نظام الديافرام في مقاومة قوى الرياح

نظام الديافرام في مقاومة قوى الرياح

 بالاضافة لتلقي الحمولات الشاقولية فان انظمة البلاطات والسطح في الابنية الخرساني تعمل كديافرامات تنقل الحمولات الجانبية الى جدران القص و الفرامات   والعناصر الاخرى التي تشكل نظام مقاومة القوى الجانبية ( LFRS ) .

التحليل ثلاثي الابعاد الذي يأخذ بالاعتبار الصلابات النسبية للديافرام وعناصر الـ ( LFRS ) يعطي التوزيع الادق للقوى في تلك العناصر ويكون التحليل الدقيق ممكنا من اجل الفرضيات التي تعتبر ان الديافرام صلب .

يمكن عادة  اعتبار البلاطات  الخرسانية المسلحة المصبوبة في المكان كديافرامات صلبة  ، وهذا يعني ان القوى الجانبية تنتقل الى عناصر الـ  ( LFRS ) حسب صلابة هذه العناصر  .

وفقا لتعليمات الكود الامريكي  ACI  318  حسب المقطع   (12 – 3) منه ، فان الديافرامات يجب ان يكون لها سماكة ملائمة    سماكة البلاطة تقدر اولا بالاستناد الى  الحمولات الشاقولية . تلك السماكة يجب ترضي متطلبات الانسجام لتأثيرات الحمل المصعد  المركب ( حمولة شاقولية + حمولة جانبية ) على الديافرام  .

في حالة الحمولات الشاقولية تستخدم عدة طرق لتقدير تأثيرات الحمل المصعد  منها الطرق التقريبية  في الكود ACI  318  للانظمة احادية وثنائية الاتجاه . الجزء الاكبر من تلك الطرق بسيط نسبيا ويعطي نتائج معقولة جدا ، ان توزيع القوى المستوية ( في – الامستوي ) بسبب تأثير الرياح في الديافرام معقد ، على اية حال ، وبما ان  نظام الخرسانة المصبوبة في المكان يسلك كعنصر مفرد متراص مقارنة مع الانواع الاخرى من الانظمة ، فان طرق التحليل البسيط يمكن ان تستخدم لتوزيع القوى في المستوي والنتائج التي نحصل عليها يمكن مقارنتها جيدا مع النتائج الاتية من الاجراءات الاكثر تعقيدا .

عزوم الانحناء التصميمية المستوية ( في المستوي ) وقوى القص والقوى المحورية في الديافرام يمكن ان  تحسب بالطرق المذكورة في الكود ACI  318  المقطع  12-4-2-4)) .

في الابنية الخرسانية المسلحة باطوال مجازات نموذجية وبدون عدم انتظام في الديافرام ( مثل  وجود الفتحات الكبيرة او التغيرات الكبيرة في قساوة الديافرام في الطوابق المجاورة  ) ، يستخدم نموذج الديافرام الصلب بشكل شائع لتوزيع القوة ضمن الديافرام . في هذه الطريقة ، ينمذج الديافرام كجائز افقي صلب مسنود بواسطة النوابض التي تمثل القساوة الجانبية للاعضاء في الـ ( LFRS ) .

حيث انظمة بلاطة الطوابق والسطح تمثل جسد الجائز والذي يقوم بمقاومة قوى القص التصميمية التي تكون منتظمة ضمن عمق الديافرام . كما ان حدود الديافرام تمثل اجنحة الجائز التي تقاوم قوى الشد وقوى الضغط التصميمية  .  انظر الشكل ( 1 ) الذي يوضح الديافرام مع LFRS  يتكون من جدران هيكلية وعناصر خرسانية .القوى الجانبية تنقل بواسطة جسد الديافرام الى الجدران والتي تمثل كمساند للديافرام . ولان الجدار اليساري لا يمتد على كامل عمق الديافرام ، فاننا نحتاج الى عناصر جمع لتجمع القص من الديافرام وتنقله الى الجدار . حدود الديافرام التي تكون عمودية على القوى الجانبية عادة يشار اليها ( كأوتار ) تقاوم قوى الشد والضغط المتبقية  التي تنتج في الديافرام . التسليح الحدودي يركز على طول اطراف الديافرام ليقاوم قوى الشد .

من اجل الديافرامات بفتحات ، فان القوى التي تتطور في الديافرامات – الفرعية عند اعلى واسفل الفتحة وعناصر التجميع عند كل جانب من الفتحة  مطلوبة لتنقل قص الديافرام الى الديافرامات - الفرعية انظر الشكل ( 2 ) .
                                                       

في الابنية الخاضعة للرياح ، يفترض ان ضغط الرياح متمثلة فوق ارتفاع الطابق الخاضع تكون موزعة بانتظام عند ذلك المنسوب على عرض المبنى العمودي على ضغوط الرياح . قوة الرياح الحاصلة تتمثل على المركز الجيومتري  للمبنى عند ذلك المنسوب .

في الحالة العادية  ( حالة عدم تطابق مركز الصلابة مع مر كز ثقل البلاطة ) ، فان  البلاطة  سوف تنتقل وتدور . وعناصر الـ ( LFRS ) سوف تخضع لقوى قص مباشر بالاضافة الى قوى قص بسبب عزم الفتل المتولد بسبب اللامركزية .

ان أي حمل موزع معادل على الديافرام يمكن ان يستخرج بالاستناد الى ردود الافعال في النوابض .

الحمل الموزع على شكل شبه منحرف ، والموضح في الشكل ( 3 ) من اجل ديافرام بدون فتحات كبيرة . الحمولات w1  و w2  عند كل نهاية يمكن ان تستخرج باستخدام معادلة توازن القوى والعزوم ، ثم حل هاتين المعادلتين من اجل حساب القوتين الغير معروفتين w1 و w2 :

    

   ( w1+w2 ) (l1+l2+l3 )/2 = RA+RB+RC= V

                                                                

[(W1/2)+W2] [l1+l2+l3]^2 /3 =RA l1+RB(l1+l2)+RC(l1+l2+l3)

                                                     

حالما يتم تقدير قيمة w1 و w2 ، مخططات القص والعزم يمكن استخراجها  الشكل ( 3 ) . مخطط العزم يستخدم لتقدير تسليح الوتر المطلوب قرب اطراف الديافرام . قوى الضغط والشد في الاوتارالمسببة بفعل الانحناء نسبة لقوى الرياح يمكن ان تستخرج من المعادلة التالية :

          Gu = Tu = Mu,max / d                                  

                                      

حيث d  هي المسافة العمودية  بين قوى الوتر، والتي بشكل شائع تؤخذ 95% من الارتفاع الكلي للديافرام في اتجاه التحليل .

قوى الشد هي المسيطرة في الوتر ، لذلك مساحة التسليح المطلوبة للوتر ، As ، يمكن ان تقدر من المعادلة التالية :

                              As ≥ Tu / ⦶ fy

                                              

حيث :   = 0.9Ф . تسليح الوتر يجب ان يعطى  بالاضافة الى أي تسليح اخر مطلوب ، مثل تسليح الانحناء . في حال ان انظمة البلاطة والسطح ( السقوف )  بدون جوائز ، قضبان تسليح الوتر تتركز بشكل نموذجي بالقرب من طرف البلاطة وتربط الى تسليح الانحناء السفلي او العلوي . تسليح الوتر يجب ايضا  ان يتموضع حول الفتحات الكبيرة ويجب ان يتطور بشكل واضح خلال البلاطة .

مخطط القص يستخدم في :

( 1 ) – تحقيق مقاومة القص التصميمية للديافرام  .

 ( 2 ) – تصميم الوصلات من الديافرام الى العناصر الشاقولية للـ LFRS  .

 ( 3 ) – تقدير قوى الضغط المحوري والشد في اية مجمعات .

قوى القص المستوية ( في – المستوي ) في واحدة الطول يفترض ان تكون منتظمة على طول عمق الديافرام عند استخدام طريقة الديافرام الصلب للتحليل . انظر الشكل ( 3 ) . قوة القص المستوية القصوى في واحدة الطول ، في هذه الحالة تحدث على طول الجانب الصلب من الديافرام وهي تعادل الى          

                                       V u.mav / L

   والتي يجب ان تكون اصغر او تساوي مقاومة القص التصميمية المستوية في واحدة الطول المعطاة بمعادلة الكود  ACI  318   المقطع  12-5-3-3 :

                                          ⦶ Vn = ⦶  A cv ( 2 ⋋ (f`c)^0.5+ ρt fy                                       

في هذه المعادلة  A cv  : تعادل المساحة الكلية للديافرام  . و tρ ، التسليح الموزع في الديافرام الموجه باتجاه التحليل ( يكون موازي للقص المستوي ) .

كما لاحظنا سابقا ، احد الادوار الاساسية للديافرام هو نقل حمولات الرياح الى عناصر الـ LFRS  في منشات الخرسانة المسلحة المصبوبة في المكان ، هذا ينجز بتسليح نقل القص والذي يتألف عادة من قضبان تسليح  تسمى  قضبان وتد .

اعتبار الديافرام في الشكل ( 4 ) .   في الجدار B  ، قوة القص المنتظمة في الديافرام تساوي الى RB / L  ، والتي هي نفس  قوة القص الواحدة في الجدار . متطلبات المقاومة لنقل القص بين الديافرام والجدار B  هي :

                                               ⦶ Vn = ⦶  μ A vf  fy ≥ Vu = RB / L

                                              

حيث  :   = 0.75Ф  ، و Vn   قدرت وفقا لاحتكاك – القص من الكود ACI  318   المقطع  22-9-4-2  . عامل الاحتكاك  μ يعتمد على شرط الاحتكاك للخرسانة ، و مساحة التسليح التي تعترض ( تقطع ) مستوي القص  . والمعادلة التالية يمكن ان تستخدم لتقدير مساحة قضبان الوتد   A vf  لنقل القص :

                                            A vf ≥ ( RB / L) / (⦶ fy μ )

                                                    

لاجل الخرسانة المقساة التي تكون خالية من الاوساخ  ،    = 0.6μ للخرسانة بالوزن العادي في الحالة النموذجية حيث البلاطة والجدار يتم صبهما في اوقات مختلفة .

نقل القص بين الديافرام والجدار A   ، في الشكل ( 4 ) يعتمد على عرض عناصر المجمع . حيث عرض المجمعات يساوي الى طول الجدار، كل قوى الشد والضغط من المجمع تنقل مباشرة الى حدود الجدار ، و Avf  تقدر باستخدام المعادلة اعلاه بالاعتماد على القص المنتظم على طول الجدار ( الذي يساوي الى RA / L  ) . اذا كان عنصر المجمع اعرض من  الجدار ، Avf  تقدر باستخدام القص المنتظم على طول الجداراضافة الى جزء من قوة المجمع الكلية .

من اجل نقل القص بين الديافرام وعناصر المجمع عند الجدار A   ، استخدام   = 1.4μ  لتقدير Avf  مضمون لان الديافرام والمجمع يتم صبهما معا .

تسليح الوتد يجب ان يكون مطوربشكل كامل لاجل الشد الى الجدار والديافرام ( انظر المقطع 1- 1 في الشكل 4 ) . قضبان التسليح يجب ان تمتد على الاقل الى طول تطوير الشد Ld   ، المقدر وفقا للكود ACI  318   المقطع 25-4-2   مارا بالوجه الداخلي للجدار ومارا بالوجه السفلي للبلاطة . قضبان الوتد ايضا يجب ان تكون مصممة لاجل اية قوى رياح خارج المستوي التي تتمثل على الجدار .