توسعه حمل و نقل ترکیبی در اولویت راه آهن و کشور است
مقدمه
در سیستم سازه صندوقچه‌ای که گونه‌ای سیستم باکسی است، با مدل‌سازی هم‌زمان خاک، پی و اسکلت (همه اعضای باربر سازه‌ای بر روی پی) و با به کارگیری از نقش کارساز دیوارهای برشی در هم‌بند کردن پی و اسکلت و همچنین با طراحی قاب‌های خمشی همچون اجزای غیرباربر لرزه‌ای (تنها برای تاب‌آوری بار ثقلی)، سبب کاهش چشم‌گیر آرماتور مصرفی در ساختمان و بنابراین اجرای ساختمان‌های کوتاه‌مرتبه و بلندمرتبه با هزینه کمتر فراهم می‌شود. اجرای دیوارهای برشی که در هم‌بند کردن پی و اسکلت، به ویژه سقف طبقه‌ها نقش‌آفرینی کند، افزون بر کاهش چشم‌گیر فولاد مصرفی در پی، جایگزین خوبی برای دیوارهای خارجی (با جزئیات گاهی پیچیده و هزینه‌بر نوشته شده در پیوست ششم استاندرد ۲۸۰۰) به شمار می‌آید. در اندازه گسترده، اجرای سیستم سازه صندوقچه‌ای به ویژه در پروژه‌های انبوه‌سازی می‌تواند سبب صرفه‌جویی چشم‌گیری در فولاد مصرفی و هزینه ساخت ساختمان‌های کوتاه‌مرتبه و بلندمرتبه گردد. هرچند اجرای این طرح در پروژه‌های کوچک هم به اقتصاد پروژه کمک شایانی می‌کند، ولی در پروژه‌های انبوه‌سازی که قالب‌های پیوسته برای اجرای دیوارها و جرثقیل برجی (تاورکرین) به کار گرفته باشند، می‌توان چشم‌داشت کاهش چشم‌گیری در هزینه ساخت ساختمان را داشت. بی‌گمان اجرای این طرح برای ساختمان‌های با پلان معماری پیچیده که توان به کارگیری دیوارهای برشی پیوسته را در پیرامون ساختمان فراهم نمی‌کند، دارای محدودیت است.
هندسه سیستم
همانگونه که در شکل‌های ۱-۱ و ۱-۲ دیده می‌شود، در این سیستم دیوارهای بتن‌مسلح به گونه پیوسته در پیرامون ساختمان قرار می‌گیرند. امکان جانمایی بازشوی درها و پنجره‌های مورد نیاز در این دیوارهای بتن‌مسلح وجود دارد. یعنی در پیرامون ساختمان دیوارهای بتن‌مسلح پیوسته با تیر هم‌بند جای می‌گیرند (دیوار برشی هم‌بند).
تیرها و ستون‌های غیرباربر لرزه‌ای در داخل ساختمان تنها برای باربری بخشی از بار ثقلی اجرا می‌شوند و دیگر نیاز نیست تیر در هر دو راستای X و Yاجرا شود و مهندس طراح، متناسب با طرح معماری، راستای مناسب‌تری که سبب اقتصادی-تر شدن طرح می‌شود را برگزیند و قاب را در آن راستا اجرایی کند (به مانند سازه نشان داده شده در شکل۱، که قاب در راستای Y اجرا شده است). چرا که این تیرها و ستون‌ها تنها برای باربری ثقلی طراحی می‌شوند، ابعاد آنها کوچک و همچنین مقدار میلگرد مصرفی آنها کم می‌شود. از کوچک شدن ابعاد ستون‌ها و تیرها می‌توان به عنوان مزیت معماری نام برد (به ویژه می‌توان از ستون‌های کتابی که به ضخامت دیوارهای غیرسازه‌ای ساختمان اجرا می‌شود، نیز به کار برد). در زیر این ستون‌ها پی تکی طراحی می‌شود که باید برای جلوگیری از حرکت نسبی، با کلاف (شناژ) به پی‌های کناری مهار شوند. باقی بار ثقلی و همچنین صددرصد بار زلزله با دیوارهای برشی هم‌بند پیرامون ساختمان باربری می‌شود. در زیر این دیوارهای برشی، باید پی‌نواری به گونه پیوسته در پیرامون ساختمان اجرا شود. باید در گزینش هندسه این سیستم دو نکته زیر دیده شود:
الف) نباید دیوارهای برشی در داخل ساختمان به کار برد؛
ب) نباید ناپیوستگی در پی‌نواری پیرامونی انجام شود.
چنانچه این دو نکته دیده نشود، تحت بارهای ثقلی، نیروی برشی زیادی در دیوارها پدید می‌آید و همچنین تمرکز تنش محوری زیادی در دو انتهای دیوار رخ می‌دهد.
در سیستم سازه صندوقچه‌ای، پی‌نواری پیرامونی، دیوارهای برشی هم‌بند پیرامونی و سقف طبقه‌ها با هم در برابر نیروهای وارد بر آنها (نیروی زلزله، بخشی از بار ثقلی که با دیوار باربری می‌شود و فشار خاک وارد بر پی ) مقاومت می‌کنند.
در این سیستم دیوارهای برشی طبقه سبب پدیداری کوپل نیرو بین پی و سقف طبقه می‌شوند (دیوارهای برشی نقش تیر هم‌بند را برای پیوند پی و سقف طبقه‌ها دارند). همچنین دیوارهای برشی طبقه‌های بالاتر نیز، کف و سقف، طبقه‌ها را با هم کوپل می‌کنند. بنابراین بیشترین نیروی فشاری و کششی ناشی از لنگر به ترتیب در پی و سقف طبقه پایانی (بام) پدیدار می‌شود و با تغییر جهت نیروی زلزله و وارونه شدن لنگر، در سقف طبقه پایانی، نیروی کششی و در پی نیروی فشاری پدیدار می‌شود. نیروهای کششی و فشاری پدید آمده در سایر سقف‌ها نیز به اندازه چشم‌گیری کارایی همدیگر را کم می‌کنند. پس به سادگی می‌توان اینگونه پنداشت که لنگر با کوپل نیروی پدید آمده در پی و سقف طبقه پایانی باربری می‌شود، یعنی بازوی کوپل نیروهای پدید آمده برای تحمل لنگر برابر با ارتفاع کل ساختمان می‌باشد. این در حالی است که در کاربرد سایر سیستم‌های ساختمانی، لنگر در مقطع بحرانی پی، با کوپل نیروی پدید آمده در خود پی باربری می‌شود که بازوی این کوپل نیرو، تنها نزدیک به هشتاد درصد عمق پی می‌باشد. ولی در پی سیستم سازه صندوقچه‌ای، بازوی کوپل پدید آمده ارتفاع کل ساختمان می‌باشد. پیامد آن، کاهش چشم‌گیر میلگرد مورد نیاز در پی این سیستم پیشنهادی در مقایسه با سایر ساختمان‌ها می‌باشد.
گفتنی است کارکرد با هم پی و سقف طبقه‌ها در باربری لنگر، زمانی انجام می‌شود که دیوارهای برشی، طول کافی برای کوپله کردن پی با طبقه‌ها را داشته باشند وگرنه در این سیستم نمی‌توان پی را با سقف طبقه‌ها کوپله کرد و لنگر بین تیرها در طبقه‌های دیگر و پی به نسبت سختی تقسیم می‌شود (باز بخش چشم‌گیری از لنگر به پی می‌رسد). بنابراین بدین سان، هر چند اندازه‌ای از میزان لنگر خمشی در پی کاسته می‌شود، ولی به لنگر خمشی در تیرها افزوده می‌شود که این سبب افزایش میزان آرماتور تیر و ستون می‌گردد. بنابراین تنها با کاربرد دیوار برشی بتن‌مسلح یا دیوار برشی بتن‌مسلح هم‌بسته، می‌توان پی را با سقف طبقه‌ها کوپله کرد.
در این سیستم، دیوارهای برشی هم‌بسته، یک مقطع قوطی‌مانند را پدید می‌آورند که بیش از نود درصد نیروی برشی افقی با جان مقطع قوطی و نزدیک به هشتاد درصد لنگر خمشی افقی با پدیداری کوپل کششی و فشاری دربال‌های قوطی باربری می‌شود. با زیاد شدن بازوی کوپل (طول و یا عرض ساختمان )، میزان نیروهای کششی و فشاری پدید آمده، کوچک و بنابراین میزان نیاز میلگرد نیز کم می‌شود.
مزایا و پتانسیل‌های سیستم
همانگونه که روشنگری شد مکانیزم پخش نیرو در این سیستم، هم سبب کاهش چشم‌گیری در میزان نیروی کششی و برشی در پی و دیوارهای بتن‌مسلح و بنابراین کاهش کاربرد میلگرد می‌شود و هم سبب پدید آمدن صلبیت زیادی در ساختمان می‌شود که دو برتری در بردارد:
الف – سبب پخش یکنواخت تنش روی خاک زیر پی و همانا کاهش مساحت پی می‌شود؛
ب – سبب کاهش چشم‌گیری در میزان تغییرمکان جانبی(دریفت) برشی در طبقه‌های ساختمان می‌شود (در این سیستم بخش بیشتر تغییرمکان طبقه‌ها به گونه تغییرمکان خمشی می‌باشد). همانا در اثر تغییرمکان خمشی هیچ تخریبی در این عناصر غیرسازه‌ای پدیدار نمی‌شود. اما تغییرمکان برشی سبب پدید آمدن تخریب دیوارهای غیرسازه‌ای می‌باشد که خوشبختانه اندازه آن در این سیستم به اندازه‌ای کم است که با آسودگی می‌توان گفت هیچ تخریبی در دیوارهای غیرسازه-ای پدید نمی‌آید. بنابراین نیاز نیست از دیتایل‌های پرهزینه پیوست ششم استاندارد ۲۸۰۰ برای جداسازی دیوارهای غیرسازه‌ای داخل ساختمان از سازه (که گاهی اجرایی بودن بی‌کم‌وکاست آنها جای تردید دارد) به کار برد. همچنین گفتنی است که در سیستم پیشنهادی، دیوارهای پیرامونی ساختمان بتن‌مسلح می‌باشند و نیازی به جداسازی نما از سازه برابر پیوست ششم نمی‌باشد اما در ساختمان‌های مرسوم در کشور، که در پیرامون ساختمان دیوار غیرسازه‌ای وجود دارد، باید هزینه‌های زیادی برای جداسازی نما از سازه به کار برده شود.
یکی دیگر از پتانسیل‌های کارساز سیستم این است که چنانچه از تیرهای هم‌بند با نسبت طول آزاد به ارتفاع (Lh / h) بزرگتر از ۲ و کوچکتر از ۵ در آن به کار رود، شکل‌پذیری سیستم به اندازه‌ای ارزشمند می‌شود که در پیش‌نویس کنونی ASCE7 ضریب رفتار ۸ برای این سیستم دیده شده است (سیستم دیوار هم‌بسته شکل‌پذیر).
در آیین‌نامه ACI 318-19 این اجازه داده شده است که در راستای عرضی پی‌نواری و در زیر دیوار بتن‌مسلح ساخته شده، هیچ میلگردی به کار نبرد (تا جایی که نیازی به جاگذاری حداقل آرماتور خمشی هم نیست) و مقاومت برشی و خمشی در راستای عرضی پی را تنها با بتن برآورده نمود. اما کاربرد این بند، در ساختمان‌های مرسوم اقتصادی نمی‌باشد، زیرا سبب کاربرد زیادی از بتن می‌شود، چراکه در سیستم سازه صندوقچه‌ای، از برای کم بودن لنگر خمشی و نیروی برشی در پی‌نواری پیرامون ساختمان ناشی از مکانیزم انتقال نیرو، می‌توان همانا با کمترین ضخامت مجاز برای پی (که برابر ۳۰ سانتیمتر است)، بدون نیاز به آرماتور عرضی و تنها بر پایه مقاومت بتن، مقاومت برشی و خمشی مورد نیاز پی را فراهم آورد و این به معنای کاهش ارزشمند در مقدار میلگرد مصرفی پی می‌باشد.
روش طراحی
در فصل هجدهم ACI 318-19 و در فصل بیستم مبحث نهم، از یک سو بندها و تنگنا‌های ارزشمند برای قاب خمشی متوسط برای مقابله در برابر زلزله گفته شده است که این ضوابط و محدودیت‌ها سبب افزایش چشم‌گیری در ابعاد تیر و ستون (محدودیت چشم‌گیری در معماری) و میزان میلگرد مصرفی در آنها می‌شود و از سوی دیگر برابر ACI 318-19 و ASCE7-16 ، بر خلاف استاندارد ۲۸۰۰، کاربرد قاب خمشی متوسط در مناطق با لرزه‌خیزی زیاد و خیلی زیاد پذیرفتنی نمی‌باشد. یعنی در مناطق با لرزه‌خیزی زیاد و خیلی‌زیاد باید قاب خمشی ویژه به کار برد نه قاب خمشی متوسط. تا جایی‌که اگر مشکل مجاز نبودن کاربرد قاب خمشی متوسط در مناطق با لرزه‌خیزی زیاد و خیلی‌زیاد کنار گذاشته شود و مسئولیت در این باره به نگارندگان استاندارد واگذار گردد، انجام ضوابط و محدودیت‌های قاب خمشی متوسط هزینه‌های زیادی بردوش پروژه می‌گذارد. چنانچه قاب ویژه به کار رود، این ضوابط و محدودیت‌ها به مراتب سخت-گیرانه‌تر و پرهزینه‌تر نیز می‌شود. برابر آیین‌نامه مبحث نهم و ACI 318-19 تنها راه فرار از این ضوابط و محدودیت‌ها، این است که قاب‌های خمشی موجود در ساختمان همچون قاب‌های غیرباربر لرزه‌ای طراحی و به کار برده شوند. یعنی باید کارکرد لرزه‌ای قاب‌های خمشی کنار گذاشته شود و صددرصد بار زلزله با دیوارهای بتن‌مسلح باربری شود (سیستم به روش قاب ساختمانی با دیوار برشی و نه سیستم دوگانه و نه قاب خمشی طراحی شود). اما تا آن‌جایی که نگارندگان طرح آگاهی دارند، تاکنون هیچ مهندسی در کشور ما برای فرار از ضوابط و محدودیت‌های آیین‌نامه‌ای قاب خمشی متوسط و ویژه، پی‌گیر سیستم قاب ساختمانی با دیوار برشی نشده است (مهندسان ساختمان‌ها را با سیستم قاب‌خمشی و یا سیستم دوگانه قاب خمشی – دیوار برشی طراحی می‌کنند) زیرا در کاربرد این سیستم، با هجوم صددرصد نیروها به سمت دیوار برشی، به اندازه‌ای تمرکز تنش در زیر پی و در زیر دیوار، زیاد می‌شود که برای پاسخ‌گویی پی، نیاز است ابعاد و میزان میلگرد آن ناباورانه زیاد شود. این نکته چندین بار به‌دست نگارندگان طرح آزموده شده است و در فرآیند طراحی در پروژه‌های گوناگون پدید آمده است. از این رو تا جایی که نگارندگان آگاهی دارند، راهکار کارساز، سیستم قاب ساختمانی با دیوار برشی اینست که سیستم پیشنهادی (سازه صندوقچه‌ای) به کار گرفته شود. زیرا در این سیستم، کارکرد هم‌بند پی، دیوارهای بتن‌مسلح و سقف طبقه‌ها سبب پدیداری صلبیت سیستم و بنابراین پخش یکنواخت تنش در زیر پی خواهد شد. به هر روی می‌توان اینگونه گفت که در سیستم سازه صندوقچه‌ای، صددرصد نیروی زلزله را دیوارهای بتنی پیوسته به‌هم و یکپارچه با پی باربری می‌کنند و قاب خمشی تنها برای باربری بارهای ثقلی طراحی می‌شود.
دیوارهای باربر برشی بیشتر در دو شبکه آرماتورگذاری می‌شود و روشن شده است که چنانچه دیوار دارای کمترین نسبت سطح مقطع آرماتور قائم به کل سطح مقطع قائم دیوار را داشته باشد، می‌توان یک شبکه آرماتور در دیوار به کار برد و ضخامت دیوار را به کمینه ۱۵ سانتیمتر رساند. برابر آیین‌نامه به دو روش می‌توان نیاز و یا بی‌نیازی به اجزای مرزی در دیوار برشی را برگزید؛ در کارآزمایی بیشتر گونه‌های این سیستم، نرم‌افزار Etabs بی‌نیازی به المان‌مرزی را در همه دیوارهای طبقه‌های آنها را گزارش کرده است، پس با آسودگی می‌توان گفت در هیچ دیواری نیاز به المان‌مرزی نمی‌باشد. چرایی بی‌نیازی به المان‌مرزی در این سیستم میزان جابه‌جایی جانبی طرح و میزان لنگر خمشی در دیوارهای هم‌بند است که بسیار ناچیز می‌باشد.
روی‌هم رفته کارآزمایی نگارندگان نشان می‌دهد که در ساختمان‌های تا ۵ طبقه نیازی به المان‌مرزی نمی‌باشد و تا ۱۰ طبقه نیز با معماری سنجیده، این سیستم نیازی به المان‌مرزی در دیوارهای ساختمان نیست. این زمینه هم از برای هزینه کاربرد مصالح و هم از برای هزینه اجرا، سبب اقتصادی‌تر شدن سیستم پیشنهادی می‌شود. از سوی دیگرکاربرد پتانسیل قاب غیرباربر لرزه‌ای برای طراحی ستون‌های موجود در ساختمان با سیستم سازه صندوقچه-ای، سبب کاهش چشم‌گیری در ابعاد و مقدار میلگرد ستون‌ها می‌شود، به گونه‌ای که در این سیستم برتری بسیار ویژه‌ای برای معماری به شمار می‌آید. چنانچه اگر در معماری نیاز باشد می‌توان به جای ستون ۳۰×۳۰ ستون ۲۵×۴۰ و یا کوچکتر نیز به کار برد.
برآورد
برآورد هزینه ساختمانی که با سیستم سازه صندوقچه‌ای طراحی شده است، تا اجرای همه سازه (پی، تیر، ستون، سقف و دیوارهای بتن‌مسلح پیرامونی)، اجرای نمای سیمانی بر روی دیوارهای نمای شمالی و جنوبی و اجرای لایه آب‌بندی بر روی دیوارهای همسایگی شرقی و غربی انجام شده است (اجرای دیوارهای غیرسازه‌ای داخلی که نازک‌کاری انجام نشده است).
سپس برآورد هزینه همین ساختمان در زمانی که با سیستم مرسوم (دیوار برشی- قاب خمشی) طراحی شود، انجام شده است. این برآورد نیز تا اجرای دیوارهای غیرسازه‌ای پیرامونی، اجرای نمای سیمانی و لایه آب‌بندی بر روی آنها انجام شده است. سنجش دو برآورد نشان می‌دهد که طراحی ساختمان با روش سازه صندوقچه‌ای سبب کاهش ۴۷ درصدی هزینه‌ها می‌شود.
این کاهش هزینه از روی کاهش ارزشمند در میزان کاربرد فولاد پدیدار شده است (میزان کاربرد فولاد در حدود ۸۰ درصد
کم شده است. بی‌گمان در سیستم پیشنهادی میزان کاربرد بتن نیز نزدیک به ۱۳ درصد کاهش یافته است و بخشی از کاهش هزینه، در ازای کاهش میزان کاربرد بتن می‌باشد. باید دانست که محاسبه بالا، بر مبنای فهرست بهای ۱۴۰۰ انجام شده است. و در این فهرست بها، بهای همگی به جز بهای آهن‌آلات، با بهای بازار هم‌خوانی دارد (بهای آهن‌آلات نزدیک به ۴۰ درصد در بازار نسبت به فهرست بها گران‌تر می‌باشد). چنانکه برآورد برابر بهای بازار انجام شود، کاهش هزینه ساخت ساختمان طراحی شده با سیستم سازه صندوقچه‌ای نسبت به ساختمان‌های مرسوم نزدیک به ۶۰ درصد می‌شود.
گفتنی است که برای طراحی این ساختمان هیچ‌کدام از پتانسیل‌های زیر برای اقتصادی‌تر کردن طراحی به کار نرفته است:
این ساختمان منظم می‌باشد بنابراین می‌توان برای تحلیل آن از روش دینامیکی طیفی با ۸۵ درصد برش پایه روش تحلیل استاتیکی معادل را به کار برد. اما در اینجا برای تحلیل ساختمان روش استاتیکی معادل به کار رفته است.
برای محاسبه نیروی زلزله، برابر پیش‌نویس ASCE7 می‌توان ضریب رفتار ۸ به کار برد (سیستم دیوار برشی هم‌بسته شکل‌پذیر). اما در اینجا ضریب رفتار سیستم دیوار برشی ویژه یعنی۶ به کار رفته است.
می‌توان در راستای عرضی پی‌نواری، هیچ میلگردی کارگذاری نکرد. اما اینجا در عرض پی حداقل آرماتور خمشی به کار رفته است.
برای ترکیب‌بارهای دارای زلزله، می‌توان ۳۳ درصد تنش مجاز خاک را افزایش داد. اما اینجا همان تنش مجاز kg/cm2 22 برای همه ترکیب بارها به کار رفته است.
بارهای زنده طبقه‌ها را می‌توان به روش کاهش‌پذیر شناساند و یا اینکه برای ضریب بار زنده در ترکیب‌بارهای با زلزله ضریب ۵/۰ به جای ۱ به کار برد. که هیچ‌کدام از این کارها انجام نشده است.
بی‌شک کاربری پتانسیل‌های بالا، منجر به کاهش چشم‌گیرتری در هزینه‌های ساختمان می‌شود.
سنجش به روزرسانی شده برآورد دو سیستم در سال ۱۴۰۳ در جدول زیر برای روشنگری بیشتر آمده است که ناهمگونی هزینه در این دو سیستم را پنجاه و سه ۵۳ درصد ارزان‌تر نشان می‌دهد:
برداشت پایانی
بی‌شک در کنار اهداف فراکاربردی مانند: ایمنی، پایداری و کاربردهای بهینه و نیز بهای تمام شده بسیار پایین از برای کاهش کاربرد مواد و مصالح، می‌توان دیگر برتری و توانمندی این سیستم سازه‌ای در پروژه‌های ایران را این چنین بر شمرد:
توان کاربرد در همه ساخت‌وسازهای صنعتی، تجاری، اداری و مسکونی خرد و انبوه بدون هیچگونه تنگنایی؛
توانایی در طراحی بهینه معماری؛
کاربرد بهینه پارکینگ در زیر طبقه‌های با کاربری گوناگون به ویژه در بلوک‌ها و ساختمان‌های پیوسته شهری.
دیدگاهتان را بنویسید