آموزش جامع محاسبه میلگردهای فونداسیون و طراحی پی در نرم افزار SAFE

در مقالات قبلی جواب سوال فونداسیون چیست؟ را پیدا کردیم هم چنین با نحوه عملکرد، و با دسته‌ بندی فونداسیون آشنا شدیم. در این مقاله می خواهیم به چگونگی ساخت فایل خروجی از نرم افزار ETABS به نرم افزار SAFE برای طراحی و محاسبه آرماتور فونداسیون در نرم افزار SAFE 2016 و تعاریف مصالح و مقاطع لازم بپردازیم.

خروجی گرفتن از ایتبس به نرم افزار سیف

طراحی پی معمولاً در نرم افزار SAFE انجام میشه. بنابراین پس از اینکه مدل سازی در نرم افزار ETABS نهایی شد، ابتدا بایستی مطابق شکل زیر یک خروجی از نرم افزار ایتبس برای نرم افزار SAFE گرفته بشه تا از این پس مراحل نرم افزاری محاسبه میلگرد فونداسیون انجام بشه.

مسیر دسترسی برای خروجی گرفتن از نرم افزار ETABS به نرم افزار SAFE:

File >  Export >  Story as SAFE V12 .f2k File …

⇐ نکته:

توجه شود که برای گرفتن خروجی از نرم افزار ایتبس باید فایل در حالت آنالیزشده (RUN) باشه؛ چرا که قراره نیروهایی ایجاد شده در پای سازه به نرم افزار SAFE منتقل بشه. پس از طی مسیر قبلی برای انتقال نیروهای ایجاد شده در پای سازه به نرم افزار SAFE، با پنجره مربوط به تنظیمات فایل خروجی که شامل سه بخش اصلی است، روبرو هستیم.

در قسمت اول از پنجره تنظیمات، بایستی پایین‌ترین تراز (Base) رو انتخاب کنید تا نیروهای ایجاد شده در این تراز به نرم افزار SAFE منتقل شود. (جهت طراحی فونداسیون پایین‌ ترین تراز انتخاب میشه، بدیهی است جهت طراحی سقف‌ها به عنوان مثال طراحی سقف وافل در نرم افزارSAFE ترازهای دیگه‌ای انتخاب خواهد شد.)

قسمت دوم از این پنجره که با عنوان Load to Export نام گذاری شده، مربوط به نوع بارهای خروجی به نرم افزار SAFE هست که در ادامه کمی بیشتر به توضیح آن می‌پردازیم:

Export Floor Loads Only: با انتخاب این گزینه، تنها بارهای مربوط به کف و تیرهای همان طبقه که در قسمت قبل انتخاب کردیم، در فایل خروجی‌ منتقل میشه.

Export Floor Loads and Load from Above: با انتخاب این گزینه، اثرات بارهای وارده ناشی از طبقات بالایی نیز درنظرگرفته میشه و این بارها با پسوند Above نمایش داده میشن.

Export Floor Loads Plus Column and Wall Distortions: این حالت مشابه حالت دوم بوده با این تفاوت که علاوه بر اثرات بارهای طبقات بالایی، اثرات جابه‌جایی و تغییرمکان ناشی از انواع بارها نیز منتقل میشه.

قسمت سوم این پنجره مربوط به انتقال بارهای و ترکیبات بارگذاری ساخته شده در نرم افزار ایتبس است که میشه تمام یا بخشی از این بارها رو به نرم افزار SAFE منتقل کنیم.

وارد کردن فایل در نرم افزار SAFE

پس از اینکه فایل خروجی با پسوند .f2k ذخیره شد، حال فایل ایجاد شده رو از طریق مسیر زیر در نرم افزار SAFE وارد می‌کنیم. (مطابق تصویر)

File >  Import >  SAFE  .F2K  File …

پس از انتقال فایل خروجی به نرم افزار SAFE در صورتی که روی هر گره (محل ستون در فایل اصلی) از فایل منتقل شده راست کلیک کنیم اطلاعات مربوط به اون گره نمایش داده میشه.

مطابق شکل زیر در سربرگ Loads میتونیم تمامی اطلاعات بارهای وارده به این گره رو مشاهده کنیم.

⇐ نکته: (محل اثر نیرو در ستون‌های فلزی)

در سازه‌های فلزی محل اثر بارهای وارده (Load Size) نمایش داده نمیشه و بایستی اون رو از بخش اِعمال بارهای نقطه‌ای وارد کرد.

برای مشخص کردن ابعاد محل اثر نیروی ستون در سازه‌های فولادی، بایستی ابعاد مربع یا مستطیلی هم محور با خو دستون که مابین بیس پلیت و ستون قرار می‌گیره رو بدست بیاریم. (مطابق شکل زیر)

⇐ توصیه:

از اونجایی که در ابتدایِ طراحی سازه، ابعاد صفحه ستون (بیس پلیت) مشخص نیست، توصیه میشه به عنوان یک فرض منطقی ابعاد محل اثر نیرو را در هر دو راستا به اندازه 30 درصد بیشتر از ابعاد ستون فلزی درنظربگیرین.

تعریف مصالح و مقاطع در نرم افزار SAFE

پس از انتقال بارهای وارده از نرم افزار Etabs به SAFE (انتقال فایل) نوبت به تعریف مصالح (بتن و میلگرد) و مقطع فونداسیون در نرم افزار SAFE میرسه. در این قسمت ابتدا از منوی Define > Materials به تعریف بتن و فولاد مورد استفاده در فونداسیون می‌پردازیم.

تعریف مشخصات بتن

مطابق با مبحث نهم ویرایش 99 مدول الاستیسته بتن رو از طریق روابط زیر محاسبه کرده و در نرم افزار وارد می‌کنیم.

در تصویر زیر تعریف مشخصات لازم برای بتن با مقاومت فشاری 25 مگاپاسکال (C25) رو مشاهده می‌کنید.

تعریف آرماتور

در جدول 9-4-2 مبحث نهم ویرایش 99 مشخصات آرماتورها به شرح زیر آمده است:

به عنوان مثال تعریف مشخصات میلگرد A3 در نرم افزار SAFE مانند تصویر زیر می‌باشد.

تعریف مقطع بتنی فونداسیون

جهت اختصاص فونداسیون به محدوده‌های در نظرگرفته شده بایستی ابتدا به تعریف مقطع فونداسیون بپردازیم. برای این کار به منوی Define→Slab Properties رفته و یک مقطع جدید برای فونداسیون تعریف می‌کنیم.

مطابق شکل زیر یک مقطع با عمق 90 سانتی‌متر برای فونداسیون تعریف شده است.

⇐ نکته: (تخمین اولیه ارتفاع فونداسیون)

به عنوان یک فرض اولیه مناسب جهت ارتفاع فونداسیون، میشه از قاعده زیر پیروی کرد:

• حداقل ارتفاع فونداسیون رو کمتر از 60 سانت در نظر نگیریم.
• تا ساختمان‌های 3طبقه = ارتفاع فونداسیون 60 سانتی‌متر
• به ازای هر یک طبقه افزایش نسبت به 3 طبقه = 10 سانتی‌متر به ارتفاع فونداسیون اضافه می‌کنیم.

به عنوان مثال برای یک ساختمان 6 طبقه، فرض اولیه برای ارتفاع فونداسیون را 90 سانتی‌متر در نظرمی‌گیریم.

h=60+3*10=90 cm

تعریف خاک و اعمال مدول بستر در نرم افزار 

در این قسمت مطابق با نتایج آزمایشگاهی خاک، بایستی ضریب برجهندگی بستر خاک (مدول بستر)  رو وارد کنیم. این ضریب در واقع رابطه‌ای است بین فشار وارد بر خاک و تغییر شکل ناشی از اون که در طراحی انواع شالوده‌ها مورد استفاده قرار میگیره.

در صورتی که به هر دلیل نتایج آزمایشگاه خاک مربوط به مدول بستر در دسترس نبود، می‌تونید به عنوان یک روش متعارف از مقادیر زیر برای انواع پی‌ها استفاده کنید.

• پی نواری: این ضریب رو برابر با 1.2 تنش مجاز خاک در نظرمی‌گیریم.
• پی گسترده: این ضریب رو برابر با 0.6 تنش مجاز خاک در نظرمی‌گیریم.

برای واردکردن این ضریب در نرم افزار SAFE از طریق منوی Define→Soil Subgrade Properties اقدام کرده و مطابق شکل زیر این ضریب رو اِعمال می‌کنیم.

⇐ نکته: با توجه به این نکته که نتایج آزمایش خاک معمولاً با واحدهای kg و cm بیان میشه، لذا بهتره که واحدهای نرم افزار رو هم مطابق با همین واحدها تغییردهید تا بتونید به راحتی مدول بستر خاک رو وارد کنید.

به عنوان مثال: در صورتی که قصد طراحی یک پی نواری در خاکی با تنش مجاز 1.5 کیلوگرم بر سانتیمترمربع داشته باشیم، مدول بستر برابر با 1.8 کیلوگرم بر سانتیمترمکعب خواهد بود:

در ادامه مقاله قصد داریم مشخصات تعریف شده (تا به این جای کار) رو به فونداسیون‌ اختصاص داده و به سایر نکات مربوط به طراحی اون بپردازیم.

مدلسازی فونداسیون و معرفی پارامترهای آن به نرم افزار SAFE

اختصاص مقطع فونداسیون

فونداسیون گسترده

برای ترسیم فونداسیون گسترده مطابق شکل زیر، ابتدا از نوار ابزار کناری Draw Slab/Area رو کلیک کرده و نوع مقطعی که در مرحله قبل تعریف کردیم (F-90) از منوی کشویی انتخاب می‌کنیم.

سپس گوشه‌های اطراف پلان رو انتخاب می‌کنیم تا مقطع فونداسیون به محدوده مدنظر اختصاص یابد.

فونداسیون نواری

جهت ترسیم فونداسیون نواری، ابتدا باید با خطوط کمکی محدوده فونداسیون مشخص بشه و سپس برای اختصاص مقاطع دو راه وجود داره:

• تنها به قسمت‌هایی که لازمه فونداسیون اختصاص داده بشه.
• مانند فونداسیون گسترده به تمامی سطح مقطع فونداسیون رو اختصاص بدیم و سپس در محدوده‌هایی که خارج از ناحیه فونداسیون نواری هست، بازشو (Opening) ایجاد کنیم.

ترسیم نوارهای طراحی

فونداسیون گسترده

برای فونداسیون‌های گسترده امکان ترسیم نوارهای طراحی به صورت اتوماتیک وجود داره. در این حالت نوارهای طراحی با توجه به آکس‌های نمایش داده شده در پلان ترسیم میشن.

بنابراین برای این کار میتونید پس از تنظیم آکس بندی پلان، مطابق شکل زیر از منوی Edit اقدام کنید.

⇐ نکته: همانطور که در شکل فوق مشاهده می‌کنید نوارهای طراحی(Strip) رو می‌تونیم در دولایه مجزای A و B ترسیم کنیم. لذا بنابر عرف رایج بین مهندسین نوارهایی طراحی در جهت X رو در لایه A و نوارهای طراحی در جهت Y رو به عنوان نوارهای طراحی لایه B در نظرمی‌گیریم.

فونداسیون نواری

برای ترسیم نوارهای طراحی در فونداسیون نواری (مخصوصاً در پی‌هایی با نوارهای مورب) امکان ترسیم نوارهای طراحی به صورت اتوماتیک وجود نداره. بنابراین برای ترسیم نوارهای طراحی به صورت دستی بایستی مطابق شکل زیر از منوی Draw اقدام کنیم.

⇐ نکته: ترسیم نوارهای طراحی در هر لایه (جهت ترسیم با ماوس رایانه)، بایستی در هر دو راستا انجام بشه چرا که نیاز به خروجی هم آرماتورهای طولی و هم آرماتورهای عرضی خواهیم داشت.

به عنوان مثال مطابق تصویر زیر در صورتی که بخواهیم ترسیم نوارهای طراحی لایه A انجام بشه، نوارهای طراحی‌ای که در راستای X ترسیم میشه آرماتورهای طولی (سراسری) و نوارهای طراحی‌ای که در راستای Y ترسیم میشه، آرماتورهای عرضی (خاموت‌ها) رو خروجی میده.

ترکیب بار طراحی فونداسیون

اصولاً ما برای طراحی فونداسیون به دونوع ترکیب بار نیاز خواهیم داشت:

• ترکیب بارهای طراحی فونداسیون
• ترکیب بارهای کنترل تنش خاک

ترکیب بارهای طراحی فونداسیون

این ترکیب بارها دقیقاً همان ترکیب بارهای طراحی سازه بتنی و فولادی هستند که هنگام خروجی گرفتن از نرم افزار ایتبس به نرم افزار SAFE منتقل میشن و از همین ترکیبات بارگذاری برای طراحی فونداسیون نیز استفاده خواهیم کرد.

این ترکیب‌بارها در طراحی خمشی آرماتورها و کنترل برش یک طرفه و  برش پانچ فونداسیون کاربرد دارند.

ترکیب بارهای کنترل تنش خاک

مطابق بند 7-4-5-1 مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان، جهت کنترل تنش خاک زیر فونداسیون می‌تونیم از ترکیب بار ارائه شده در بخش تنش مجاز مبحث ششم مقررات ملی ساختمان استفاده کنیم.

مطابق مبحث ششم ویرایش 98 ترکیب بارهای طراحی در روش تنش مجاز مطابق زیر می‌باشند:

به صورت خلاصه میشه از ترکیب‌بارهای زیر برای کنترل تنش خاک زیر فونداسیون استفاده کرد:

⇐ نکات قابل توجه در ترکیبات بار اشاره شده برای کنترل تنش خاک زیر فونداسیون:

• در هر ترکیب بار، به جای بار مرده (D)، بایستی بار مرده رو به همراه بارمرده کف‌سازی (SDL) اعمال کنیم.
• در هر ترکیب بار، به جای بار زنده (L) بایستی تمامی بارهای زنده (قابل کاهش، غیرقابل کاهش، بار زنده‌بام) رو لحاظ کنیم.
• بارهای لرزه‌ای در هر دو راستا به صورت مثبت و منفی (در هردوجهت) بایستی اعمال بشن.
• بار قائم زلزله (Ez) تنها با علامت مثبت آورده میشه چرا که حالت بحرانی برای تنش خاک زیر فونداسیون زمانی است که نیروی قائم زلزله به صورت فشاری وارد گردد.
• در ترکیب بارشماره 5 که بار مرده به صورت کاهشی اعمال شده، نیازی به درنظرگرفتن نیروی قائم زلزله نخواهد بود.

آنالیز و طراحی فونداسیون [محاسبه آرماتور فونداسیون]

پس از انجام مراحل قبل (شامل انتقال فایل از ایتبس، تعریف مصالح و مقاطع، اختصاص مقطع فونداسیون، ترسیم نوارهای طراحی، تعریف ترکیب بارها) در این قسمت به آنالیز و طراحی فونداسیون و کنترل اون می‌پردازیم.

قبل از هر کاری ابتدا بایستی تعدادی از تنظیمات مرتبط با آنالیز و طراحی رو انجام بدیم که در ادامه بهش می‌پردازیم.

تنظیم پارامترهای طراحی

ابعاد مش بندی

با توجه به این‌ که نرم افزار جهت آنالیز و طراحی فونداسیون نیاز به مِش‌بندی داره بایستی ابعاد مش‌بندی رو در نرم افزار مشخص کنیم. هر چه ابعاد این مِش‌بندی‌ها کاهش پیدا کنه، دقت نتایج نرم افزار بالاتر بوده و البته سرعت آنالیز و طراحی کاهش پیدا خواهد کرد.

جهت تنظیم مِش‌بندی در نرم افزار SAFE از منوی RUN اقدام کرده و Automatic Slab Mesh Options رو انتخاب می‌کنیم.

ابعاد 1متر که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید برای انتخاب سایز مِش‌بندی عدد مناسبی است.

انتخاب آیین نامه و سایر جزییات

برای انتخاب آیین‌نامه طراحی میتونید از منوی Design قسمت Design Preferences رو کلیک کرده و در سربرگ اول نام آیین‌نامه طراحی (Code) رو از منوی کشویی موجود انتخاب کنیم.

همچنین ضرایب کاهش مقاومت مربوط به تلاش‌های فشاری، کششی و برشی رو هم میشه از این قسمت ویرایش کرد.

مطابق شکل زیر در سربرگ دوم نیز می‌تونیم فاصله خالص کاور میلگردهای فونداسیون رو چه در شبکه بالا و چه پایین وارد کرد.

مطابق جدول 9-4-6 مبحث نهم ویرایش 99 مقدار پوشش روی میلگرد برای اعضای بتنی در شرایط مختلف ارائه شده است.

تحلیل و طراحی

پس از انجام تنظیمات مربوطه قبل از آنالیز، دکمه Run نرم افزار رو زده و منتظر میشیم تا نرم افزار تحلیل فونداسیون رو با توجه به ترکیب‌ بارهای وارده و سایر موارد اِعمال شده، انجام بده.

کنترل تنش خاک زیر فونداسیون

همانطور که در بخش ترکیب بارها اشاره شد، بایستی پس از معرفی ترکیب بارهای کنترل تنش خاک به نرم افزار یک ترکیب بار پوش (Envelope) مربوط به ترکیب بارهای ثقلی و یک ترکیب بارپوش (Envelope) برای ترکیب بارهای لرزه‌ای ایجاد کنیم. (مطابق شکل زیر)

جهت کنترل تنش خاک زیر فونداسیون، پس از انجام تحلیل بایستی از منوی Display اقدام کنید.(مطابق شکل زیر)

همانطور که در تصویر فوق مشاهده میکنید با تنظیمات اعمال شده در تصویر، کانتور تنش خاک تحت ترکیب بارهای پوشِ ثقلی نمایش داده میشه.

⇐ نکته (علت استفاده از ترکیب بارهای پوش):

برای کنترل تنش مجاز خاک، بایستی این کنترل تحت تمامی ترکیب بارهای ثقلی و لرزه‌ای انجام بشه تا از کمتربودن تنش وارده به خاک (نسبت به تنش مجاز خاک) مطمئن بشیم. لذا از ترکیب بار پوش که در واقع نشان دهنده بحرانی‌ترین تنش وارده ناشی از تمامی ترکیب بارهاست استفاده می‌کنیم.

اصولاً استفاده از ترکیب بارهای پوش در نرم فزار ایتبس باعث میشه تا بتونیم ماکزیمم تلاش‌های وارده تحت تمامی ترکیب بارها رو در قالب یک نمودار یا کانتور مشاهده کنیم.

با توجه به تصویر زیر در هر قسمتی از فونداسیون که تنش وارد برخاک از تنش مجاز خاک (qall) بیشتر بشه، به این معنی است که اون قسمت جواب نداده و باید اقداماتی رو مانند افزایش عرض پی انجام بدیم تا مشکل برطرف بشه.

به عنوان مثال در این پروژه تنش مجاز خاک برابر با 2.5 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع فرض شده است.

⇐ نکته:

صرفاً به عنوان یک عُرف رایج بین کنترلرهای نظام مهندسی و نه قانون آیین‌نامه‌ای، در صورتی که تنش گوشه‌های فونداسیون نهایتاً تا 2 برابر و تنش‌های نوارهای کناری فونداسیون تا 1.5 برابر تنش مجاز خاک (qall) شود، میتونیم این تنش‌ها رو در محدوده مجاز دونسته و فونداسیون رو جواب داده شده فرض کنیم. علت این امر هم پدیده تمرکز تنش در گوشه‌های فونداسیون بوده که باعث افزایش موضعی تنش‌ها در اون نقطه میشه.

⇐ نکته (تفاوت ترکیب بارهای پوش لرزه‌ای با ثقلی):

مطابق بند 7-4-5 محث هفتم مقررات ملی ساختمان، برای کنترل ظرفیت باربری خاک در پی‌های سطحی با توجه به شرایط استاتیکی (ترکیب بارهای ثقلی) و یا لرزه‌ای (ترکیب بارهای لرزه‌ای) ضرایب اطمینان متفاوتی رو خواهیم داشت.

مطابق جداول زیر ضرایب اطیمنان جهت محاسبه ظرفیت باربری خاک، در حالت استاتیکی و لرزه‌ای به ترتیب برابر 3 و 2 می‌باشد.

گزارش‌های آزمایشگاه مکانیک خاک نیز شامل موارد زیر می‌باشد:

1. تنش مجاز خاک (qall) بر اساس معیار نشست
2. تنش مجاز خاک (qall) بر اساس معیار گسیختگی و با ضریب اطمینان 3
3. تنش مجاز خاک (qall) بر اساس معیار گسیختگی و با ضریب اطمینان 2

بنابراین تنش بدست آمده تحت ترکیب بارهای ثقلی بایستی با تنش مجاز خاک با ضریب اطمینان 3 و همچنین تنش حاصل از ترکیب‌بارهای لرزه‌ای با تنش مجاز خاک با ضریب اطمینان 2 کنترل گردد.

محاسبه میلگرد فونداسیون

برای این منظور در حالتی که تحلیل و طراحی فونداسیون انجام شده است (نرم افزار در حالت Run شده قرار داره) از منوی Display گزینه Show Slab Design رو کلیک کرده تا پنجره مربوط به تنظیمات خروجی آرماتورها در نرم افزار SAFE باز شود.

پس از باز شدن پنجره مربوط به خروجی برای آرماتورها، میتونیم با تنظیماتی که مطابق تصویر زیر انجام میشه، آرماتورهای خمشی و برشی رو روی پلان فونداسیون مشاهده کنیم.

همانطور که در تصویر فوق مشاهده می‌کنید، نوع روش طراحی بر اساس نوارهای طراحی یا همون Strip بندی هست که قبلاً انجام دادیم.

با معرفی سایز و فاصله آرماتورهای سراسری در شبکه بالا و پایین و همچنین انتخاب سایز آرماتورهای تقویتی فونداسیون می‌تونیم خروجی آرماتورها رو روی پلان فونداسیون مشاهده کنیم.

آرماتورهای نمایش داده شده توسط نرم افزار صرفاً آرماتورهای تقویتی‌ای بوده که علاوه بر آرماتورهای سراسری در محل‌های مشخصی ارائه میشه. در این محل‌ها آرماتور سراسری فونداسیون جوابگو نبوده و بایستی علاوه بر اون از آرماتورهای تقویتی استفاده شود.

⇐ نکته (محاسبه طول آرماتورهای تقویتی فونداسیون):

آیا برای محاسبه طول آرماتورهای تقویتی فونداسیون، طول ارائه شده توسط نرم افزار کافی است؟

در جواب این سوال باید گفت که خیر، طول ارائه شده توسط نرم افزار اصطلاحاً به طول تئوریک معروف بوده و بایستی از طرفین به اندازه طول گیرایی (طول مهاری) به این مقدار اضافه شود.

مطابق بند 9-21-3-1-2 مبحث نهم ویرایش 99 در تمامی اعضای بتن آرمه از جمله فونداسیون نیروهای کششی و فشاری ایجاد شده در آرماتورها بایستی به وسیله تأمین طول مهاری (از جایی که دیگه به وجود آرماتورها از نظر تئوری نیاز نیست) از طرفین ادامه داده بشه تا به بتن منتقل شوند.

⇐ سوال: از کدام روش‌ها برای تأمین طول مهاری استفاده میشه؟

با توجه به بند فوق استفاده از روش الف و ب مرسوم تر بوده و بیشتر مورد استفاده قرار میگیره.

در صورت نیاز به آرماتورهای تقویتی در قسمت‌هایی از فونداسیون (قسمت‌های مرکزی) که امکان تأمین طول مهاری از طرفین میلگرد وجود داشته باشه از روش الف و در قسمت‌های گوشه و لبه‌های کناری فونداسیون که امکان تأمین طول مهاری از یک یا هر دو طرف وجود نداشته باشه، برای اون قسمت از روش ب (روش مهار با قلاب استاندارد) استفاده می‌کنیم.

الف) طول مهاری مستقیم:

در صورتی که نرم افزار، آرماتورهای تقویتی فونداسیون را در قسمت‌های میانی خروجی بده و امکان استفاده از طول مهاری مستقیم وجود داشته باشه، بایستی از رابطه 9-21-1 مبحث نهم ویرایش 99 برای محاسبه طول گیرایی میلگردها استفاده و به طول پیشنهادی نرم افزار (از طرفین) اضافه بشه.

ب) طول مهاری قلاب‌دار:

در صورتی که آرماتورهای تقویتی در لبه‌های کناری و یا گوشه‌های فونداسیون قرار بگیره، امکان استفاده از طول مهاری مستقیم نبوده و بایستی مطابق رابطه 9-21-3 مبحث نهم طول مهاری قلاب‌دار رو برای آرماتورهای این ناحیه تأمین کنیم.

نکات تکمیلی

آرماتورهای حرارت و جمع شدگی

همانطور که در ضوابط مربوط به طراحی فونداسیون اشاره شد، طراحی آرماتورهای لازم برای فونداسیون تحت ترکیب‌ بارهای حالات حدی نهایی انجام میشه. اما در شرایطی که نیروهای وارد بر فونداسیون کوچک بوده و آرماتورهای ناچیزی برای  فونداسیون نیاز باشه، آیین نامه محدودیت حداقلی برای آرماتورهای فونداسیون درنظر گرفته و اجازه کاهش میزان آرماتور از مقدار مشخصی رو نمیده.

این مقدار مشخص، با عنوان آرماتورهای حرارت و جمع شدگی معرفی میشه که در فصل 15 مبحث نهم ویرایش 99، مقدار این آرماتورها با توجه به ضوابط آرماتورهای حرارتی در دال‌های یک طرفه و دوطرفه (باتوجه به عملکرد فونداسیون) بدست میاد.

⇐ نکته : فلسفه استفاده از آرماتورهای حرارتی، جلوگیری از ترک خوردگی بتن در اثر انبساط و انقباض ناشی از گیرش در ساعات اولیه پس از بتن ریزی می‌باشد.

⇐ مثال: (محاسبه درصد آرماتور فونداسیون و کنترل اون با درصد آرماتور حرارت و جمع شدگی به صورت دستی)

به عنوان مثال برای تعیین درصد آرماتورهای مورد استفاده در یک فونداسیون با ضخامت 80 سانت و آرماتور سراسری قطر 20 به فاصله 200 میلی متر داریم:

همینطور که مشاهده میشه، درصد آرماتور موجود در مقطع بالا بیش از درصد آرماتور حرارتی هست.

جهت کنترل مقدار حداقل آرماتور حرارت و جمع شدگی در نرم افزار SAFE بایستی تیک گزینه Impose Minimum در پنجره Slab Design انتخاب شود.

در این حالت نرم افزار کنترل مقدار آرماتورهای حرارتی و جمع شدگی رو به صورت اتوماتیک انجام میده.

آرماتورهای عرضی (خاموت) فونداسیون

در فونداسیون‌های نواری برخلاف فونداسیون گسترده از آرماتورهای عرضی مابین نوارها استفاده میشه. آرماتورهای عرضی استفاده شده در فونداسیون نواری میتونه به عنوان آرماتور برشی (در صورتی که بتن فونداسیون به تنهایی جوابگوی برش وارده نباشد) استفاده بشه. اما در صورتی که بتن فونداسیون به تنهایی جوابگوی برش وارده باشه نیازی به آرماتورهای برشی نیست اما این موضوع به معنای عدم استفاده از آرماتورهای عرضی برای فونداسیون نیست. چرا که با توجه به مطالب ارائه شده در بخش قبل، مطابق آیین‌نامه آرماتورهای عرضی نیز بایستی ضابطه حداقل آرماتورهای حرارت و جمع شدگی رو برآورده کنه.

به عنوان مثال برای فونداسیون نواری به ارتفاع 80 سانتی‌متر میزان آرماتورهای عرضی در یک متر طول فونداسیون به صورت زیر محاسبه میشه:

برای محاسبه سایز آرماتورهای عرضی (خاموت) و مقدار فاصله اون‌ها از هم (مطابق شکل زیر) داریم:

همانطور که مشاهده کردین در صورتی که برای آرماتورهای عرضی از میلگرد شماره 10 استفاده کنیم، مطابق ضابطه حداقل آرماتورهای حرارتی (0.0018Ag) فاصله مابین آرماتورها 10 سانتی‌متر بدست خواهد آمد.

در صورتی که از این آرماتورهای برای تحمل برش استفاده بشه (به عنوان آرماتوربرشی) نرم افزار مقدار  رو خروجی میده و طبق این مقدار بایستی سایز و فاصله آرماتورهای عرضی محاسبه شود.

⇐ نکته :

اصولاً در طراحی پی‌های نواری اکثر طراحان ضخامت و عرض فونداسیون رو به نحوی در نظر می‌گیرن که نیاز به آرماتور برشی (خاموت) برای فونداسیون نباشه و برش وارده صرفاً توسط بتن فونداسیون تحمل بشه. اما در هر حال بایستی این نکته رو نیز مد نظر قرارداد که آرماتورعرضی حداقل (به میزان آرماتور حرارتی) برای فونداسیون نواری در نظر گرفته شود.

⇐ نکته :

نحوه اجرای آرماتورهای عرضی فونداسیون نواری به صورت خاموت بسته و یا خاموت U شکل می‌باشد.

در صورتی که از آرماتور عرضی (خاموت) به صورت U شکل در فونداسیون استفاده کنیم و انتظار تحمل برش از این آرماتورها نداشته باشیم (صرفاً از حداقل مقدار آرماتور حرارتی برای این منظور استفاده کرده باشیم)، میتونیم نحوه اجرای این خاموت‌های U شکل رو به صورت لب لب انجام بدیم. (مطابق شکل زیر)

اما در صورتی که از آرماتورهای عرضی U شکل، برای تحمل برش استفاده کنیم، این آرماتورها بایستی تا انتهای وجه آرماتور رو برو اورلپ داشته باشه و اصطلاحاً همدیگر در بر گرفته و  بغل کنند. (مطابق شکل زیر)

آرماتورهای ریشه ستون در فونداسیون

در ساختمان‌های بتنی برای اجرا ستون‌ها آرماتورهایی رو به عنوان آرماتور ریشه (انتظار) ستون در نظر میگیریم که از شبکه پایینی فونداسیون به صورت خم شده شروع و تا بالای سطح فونداسیون ادامه پیدا میکنه و در نهایت با آرماتورهای ستون (پس از اجرای فونداسیون) به صورت اورلپ اجرا خواهد شد.

نحوه اجرای آرماتورهای ریشه ستون در فونداسیون‌ها به دو صورت کلی می‌باشد:

• به صورت اورلپ در قسمت فوقانی سطح فونداسیون (طول کوتاه‌)
• به صورت اورلپ در قسمت فوقانی اولین کف روی فونداسیون (طول بلند)

هر کدام از روش‌های اجرایی مزایا و معایبی رو خواهد داشت که میشه به موارد زیر اشاره کرد:

• استفاده از آرماتورهای ریشه با طول کوتاه، اجرای ساده‌تری دارد، چراکه مهار آرماتورها با طول بلند مشکل ساز می‌باشد. اما از نظر اقتصادی به صرفه نیست؛ زیرا بایستی یک اورلپ اضافی میلگرد در قسمت فوقانی سطح فونداسیون اجرا بشه که این موضوع باعث پرت بیشتر آرماتورها خواهد شد.
• اما استفاده از آرماتورهای ریشه با طول بلند، از نظر اقتصادی به صرفه بوده و باعث کاهش پرت آرماتور میشه، این در حالی است که این روش از نظر اجرایی کمی مشکل ساز بوده و بایستی آرماتورهای ریشه (به جهت داشتن طول بلند و لاغری بیشتر) به نحوی مناسب مهار شوند.

نحوه خم آرماتورهای ریشه فونداسیون

تا به حال عمدتاً نحوه خم آرماتورهای ریشه ستون در فونداسیون، با خمِ به سمت بیرون ستون اجرا میشد اما در ویرایش پنجم مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 99) صریحاً ذکر شده که از این پس این خم بایستی به سمت داخل ستون اجرا شود.

⇐ علت الزام آیین نامه (خم به سمت داخل ستون)

یکی از دلایل مهم این الزام آیین نامه (که از گذشته نیز در آیین نامه ACI وجود داشت) جلوگیری از سُرخوردن میلگردهای طولی ستون به سمت خارج فونداسیون در اثر نیروهای کششی وارده به ستون هست. یعنی هنگامی که ستون در اثر نیروهای جانبی مانند زلزله به یک سمت متمایل میشه، در اون یکی سمت فونداسیون کشش ایجاد میشه و همانطور که میدونیم بتن در کشش ضعیف بوده و ترک میخوره و آرماتورهای طولی ستون که داخل فونداسیون قرار گرفته (در مقطع ترک خورده) مستعد سُرخوردن به سمت بالا (در جهت نیروی کششی) می‌باشند. بدیهی است این اتفاق در متمایل شدن ستون به هر سمت رخ میده و میلگردهای هر 4 وجه ستون مستعد این موضوع خواهند بود.

لذا برای جلوگیری از این اتفاق و افزایش ظرفیت باربری مقطع (جلوگیری از سُرخوردگی و خارج شدن میلگردهای طولی ستون) آرماتورهای ستون به سمت داخل ستون که یک ناحیه فشاری است خم شده تا مطمئن باشیم که ترک خوردگی در این قسمت از مقطع رخ نمیده و احتمال سُرخوردگی میلگرد هم وجود نخواهد داشت.

طول ریشه ستون در فونداسیون

یکی از موارد چالشی و مهم در مبحث نهم ویرایش 99 بحث تأمین طول ریشه ستون‌های کناری و گوشه در فونداسیون هست. موضوعی که میتونه روی ارتفاع فونداسیون نیز تأثیر گذار باشه.

مطابق مبحث نهم که برگرفته از آیین نامه بتن امریکا (ACI) هست، در صورتی که فاصله وجه ستون تا لبه فونداسیون کمتر از نصف ضخامت (ارتفاع) فونداسیون باشه، آنگاه طول ریشه این ستون‌ که در فونداسیون ادامه پیدا میکنه بایستی به اندازه طول مهاری (Ld) آرماتور طولی ستون باشه.

مطابق بند 9-20-9-2-4 مبحث نهم ویرایش 99 آرماتورهای عرضی (خاموت‌ها) ستون بایستی به اندازه این طول مهاری در فونداسیون ادامه پیدا کنند. (مطابق تصویر زیر)

⇐ نکته :

در ساختمان متعارف که به جهت داشتن همسایه در اطراف ساختمان اجازه پیشروی فونداسیون رو نداریم، عموماً ستونهای کناری و گوشه، وضعیتی مشابه با بند 9-20-9-2-4 مبحث نهم رو داشته و بایستی این موضوع برای اون‌ها رعایت بشه. لذا استفاده از آرماتورهای با قطر زیاد (برای آرماتورهای طولی ستون) منجر به افزایش ارتفاع فونداسیون خواهد شد. (افزایش قطر آرماتور منجر به افزایش طول مهاری و در نتیجه افزایش ارتفاع فونداسیون خواهد شد)

جمع‌بندی

جهت معرفی و ترسیم فونداسیون در نرم افزار، ابتدا مقطعی که به صورت یک دال با ضخامتی به اندازه ارتفاع فونداسیون معرفی کردیم رو انتخاب و سپس ترسیم فونداسیون رو در محدوده موردنظر انجام میدیم.

امکان ترسیم نوارهای طراحی در فونداسیون گسترده به صورت اتوماتیک وجود داره، درحالی که در فونداسیون نواری بهتره تا نوارهای طراحی به صورت دستی ترسیم بشه.

جهت طراحی فونداسیون به دو نوع ترکیب بار نیاز داریم: 1- ترکیب بار مربوط به کنترل تنش خاک زیرفونداسیون که براساس ترکیب بارهای روش تنش مجاز مبحث ششم بوده و 2- ترکیب بارهای طراحی فونداسیون که همان ترکیب بارهای روش حالت حدی است.

در طراحی آرماتورهای فونداسیون در نرم افزار ابتدا به معرفی یک شبکه آرماتور سراسری در بالا و پایین فونداسیون پرداخته و سپس با انتخاب سایز آرماتورهای تقویتی (به صورت پیشنهادی به نرم افزار) تعداد آرماتورهای تقویتی و طول اون‌ها توسط نرم افزار روی فونداسیون نمایش داده میشه.

طول آرماتورهای تقویتی نمایش داده شده برای فونداسیون اصطلاحاً طول تئوریک بوده و به جهت انتقال کامل نیروهای کششی و فشاری ایجاد شده در میلگردها به بتن، بایستی این آرماتورها به اندازه طول مهاری از طرفین (در صورت امکان) ادامه داده شوند.

در قسمت‌هایی از فونداسیون (مانند لبه‌های کناری) که به آرماتور تقویتی نیاز داشته و امکان ادامه دادن طول مهاری مستقیم میلگردها وجود نداره، بایستی از طول مهاری میلگرد به صورت قلابدار (به صورت خم شده) استفاده بشه.

در طراحی فونداسیون مقدار درصد حداقلِ آرماتورهای فونداسیون با عنوان آرماتورهای حرارتی نام برده میشه و در صورتی که محاسبات مقدار آرماتورهای فونداسیون رو کمتر از این مقدار خروجی بده، بایستی این مقدار حداقل رو برای آرماتورهای فونداسیون در نظر بگیریم.

منابع

1) آیین نامه مبحث نهم مقررات ملی ساختمان – ویرایش 99

2) آیین نامه مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان – ویرایش 92

3) آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله – استاندارد 2800- ویرایش چهارم

4) پک آموزش ایتبس و طراحی سازه، پاراپلاس. امیرطه نوروزی (1400)

پیشنهاد مقالات دیگر

ضریب زلزله؛فلسفه و پارامترهای موثر بر آن

زلزله چیست؟، آشنایی با زمین لرزه و نیروی زلزله وارد بر سازه

مولفه قائم زلزله چیست و چگونه محاسبه می شود؟

معرفی اثر P-Delta و نحوه اِعمال آن در طراحی سازه