• 02191017183
  • info@paracivil.org

دیوار حائل چیست؟|آموزش بارگذاری و مدل سازی در نرم افزار ایتبس

با افزایش روز افزون تمایل به شهرنشینی در سال‌های اخیر و به تبع اون رشد جمعیت شهرها، میزان تراکم ساختمان‌ها بالارفته و در نتیجه تامین فضاهایی مانند پارکینگ و انباری در آپارتمان‌ها به یکی از معضلات اصلی برای سازندگان، معماران و مهندسان طراح سازه تبدیل شده بود. همان‌طور که می‌دونیم یکی از راهکارهای اساسی برای حل این مشکل استفاده از طبقات منفی به عنوان پارکینگ و انباری می‌باشد. اما در گذشته این راه حل با یک چالش جدی روبرو بود و اون هم عدم داشتن مقاومت کافی ِدیوارهای آجری (با ضخامت متعارف) در مقابل فشارجانبی خاک در طبقات منفی است. با توجه به پیشرفت تکنولوژی ساخت و ساز امروزه شاهد این هستیم که انواع روش‌های گوناگون برای پایدارسازی گود و مقابله با فشارخاک در طبقات منفی وجود دارد. یکی از روش‌های پرکاربرد در این زمینه استفاده از دیوارهای حائل بتنی است که در این مقاله مرجع به آن پرداخته‌ایم.

 

سرفصل‌های مقاله

  1. معرفی دیوارحائل
  2. انواع دیوارهای حائل
  3. تفاوت عملکرد دیوار حائل و دیوار برشی
  4. بارهای وارد بر دیوار حائل
  5. مدل ‌سازی دیوار حائل بتنی در نرم افزار ETABS

دیوار حائل چیست و چه کاربردی دارد؟

دیوار حائل به طور کلی به دیواری اطلاق میشه که توانایی تحمل فشار خاکِ پشتِ خودش رو داشته باشه و بتونه مانع از حرکت خاک، به سمت داخل بشه. لذا یکی از بخش‌های اصلی و مهم در اجرای یک ساختمان بحث پایدارسازی خاک اطراف محل پروژه می‌باشد. این موضوع به شیوه‌های مختلفی میتونه انجام بشه که یکی از پرکاربردترین اون‌ها استفاده از دیوارهای حائل در ترازهای منفی هست. بنابراین میشه گفت مهم‌ترین وظیفه دیوارحائل تحمل فشار جانبیِ خاکِ اطراف محل ساختمان هست تا با این کار جلوی حرکت خاک گرفته بشه و بتونیم خاک رو سرجای خودش پایدار کنیم. اصطلاحاً به این کار پایدارسازی گود هم میگن که میتونه با انواع روش‌های مختلف انجام بشه که یکی از اون‌ها استفاده از دیوارهای حائل بتنی در طبقات منفی است.

 

دیوار حائل چیست؟

 

دیوار حائل و سایر روش‌های پایدار سازی گود در مبحث هفتم

مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان که یک مبنع مهم و کاربردی در خصوص طراحی فونداسیون و انواع روش‌های گودبرداری به حساب میاد، در فصل پنجم به بررسی انواع سازه‌ نگهبان پرداخته است.

دربند 7-5-2-1 انواع سازه‌های نگهبان جهت نگهداری خاک و پایدارسازی گود به صورت زیر پیشنهاد شده است:

 

دیوار حائل چیست؟

 

این روش‌ها از نظر عملکرد و نحوه اجرا با هم متفاوت هستند اما همه شون یک وظیفه اصلی دارن و اون حفظ خاک موجود و جلوگیری از حرکت اون هست.

با توجه به موضوع این مقاله در خصوص 4 روش اول در این‌جا فقط به ذکر نام‌شون بسنده می‌کنیم و در ادامه به تشریح مطالب مربوط به دیوارهای زیرزمین یا همون دیوارهای حائل می‌پردازیم.

 

بیشتر بخوانید: فونداسیون چیست؟

 

انواع دیوارهای زیرزمین (دیوارحائل)

مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان در بند 7-5-2-5 دیوارهای زیرزمین (دیوارهای حائل) رو به دو دسته کلی دیوارهای مستقل و دیوارهای متصل تقسیم بندی میکنه.

 

انواع دیوار حائل

 

دیوارهای مستقل

این دیوارها همان‌گونه که از تعریف مبحث هفتم هم مشخصه، هیچ گونه اتصالی با سازه اصلی نداشته و صرفاً جهت تحمل فشار خاک و جلوگیری از حرکت خاک به سمت داخل پروژه احداث میشه. بنابراین این دیوارها رو میشه به صورت یک المان طره‌ای شکل تحت یک بارگسترده جانبی فرض کرد که قبل از شروع اجرای ساختمان (اجرای فونداسیون و غیره) بایستی اجرا بشه.

بنابراین زمانی که این دیوارها برای تحمل فشارخاک احداث میشه، می‌تونیم برای اجرای دیوارهای زیرزمین نیز مانند سایر طبقات از دیوارهای بلوکی مانند سفال، لیکا، هبلکس و … استفاده کنیم.

دیوارهای متصل

این دیوارها برخلاف دیوارهای مستقل، دارای اتصال و پیوستگی با اجزای اصلی سازه بوده و به صورت یکپارچه با اون‌ها اجرا میشن.

تفاوت دیوار برشی بتنی با دیوار حائل

همان طور که می‌دونیم دیوارهای حائل و دیوارهای برشی از نظر ظاهری شباهت زیادی با هم دارند، هردو از جنس بتن هستند و همچنین شبکه‌ای از آرماتور نیز در هر دوی اون‌ها استفاده میشه.

اما این دو دیوار از نظر عملکردی تفاوت‌هایی رو با هم دارن.

  • دیوارهای حائل برای تحمل فشار جانبی خاک استفاده میشه، درصورتی که دیوارهای برشی برای جذب نیروی زلزله طراحی میشن.
  • باتوجه به وظیفه اصلی دیوارهای حائل (تحمل فشارخاک) نیروهای وارده به این دیوارها به صورت عمود بر صفحه دیوار وارد میشه؛ این در حالی است که فرض ما در طراحی دیوارهای برشی اینه که نیروی جانبی زلزله در راستای صفحه دیوار (موازی با صفحه دیوار) بهش وارد میشه.

عملکرد دیواربرشی و دیوارحائل

درمجموع با توجه به راستای نیروهای وارده به هر دو دیوار میشه اینطور نتیجه گرفت که:


دیوارهای برشی دارای عملکرد درون صفحه‌ای (Membrane) بوده و دیوارهای حائل عملکرد برون صفحه‌ای (Bending) دارند.


البته لازمه به این نکته هم توجه کنید که در واقعیت هیچگاه نمی‌توان به صورت صفر و صدی به قضایا نگاه کرد و تعریف یک عملکرد مشخص برای این دو دیوار به جهت این است که عملکرد هرکدام از این دیوارها در یک راستای مشخص نسبت به اون یکی راستا بسیار قوی‌تر هست.

اجرای دیوار حائل در ساختمان ها

با توجه به رشد جمعیت و افزایش تراکم در ساخت و سازهای شهری و همچنین محدودیت‌های شهرداری در خصوص افزایش ارتفاع ساختمان‌ها لازمه که فکری برای تامین پارکینگ واحد‌های مسکونی در آپارتمان‌ها بشه. بنابراین احداث طبقات زیرزمین با کاربری پارکینگ یکی از اصلی‌ترین روش‌ها برای حل این مشکل هست.

همونطور که گفتیم برای اجرای طبقات نیز در زیرزمین با مشکل فشار جانبی خاک روبرو هستیم و یکی از روش‌های مرسوم و پرکاربرد برای حل این مشکل از گذشته تا کنون اجرای دیوارحائل بوده و هست.

نحوه اجرا 

در زمان‌های گذشته از دیوارهای بنایی آجری به ضخامت‌های 30 تا 40 سانتی‌متری برای تحمل فشارجانبی خاک اطراف در زیرزمین استفاده می‌شد ولی مشکل کار اینجا بود که این دیوارها تحمل فشار جانبی خاک در یک یا حداکثر دو طبقه زیرزمین رو داشتند و برای تعداد طبقات بیشتر نمی‌تونستن پاسخگو باشن.

اما استفاده از دیوارهای حائل بتنی در سال‌های اخیر، این مشکل رو برطرف کرده به نحوی که میشه گفت با توجه به مقاومت بالای دیوارهای حائل بتنی (دیوارهای بتنیِ مسلح شده با شبکه‌های آرماتور) محدودیت تعداد طبقات زیرزمین تا حد زیادی برطرف شده است.

به هر حال به عنوان یک توصیه اجرایی مهم که مورد تأکید دستورالعمل سازمان نظام مهندسی نیز هست برای ساختمان‌های دارای بیش از یک طبقه زیرزمین و یا بیش از 3 متر گودبرداری از تراز صفرزمین، دیوارهای حائل بتنی بایستی طراحی و اجرا بشه؛ چرا که فشار خاک تا ارتفاع 3 متری زیرزمین را می‌توان با اجرای دیوارهای بنایی آجری نیز مهار کرد ولی بیشتر از اون رو نه.

انتقال تراز پایه با وجود دیوار حائل

یکی دیگر از دلایل استفاده از دیوارهای حائل بتنی در ساختمان‌ها، شرط لازمی است که استاندارد 2800 در بند 3-3-1-2 برای انتقال تراز پایه به ارتفاع بالاتر قرارداده است.

تراز پایه دیوار حائل

 

همانطور که مشاهده می‌کنید مطابق بند صریح استاندارد 2800 یکی از شروط اصلی انتقال ترازپایه به تراز ارتفاعی بالاتر، استفاده از دیوارهای حائل بتن‌آرمه هست.

بارهای وارد بر دیوار حائل

قبل از اینکه وارد موضوع بارهای وارد بر دیوارحائل شویم بهتره ابتدا کمی در خصوص چگونگی توزیع فشار خاک ناشی از وزن، که از روابط مکانیک خاک بدست میاد توضیح بدیم.

توزیع فشار جانبی خاک

همانطور که اشاره شد با توجه به روابط و فرضیات موجود در علم مکانیک خاک فشار جانبی ناشی از وزن خاک رو به صورت یک توزیع مثلثی در ارتفاع، در نظرمی‌گیریم.

به همین منظور در این مقاله به دو روش برای محاسبه فشارجانبی خاک اشاره می‌کنیم. یک روش به صورت دقیق‌تر بوده که حاصل از نتایج آزمایشگاهی خاک محل پروژه و روابط مکانیک خاک است و روش دوم که به عنوان یک روش تقریبی است.

روش دقیق حاصل از نتایج آزمایشگاهی

اگر از درس مکانیک خاک به یاد داشته باشید برای محاسبه فشارجانبی خاک، می‌تونستیم سه حالت زیر را برای درنظرگرفتن اثر این فشار  فرض کنیم:

  • فشار حالت سکون: زمانی که دیوار نسبت به خاک پشت خودش هیچ گونه حرکتی در راستای افقی نداره. در این حالت از ضریب فشار خاک در حالت سکون که K0 با نمایش میدیم استفاده میشه.
  • فشار فعال (حالت محرک active): زمانی که دیوار به اندازه‌ای مشخص از خاک فاصله می‌گیره و در این حالت کمترین فشار جانبی از طرف خاک به دیوار وارد میشه. ضریب فشار جانبی خاک در حالت محرک را با Ka نمایش میدیم.

 

فشار جانبی خاک در دیوار حائل

 

  • فشار مقاوم (حالت مقاوم Passive): برعکس حالت فشار محرک، زمانی که دیوار به سمت خاکِ پشت خودش دوران میکنه فشار جانبی خاک در حالت مقاوم درنظرگرفته میشه. در این حالت فشار جانبی وارد به دیوار بیشترین مقدار نسبت به دو حالت سکون و محرک رو خواهد داشت. ضریب فشار جانبی خاک در این حالت رو با Kp نشان میدیم.

فشار خاک در دیوار حائل

 

بنابراین داریم:

Ka<K0<Kp

سوال: کدام یک از حالات زیر رو برای محاسبه فشار خاک وارد به دیوار حائل باید درنظر بگیریم؟

 مطابق بند 7-5-4-3-5 مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان برای دیوارهای حائل متصل (که قبلاً معرفی شد) بایستی از روابط مربوط به فشار خاک در حالت سکون (K0) استفاده کنیم. در این حالت دیوارحائل به صورت یک دیوار صلب فرض میشه که هیچ گونه حرکت افقی نسبت به خاک پشت خودش نداره.

توزیع مثلثی فشار جانبی خاک

با توجه به فرضیات و روابط موجود در علم مکانیک خاک فشار جانبی در همه حالات اشاره شده (محرک، مقاوم و سکون) به صورت یک توزیع مثلثی مطابق شکل زیر در نظرگرفته میشه:

 

توزیع فشار خاک در دیوار حائل

 

همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌کنید توزیع فشار خاک را برای یک خاک غیرچسبنده (0=C) در حالت فشارخاک محرک به این شکل درنظرمی‌گیریم. لازم به ذکر است که رابطه فشارجانبی خاک در حالت‌هایی که خاک‌های چسبنده بوده (0≠C) و یا دارای فشار سربار باشد متفاوت بوده و جملات بیشتری خواهد داشت که برای مطالعات بیشتر می‌تونید به منابع اصلی دروس مکانیک خاک مراجعه کنید.

   ⇐ نکته: ضرایب فشارجانبی خاک (Ka,Kp,K0) در واقع نسبتِ فشار جانبی به فشار قائم خاک بوده و یک پارامتر بی بُعد می‌باشد. بنابراین واحد فشارجانبی خاک در پایین مثلث (در شکل بالا) به صورت کیلوگرم بر متر مربع هست.

روابط محاسبه ضرایب فشار خاک در سه حالت سکون، محرک و مقاوم برای خاک‌های دانه‌ای (0=C) به شرح زیر است: ( Φ زاویه اصطکاک داخلی خاک)

 

ضرایب فشار خاک وارد به دیوار حائل

 

بنابراین در این حالت با داشتن نتایج آزمایشگاهی خاک (Φ,γ) می‌تونیم محاسبه فشار جانبی خاک رو بر اساس توزیع مثلثی انجام بدیم.

محاسبه فشار جانبی طراحی خاک بر اساس جدول مبحث ششم

روش دیگری که مبحث ششم مقررات ملی ساختمان برای محاسبه فشار جانبی خاک ارائه شده به این شرح است: در جدول 6-4-1 مبحث ششم با توجه به طبقه بندی خاک‌ها برای هر نوع خاک، بارطراحی جانبی (که ما در قسمت قبل محاسبه کردیم)  ارائه شده است.

   ⇐ نکته: در صورتی که از روش قبلی برای محاسبه فشار جانبی خاک استفاده کردین می‌تونید مقدار اون رو با مقدار ارائه شده در این جدول مقایسه کنید و برای طراحی در جهت اطمینان، بیشترین  دو مقدار رو در نظربگیریم.

 

فشار جانبی خاک

 

P1 فشار جانبی محاسبه شده از روابط مکانیک خاک

P2 فشار جانبی حاصل از جدول 6-4-1

 

بار طراحی دیوار حائل

 

مدل سازی دیوار حائل در ایتبس

در این قسمت قصد داریم مدلسازی دیوار حائل رو به صورت پروژه محور در نرم افزار ایتبس انجام بدیم تا مطلب با شیوه بهتر و کاربردی‌تر ارائه بشه.

عکس زیر برشی از قسمت طبقات زیر زمین یک پروژه است که تراز کف تمام شده زیرزمین دوم 5.50- بوده و با احتساب 40 سانتی‌متر کفسازی در این طبقه تراز روی فونداسیون 5.90- می‌باشد.

 

دیوار حائل بتنی چیست؟

 

با توجه به مطالبی که در قسمت‌های قبل ارائه شد قصد داریم اطراف طبقه زیرزمینِ دوم رو دیوارحائل اجرا کنیم. چرا فقط زیرزمین دوم؟

همانطور که گفتیم ، تا تراز 3- متر و یا یک طبقه زیرزمین رو می‌تونیم از دیوارهای آجری برای مقابله با فشار جانبی خاک استفاده کنیم، اما از آن تراز به پایین رو بایستی دیوار حائل بتنی اجرا کنیم.

بنابراین ترسیم دیوارحائل در این پروژه از روی تراز فونداسیون (5.90-) تا تراز کف زیرزمین اول (2.50-) انجام می‌شود و برای تراز 2.50- تا تراز صفر زمین، از دیوارهای آجری برای مقابله با فشار خاک استفاده می‌کنیم.

   ⇐ نکته: به دلیل اختلاف 10 سانتی‌متری تراز معماری و تراز سازه‌ای، تراز کف سازه‌ای طبقه زیرزمین اول در نرم افزار Etabs برابر با 2.60- میشه. (یعنی 10 سانت پایین‌تر از تراز معماری)

تعریف دیوار حائل در ایتبس

ابتدا قبل از هر کار ی باید دیوارحائل و مشخصات اون رو به نرم افزار معرفی کنیم. برای این کار مطابق تصویر زیر از منوی Define عمل می‌کنیم.

 

دیوار حائل در ایتبس

 

سپس در پنجره بازشده با استفاده از گزینه …Add New یک مقطع دیوار جدید به ضخامت 30 سانتی‌متر تعریف می‌کنیم.

 

تعریف دیوار حائل در ETABS

 

نکته:

  • طبق تجربه در پروژه‌های متعارف با حدود 3 یا 4 طبقه زیرزمین، عدد 30 سانتی‌متر برای ضخامت دیوار، جهت تحمل فشار جانبی خاک جوابگو می‌باشد.
  • نوع المان دیوار حائل (Modeling Type) رو هم با توجه به این‌که این دیوار تحت نیروهای خارج از صفحه قرار می‌گیره و رفتار خارج از صفحه خواهد داشت، از نوع Shell در نظرمی‌گیریم. همچنین چون ضخامت این المان در مقابل سایر ابعادش بسیار کمترهست، یک المان لاغر به حساب میاد و اون رو از نوع Shell-Thin قرار میدیم.

ترسیم دیوار حائل در ایتبس

برای ترسیم دیوار حائل دو روش وجود داره:

  • ترسیم دیوار با استفاده از منوی Draw
  • ترسیم با استفاده از گسترش المان خطی به المان سطحی (منوی Edit)

ترسیم دیوار حائل (روش اول)

برای ترسیم دیوارحائل میتونیم مطابق تصویر زیر از منوی Draw و یا نوار ابزار اون اقدام کنیم.

دیوار حائل در ایتبس

 

سپس مطابق شکل زیر در نمای قاب اقدام به ترسیم دیوارهای حائل در اطراف سازه می‌کنیم.

 

دیوار حائل در ایتبس

 

 ترسیم دیوار حائل (روش دوم با استفاده از گسترش المان خطی به المان سطحی)

برای این کار ابتدا باید در پلان سقفی قراربگیریم که قصد داریم در قسمت زیرین اون سقف، دیوار حائل ترسیم کنیم. یعنی در مثال پروژه ما، باید روی پلان با تراز 2.60- قراربگیریم و تمامی تیرهای پیرامونی این پلان (تیرهای اطراف سازه) رو انتخاب می‌کنیم.

مطابق تصویر زیر از منوی Edit به قسمت Extrude رفته و سپس روی گزینه Extrude Frame to Shell کلیک می‌کنیم. (در واقع قصد داریم یک المان خطی مانند تیر رو در امتدادی که به نرم افزار معرفی می‌کنیم کِش بدیم تا تبدیل به یک المان سطحی مانند دیوار بشه)

ترسیم دیوار حائل در ایتبس

 

در پنجره باز شده به نرم افزار می‌گیم که تیرهای انتخاب شده در تراز 2.60- رو به اندازه اختلاف این تراز تا روی فونداسیون (که عدد 3.30- میشه) کِش بده و تبدیل به یک المان سطحی کنه.

 

گسترش سطحی المان‌های خطی

 

بعد از این که OK می‌کنیم می‌بینیم که این کار به درستی انجام شده و اطراف سازه ما در ترازی که مدنظرمون بود توسط یک المان سطحی (با رنگ قرمز) پوشیده شده است.

 

دیوار حائل چیست؟

 

اختصاص دیوار حائل تعریف شده

در این مرحله دیوارهای ترسیم شده را انتخاب و از منوی Assign دیوارحائل 30 سانتی‌متری (RW30) که در مرحله قبل تعریف کرده بودیم رو بهش اختصاص میدیم. برای انتخاب راحت‌تر می‌تونید از منوی Select گزینه Select By Object Type رو کلیک کرده و سپس مطابق تصویر زیر دیوارها Walls رو انتخاب کنید.

 

دیوار حائل در ایتبس

 

سپس از منوی Assign مقطع RW30 رو به دیوارهای انتخاب شده اختصاص میدیم.

 

اختصاص دیوار حائل

 

ضرایب ترک خوردگی دیوار حائل

در این مرحله بایستی ضرایب ترک خوردگی رو به دیوارهای حائل اختصاص بدیم. مطابق جدول زیر در آیین نامه ACI318-19، ضرایب ترک خوردگی دیوارها (بدون نام بردن از نوع عملکرد دیوار که برشی یا حائل هست) در حالت ترک خورده 0.35 و در حالت بدون ترک خوردگی 0.7 می‌باشد.