سبد خرید

سبد خرید شما در حال حاضر خالی است.

مشاهده دوره های آموزشی

بازگشت
برش پانچ چیست؟ به همراه آموزش کنترل برش سوراخ کننده در نرم افزار SAFE

در انتهای مراحل طراحی دال دوطرفه و طراحی فونداسیون ساختمان باید کنترل‌هایی انجام پذیرد. یکی از کنترل های لازم در دال و پی ساختمان کنترل تنش و نیروی برشی ایجاد شده در مقطع بحرانی می باشد. بر اساس تئوری و نوع مکانیزم شکست، کنترل برش در دال دوطرفه و پی به دو دسته یک طرفه و دو طرفه تقسیم می‌شود. نام دیگر برش دو طرفه برش پانچ می‌باشد؛ همان طور که گفته شد عملکرد پانچ به صورت برش دو طرفه بوده و برای دال که عملکرد دو طرفه دارد و همچنین فونداسیون ساختمان کاربرد دارد و برای دال هایی با عملکرد یک طرفه کاربردی ندارد.

امروزه با پیشرفت در صنعت کامپیوتر، قابلیت هایی از جمله کنترل برش پانچ در نرم افزار‌های طراحی فونداسیون و مقاطع بتن آرمه اضافه شده است. در این مقاله سعی داریم ابتدا مبانی حاکم بر گسیختگی برش پانچ را برای شما بیان کنیم. در ادامه به توضیح تئوری‌های حاکم بر آن به اضافه ضوابط آیین نامه ای بپردازیم. در انتها علاوه بر روش دستی، کنترل برش پانچ را در نرم افزار SAFE 2016 به شما آموزش می دهیم. لازم به ذکر است که تسلط بر مبانی این موضوع به شما مهندسین عزیز این امکان را می دهد که در صورت عدم کفایت مقطع در برابر گسیختگی برش دو طرفه از بهینه ترین روش ممکن این افزایش ظرفیت را ایجاد کنید.

برش پانچ چیست؟

برش پانچ (Punching Shear) یا برش دو طرفه به عنوان یک حالت شکست معرفی می شود که باید از بروز آن جلوگیری به عمل آورد. این حالت ناشی از برش ایجاد شده تحت اثر بار های متمرکز در المان های سازه ای مثل دال بتنی و پی اتفاق می افتد. صرفا بار های متمرکز باعث این اتفاق نمی شود بلکه وجود تنش برشی زیاد عامل اصلی این شکست است؛ به همین دلیل اگر بار متمرکز با مقدار متوسطی بر یک سطح بسیار کوچک وارد شود، تنش برشی زیادی در این محل ایجاد می شود که می تواند این حالت شکست را ایجاد کند. این شکست بیشتر در نواحی اتفاق می افتد که مقدار برش زیاد است بنابراین این حالت شکست را بیشتر در نواحی نزدیک به ستون ها در المان سازه‌ای مشاهده می‌کنید. بنابراین در دال های دوطرفه، دال های تخت و پی سازه در زیر و اطراف ستون ها برای این حالت شکست باید کنترل گردد.

برای درک بهتر حالت شکست برش پانچ، دال تختی را فرض کنید که تحت اثر بار مرده ناشی از طبقات بالا، باعث ایجاد شدن تنش های برشی در دال اطراف ستون های طبقات پایین می شود. اگر تمرکز این تنش ها در یک سطح کوچک باشد، در نهایت یک نیروی متمرکز بسیار زیادی در محل اتصال ستون به دال ایجاد می‌کند. اگر ظرفیت برشی این سطح بحرانی (که در ادامه مفصل درباره آن صحبت خواهیم کرد.) به اندازه تجمیع بار وارده به آن نباشد؛ دال توسط ستون سوراخ شده و سقف دچار ریزش می‌شود. به دلیل نوع شکست اتفاق افتاده آن را «برش پانچ» یا «برش سوراخ کننده (منگنه ای)» یا «برش دو طرفه» نامیده اند. نمونه از برش پانچ اتفاق افتاده در سازه های مختلف را در شکل زیر مشاهده می کنید.

برش پانچ چیست؟

تمایز برش پانچ و نام خاص آن نسبت به سایر حالات شکست در سازه به دلیل شباهت زیاد این اتفاق به سوراخ کردن کاغذ توسط دستگاه پانچ است. این دستگاه با تمرکز نیروی خود بر لبه ها می‌توانند کاغذ را بدون ایجاد پارگی در سایر قسمت ها سوراخ کند. عملکرد این دستگاه مشابه اتفاقی است که برای ستون ها و دال یا فونداسیون می افتد و این حالت شکست بدون ایجاد شکستگی در سایر نواحی اتفاق می افتد و صرفا محیط مقطع بحرانی دچار شکست می شود.

در دال های بتنی مسلح نسبت به دال تخت تفاوتی در مکانیزم شکست برش پانچ وجود دارد. شکست برش پانچ در در دال های بتنی مسلح مانند یک حالت دو بعدی از برش در طراحی تیر بتنی است که به صورت آنی اتفاق می افتد. آرماتور های اصلی در دال های بتنی مسلح به محدود کردن این گسیختگی کمکی نخواهند کرد. برش پانچ در تیر ها بحرانی نیستند چرا که ظرفیت خمشی و هم چنین اثر برش با هم در نظر گرفته می شود اما در دال ها برش معمولا بحرانی تر است.

یکی از دال های بتن مسلح عرشه پل ها هستند که بار های متمرکز عامل اصلی ایجاد برش پانچ در آن ها است و بار چرخ وسایل نقلیه بار های متمرکزی هستند که به عرشه پل وارد می شوند.

 

برش پانچ در فونداسیون

 

مقدار نیروی محرک برش از جمع تنش های برشی ایجاد شده در ضخامت دال یا پی در فاصله کم و معینی از ستون ها بدست می‌آید. حالت شکست برش پانچ در زمانی رخ می دهد که برش به تنهایی در آن محل بحرانی وجود داشته باشد، بنابراین هر نوع لنگر خمشی که در نزدیک ستون یا پدستال وجود داشته باشد، از بروز مکانیزم شکست با الگویی که مربوط به برش پانچ است جلوگیری خواهد کرد.

عدم وجود تیرهای میانی در دال های تخت بتنی از نوع مسلح و غیر مسلح، احتمال وقوع شکست برش پانچ را افزایش می دهد. وجود تیر ها در انواع دال های تخت از وقوع برش پانچ به دلیل جذب نیرو جلوگیری می کند. همانند نقشی که تیر ها در جلوگیری از بروز برش پانچ در دال ها دارند، شناژ در پی ها ایفا می‌کند. البته شناژ ها نقش های بسیار مهم دیگری نیز دارند.

همانطور که تا الان به آن اشاره شده است دو عامل اصلی تاثیر گذار در مکانیزم شکست برش پانچ به شرح زیر است:

1) مقدار نیروی که از طرف ستون به دال یا پی وارد می شود.
2) مقدار سطح مقطعی که نیرو به آن وارد می شود.

هرچه مقدار این نیرو بزرگتر و سطح  مقطع آن کوچکتر باشد احتمال وقوع شکست برش پانچ بالاتر می‌رود چرا که مقدار تنش برشی افزایش می‌یابد و نواحی با تنش برشی زیاد به عنوان ناحیه بحرانی شناخته می‌شود. بدیهی است که برای جلوگیری از این مکانیزم شکست باید اثر عوامل تاثیرگذار را به حداقل رساند؛ در ادامه انواع راهکار های ارائه شده بر اساس کاهش اثر این عوامل است.

راهکارهای جلوگیری از برش پانچ

در این قسمت انواع راهکار های موجود برای جلوگیری از وقوع برش پانچ یا به عبارت دیگر بالا بردن ظرفیت باربری دال یا پی معرفی شده است که مهندسین طراح سازه با توجه به نیاز و شرایط می‌توانند هر یک یا چندین مورد را با هم را انتخاب کنند.

1) افزایش ضخامت (عمق) دال یا پی: یکی از راه‌های افزایش ظرفیت باربری برشی دال، افزایش  ضخامت آن است. چرا که با این کار مساحت ناحیه بحرانی بیشتر شده و مقدار نیروی برشی نیز افزایش می یابد. هرچند که این کار باعث افزایش بار مرده ساختمان و محدودیت های معماری از جمله سرگیری سقف می شود. علاوه بر افزایش وزن ساختمان، بتن ریزی با افزایش عمق سخت‌تر می‌شود.

2) افزایش مقاومت مشخصه بتن مصرفی (بتن با مقاومت بالا HSC): یکی از پارامتر های موثر در محاسبه ظرفیت باربری بتن دال یا پی مقدار مقاومت مشخصه آن است بنابراین افزایش آن باعث افزایش مقاومت برشی دال می‌شود.

3) افزایش ابعاد ستون: افزایش ابعاد ستون باعث دور شدن منطقه بحرانی برش پانچ از مرکز سطح ستون خواهد شد و با دور شدن این ناحیه محیط و مساحت مقطع بحرانی افزایش می‌یابد هرچند این راه حل بسیار به ندرت استفاده می شود.

4) استفاده از کتیبه یا سر ستون: افزایش ضخامت دال در کل سطح ساختمان و افزایش ابعاد ستون‌ها جدا از محدودیت های معماری قطعا راه حل اقتصادی نیست بنابراین مهندسین کتیبه و سر ستون ها را  طراحی کرده اند تا در صرفا در نواحی مورد نیاز است ضخامت بتن را افزایش دهیم. این مناطق قطعا اطراف نواحی بحرانی خواهد بود. برای دیدن نمونه های سر ستون و کتیبه اجرا شده به شکل زیر مراجعه کنید.

جلوگیری از برش پانچ با کتیبه

5) استفاده از آرماتور برشی (ACI Shear stirrup): علاوه بر بتن، آرماتور ها هم در افزایش ظرفیت برشی دال ها نقش دارند بنابراین استفاده از آرماتور های برشی در مناطق بحرانی می تواند مقاومت برشی آن را افزایش دهد.

6) استفاده از انواع وسایل برای افزایش مقدار برش در ناحیه بحرانی: المان های زیادی امروزه برای افزایش ظرفیت برشی دال ها یا پی استفاده می شود که در ادامه هر یک معرفی می شود.

ریل های گل میخ برشی (Shear Stud Rail): ریل های برشی راه حلی مقرون به صرفه برای انتقال برشی در اتصالات ستون به دال هستند. که باعث انتقال برش به نواحی دور تر می‌شود.

جلوگیری از برش منگنه ای

آرماتورهای رکابی (Shear Links): آرماتورهای رکابی برشی برای تحمل نیروهای برشی ناشی از بارهای وارده بر عناصر سازه ای ارائه می‌شوند. مهمترین عنصر مرتبط با آرماتورهای رکابی برشی، تیرهای بتنی است.

 

ایجاد برش پانچ در دال بتنی

 

استفاده از آرماتورهای خم شده (Bent Bars): هر چند که استفاده از این میلگرد ها بیشتر برای تحمل لنگر خمشی منفی در المان های سازه ای است اما برای برش پانچ نیز موثر است.

آرماتور خم شده

استفاده از کلاهک برشی (Shear Head): معمولاً از کلاهک برشی برای تقویت اتصال دال به ستون استفاده می‌شود، به ویژه زمانی که آرماتور عرضی ظرفیت بار برشی پانچ مورد نیاز را ایجاد نمی کند. ابعاد سر برشی باید مقاومت برشی پانچ اتصال را در داخل و خارج ناحیه تقویت شده فراهم کند.

مبانی طراحی و ضوابط آیین نامه

همانطور که در قسمت قبل توضیح داده شد برش پانچ بر اساس محاسبه تنش برشی در ضخامت دال یا پی کنترل می شود. حد ماکزیمم تنش برشی در این کنترل متناسب با هرم ناقص شکست (شکل پایین) و مقادیر بارهای وارده به ستون تخمین زده می شود. اولین گام برای مبانی کنترل برش پانچ شناسایی و تعیین ناحیه بحرانی در دال یا پی است. همانطور که در قسمت قبل گفته شد این ناحیه در اطراف ستون ها در جایی قرار دارند که برش به تنهایی حضور دارد.

شناسایی ناحیه بحرانی برش پانچ

هرم ناقص شکست در شکل زیر نشان داده شده است. برای تعیین ناحیه بحرانی برش دو طرفه یا پانچ در دال شاید ساده ترین راه حل یک میانگین گیری از تنش برشی در ضخامت دال یا پی باشد. اگر اضلاع هرم شکست را به عنوان سطح شکست در نظر بگیریم و عمل میانگین گیری را بر روی آن انجام دهیم در نهایت به یک سطح شکست از نوع مکعب مستطیل می رسیم که به صورت خط چین نمایش داده شده است. این مقطع به صورت فرضی است و برای ساده تر شدن کنترل برش پانچ تعریف شده است. این سطح شکست به عنوان مقطع بحرانی در دال یا پی معرفی می شود.

مطالعات بر روی این سطح تخمین زده شده به این نتیجه ختم شده است که محیط مقطع بحرانی (کنترل) برش پانچ در فاصله d/2 از بَر ستون یا پدستال تشکیل می شود.

سطح شکست برش پانچ

پارامتر d، عمق موثر دال می باشد؛ که با فرض اینکه پوشش دال چقدر باشد و چه آرماتوری در دال یا پی استفاده شود این مقدار متفاوت است. اگر در دال یا پی یک ردیف آرماتور استفاده شود عمق موثر از رابطه زیر محاسبه می شود:

d=h-cover-db/2

d: عمق موثر دال یا پی
h: ضخامت دال یا پی
cover: پوشش خالص دال یا پی (طبق جدول زیر برای پی ها 75 میلی متر و برای دال ها 20 یا 40 میلی متر است.)
db: قطر آرماتور مورد استفاده اگر چندین ردیف آرماتور داشته باشیم مانند گام هایی که برای محاسبه عمق موثر تیر طی می کنیم، ابتدا مرکز سطح میلگرد های کششی در پایین مقطع محاسبه می کنیم، سپس فاصله مرکز سطح را تا دور ترین تار فشاری را به عنوان عمق موثر معرفی می کنیم.

کاور آرماتور

بر اساس مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ناحیه بحرانی برش دو طرفه به صورت زیر تعیین می‌شود:

مقطع بحرانی برش پانچ

بنابر بند 9-8-5-2-1 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399 مقطع بحرانی برای برش دو طرفه، سطح جانبی منشوری است که وجوه آن موازی با نیروی برشی بوده و محل آن باید طوری در نظر گرفته شود که محیط قاعده ی آن b0، حداقل باشد؛ ولی لازم نیست فاصله وجوه منشور از هر یک از موارد زیر کمتر از 0.5d در نظر گرفته شود.

الف) لبه ها یا گوشه های ستون ها، بارهای متمرکز یا نواحی تکیه گاهی؛
ب) محل تغییر در ضخامت دال یا پی نظیر لبه های سر ستون، کتیبه یا کلاهک های برش، عمق منشور در مقطع بحرانی d برابر است که برابر با متوسط عمق موثر در دو جهت متعامد در نظر گرفته می شود.

از بند بالا می توان نتیجه گرفت که موقعیت قرار گیری ستون ها در دال یا پی در سطح بحرانی برش پانچ بسیار موثر است. بر این اساس ستون ها به سه دسته زیر تقسیم می شود و محاسبه سطح بحرانی برش پانچ هر کدام در شکل زیر توضیح داده می شود

1) ستون های کناری: ستون هایی که در کنار یک لبه قرار دارند.
2) ستون های میانی: ستون هایی که در کنار هیچ لبه ای قرار ندارند.
3) ستون های گوشه: ستون هایی که در کنار دو لبه قرار دارند.

سطح بحرانی برش پانچ

توضیحات گفته شده صرفا برای ستون های مستطیلی و مربعی است برای ستون دارای اشکال خاص مثل دایره یا چند ضلعی به بند زیر از آیین نامه رجوع می کنیم.

کنترل برش دو طرفه

مطابق بند بالا کافی است ابعاد ستون مربعی معادل را بدست آوریم و به اندازه 0.5d از آن مقطع بحرانی مربعی را مشخص کنید. توجه داشته باشید که این برای حالتی است که اطراف ستون به میلگرد برشی مسلح نباشد. بر اساس ACI318-19 می توان مقطع بحرانی برای ستون با شکل دایره و یا چند ضلعی منتظم را به صورت شکل زیر تعیین کرد.

برش سوراخ کننده ستون

مقطع بحرانی المان با رفتار دو طرفه

مطابق بند بالا در صورت مسلح شدن به آرماتور برشی در اطراف ستون فاصله 0.5d باید از بر مرز محیط تقویت شده در نظر گرفت. در صورت اجرای کتیبه یا سر ستون و … در محل ستون‌ها، دو مقطع بحرانی برای برش پانچ (برش منگنه ای) در نظر گرفته می شود.

یک مقطع به فاصله نصف ارتفاع موثر کف در محل کتیبه از ستون یا سر ستون و دیگری به فاصله نصف ارتفاع موثر دال از محیط کتیبه در خارج آن در نظر گرفته می شود. اگر چندین کتیبه با ضخامت متفاوت داشته باشیم باید بحرانی ترین حالت را برای آن در نظر بگیرید و برای تمامی حالات محاسبات را انجام دهید.

سطح مقطع بحرانی برش پانج دارای کتیبه

شناسایی ناحیه بحرانی برش پانچ ستون دارای بازشو در اطراف

در حالتی که در اطراف ستون بازشو داریم از بند زیر از مبحث نهم مقررات ملی ساختمان برای تعیین ناحیه بحرانی برش استفاده کنید.

ستون دارای بازشو

بنابر بند 9-8-5-2-4 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399 اگر یک بازشو در فاصله کم تر از 4h از محیط یک ستون، بار متمرکز یا سطح تکیه گاهی قرار گیرد، بخشی از  b0 که با خطوط مستقیم ترسیم شده از مرکز ستون، بار متمرکز و یا سطح تکیه گاهی و مماس به محدوده ی بازشو محصور می گردد، در نظر گرفته نمی شود. این بند از آیین نامه در شکل زیر تفسیر شده است: