرات زیادی در ساختمان باشد. در حالی که تعداد نفرات در یک ساختمان مسکونی به این شکل متغیر نخواهند بود. بنابراین بارهای قائم در یک ساختمان اداری تغییر بسیار بیشتری نسبت به یک ساختمان مسکونی دارد. از آن گذشته ساختمان اداری باید دارای فضاهای بازتر برای تردد افراد باشد که خود نقش بزرگی در متفاوت شدن طرح آن نسبت به ساختمان مسکونی دارد. در نتیجه سیستم باربر جانبی که بتواند نیازهای پایدارسازی را در ساختمان اداری فراهم کند نسبت به ساختمان مسکونی متفاوت است. علاوه بر این ضریب اهمیت یک ساختمان نقش بسیار مهمی در انتخاب سیستم باربر جانبی دارد. ساختمانهایی که دارای اهمیت بالا هستند باید به گونهای ساخته شوند که در مقابل زلزله یا عوامل مخرب دیگر مقاومت بسیار بالاتری داشته باشند. در نتیجه در این ساختمانها هزینههای بیشتری برای مقاوم سازی ساختمان در مقابل بارهای جانبی میشود.
منطقهای که ساختمان ساخته میشود
مشخصا منطقهای که یک ساختمان احداث میشود در انتخاب میزان آمادگی مورد نیاز ساختمان برای مقابله در مقابل بارهای جانبی موثر است. ساختمانهایی که در مناطق زلزله خیر (مانند مناطق زیادی از کشورمان ایران) ساخته میشوند نیازمند سیستمهای باربر جانبی با عملکرد بهتری هستند. در حالی که این مساله در مناطق کم زلزله شاید جزو اولویتها به حساب نیاید. علاوه بر میزان زلزله خیزی منطقه ویژگیهای زیست محیطی نیز میتواند در انتخاب سیستم باربر جانبی موثر باشد. به طور مثال در منطقهای که دارای هوای مرطوب است انتخاب سیستمهای باربر جانبی ساخته شده از بتون، به واسطه مقاومت این ماده در مقابل رطوبت نسبت به سیستم های باربر جانبی فولادی توجیه منطقی بیشتری دارد. یا در مناطق سرد که خانهها فضاهای باز کمتری به نسبت خانههای مناطق گرم دارند استفاده از دیوارهای برشی امکان بیشتری می تواند داشته باشد.
ملاحظات طراحی معماری
نقشه معماری یک ساختمان با طراحی سازهای آن ارتباط تنگاتنگ دارد. ساختمانی که قرار است فضاهای باز و بازشوهای فراوان در دیوارهای خود داشته باشد به احتمال بسیار زیاد با ساختمانی که در هر طبقه شامل اتاقهایی با فضاهای خصوصی است، به لحاظ انتخاب سیستم باربر جانبی متفاوت است. به همین دلیل در طراحی یک سازه یا ساختمان مهندس محاسب طراح سازه باید به طور مرتب با معمار طراح در تماس باشد تا در عینی که ملاحظات سازهای مرتفع میشود نمای داخلی و خارجی ساختمان شکیل و جذاب از کار در آید.
هزینه
هزینه همیشه فاکتوری مهم در کلیه امور مهندسی است. در عینی که استفاده از سیستم باربر جانبی همواره باید شرایط مندرج در آیین نامه را پاس کند، ممکن است سازندهای به دلایل مختلف حاضر باشد برای مقاومت بیشتر ساختمان خود و ایجاد اطمینان بالاتر، بیشتر هزینه کند و از سیستمهای باربر جانبی گرانتر اما کارآمدتر استفاده کند. امروزه علاوه بر موارد معرفی شده سیستمهای نوین دیگری به منظور مقاوم سازی ساختمانها به کار میروند که ممکن است سازندهای حاضر باشد هزینه مورد نیاز برای احداث آن نوع سیستمهای مقاوم سازی را پرداخت نماید. برای کسب اطلاعات بیشتر در این مورد میتوانید به مقالات فیوز سازهای چیست و چگونه عمل میکند؟ و روشهای جدید مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله مراجعه نمایید.
در دسترس بودن مصالح
به طور کلی مصالح به کار رفته در ساختمانسازی در کشورهای مختلف دنیا تفاوتهایی با هم دارند. حتی در یک کشور در مناطق مختلف به خاطر ملاحظات جغرافیایی استفاده از مصالح مختلف توجیه منطقی بیشتری دارد. گذشته از تفاوت میزان در دسترس بودن مصالح گوناگون در مناطق مختلف، ممکن است قیمت این مصالح نیز در نقاط مختلف با هم متفاوت باشند که در نتیجه در تصمیم گیری انتخاب نوع سیستم باربر جانبی برای ساختمان توسط طراح تاثیرگذار است. به طور مثال در مناطقی چوب یکی از مواد اولیه مهم و ارزان در ساخت ساختمان است در حالی که در مناطق دیگری تنها به منظور ساخت خانههای تجملاتی از آن استفاده میشود. المانهای پیش ساخته و آماده موارد دیگری هستند که در کشورهای مختلف و مناطق مختلف روی کره زمین به شکل متفاوتی به کار میروند.
مقررات آیین نامه ای
مطمئنا در هر نقطهای بر روی کره زمین که سازندهای میخواهد سازه یا ساختمانی احداث کند باید مقررات ساختمانی آن کشور یا منطقه را رعایت نماید. در بیشتر موارد مقررات ساختمانی بر این اساس تنظیم شده اند که اطمینان خاطر از کارایی ساختمان ساخته شده را فراهم کنند. اگرچه در مواردی جزئی ممکن است این قوانین اختلافهای اندکی نسبت به بهترین راه حل یا طراحی برای یک نمونه ساختمان خاص را نشان دهند. شاید مهمترین دلیل این مساله پیشرفت سریع تکنولوژی و معرفی المانها و مفاهیم عمرانی جدید در دنیا باشد. به همین منظور در تقریبا کل کشورهای دنیا سازمانها یا کمیتههایی که مسئول تالیف مقررات آیین نامهای ساختمان هستند، به طور مرتب در حال پژوهش و به روز رسانی این آیین نامه ها هستند تا امکان بهره گیری قانونی از تکنولوژیهای روز دنیا را برای سازندگان ساختمان در آن کشور فراهم کنند.