طراحی سقف تیرچه بلوک و ضوابط آن

سقف تیرچه بلوک یکی از متداول ترین سقف‌های مورد استفاده می‌باشد. در این مقاله آموزشی با اجزا و جزئیات اجرایی آن اشنا می‌شویم و سپس به کمک نشریه 543 و آیین‌نامه‌ها به طراحی آن می‌پردازیم.

1 اجزای سقف تیرچه بلوک

سقف تیرچه بلوک همانطور که از نامش پیداست، ترکیبی از تیرچه و بلوک می‌باشد. همچنین در این سقف‌ها مصالح دیگری نیز استفاده می‌شود که در حالت کلی اجزای سقف تیرچه بلوک به شرح زیر است:

• تیرچه
• بلوک
• میلگردهای حرارتی
• بتن پوشش
• میلگرد منفی روی تکیه‌گاه
• کلاف افقی

1-1 تیرچه

تیرچه‌ها اعضای پیش ساخته‌ای هستند که معمولا بصورت بتنی یا فولادی استفاده می‌شوند و در دو نوع خرپایی و پیش‌تنیده تولید می‌شوند. این تیرچه‌ها امروزه توسط کارخانه‌ها تولید می‌شود که باید یک سری استاندارهای لازم را داشته باشند.

در زمان های قدیم تیرچه‌های خرپایی توسط خود افراد جوشکاری و بتن ریزی می‌شدند که امروزه تایید نمی‌شود. امروزه خرپای این تیرچه‌ها بصورت آماده هست و بتن ریزی آنها در کارگاه‌ها انجام می‌شود.

1-1-1 خرپای تیرچه‌های بتنی

خرپای تیرچه‌های بتنی در کارخانه‌ها از میلگردهای فولادی زیرین، بالایی و عرضی (زیگزاگ) ساخته می‌شود. سپس آرماتورهای تقویتی لازم به این خرپا اضافه شده و بتن ریزی انجام می‌شود.

2-1 بلوک

برای پرکردن فضای خالی بین تیرچه‌ها از بلوک استفاده می‌شود. بلوک‌های بتنی، سفالی و پلی استایرن از متداول‌ترین نوع بلوک‌های مورد استفاده هستند. این بلوک‌ها نقش سازه‌ای نداشته و صرفا برای پر کردن فضای بین تیرچه‌ها استفاده می‌شود. هرچقدر وزن این مصالح کمتر باشد، وزن سازه کاهش پیدا می‌کند و از طرفی می‌دانیم هر چقدر وزن سازه کمتر باشد، از دید لرزه‌ای شرایط بهتری حاکم است.

3-1 میلگردهای حرارتی

به علت تغییرات دمای بتن خشک شده و همچنین تنش‌های کششی ناشی از منقبض شدن بتن که منجر به ترک خوردن سطح پوشش بتن می‌شود، قبل از بتن‌ریزی میلگردهایی را روی سطح تیرچه‌ها در دو جهت عمود بر هم قرار می‌دهند که حداکثر فاصله بین دو میلگرد 25 سانتی‌متر است.

4-1 بتن پوششی

پس از قرار دادن تیرچه‌ها، بلوک‌ها و آرماتورهای حرارتی در سر جای خود، بتنی با حداقل ضخامت 5 سانتی متر ریخته می‌شود. حال بتن پوششی به لای تیرچه و بلوک‌ها و همچنین آرماتورهای حرارتی نفوذ می‌کند. با پر شدن لای آرماتورهای حرارتی با بتن، عملکرد آن مشابه با یک دیوار برشی می‌شود و می‌تواند بارهای جانبی را به منتقل کند (عملکرد دیافراگمی).

5-1 میلگرد منفی روی تکیه‌گاه

مهندس طراح برای طراحی سقف تیرچه ‌بلوک، فرض می‌کند که تکیه‌گاه تیرچه‌ها به‌صورت تکیه‌گاه ساده و تیرچه‌ها دارای اتصال مفصلی با تیرهای سازه‌ای هستند. طبق این فرض لنگر در ابتدا و انتهای تیرچه‌ها باید صفر باشد.برخلاف این فرض در ابتدا و انتهای تیرچه‌ها به دلیل شرایط اجرایی (محصورشدن در داخل بتن تیر) اندکی گیرداری به وجود می‌آید. بنابراین مقدار 15% لنگر وسط دهانه تیرچه را به‌عنوان لنگر انتهایی در تکیه‌گاه را در نظر می‌گیرند.

6-1 کلاف افقی

جهت تقویت دیافراگم افقی ساختمان در امتداد عمود بر امتداد تیرچه و برای توزیع یکنواخت بار روی سقف تیرچه و بلوک، همچنین در محل هایی که بار منفرد موجود باشد، کلاف میانی بتنی در جهت عمود بر جهت تیرچه ها در سقف تعبیه می شود.

2 ضوابط طراحی سقف تیرچه بلوک

درمورد طراحی انواع سقف‌های تیرچه بلوک در نشریه 543 صحبت شده است. در ادامه اصول کلی تحلیل و طراحی این سقف‌ها را مورد بررسی قرار می‌دهیم. این اصول شامل بارگذاری و ترکیبات آن‌ها، روش‌های طراحی، ضرایب ایمنی و ضوابط کلی مورد استفاده در طراحی اجزای این نوع سقف‌ها می‌باشد.

از آنجایی که سقف تیرچه و بلوک خرپایی از انواع دال‌های با پشت‌بند بتنی است، اصول طراحی این نوع سقف‌ها براساس مبانی اعضای بتنی بوده و ضوابط طراحی مطابق مباحث عنوان شده در آیین نامه‌ی بتن ایران ( آبا) می‌باشد. همچنین در خصوص سقف‌های تیرچه و بلوک با تیرچه‌ی فولادی، طراحی تیرچه بر مبنای رفتار اعضای فولادی و براساس ضوابط طراحی مبحث دهم مقررات ملی می‌باشد.

1-2 طراحی تیرچه‌ی خرپایی در سقف تیرچه بلوک

با توجه به شیوه‌های معمول در اجرای سقف‌های تیرچه و بلوک و با فرض رعایت الزامات عنوان شده در آبا، طراحی تیرچه‌ی خرپایی، مشابه طراحی دال می‌باشد.

ضوابط طراحی تیرچه‌ی خرپایی سقف تیرچه و بلوک، مشابه طراحی یک عضو بتنی تحت خمش و برش بوده که در روند طراحی می‌توان محاسبات لازم را با درنظرگرفتن فرضیات و محدودیت‌های بند 2-3-2-1- نشریه 543 انجام داد. فرضیات به شرح زیر است:

• هر تیرچه و دال بتنی بالای آن، بصورت یک تیر T شکل مجزا در نظر گرفته می‌شود.
• عرض مؤثر بال تیر T شکل، برابر فاصله‌ی محور تا محور تیرچه‌ها است.
• تکیه‌گاه‌های تیرچه‌ها، ساده بوده و بار گسترده در سرتاسر طول آن توزیع شده است.
• تیرچه فاقد نیروی محوری است.
• – از آرماتور فشاری تیر در محاسبات صرفنظر می‌شود.
• در تعیین ظرفیت برشی مقطع، علاوه بر ظرفیت برشی بتن، ظرفیت برشی آرماتورهای عرضی نیز در نظر گرفته می‌شود.

1-1-2 مراحل طراحی سقف‌های تیرچه بلوک

طراحی سقف‌های تیرچه بلوک و تعیین جزئیات آن شامل مراحل زیر می‌باشد.

1-1-1-2 محاسبه بارهای وارد بر سقف

اولین گام در طراحی سقف تیرچه و بلوک، تعیین بارهای وارد بر سقف (شامل بارهای مرده و زنده) مطابق بارهای وارده و ضوابط عنوان‌شده در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان است.

2-1-1-2 ترکیب بارها

با توجه به استفاده از روش طراحی نهایی در طراحی اعضای بتنی، ترکیب بارها به صورت زیر می باشد:

1.4D

1.2D+1.5L

در این ترکیب بارها D نشان دهنده بار مرده و L نشان دهنده بار زنده است.

3-1-1-2 تعیین ضخامت دال بتنی روی بلوک‌ها

دال بتنی روی بلوک‌ها، با توجه به بتن ریزی یکپارچه‌ی سقف، به صورت تیر بتنی غیرمسلح دوسر گیردار بین دو تیرچه طراحی می‌شود.

بر این اساس ضخامت دال بتنی باید به گونه‌ای طراحی شود که تنش کششی حداکثر ایجاد شده تحت بارهای وارده، f_ct، کمتر از مدول گسیختگی بتن f_r، باشد.

f_ct<f_r

در این رابطه f_ct با رابطه زیر تعیین می‌شود:

f_ct=M_u/S

M_u=q_uL²/12

q_u: حداکثر بار وارده بر طول نوار دال روی بلوک به عرض واحد

M_u: لنگر خمشی نهایی تحت بار وارده

L: طول دهانه‌ی دال بتنی روی بلوک

S: اساس مقطع دال بتنی

f_r: مدول گسیختگی بتن

f_ct: تنش کششی ایجاد شده

4-1-1-2 طراحی آرماتورهای تحتانی تیرچه

آرماتورهای تیرچه باید بگونه‌ای طراحی شود که:

M_u≤M_r

که در این رابطه M_r ظرفیت خمشی مقطع بتنی و M_u لنگر خمشی نهایی تیرچه است که با فرض تکیه‌گاه ساده برای تیرچه، مطابق رابطه‌ی زیر محاسبه می‌شود:

در این رابطه، P_u حداکثر بار وارده بر طول تیرچه و L_e طول دهانه موثر می‌باشد.

در تعیین آرماتورهای تحتانی باید به ضوابط زیر توجه شود:

• حداقل تعداد میلگردهای کششی دو عدد بوده و سطح مقطع آن‌ها از طریق محاسبه تعیین می‌شود.
• آرماتورهای کششی باید از نوع آجدار باشد. و استفاده از آرماتورهای با فولاد نوع نیم سخت و سخت توصیه شده است.
• در عمل باید از تطبیق مقاومت آرماتورهای مورد استفاده با مقاومت قید شده در جداول و محاسبات اطمینان حاصل کرد.
• در صورت استفاده از میلگردهای کششی به تعداد بیش از دو عدد، دو میلگرد طولی باید در سر سرتاسر طول تیرچه ادامه یابند. طول مورد نیاز بقیه میلگردها را می‌توان مطابق ضوابط طول آرماتورهای تقویتی محاسبه نمود و آنها را در مقطعی که مورد نیاز نیستند و با در نظر گرفتن محل قطع تئوریک و محل قطع عملی، قطع کرد.
• قطر میلگردهای کششی نباید از 8 میلی‌متر کمتر و از 16 میلی‌متر بیشتر باشد. چنانچه کارخانه تولیدی از روش نقطه جوش مقاوتی برای اتصال میلگردها استفاده نماید، می‌توان قطر میلگردهای کششی را تا میزان حداقل 6 میلی‌متر تقلیل داد. در مورد تیرچه‌هایی که ضخامت بتن پاشنه آن‌ها، 5.5 سانتی متر یا بیشتر باشد، می‌توان حداکثر قطر میلگرد را به 20 میلی‌متر افزایش داد.
• حداقل نسبت آرماتور بکار رفته در تیرچه‌ها مطابق آیین‌نامه بتن ایران (آبا)، از رابطه زیر بدست می‌آید:

محاسبه ρ و ρ_min با در نظر گرفتن عرض جان تیرچه محاسبه می‌شود.

ادامه ضوابط را می‌توانید از نشریه 543 مطالعه نمایید.

5-1-1-2 طراحی آرماتور فوقانی

آرماتور فوقانی تیرچه با توجه به نوع فولاد آرماتور، طول دهانه، فاصله تیرچه‌ها، ارتفاع خرپای تیرچه و ضخامت بتن پوششی و همچنین فواصل جوش‌های میلگرد عرضی تعیین می‌شود.

طبق بند 2-3-2-1-3 نشریه 543، آرماتور فوقانی باید از نوع آجدار باشد. و حداقل قطر میلگرد فوقانی با توجه به جدول زیر تعیین می‌شود.

دقت کنید اگر تیرچه‌ها در کارخانه و با روش نقطه جوش تولید شوند، می‌توان مقادیر جدول را 2 میلی‌متر کاهش داد.

6-1-1-2 محاسبه آرماتور حرارت و جمع شدگی دال بالای تیرچه

به‌منظور مقابله با تنش‌های ناشی از حرارت و جمع شدگی، میلگردها باید مطابق با ضوابط زیر در دال بالای تیرچه تعبیه شود:

• آرماتورهای افت و حرارت در دو جهت عمود بر هم و در قسمت دال فوقانی و در حدود ۲ سانتی‌متر پایین‌تر از سطح دال قرار می‌گیرند.
• حداقل قطر میلگردهای افت و حرارت، ۶ میلی‌متر می‌باشد.
• نسبت سطح مقطع آرماتور حرارت و جمع شدگی به کل سطح مقطع بتن (سطح مقطع دال بالایی( در هر دو امتداد (عمود بر تیرچه و در راستای تیرچه) نباید از مقادیر زیر کمتر اختیار شود:

الف) برای میلگردهای S220 و S300 و S350 آجدار  0.002

ب) برای میلگردهای آجدار S400 و شبکه‌های جوش شده صاف یا آجدار 0.0018

ج) برای میلگردهای آجدار S500 و بالاتر 0.0015

• حداکثر فاصله بین دو میلگرد افت و حرارت در هر دو راستا، ۲۵ سانتی‌متر است
• آرماتور بالایی تیرچه درصورتی‌که داخل دال بتنی بالایی قرار گیرد، می‌تواند به‌عنوان آرماتور افت و حرارت در راستای تیرچه منظور شود. ولی به‌هرحال حداکثر فاصله ذکرشده در بند قبل بین آرماتورهای حرارتی باید رعایت گردد.
• با وجود طرح تیرچه‌ها با فرض تکیه‌گاه ساده، لازم است تا آرماتور منفی معادل ۱۵ درصد سطح مقطع آرماتورهای کششی وسط دهانه، در روی تکیه‌گاه اضافه شود. این میلگردها حداقل تا فاصله 1/5 (یک پنجم)  دهانه آزاد از تکیه‌گاه به‌طرف داخل دهانه ادامه می‌یابند.

7-1-1-2 طراحی کلاف میانی

نیاز یا عدم نیاز به کلاف میانی، با توجه به بارهای وارده تعیین می‌گردد. در صورت لزوم تعبیه کلاف میانی، مشخصات کلاف میانی مطابق با ضوابط زیر می‌باشد:

• عملکرد کلاف میانی، جلوگیری از پیچش تیرچه‌ها و همچنین توزیع یکنواخت بار روی سقف تیرچه و بلوک است. همچنین در محل‌هایی که بار منفرد وجود داشته باشد، کلاف میانی اجرا می‌شود.
• جهت کلاف میانی عمود بر تیرچه‌ها می‌باشد. حداقل عرض کلاف میانی برابر عرض بتن پاشنه‌ی یک تیرچه و ارتفاع آن برابر ارتفاع سقف خواهد بود.
• میلگردهای کلاف میانی حداقل یک عدد در بالا و یک عدد در پایین آن تعبیه می‌شوند. این میلگردها آجدار بوده و حداقل قطر آنها 6 میلی متر باشد.
• در صورتی که بار زنده سقف کمتر از 350 کیلوگرم بر متر مربع و طول دهانه‌ی موثر کمتر از 4 متر باشد، نیازی به تعبیه کلاف میانی نیست. ولی در این حالت اگر طول دهانه بیش از 4 متر باشد، یک کلاف میانی در سقف تعبیه می‌شود. حداقل سطح مقطع آرماتورهای طولی این کلاف، برابر نصف سطح مقطع آرماتورهای کششی وسط دهانه‌ی تیرچه‌ها می‌باشد.
• در صورتی که بار زنده سقف بیش از 350 کیلوگرم بر متر مربع و طول دهانه‌ی موثر کمتر از 4 متر باشد، یک کلاف میانی مورد نیاز است. در این حالت برای طول دهانه‌ی 4 تا 7 متر، دو کلاف میانی و برای دهانه‌ی بیش از 7 متر، 3 کلاف میانی اجرا می‌شوند. حداقل سطح مقطع آرماتورهای طولی هر کلاف، برابر سطح مقطع آرماتورهای کششی وسط دهانه تیرچه‌ها می‌باشد.
• در صورتی که بار منفرد سبک روی سقف وارد شود، باید توسط کلاف‌های میانی مناسب بار وارده را روی تیرهای T شکل پخش نمود.

8-1-1-2 تعیین آرماتور منفی

با وجود طرح تیرچه‌ها با فرض تکیه‌گاه ساده، لازم است تا آرماتور منفی معادل 15 درصد سطح مقطع آرماتورهای کششی وسط دهانه، در روی تکیه‌گاه اضافه شود. این میلگردها حداقل تا فاصله‌ی 1/5 (یک پنجم) دهانه آزاد از تکیه‌گاه به طرف داخل دهانه ادامه می‌یابند.

این صفحه آموزشی در حال تکمیل می‌باشد.