مقاله ارزیابی ویژگی ها و عملکرد سقف مرکب عرشه فولادی

بخشی از مقاله

ارزیابی ویژگی ها و عملکرد سقف مرکب عرشه فولادی

چکیده

یکی از انواع سقفهایی که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته، سقف مرکب با عرشه فولادی است. توجیه اقتصادی این نوع سقف در ترکیب فولاد و بتن و قرارگیری آنها در محل مناسب به لحاظ نوع رفتار و قابلیتهای این مصالح میباشد. عملکرد مناسب این سیستم تا حد زیادی به میزان انتقال برش بین عرشه فولادی و بتن بستگی دارد، که انتقال برش نیز به چند عامل وابسته است. استفاده از برشگیرهای انتهایی و ایجاد آج و انواع زایدهها میتواند به افزایش درگیری بین عرشه فولادی و بتن منجر شود که تاثیر مثبتی بر رفتار دال دارد. بیشترین عامل خرابی و شکست در این نوع دال، جداشدگی و لغزش طولی بین دو ماده میباشد . سقف عرشه فولادی در گروه سقف های با توزیع بار در یک جهت قرار می گیرد و اتصال این نوع سقف ها به تیرهای اصلی از نوع مفصل در نظر گرفته می شوند. مکانیزم کلی عملکرد این سقف، مشابه دیگر سقف های یک طرفه بدین صورت است که بار در جهت اصلی با تیرک های دارای ظرفیت کششی (استفاده از فولاد) به منظور تحمل ممان مثبت به تیرهای اصلی انتقال پیدا کرده و قسمت فشاری مقطع سقف را بتن تشکیل می دهد. اصولا سقف های عرشه فولادی از نظر طراحی و محاسبه به دو دسته تقسیم می شوند. در این مطالعه به بررسی انواع سقف عرشه فولادی، روش طراحی و اجرای آن، مزایا، معایب و عملکرد آن می پردازیم.

واژه های کلیدی : سقف عرشه فولادی، ورق فولادی، عملکرد، مزایا، روش های طراحی

1

مقدمه

با پیشرفت علم سازه و صنعتی تر شدن روند احداث ساختمان، روش های اجرایی جدیدی پیش روی کارفرمایان قرار می گیرد که سقف عرشه فولادی یکی از آنهاست. گرچه این روش به تازگی در کشور ما رایج شده است اما سالها از ابداع این نوع سقف می گذرد. عرشه های فولادی اولین بار به منظور کف پل های فلزی و کابلی با عنوان orthotropic deck در کشور آمریکا استفاده گردید. مزیت اصلی این نوع کف ها سرعت اجرای بالا و سهولت در نصب بود. با توسعه ساختمان های بلند و آسمان خراش ها در کشور آمریکا این روش با تغییراتی به عنوان کف باربر طبقات مورد استفاده قرار گرفت. از این رو خوشبختانه آئین نامه های مفصل
و کاملی درباره جزئیات محاسبه و اجرای این نوع سقف ها وجود دارد. در اینجا به معرفی اجمالی این نوع سقف ها پرداخته و مزیت های محاسباتی و اجرایی آن را بر خواهیم شمرد . سقف عرشه فولادی در گروه سقف های با توزیع بار در یک جهت قرار می گیرد

و اتصال این نوع سقف ها به تیرهای اصلی از نوع مفصل در نظر گرفته می شوند. مکانیزم کلی عملکرد این سقف مشابه دیگر سقف های یک طرفه بدین صورت است که بار در جهت اصلی با تیرک های دارای ظرفیت کششی (استفاده از فولاد) به منظور تحمل ممان مثبت به تیرهای اصلی انتقال پیدا کرده و قسمت فشاری مقطع سقف را بتن تشکیل می دهد. اصولا سقف های عرشه فولادی از نظر طراحی و محاسبه به دو دسته تقسیم می شوند.

روشهای طراحی سقف عرشه فولادی

اصولاً دو روش کلی برای طراحی این نوع سقف وجود دارد :
الف) ورق فولادی به عنوان قالب ماندگار (Permanent Shuttering) ب) ورق فولادی به عنوان المان کششی (Tensile Component)
روش سوم دیگری نیز وجود دارد؛ که طراحی براساس نتایج بدست آمده از یک سری آزمایشهای استاندارد انجام میپذیرد که این امر مستلزم ساخت نمونههایی با دقت بالا و سپس انجام آزمایشهای مذکور با شیوه و الگوریتم خاص خود و در نهایت گرفتن خروجیهای قابل استفاده از آنهاست.

الف) ورق فولادی به عنوان قالب ماندگار

در این روش طراحی، از قابلیت مقاومت کششی ورق فولادی در مقطع صرفنظر میکنند، به عبارت دیگر به ورق فولادی به عنوان یک قالب نگاه میکنند که میبایست قادر به تحمل بارهای زنده (ابزار و نفرات) موجود تا مرحله بتنریزی همچنین وزن بتن خیس و خشک باشد که البته پس از گیرش بتن نیازی به دکفراژ ندارد و تا پایان عمر ساختمان باقی خواهد ماند. در این حالت در واقع از عملکرد (Contribution) سازهای ورق فولادی چشمپوشی شده و سقف به عنوان یک دال بتنی مسلح در نظر گرفته میشود این نحوه طراحی، موجب میشود مقدار آرماتور محاسباتی مقطع بیشتر شود چرا که میبایست به جای ورق فولادی نیز در تحمل کشش مقطع شرکت نمایند. طراحان در این حالت،معمولاً این آرماتورهای کششی را درکف کنگرهها قرار داده و آنها را آرماتورهای طولی (Longitudinal Reinforcement) مینامند.

ب) ورق فولادی به عنوان المان کششی

در این روش ورق فولادی به عنوان المان کششی مقطع در نظر گرفته میشود و مقطع حاصله به صورت مرکب (Composite) عمل میکند در واقع در این حالت درگیری بتن و ورق فولادی به اندازهای کافی است که در حین مقاومت در برابر لنگرها و برشهای موجود با یکدیگر عمل کرده و دچار لغزش نسبت به هم نمیشوند. طراحی با استفاده از این فرضیات، اقتصادیترین حالت این سقف را بدست میدهد چرا که موجب کاهش آرماتور محاسباتی مقطع خواهد شد. هرچند در نظر گرفتن درستی این فرضیات منوط به داشتن اطلاعات دقیق از مشخصات هندسی ورق و رفتار مشترک (Interaction) بتن و ورق فولادی میباشد.

2

سقف کامپوزیت عرشه فولادی شامل چهار نوع مصالح است که عبارتند از :

.1 ورق فولادی .2 برشگیر .3 آرماتور .4 بتن

.1 ورق فولادی (Steel Sheet)

ورق فولادی شاخصترین مصالح این نوع سقف میباشد که برای ساخت آن ورق فولادی گالوانیزه (هر دو طرف) با ضخامتهای 0/8 تا 1/2 میلیمتر را به روش نورد سرد به حالت موجدار ( هر موج به صورت ذورنقه ) شکل دهی می کنند.

ارتفاع ذوزنقه ها حداکثر 75 میلیمتر و عرض متوسط کنگره های پرشده با بتن نباید کمتر از 50 میلیمتر باشد.

این ورقها میبایست در جان خود (قسمت شیبدار ورق) دارای فرورفتگیها و برجستگیهایی باشند تا درگیری بین فولاد و بتن را ایجاد نماید .

.2 برشگیر (Stud Shear Connector)

قطر این برشگیرها حداکثر 20 میلیمتر و ارتفاع آنها بسته به شکل ورق فولادی متغییر میباشد و در نهایت حداقل ارتفاع گل میخ بعد از نصب که از بالای ورق ذوزنقهای اندازهگیری میشود نباید کمتر از 40 میلیمتر باشد. این گل میخها به وسیله دستگاه جوش قوس الکتریکی خاصی که StudWelder خوانده میشود به بال تیرهای سازهای جوش میشود. این فرآیند جوشکاری میتواند هم به صورت مستقیم روی بال تیر سازهای انجام گیرد (Direct Attach Welding) و هم از روی ورق فولادی انجام گیرد ( Sheet Welding Through the ) قبل از قرارگیری گل میخ یک حلقه سرامیکی در محل جوش قرارمیگیرد تا از حوضچه مذاب ایجاد شده در لحظه ایجاد قوس الکتریکی محافظت نماید.

.3× آرماتور (Reinforcement)

آرماتوربندی در چهار مورد زیر میبایست اجرا گردد:
1. مقاومت در برابر لنگر منفی در دهانههای ممتد و کنسول ها

2. بارهای متمرکز یا بازشوها

3. آرماتور حرارتی

4. مقاومت در برابر لنگر مثبت در صورتی که از عملکرد کششی ورق فولادی صرفنظر شود.

3

آرماتوربندی این سقف در صورتی که با استفاده از میلگردهای آجدار مرسوم و موجود در بازار صورت گیرد تا حدودی وقتگیر خواهد بود (نسبت به سایر مراحل اجرای این نوع سقف) اما درصورت استفاده از مشهای آماده این مرحله از اجرای سقف نیز با سرعت قابل قبولی صورت خواهد پذیرفت.

.4 بتن

مقاومت فشاری بتن مورد استفاده با توجه به اینکه از بتن سبک یا بتن معمولی استفاده شود میتوانداز 200 تا 300 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع متغیر باشد که با توجه به نوع بارگذاری و مشخصات دهانه تعیین خواهد شد.

ضخامت دال بتنی در بالای کنگره ورق ذوزنقهای نباید از 50 میلیمتر کمتر باشد . با توجه به این موضوع در صورت استفاده از ورق فولادی با ارتفاع حداکثر 75 میلیمتر مجموع ضخامت سقف 125 میلیمتر خواهد بود.

یکی دیگر از راهکارهای سرعت بخشیدن به اجرای این سقف استفاده از بتن دارای فیبرهای پلیمری یا فولادی میباشد که با استفاده از آن میتوان آرماتوربندی را در اکثر نقاط عرشه فولادی حذف نمود که البته تهیه، حمل و ریختن آن میبایست با دقت خاص و براساس آئیننامههای مربوطه باشد.

مراحل نصب و اجرا:

1. دپو و انتقال به طبقات

ورق های کامپوزیت پس از انتقال به کارگاه و دپو در یک فضای کوچک ،به کمک نیروی انسانی و بدون نیاز به ماشین آلات و تنها با کمک یک بالابر به تراز های مختلف طبقات منتقل می شود.

2. جا گذاری عرشه های فولادی

این عرشه ها شامل گیره های نر ومادگی هستند که به راحتی توسط نیروی انسانی نیمه ماهر در یکدیگر چفت می شوند و پس از این مرحله ، رفت وآمد در طبقات بسیار ساده می شود و سرعت کار به طرز قابل ملاحظه ای افزایش می یابد.

با چیدن ورقها و پوشش دهانهها، به وسیلهی دستگاههای میخکوب مخصوص، ورقها را در محل نشیمن روی تیرهای سازهای ثابت می کنند این مرحله میبایست به صورت همزمان یا بلافاصله بعد از چیدن ورقها انجام گیرد.

3. نصب گل میخ یا برشگیر و آرماتوربندی:

در محلی که عرشه های فولادی برروی تیرها قرار گرفته اند، برای اتصال این دو، از گل میخ استفاده می شود.

.4 قالب بندی کناره ها

قالب بندی لبه ها معمولا از اصلاحیات لبه که از فولاد گالوانیزه خمیده در گوشه ها ساخته شده و یا توسط ورق گالوانیزه L شکل تشکیل شده است. همچنین می توان با قالب بندی سنتی کناره ها نیز این مرحله را انجام داد.

5. قراردادن بازشوها و دریچه ها مطابق نقشه های اجرایی

بازشوهای کوچک تا ابعاد 30 سانتیمتر به میلگرد تقویتی نیاز ندارند و می توان پس از گیرش بنت عرشه را از محل مشخص برید. بازشوهای تا ابعاد 70 سانتیمتر نیاز به میلگرد قطری دارند. اما در اطراف بازشوهای بزرگتر بایستی تیرهای فرعی اجرا گردد.

6. بتن ریزی و تسطیح سطح بتن

4

ضخامت بتن از روی بالاترین سطح ورق نباید کمتر از 50 میلیمتر باشد.

فرایند اجرای سقف عرشه فولادی

الف ) در این روش ورق فولادی بعنوان یک قالب در نظر گرفته می شود به بیان بهتر از قابلیت کششی ورق در مقطع چشم پوشی می شود بنابراین ورق فولادی باید وزن ابزار آلات و نفرات موجود تا مرحله قبل بتن ریزی و همچنین وزن بتن خیس را تحمل کند می توان گفت که از عملکرد سازه ای ورق چشم پوشی و سقف همانند یک دال بتنی مسلح در نظر گرفته می شود.

باید توجه کرد که در این روش میزان آرماتور بندی محاسبه شده برای استفاده در مقطع بیشتر می باشد تا در تحمل کشش مقطع نقش بیشتری را ایفا کند چرا که از مقاومت کششی ورق فولادی صرف نظر شده است.

همچنین در این روش اصولا آرماتور های کششی در کف کنگره قرار داده می شوند و از آنها بعنوان آرماتور طولی نام می برند . شایان ذکر است که بعد از بتن ریزی و خشک شدن بتن نیازی به دکفراژ نمی باشد و ورق ها تا پایان عمر ساختمان باقی می مانند ب ) این روش برای اجرای سقف عرشه فولادی بدلیل کاهش آرماتور محاسباتی مقطع , نسبت به سایر روش ها اقتصادی تر می باشد در این روش ورق فولادی بعنوان یک مقطع مرکب عمل کرده و درگیری ورق با بتن به اندازه کافی می باشد که در حین مقاومت در برابر لنگرها , دچار لغزش نسبت به هم نمی شوند برای استفاده از این روش باید اطلاعات دقیقی از مشخصات هندسی ورق و رفتار مشترک بتن و ورق فولادی را داشته باشیم.

الزامات اجرای سقف عرشه فولادی

· ارتفاع ورق های فولادی ذوزنقه ای در این مقاطع به 75 mm محدود میشود.

· تامین ضوابط دیافراگم صلب با توجه به ضوابط موجوددر فصل 12 آیین نامه ASCE7-05 و ضوابط موجود دراستاندارد 2800 ایران الزامی است.

· حداکثر تغییر مکان مجاز ناشی از بار مرده حین اجرا به L/180 یا 20mm برای هر دهانه محدود میشود.

· حداکثر تغییر مکان مجازی ناشی از بار زنده بهره برداری به L/360 برای هر دهانه محدود میشود.

· رعایت الزامات مربوط به بازشو در سقفها، براساس مبحث نهم مقررات ملی ساختمان الزامی است.

· رعایت ضوابط طراحی برشگیرها براساس بند 7 - 2 - 1 - 10 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان یا براساس ضوابط موجود در بخش 13 آیین نامه ASCE7-05 الزامی است.

· قطر گل میخهای برش گیر باید 20 mm یا کمتر بوده وحداقل ارتفاع آنها بعد از نصب، که از بالای ورق ذوزنقه ای اندازه گیری میشود، نباید کمتر از 40mm باشد.

· ضخامت دال بتن آرمه در بالای کنگره ورق ذوزنقه ای نبایداز 50mm کمتر باشد.
· رعایت مشخصات فولادهای بکار برده شده بر اساس استاندارد ASTM با حداقل Fy برابر MPa230 الزامی است.

· رعایت مشخصات بتن سازه ای برای بتن مورد استفاده در دال بتن ارمه، مطابق با ضوابط موجود در AISC و با حداقل fc برابر MPa21 و حداکثر آن برابر 70MPa وهمچنین رعایت ضوابط مربوط به آرماتور گذاری دال بتن آرمه براساس ضوابط موجود در آیین نامه ACI 318-05 الزامی است.

· مقاومت تسلیم آرماتورهای مورد استفاده در دال بتن آرمه رویه، مطابق ضوابط AISC نباید از 525MPa تجاوز کند.

· رعایت ضوابط ومقررات مربوط به جوشکاری اعضای سرد نورد شده مطابق استاندارد AISI وآیین نامه های AWS و AISC الزامی است .

· رعایت ضوابط راهنمای طراحی Floorvibrationsduetohumanactivity منتشر شده توسط انجمن AISC برای کنترل ارتعاش کف ها الزامی است.