آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله : استاندارد 2800 (ویرایش چهارم) | پ ۶-۲- در نظر گیری اثر میانقابی دیوار در ساختمان

پ ۶-۲-۱- مقدمه

طبق بند 1-5-8 این استاندارد، دیوارهای داخلی و نماها باید طوری اجرا شوند که تا حد امکان مانعی برای حرکت اجزای سازه ای در زمان زلزله ایجاد نکنند. بخش اول این پیوست راهکارهایی در این زمینه ارائه داده است. در صورتی که دیوارها از قابهای پیرامونی خود جدا نشوند لازم است اثر اندر کنش این اعضا با سیستم سازه ای در تحلیل و طراحی سازه لحاظ شود که در این بخش راهکارهایی برای این منظور ارائه شده است.

میانقاب به دیواری اطلاق میشود که به طور کامل دهانه ای از یک قاب فولادی یا بتنی را پوشانده و توسط تیرها و ستونها احاطه شده است. قاب میان پر شامل میانقاب و قاب پیرامونی آن میباشد که باید ضوابط این بخش را اقناع نماید.

حداکثر تعداد طبقات ساختمانی که در آن می توان بر اساس ضوابط این پیوست از میانقاب برای تامین مقاومت جانبی استفاده نمود، چهار طبقه است. سازه این ساختمانها به تنهایی و بدون احتساب میانقابها، باید قادر به تحمل بارهای ثقلی باشد. اثر وجود میانقاب در بروز نامنظمی در سازه باید بررسی و در طراحی سازه لحاظ شود. ضمنا ضوابط این بخش در مورد ساختمانهای با اهمیت خیلی زیاد قابل استفاده نیست.

سازه هایی که با ضوابط این بخش تحلیل و طراحی میشوند باید به تنهایی و بدون در نظرگیری اثر میانقاب ها نیز جوابگوی بارهای وارده شامل بار زلزله باشند، مگر اینکه در نقشه های سازه ای میانقابها به عنوان اجزای سازه ای معرفی شده و در دستور العمل های نگهداری ساختمان قید شود که امکان تغییر جابجایی یا تخریب آنها بدون انجام تحلیل و ارزیابی های مجدد وجود ندارد.

پ ۶-۲-۲- دیوارهای مشمول این بخش

میانقاب های مصالح بنایی که در این بخش مدنظر است شامل دیوارهای آجری تو پر و سوراخدار یا ساخته شده از بلوک سیمانی میباشند دیوارهای ساخته شده از مصالح بنایی فوق و تقویت شده با لایه بتن پاشی شاتکریت در یک یا هر دو وجه آنها نیز مشمول این بخش میشود. ضوابط این پیوست شامل دیوارهای ساخته شده از آجر مجوف (بلوک سفالی مجوف) سنگ شیشه یا جنس های دیگر نمی شود.

پ ۶-۲-۳- مدلسازی میانقاب مصالح بنایی در جهت درون صفحه

در صورت وجود شرایط بند پ ۶-۲-۴، برای مدلسازی میانقاب های مصالح بنایی در جهت درون صفحه میتوان از مدل عضو قطری فشاری معادل استفاده نمود. برای این منظور به جای میانقاب از یک عضو قطری استفاده میشود که ضریب ارتجاعی و ضخامت آن با دیوار یکسان است و عرض آن از رابطه (پ۶-۱) به دست می آید شکل (پ۶ -۴۱) این عضو قطری تنها در فشار عمل مینماید و در کشش حذف می شود.

پ ۶-۲-۳-۱ - سختی

سختی ارتجاعی درون صفحه یک پانل از میانقاب مصالح بنایی غیر مسلح را می توان با بکارگیری یک عضو قطری فشاری معادل به عرض a طبق رابطه (پ ۶-۱) به حساب آورد. ضخامت و ضریب ارتجاعی این عضو، با میانقاب مورد نظر یکسان میباشد. عرض a (برحسب میلی متر) عبارت است از:

(پ6-1) $a = 0.175 R (\lambda_1 h_{col})^{-0.4} r_{inf}$

که در آن:

(پ6-2) $\lambda_1 = \left[\frac{E_m t_{inf}\sin 2\theta}{4E_f I_{col}h_{inf}}\right]^{0.25}$

و نیز:

hcol = ارتفاع ستون برحسب (mm)

hinf = ارتفاع پانل میانقاب برحسب (mm)

Ef = ضریب ارتجاعی مصالح قاب (برحسب MP)؛

nEf = ضریب ارتجاعی مصالح میانقاب )بر حسب MPa)؛ ضریب ارتجاعی مصالح ساخته شده از واحدهای بنایی معادل ۵۵۰ برابر مقدار مقاومت فشاری (f ′m ) آنها در نظر گرفته میشود. برای سایر مصالح باید به آیین نامه های مرتبط با آنها و برای میانقاب بتن پاشی شده به روابط موجود در فصل ۷ ضابطه ۳۹۸ سازمان برنامه و بودجه کشور مراجعه نمود.

f ′m = مقاومت فشاری مصالح بنایی میانقاب (برحسب MPa)؛ مقدار مقاومت فشاری مصالح بنایی میانقاب را می توان در طراحی بر اساس مراجع معتبر فرض کرد. این فرض باید در اجرا کنترل شود. برای کنترل این فرض مقدار مقاومت فشاری اندازه گیری شده نباید از ۰٫۹ مقدار مفروض در مرحله طراحی کمتر و از ۱٫۵ برابر آن بیشتر باشد. برای اندازه گیری مقاومت فشاری مصالح بنایی میانقاب (f ′m ) می توان حداقل سه نمونه منشوری از همان مصالح دیوار را که دارای حداقل ارتفاع ۴۰۰ میلی متر و نسبت ارتفاع به ضخامت بیش از ۲ است، ساخت و آزمایش کرد متوسط مقاومت این سه نمونه برابر مقاومت فشاری مصالح بنایی میانقاب فرض می شود. در صورتی که دیوار از واحدهای بنایی تشکیل شده باشد نمونه منشوری باید دارای حداقل سه ردیف واحد بنایی باشد. اگر ضریب تغییرات (C.O.V) نتایج بیش از ۲۵% باشد، باید تعداد آزمایش ها حداکثر تا دو برابر افزایش یابد. برای تعیین مقاومت فشاری مصالح بنایی میانقاب میتوان از سایر روشهای معرفی شده در نشریه ۳۷۴ ضابطه ۷۴۰ و ضابطه ۳۹۸ سازمان برنامه و بودجه کشور نیز استفاده کرد. در هر حال مقدار نباید از ۳٫۵ مگا پاسکال کمتر باشد در غیر اینصورت یا باید این مقدار مقاومت را با تقویت میانقاب تامین نمود یا اثر میانقابی این دیوار در نظر گرفته نشود و طبق بخش اول این پیوست از قاب پیرامونی جداسازی شود.

Icol = لنگر اینرسی ستون بر حسب (mm)؛ در صورتی که ستون های پیرامونی میانقاب متفاوت باشند میتوان از متوسط لنگر اینرسی آنها به جای این کمیت استفاده نمود.

rinf = طول قطری پانل میانقاب برحسب (mm)

θ = زاویه ای که تانژانت آن برابر ضریب تناسب میانقاب نسبت ارتفاع به طول میباشد؛

λ1 = ضریبی که برای محاسبه عرض معادل عضو فشاری پانل به کار می رود.

R = ضریب کاهنده نوع اتصال قاب در صورتی که اتصالات قاب گیردار باشد مقدار آن ۱٫۰ و در غیر این صورت برابر ۰٫۹ در نظر گرفته می شود.

tinf - ضخامت آن قسمتی از دیوار (برحسب mm) است که در تماس مستقیم و کامل با اعضای قاب باشد. برای دیوارهایی که در محاسبات سختی و مقاومت به حساب می آیند باید تمهیدات لازم در هر یک از کنج ها (در حداقل ۱٫۵ برابر عرض معادل محاسبه شده با رابطه پ ۶-۱) برای تماس مستقیم دیوار با تیر و ستون پیرامونی فراهم شده باشد. در غیر این صورت در محاسبه ظرفیت میانقاب تنها قسمتی از دیوار که در تماس مستقیم با اعضای قاب میباشد منظور میشود ولی در کنترل تیر و ستون باید بیشترین ضخامتی از دیوار که با تیر یا ستون در تماس است در نظر گرفته شود. برای دیوارهایی که ضخامت شان در جاهای مختلف متفاوت است، مانند دیوارهایی که بخش پایینی آنها سنگ کاری شده برای محاسبه مقاومت طراحی (موضوع بند پ ۶-۲-۵-۲)، کمترین ضخامت و برای محاسبه مقاومت نهایی قطری محتمل (موضوع بند پ۶-۲-۳-۲) میانگین ضخامت دیوار ملاک عمل قرار می گیرد.

پ ۶-۲-۳-۲- مقاومت نهایی قطری محتمل

مقاومت نهایی قطری محتمل میانقاب ، که برای کنترل اعضا و اتصالات قاب (بندهای پ۶-۲-۴-۲ و پ ۶-۲-۴-۳) به کار میرود از رابطه زیر به دست می آید:

(پ6-3) $F_u = a R t_{inf} f'_m$

که در آن a عرض عضو فشاری معادل و R، f ′m و tinf به ترتیب مقاومت فشاری مصالح میانقاب ضریب کاهنده نوع اتصال قاب و ضخامت میانقاب میباشند که ذیل رابطه (پ6-1) تعریف شده اند.

پ ۶-۲-۴- شرایط لازم برای عملکرد میانقابی دیوار

اعضا و اتصالات قاب محیطی یک میانقاب باید برای اثرات اندر کنش قاب و میانقاب کفایت داشته باشند. این اثرات شامل نیروهای منتقل شده از میانقاب به تیر ستون و اتصال های قاب میباشند. در صورتی که هر یک از شرایط این بند برای قاب دارای دیوار برآورده نشود دیوار آن را نمیتوان به عنوان میانقاب در نظر گرفت و باید به صورت جدا شده از قاب اجرا شود.

دیوار موجود در دهانه مهاربندی باید به گونه ای باشد که مهاربند بتواند آزادانه عمل نماید در چنین دهانه هایی نمی توان اثر میانقابی دیوار را در نظر گرفت و باید آنها را به صورت جدا شده از قاب اجرا نمود.

پ ۶-۲-۴-۱ - شرایط دیوار برای بروز عملکرد میانقابی

تنها دیوارهایی میتوانند به عنوان میانقاب در نظر گرفته شوند که دارای همه شرایط زیر باشند شرایط مربوط به اجرا باید در نقشه های اجرایی ذکر شوند

1. دارای مقاومت عمود بر صفحه کافی مذکور در بند پ ۶-۲-۶ باشند.

2. برای دیوارهای ساخته شده از واحدهای بنایی دیوار چینی باید به صورت هشت گیر انجام شده باشد به گونه ای که هر آجر بالایی حداقل ۰/۲۵ آجر پایینی را پوشش داده باشد. ضمن اینکه درزهای قائم آن نیز مانند درزهای افقی باید دارای ملات ماسه سیمان باشند.

3. درزی بین دیوار و اعضای قاب وجود نداشته باشد و دیوار به طور کامل در تماس با تیر و ستون باشد. در صورت وجود درز بین دیوار و تیر فوقانی میتوان آن را با ملات انبساط پذیر پر کرد بر خلاف روش مرسوم اجرای دیوار برای از بین بردن اثر درز فوقانی نمیتوان از آجرهایی که در رج آخر به صورت مایل چیده شده اند استفاده کرد. مگر اینکه تمام فضاهای خالی باقیمانده به خصوص فضای خالی بین آجر مورب و کنج قاب با بتن یا مصالحی که مقاومت فشاری آن مساوی یا بیشتر از آجر است پر شود.

4. دیوار باید کاملا شاقول اجرا شده و فاقد شکم دادگی یا کج شدگی باشد.

5. ساختمان دارای دیافراگم صلب باشد.

6. ارتفاع دیوار نباید از ۴ متر و طول آن از ۶ متر بیشتر باشد.

7. تغییر مکان جانبی نسبی غیر خطی طرح قاب میان پر (با در نظر گیری اثر میانقابها در تحلیل)، که از رابطه ۳-۱۱ این استاندارد به به دست می آید، در ساختمانهای با اهمیت زیاد متوسط و کم نباید به ترتیب از 0/008 ، 0/01 و 0/015 برابر ارتفاع طبقه بیشتر باشد.

پ ۶-۲-۴-۲- شرایط اعضای قاب پیرامونی دیوار

علاوه بر خود دیوار اعضا قاب پیرامونی دیوار نیز باید دارای شرایطی باشند تا بتوان آن دیوار را به عنوان میانقاب در نظر گرفت ستون و تیر مجاور میانقاب به ترتیب باید قادر به تحمل نیروهای بیان شده در بند پ ۶-۲-۴-۲-۱ و ب ۲۶-۴-۲-۲ به عنوان بار ایجاد شده در زلزله در ترکیب با سایر بارهای وارد به سازه باشند. در این بررسی باید اثر نیروهای زلزله در هر دو جهت متقابل در نظر گرفته شوند.

پ ۶-۲-۴-۲-۱ - مقاومت لازم برای ستون های مجاور پانل میانقاب

مقاومت های خمشی و برشی ستون های مجاور یک پانل میانقاب باید برای تحمل نیروهای حاصل از حالتی که در آن نیروی افقی برابر Fu cosθ در فاصله از بالا یا پائین پانل میانقاب مطابق شکل پ6-42 به ستون اعمال شده است، کافی باشد. در این شرایط Fu از رابطه (پ6-3) و Iceff از رابطه (پ6-4) بدست می آید و θ زاویه قطر میانقاب با افق میباشد. این ستونها باید تحمل بارهای کششی و فشاری ناشی از اعمال نیروی Fu sinθ را نیز داشته باشد.

(پ6-4) $l_{eff} = \frac{a}{\cos\theta_c}$

در این رابطه، a عرض عضو فشاری معادل میانقاب می‌باشد که از رابطه (پ6-1) به دست می‌آید و θc نیز از رابطه (پ6-5) محاسبه می‌شود که در آن Linf طول میانقاب و θ زاویه قطر میانقاب با افق می‌باشد.

(پ6-5) $\theta_c = \theta - \sin^{-1}\left(\frac{a\cos\theta}{L_{inf}}\right)$

پ ۶-۲-۴-۲-۲- مقاومت لازم برای تیرهای مجاور پانل میانقاب

مقاومتهای خمشی و برشی تیرهای قاب پیرامونی یک میانقاب باید برابر با نیروهای حاصل از حالتی باشد که در آن نیروی قائم Fu sinθ در فاصله lbeff از دو طرف میانقاب،مطابق شکل پ6-43، به تیر اعمال شده است و در آن Fu از رابطه (پ 6-3) و از رابطه (پ-6-6) بدست می آید:

(پ6-6) $l_{beff} = \frac{a}{\sin\theta_b}$

مقدار θb را میتوان از رابطه (پ6-7) محاسبه کرد:

(پ6-7) $\theta_b = \theta + \sin^{-1}\left(\frac{a\cos\theta}{L_{inf}}\right)$

پ ۶-۲-۴-۲-۳- اثرات موضعی میانقاب بر اعضای قاب

اثرات موضعی ناشی از عملکرد میانقابی دیوار بر اعضای قاب نباید باعث خرابی موضعی در آنها شود (مانند خمیدگی بال های مقاطع فولادی I شکل کمانش جان و غیره). برای این منظور، نیروی حاصل از روابط (پ6-8) و (پ6-9) به ترتیب برای ستون و تیر محاسبه می شود:

(پ6-8) $F_{col} = \frac{F_u(\cos\theta-\mu\sin\theta)}{(1-\mu^2)}$

(پ6-9) $F_{beam} = \frac{F_u(\sin\theta-\mu\cos\theta)}{(1-\mu^2)}$

که در آن μ ضریب اصطکاک بین مصالح میانقاب و مصالح قاب است که در صورت عدم وجود اطلاعات دقیق می توان آن را برای قاب فولادی برابر ۰/۳ و برای قاب بتنی برابر ۰/۵ در نظر گرفت. توزیع تنش قائم از نیروهای حاصل از این روابط را می توان به صورت مثلثی (تنش حداکثر در کنج) در طولی به اندازه lceff (از رابطه پ6-4) بر روی ستون lbeff و (از رابطه پ6-6) بر روی تیر در نظر گرفت.

اگر دیوار در محور قاب قرار نداشته باشد اثر خروج از محوریت آن نیز باید به صورت پیچش روی قاب در نظر گرفته شود.

پ ۶-۲-۴-۳- اتصالات قاب

اتصال تیر به ستون قاب باید قادر به تحمل نیروی برشی Fu sinθ در ترکیب با سایر بارهای موجود در سازه باشد.

پ ۲۶-۵- تحلیل سازه و محاسبه نیروی حاصل از عملکرد میانقابی دیوار

در تحلیل سازه هر میانقاب به صورت یک عضو قطری فشاری با مشخصاتی که در بند پ۶-۲-۳-۱ بیان شده مدل می شود.

ستون های پیرامونی میانقاب حتی در قابهای دارای اتصال مفصلی تیر به ستون جزو اعضای لرزه بر ساختمان محسوب میشوند و در تحلیل سازه باید در بررسی بند ۳-۱-۴ این استاندارد در مورد اعمال همزمان مولفه جهت متعامد زلزله مد نظر قرار گیرند.

پ ۲۶-۵-۱ - ضرائب لرزه ای سازه دارای میانقاب

مقدار کمیتهای Cd ،Ru و Ω0 برای سازه دارای میانقاب بر اساس جدول ۳-۴ این استاندارد مشابه سیستم قاب ساختمانی دارای دیوار برشی مصالح بنایی مسلح به ترتیب برابر ۳، ۲٫۵ و ۲٫۵ در نظر گرفته می شود.

پ ۶-۲-۵-۲ کنترل مقاومت میانقاب

در طراحی سازه به روش ضرائب بار و مقاومت نیروی عضو قطری فشاری میانقاب که از تحلیل با ترکیبات بار شامل زلزله به دست می آید نباید از مقاومت طراحی آن که برابر 0.4Fu در نظر گرفته میشود بیشتر باشد.

پ ۶-۲-۵-۳ قطع میانقاب در ارتفاع ساختمان

در صورتی که در یک دهانه میانقاب در یکی از طبقات وجود نداشته باشد، دیوارهای آن دهانه در طبقات بالا را نمیتوان میانقاب فرض کرد و باید آنها را بر اساس بخش اول این پیوست از قاب پیرامونی جدا نمود.

پ ۶-۲-۶- ارزیابی دیوارهای مصالح بنایی در جهت خارج از صفحه

همه میانقابها و اجزا و اتصالات آن باید دارای مقاومت کافی برای تحمل نیروهای خارج از صفحه دیوار باشند. نیروی زلزله وارد به میانقاب در جهت عمود بر صفحه مشابه دیوارهای جدا شده و بر اساس فصل ۴ این استاندارد محاسبه می گردد.

برای تامین مقاومت در جهت عمود بر صفحه میتوان از روشهای معرفی شده در بخش نخست این پیوست برای دیوارهای جدا شده از قاب استفاده نمود. البته اجزاء اضافه شده به میانقاب (بر خلاف دیوار جدا شده)، باید کاملا به دیوار متصل بوده و فاصله ای بین ن آنها و دیوار وجود نداشته باشد. لایه پوشش بتن آرمه (شاتکریت) نیز میتواند مورد استفاده قرار گیرد. بدین منظور میتوان ضوابط بخش ۷-۱ ضابطه ۳۹۸ سازمان برنامه و بودجه کشور را مد نظر قرار داد.

در مدل تحلیلی سازه، باید از سختی عمود بر صفحه میانقاب صرفنظر نمود.

پ ۶-۲-۷ میانقاب های دارای بازشو

میانقاب دارای بازشو باید تا حد امکان به صورت جدا شده از قاب اجرا شود. تنها در مواردی که همه شرایط زیر فراهم باشد دیوار را میتوان میانقاب فرض کرد

1. طول و ارتفاع بازشو به ترتیب از یک سوم طول و یک سوم ارتفاع دیوار کمتر باشد.

2. فاصله افقی و قائم بازشو از تیر و ستون به ترتیب از ۲۰% طول و ۲۰% ارتفاع دیوار بیشتر باشد.

3. بازشو دارای قاب فولادی که به چارچوب پنجره متصل می شود باشد.

در این حالت لازم است سختی و مقاومت طراحی میانقاب به مقدار ۲۰% کاهش یابد. در صورتی که دیوار دارای دو یا چند بازشو باشد، برای ابعاد بازشوی معادل، اندازه کوچکترین مستطیلی که همه بازشوها را در بر می گیرد در نظر گرفته میشود. در دیوارهای دارای بازشو نیز مانند سایر دیوارها تامین مقاومت کافی در جهت خارج از صفحه الزامی است.

پ ۶-۲-۸ میانقاب های نوین

بر اساس تحقیقات علمی، انواع جدیدی از میانقاب معرفی شده اند که در جهت صفحه خود رفتاری شکل پذیر داشته و در جهت عمود بر صفحه نیز کاملا پایدار هستند. در صورت استفاده از چنین میانقاب هایی لازم است برای مدل سازی آنها در سازه کنترل کفایت اعضا و اتصالات قاب پیرامونی و همچنین برای تعیین مقدار مقاومت طراحی و سایر کمیات مورد نیاز بر اساس ضوابط معتبر عمل شود.

در صورت استفاده از میانقاب دارای فیوز لغزان می توان از بخش 7-2 ضابطه ۳۹۸ سازمان برنامه و بودجه کشور استفاده و مقاومت طراحی (مذکور در بند پ۶-۲-۵-۲) آن را برابر با Fu فرض نمود.