چکیده

هنگامی که دال بتنی سقف توسط تیر فولادی تحمل می شود و هیچگونه اتصالی برای انتقال  برش بین دال بتنی و تیر فولادی جود نداشته باشد،دال بتنی و تیر فولادی به صورت غیر مرکب رفتار می نمایند.لذا استفاده از تیر های مرکب که در انها تیر فولادی و دال بتنی با وسایل و تمهیدات مناسب به یکدیگر متصل شوند باعث افزایش ظرفیت باربری می گردند.

یکی از سیستم ها با عملکرد مرکب تیر فولادی و دال بتنی سقف مرکب عرشه فولادی است تفاوت بارز این سیستم با سقف های مرکب  رایج وجود عرشه فولادی است که علاوه بر نقش قالب باربر و ماندگار به عنوان ارماتور کششی(ممان مثبت)تحتانی  دال بتنی عمل می کند.در ضمن ارتقائ کیفیت سقف از لحاظ لرزش ،مقاومت در برابر اتش سوزی و سرعت فوق العاده اجرا از دیگر مزایای این سیستم می باشد..هدف از این تحقیق برسی و شناخت بیشتر سقف عرشه فولادی از جنبه های مختلف فناوری،طراحی و محاسبات ،تولید و اجرا و همچنین مقایسه این سیستم با سایر سیستمهای سازه ای می باشد.

برای سالهای متمادی هنگام استفاده از سیستم دال بتنی متکی بر تیر های فولادی ،بین تیرهای فولادی و دال هیچگونه اتصالی برای انتقال برش در نظر گرفته نمی شد.در سالهای اخیر استفاده از تیرهای مرکب که در انها تیر فولادی و دال بتنی با وسایل و تمهیدات  مناسب به یکدیگر متصل می شوند رواج زیادی یافته است.تیرهایی که عملکرد بتن دال وتیر فولادی در انها به صورت توام و مرکب است دارای ظرفیت باربری بیش از 30 درصدتیر مشابه با عملکرد غیر مرکب است.در مجموع با استفاده از تیرهای مرکب که از ترکیب رفتار یک ماده فلزی با یک ماده غیر فلزی حاصل می شود می توان تا حد امکان از خواص و مزایای فولاد نظیر مقاومت بالا،شکل پذیری مناسب حداکثر استفاده را به عمل اوردومعایب ان نظیر ضعف در مقابل انواع کمانش ها ،خوردگی واتش سوزی را به کمک پوشش بتن تا حدودی مرتفع نمود.در ضمن کاربرد تیر های مرکب در پوشش سقف ها موجب صرفه جویی در مصرف فولاد ،کاهش عمق تیر،وافزایش استحکام سقف در مقابل بارهای وارده می شود.در دهه های اخیر نیاز به سرعت بیشتر باعث پیشرفت های علمی و کاربردی مصالح و تجهیزات ساختمان گردیده است .لذا مهندسین ساختمان با همکاری دیگر کارشناسان به طور مستمر در حال برسی و پیشنهاد سیستم های جدید سازه ای و راهکارهای بهینه سازی کیفی و کمی پروژه ها می باشند.یکی از این سیستم ها استفاده از عرشه فولادی جهت سقف های مرکب می باشد که در ضمن ارتقاء کیفیت سقف از لحاظ لرزش ،مقاومت در برابر اتش سوزی وافزایش رفتارهای مرکب دارای سرعت فوق العاده اجرا نیزمی باشد که در پروژه های بزرگ باعث کاهش هزینه های جاری و تمام شده و رسیدن به اهداف پروژه را با سرعت بیشتری میسر می سازد.

سقف مرکب عرشه فولادی از اجزای :عرشه فولادی،گلمیخ های فولادی و دال مسلح بتنی تشکیل یافته است که بر روی شبکه تیر اصلی و فرعی فولادی قرار می گیرد.این سقف در ایین نامه فولاد ایران(مبحث 10 مقررات ملی ساختمان)تحت عنوان مقاطع مختلط با استفاده از ورق های ذوزنقه ای معرفی شده است.همچنین الزامات این فناوری در مرکز تحقیقات مسکن با عنوان سیستم دال و مرکب فولادی-بتنی تدوین شده است.معیارهای طراحی وانتخاب عرشه فولادی بر اساس :دهانه های مجاز باربری دال-عرشه،عملکرد مرکب با دال بتنی ،میزان بار مرده ناشی از بتن مصرفی دال روی عرشه،مقاومت در برابر اتش سوزی ،میزان خاصیت اکوستیک و در نهایت صرفه اقتصادی سقف است.از همین رو به منظور براورده کردن مقاصد طراحی،عرشه فولادی در انواع گوناگون از حیث:شکل،مقطع پروفیل عرشه،مشخصات هندسی و مکانیکی توسط تولید کنندگان این صنعت در کشورهای پیشرفته تولید و عرضه می گردد.(مبحث دهم مقررات ملی ساختمان)

 

ورق های فولادی

ورق های گالوانیزه فولادی با ضخامت 8تا 1.2 میلیمتر اساسی ترین مصالح سقف عرشه فولادی می باشد که به وسیله ماشین الات رلفرمینگ به روش نورد سرد به اشکال با مقطع ذوزقه در امده و اج زده می شود.عرشه فولادی با مقطع ذوزنقه ای شکل اجدار به عنوان یک قالب خود ایستا و ماندگار مورد استفاده قرار می گیرد و با بتن به صورت مشترک نقش سازه ای ایفا می کند که باعث افزایش فاصیه بیت تیرهای فرعی تا 4 متر بدون شمع بندی می گردد.با حد اقل مقاومت جاری شدن BS1449-G43/25 ورقهای گالوانیزه منطبق با استاندارد در دو طرف ان برابر 275 گرم برzn 2500 کیلو گرم بر سانتیمترمربع ساخته می شوند که وزن لایه روی متر مربع می باشد.

 

برشگیر

برشگیرها در واقع از مهمترین اجزای سقف عرشه فولادی هستند که باعث انتقال نیروی برشی در محل اتصال بتن و فولاد و در نهایت عملکرد مرکب تیر می شوند.برشگیرهای مورد استفاده در سقف های عرشه فولادی عبارت اند از:

الف)برشگیر از جنس گالوانیزه حداقل 2 میلیمتر و نصب توسط تفنگ میخکوب

ب)گل میخ های فولادی با قطر 20 میلیمتر و نصب توسط جوش قوس الکتریکی

ارماتور

مقاومت در برابر لنگر منفی در دهانه های ممتد و کنسول ها

وجود بارهای متمرکز یا بازشو

ارماتور افت و حرارت

مقاومت کششی در برابر لنگر مثبت در صورتی که از عملکرد کششی ورق فولادی صرف نظر شود.

ارماتور بندی

ارماتور بندی تنها جهت جلوگیری ازترک سقفهای مرکب عرشه فولادی دارای تکیه گاه ساده تک دهانه ،می باشد.

بتن

مقاومت فشاری بتن مورد استفاده با توجه به نوع بتن می تواند از 200-300کیلوگرم بر سانتیمتر مربع متغیر باشد،که با توجه به نوع بارگذاری و مشخصات دهانه تعیین خواهد شد.در هنگام محاسبه مشخصات مقطع می بایست به جهت کنگره های ورق فولادی نسبت به تیر سازه ای موجود دقت نمود زیرا در صورت عمود بودن کنگره ها بر تیر های سازه ای باید از بتن موجود در زیر سطح فوقانی ورق ذوزنقه ای صرف نظر نمود.

بازشوها

بازشوها در سقف های عرشه فولادی به سه دسته تقسیم می شوند:

1-بازشوهای کوچک که ابعاد انها کمتر از300 میلیمتر بوده و به طور معمول نیازی به تقویت اضافی دور انها وجود ندارد.

2-بازشوهای متوسط که ابعاد انها بین 300تا700 میلیمتر بوده و بایستی میلگرد تقویتی در دور انها اجرا نمود.

3-بازشوهای بزرگ که ابعاد انها بیشتر از 700 میلیمتر بوده  در این حالت با تیرریزی مناسب در دور انها بایستی ایستایی لازم را ایجاد نمود.

طراحی و محاسبات

با انتخاب عرشه مناسب و محاسبه دال عرشه بر اساس ضوابط ایین نامه ای علاوه بر براورد سازی خواسته های فنی و مهندسی می توان تا حد مطلوبی به طرح اقتصادی وبهینه سقف دست یافت.حداکثر دهانه مجاز دال عرشه توسط پارامترهای طراحی شامل:ضخامت عرشه،حالت دهانه (ساده یا ممتد)ضخامت دال بتنی ،عملکرد مرکب عرشه،مقاومت در برابر اتش سوزی و مقادیر بارهای مرده و زنده سقف تعیین می گردد.از انجا که این بخش از محاسبه سقف توسط برنامه های رایج محاسباتی قابل انجام نمی باشد لذا معمولا کنترل کفایت دال عرشه به صورت دستی صورت می پذیرد.اصولا دو روش کلی برای طراحی این نوع سقف وجود دارد

الف)ورق های فولادی به عنوان قالب ماندگار

ب)ورق های فولادی به عنوان المان کششی

ورق های فولادی به عنوان قالب ماندگار

در این روش طراحی از قابلیت مقاومت ورق فولادی در مقطع صرفنظر می شود.به عبارت دیگر به ورق فولادی صرفا به عنوان یک قالب نگاه می شود که می بایست قادر به تحمل بارهای زنده موجود تا مرحله بتن ریزی و همچنین وزن بتن خیس و خشک باشد که پس از گیرایی بتن تا پایان عمر ساختمان در کار باقی می ماند.در چنین حالتی سقف به عنوان یک دال بتنی مسلح انگاشته می شود.این روش طراحی موجب می شود تا مقدار ارماتور محاسباتی مقطع بیشتر شود زیرا می بایست به جای ورق فولادی نیز در عمل کشش مقطع شرکت نماید که معمولا این ارماتورهای کششی در کف کنگره ها قرار می گیرند و به انها ارماتور طولی نیز می گویند.

ورق های فولادی به عنوان المان کششی

در این روش ورق های فولادی به عنوان المان کششی در نظر گرفته شده و مقطع حاصله به صورت مرکب عمل می کند.در این حالت درگیری بتن و ورق فولادی به اندازه کافی هس که در حین مقاومت در برابر لنگرها و برش های موجود با یکدیگر عمل کرده و دچار لغزش نسبت به هم نشوند.طراحی با استفاده از این فرضیات اقتصادی ترین حالت سقف را به دست می اورد.

الزامات سیستم دال مرکب فولادی-بتنی

-ارتفاع ورق های فولادی ذوزنقه ای در این مقاطع به 75میلیمترمحدود می شود

-ضخامت دال بتن ارمه در بالای کنگره ورق ذوزنقه ای نباید از 50 میلیمتر کمتر باشد.

-حداکثر تغییر مکان مجاز ناشی از بار زنده به (360/طول دهانه)محدود می شود.

-حداکثر تغییر مکان مجاز ناشی از بار مرده و زنده (240/طول دهانه)محدود می شود.

-تامین ضوابط دیافراگم صلب با توجه به ضوابط موجود در استاندارد 2800 ایران

-رعایت الزامات مربوط به بازشو در سقف ها،بر اساس مبحث نهم مقررات ملی ساختمان

-رعایت ضوابط طراحی برشگیرها

-قطر گل میخ ها ی برشگیر باید 20 میلیمتر یا کمتر بوده و حداقل ارتفاع انها بعد از نصب ،که از بالای ورق ذوزنقه ای اندازه گیری می شود نباید کمتر از 40 میلیمتر باشد.

-رعایت ضوابط مبحث سوم مقررات ملی ساختمتن در خصوص حفاظت ساختمانها در برابر حریق و همچنین الزامات نشریه شماره 444 مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن مربوط به مقاومت جداره ها در مقابل حریق با در نظر گرفتن تعداد طبقات ،ابعاد ساختمان،کاربری و وظیفه عملکردی عنصر ساختمانی

-صدا بندی هوابرد و کوبهای سقف بین طبقات مطابق با مبحث هجدهم مقررات ملی ساختمان

-رعایت الزامات مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان جهت صرفه جویی در مصرف انرژی

تئوری رفتار تیرهای مرکب

رفتار تیرهای مرکب مانند سایر اعضای خمشی است که در انها با تقریب بسیار خوبی صفحات عمود بر محور تیر پس از عمود بر محور تیر و به صورت مسطح باقی می مانند.تنها تفاوت تیرهای مرکب با تیر های معمولی ساخته شده از یک جنس ،رفتار و عملکرد توام فولاد و بتن است چنانچه دال بتنی و تیر فولادی هر یک به صورت مجزا در تحمل بارهای وارده عمل کنند انگاه فرض مسطح ماندن صفحات عمود بر محور تیر پس از خمش منجر به توزیع کرنش خطی در هر یک از قسمتهای بتنی و فولادی تیر خواهد شدشکل شماره 1 رفتار تیری را که دارای مقطع فولادی و دال بتنی است را نشان می دهد که هیچگونه اتصالی در محل تماس فولاد و بتن وجود ندارد و از اصطکاک جزئی در محل تماس نیز صرفنظر شده است.

شکل شماره 9 تغییر شکل خمشی تیر را با توجه به عملکرد غیر مرکب ان بصورت اغراق امیز نشان می دهد این رفتار موجب بروز کرنش خواهد شد.به عبارت دیگررفتار خمش دال بتنی و تیر فولادی کاملا از یکدیگر مستقل بوده و هر یک از قسمتهای فولادی و بتنی دارای یک تار خنثی جداگانه هستند که موجب توسعه تنشهای فشاری و کششی در هر یک از نواحی بتن و فولاد به صورت جداگانه می شود.در حالت رفتار غیر مرکب در محل اتصال بتن و فولاد لغزش رخ می دهد.و فقط نیروهای فشاری عمود بر بال تیر اهن و نیز دال بتنی پدید می اید. با توجه به تعادل نیروهای فشاری و کششی در هر یک از قسمتهای بتن و فولاد برای لنگر خمشی که تیر می تواند تحمل کند داریم چنانچه تیر ساخته شده از فولاد و بتن بصورت یکپارچه و با رفتار مرکب عمل کند،انگاه تغییر شکل خمشی تیر پس از اعمال بارهای وارده در این حالت قسمت فوقانی تیر مرکب تحت فشار و ناحیه پایینی تحت کشش قرار می گیرد و تیر تنها دارای یک محور خنثی خواهد بود و توزیع کرنش در عمق تیر در حالت رفتار توام ومرکب بتن و فولاد هیچگونه لغزشی در محل اتصال دو ماده رخ نمی دهد و لنگر خمشی که تیرمی تواند تحمل کند از رابطه زیر بدست می اید.

چون نیروی کششی و فشاری و نیز بازوی لنگر در این حالت از حالت عملکرد غیر مرکب تیر بزرگتر است لذا لنگر خمشی که تیر در حالت عملکرد مرکب می تواند تحمل کند بیشتر از لنگر خمشی است که تیر در حالت عملکرد غیر مرکب می تواند حمل نماید در نتیجه عملکرد مرکب بتن و فولاد موجب افزایش ظرفیت باربری تیر خواهد شد.در پایان ذکر این نکته ها ئز اهمیت است که در صورت عملکرد تیر به صورت مرکب ،ممان اینرسی و اساس مقطع تیر با توجه به محور خنثی محاسبه می شود که مقادیر انها در این حالت ب مراتب از حالت رفتار تیر با عملکرد غیر مرکب بیشتر است.

مقایسه سقف عرشه فولادی با سقف تیرچه بلوک

 

مزایای سقف عرشه فولادی

-حذف قالب بندی و شمع بندی

-حذف میلگرد های کششی با جایگزین کردن ورق عرشه فولادی

-حذف 75 درصدی تیرهای فرعی در مقایسه با سقف کامپوزیت سنتی

-تامین ایمنی کارگاه و حداقل فضای دپو

-امکان اجرا و بتن ریزی همزمان کلیه سقفها

-بازگشت سریع سرمایه به علت سرعت در اجرا و رفع نقطه بحران در نمودار زمان بندی اجرای ساختمان

-تحمل بارهای حین اجرا (مورد استفاده به عنوان یک سطح وسکوی کاری)

-کاهش ضخامت سقف

-امکان شکل دهی وتعیین موقعیت دقیق داکتهای تاسیساتی

-استفاده از گل میخ های ذوبی منطبق با استانداردهای بین المللی و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان جایگزین برشگیرهای ناودانی و نبشی

-استفاده از تکنولوژی و ماشین الات روز اروپا همراه با شیوه نوین نصب صنعتی

– بار مرده کمتر در مقایسه با سایر سقفها

-عملکرد مرکب کافی با بتن بدلیل استفاده از دندانه ها ،برجستگی ها و شکل خود پروفیل عرشه فولادی

-عملکرد مناسب در محیط با خورندگی بسیار بالا و اسیدی

-تثبیت تیرها در برابر کمانش جانبی

-عدم نیاز به سقف کاذب در پروژه هایی نظیر پارکینگ ها،مکان های ورزشی و سازه های صنعتی به دلیل ایجاد سطحی یکنواخت با ظاهری زیبا و درخشنده  و یا استفاده از ورقهای رنگی مطابق نظر کارفرما

-عمر مفید طولانی بدلیل استفاده از ورق گالوانیزه

-نسبت به سایر سقفها بدلیل وجود pro deck کاهش قابل ملاحظه لرزش در سقف

-ایجاد دیافراگم صلب صفحه ای در مقایسه با سایر سیستم های سقفی مرسوم

-افزایش 11 برابری سرعت اجرا نسبت به سایر سیتم های سقفی مرسوم