
راه پله یکی از مهم ترین اعضای ساختمان می باشد که کاربرد ویژه ای دارد و برای حفظ عملکرد آن همواره باید قابل دسترس و استفاده باشد. به عنوان مثال در هنگام وقوع زلزله و آتش سوزی مهم ترین راه خروج افراد بوده و لازم است در هر شرایط قابل بهره برداری باشد. راهپله معمولا برای راحتی مدلسازی در مدل ترسیم نمیشود و صرفاً بار آن به اعضای مربوطه داده میشود. بار پله به اجزای تشکیل دهنده و مشخصات هندسی راه پله بستگی دارد و به نوع اسکلت ساختمان یعنی فلزی یا بتنی بودن وابستگی ندارد.
شکل راه پلهها میتواند متفاوت باشد؛ یک طرفه یا چند طرفه باشد. موضوع مورد بحث در این مقاله، بارگذاری راه پله می باشد که در ادامه به برّرسی آنها خواهیم پرداخت. در انتها برای آشنایی بیشتر مثالی برای یک پله ساختمانی آورده شده است.
سرفصلهای این مقاله:
- بارگذاری
- بارگذاری راه پله
- مدل سازی در نرم افزار
پیشنهاد آموزشی:آموزش پروژه محور طراحی سازه فولادی و بتنی با ایتبس و سیف
بارگذاری
بارگذاری سازه عبارت است از اعمال کلیه بارهای وارد به سازه اعم از زنده، مرده، زلزله، باد و… به صورت همزمان و پیدا کردن بحرانی ترین ترکیب بار جهت طراحی سازه. به صورت کلی بعد از مدل سازی در نرم افزار یکی از مهم ترین بخش های طراحی سازه، بارگذاری است و هر بخش از ساختمان با توجه به کاربری که دارد بارگذاری می گردد.
با توجه به نوع اسکلت و پلان معماری ساختمان میتواند یک رمپ، دو رمپ، سه رمپ و یا چهار رمپ داشته باشد. انواع پلههای متدوال در سازه در شکل زیر آورده شده است در بین راه پله های فوق یکی از پر کاربرد ترین نوع راه پله ، راه پله با دو رمپ یا دو طرفه می باشد و در اکثر ساختمان ها با پلان معماری متداول استفاده میگردد. اما مهندسین معمار در ساختمانها به ندرت از پلهها با شکل های غیر متداول هم استفاده میکند. در این مقاله شما یاد میگیرید که بار هر نوع پله؛ با هر شکل و هر هندسه ای را چگونه وارد کنید.
پیشنهاد آموزشی:آموزش طراحی فاز یک معماری با ضوابط شهرداری در اتوکد
شکل 1 : انواع متداول راه پله
محاسبه بار راه پله
پیش از معرفی روند بارگذاری پله لازم است با اجزای اصلی سازنده راه پله آشنا شوید که عبارت است از:
- کف پله
- گونه پله
- پاگرد پله
- لب پله
- پیشانی پله
شکل 2 : اجزای سازنده پله
بارهای وارد به راه پله عموما بارهای ثقلی زنده و مرده هستند. همچنین تاثیرات بارهای زلزله و باد نیز در بارگذاری راه پله در نظر گرفته می شوند. نکات و روند طراحی لرزه ای پله مفصلاً در مقاله دیگری با لینک زیر آورده شده است که برای اطلاعات بیشتر میتوانید به آن مراجعه کنید.
پیشنهاد مطالعاتی:مدلسازی و طراحی لرزه ای دستگاه پله در نرم افزار ایتبس
بنابراین انواع بار پله عبارت اند از:
- بار مرده
- بار زنده
- بار زلزله یا باد (که در این مقاله مورد بحث قرار نمیگیرد.)
علاوه به دقت در مدلسازی راه پله در هنگام طراحی، کیفیت اجرا (کیفیت جوش، آرماتور بندی و ….) نیز تاثیرات بسیار مهمی در بهره برداری راه پله دارد.
شکل 3: نمای سه بعدی پله دو گردش-سه گردش
بار زنده
بارهای غیردائمی که در زمان بهره برداری و ساخت به سازه اضافه میشوند بار زنده تلقی میگردند. بارهای زنده ثابت نیستند و میتوانند در طول عمر مفید سازه جابهجا یا دچار تغییر شوند. بار زنده مانند بار اسباب و اثاثیه در منزل و اشخاص است که در تمامی پله ها ثابت است و به نوع ساختمان و اسکلت بستگی ندارد. بارهای زنده برای کاربریهای مختلف مقدار مشخصی دارند و از جدول 6-5-1 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398 برداشت میشوند.
بنا بر مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398 بار زنده، باری غیر دائمی است که در حین بهرهبرداری از ساختمان یا سایر سازهها به آن ها وارد شود. بار زنده شامل بارهای حین ساخت نمیشود.
طبق جدول فوق مقدار بار زنده برای راه پله برابر با 5 کیلونیوتون بر متر مربع میباشد.
بنا بر بند 6-5-2-1 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398 بار زندهای که در طراحی ساختمانها و سایر سازهها به کار میرود، باید بیشترین بار مورد انتظار برای کاربری مورد نظر بوده و در هیچ حالتی از حداقل بار زنده گسترده یکنواخت، L0، داده شده در جدول 6-5-1 با در نظر گرفتن کاهشهای مجاز کمتر نباشد.
طبق توصیه مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398 در جهت بهینه سازی، طراح میتواند برخی از بار های زنده وارد به سازه را کاهش داده و با ضریب کاهشی اعمال کند. اما این ضریب کاهش در فضاهایی که بار زنده آنها بیش از 500 کیلوگرم بر مترمربع باشد هم چنین محل ازدحام و شلوغی باشند مانند راه پله، پارکینگ و … مجاز به استفاده نیست. به همین علت بار زنده راه پله را کاهش نمیدهیم.
اگر بخواهید از واحدهای جایگزین استفاده کنید مقدار بار زنده پله با فرض مقدار شتاب جاذبه 10 متر بر مجذور ثانیه، 500 کیلوگرم بر متر مربع میشود اما اگر شتاب جاذبه را 9.81 متر بر مجذور ثانیه در نظر بگیرید بار زنده پله 509 کیلوگرم بر متر مربع میشود. بنابراین در جهت اطمینان بار زنده پله را 510 کیلوگرم بر متر مربع در نظر میگیریم.
بار مرده
بار مرده متشکل از اجزای سازنده راه پله می باشد و در هر راه پله با توجه به مشخصات آن متفاوت است. معمولا پلهها یا به صورت بتنی یا به صورت فلزی ساخته میشوند. پلههایی هستند که در کارخانه به صورت پیش ساخته اجرا میشوند که بار مرده آن باید از کارخانه سازنده پرسیده شود.
پیشنهاد آموزشی: مینی دوره هنر بتن ریزی
برای محاسبه وزن هر یک از اجزای تشکیل دهنده به وزن مخصوص آن احتیاج است که با مراجعه به پیوست ۶-۱ مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398برداشت میشود.
بار مرده پله بتنی
اجزای تشکیل دهنده راه پله بتنی از بالا به پایین عبارت است از سنگ کف پله، سنگ پیشانی پله، مصالح پرکننده پله، بتن مسلح رمپ، گچ و خاک پوشاننده انتهایی رمپ.
شکل 4: نمای پله بتنی
همان طور که در شکل 4 مشاهده میکنید اجزای راه پله به جز سنگ کف، با راستای افق زاویه ای تشکیل میدهند و به صورت یکنواخت پخش نشده اند بنابراین برای محاسبه بار ثقلی آنها احتیاج به اصلاحاتی داریم.
- سنگ پیشانی قائم، ضخامتی برابر ارتفاع خود دارد و ارتفاع هر سنگ ضخامت آن است، بنابراین برای هر 30 سانتی متر سنگ کف پله، ما یک سنگ تراورتن داریم. یعنی برای هر متر مربع پله:
3.33=100/3
- محاسبه مقدار بتن پرکننده هم به صورت فوق است یک ضخامت متوسط معادل به جای ضخامت متغییر محاسبه شده که در حدود 21 سانتی متر است. تعداد این مستطیل معادل هم مشابه روند بالا محاسبه شده است.
- بتن مسلح، گچ و خاک و گچ رویه هم با یک ضخامت ثابت بر روی سطح شیب دار اجرا شده است. برای محاسبه ضخامت آن در راستای عمود کافی است ضخامت ثابت آن ها بر کسینوس زوایه شیب تقسیم کنید.
طبق محاسبات جدول فوق و جزئیات رایج، مقدار بار مرده راه پله برابر 700 کیلو گرم بر متر مربع می باشد. همچنین مقدار تایید شده ای بین طراحان سازه میباشد که برای پاگرد نیز در جهت اطمینان اعمال میشود.
بار مرده پله فلزی
اجزای تشکیل دهنده راه پله فلزی از بالا به پایین عبارت است از سنگ کف پله، سنگ پیشانی پله، مصالح پرکننده پله، 10 سانتی متر رمپ بتنی، تیرآهن شمشیری، گچ و خاک پوشاننده انتهایی رمپ.
شکل 4: نمای پله فلزی
همان طور که در شکل 5 مشاهده میکنید اجزای راه پله به جز سنگ کف، با راستای افق زاویه ای تشکیل میدهند و به صورت یکنواخت پخش نشده اند بنابراین برای محاسبه بار ثقلی آنها احتیاج به اصلاحاتی داریم.
- سنگ پیشانی قائم، ضخامتی برابر ارتفاع خود دارد و ارتفاع هر سنگ ضخامت آن است، بنابراین برای هر 30 سانتی متر سنگ کف پله، ما یک سنگ تراورتن داریم. یعنی برای هر متر مربع پله:
3.33=100/3
- محاسبه مقدار بتن پرکننده هم به صورت فوق است یک ضخامت متوسط معادل به جای ضخامت متغییر محاسبه شده که در حدود 21 سانتی متر است. تعداد این مستطیل معادل هم مشابه روند بالا محاسبه شده است.
- بتن مسلح، گچ و خاک و گچ رویه هم با یک ضخامت ثابت بر روی سطح شیب دار اجرا شده است. برای محاسبه ضخامت آن در راستای عمود کافی است ضخامت ثابت آن ها بر کسینوس زوایه شیب تقسیم کنید.
- وزن واحد طول برای IPE 140 حدودا 21.5 کیلوگرم است که این تیرآهن مشابه بتن مشابه بتن مسلح، گچ و خاک و گچ رویه هم با یک ضخامت ثابت بر روی سطح شیب دار اجرا شده است. برای محاسبه ضخامت آن در راستای عمود کافی است ضخامت ثابت آن ها بر کسینوس زوایه شیب تقسیم کنید.
طبق محاسبات جدول فوق و جزئیات رایج، مقدار بار مرده راه پله فلزی برابر 570 کیلو گرم بر متر مربع می باشد. همچنین مقدار تایید شده ای بین طراحان سازه میباشد که برای پاگرد نیز در جهت اطمینان اعمال میشود.
بار گذاری پله یک طرفه
در راه پله های یک طرفه مقدار بار بین تیر طبقه پایین (اگر پله از روی فونداسیون بلند میشود این بار به صورت متمرکز روی جایی که پله می نشیند باید اعمال شود.) و تیر طبقه بالا (تیری که پله در بالا روی آن مینشیند.) به صورت مساوی تقسیم میشود. برای اختصاص بار زنده و مرده محاسبه شده، مقدار آن به صورت مساوی بین دو المان تقسیم میگردد. اگر در قسمتی از راه پله پاگرد وسط وجود داشته باشد در محاسبات تفاوتی ایجاد نمیکند.
شکل 5 : ابعاد راه پله یک طرفه
بار مرده پله بتنی
این بار روی تیر های عنوان شده به طول 1.2 متر وارد میشود.
شکل 6 : نحوه وارد کردن بار مرده راه پله یک طرفه به تیر طبقه
بار زنده پله بتنی
این بار روی تیر های عنوان شده به طول 1.2 متر وارد میشود.
شکل 7 : نحوه وارد کردن بار زنده راه پله یک طرفه به تیر طبقه
بار گذاری پله دو طرفه
در راه پله های دو طرفه مقدار بار بین تیر طبقه و تیر میان طبقه به صورت مساوی تقسیم می شود. برای اختصاص بار زنده و مرده محاسبه شده ،مقدار آن به صورت مساوی بین دو المان تقسیم میگردد. با توجه به اینکه بار راه پله به صورت خطی اعمال میشود، اگر مقدار بدست آمده را در طول راه پله ضرب کنیم بار خطی مورد نظر بدست می آید. برخی از طراحان از مدل سازی تیر نیم طبقه صرفه نظر کرده و بار راه پله را به صورت نقطه ای اعمال میکنند که استفاده از این روش به علت در نظر نگرفتن لنگر خمشی ناشی از تیر های طره و … توصیه نمی شود. و بهتر است مقدار بار راه پله به صورت خطی وارد شود. در صورت مدل سازی دستگاه راه پله بار به صورت سطحی وارد می شود.
شکل 8 : ابعاد راه پله دو طرفه
بار مرده پله بتنی
این بار روی تیر های طبقه و نیم طبقه عنوان شده به طول 2.8 متر وارد میشود.
بار زنده پله بتنی
این بار روی تیر های طبقه و نیم طبقه عنوان شده به طول 2.8 متر وارد میشود.
شکل 9 : نحوه وارد کردن بار مرده راه پله دو طرفه به تیر طبقه و نیم طبقه
شکل 10 : نحوه وارد کردن بار زنده راه پله دو طرفه به تیر طبقه و نیم طبقه
بار گذاری پله سه و چهارطرفه بتنی و فولادی
مقدار بار در راه پله های سه طرفه و چهار طرفه با توجه به سطح بارگیر تیر نیم طبقه دارد.
عدد بدست آمده را به المان ها اختصاص میدهیم. بار مرده نیز به همین صورت محاسبه میگردد.
خسارت های ناشی از زلزله در دستگاه راه پله
بیشترین تاثیر راه پله در رفتار لرزه ای سازه ،بحث سختی و پیچش است و در پلان های نامتقارن این اثر تشدید می گردد.باکس های راه پله معمولا به علت وجود دو ستون و تیر قوی در طول کم جذب نیرو و سختی بالایی دارند که خود باعث کاهش دوره تناوب و افزایش جذب نیروی زلزله می شود. هم چنین حضور تیر میان طبقه باعث به وجود آمدن ستون کوتاه میشود. از طرفی در باکس راه پله به علت شانه گیر شدن تیرها و کاهش مساحت مفید راه پله و مباحث اقتصادی قادر به افزایش ابعاد تیر و ستون تا حد دلخواه نیستیم. ایجاد سختی زیاد در گوشه ای از سازه باعث جابه جایی مرکز جرم به سمت آن و ایجاد پیچش میشود.
یکی از ترفند های گرفتن پاسخ از المان های راه پله ایجاد اتصال مفصلی و اتفاقا کاهش سختی و ابعاد المان ها در جهت کاهش جذب نیرو می باشد.
نکته حائز اهمیت در مدلسازی تیر نیم طبقه، برآورده کردن اتصال مفصلی در باکس راه پله می باشد. با ایجاد اتصال مفصلی میتوان تیر نیم طبقه را از باربری لرزه ای خارج کرد و از به وجود آمدن برخی از خسارات جلوگیری کرد.این امر در سازه های فولادی به سادگی قابل اجرا می باشد، اما در سازه های بتنی به علت صلبیت بتن ،اتصال مفصلی در اسکلت یکپارچه بتن نداریم و بر آورده کردن اتصالات مفصلی در سازه های بتنی با کمک اصول و روش هایی برآورده میشود که در بازار کار چندان رایج و اقتصادی نیستند.
سختی باکس راه پله با توجه به دلایل فوق تاثیر زیادی بر نتایج طراحی سازه میگذارد. مقدار نیروی برشی و لنگر خمشیی در تیر و ستون های اطراف باکس راه پله افزایش قابل توجهی پیدا میکند. جهت جلوگیری از پدیده تشدید زمان تناوب سازه و خرپشته باید بررسی شود و حد امکان فاصله ی قابل قبولی داشته باشند.
به همین علت بهتر است دستگاه راه پله در مدل سازی خصوصا سازه های بتنی منظور گردد. و در بخش کنترل سازه حضور و عدم حضور آن بررسی گردد.
ایجاد اتصال مفصلی در اتصالات بتنی
از نظر اجرایی، این روش ها به دلیل دشواری ها و محدودیت هایی که دارند در بازار کار به خصوص شهرستان ها متدوال نبوده و معمولا اجرا نمی شوند.
پیشنهاد آموزشی:آموزش صفر تا صد اجرا ساختمان بتنی
طبق پیوست ششم آیین نامه 2800 یکی دیگر از راهکارهای موجود برای جلوگیری از ایجاد ستون کوتاه در سازه های بتنی ، استفاده از ستونک است. باید توجه شود در سازه هاي بتنی اجراي تیر و اتصال دال راه پله در تراز پاگرد میان طبقه باعث ایجاد ستون کوتاه در ستونهاي مجاور راه پله می شود. جهت جلوگیري از تشکیل ستون کوتاه می توان بجاي اجراي تیر نیم طبقه، آن را در همان تراز طبقه اجرا نمود و بر روي آن دو ستونک اجرا کرد. سپس بر روي این ستونک ها تیري اجرا میشود که به ستونهاي اطراف متصل نبوده و انتهاي آن با ستونهاي اطراف فاصله اي حداقل به اندازه 0.01 ارتفاع طبقه دارد. نهایتاً دال پله و پاگردها در تراز نیم طبقه به این تیر قرار گرفته بر روي ستونک ها متصل میشوند. لازم به ذکر است تیر نشیمن قرار گرفته در تراز طبقه که ستونک ها بر روي آن قرار دارند بایستی تحت پیچش ایجاد شده ناشی از بارهاي ثقلی و لرزهاي طراحی شود. اعمال ضریب کاهش سختی پیچشی بر روي این تیر مجاز نیست.
در پله هایی که جزئی از سازه اصلی ساختمان می باشند، در صورت اتصال راه پله ها به قاب سازه اي باید اثر آن در باربري لرزه اي و نیروهایی که به تیر و ستون اطراف آن براثر این باربري وارد می شود لحاظ شود. در این حالت لازم است اجزاي راه پله شامل شمشیري ها، دال بتنی پله و پاگردها مدلسازي شوند. در این خصوص لازم است یکبار سازه بدون لحاظ نمودن سختی اجزاي پله، مدل و طراحی شود تا سیستم باربرجانبی سازه به تنهایی قادر به تحمل کل نیروي زلزله طرح باشد و یکبار هم با مدل کردن اجزاي پله و در نظر گرفتن تأثیر سختی آن، سازه مورد بررسی مجدد قرار گرفته و اجزاي پله نیز تحت نیروهاي ایجاد شده در آنها طراحی شوند.
نحوه مدلسازی راه پله در نرم افزار ایتبس
برای مدل سازی در نرم افزار ابتدا باید تیر های نیم طبقه را ترسیم کنیم و برای اینکار نیاز است کد ارتفاعی دقیقی از آن داشته باشیم. با توجه به اختلاف ارتفاع بین طبقات همکف و سایر طبقات به دلیل کاربری متفاوت ،بهترین راه برای فرض محل قرار گیری تیر نیم طبقه شمارش کل پله ها در طول طبقه می باشد. بدین صورت که با داشتن ارتفاع یک پله و تعداد پله ها تا رسیدن به پاگرد و تیر نیم طبقه ، میتوان از مجموع ارتفاع پله ها محل قرار گیری تیر نیم طبقه به دست آورد.همچنین با مراجعه به پلان برش نما اطلاعات مناسبی از کدهای ارتفاعی تیر های نیم طبقه و عرض پاگرد به دست می آید. تیر نیم طبقه میتواند به صورت طره و یا تیر مدل شود.
ترسیم تیر ها و دال ها
ابتدا تیرهای دستگاه راه پله را ترسیم و با دستور Replicate به تراز ارتفاعی مورد نظر منتقل میکنیم.
پس از ترسیم تیر های نیم طبقه، از نرم افزار می خواهیم تیر های ترسیم شده را به دال تبدیل کند.سپس عرض پاگرد را ازمسیر زیر تعریف میکنیم.
پس از تبدیل تیر ها به دال ،نوبت به ترسیم رمپ های پله می رسد.
اختصاص مشخصات دال و رمپ
در این مرحله از منوی Define دال راه پله را با ضخامت 15 سانتی متر تعریف میکنیم. سپس آن را به کلیه اجزای راه پله را اختصاص میدهیم.
مش بندی دال و رمپ
سپس باید برای دال ها و رمپ ها مش بندی انجام شود.
برای رمپها نیز همین مراحل را انجام می دهیم اما اینبار گزینه Wall Auto Mesh Options را انتخاب میکنیم بهتر است مقدار مشها را مطابق با دالها وارد کنیم .
مقدار مش براساس سعی و خطا انجام می شود . در نهایت باید به گونه ای باشد که مش های پاگرد و رمپ کاملا بروی هم منطبق باشند.
بارگذاری
برای بارگذاری، کل دستگاه راه پله ( رمپ و دال) را انتخاب میکنیم. مقدار بار بدست آمده را باتوجه به دو طرفه ، سه طرفه و یا چهار طرفه بودن راه پله از منوی Assign ، گزینه Shell Loads عبارت Uniform را پنجره Shell Load Assignment – Assignment اختصاص میدهیم.
در فایل اصلی سختی اجزای راه پله را عددی نزدیک به صفر در نظر میگیریم و بررسی های لازم را در فایل راه پله انجام می دهیم.
با توجه به توضیحاتی که در پیوست ششم استاندارد 2800 ارائه شده است، برای در نظر گرفتن اثر راه پله بایستی دو مدل سازهای داشته باشیم. همان طور که گفته شد در فایل اصلی سختی راه پله را عدد ناچیزی وارد میکنیم تا سختی آن در طراحی سازه اعمال نشود.
برای چک کردن سختی راه پله لازم است یک Save As از نرم افزار گرفته و تغییرات را در فایل جدید اعمال میکنیم. ابتدا رمپ و دال های راه پله را انتخاب می کنیم.در این مرحله سختی دستگاه راه پله را که در فایل اصلی عدد ناچیز 0.01 وارد کردیم اصلاح کرده و ضریب 0.25 را اعمال میکنیم.
سپس سازه را مجدد با احتساب سختی راه پله طراحی میکنیم .در این مرحله باید از همه مقاطع جواب بگیریم و مقاطع هر دو فایل یکسان باشد. در نهایت هر فرآیندی که در فایل راه پله اعمال میکنیم در فایل اصلی نیز اعمال می شود .
نتیجه گیری
همان طور که گفته شد، تاثیرات ناشی از سختی راه پله در سازه خسارات زیادی را به وجود میآورد و بهتر است دستگاه راه پله در طراحی، مدل سازی گردد تا نتایج به واقعیت نزدیکتر باشند و طراحی دقیقتری داشته باشیم. هم چنین توصیه میشود کلیه تیرهای نیم طبقه در مدل سازی دیده شوند و از اعمال بار نقطه ای اجتناب گردد. زیرا تاثیرات ناشی از حضور آنها در طراحی سازه محاسبه میگردد و نتایج به دست آمده با واقعیت همخوانی بهتری دارند.
سوالات متداول
- حداقل مقدار بار زنده راه پله طبق مبحث ششم چه مقدار می باشد ؟
حداقل مقدار بار زنده راه له طبق جدول 6-5-1 مبحث ششم ، 5 کیلونیوتن بر متر مربع می باشد .
- مقدار رایجی که طراحان سازه برای بار مرده رمپ و پاگرد پله در نظر می گیرند چه مقدار می باشد ؟
700 کیلوگرم بر متر مربع
- چرا باید دستگاه پله را در فایل ایتبس مدل کرد ؟
طبق پیوست ششم استاندارد 2800 ویرایش چهارم ، در پله هایی که جزئی از سازه اصلی ساختمان می باشند، در صورت اتصال راه پله ها به قاب سازه ای باید اثر آن در باربري لرزه ای و نیروهایی که به تیر و ستون اطراف آن براثر این باربري وارد می شود لحاظ شود.
منابع
- مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 98
- استاندارد 2800 ویرایش چهارم
- جزوه طراحی دکتر حسین زاده اصل
- پک پاراپلاس مهندس امیرطه نوروزی
- پک پارا استراکچر مهندس امیرطه نوروزی