• 02191017183
  • info@paracivil.org

آموزش جامع محاسبه میلگردهای فونداسیون

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

خروجی گرفتن از ایتبس به نرم افزار سیف

طراحی فونداسیون 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 طراحی فونداسیون در نرم افزار SAFE انجام بشه.

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

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

 

خروجی گرفتن از ایتبس

 

⇐ 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.

 

خروجی ایتبس به سیف

 

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 …

 

طراحی فونداسیون در SAFE

 

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.

 

طراحی فونداسیون در سیف

 

⇐ 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.

 

طراحی فونداسیون در سیف 2016

 

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)

طراحی فونداسیون سازه فولادی

 

⇐ 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.

مدول الاستیسیته بتن

 

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

 

تعریف فونداسیون در SAFE

 

تعریف آرماتور

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

 

تعریف آرماتور فونداسیون در SAFE

 

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

 

تعریف میلگرد فونداسیون در SAFE 2016

 

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.

 

تعریف مقطع فونداسیون در SAFE

 

⇐ 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.

 

اعمال مدول بستر خاک در SAFE

 

⇐ 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:

 

مدول بستر خاک

 

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.

 

طراحی فونداسیون گسترده

 

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

 

ترسیم فونداسیون گسترده

 

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.

 

طراحی فونداسیون نواری

 

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.

 

ترسیم فونداسیون گسترده

 

⇐ 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.

 

ترسیم فونداسیون نواری در SAFE

 

⇐ 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.

 

ترسیم نوار طراحی فونداسیون در SAFE

 

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.

 

ترکیب بار طراحی فونداسیون

 

این ترکیب‌بارها در طراحی خمشی آرماتورها و کنترل برش یک طرفه و دوطرفه (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.

 

طراحی پی

 

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

 

ترکیب بار طراحی فونداسیون

 

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

 

کنترل تنش خاک

 

⇐ 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

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.

 

مش بندی فونداسیون

 

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.

 

آموزش طراحی فونداسیون

 

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

 

آرماتور فونداسیون

 

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

 

پوشش میلگرد

 

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)

 

ترکیب بارهای پوش ثقلی و لرزه‌ای در نرم افزار SAFE

 

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

 

کنترل تنش خاک زیر فونداسیون

 

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.

 

تنش وارده به خاک زیر فونداسیون

 

⇐ 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.