ساختمان سازی

مقدمه

امروزه مطالعه و تحقیق روی رفتار سازه ها به منظور دسترسی به حداکثر ایمنی، همزمان با معیارهای در سراسر جهان رشد فزاینده ای یافته است. به طوریکه آزمایش روی تک تک اجزاء و یا ترکیبی از چند جزء یک سازه، در مقیاسهای بزرگ و واقعی، یک از مهمترین و اساسی ترین نکات مورد توجه پژوهشگران صنعت ساختمان است.

وسایل آزمایشگاهی موجود در کشور ما را ملزم می سازد که روی نمونه های با ابعاد کوچک و یا نمونه هایی با مقیاس کوچک آزمایشهایی صورت گیرد که این کار حداکثر می تواند گویای رفتار تک تک عناصر تشکیل دهندة سازه بدون در نظر گرفتن عملکرد واقعی آنها در سازة اصلی و در کنار دیگر عناصر ساختمان باشد و بررسی نحوة تاثیر بعضی از عوامل موثر بر موضوع مورد مطالعه محدود گردد.

عملکرد نمونه مورد آزمایش به نکاتی که اهم آنها به قرار زیر است، بستگی دارد:

      ü        هندسه سازة

      ü        اندازة سازه

      ü        استفادة همزمان از مصالح گوناگون در کنار یکدیگر

      ü        تاثیر نوع اتصال و پیوستگی اجزاء و مصالح به یکدیگر

لذا در هنگام آزمایش بیاد موارد فوق کاملاً مدنظر گرفته شود، تا نتایج حاصل، واقعی و با درصد بالایی قابل اعتماد باشند. به عنوان مثال، ‌برای بررسی رفتار یک پل بایستی تنشها و تغییر شکلهای ناشی از نیروهای شامل وزن پل، تردد وسایل نقلیه، ارتعاشات، باد، تغییرات درجحه حرارت و … در نظر گرفته شوند.

شایان ذکر است، که تمامی اینها با آزمایشهای سادة کششی و فشاری، روی یک قسمت کوچک از نمونة مصالح به کار فته در یک عضو از سازة پل بدست نمی آید.

همین طور استفاده از فرمولهای محاسباتی و تعمیم آنها به نکات تازه و ناشناخته، ما را ملزم می سازد که اعضای واقعی سازه و یا در مواقعی حتی،‌خود سازه را تحت اثر بارهای بهره برداری مورد آزمایش قرار دهیم، تا بتوان براساس نتایج آزمایش به آگاهیهای معتبری دست یابیم.

داشتن اطلاعات دقیق و معتبر بخصو برای تولید انبوه حایز اهمت فراوان است. با توجه به مشکلات گوناگون در جوامع بشری، که صنعت ساختمان به سوی تولید انبوه روی آورده است، طرح یک عضو سازه ای با ظرفیت باربری بیش از حد لازم، علاوه بر اتلاف مصالح با ارزش ساختمانی، زیانهای اقتصادی فراوانی به دنبال خواهد داشت.

از سوی دیگر، تکیه بر آزمایشهای کلاسیک سازه ای، عدم آگاه دقیق از کارکرد هماهنگ اجزای یک سازه و به فرمولهای به دست آمده و نتایج تجربیات گذشته بسنده‌کردن، راه را برای پژوهشهای آتی و پیشرفت، مسدود خواهد کرد.

با وجود اینکه روشهای عددی مثل روش المانهای محدود، ابزار خوبی جهت مطالعه رفتار سازه های ساختمانی هستند و بسیاری از پیش بینی های طراحی، نظریات و توصیه‌ها بر پایة نتایج آنها استوار است. با وجود این، استفاده از همین روشها هم، فرضیاتی ساده کنده که گاهی دور از واقعیت اند را شامل می شود.

باتوجه به موارد مذکور، به گوشه ای از اهمیت کاربرد استفاده از آزمایشگاه سازه پی می بریم. به طوری که حتی، بسیاری از کشورهای جهان سوم مانند اندونزی، یمن، عربستان، الجزایر، تونس و سنگاپور نیز اقدام به راه اندازی چنین آزمایشگاه هایی در کشورهای خود کرده اند.

ایران در میان کشورهای در حال توسعه، نخستین کشوری بود، که پژوهشگران آن به مطالغه و پژوهش در زمینه های علمی، روی آوردند. ولی به علت کمبود امکانات و تجهیزات آزمایشگاهی، پژوهشهای در دست مطالعه، روند مطلوب را نداشته و در بسیاری از موارد به حال تعلیق درآمده اند. امروزه، برای تحقیق در زمینه های سازه ها، از دو روش بنیادی به شرح زیر که در آزمایشگاههای انجام می پذیرد، استفاده می شود:

اول : آزمایش اعضای سازه با اندازة واقعی در ماشین های آزمایشی (یونیورسال تست) با ظرفیت زیاد و ابعاد بزرگ.

دوم: آزمایش سازه با اندازه واقعی آن با استفاده از یک سیستم معادل، شامل کف قوی[1] ، قابهای بارگذاری[2] و تجهیزات تکیه گاهی[3].

در پایان، ذکر این نکته را لازم می داند که وقتی درباره اهمیت آزمایش در مقیاسهای بزرگ سخن به میان می آید معنایش این نیست، که همواره به چنین آزمایشهایی (با صرف وقت و هزینه زیاد) نیاز داریم، بلکه این گونه آزمایشگاه را وقتی تأئید نهایی مورد نیاز باشد، یا اینکه بخواهیم تئوریهای موجود را اصلاح کرده و شناخت دقیقتری از رفتار سازه به دست آوریم، انجام می دهیم.

هدف

به منظور آزمایش بر اجزای ساختمانی در اندازه های حقیقی و بزرگ و بررسی رفتار آنها، احداث آزمایشگاه سازه در مراکز علمی و دانشگاهی کشور، امری ضروری و اجتناب ناپذیر است.

از جمله مهمترین عناصر تشکیل دهنده یک آزمایشگاه سازه، کف قوی و قابهای استوار شده بروی آن است. هدف از پروژه مورد بحث در این گزرش طرح یک کف قوی و سازه های مربوط به آن و همچنین تحقیق بر روی مصالح جهت ساختن این گونه کف قوی است که ایجاد یک آزمایشگاه سازه مجهز را توصیه می نماید.

فصل اول

معرفی کفهای قوی و ملحقات آن

1-1- مقدمه

آزمایشگاههای تحقیقاتی سازه که در اغلب کشورهای جهان ساخته شده، دارای امکانات گوناگون و پیشرفته ای هستند. این آزمایشگاه ها، برای تحقیق و مطالعه پژوهشگران تسهیلات لازم را فراهم می آورند و حصول نتایج مطمئن و واقعی را ممکن می سازند. از جمله تجهیزات ضروری برای مجهز ساختن و راه اندازی آزمایشگاه سازه عبارتند از:

      ü        کف قوی

      ü        دیوار قوی[1]

      ü        قابهای بارگذاری

      ü        ماشینهای آزمایشی (یونیورسال تست)

      ü        تجهیزات تکیه گاهی

      ü        سیستم های کنترل کامپیوتری

      ü        سیستمهای هیدرولیکی و جکها

با بررسیهای انجام شده از مراکز علمی و تحقیقاتی کشور، مشخص شد که در کشور ما نه تنها برای آزمایش خود سازه، بلکه حتی برای آزمایش اعضای آن در اندازه واقعی خود، آزمایشگاهی وجود ندارد و احساس می شود که برای فراهم نمودن زمینه های جدید تحقیقاتی وجود آزمایشگاههای سازه لازم و ضروری است، و گام اول در راه ایجاد چنین آزمایشگاهی، باید در جهت داشتن یک کف قوی و مناسب باشد، تا بتواند نیازهای پژوهشگران را از نظر ابعاد و ظرفیتهای بارگذاری گوناگون تأمین کند.

این فصل به معرفی انواع کفهای قوی، قابهای بارگذاری و مثالی از یک آزمایشگاه سازه می پردازد.

1-2- خلاصه ای از پیشرفتهای جهانی در این زمینه

برای انجام دادن مطالعه و تحقیق روی رفتار سازها و عملکرد اجزای آنها، اصولاً‌دو روش موجود است.

روش اول، کارهای آزمایشگاهی و روش دوم، کارهای تحلیلی و آنالیتیکی است. در روش آزمایشگاهی، مقیاس اجزای سازه تعیین و ساخته می‌شوند و پس از پیوستن آنها به هم و ایجاد سازه های موردنظر، سازه ها تحت انواع بارگذاریها و حالات تکیه گاهی مورد آزمایش قرار می گیرند و سرانجام نتایج با رفتار واقعی سازه ها تصحیح می‌شوند.

در روش تحلیلی از فرمول های خالص ریاضی حاصل از پدیده های فیزیکی مدل شده جهت یک آنالیز عددی به کمک کامپیوتر استفاده می شود.

امروزه آزمایشگاه های تحقیقاتی سازه که در اغلب کشورهای جهان ساخته می شوند دارای امکانات گوناگون پیشرفته ای هستند. مثلاً آزمایشگاه بزرگی که برای دانشگاه شهر سرپونگ[2] در کشور اندونزی تاسیس شده است. دارای امکانات متعددی برای آزمایش روی مصالح، اجزاء سازه، و سازه‌های واقعی است. در این آزمایشگاه که مساحت ساختمان آن بالغ بر 8800 مترمربع است. یک کف قوی بتن آرمه به ابعاد 40 متر در 40 متر (1600 مترمربع) ساخته شده است. در این آزمایشگاه علاوه بر قابهای بارگیذاری نصب شده روی کف قوی با ظرفیت باربری KN 4000، تجهیزات دیگری نیز ساخته شده است که قسمتهای مختلف آن به شرح زیر است:

-         آزمایشگاه ماشین‌های کوچک آزمایشگاهی

-         آزمایشگاه دستگاههای آزمایشی استاندارد

-         آزمایشگاه دستگاههای آزمایشی استاتیکی

-         آزمایشگاه تست‌های غیرتخریبی NDT

-         آزمایشگاه ماشین‌های تشدید

-         آزمایشگاه اندازه‌گیری وارفتگی و افت مصالح

-         آزمایشگاه اشعه ایکس و ایزوتوپ

-         آزمایشگاه متالوگرافی و عکسبرداری

-         کارگاههای جوشکاری، مکانیکی و الکترونیکی

کلیه این قسمتها دارای سیستم تغذیه روغن هیدرولیک تحت فشار مرکزی است. در ضمن یک سیستم کامپیوتری مرکزی تمام عملیاتی را که انجام می‌گیرد در کنترل دارد.

همین‌طور در آزمایشگاه سازه دانشگاه شهر بوخوم[3] در آلمان، یک کف قوی به مساحت 300 متر مربع وجود دارد که قادر است ستونهای تا ارتفاع 10 متر را زیر بار فشاری MN 20 و یا بار کششی MN 10 و یا تحت بار دینامیکی MN8+ قرار دهد.

1-3- معرفی کفهای قوی

کف قوی، سازه ای است صلب که دارای تجهیزات مخصوص برای نصب و مهار قابهای بارگذاری و تجهیزات تکیه گاهی است.

اعضای سازه و یا خود سازه با ابعاد دواقعی و یا مدل کوچکتر شده اش بروی این کف قوی و در زیر قابهای بارگذاری تحت آزمایشهای گوناگون استاتیکی و دینامیکی فشار، کشش و خمش قرار می گیرد، تا ظرفیت باربری و عملکرد مصالح گوناگون در کنار یکدیگر در نقاط مختلف سازه و در اتصالات بررسی و مطالعه شود.

کف قوی معمولاً‌براساس 51231 DIN طرح می شود. طراحی یک کف قوی مخصوصاً بستگی به حالت محلی براساس نیروهای اعمال شده به آن دارد.

کف قوی در سه تیپ مختلف ساخته و عرضه می شود:

1.کف قوی تمام فولادی

2.کف قوی بتن آرمه

3.کف قوی بتن پیش تنیده

دو مورد آخر (ردیفهای 2و3) دارای شبکه بولت ای فولادی جهت مهار و مونتاژ قابهای بارگذاری و تجهیزات تکیه گاهی هستند که بست قورباغه ای[4] نامیده می شود.

جایی که ابعاد نمونه کوچک است و لنگرهای خمشی نسبتاً کم هستند. کف قوی فولادی مناسبتر و سیستم مهار و مونتاژ قابهای بارگذاری ریلی است. در حالیکه ابعاد نمونة مورد آزمایش اگر بزرگتر باشند، لنگرهای خمشی بزرگی اعمال می شود و کف قوی پیش تنیده مناسبتر است.

معمولاً کفهای قوی را همراه را با یک دیوار قوی می سازند که کفهای افقی برای آزمایش سازه ها تحت اثر بارهای قائم و دیواره های قائم جهت آزمایش سازه ها، تحت اثر نیروهای افقی مورد استفاده قرار می گیرند.

در آزمایشگاههایی که کفهای قوی و دیواره های قوی باهم ساخته می شوند. معمولاً‌ دیواره بروی یکی از اضلاع کناری کف قرار می گیرد، ولی بسته به نوع آزمایش می‌‌تواند در هر محل مناسبی طراحی و اجرا شود. قابهای بارگذاری با روشهای گوناگون که مفصلاً شرح داده خواهد شد روی کف قوی نصب و مهار می شوند. همچنین تجهیزات تکیه گاهی نیز برای آزمایش های خمش روی کف به همان ترتیب نصب و مهار می‌گردند.

1-4- معیارهای طراحی کفهای قوی

معیارهایی که در طرح یک کف قوی می توان در نظر گرفت، عبارتند از:

1-4-1- مصالح ساخت کفهای قوی

کفهای قوی را بسته به نوع شکل سازه ای و همچنین ابعاد و موارد مصرف آنها می‌توان از فولاد، بتن آرمه، بتن آرمه پیش تنیده، بتن آرمه مختلط با فولاد ساخت.

1-4-2- ابعاد کف قوی

ابعاد کفهای قوی تابعی از اندازة قطعاتی هستند که باید تحت آزمایش قرار گیرند. باید در نظر داشت که قطعات متعددی ممکن است به طور همزمان مورد آزمایش قرار بگیرند. همچنین بایستی طول به عرض کف، طوری رعایت شود که پایداری سازه کف بر اثر بارهای وارده تأمین گردد.

در حالتی که کف قوی از نوع بتن پیش تنیده یا بتن آرمه باشد، انتخاب صحیح ابعاد کف حایز اهمیت است. زیرا ابعاد این نوع کفها، ابعاد ساختمان آزمایشگاه را تعیین می‌کنند. همچنین محل نصب سایر تجهیزات آزمایشگاهی در ارتباط با محل استقرار کف قوی خواهد بود.

چنانچه در نظر داشته باشیم در یک ساختمان آزمایشگاه موجود، یک کف قوی بسازیم و یا ابعاد کف موجود را گسترش دهیم، در صورتی که کف موردنظر از بتن آرمه یا بتن پیش تنیده باشد، بعلت مشکلات اجرایی امکان پذیر نخواهد بود.

برای ساختن این نوع کفها زیرسازیهای بخصوصی تدارک دیده می شود که امکان اجرای آن در یک ساختمان موجود با دشواری صورت خواهد گرفت.

همچنین ساختن یک کف قوی از این نوع، عملیات ساختمانی حجیمی را به همراه دارد که اجرای آن در زیر سقف یک آزمایشگاه مشکلاتی را بوجود می آورد.

گسترش کفهای موجود نیز از نظر تأمین یکپارچگی کف و مشکلاتی که در تدارک آزمایشهای دقیق بوجود خواهد آورد، نامممکن خواهد بود، بخصوص در مورد کفهای پیش تنیده به جهت مسیرهای انتخاب شده برای کابل های پیش تنیدگی (تندان)، گسترش کف عملی نمی باشد.

بنابراین در طرح ابعاد یک کف قوی از نوع بتن آرمه یا بتن پیش تنیده بایستی نیازهای موجود و خواسته های قابل پیش بینی در نظر گرفته شود.

1-4-3- شکل سازه ای کفهای قوی

کفهای قوی از نظر شکل سازه ای به سه دسته به شرح  زیر تقسیم می شوند:

      ü        کفهای قوی با سیستم یک بعدی

      ü        کفهای قوی با سیستم دو بعدی

      ü        کفهای قوی با سیستم سه بعدی

1-4-3-1- کفهای قوی با سیستم یک بعدی (خطی)

این گونه کفها به منظور آزمایشهای خمش روی تیرهای فلزی، بتنی، چوبی و … ساخته می شوند. قابهای بارگذاری بروی این کفها، فقط در امتداد طولی کف جابجا می‌شوند و از این رو باید به هنگام طرح کف، چگونگی کار آن را کاملاً در نظر گرفت. کشل مقطع کفهای قوی با سیستم یک بعدی طبق آیین نامه 51231 DIN یکی از چهار شکل به شرح زیر است:

مقطع مربع مستطیل توپر    ، مقطع مربع مستطیل توخالی    ، مقطع I شکل    ، و مقطع H شکل   .

جنس مصالح کفها قوی با مقطع مربع مستطیل توپر عموماً بتنی است. اما کفهای قوی در سه مورد دیگر (مقطع مربع مستطیل توخالی، مقطع I شکل و مقطع H شکل) تماماً از فولاد ساخته  می شود. از معیارهای انتخاب مقطع های گوناگون ...