اولین گام در ساخت هر سازه و شروع هر پروژه، طراحی نقشه آن است. در نقشه سازه کلیه جزئیات مشخص است و بر اساس این طراحی است که مهندسان می‌توانند پروژه را آغاز کنند. در ساخت و ساز از سازه‌های مختلفی استفاده می‌شود که بر اساس نوع ساختمان و کاربری آن انتخاب می‌شوند. سازه‌های بتنی از محبوب‌ترین نوع این سازه‌ها هستند که در انواع ساختمان‌ها می‌توان از آن‌ها استفاده کرد. در این مطلب به شیوه‌های طراحی سازه بتنی می‌پردازیم.
طراحی سازه چیست؟
طراحی سازه فارغ از جنس سازه، یک کار فنی است که اسکلت سازه، محل قرارگیری دیوارها و ستون‌ها، مهاربندها و تمامی جزئيات مرتبط به سازه را مشخص می‌کند. طراحی سازه نیازمند دقت، مهارت و تجربه بالاست و حتما باید توسط یک تیم متخصص انجام گیرد. رعایت آیین‌نامه‌های موجود، مقاوم‌سازی اصولی در مقابل حوادث طبیعی، شرایط جوی و … از مواردی است که در طراحی باید در نظر گرفت. جنس موادی که در سازه به کار می‌رود، خواص فیزیکی این متریال، شکل ظاهری ساختمان و … می‌تواند در استحکام سازه نقش مهمی داشته باشد و باید در طراحی به تمام آن‌ها توجه کرد. هدف از طراحی سازه، ایجاد اسکلت محکمی است که با گذشت زمان، مقاومت خود را از دست ندهد. برای این منظور باید تمامی جزئيات، ابعاد و … به دقت محاسبه شود و در اختیار مهندسین قرار گیرد. ساختمان‌هایی که بدون طراحی اصولی ساخته می‌شوند خیلی زود نیازمند بازسازی خواهند بود.
مراحل طراحی سازه
طراحی یک سازه شامل سه مرحله اساسی است. اولین مرحله بررسی الزامات و تجهیزات مورد نیاز برای ساختمان است. مساحت سازه، طرح اولیه و ساختار نهایی در این مرحله مشخص می‌شود. در مرحله برنامه‌ریزی باید برآورد هزینه، شرایط محیطی، استانداردهای آیین‌نامه‌ای و … در نظر گرفته شود.
در مرحله دوم، طرح اصلی و نقشه‌کشی به کمک نرم‌افزار و یا به صورت دستی تهیه می‌شود. و مرحله سوم که وظیفه مهندس ناظر است، تهیه تجهیزات و اجرای طراحی خواهد بود.
سازه‌های بتن آرمه
در سازه‌های بتن آرمه همان‌طور که از نام آن پیداست، از بتن به عنوان اجزای اصلی استفاده می‌شود. این سازه‌ها در ساختمان‌های کوچک و بزرگ چندین طبقه قابل اجراست. بتن از ترکیب سیمان، شن، ماسه و پولاد به همراه آب درست می‌شود که درصد استفاده از این مواد میزان مقاومت بتن را مشخص می‌کند. سازه‌های بتنی در سد‌ها، پل‌ها، تونل‌ها و …. به کار می‌روند.
مزیت سازه‌های بتنی در مقایسه با سازه‌های دیگر
سازه‌های بتنی به دلیل ترکیبات خود، ساختاری محکم و مقاوم دارند که در طول عمر سازه بسیارموثر است. برخی از مزیت‌های این سازه‌های عبارتند از:
- تحمل فشار بالا
- قیمت مناسب
- شکل‌پذیری آسان
- مقاومت در برابر عوامل طبیعی مانند رطوبت، حرارت و فرسایش
طراحی سازه‌های بتنی
همان‌طور که در بالا دیدیم، سازه‌های بتنی به دلیل عمر بالا و مقاومت زیاد، از محبوب‌ترین و پرتقاضاترین نوع سازه‌های ساختمانی به شمار می‌روند. این سازه‌ها در پروژه‌های بزرگ دولتی و خصوصی مانند سدسازی، احداث پل و …. نقش مهمی دارند و همین استقبال از این نوع سازه‌ها، باعث شده طراحی آن‌ها نیز پیشرفته‌تر شود.
مهمترین اصل در طراحی سازه‌های بتنی، بالا بردن ضریب امنیت است. برای طراحی دقیق این سازه‌ها از روش‌های متفاوتی می‌توان استفاده کرد که در ادامه به توضیح آن می‌پردازیم:
طراحی سازه‌های بتنی بر مبنای تنش مجاز یا الاستیک
روش اول طراحی سازه‌های بتنی، روش بهره‌برداری یا طراحی بر مبنای تنش مجاز است. در این روش، ابتدا تمامی بارهای وارده بر سازه از جمله بارهای لرزه‌ای، بار مرده، بار زنده و بار برف را محاسبه می‌کنند. سپس با کمک آیین‌نامه‌های محاسباتی، تنش‌های مجاز را مشخص کرده و با استفاده از تئوری‌های کلاسیک اجسام (تقسیم تنش حدی ماده بر ضریب اطمینان)، سازه را آنالیز می‌کنند.
این روش قدیمی است ولی به دلیل کاربرد آسان خود هنوز استفاده می‌شود. یکی از معایب این روش این است که بتن را الاستیک در نظر می‌گیرد، در حالی که بتن نیز تحت تأثیر تنش‌ها، می‌تواند رفتار متفاوتی نشان دهد.
طراحی سازه بتنی بر مبنای مقاومت نهایی یا پلاستیک
در این روش، سازه را بر اساس چیزی طراحی می‌کنند که در آیین‌نامه‌های ساخت و ساز به عنوان مقاومت شناخته می‌شود. برای طراحی به روش مقاومت نهایی، ابتدا با استفاده از ضریب افزایش بار، بارهای وارده به ساختمان را افزایش می‌دهند، سپس مقاومت لازم در هر مقطع از سازه را محاسبه می‌کنند. در نهایت مجموع مقاومت سازه‌ای که طراحی می‌شود باید از این مقاومت‌ها بیشتر باشد. این روش به دلیل در نظر گرفتن رفتار غیر خطی بتن و پایین‌تر بودن هزینه اجرا، نسبت به روش بالا محبوب‌تر است.
طراحی سازه بتنی بر مبنای حالات حدی
این روش یکی از جدیدترین روش‌های طراحی سازه‌های بتنی است که برای تکمیل روش مقاومت نهایی ارائه شده است اما هنوز نتوانسته در آیین‌نامه‌های اجرایی جایگزین روش قبلی شود. در این روش نیز ابتدا مقاومت نهایی مانند روش بالا محاسبه می‌شود و سپس برای طراحی سازه، سه حالت حدی زیر را در نظر می‌گیرند:
- حالت حدی نهایی
- حالت حدی تغییر شکل
- حالت حدی ترک‌خوردگی
به این ترتیب تمامی نواقص روش قبل برطرف شده و ایمنی ساختمان بسیار بالاتر خواهد بود.
نکات کلیدی در طراحی سازه بتنی
در اینجا به نکاتی اشاره می‌کنیم که بر اساس مبحث نهم مقررات ملی ساختمان برای ارزیابی الزامات اجرایی سازه‌هایی با اسکلت بتنی باید در نظر بگیرید:
- کنترل طول به عرض ساختنمان (کنترل عدم احتمال درز انقطاع)
- کنترل مهارشدگی ساختمان
- کنترل ترک‌خوردگی بر اساس مهار شدگی
- کنترل مقاطع از نظر حداقل وحداکثر مفواصل مجاز بین آرماتورهای طولی
- کنترل پارامترهای طراحی تیرها و ستون‌ها در نرم‌افزار
- کنترل مفصل کردن تیرهای داخل دیوار برشی
- کنترل تغییر مکان دال‌ها
- کنترل نسبت تنش برشی موجود به مقاومت برشی در اتصال تیر به ستون
- کنترل برش تیرهای اطراف دال
- کنترل درصد آرماتور تیرها
- کنترل نسبت طول به قطر تیرهای دهانه کوتاه
- کنترل درصد آرماتور ستون‌ها در محل عوض شدن مقاطع
- تعریف درست تیر هم‌بند و پایه برای دیوارهای برشی
- تعریف درست مقاطع دیوارهای بررشی
- در نظر گرفتن شکل‌پذیری مناسب در طراحی
- افزودن ۵۰ درصد میلگرد مثبت به میلگردهای منفی در محله تکیه
- در نظر گرفتن خیز بلند مدت تیرها
- در نظر گرفتن ضخامت دال
به جز این موارد که در آیین‌نامه به صراحت ذکر شده است، موارد زیر نیز نکاتی است که به بهتر شدن طراحی شما کمک خواهد کرد:
- اگر در میلگردهای عرضی از قلاب‌های ۱۳۵ درجه استفاده کنید، باز شدن خاموت و کمانش میلگردهای طولی کاهش یافته و سازه در مقابل تغیر شکل‌های غیرخطی مقاوم می‌شود.
- اگر هنگام اجرای سازه، سختی مقاطع سازه تغییر کند، شتاب دریافتی سازه نیز تغییر می‌کند و در نتیجه باید دوباره نیروی جانبی زلزله را محاسبه کنید.
- ضوابط شکل‌پذیری را به دقت رعایت کنید که دچار گسیختگی‌های ناگهانی در سازه نشوید.
- اگر بتن در معرض یخ‌زدگی، ذوب شدن و یا مواد شیمیایی یخ‌زدا قرار دارد، باید از مواد افزودنی برای ایجاد حباب استفاده کنید.
- اگر قصد دارید موقعیت تیغه‌ها را هنگام اجرا تغییر دهید، اید توزیع جرم پلان را در نظر بگیرید و این تغییر به صورتی باشد که موقعیت مرکز جرم ثابت بماند.
سخن آخر
سازه‌های بتنی به دلیل مقاومت بالا، هزینه پایین و طول عمر زیاد خود در میان مهندسین ساخت‌وساز از محبوبیت بالایی برخوردارند. در اکثر پروژه‌های عظیم دولتی مانند سدسازی، احداث پل، تونل و …. از بتن استفاده می‌شود. در این مطلب به طور مختصر به مراحل طراحی سازه‌های بتنی و نکاتی که در این طراحی باید در نظر گرفته شود، اشاره کردیم. در نظر داشته باشید که طراحی سازه‌ها از هر جنس، یک کار تخصصی است که نیازمند مهارت، دقت و تجربه