علاوه بر مرور انواع متداول سقف ها با مقطع مختلط قصد داریم سیستم سقف سازه ای جدیدی از این مقطع با نام USFB ها که دارای ارتفاع کم هستند و قادر به پوشش دهانه های بزرگ است را بررسی کنیم.

این سیستم شامل یک تیر سلولی نا متقارن با عمق کم است و به گونه ای طراحی شده است که اجازه می دهد تا بر خلاف سقف های عرشه فولادی سنتی، عرشه بر روی بال پایینی تیر بنشیند. USFBها انعطاف پذیر ترین، کاربردی ترین و اقتصادی ترین روش ساخت تیر های کار آمد فولادی هستند.

بررسی سقف های مختلط فوق کوتاه USFB و عرشه فولادی

ساخت سازه ها با استفاده از مصالح مختلط (کامپوزیت) بیشتر در ساختمان های بلند مرتبه کاربرد دارد که در سال های اخیر استفاده از آن ها ترویج یافته است.

علت افزایش کاربرد این مصالح  دست یافتن به مقاومت و سختی بالای این مواد با حداقل استفاده از مواد مصرفی است.

دلیل محبوبیت و موفقیت استفاده از مواد مختلط کامپوزیتی این است که بتن در فشار، بر خلاف کشش عملکرد مناسبی داشته و فولاد نیز قابلیت کششی قابل توجهی دارد. همچنین ورق های نازک فولادی در برابر فشار، پتانسیل کمانشی بالایی از خود نشان می دهند و با استفاده هم زمان هر دو مصالح و بهره وری از  مقاومت های مطلوب آن ها می توان به یک طرح کارآمد و سبک دست یافت.

به علت وزن کم المان های مختلط، نیروهای اعمالی آن ها به المان های تکیه گاهی، از جمله فنداسیون ها کاهش چشم گیری می یابد.

علاوه بر این، سیستم های کامپوزیت دارای سرعت اجرای بالایی هستند. همچنین کاهش عمق سقف ها که با استفاده از مصالح مختلط حاصل می شود، باعث کاهش هزینه ها می شود.

 تمرکز این مقاله از بین مقاطع مختلط بر روی تیر ها و سقف های مختلط است. 

بررسی نحوه عملکرد مقاطع مختلط

توزیع تنش پلاستیک در یک تیر که به صورت مختلط با یک سقف کامپوزیت عمل می کند، در شکل زیر نشان داده شده است. با توجه به نسبت بین مقطع فولادی و عرشه بتنی، در اکثر مواقع تار ختثی پلاستیک در بتن قرار می گیرد. بنابراین، کل فولاد در کشش قرار خواهد گرفت. همانطور که گفته شد بتن ماده ای است که عملکرد خوبی درفشار دارد اما مقاومت آن در کشش قابل صرفه نظر کردن می باشد. بنابراین برای مقاصد سازه ای بتن برای باربری کششی به فولاد وابسته است و یا می بایست از نوع پس کشیده باشد که حتی اگر تحت کشش قرار بگیرد المان بتنی تحت فشار خالص قرار بگیرد.

به جهت این که بتن تحت فشار و فولاد تحت کشش قرار بگیرد، هر دو قسمت می بایست به صورت سازه ای به یکدیگر متصل شوند و برای تیر ها این مهم توسط برشگیر ها انجام می شود که به بال بالایی تیر فولادی متصل می شوند.

پروفیل عرشه فولادی که زیر بنای سقف عرشه فولادی را تشکیل می دهد، بین برشگیر ها و بال بالایی قرار می گیرد و در یک فرآیند جوشکاری هر سه المان به هم متصل می شوند.

هنگامی که یک تیر با اتصالات
برشی کامل طراحی می شود، بدین معناست که تعداد کافی از برشگیر ها وجود دارند که این
امکان را فراهم سازند که یا مقطع  بتنی به صورت کامل در فشار تسلیم شود و یا فولاد
به صورت کامل در کشش به تسلیم برسد.

تعداد کاهش یافته ای از  برشگیر ها نیز می توانند استفاده شوند که منجر به اتصال برشی ناقص می شود. معمولا هنگامی این کار انجام می شود که میزان نیروی اعمالی کم باشد. به عنوان مثال می توان به طراحی یک تیر در مرحله اجرا و با ملاحظات بهره برداری اشاره نمود. اگر چه آیین نامه ها یک مقدار حداقل را برای برشگیر ها در نظر می گیرند تا از لغزش بیش ازحد بین فولاد و بتن که منجر به تسلیم آن ها  می شود، جلوگیری کنند.

مزیت ترکیب سازه ای فولاد و بتن، افزایش مقاومت تیر است که معمولا  ضریب این افزایش برابر با 2 می باشد. ممکن است که سختی نیز با ضریبی برابر با 3 افزایش یابد. این مزایا با افزایش طول دهانه کاهش می یابند، به طوری که اندازه مقطع تیر با افزایش طول دهانه افزایش می یابد.

اجزای یک تیر مختلط بررسی شد و شایان ذکر است که قوانین مشابهی برای دال ها و ستون های کامپوزیتی نیز حاکم است. در سقف های کامپوزیتی، از پروفیل های عرشه فولادی به جای مقاطع فولادی استفاده می شود و نیرو ها از طریق هندسه خاص این عرشه های فولادی (به جای برش گیرهای پراکنده) منتقل می شوند.

یک ستون کامپوزیت می تواند لوله فولادی توخالی باشد که با بتن پر می شود و یا یک مقطع فولادی باشد که در بتن مدفون می شود. که نیرو از طریق اصطکاک بین مصالح انتقال یافته و یا هر کجا که لازم باشد از اتصالات مکانیکی شامل برشگیر ها که ممکن است به مقطع فولادی مدفون شده متصل شده باشند، استفاده می شود.

دقت شود که در تمامی روش های ساخت مقاطع مختلط، طراح نباید مراحل ساخت را فراموش کند.

با فرض این که تکیه گاه های موقت وجود ندارند، قسمت فولادی مقطع کامپوزیتی می بایست به تنهایی در غیاب عملکرد بتن که هنوز در این مرحله توانایی باربری ندارد وزن خود و سایر بار های اجرایی را تحمل کند.

در این صورت نه تنها مقطع از مقاومت کمی برخوردار است، بلکه باید موضوع ناپایداری را مد نظر قرار داد.

هنگامی که مقطع به صورت کامپوزیتی عمل می کند، بال بالایی مقطع به صورت جانبی توسط دال بتنی مهار شده است. اما در حین اجرا کمانش پیچشی- جانبی ممکن است منجر به کاهش مقاومت موثر مقطع فولادی شود. تنها هنگامی که عرشه به صورت جانبی تعبیه شده باشد و به صورت مناسب استقرار یافته باشد، از کمانش پیچشی - جانبی جلوگیری می شود.

انواع مختلف تیر های کامپوزیتی

سه نوع کلی از تیر های کامپوزیتی در زیر بررسی شده است. موضوعات خاص حاکم بر هر پروژه بر روی انتخاب سیستم مناسب سقف موثر خواهد بود.

تیر های آویز

رایج ترین نوع تیر های مختلط تیری است که دال کامپوزیت بر روی آن استقرار می یابد که توسط برشگیرهای جوشی، اتصال بین آن ها بر قرار می شود. این نوع اجرا دارای مزایای متعددی است. عرشه های فولادی در سقف های کامپوزیت نقش آرمه (فولاد مسلح کننده) بیرونی را در مرحله مختلط بازی می کند و در مرحله اجرا نیز به عنوان قالب و سکوی کار عمل می کند. همچنین در حین اجرا ممکن است قید جانبی را برای تیر فراهم کند. عرشه ها ممکن است به صورت دسته ای، به محل اجرا برده شوند و سپس به صورت دستی روی سقف توزیع شوند. این کار در مقایسه با گزینه پیش ساخته تعداد دفعات استفاده از جرثقیل را کاهش می دهد.

نوع دیگر تیر های مختلط، سقف بتنی پیش ساخته است که بر روی بال بالایی تیر قرار می گیرد. طول دهانه موثر برای این نوع از مقطع در بازه 6 تا 12 متر می باشد. این مسئله این سقف را در رقابت با تعدادی از سقف های بتنی قرار می دهد. در هنگام استفاده از واحد های سقف پیش ساخته، جزئیات ویژه ای برای برشگیر ها مورد نیاز است تا قسمتی از بدنه این واحد های پیش ساخته بتواند به عنوان قسمتی از بال فشاری بتنی بسیج شود.

 سقف های مختلط با عمق کم برای پوشش دهانه های با طول بیشتر

سقف های کوتاه مزایای متعددی دارند. از جمله از این مزایا می توان به کمینه کردن ارتفاع کلی ساختمان برای تعداد طبقات مشخص و یا بیشینه کردن طبقات ساختمان برای یک ارتفاع مشخص اشاره نمود. علاوه بر این در قسمت زیرین سقف یک سطح صاف ایجاد می شود و گسستگی هایی که توسط تیرهای آویز ایجاد می گردد، وجود ندارد که این امر آزادی کاملی را برای توزیع برخی سرویس ها در زیر سقف تسهیل می بخشد. این مزایا می بایست برای یک پروژه معین بررسی گردد تا مشخص شود که چه زمانی آن ها مناسب هستند.

کوتاهی سقف ها با جاگذاری عرشه ها و تیر ها در یک زون حاصل می شود. که این مهم با استفاده از تیر های نا متقارن که بال پایینی آن ها دارای عرض بیشتری نسبت به بال بالایی است و باعث می شود بتوان عرشه را بر روی سطح بالایی بال پایینی با تحمل کافی به جای سطح فوقانی بال بالایی تیر های آویز نورد شده قرار داد، حاصل می شود. سقف می تواند به صورت سقف بتنی پیش ساخته بوده و یا به صورت سقف کامپوزیتی با عرشه های فولادی باشد. یک مزیت مضاعف سقف های کوتاه این است که به صورت ذاتی تعامل مختلط بین تیر ها و دال حاصل شده و کارآمدی سازه بهبود می یابد.

اجزای به کار رفته در سقف عرشه فولادی  به همراه ضریب ریالی

چندین نوع از سقف های با عمق کم وجود دارند که متشکل از تیرهای بسیار کوتاه  USFB که توسط [Kloeckner Westok]  ابداع شده و هم چنین سقف های نازک که توسط  [ArcelorMittal’s] ابداع شده است، می باشد. سیستم USFB شامل تیر های سلولی (حفره دار) نا متقارن [Westok] با تقویت های فولادی که از میان حفره ها سقف را به تیر قلاب می کند.

تیر های فوق کوتاه :USFB  Ultra Shallow Floor Beams

 تیر USFB استانداردی وجود ندارد، بلکه همانند سایر تیر های متداول با افزایش تدریجی ارتفاع پروفیل به اندازه 1 میلی متر موجود می باشند و نیازمند فراهم سازی پر هزینه ورق های اضافی و مقاطع نبشی که بخواهند به این مقاطع جوش شوند تا  مقطعی کارآمد را بسازند، ندارد. شاید USFB ها انعطاف پذیر ترین، کاربردی ترین و اقتصادی ترین روش ساخت تیر های کار آمد فولادی هستند. 

تیر شامل یک تیر سلولی نا متقارن با عمق کم است و به گونه ای طراحی شده است که اجازه می دهد تا عرشه بر روی بال پایینی آن بنشیند. عرشه ها می توانند ار نوع عرشه فولادی های سنتی، عرشه فولادی های با دهانه های بزرگ تر و عمق بیشتر، و یا از انواع  عرشه های بتنی پیش ساخته باشند.

اندازه یا ارتفاع USFB استانداردی وجود ندارد. هر تیر به گونه ای طراحی می شود که ضوابط کاربرد آن را اغنا کند. سلول ها می توانند برای عبور ارماتور ها استفاده شوند.

کنش یا عملکرد کامپوزیتی پلاگ (plug) می تواند برای  USFB ها بسیج گردد که افزایش ظرفیت مقطع در آزمایشات با مقیاس واقعی توسط این کنش تایید شده است. برای بر انگیختن و  بسیج شدن این کنش جزییات زیر می بایست رعایت گردد.

• سقف کامپوزیت با عرشه فولادی : تراز بتن ریزی هم تراز یا تا بالای بال بالایی تیر.
• سقف های پیش ساخته متداول: حداقل 50(mm) تراز رویه هم تراز یا تا بالای بال بالایی  تیر.
• سقف بتنی میان تهی: هسته ها یکی در میان به سمت بیرون باز شده و با بتن پر میشوند و نهایتا توسط میلگرد از درون هسته ها مسلح می گردند.
• دال های تو پر در جا: تراز بتن ریزی هم تراز یا تا بالای بال بالایی.

USFB ها می توانند یه صورت اقتصادی تا 10 متر را بپوشانند و عمق سازه ای آن ها به صورت مشابهی با سقف های بتن مسلح مقایسه می گردد. بنابراین، این سقف ها در بسیاری قسمت ها به ویژه در ساختمان های آموزشی، تجاری، و مسکونی به صورت متداول استفاده می شوند.

سقف های مختلط عرشه فولادی

سقف های کامپوزیتی  شامل بتن مسلح در جا روی پرفیل های عرشه فولادی است که در حین اجرا به عنوان قالب عمل می کنند و در مرحله نهایی عملکرد آن ها به صورت فولاد مسلح کننده بیرونی می باشد. مطابق با تصاویر، عرشه ها می توانند یا به صورت مقعر و یا به صورت ذوزنقه ای باشند. عرشه های ذوزنقه ای ممکن است بیش از 200 میلی متر عمق داشته باشند که در این حالت از آن ها به عنوان عرشه گذاری عمیق اطلاق می شود. میلگرد های ارمه مضاعف ممکن است در سقف ها به ویژه در  سقف های عمیق جاگذاری شوند. میلگردهای ارمه مضاعف ممکن است برای سقف های با عمق کم هنگامی که با ترکیب بار های سنگین و تناوب بالای مواد مقاوم در برابر اتش قرار می گیرند، نیز استفاده شوند.  

عکس زیر هندسه یک عرشه ذوزنقه ای متداول را نشان می دهد. ورق فولادی گالوانیزه شده است و ممکن است دارای ضخامت متغیر باشد. اگر چه ضخامت 1میلی متر بیشتر رایج می باشد. با توجه به اینکه بسیار لاغر است، هنگامی که به عنوان یک مقطع فولادی منفرد برای تحمل بار ناشی از بتن خیس و سایر بارهای اجرا به کار می رود،  برای اجتناب از کمانش موضعی نیاز به سخت کننده دارد. سخت کنننده های مقعر که در بالای عرشه نشان داده شده اند نه تنها به عنوان عامل ایجاد سختی برای بال بالایی محسوب می شوند، همچنین می توانند به عنوان تکیه گاه قلاب ها برای آویز های سقف با وزن نسبتا کم استفاده شوند. هم بستگی یا چفت شدن توسط شیار هایی که در پروفیل عرشه ایجاد شده است و توسط گیر انداختن بتن در بین قسمت های مقعر پروفیل، فراهم می شود. پروفیل های عرشه استانداردی وجود ندارند و تعاملی که توسط شیار های هر یک از عرشه ها حاصل می شود متفاوت است و توسط آزمایشاتی که تولید کننده مشخص می کند، تهیه می گردد.

مطالب مرتبط: