سقف عرشه فولادی، دیتیل و اجرا

سقف عرشه فولادی که در برخی موارد به متال دک (Metal Deck) مشهور است به سقفهایی گفته می شود که ترکیبی از ورقهای فولادی، گل میخ، مش آماده فولادی (و یا میلگردهای فولادی) و بتن می باشد. در ایران این نوع سقف بیشتر برای سازه های فلزی مورد استفاده قرار می گیرد، ولی در کشورهای دیگر دیده شده که این نوع سقف را بر روی سازه های بتنی نیز اجرا نموده اند. سقف های عرشه فولادی بدلیل نوع ساختار اجرایی آن، دارای نکات بسیاری است که تعدادی از آنها را در اینجا بیان می نماییم.

«چنانچه برای پروژه خود نیاز به اجرای سقف عرشه فولادی (متال دک) دارید درخواست خود را در سامانه ثبت درخواست کارگشا درج نمایید.»

سقف عرشه فولادی چیست؟

روال کلی اجرای سقفهای عرشه فولادی بدین شکل می باشد که، پس از اجرای ستونها و تیرهای اسکلت فلزی و تکمیل جوشکاری آنها، ورقهای عرشه برروی سقفها پخش می شود. سپس گل میخها (برش گیر ها) روی تیرهای فلزی جوش داده شده و پس از توزیع نمودن مش های آماده (و یا آرماتوربندی سقف)، و همچنین قالب بندی اطراف سقف، جهت جلوگیری از پایین ریختن بتن، عملیات بتن ریزی صورت می پذیرد.

نکات اجرایی سقف عرشه فولادی:

1. پس از طراحی سقف و مشخص شدن فواصل تیرهای فرعی (پیشنهاد می گردد فاصله تیرها بیشتر از 3.30 متر نباشد)، نقشه های شاپ جهت نحوه فرمینگ و برش ورقها و فلاشینگ ها (ورق فلاشینگ ورقی است که جهت پوشش لبه ها و جلوگیری از پایین ریختن بتن) به کارخانه تولید ورق داده می شود (نوع فرم ورق، ضخامت ورق، کیفیت گالوانیزه ورق، فاصله گام ورق و ارتفاع آن از نکاتی است باید در هنگام تولید با نقشه های اجرایی تطبیق داده شود) و پس از تولید، ورقها بصورت بسته بندی شده و نامگذاری دقیق، بصورت مشخص روی اسکلت در محلهای مشخص شده قرار داده میشود (تا حد امکان از قرار دادن بندیل ورقها روی یکدیگر اجتناب گردد زیرا جابجا نمودن آنها در هنگام توزیع ورقها توسط نیروهای انسانی خطرات آن را افزایش خواهد داد).

2. پس از قرار دادن ورقها روی سقف، با توجه به نقشه های اجرایی، ورقها روی سقف پخش شده و بوسیله پرچ یا پیچ های سرمته، به یکدیگر متصل می گردد. در این مرحله، محل بازشوها و روی پیچ و مهرههای اتصالات سازه (در صورت پیچ و مهره ای بودن اسکلت، باید بوسیله بتن روی این پیچ و مهره ها پوشیده شود) و لبه های بیرونی سقفها با توجه به دستور العمل کارگاهی، باید با دقت بریده شده و از ورقهای فلاشینگ استفاده گردد، به نحوی که از پایین ریختن بتن در هنگام اجرای بتن ریزی از لبه ها جلوگیری شود.

3. بعد از قرارگرفتن کامل ورقها روی سقف، روی تیرها با فاصله حداکثر 45 سانتیمتر (با توجه به نقشه های اجرایی و دستورالعمل سقفهای عرشه فولادی) توسط چکش ورقها کاملا کوبیده می شود تا هیچ فاصله ای بین ورق و تیرآهن زیر آن نباشد. این عمل جهت ایجاد اتصال ورق با تیر صورت می گیرد. زیرا در صورت عدم وجود اتصال بین ورق و تیر عملیات جوش گل میخ ها به درستی صورت نخواهد گرفت. (باید توجه داشت میزان ضخامت رنگ روی تیرهای اصلی (در محل اتصال گل میخها) درصورتی که زیاد باشد، جوش گل میخ به تیرآهن اسکلت به درستی انجام نخواهد شد و رنگ سازه باید مقداری برداشته شود). پس از کوبیدن ورقها، می توان گل میخ ها را بوسیله دستگاه مخصوص جوش (STUD WELDER) در محل های مشخص شده، جوش داد (میزان آمپراژ دستگاه جوش، در کامل بودن اتصال گل میخ به سازه بسیار تاثیر گذار خواهد بود).

نکته :جهت تست صحت اتصال گل میخ ها و جوش آنها، می توان بوسیله خم نمودن تعدادی از آنها بصورت تصادفی توسط لوله، از صحت عملیات جوش انجام شده گل میخ ها اطمینان حاصل نمود. در صورت شکسته شدن گل میخ در حین خم کردن آنها، جوش به درستی انجام نشده است.

4. در مرحله بعد، مش های آماده و یا آرماتورها (با توجه به جزئیات نقشه های اجرایی و نظر مهندس محاسب) روی ورقها پخش می شود. کنترل درستی همپوشانی آرماتورها (Over Lab) و همچنین فاصله مورد نیاز جهت کاور بتن زیر آرماتورها از نکاتی است که باید در این مرحله به آن توجه نمود.

5. در آخر با کنترل های نهایی و گرفتن تاییدیه از مهندسین ناظر می توان بتن ریزی سقف را انجام داد. مطابق ضوابط تعیین شده در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، حداقل بتن روی گام بالای ورق باید 5 سانتیمتر باشد به شرطی که حداقل 1.5 سانتیمتر از روی گل میخ ها توسط بتن پوشیده شده باشد. جلوگیری از انباشته شدن بتن در یک نقطه، نکته بسیار مهمی است که در صورت رعایت نشدن، می تواند منجر به حوادث فاجعه بار و خطرناکی گردد.

درباره ضوابط طراحی سقف های کامپوزیت معمولی و کامپوزیت عرشه فولادی چه می دانید؟

نسل جدید سقف های عرشه فولادی

با پیشرفت روز افزون مهندسی سازه، دهانه های با طول زیاد، رواج بیشتری یافته اند. بنابراین سازه های تشکیل شده از قاب های فولادی در مقایسه با سازه های با قاب های بتنی رقابتی تر شده اند. به علت به حداقل رساندن مقاطع سازه ای برای تامین مقاصد اقتصادی، تیر های فولادی حفره دار برای عملکرد مختلط با عرشه سقف ها طراحی شده اند. (USFB) ها نوع جدیدی از تیر های سقف مختلط هستند.

این مقطع فولادی توسط جوشکاری دو تیر “T” شکل حفره دار نا متقارن بیکدیگر در راستای جان که بال پایینی بزرگ تر از بال بالایی است به وجود می اید. هر یک از سیستم های عرشه فولادی و یا واحد های پیش ساخته روی بال پایینی (USFB) قرار می گیرند که یک سیستم سقف با ارتفاع بسیارکم را به وجود می آورند.

1-تیر های سلولی

از سال 1987 که تیر های سلولی معرفی شدند ثابت کرده اند که از چشمگیر ترین پیشرفت ها در صنعت ساختمان هستند و در بیش از 6000 پروژه اجرایی در بیست کشور استفاده شده اند. این تیر ها می توانند کاربرد های زیادی داشته باشند. استفاده اصلی آن ها به عنوان تیر های فرعی برای حصول دهانه های با طول زیاد و یکپارچگی سرویس ها و تاسیسات است.

فراتر از کاربرد آن ها در قاب های پرتال )قاب پرتال قاب دو بعدی صلبی است که دارای اتصالات صلب بین تیر و ستون است) از آن ها به عنوان تیر ها ی بام استفاده می شود و بهترین راه حل برای بام های منحنی شکل هستند. از مهم ترین مزیت آن ها وزن کم و هزینه ساخت کم می باشد. تیر های سلولی یک روش بسیار اقتصادی برای تولید مقاطع مخروطی می باشند که به صورت عمده ای در استادیوم های ورزشی استفاده می شوند. از آن ها می توان برای مقاطع ستونک ها و پست باد ها نیز استفاده کرد.

2-تیر های سقف فوق کوتاه (Ultra Shallow Floor Beams)

(USFB) ها نوع جدیدی از تیر ها هستند که به صورت عمده ای استفاده از فولاد را در سقف های مسطح افزایش (flat slab)

داده اند. (USFB) ها دارای ارتفاع کم هستند که این مسئله آن ها را گزینه مناسبی برای استفاده در ساختمان های مسکونی، آموزشی و درمانی می کند. USFB مخفف عبارت [Ultra Shallow Floor Beam] به معنای تیر سقفی فوق کوتاه است.

(USFB)ها به گونه ای طراحی شده اند که ارتفاع سقف مورد نظر کارفرمایان را تامین کنند و ارتفاع مقطع آن ها در بازه هایی به اندازه 1(mm) افزایش می یابد. در کشور  انگلستان USFB هایی به ارتفاع 16(cm)اجرا شده اند. (USFB) ها با جوش دادن دو مقطع Tشکل نا متقارن به یکدیگر در راستای جان تشکیل شده اند.

عرشه بر روی بال پایینی عریض تر جای گرفته، و یک زون سازه ا ی با ارتفاع بسیار کم را به وجود می آورد. (USFB) ها سلول های متعددی در جان دارند که که اجازه عبور میلگرد های مسلح کننده همبند را می دهند. 

بازشو های موجود در جان می توانند به عنوان محل عبور سرویس ها و تاسیسات مورد نیاز نیز استفاده شوند. تمامی سیستم های سقف استاندارد می تواند با (USFB) ترکیب شود تا برای یک دهانه مشخص کم ترین ارتفاع را به وجود آورد. بهینه ترین حالت هنگامی حاصل می شود که سیستم (USFB) با سامانه های سقف پیش ساخته و یا عرشه فولادی ترکیب شود.

ارتفاع سقف ها

نکته جالب توجه آن است که (USFB) استانداردی وجود ندارد.  از مزایای مهم استفاده از این سقف آن است که می توان ابتدا ارتفاع دقیق سقف را مشخص کرد و سپس از نرم افزار طراحی (USFB)  استفاده کرده تا بهینه ترین (USFB) را برای ارتفاع سقف مورد نظر طراحی کند.

این احتمال وجود دارد که کارفرما در سطوح مختلف سازه ضخامت های سقف متفاوتی را نیاز داشته باشد. سیستم (USFB) به راحتی خود را با این نیازمندی تطبیق می دهد و می تواند با افزایش 1میلیمتری ارتفاع هر مقطع نسبت به مقطع قبلی طراحی و تولید شود.

درجه نا متقارنی

همانند ارتفاع مقطع، اندازه نامتقارنی استانداردی وجود ندارد. در صنعت ساخت متداول شده است که اندازه این نامتقارنی در بال پایین از بر تصویر بال بالا، برای سقف های عرشه فولادی به مقدار 50(mm) و برای سیستم های پیش ساخته به مقدار (mm) 70 ایجاد شود. نرم افزار طراحی این سقف هر اندازه ی مشخص از نا متقارنی را به عنوان داده از مهندس محاسب می گیرد.

دامنه اندازه دهانه

دامنه اندازه ی دهانه (USFB) بیشتر از سیستم های قدیمی مشابه با خود می باشد. (USFB) ها کاملا به صوررت سفارشی ساخته می شوند.

هر برش”T”  شکل از هر مقطع تیر بین المللی (با نام اختصاری UB) و یا مقاطع ستون بین المللی (با نام اختصاری UC) می توانند با هر مقطع دلخواه که عموما از مقاطع “UC” تشکیل می شود ترکیب شوند. در کشور انگلستان دهانه هایی با طول 12 متر نیز اجرا شده است.

نسبت طول دهانه به ضخامت

(USFB) ها با توجه به مشخصات مورد نیاز مهندس محاسب و کارفرما تهیه می شوند. بنابراین نرخ طول دهانه به ضخامت، به صورت ثابت و یا حتی به صورت متداولی وجود ندارد. هنگامی که مهندس محاسب بارگذاری، ارتفاع مشخص و یا بیشینه ارتفاع مورد نیاز را وارد می کند، نرم افزار طراحی (USFB) بهینه ترین تیر را بدون نیاز به پارامتر های مذکور، به عنوان خروجی گزارش می کند.

خیز و پیش خیز

همانند تیر های سلولی سنتی، پیش خیز در(USFB) می تواند بدون هزینه اضافی ایجاد شود. مولفه های T”  “شکل “USFB” می توانند به آسانی قبل از جوش شدن به یکدیگر به «پیش خیز» با اندازه مورد نیاز تنظیم شوند.

عبور تاسیسات از میان(USFB ) ها

با وجود آنکه سلول ها (حفره ها) در اصل برای عبور میلگرد های همبند کننده سقف هستند، یک کاربرد طبیعی آن ها عبور سرویس های کوچک و لوله های تاسیساتی در ارتفاع تیر فولادی می باشد. این مسئله نیز باعث کاهش بیشتر ارتفاع سقف می شود.

باز شو های جان تیر می توانند به صورت دایروی و یا به صورت لوبیایی باشند که به صورت چشمگیری اندازه لوله های تاسیسات عبوری را افزایش می دهند. لوبیایی شدن می تواند به گونه ای باشد که  نیاز به چیدمان بی قاعده ای از میلگرد ها را پوشش دهد.

 

 

محافظت در برابر حریق و خوردگی

محافظت در برابر حریق برای رسیدن به حد مقاومتی مورد نیاز، می بایست در بال پایین فراهم شود. به صورت تجربی متداول است که برای شرایط عادی مقاطعی که قرار است با بتن پوشیده شوند، به علت افزایش پیوند بین فولاد و بتن، رنگ آمیزی نشوند (به غیر از قسمت زیرین و لبه های بال پایین که اکسپوز باقی می مانند). مقاطعی که با بتن پوشیده نمی شوند و لبهها، می بایست مطابق با شرایط محیطی مربوط به پروژه باشند.

نرم افزار طراحی سقف عرشه فولادی USFB

 صحت سنجی خروجی تمامی برنامه های طراحی این سقف ها  نسبت به قبل با دقت بیشتری انجام می شود و تحت اثر استاندارد های بالاتری از مدیریت کیفیت قرار می گیرند. مجموعه جدید نرم افزار طراحی شامل:

Cellbeam Automate v7.0

یک ورژن به روز رسانی شده و ارتقاء یافته از [Cellbeam] که دارای مشخصه عملکردی [Add to table] می باشد که مجموعه ای از مقاطع سقف را به روزرسانی کرده است و بسیاری از رابط ها را شامل یک لینک به نرم افزار  [CellVibe]ارتقاء داده است.

USFB Automate v1.0

(USFB) ها ساخت سقف های کوتاه را تسهیل کرده اند، و در حال حاضر می توان  به راحتی طراحی آن ها را توسط این نرم افزار انجام داد.

براساس ارتفاع حداقل یا ارتفاع مشخص سازه ای، کاربر می تواند با انتخاب گزینه خودکار طراحی، این سیستم ها را برای دستیابی به وزن حداقل انجام دهد. تحلیل هایی برای انتخاب نوع سقف شامل عرشه های فولادی، بتن در جا و یا واحد پیش ساخته می بایست انجام شود.

 رابط ها و قابلیت های نرم افزاری که بر اساس مدل “Cell beam”  موجود است، همچنین مجهز به یک لینک مستقیم به نرم افزار “CellVibe”است. (قابل ذکر است که نرم افزار به صورت رایگان در دسترس است.)

CellVibe v1.0

در سال 2007 SCI(UK) نشریه “P354” را با عنوان روش جدیدی برای طراحی ارتعاشی سقف ها تهیه کرده است. یک مشخصه از این نشریه روش "ساده سازی" شده برای ارزیابی پاسخ دینامیکی سقف های مشبک منتظم است. نسخه جدید نرم افزار  [CellVibe] از روش ساده سازی شده “P354” استفاده می کند، تا روشی با کاربرد آسان و سریع را برای ارزیابی رفتار دینامیکی سقف ها بکار گیرد، که برای آرایش شبکه ای مستقیم الخط تا دهانه هایی به تعداد] 6*6 [را جوابگو است. [CellVibe] دارای ضوابط برای سقف های عرشه فولادی، بتنی در جا و واحد های پیش ساخته می باشد. [CellVibe] همچنین اجازه می دهد تا مقاطع از نرم افزار های   [Cellbeam]و (USFB) وارد شوند.

چگونه USFB را مشخص و نام گذاری کنیم؟

پیشنهاد می شود تا تمامی عوامل مرتبط با سازه های فولادی از جمله پیمان کاران، سازندگان و نهایتا فروشندگان این مقاطع را با اسامی واحدی ثبت و شناسایی کنند. روش های متعددی برای انجام این کار امکان پذیر است اما از نماد فهرست وار زیر بیشتر استفاده می شود.

نماد گذاری(USFB)

مثال:

ارتفاع250(mm)=

مقطع T شکل فوقانی: 203 x 203 x 52 (Kg/m) UC

مقطع T تحتانی: 305 x 305 x 97 (Kg/m) UC

a:  250(mm) ارتفاع کلی USFB) (

b: 203(mm) عرض اسمی بال مقطع T فوقانی

c: 305(mm) عرض اسمی بال مقطع T تحتانی

d: 74.5 (Kg/m) جرم (USFB)

 

همانطور که عنوان گردید، ارتفاع تیر ها توسط مهندس محاسب با توجه به نیاز مقاومتی و تاسیساتی که می بایست عبور داده شوند، مشخص می شود. نرم افزار طراحی (USFB) ها می تواند مقطعی را که نشانگر ترکیب سلول ها، سلول های پر شده، ارتفاع مقاطع T و ویژگی های دیگری باشد، مشخص کند.

جزئیات کاربردی

برای اجرای سقف های ترکیبی فولادی و بتنی با ارتفاع بسیار کم اطلاعات زیادی از بهترین جزئیات اجرایی وجود دارد. که این جزئیات را برایUSFB ها نیز می توان استفاده کرد.

بنابراین، گزینه هایی که در زیر نشان داده شده است، تنها نمونه هایی از جزئیات یا دتایل اجرایی متداول هستند که ممکن است برای USFB ها استفاده شود. مهندس مشاور می بایست به این نتیجه برسد که این جزئیات دستور العمل های پروژه مورد نظرش را اغنا می کند.

سامانه های سقف سازگار

تمامی سیستم های سقف های  سازه ای می توانند با USFB ها ترکیب شوند تا کمترین ارتفاع سقف را برای یک دهانه مشخص به وجود آورند.

واحد های پیش ساخته دارای حفره

قطعه های تو پر پیش ساخته

عرشه های فولادی (مقعر، ذوزنقه ای یا کنگره های عمیق)

بیشترین مزایا هنگامی حاصل می شود که USFB ها را با سیستم های پیش ساخته و یا سقف های عرشه فولادی ترکیب کنیم.

مهندس مشاور می بایست باتوجه به هدف مورد نظر پروژه سیستم سقف مناسب را اتخاذ کند.

برای تامین تکیه گاه مناسب برای سیستم سقف بر روی بال پایین، برجستگی حداقل زیر، مقارن با اجرای خوب و راهنمای تولید سقف برای بال پایین پیشنهاد می شود.

• سیتم های پیش ساخته حفره دار و قطعات پیش ساخته=75mm
• عرشه های فولادی=50mm

طره های کناری به آسانی و به طور کارآمدی با عبور میلگردها از میان حفره ها در USFB بدست می آیند.

طراحی بهینه سقف عرشه فولادی

طراحی بهینه سازه مسئله مهمی است که در چند دهه گذشته مورد بررسی قرار گرفته است. یکی از چالش های اصلی در طراحی بهینه سازه معرفی روش ها فراکاوشی جدید با پتانسیل بیشتر و استفاده آسان تر است. 

الگوریتم های فراکاوشی(یا الگوریتم های فراابتکاری) معروف عبارتند از بهینه سازی ازدحام ذرات(PSO) 1995- بهینه سازی کلونی مورچه ها(ACO)، انفجار بزرگ-صدای مهیب (BB-BC)2006 –جستجوی سیستم شارژ شده(CSS) 2010-   بهینه سازی پرتو(RO)2012- بهینه سازی سویابی پژواکی دلفین(DEO)2013- کاربردهای موفقیت آمیز الگوریتم های فراکاوشی در مسائل بهینه سازی سازه توسط ساکا و جیم (2013) مرور شده است. 

اخیرا، سعدالله و همکاران(2015) الگوریتم های چرخه آب، انفجار معدن و انفجار معدن ارتقاء یافته را توسعه دادند، کانکاکوس و همکاران(2015) الگوریتم جستجوی گروهی را معرفی کردند و میرجلیلی بهینه ساز مورچه شیر را معرفی کرد(2015). الگوریتم بهینه سازی وال(WOA) توسط میرجلیلی و لوییس(2016) معرفی شد، و بهینه سازی تبخیر آب(WEO)  توسط کاوه و بخشیپور(2016) معرفی شد، برخی دیگر از کاربرد های الگوریتم ها فراکاوشی را می توان در کار های کاوه و ذوالقدر (2014) و کاوه و همکاران (2015) یافت. 

بهینه سازی سقف فولادی قسمت مهمی از بهینه سازی سازه است.عرشه ها، تیر های داخلی، تیر های کناری و شاهتیر ها قسمت های سیستم سقف فولادی هستند. این سیستم همچنین معین بوده و می توان آن را بدون استفاده از بسته های المان محدود تحلیل کرد. اگر چه بدست اوردن بهترین نتیجه  به دلیل تعداد زیاد متغیر ها و قید ها سخت است.

در ابتدا، بسیاری از محققین سعی کرده اند تا تیر های ساده، مختلط و لانه زنبوری را بهینه کنند. مورتون و وبر(1994) برای بهینه سازی تیر های مختلط از روش ساده جستجوی دقیق استفاده کردند. کلانسک و کراوانجا(2007) برای بهینه سازی تیر های مختلط مطابق با یرو کد 4 تحت هر دو شرایط نهایی و وسرویس از برنامه نویسی غیر خطی(NLP) استفاده کردند. سنوسی و ال انصاری(2009) توسط الگوریتم های ژنتیک مطابق با AISC-LRFD تیر های مختلط را بهینه کردند. آن ها همچنین سعی کردند تا اثرات دهانه و بارگذاری بر روی نتیجه بهینه با استفاده از مطالعه پارامتری بیابند. 

بهینه سازی هزینه سیستم سقف ابتدا توسط عادلی و کیم بیان شد(2001). آن ها از شبکه عصبیو برنامه نویسی غیر خطی عدد صحیح اختلاط یافته مطابق با ضوابط LRFD استفاده کردند. ان ها همچنین از الگوریتم های ژنتیک نقطه شناور برای یافتن بهترین جواب ها استفاده کردند. پلات در سال 2006 از روش تکامل دهنده(برنامه حل گر الگوریتم ژنتیک)برای بهینه سازی پارامتری سقف استفاده کردند. او ترکیب پیکربندی، اندازه، توپولوژی و فواصل شاهتیر های خرپایی و تیر ها را در نظر گرفت. 

کاوه و عبادی(2010) از روش جستجوی موزون ارتقا یافته (HS) استفاده کردند. آنها یک سیستم سقف مختلط متشکل از دال بتن مسلح و تیر های I شکل فولادی را مطابق با AISC_LRFD بهینه کردند. 

پویتراس و همکاران(2011) یک سیستم سقف کامل را در نظر گفتند و بهینه سازی ازدحام ذرات برای بهینه سازی استفاده کردند. آن ها در یافتند که تحت شرایطی عملکرد مختلط می تواند به اندازه عملکرد غیر مختلط اقتصادی باشد و آن ها از ورق ها شکل داده شده به جای عرشه بتنی متداول استفاده کردند. 
کاوه و آهنگران(2012) از روش جستجوی موزون اجتماعی استفاده کردند و دریافتند که این نوع از روش جستجوی موزون اط سایر انواع آن بهتر است. 

کاوه و مسعودی (2012) سقف ها را با استفاده از بهینه سازی کلونی مورچه ها بهینه کردند.  اساسی ترین هدف مطالعه جاری بهینه سازی هزینه المان های سقف فولادی و پیدا کردن اثر تعداد شبکه بندی سقف، ضخامت بتن و استفاده از تیر های لانه زنبوری است. 

طراحی سقف سازه

اجزا سازه مطابق با ضوابط AISC-LRFD طراحی شده اند. بنابراین ترکیب بار W برای کنترل تنش و پایداری برابر خواهد بود با(ASCE 1994):

W=1.2DL+1.6LL

معادله1

که DL بارمرده و LL بار زنده است، وترکیب بار معیار سرویس(خیز و ارتعاش) برابر است با:

w_def=DL+LL

معادله2

که Wdef برابر بار کلی برای محاسبات خیز است. 

مقطع تیر لانه زنبوری مختلط و عرشه(در شرایط عمود) در شکل 1 نشان داده شده است. عرشه می بایست به صورت مستقل از تیر به صورت زیر طراحی شود.

شکل1-جزییات تیر لانه زنبوری مختلط و عرشه فولادی

 طراحی عرشه

 دهانه عرشه برابر فاصله بین دو تیر است(B) و عرض عرشه برای طراحی به اندازه 1 متر در نظر گرفته شده است.  به این دلیل عرشه فولادی مختلط استفاده شده است، به این خاطر که شکل آن می تواند عملکرد مختلط بین عرشه فولادی نورد شده و بتن را تضمین کند.

همچنین، اثار جمع شدگی و حرارت بتن توسط ارماتور ها کنترل می شود. به دلیل اثار پیچیده عرشه های فولادی نورد شده، عملکرد مختلط جزیی و مقاطع مختلف شرکت ها متفاوت، کاتالوگ های شرکت منبع تعیین ظرفیت آن هاست. مقاطع مختلف کاتالوگ استفاده کنیم از حداقل ضخامت های مجازی که ایین نامه گفته استفاده کنیم. 

طراحی تیر لانه زنبوری مختلط

 تیر های لانه زنبوری به این صورت تهیه می شوند که ابتدا مقاطع تیر های نورد شده به صورت خاصی برش خورده و به دلیل افزایش ممان اینرسی و ظرفیت خمشی به یکدیگر جوش می شوند. اشکال برش شش ضلعی از متداول ترین رو ش های برش است. اما به دلیل آثار تمرکز تنش، ضرورت دارد تا از گوشه های تیز اجتناب شود. بازشوهای این تیر، برخی آثار ثانویه را ایجاد می کند و پرکردن سوراخ های انتهایی می تواند این آثار را کنترل کند. 

 تیر های مختلط از تعامل اختلاطی بین بتن و فولاد به وجود می اید. این عمکرد اختلاطی می تواند به افزایش ظرفیت تیر ها کمک کند. برای طراحی این نوع از تیر ها، ابتدا می بایست عرض موثر دال بتنی برای تیر های فرعی، تیر های کناری و شاه تیر ها مطابق با دهانه و فاصله تیر ها، محاسبه شود.(AISC 2010)

 در مرحله دوم، برای مقطع مختلط می بایست خط مرکزی محاسبه شود. برای تیر های داخلی و کناری، شیار های عرشه عمود بر محور تیر بوده و بتن فوقانی می بایست م نظر قرار بگیرد(شکل1). اما برای شاهتیر ها، شیار های عرشه موازی با محور تیر بوده و کل بتن می تواند مد نظر قرار بگیرد. AISC 2010

در این مطالعه، خط مرکزی، ممان اینرسی و ظرفیت خمشی مقاطع مختلط توسط بر هم نهی تنش های الاستیک تعیین شده است. 

 برای برخی  تنش ها، پایداری ، خیز، و معیار ارتعاش باید به صورت زیر  کنترل شود:

 معیار تنش

 در این مطلب، نسبت طول غیر مهاری تمامی تیر ها برابر با 0 است. این مسئله به دلیل آن است که بال فوقانی تیر توسط بتن دال مهار شده است. 
ممان نهایی که از ترکیب بار های محاسبه می شود می بایست از ممان اسمی کوچکتر باشد.AISC2010

معادله2

M_n ظرفیت لنگر خمشی اسمی تیر است؛ M_n-con ظرفیت لنگر خمشی اسمی حد بتن است؛ M_n-st ظرفیت لنگر خمشی حد فولاد است؛ Z_net-com-bot مدول پلاستیک پایینی مقطع خالص مختلط است؛ Z_net-com-top مدول پلاستیک بالایی مقطع خالص مختلط است؛ Φ_b ضریب کاهش لنگر است؛ F_c مقاومت فشاری بتن است؛ F_y مقاومت شکست فولاد است. 

همچنین اثر ویرندیل در سوراخ های پر نشده لنگر ثانویه به وجود می آورد و این دو ممان می بایست معادلات زیر را اغنا کنند:

معادله3

که m_u لنگر نهایی برشی ثانویه است؛ V_u نیروی برشی نهایی است؛ e طول پسا جان(web post) است؛ M_u ممان نهایی است؛ Z_net-st مدول پلاستیک مقطع خالص بتنی است؛ Z_tee مدول پلاستیک مقطع تی فولادی است. Φ_b برای بتن و فولاد 0.9 لحاظ می شود. AISC2010

 برای مقطع مختلط، تیر های فولادی می بایست نیروهای برشی را مطابق روابط زیر به تنهایی تحمل کنندAISC2010 .

معادله 4

که A_w مساحت جان مقطع خالص است؛ t_w ضخامت جان است؛   d_s ارتفاع داخلی تیر لانه زنبوری است؛ V_u نیروی برشی نهایی است؛ V_n-w ظرفیت برشی اسمی جان مقطع خالص است؛ Φv ضریب کاهش برش است؛ C_v ضریب برش جان است. 

همچنین ظرفیت برش عمودی تیر های t شکل، می بایست توسط روابط زیر کنترل شود:َAISC2010

معادله5

که A_tee مساحت هر یک از مقاطع t است؛ V_n-tee ظرفیت برشی اسمی جان مقطع t شکل است .  

برش افقی بین سوراخ ها در تیر های لانه زنبوری باید به صورت زیر کنترل شود:

معادله6

که V_h برش افقی پسا جان است؛ Q_com و I_com به ترتیب ممان اینرسی اول و دوم مقطع مختلط هستند؛ S فاصله بین سوراخ هاست؛ V_n-p ظرفیت برشی اسمی پسا جان است؛ Φv و Cv برابر با 1 می باشند. AISC 2010

هنگامی که عرشه فولادی به صورت عمودی استفاده می شود، Q_com و I_com می بایست برای دو حالت استفاده شود، به این دلیل که هر انتخاب ممکن است برش بیشتر و شرایط بحرانی تری به وجود آورد:

1-در نظر گرفتن تمام ارتفاع بتن.

2-در نظر گرفتن ارتفاع بتن فوقانی

برش افقی ممکن است در ورق جان تیر لانه ایجاد کمانش کند.(کردل و نثرکات 1984)

مطابق کنسول پژوهشی پایداری سازه (SSRC)، تنش های داخل صفحه در جان پر نشده می بایست معادلات زیر را اغنا کنند:

معادله7

که Θ،e،d_h به ترتیب زاویه برش، طول خالص جان و عمق برش تیر لانه زنبوری هستند. T_w ضخامت جان است؛ M₁ و M₂ لنگر های هر یک از انتها هستند؛ Es مدول الاستیسیته فولاد است، Φb مشابه با معادله خمش برابر با 0.9 است.

معیار خیز

خیز تیر می تواند با استفاد از روبط استاندارد تحلیل سازه محاسبه شود.برای تیر های داخلی و کناری خیز تیر می تواند با استفاده  از رابطه زیر محاسبه شود.

معادله8

که W_d1 و W_d2 به ترتیب بار های پیش کامپوزیت و پسا کامپوزیت هستند. L_T طول کل تیر است. I_def  و I_n به ترتیب برابر ممان اینرسی موثر خیز تیر مختلط و ممان اینرسی مقطع فولادی خالص است.وزن بتن می بایست تنها توسط مقطع فولادی محاسبه شود(مرحله پیش کامپوزیت) و سایر بار های مرده و زنده می بایست توسط مقطع کامپوزیتی تحمل شوند(مرحله پسا کامپوزیت). خیز شاهتیر ها مرتبط با تعداد تقسیم بندی سقف (فواصل تیر ها) و تعداد تیر های فرعی است.

برخلاف تیر مختلط کامپوزیتی، مقدار خیز برشی تیر مختلط بازشو دار قابل توجه است. بنابراین پژوهشگران معادله آزمایشگاهی  برای محاسبه خیز برشی مطابق زیر ارائه کردند.(بنیتز و همکاران 1998)

معادله9

که I_com  و I_com-g به ترتیب برابر با ممان اینرسی مقطع مختلط خالص و ناخالص هستند. این معادله بر اساس باز شوهای مستطیلی است و بازشوهای 6ضلعی می بایست با طول موثر زیر به صورت بازشوی مستطیلی در نظر گرفته شودند. 

معادله 10

و defs اثر یک بازشو را مشخص می کند. برای بازشوهای جان با نسبت عرض به جان کمتر از 2 خیز بیشینه تیر مستقل از محل قرارگیری بازشو است. بنابراین، خیز برشی نهایی می تواند از تعداد سوراخ های پرنشده در defs محاسبه شود و خیز نهایی تیر به صورت می باشد:

معادله11

همچنین، برای لحاظ کردن اثرات انقباض تفاضلی و خزش برای سازه فولاد-بتن مختلط، عرض موثر(یا مدول الاستیسیته بتن) می تواند بر 3 تقسیم شود. (رول 1971)

همچنین، خیز مجاز(def all) تحت اثر بارهای مرده و زنده به صورت زیر می باشد.(AISC2010)

معادله 12

معیار ارتعاش

تنها قسمتی از بار زنده (بین 10 تا 25 درصد) که برای محاسبه خیز استفاده می شود می بایست برای محاسبات ارتعاش استفاده شود.(def vib)(مورای و همکاران 2003). ترکیب اثرات خیز تیرهای داخلی(def int)، خیز شاهتیرها(def gir)، و خیز ستون ها(def col) برای محاسبات خیز به صورت زیر توضیح داده شده است.(Naeim 1991)

معادله 13

برای لحاظ کردن تفاوت فرکانس تیر ساده با جرم گسترده و با جرم متمرکز در وسط دهانه، خیز را باید بر 1.3(4/pi) تقسیم کرد.(مورای و همکاران 2003). 
به دلیل خیز فشاری ناچیز ستون ها، می بایست def col را برابر 0 قرار دهیم. همچنین، 20 درصد بار زنده را می بایست برای خیز در نظر بگیریم. 
برای لحاظ کردن سختی بیشتر بتن روی عرشه فولادی تحت اثر بار دینامیکی در مقایسه با بار استاتیکی، فرض بر آن است مدول الاستیسیت بتن 1.35 برابر مدول الاستیسیته بتن معمولی است. اثرات انقباض تفاضلی و خزش بر روی سازه مختلط فولادی-بتنی برای محاسبات ارتعاش در نظر گرفته نمی شود.

معادله 14

که W  و g به ترتیب بار و شتاب جاذبه هستند. به دلیل در نظر گرفتن اثرات فرکانس تمامی قسمت های سقف، فرکانس نهایی سقف (ft) به صورت زیر تعیین می شود:

معادله 15

که fint، fgir، fcol به ترتیب فرکانس های تیر های داخلی، شاهتیر ها و ستون هستند. 
به دلیلی سختی محوری زیاد ستون در مقایسه با سختی خمشی تیر ها، فرکانس ستون برابر با بی نهایت خواهد بود. 
دامنه بیشینه ابتدایی تیر به صورت زیر محاسبه می شود:

معادله 16

که Sb فاصله تیر هاست.مقادیر  DLFmax برای فرکانس های طبیعی متفاوت در کتاب اصول طراحی برای جلوگیری از ارتعاش سقف (نعیم 1991) ارائه شده است. ارتفاع موثر بتن hc-eff برابر با ارتفاع بتن در سقف عرشه فولادی نیست. نسبت میرایی مورد نیاز Dreq برای دامنه و فرکانس مشخص می بایست از نسبت میرایی مجاز Dall کمتر باشد. (نعیم 1991)

D_req=35A_0f+2.5<D_all=0.035

معادله 17

طراحی برشگیر

برای حصول واکنش اختلاطی بین بتن و فولاد، نیاز به استفاده از برشگیر هاست. ظرفیت برشی برشگیر های باید کوچکتر از بیشینه نیروی برشی باشد که توسط تیر مختلط تحمل می شود.برشگیر های انتخابی در تحقیق جاری از نوع گل میخ(سر فولادی) هستند. قطر آن ها 19 میلی متر در نظر گرفته شده و 1،2 ویا 3 برشگیر در هر شیار می تواند استفاده شود.

معادله 18

که Fc  و Ec به ترتیب مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته بتن هستند. Be و  hc به ترتیب عرض موثر و ارتفاع بتن هستند.As و Asa به ترتیب مساحت مقطع فولادی و مساحت گل میخ هستند. Fu-ss تنش نهایی گل میخ است. Rg وRp به ترتیب ضرائب گروه و موقعیت گل میخ است. با در نظر گرفتن نمودار خطی برش،   Nc برابر با نصف تعداد گل میخ ها و phiv برابر با 0.75 می باشد. (AISC 2010)