مزیت‌های متمایز سازه‌های پس کشیده 

اضافه بر مزیت های اقتصادی که سازه های پس کشیده در اثر ذخیره هزینه ساخت و نگهداری به ارمغان می آورد. سازه های پس کشیده دارای مزیت ها افزوده در مقایسه با سازه های بتنی معمولی دارند. در این مطلب ویژگی های مهم سازه های پس کشیده مرور می شود.

استفاده از فولاد کمتر به دلیل ایجاد امنیت

مقاومت کششی فوق العاده فولاد پیش تنیده که امروزه در ساخت و ساز استفاده می شود دارای ظرفیت4.5 برابری نسبت به ظرفیت فولاد متداول می باشد.(شکل 2.2a.1) در نتیجه، با جایگزینی ارماتور های فولادی متداول با فولاد مورد نیاز سیستم پس کشیدگی می توان تا 4 برابر وزن فولاد تقویتی مورد نیاز را کاهش داد. دقت شود که در صورت استفاده از سیستم های چسبیده(دارای گروت) می توان این مزیت را تا 4.5 برابر افزایش داد. برای سیستم های غیر چسبیده نسبت این کاهش وزن برابر 3.4 تا 4 برابر می باشد.(مطابق با ACI 318-11، این نسبت می تواند در سایر آیین نامه های ساختمانی متفاوت باشد) که همچنان یک مزیت قابل توجه به شمار می رود به ویژه زمانی که بناست تا از اثرات کربن کاسته شود. 

شکل1- مقادیر مقاومت فولاد متداول و فولاد پیش تنیدگی 

استفاده از فولاد کمتر با حذف آرماتور های افت، حرارت و عملکرد دیافراگم

آیین نامه های ساختمانی نیاز استفاده از مقدار حداقل آرماتور های تقویتی در سقف ها برای کنترل ترک های ناشی از افت و ترک خوردگی را الزام می کنند. (مطابق با ACI 318-11 آرماتور های افت و حرارت برابر با 0.002 سطح مقطع بتن می باشند. )

این آرماتور ها می بایست به صورت یکنواخت با فاصله ای که معمولا بین 1 تا 0.5 برابر ضخامت سقف می باشد، در سقف توزیع شوند. این نیازمندی منجر به ارماتور های متداول مش بندی شده ای شده که در سراسر کف توزیع می شوند، شده است. در بهترین حالت، تنها درصدی از این ارماتور های تقویتی مش بندی شده می تواند برای طراحی مقاومتی سقف استفاده شود. در سقف های پس کشیده نه مش و نه ارماتور های با فاصله کم مورد نیاز است.  پیش فشردگی که توسط تاندون ها به وجود می آید از مهار ها(گیره ها یا انکوریج ها) به سرعت در سقف توزیع می شود و برای جلوگیری از ترک خوردگی ناشی از افت و حرارتکفایت می کند.

شکل 2 یک سقف بتن مسلح متعارف را با یک سقف پس کشیده مقایسه می کند. 
نیروهای لرزه‌ای که توسط جرم سقف ها به وجود می آید می بایست به سیستم باربرجانبی سازه همچون دیوار های برشی، قابهای لرزه ای و ستون ها توزیع شود. سیستم سقف به عنوان دیافراگم عمل می کند تا این نیرو ها را به اعضایی که سقف را نگاه می دارند، منتقل کند. علاوه بر تولید نیرو در هر ترازی از طبقات ساختمان سقف ها در توزیع نیروهای لرزه ای از المان های باربرجانبی در یک تراز به تراز دیگر مشارکت می کنند. باز توزیع نیروهای لرزه ای از یک تراز به تراز دیگر و همچنین توزیع نیروی لرزه ای که توسط جرم سقف در هر طبقه به وجود می اید، نیازمند یک سیستم سقف است که به صورت دیافراگم عمل می کند. ایین نامه های ساختمانی به کارگیری سطح مقطع حداقلی از آرماتور ها را که می بایست در کف در هر دو راستا توزیع شوند الزام می کند، بنابراین سقف مجهز به مقاومت درون صفحه مورد نیاز برای عملکرد دیافراگمی را پیدا خواهد کرد. پیش فشردگی به وجود آمده توسط تاندون ها پس کشیده در شرایط بهره برداری معمولا بیشتر از آرماتور های تقویتی حداقل مورد نیاز برای عملکرد دیافراگمی می باشد. و بنابراین آرماتور های تقوریتی اضافه شده حذف می گردند. 

شکل2-اجرای سقف بتنی متعارف و سقف بتنی پس کشیده

 سقف با ضخامت کمتر معادل با استفاده از بتن کمتر

هنگامی که طول دهانه از مقدار مرزی 5 متر عبور کند، یک سقف پس کشیده تقریبا 1/3 نازک تر از سقف بتن مسلح طراحی شده در برابر باری با مقدار مساوی می باشد. کاهش ضخامت به معنای کاهش مصالح بتنی کمتر مورد نیاز برای سقف ها و همچنین اعضای تکیه گاهی همچون ستون ها، دیوار ها و شالوده است. علاوه بر کاهش هزینه های مصالح، پس کشیدگی به صورت چشمگیری اثرات کربن(ردپای کربن) را در ساخت کاهش می دهد. 

 دهانه های طویل تر

سقف های پس کشیده می توانند فواصل بیشتری را نسبت به سقف های بتنی متعارف با ضخامت یکسان، بپوشانند. علاوه بر فراهم ساختن فضاهای بازتر، دهانه های طویل تر این امکان را می دهد تا بتوان از ستون های تکیه گاهی کمتری استفاده کرد که متناظرا سازه ای به صرفه بیشتر اقتصادی را ارائه می دهد. شکل زیر(شکل 3) به صورت شماتیک بیانگر مقایسه ای بین قاب بتنی مسلح متعارف و قاب مشابهی که پس کشده شده است را نشان می دهد. این شکل مزیت های استفاده از دهانه های طولانی تر و کف های نازک تر را برجسته می سازد. 

شکل3-قاب های بتنی بتن مسلح متعارف و پس کشیده-مقایسه ضخامت و عرض دهانه

 ظاهر ساده و حذف تیر ها

در بسیاری از حالات، استفاده مدبرانه از پس کشیدگی می تواند منجر به حذف تیر ها شود. دال های تخت که در شکل 4 نشان داده شده است، منجر به کاهش هزینه قالب بندی می شود. در آمریکا هزینه قالب بندی، می تواند به اندازه 3/1 هزینه سیستم های سقف باشد. ساده سازی به وجود آمده در قالب بندی می تواند به عنوان یک مزیت قابل توجه به حساب بیاید. 

شکل4-دال تخت بدون تیر با استفاده از پس کشیدگی

قابلیت تنظیم عناصر تکیه گاهی سقف به صورت نامنظم

امروزه  ترکیب آرمان های معماری و ارتقا ویژگی های مصالح و پیشرفت های به وجود آمده در تحلیل و طراحی سازه، باعث به وجود آمدن قالب های سقف متهورانه همراه با فضاهای باز بزرگ و همچنین چیدمان نامنظم تکیه گاه ها و هندسه سقف می شود. 

کف های صلب پس کشیده که نیازمند تکیه بر قاب بندی متشکل از تیر و سقف که در سازه های بتن مسلح متعارف، متداول است نیستند، قابلیت به کار گرفته شدن در هندسه ای نامنظم را دارند.  شکل 5 مثالی از کف پس کشیده نامنظم که در فلوریدا ساخته شده است، می باشد.

شکل5-مثال هایی از هندسه سقف نامنظم و قالب بندی عناصر تکیه گاهی 

قاب‌‍های بتنی سبک تر؛ نیاز لرزه ای کمتر 

یک قاب بتنی پس کشیده هنگامی که تکیه گاه ها و شالوده از مزیت سیستم سقف سبک تر بهره می برند، عموما 1/3 سبک تر از طراحی قاب بتنی متعارف می باشند. اگر چه که، در برخی حالات پس کشیدگی از طریق مهندسی ارزشپس از انعقاد قرارداد پیمانکاری در طراحی دخیل می شود. این مهندسی ارزش ممکن است که  به طور کامل از مزیت کاهش وزن حاصل شده از تبدیل سقف ها به سیستم پس کشده بهره نبرد زیرا که این کار نیازمند طراحی مجدد ستون ها، دیوار ها و شالوده است. بهره روی بیشتر هنگامی حاصل می شود که طراحی از ابتدا به صورت پس کشیده انجام شود و تمامی قاب ها بر این اساس طراحی شود که وزن کف ها کاهش یافته باشد.

در امریکا، سازندگان عموما از بتن سبک برای سقف ها و از بتن معمولی برای ستون ها و دیوار ها استفاده می شود. این ترکیب می تواند وزن ساختمان را تا نیمی کاهش دهد. که این کاهش وزن ارزش افزوده ای را برای مناطق با خطر لرزه ای بالا به ارمغان می آورد.

مزایای سقف های پس کشیده-قسمت دوم

در بخش قبلی مزایای سقف پس کشیده همچون استفاده از فولاد کم، ضخامت کم، دهانه های طویل، حذف تیر ها، قاب سبکتر و … بررسی شد، در این بخش به بررسی سایر ویژگی های سقف پس کشیده می پردازیم. 

در بخش قبل مزایای سقف پس کشیده همچون استفاده از فولاد کم، ضخامت کم، دهانه های طویل، حذف تیر ها، قاب سبکتر و … بررسی شد، در این بخش به بررسی سایر ویژگی های سقف پس کشیده می پردازیم.  

 قاب های بتنی کوتاه تر

ضخامت سقف کاهش یافته: ضخامت کف کاهش یافته و حذف تیر ها منجر به ارتفاع کمتر سقف تا سقف می شود. و در نتیجه ارتفاع کل ساختمان را  می کاهد. برای یک ساختمان مسکونی تیپ 25 طبقه این مسئله اجازه می دهد تا بدون افزایش ارتفاع ساختمان بتوان یک طبقه به سازه اضافه کرد. علاوه بر ان از مساحت نما کاهش یافته و متعاقبا هزینه متناظر با آن نیز کاهش می یابد. طراحی سازه نیز از یک ساختمان کوتاه تر که دارای بازوی اهرم، لنگر واژگونی که توسط نیروهای با یا نیروهای لرزه ای به وجود می اید، کوتاه تر است. 

توانایی بیشتر برای مقاومت در برابر بار های متمرکز 

یکی از ویژگی های چشمگیر پس کشیدگی آن است که هنگامی که تحت تنش قرار می گیرند، تاندون ها نیروهایی را به سازه گسیل می کنند. هنگامی که ساختمان تحت بهره برداری قرار می گیرد، پس کشیدگی به صورت یک سیستم نیروی فعال، همانند سایر نیروها همچون نیروهای زنده و مرده عمل می کند. نیروهای اعمالی از پس کشیدگی عموما به گونه ای عمل می کنند که در برابر بار های خارجی اعمالی عمل کرده تا اثار نامطلوب آن ها را کاهش دهند. کاربرد استفاده از یک ستون همانند شکل 1 را در نظر بگیرید. هنگامی که از بتن مسلح متعارف استفاده می شود، نیاز است تا پیش از انکه آرماتوربندی موجود در زیر بار متمرکز برای مقاومت در برابر آن بار بسیج شود، سقف تغییر شکل داده و ترک بخورد. در کف های پس کشیده، تاندون ها می توانند به گونه ای پرفیل بندی شوند که نیروی رو به بالایی را به اندازه ای که هنگامی که با پیش فشردگی ناشی از تاندون ها ترکیب می شود، مخالف با نیروی اعمالی عمل کند بدون آنکه تغییر شکل بیش از اندازه و یا ترک خوردگی موضعی رخ دهد.

شکل1 – بار متمرکز مهار شده بر روی دال پس کشیده 

به همین دلیل است که از فولاد به کار رفته در این سقف به عنوان فولاد تقویتی فعال یاد می شود اما آرماتور های به کار رفته در سقف های بتنی متعارف را فولاد تقویتی منفعل می نامند. 

هنگامی که به دلیل تغییر کاربری ساختمان در طبقات مختلف، نیاز است تا چیدمان ستون ها در تراز هر طبقه تغییر کند، نیروی فعال سیستم پس کشیدگی می تواند به صورت کارامدی انتقال بار را از ستون هایی که در طبقه فوقانی منقطع می شوند انجام دهد. 

در قاب بندی ساختمان اداری شکل 2، ستون های فولادی نشان داده شده به گونه ای جاگذاری شده اند تا مناسب فضای اداری فوقانی باشند، در صورتی که فضای زیرین برای پارک وسائل نقلیه مناسب است. استفاده از کف های صلب همراه با کتیبه هایی برای اغنا این اهداف استفاده گردید؛ ستون های زیرین دارای تعداد کمتر و  فاصله بیشتر بود، و به گونه ای جاگذاری شده بودند که بهینه ترین فضای پارکینگ را فراهم آورند. 

شکل2-سقف پس کشیده حد فاصل تراز پارکینگ و تراز های اداری فوقانی

نمونه ای از چنین کاربردی در ساخت صفحه انتقال(transfer plate) در لابی ساختمان های تجاری را می توان مشاهده کرد. که چندین طبقه از رو سازه بر روی صفحه ای تکیه یافته است، که بر روی تعداد اندکی از تکیه گاه ها قرار گرفته، به این دلیل که فضای باز تری را فراهم کند.(شکل 3)

شکل 3 -مدل تحلیل صفحه انتقال به ضخامت 2.5 متر که نقش تکیه گاهی یک سازه چندین طبقه را به عهده دارد.

خیز کاهش یافته

سیستم های سقفی که به صورت پس کشیده تقویت شده اند، عموما نسبت به سقف های بتن مسلح متعارف متناظر دارای تغییر شکل های کمتری هستند؛ تغییر شکل کمتر یکی از دلایل استقبال از سیستم های پس کشیدگی می باشد. دو دلیل را می توان برای کاهش خیز این سیستم سقف ذکر کرد. ابتدا آن که بیشتر نیروی روی سقف بتنی حاصل از وزن خود سقف می باشد. سقف پس کشیده می تواند به گونه ای طراحی شود که نیروهای رو به بالایی اعمال کند تا درصد بالای حاصل از وزن سقف را خنثی کند. و در نتیجه نیروی خالص رو به پایین کمتری که دلیل ایجاد خیز است را کاهش می دهد. دلیل دوم به این علت است که ترک خوردگی کاهش یافته و یا حتی حذف می شود، سقف های پس کشیده دارای سختی خشمی بیشتری نسبت به سقف های بتن مسلح متناظر به کارگرفته شده دارند. 

 ترک خوردگی کاهش یافته

به این دلیل که ACI 318 بر روی تنش های کششی سرویس حد پایینی را اعمال می کنند، کف های پس کشیده دو طرفه طراحی شده مطابق با این آیین نامه، تحت بار های سرویس ضرورتا بدون ترک می باشند. 

مقاومت ارتقا یافته در برابر نفوذ آب

ماده بتنی که به صورت تجاری برای ساخت ساختمان ها استفاده می شود، چه به صورت بتن مسلح متعارف و چه به صورت پس کشیده، در برابر آب نفوذپذیر بوده و آب بند نیست. افزودنی هایی به مخلوط بتن برای جلوگیری از نفوذ آب مورد نیاز است. به این دلیل کف های پس کشیده دارای ترک های کمتری نسبت به کف های بتن مسلح متعارف دارند، مقاومت بیشتری را نسبت به نفوذ آب فراهم می سازند. 

 دستورالعمل و قابلیت پذیرش ارتعاش

ارتعاش یکی از ملاحظات مورد نظر سرویس یا بهره برداری می باشد. در بازه مشخصی از فرکانس(بیشتر در بازه 4 تا 8 هرتز Hz) ارتعاش همراه شده با شتاب بالا(0.1 تا 0.3% شتاب گرانش)، می تواند توسط ساکنین دریافت شده و موجبات عدم رضایت آن ها را فراهم کند.(ADAPT TN 290,2010) 

اثرات راه رفتن بر روی سطوح وسیع به وجود آمده از کف های با ضخامت اندک می تواند باعث ایجاد ارتعاش نامطلوب شود؛ ترک خوردگی باعث تشدید این مشکل می شود به این دلیل که منجر به کاهش فرکانس طبیعی سیستم می شود. سقف های پس کشیده نسبت به دال های بتن مسلح دارای ضخامت کمتری هستند و طول دهانه بیشتری دارند، بنابراین بیشتر ممکن است در معرض ارتعاشات غیر قابل قبول قرار بگیرند. اگر چه که دو مزیت این سقف ها قرارگرفتن آن ها را در برابر ارتعاشات ناخوشایند می کاهد. اول آن که به دلیل کاهش ضخامت سقف متناظرا وزن(جرم) آن های کمتر می باشد و دیگری سختی نسبی بیشتر به دلیل ترک خوردگی کمتر این سیستم می باشد. هر دوی این مزیت ها باعث افزایش فرکانس طبیعی ارتعاش شده و باعث بهبود طرح می شود. از سوی دیگر، دهانه های طویلی که در سازه های پس کشیده استفاده می شود منجر به کاهش فرکانس طبیعیو احساس ارتعاش را افزایش می دهد. به علت دلایل ذکر شده، عموما ارتعاش کف های پس کشیده به دلیل قدم زدن افراد هنگامی که دارای دهانه های نسبتا بزرگی است، می بایست مد نظر قرار بگیرد. 

منبع:

«دپارتمان سازه سامانه کارگشا»

طراحی و اجرای ساختمان‌های پس کشیده-بیژن اعلامی

————————————————————————————————————————————–

برای بهره مندی از خدمات محاسبات و طراحی سازه های بتنی می توانید به وبسایت اتوسازه مراجعه کنید.

(مشاوره آنلاین دپارتمان سازه سامانه کارگشا)