طراحی دیوار حائل : محاسبات دستی و آموزش تصویری و گام به گام در ایتبس

در ساخت و سازهای متداول، احداث طبقاتی پایین تر از تراز صفر-صفر زمین، به عنوان زیرزمین، امری رایج می باشد. تعداد طبقات و کاربری آن ها برحسب عواملی مانند تامین پارکینگ، تعبیه تاسیسات و انبار، راه اندازی استخر یا سالن بازی و … می تواند متغیر باشد.
کنترل و مهار فشار جانبی خاک پشت دیوارهای زیرزمین، همواره مهم ترین عامل در تعیین تعداد طبقات زیرزمین بوده است؛ زیرا همانطور که از درس مکانیک خاک به خاطر داریم، با افزایش عمق گودبرداری، مقدار فشار جانبی خاک افزایش می یابد؛ لذا هر چه تعداد طبقات زیرزمین بیشتر باشد، مقدار فشار وارده بر دیوارهای اطراف آن بیشتر بوده و دیوارها بایستی مقاطع قوی تری برای مهار این فشار داشته باشند.
در گذشته برای مهار فشار خاک پشت دیوار زیرزمین از دیوارهای بنایی ضخیم استفاده می شد ولی امروزه برای پوشش دیوارهای زیرزمین از دیوارهای بتنی به نام «دیوار حائل» استفاده می شود که در این مقاله جامع به بررسی کامل کاربرد و لزوم استفاده از دیوار حائل و محاسبات دستی بارهای وارد بر آن و آموزش گام به گام طراحی آن در ایتبس می پردازیم .

در این مقاله چه می آموزیم:

همانطور که می دانید منبع معتبر و کاملی برای طراحی دیوارهای حائل در نرم افزار Etabs وجود ندارد و اکثر جزوات و کتب، به ارائه توضیحات کلی طراحی آن قناعت کرده اند. لذا در این مقاله سعی شده است با توضیحات کامل و متنی ساده، صفر تا صد طراحی (مفاهیم تئوریک و نکات مدلسازی) دیوارهای حائل را برای مهندسین به صورت کامل تشریح نماییم.

پس از خواندن این مقاله با مطالب زیر آشنا شده و قادر به انجام کارهای زیر خواهید بود:

1. نحوه مقابله با فشار جانبی خاک و آشنایی با عملکرد دیوار حائل
2. مواقع لزوم استفاده از دیوار حائل
3. بررسی انواع بارهای وارد بر دیوار حائل
4. محاسبه دستی مقدار بارهای وارد بر دیوار حائل جهت اعمال در نرم افزار
5. آموزش گام به گام طراحی دیوار حائل در نرم افزار Etabs (بررسی ضوابط آیین نامه ای، بررسی نکات طراحی و مدلسازی دیوار حائل، آموزش بارگذاری دیوار حائل در نرم افزار، تعیین آرماتورگذاری دیوار حائل براساس ضوابط آیین نامه ای و …)
6. خلاصه و نتیجه گیری جامع در قالب 10 نکته

نحوه مقابله با فشار جانبی خاک و آشنایی با عملکرد دیوار حائل

سوال: نحوه مقابله با فشار جانبی وارد بر دیوارهای پیرامونی زیرزمین چگونه است؟

مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان در بند 7-5-2 ، انواع سازه های نگهبان موقت و دائم برای مهارفشار خاک را، از نظر عملکرد به 5 گروه زیر تقسیم می کند:

1. دیوارد با عملکرد وزنی (بند 7-5-2-1)
2. دیوارد سپرگونه (بند 7-5-2-2)
3. خاک مسلح (بند 7-5-2-2)
4. میل مهاری و میخ کوبی (بند 7-5-2-2)
5. دیوارهای زیرزمین (بند 7-5-2-2)

توضیحات مختصری از نحوه عملکرد و کاربرد هر یک در بندهای مربوطه ذکر گردیده است. از آنجایی که در ساخت و سازهای امروزی استفاده از دیوارهای زیرزمین به عنوان سازه نگهبان دائم برای مهار فشار خاک رایج است، در این مقاله به همین مورد خواهیم پرداخت.

بند 7-5-2-5 دیوارهای زیرزمین را از نظر اجرا به دو دسته تقسیم می کند:

• دیوارهای مستقل :

دیوارهایی که در زیرزمین اجرا شده و هیچ اتصالی با ستون، تیر و سقف سازه ندارد. در واقع این دیوارها به صورت مجزا و با فاصله از دیوار زیرزمین در اطراف سازه اجرا شده و فشار خاک را پیش از رسیدن به دیوار زیرزمین مهار می کنند. همین موضوع منجر می شود که در این حالت بتوان دیوارهای زیرزمین را همانند سایر دیوار های پیرامونی طبقات از بلوک های سیمانی یا سفالی ساخته و برای آن بازشو تعبیه نمود.

 

 

 

 

 

آرماتوربندی و اجرای این دیوارها مقدم بر آرماتوربندی فونداسیون ساختمان می باشد. با توجه عدم اتصال آن به تیر یا سقف سازه، دیوار حائل عملکرد طره ای داشته و همین موضوع سبب شده است که مقطع آن ها اکثراً ذوزنقه ای یا Tشکل باشد.

 

 

• دیوارهای متصل:

دیوارهایی که به ستون ها یا بخشی از آن ها متصل می باشد و از نظر سازه ای با آن ها به صورت یک پارچه عمل می کنند. این تعریف برای دیوارهای زیرزمینی است که در کشورمان به صورت وسیع مورد استفاده قرار می گیرد.

در ساخت و ساز های قدیمی که برای اکثر ساختمان ها از مصالح بنایی استفاده می شد، اغلب ساختمان ها حداکثر دو طبقه مسکونی و یک طبقه زیرزمین داشتند که کاربری این زیرزمین اغلب به صورت انباری و یا گاهاً به صورت مسکونی (با تعبیه پنجره از سمت حیاط) بود. در این قبیل ساختمان ها اکثر دیوارهای پیرامونی ساختمان از نوع باربر(حمال) بوده و ضخامت های بسیار زیادی داشتند. همین امر سبب می شد که دیوارهای زیرزمین نیز بسیار ضخیم (30 تا 40 سانتی متر) باشند.
تجربه نیز به استاد کارها ثابت کرده بود که وجود دیوارهایی با این ضخامت برای مهار فشار خاک برای یک طبقه زیرزمین (با حداکثر ارتفاع 3 متر) کفایت می کند. نتیجتاً دیوارهای باربر این ساختمان ها در نقش دیوار حائل بنایی را دیوار زیرزمین نیز ایفا نقش می کردند. (این دیوارها در عکس های زیر مشخص شده اند.)

 

 

در سال های اخیر با افزایش جمعیت و خودروها، نیاز به تامین پارکینگ برای همه واحدهای مسکونی یک ساختمان، منجر شد که مهندسین به فکر افزایش تعداد طبقات زیرزمین به منظور تامین پارکینگ خودروها بیافتند. با توجه به پیشرفت تکنولوژی ساخت و ساز، امروزه مهندسین برای مهار فشار جانبی خاک، از دیوارهای بتن آرمه که با نام «دیوار حائل» شناخته می شود، استفاده می کنند.

هرچند این دیوارها از نظر ظاهری بسیار شبیه دیوارهای برشی می باشد؛ ولی از نظر عملکردی بسیار متفاوت از آن هاست. به کارگیری دیوار حائل به عنوان دیوار زیرزمین، محدودیت تعداد طبقات زیرزمین را که در گذشته وجود داشت، به کلی حذف کرد. (در عکس های زیر عمق گودبرداری و آرماتوربندی و قالب بندی دیوارهای حائل قابل مشاهده است.)

 

 

 

مقایسه

بررسی تفاوت های دیوارحائل بتن آرمه با دیوار برشی:

1-  دیوارهای برشی دارای عملکرد درون صفحه ای بوده (خمش در دیوار در صفحه دیوار ایجاد می شود) در حالی که دیوار حائل عمدتاً دارای عملکرد برون صفحه می باشد (خمش دیوار در خارج صفحه آن اتفاق می افتد).

2-  بارهای وارده برای طراحی دیوار برشی عمدتاً لرزه ای ولی بار های وارده برای طراحی دیوار حائل عمدتا استاتیکی و گاهاً لرزه ای می باشد.

3-  راستای بار وارده بر دیوار برشی هم راستا با صفحه دیوار ولی راستای بارهای وارده بر دیوار حائل عمود بر صفحه دیوار است.

مواقع لزوم استفاده از دیوار حائل

پرسش- در چه مواقعی بایستی به طراحی و اجرای دیوار حائل روی آوریم؟

حتماً تاکنون متوجه شده اید که در مواردی که دیوارهای زیرزمین در تماس با خاک اطراف قرار داشته باشند و خاک نیرویی را از سمت خود به سمت دیوارها وارد کند، بایستی از دیوار حائل استفاده نمود.

امروزه در اکثر ساخت و سازها دیوار حائل به عنوان یک سازه نگهبان دائم برای مقابله با فشار جانبی خاک در طبقات زیرزمین مورد استفاده قرار می گیرد و استفاده از دیوارهای ضخیم بنایی به عنوان دیوار حائل زیرزمین تقریباً منسوخ شده است.

از آنجایی که اغلب، سازندگان و کارفرمایان، نسبت به اجرای دیوار حائل دارای یک ذهنیت منفی بوده و آن را یک هزینه اضافی برای پروژه تلقی می کنند؛ سازمان های نظام مهندسی اجرای دیوار حائل بتن آرمه برای زیرزمین های با بیشتر از یک طبقه (گودبرداری بیشتر از 3 متر از تراز صفر-صفر) الزام کرده است.

از همین رو گاهاً طراحان با درنظر گرفتن مسائل اقتصادی پروژه، برای زیرزمین های یک طبقه، اجرای دیوار حائل بتنی را ضروری ندانسته و ساخت دیوار با آجرفشاری و ملات ماسه سیمان با حداقل ضخامت 30 سانتی متر را ترجیح می دهند (همانند عکس زیر).
هرچند این موضوع از نظر قانونی ممانعتی نداشته و تجربه نیز، کارایی آن را ثابت کرده است؛ ولی در غالب موارد، امکان انتقال تراز پایه سازه به بالای دیوارهای حائل بنایی میسر نمی شود (دلیل این موضوع در ادامه بیان خواهد).

 

بارهای وارد بر دیوار حائل

اکثر مهندسین باتوجه به فیزیک مسئله، تنها بار وارده بر دیوار حائل را، بار ناشی از فشار خاک اطراف دیوار در نظر می گیرند. در واقع آن ها اینگونه تصور می کنند که فقط یک بار جانبی که ناشی از وزن خود خاک است، با توزیع مثلثی به دیوار حائل وارد می شود.
این درحالیست که نشریه شماره 308 (راهنمای طراحی دیوارهای حائل – 1384) نیروهایی از قبیل بار مرده، وزن خاک، فشارجانبی خاک، فشار آب زیرزمینی، فشار آپلیفت (برکَنِش)، فشار ناشی از سربار، نیروی امواج، نیروی زلزله و … را برای طراحی دیوار حائل بیان کرده است.

باتوجه به نقشه ها و دیتیل های اجرایی رایجِ دیوار حائل ساختمان های متداول؛ می توان تعداد نیروهای وارده را به سه نیروی وزن خاک، نیروی زلزله و فشار سربار محدود کرد.

کمی توضیح بیشتر :

امکان حذف فشار آب یا یخ در دیوارهای حائل (فشارهای ناشی از حضور آب در خاک پشت دیوار) چگونه ممکن می شود؟

بر اساس بند 7-5-8 در صورتی که مهندسین برای هدایت آب جمع شده در پشت دیوار (ناشی از بارندگی یا بالا آمدن سفره آب زیرزمینی)، اقدام به تعبیه زهکش و فیلتر در پشت و نزدیک پاشنه دیوار نمایند، می توان از فشار هیدرواستاتیکی آب و یخ صرف نظر نمود.

نحوه کار سیستم زهکشی دیوار حائل چگونه است؟

براساس روابط مکانیک خاک، آب همواره مسیر با نفوذپزیری بالا (آسان ترین مسیر) را برای حرکت انتخاب می کند. در اجرای زهکش ها نیز این مساله رعایت شده و لوله ی زهکشی پس از جایگذاری، با فیلتر پوشانده شده تا آب پشت دیوار را به سمت لوله ی متخلخل هدایت کنند.
مصالح فیلتر به گونه ای است که ضمن جلوگیری از شست و شوی خاک توسط آب، نفوذپذیری بالایی داشته و آب به راحتی از آن عبور می کند. آب پس از ورود به لوله ی متخلخل، از طریق لوله های تخلیه به خارج یا سیستم فاضلاب ساختمان تخلیه می شود.

 

محاسبه دستی بارهای وارد بر دیوار حائل

با توجه به رواج چشم گیر طراحی و اجرای دیوار حائل برای ساختمان ها در سال های اخیر، آیین نامه های فعلی فرصت چندانی برای پرداختن منسجم به این موضوع را پیدا نکرده اند! همین موضوع سبب شده است برای تعیین نحوه توزیع نیروهای موثر در طراحی دیوار حائل از منابع مختلفی از قبیل مباحث ششم، هفتم و نهم مقررات ملی، نشریه شماره 308، کتب مکانیک خاک و پی سازی پیشرفته و … تواماً استفاده کرده و نتایج و نکات آن ها را به صورت زیر جمع بندی نماییم:

الف) محاسبه فشارجانبی خاک :

از دروس مکانیک خاک و پی سازی به خاطر داریم که فشار جانبی خاک که ناشی از وزن آن است؛ دارای یک توزیع مثلثی در ارتفاع دیوار می باشد که در پاشنه دیوار به حداکثر خود می رسد. مقدار حداقل این فشار به ازای هر متر عمق، براساس نوع خاک پشت دیوار از جدول 6-4-1 مبحث ششم مقررات ملی قابل برداشت است.

 

 

مقادیر عنوان شده در این جدول، حداقل فشار وارده بر دیوار به ازای هر متر عمق را نشان می دهد؛ به عنوان مثال اگر نتایج آزمایشگاه ژئوتکنیک یک گودبرداری را به صورت جدول زیر فرض نماییم.

 

Ka	ɣ (kg/m3)	H (m)	رده بندی سیستم متحد
0.38	1600	3	SM

 

مقدار فشار حداقل در پاشنه دیوار براساس جدول 6-4-1 مبحث ششم مقررات ملی به صورت زیر قابل محاسبه است:

(مقدار حداقل فشار برای خاک SM براساس جدول 6-4-1 برابر 707 کیلوگرم برمترمربع به ازای هر متر عمق می باشد که براساس توضیح شماره 2 که در زیر این جدول قید گردیده است، مقدار آن را 950 کیلوگرم برمترمربع به ازای هر متر عمق در نظر گرفته ایم):

P_min= 3 x 950 = 2850 Kg/m²

علاوه بر فشار حداقل، بایستی مقدار فشار واقعی وارد بر پاشنه دیوار حائل را بر اساس داده های آزمایشگاه ژئوتکنیک، به صورت زیر محاسبه کنیم:

 

P_actual=0.38 x 1600 x 3 =1824 Kg/m²

از بین فشار حداقل آیین نامه ای (P_min) و فشار واقعی (P_actual)، بیشترین مقدار را به عنوان فشار پاشنه دیوار، برای استفاده در طراحی نرم افزاری انتخاب خواهیم نمود:

P_Soil= Max { P_min , P_actual} = Max { 2850 , 1824 } = 2850 Kg/m²

P_Soil=2850 Kg/m²

 

کمی توضیح بیشتر:

انتخاب ضریب فشار جانبی (k₀  یا K_a یا K_p )

براساس بندهای 7-5-4-3-5 و 7-5-4-3-6 مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان، برای دیوارهای زیرزمین که انتهای آن ها به سقف متکی می باشد (دیوار صلب)، در شرایط بارگذاری استاتیکی از ضریب فشار خاک در حالت سکون (k₀) و برای شرایط بارگذاری لرزه ای، انتخاب ضریب فشار جانبی به عهده مهندس واگذار شده است.

ولی با توجه به فرضیاتی که در مدلسازی و طراحی دیوارهای حائل اعمال می شود و در نظر گرفتن حاشیه اطمیان بیشتر، بهتر است برای هر دو حالت بارگذاری استاتیکی و لرزه ای (دینامیکی) از ضریب فشار جانبی در حالت محرک (K_a) استفاده شود.

ب) محاسبه نیروی زلزله دیوار حائل :

اعمال یا عدم اعمال نیروی زلزله به دیوارهای حائل از جمله موضوعاتی است که در بین مهندسین هنوز هم جای مناقشه دارد. بطوریکه:

دسته ای از مهندسین با در نظر گرفتن رفتار صلب و اتصال گیردار دیوار حائل به تیرهای طبقه؛ فشار جانبی خاک را بسیار بحرانی تر از نیروی زلزله تلقی کرده و اعمال نیروی زلزله را صرفاً برای دیوارهای حائل طره ای (نه دیوارهای حائل گیردار) ضروری می دانند.

دسته ی دوم مهندسین، معتقدند که برای نزدیک تر شدن مدلسازی به واقعیت، بایستی تمام نیروها (هر چند غیربحرانی) در طراحی دیوار حائل دیده شود.

آوردن ضوابط مربوط به محاسبه فشار دینامیکی زلزله در دیوار حائل در نشریه شماره 308 و بررسی ضوابط انتقال تراز پایه به بالای دیوار حائل در ویرایش چهارم استاندارد 2800، تلویحاً نظر دسته دوم مهندسین را تایید می کند. (ما نیز در این مقاله از همین روند پیروی خواهیم کرد.)

نحوه توزیع فشار دینامیکی زلزله بسته به آیین نامه انتخابی، متفاوت خواهد بود.

از میان آیین نامه های رایج مانند آشتو (AASHTO)،  فِما (FEMA) و … ، انتخاب آیین نامه آشتو برای کاهش حجم محاسبات بسیار مناسب است که براساس آن  توزیع فشار دینامیکی ناشی از زلزله در ارتفاع دیوار به صورت یکنواخت (مستطیلی) بوده و محل اثر آن نزدیک وسط ارتفاع دیوار می باشد.

نشریه شماره 308 نیز، برای محاسبه مقدار فشار دینامیکی زلزله، از روش «مونونوبه-اُکابه» که اصطلاحاً روش M-O نامیده می شود، استفاده می کند. این روش که حالت بسط یافته روش کولومب است، شتاب زلزله ی وارد بر گوه خاک ِ پشت دیوار را در دو حالت محرک (Active) و مقاوم (Passive) بررسی می کند. باتوجه جزئیات اجرایی و رفتار دیوار حائل در ساختمان توصیه می شود از فشار دینامیکی در حالت محرک (استفاده از ضریب K_ae) برای محاسبه نیروی زلزله وارد بر دیوارهای حائل استفاده شود.

 

 

برای محاسبه دستی مقدار فشار دینامیکی زلزله از طریق فرمول فوق لازم است هر چهار پارامتر آن محاسبه و در فرمول جایگذاری شود که این پارامترها عبارتند از:

1. مقدار ضریب فشار جانبی در حالت محرک زلزله (K_ae) :
   که از فرمول زیر قابل محاسبه است:

 

 

زاویای موردنیاز برای جایگذاری در فرمول بالا، را می توان از طریق شکل زیر مشخص و در فرمول جایگذاری نمود:

 

 

1. وزن مخصوص خاک پشت دیوار (ɣ) :
   که بایستی از گزارش آزمایشگاه مکانیک خاک و در صورت نبود این گزارش ها از نتایج آزمایشات خاک ملک مجاور استفاده نمود. مقدار ɣ بسته به جنس، دانه بندی، درصد رطوبت و … برای انواع خاک متغیر خواهد بود.
2. عمق دیوار از تراز صفر-صفر (H) :
   که عموماً از نقشه های معماری قابل برداشت است.
   توجه شود که مقدار H ممکن از قابی به قاب دیگر متفاوت باشد. (به نظرتان این اتفاق چه زمانی رخ می دهد؟)
3. ضریب زلزله قائم (K_v) :
   ضریب زلزله قائم که به صورت نسبتی از ضریب فشار افقی (K_h) محاسبه می شود (مقدار K_v تقریبا نصف K_h می باشد.) ولی مقدار دقیق این کسر بسته به مشخصات خاک قابل تعیین است.
   مقدار K_h برای مناطق با لرزه خیزی شدید برابر 0.2 توصیه شده است. مقدار این ضریب را برای سایر مناطق، می توان به نسبت شتاب مبنای طرح (A) براساس استاندارد 2800 کاهش داد.

با خواندن توضیحات مربوط به پارامترها و نحوه محاسبه هر یک از آن ها، حتما متوجه شده اید که تکرار این پروسه محاسباتی برای همه دیوارهایی که در قاب های پیرامونی سازه قرار دارند، سخت و زمانبر خواهد بود. به همین منظور نشریه شماره 308 (راهنمای طراحی دیوارهای حائل) با در نظر گرفتن فرضیاتی نسبت به سبک سازی محاسبات فشار دینامیکی اقدام کرده است که این فرضیات عبارتند از:

1. براساس توضیحات این نشریه؛ از آنجایی که مقدار ضریب زلزله قائم (K_v) در حدود 0.5 تا 0.67 برابر ضریب فشار افقی (K_h) در نظر گرفته می شود، لذا تاثیری کمتر از 10% بر مقدار فشار دینامیکی خواهد داشت؛ پس می توان در طراحی لرزه ای دیوارهای حائل به روش M-O از K_v و اینرسی حاصل از آن صرف نظر نمود. در نتیجه مقدار عبارت داخل پرانتز در فرمول اولیه ای که برای محاسبه فشار دینامیکی ارائه شده بود، برابر یک می گردد که در محاسباتی تاثیر چندانی نخواهد گذاشت.

 

1. این نشریه برای محاسبه ضریب K_ae، به جای استفاده از فرمول طویل ارائه شده، گرافی را به صورت زیر پیشنهاد می هد:
   

   محاسبه ضریب Kae با نمودار

    

پس اینکه مقادیر K_h، Φ و δ (که δ = Φ/2 ) از گزارش آزمایشگاه خاک استخراج شد، با استفاده از گراف بالا مقدار K_ae محاسبه خواهد بود. این مقدار، در فرمول ساده شده ای که در فرض اول ارائه شد، قرار گرفته و مقدار فشار دینامیکی ناشی از زلزله که به دیوار وارد می شود، محاسبه خواهد شد.

(یادآوری می شود که مقدار K_h برای مناطق با لرزه خیزی شدید برابر 0.2 توصیه شده است. مقدار این ضریب را برای سایر مناطق، می توان به نسبت شتاب مبنای طرح (A) براساس استاندارد 2800 کاهش داد.)

مثال: اگر مشخصات خاک به صورت جدول زیر گزارش شده باشد:

شهر	Kh	Φ (degree)	ɣ (kg/m3)	δ (degree)	H (m)	رده بندی سیستم متحد
همدان (A=0.3)	=0.2 x (0.3/0.35) =0.17	30°	1600	30/2= 15°=	3	SM

 

برای محاسبه فشار دینامیکی زلزله خواهیم داشت:

 

مقدار K_aecosδ از گراف بالا برابر 0.4 به دست آمده است که برای یافتن مقدار ضریب K_ae به صورت زیر پیش خواهیم رفت:

K_aecosδ=0.4 , δ=15° → K_ae= 0.4/cos15° = 0.4/0.96 → K_ae= 0.42

و در نهایت مقدار فشار دینامیکی ناشی از زلزله برابر خواهد بود با:
(عبارت RWE مخفف Retaining Wall Earthquake که برای معرفی بار دینامیکی زلزله در نرم افزار از این عبارت استفاده خواهیم کرد.)

 

RWE=2016 kg/m2

 

بیشتر بدانیم:   تاثیر وجود دیوار حائل بر طراحی لرزه ای سازه حتماً کم و بیش در مورد آوردن تراز پایه سازه به بالای دیوارهای حائل و تاثیر آن بر طراحی لرزه ای سازه شنیده اید. همانطور که می دانید انتقال تراز پایه به بالای دیوارهای حائل سبب کاهش ارتفاع سازه از تراز پایه شده و ضرایب زلزله سازه را کاهش می دهد که در نهایت منجر به کاهش نیروی زلزله ی وارده به سازه می شود. در این حالت سازه با مقاطع سبک تری طراحی پاسخگو بوده و صرفه اقتصادی زیادی برای سازنده خواهد داشت. گاهاً به دلیل عدم تسلط کامل مهندسین به ویرایش چهارم استاندارد 2800 این ذهینت غلط ایجاد می شود که صرفاً وجود دیوار حائل برای انتقال تراز پایه به بالای آن کفایت می کند. این در در حالیست که وجود دیوار حائل شرط لازم آن بوده و ضوابط دیگری به عنوان شروط کافی وجود دارد که در بند 3-3-1-2 همین استاندارد به صورت زیر بیان شده است: تامین یا عدم تامین این شروط سبب ایجاد ابهام و اختلاف نظر در بین اساتید و مهندسین صاحب نظر شده و برای طراحان سازه تا حدودی گیج کننده شده است . براساس این بند: شروط انتقال تراز پایه به بالای دیوارهای حائل عبارتند از: وجود خاک کوبیده شده (متراکم) در اطراف ساختمان عدم وجود تغییرمکان جانبی در طبقات زیر تراز پایه اغلب مهندسین طراح در ساختمان هایی که دارای زیرزمین هستند، دورتادور آن را با دیوارهای حائل پوشانده و در محاسبه نیروی زلزله، تراز پایه را از روی تراز فونداسیون(Base) به تراز مجاور زمین طبیعی (بالای دیوارحائل) منتقل می کنند. توجیه این دسته از مهندسین این است که چون سازه از تراز روی فونداسیون تا تراز صفر-صفر (بالای دیوار) توسط دیوارهای حائل و خاک کوبیده شده اطراف آن احاطه شده است، سازه از این تراز به پایین تغییر مکان جانبی ندارد ( یعنی ایجاد ارتعاش های ناشی از زلزله به جای تراز فونداسیون، از تراز زمین طبیعی آغاز می شود). این اقدام تا زمانی مورد قبول است که خاک اطراف ساختمان کوبیده شده، باقی مانده و همچنان تراکم خود را حفظ کند. از طرفی با وجود ساخت و سازهای مداوم و متراکم شهری، تامین این شرط در کل طول عمر ساختمان تقریبا ناممکن است؛ زیرا احتمال خاک برداری در اطراف ساختمان به دلیل ساخت و ساز ملک مجاور، مسئله ایست که تامین این شرط را دچار مشکل کرده  و مهندسان را در انتقال تراز پایه دچار شک و تردید می کند. همین طور بر اساس بند 3-3-1-2 استاندارد 2800 می توان استباط نمود که یکی دیگر از شروط انتقال تراز پایه به بالای دیوار حائل، این است که تغییر مکان های زیر تراز پایه بسیار ناچیز باشد. به عبارت دیگر ساختمان از آن تراز به پایین هیچ تغییرمکانی نداشته باشد. این درحالیست که تجربه نشان داده است که در بسیاری از مدلسازی ها حتی با وجود دیوارهای حایل در اطراف زیرزمین، باز هم شاهد تغییر مکان های قابل توجهی در این طبقات هستیم؛ زیرا دیوارهای حائل برخلاف دیوارهای برشی توانایی چندانی در محدود کردن تغییر مکان های ساختمان در زیر تراز پایه را ندارند. از طرف دیگر در نظرگرفتن مسائل معماری پروژه و تامین راه دسترسی به طبقات زیرزمین از طریق رمپ، سبب می شود که دیوار حائل دهانه ای که به رمپ متصل است، حذف شود تا امکان رفت و آمد خودروها را فراهم کند. همین مسئله باعث کاهش سختی مجموعه دیوارهای حائل، به ویژه در دهانه هایی که دیوار حائل وجود ندارد، شده و سازه دچار تغییر مکان های قابل توجهی می گردد. حتماً پس خواندن بررسی های انجام شده در تامین این شروط، این سوال برایتان پیش آمد که باتوجه به ضوابط سخت گیرانه برای انتقال تراز پایه، چه زمانی می توان این انتقال (تراز پایه) را انجام داده و از صحیح بودن آن اطمینان حاصل کرد؟ با توجه به مشکلات و ابهاماتی بیان شده، مهندسین و طراحان ساختمان استان اصفهان؛ پس از بارها مکاتبه با سازمان نظام مهندسی استان، طبق استعلاماتی که از مرکز تدوین مقررات ملی و مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن به عمل آوردند، راهکاری را به صورت زیر پیشنهاد کردند: «شرط بالا آوردن تراز پایه از روی فونداسیون و انتقال آن به تراز بالای دیوار حائل آن است که تغییر مکان بالاترین ترازِ دیوار حایل در برابر بار جانبی در هر راستا، حداکثر0.02 تغییر مکان نسبی جانبی (Drift) اولین طبقه ای که بر روی آن تراز پایه قرار دارد، باشد. به عنوان مثال اگر سازه ای دو طبقه زیرزمین داشته باشد، بایستی تغییر مکان دیوار در بالاترین نقطه ی آن، 0.02 تغییرمکان جانبی طبقه همکف باشد.» سوال: در صورتی که تغییرمکان بالاترین ترازِ دیوار حائل ضابطه فوق را ارضا نکند، چه راهکاری پیشنهاد می شود؟ در این حالت بایستی یکی از سه راهکار زیر را پیش گرفت: قفل آنالیز را باز کرده و در تعریف بارهای زلزله، تراز پایه را به تراز Base (تراز روی فونداسیون) منتقل کرده و محاسبات ضریب زلزله و تحلیل سازه را برای حالت جدید، مجدداً انجام دهیم. قفل آنالیز را باز کرده و سعی خواهیم نمود سختی دیوارهای حائل را به قدری افزایش دهیم که ضابطه فوق ارضا شود. برای این کار می توان ضخامت دیوارهای حائل، ابعاد تیرها و ستون های طبقات زیرزمین را افزایش تا تغییر مکان های جانبی سرِ دیوارهای حائل کاهش یافته و در ضابطه فوق را ارضا کند. چنانچه به دلایل معماری و اجرایی استفاده از راهکار دوم میسر نبود و طراح مایل به انتقال تراز پایه به روی فونداسیون نبود (رد راهکار اول)، مهندس طراح بایستی ملک های مجاور پروژه را بررسی کرده و اطمینان یابد که هیچ گونه عملیات خاک برداری و گودبرداری در اطراف پروژه در طول عمر ساختمان صورت نخواهد گرفت و خاک اطراف همچنان کوبیده و متراکم باقی خواهد ماند. در این صورت می تواند بدون ارضای ضابطه فوق، تراز پایه را به بالای دیوارهای حائل انتقال دهد. (راهکار سوم معمولاً در پروژه هایی که ساختمان به صورت مجمتع های مسکونی بوده و ساختمان در وسط زمین ساخته می شود، انجام شدنی است.) جمع بندی: مطمئن ترین و ایمن ترین روش برای انتقال تراز پایه به بالای دیوارهای حائل، استفاده از راهکارهای اول و دوم است. به عبارت دیگر مهندس طراح بایستی تراز پایه را روی تراز فونداسیون در نظر بگیرد یا با افزایش ضخامت دیوار و ابعاد تیرها و ستون ها، تغییر مکان های جانبی سر دیوار حائل را به ضابطه فوق مقید کند. در غیر این صورت هیچ روش مطئنی برای انتقال تراز پایه به تراز مجاور زمین طبیعی نیست و ممکن است در آینده ساختمان دچار آسیب های جدی گردد.

خب به ادامه بررسی نکات محاسبه دستی بارهای وارد بر دیوار حائل می پردازیم :

پ) محاسبه فشار سربار دیوار حائل :

در درس مهندسی پی خواندیم که فشار افقی ناشی از سربار به صورت نسبتی از بار قائمی که بر خاک پشت دیوار وارد می شود، قابل تعیین است.

این نسبت با ضرب ضریب فشار جانبی (K) در مقدار بار گسترده قائم وارده (q) به دست می آید که با توجه به نحوه اجرا و توضیحاتی که پیش تر ارائه شد، توصیه می شود از ضریب فشار جانبی محرک (K_a) استفاده شود.

 

ممکن است این سوال پیش آید که مقدار سربار قائم را بایستی چقدر در نظر گرفت؟

هرچند مهندسین در این موضوع نیز اتفاق نظر ندارند ولی براساس بند 7-3-3-5-3 لازم است بارمرده ساختمان ها و ابنبه مجاور به طور کامل به عنوان سربار قائم دیوار حائل در نظر گرفته شود. ازطرفی چون تعیین بارمرده ساختمان های مجاور، صرفا در حالتی امکان پذیر است که این ساختمان ها ساخته شده باشند؛ لذا اغلب مهندسین از این بار چشم پوشی کرده و در محاسبات وارد نمی کنند.

تا اینجای کار، با مفاهیم آیین نامه ای دیوار حائل و نحوه ی محاسبات انواع بارهای وارد بر آن به صورت دستی آشنا شدیم. حال نوبتی هم باشد، نوبت به عملیات  نرم افزاری مربوط به مدلسازی، بار گذاری و طراحی دیوار حائل می رسد. در ادامه قصد داریم گام به گام مراحل طراحی و  نکات آیین نامه ای مربوط به دیوار حائل را بررسی نماییم.

طراحی گام به گام دیوار حائل در ایتبس 

قبلا گفته شد دیوار حائل و برشی از نظر ظاهری شباهت های بسیاری با یکدیگر دارند؛ لذا اکثر گام های مدلسازی آن ها مشابه یکدیگر می باشد. با توجه به اینکه جزوات و کتب بسیاری به نحوه مدلسازی دیوار برشی پرداخته اند؛ در این مقاله گام های مشترک مدلسازی این دو دیوار را به صورت خلاصه بیان کرده و در عوض گام های اختصاصی طراحی دیوار حائل به طور کامل تشریح خواهد شد.

گام1: تعریف و ترسیم دیوارهای حائل

1. پس از اتمام ترسیم تیرها، ستون ها و کف های سازه، نوبت به ترسیم دیوارهای حائل زیرزمین می رسد. برای ترسیم آن ها، ابتدا به پلان اولین سقفِ بالای فونداسیون (اولین سقف بالای Base) رفته و با انتخاب آیکون رسم دیوار از منوی کناری، شروع به ترسیم دیوارهای حائل می نماییم.
2. در صورتی که ساختمان دارای بیش از یک طبقه زیرزمین باشد؛ برای افزایش سرعت مدلسازی توصیه می شود پس از اتمام ترسیم دیوار حائلِ یکی از طبقات زیرزمین، از مسیر Edit > Replicate برای کپی کردن دیوارها در سایر طبقات زیرزمین اقدام شود.
3. دقت داشته باشد که ارتباط و دسترسی طبقات مختلف زیرزمین با یکدیگر و با گذر (خیابان) از طریق رمپ میسر می شود. پس در صورتی که برای سازه بیش از یک طبقه زیرزمین پیش بینی شده باشد، نباید در محل اتصال رمپ به زیرزمین دیوارحائل ترسیم شود.
   

   عدم مدلسازی دیوار حائل در محل رمپ دسترسی

    

4. باتوجه به رفتار خارج صفحه دیوارهای حائل و بررسی مقاله «Shell یا Membrane»؛ برای مدلسازی دیوارهای حائل بایستی از دیوار با رفتاری پوسته ای (Shell) استفاده شود.
5. برای تعریف مقطع دیوار حائل با ضخامت 25 سانتی متر و از نوع Shell باید مسیر زیر را پیمود:
   

   تعریف مقطع دیوار حائل در etabs

گام2: مش بندی دیوار حائل

با توجه به عملکرد دیوار و بارگذاری آن، مش بندی آن ها در همه دهانه های قاب ضروری است. روند مش بندی دیوارهای حائل مشابه مش بندی دیوارهای برشی می باشد که در مقاله «مش بندی دیوارهای برشی» به صورت کامل بررسی شده است. لذا بررسی جزئیات این مقاله را بر عهده مهندسین واگذار می کنیم.

 

گام3: اختصاص تکیه گاه گیردار به پای دیوار حائل

پس از مش بندی دیوار ها نوبت به اختصاص تکیه گاه به دیوارهای حائل می رسد. این تکیه گاه های گیردار به پای مش های دیوار اختصاص داده خواهد شد. لذا اختصاص تکیه گاه به پای دیوار، بایستی بعد از مش بندی دیوار انجام شود. برای این کار ابتدا نقاط پای مش را به صورت زیر انتخاب خواهیم کرد (این نقاط پس از انتخاب در نرم افزار با علامت x مشخص خواهند شد.):

 

 

نقاط مشخص شده با علامت X ، همان نقاطی هستند که بایستی با اتصال گیردار به فونداسیون سازه متصل شوند. برای اختصاص تکیه گاه گیردار به صورت زیر عمل می کنیم:

 

 

پس از زدن دکمه OK تکیه گاه های گیردار به صورت مستطیل هایی در پای مش های دیوار ظاهر خواهند شد. این کار برای پای تمامی دیوارها در تمامی دهانه ها انجام خواهیم داد.

 

 

بیشتر بدانیم:   علت اختصاص تیکه گاه گیردار به پای دیوارهای حائل چیست؟ همانطور که می دانید با توجه به آرماتورگذاری و بتن درجای ریخته شده در اسکلت بتنی، همه ی اتصالات سازه به صورت گیردار (صلب) اجرا می شوند. هرچند، برخی، دیتیل هایی برای اتصالات مفصلی نیز ارائه کرده اند. اتصالات گیردار از فونداسیون شروع و تا بالای خرپشته ساختمان ادامه پیدا می کند. لذا اتصال همه المان ها به فونداسیون سازه (مانند اتصال ستون به پی، اتصال دیوارهای برشی و حائل به پی و …) از نوع گیردار می باشد.   جزئیات میلگرد گذاری اتصال گیردار دیوار حائل به فونداسیون   مهندسین برای تامین اتصال گیردار درالمان های متصل به فونداسیون، میلگردهای قائمی با طول مشخصی را به عنوان میلگرد انتظار در فونداسیون تعبیه کرده که نقش میلگرد ریشه را برای دیوارهای حائل ایفا می کنند. سپس میلگردهای قائم دیوار به آن ها وصله شده و شبکه منسجمی از آرماتور را تشکیل می دهند. از طرف دیگر اختصاص تکیه گاه به پای دیوارها، مانع از تمرکز نیروهای فشاری و کششی در دو انتهای دهانه دیوار می شود که مدلسازی را به واقعیت اجرایی نزدیک می کند. در نظر گرفتن مسائل مطرح شده، لازمه ی اختصاص تکیه گاه گیردار به پای دیوارها را بیش از پیش آشکار می کند. ( در عکس های زیر وصله میلگرد انتظار فونداسیون با میلگرد قائم دیوارها به خوبی قابل مشاهده است.)   وصله میلگرد انتظار فونداسیون با میلگرد قائم   وصله میلگرد انتظار فونداسیون با میلگرد قائم   میلگرد انتظار

 

به ادامه بیان گام ها ی طراحی در نرم افزار می پردازیم:

گام4: نام گذاری دیوار حائل :

نام گذاری دیوار های حائل (Pier Lable) به دلیل تفاوت در رفتار و نحوه بارگذاری؛ با نام گذاری دیوارهای برشی دارای تفاوت هایی است که عبارتند از:

1. بارهای وارده بر دیوار حائل در جهت عمود بر صفحه دیوار می باشد (مشابه دال ها) و در اکثر موارد مقدار حداکثر خمش، در وسط ارتفاع دیوار ایجاد می شود؛ لذا توصیه می شود نام دیوار ها حداقل در وسط ارتفاع دیوار تغییر کند (حداقل از 2 نام گذاری در ارتفاع یک دیوار استفاده شود).
   رعایت این موضوع در دیوارهای برشی با توجه به رفتار و بارگذاری داخل صفحه، ضروری نبوده و عموماً برای دیوارهای برشی هر قاب از یک نامگذاری ثابت در تمام ارتفاع آن استفاده می شود. مگر در شرایط خاص مانند دیواربرشی کوپله و … که برای اطلاعات بیشتر می توانید مقاله «دیوار برشی کوپله» را مطالعه نمایید.
2. در ابتدای همین مقاله اشاره شد که برخلاف دیوار های برشی، ستون های متصل (چسبیده) به دیوار حائل، جزئی از دیوار محسوب نمی شوند؛ پس نیازی به نام گذاری ستون های چسبیده به دیوار حائل (همانند روشی که در نام گذاری دیوارهای برشی داشتیم) نمی باشد. در اصل این ستون ها برای دیوار حائل المان مرزی محسوب نمی شوند؛ بلکه به عنوان عضوی قائم از قاب سازه عمل می کنند.

برای نام گذاری دیوارهای حائل بایستی پس از انتخاب مش های مورد نظر، از مسیر زیر برای اختصاص نام به دیوار اقدام کنیم:

 

 

 

پس از زدن OK نتیجه بصورت زیر خواهد بود:

 

 

 

 

بررسی دو مسئله مهم در نام گذاری مش ها 1- اگر سازه بیشتر از یک طبقه زیرزمین داشته باشد، نحوه نام گذاری مش های دیوار چگونه خواد بود؟در این مورد، توصیه می شود با توجه به راستای بارهای وارده بر دیوار و برای افزایش دقت آنالیز دیوارهای حائل؛ نیمی از مش های هر طبقه با یک نام و بقیه ی  آن با نام دیگری، Lable دهی شود. این کار را روی دیوارهای هر طبقه  به صورت مجزا انجام خواهیم داد. برای مثال اگر سازه دارای دو طبقه زیرزمین باشد، نام گذاری مش های آن به صورت زیر خواهد شد:   مش بندی دیوار حائل در دو طبقه زیرزمین   2- اگر در دهانه ای از قاب، تیر تراز سقف حذف شده و به جای آن از تیر نیم طبقه استفاده شود (روشی که برای مدلسازی راه پله مورد استفاده قرار می گیرد)، چه تاثیری در مدل سازی و طراحی دیوار حائل خواهد داشت؟   تیر حذف شده در تراز سقف   همانطور که از شکل نیز پیداست، در صورت حذف تیر تراز سقف، بالای دیوار با سقف سازه در ارتباط نمی باشد که سبب خواهد شد جابجایی و تغییر شکل این دیوار نسبت به سایر دیوار، افزایش پیدا کند. برای دیدن اثر این موضوع در مدلسازی، می توان دو راهکار زیر را پیشنهاد داد: دیواری را که اتصالی با سقف یا تیر ندارد، به عنوان دیوار بحرانی انتخاب کنیم. (در مورد دیوار بحرانی طراحی و انتخاب آن در گام 9 توضیح داده شده است.) با توجه به دیتیل های اجرایی دیوار حائل، توصیه می شود در بالای دیوار حائل، تیری ترسیم و مدلسازی شود. بهتر است عمق این تیر هم اندازه عمق تیرهای کناری و عرض آن، هم عرض دیوار در نظر گرفته شود. از آنجایی که سختی تیر اضافه شده در قیاس با سختی دیوار حائل قابل اغماض است، اضافه کردن این تیر در طراحی دیوار حائل تاثیر چندانی نخواهد داشت. در عوض این کار سه مزیت عمده به همراه دارد: الف) انتهای میلگردهای قائم دیوار حائل را می توان در داخل این تیر قلاب و خم نمود. ب) اسکلت سازه یکپارچگی بیشتری پیدا کرده و جابجایی طبقات زیر تراز پایه محدود تر خواهد شد (امکان برآورده شدن یکی از شروط بند 3-3-1-2  استاندارد 2800 پ) با پیروی از راهکار دوم، دیوار حائل بحرانی را می توان مطابق روش اشاره شده در گام 9 انتخاب کرد. با توجه به توضیحات ارائه شده، انتخاب راهکار دوم برای مدلسازی دیوارهای غیر متصل به سقف سازه معقول تر است.

گام5: تعیین ضریب ترک خوردگی دیوار حائل :

دیوارهای حائل برخلاف دیوارهای برشی دچار ترک نخوردگی نمی شوند (چرا؟ پاسخ را در مقاله «ضرایب ترک خوردگی دیوار برشی» بیابید). بر همین اساس نیازی به تعیین و اعمال ضریب ترک خوردگی برای هیچ یک از دیوارهای حائل زیرزمین نیست.

گام6: تعریف بارهای وارده و ترکیبات بارهای طراحی دیوار حائل

در اوایل مقاله با انواع بارهای وارد بر دیوارهای حائل آشنا شدیم و دیدم که با توجه به دیتیل های اجرایی مرسوم می توان تعدادی از آن ها را حذف کرد. در نهایت بارهای وارده بر دیوار حائل که بایستی در مدلسازی اعمال شود به دو بار:

1. فشار جانبی خاک (ناشی از وزن خاک) و
2. فشار دینامیکی زلزله

محدود شد که نحوه محاسبه دستی آن ها را آموختیم.

پیش از آنکه با نحوه بارگذاری و اعمال(اختصاص) این 2 بار در نرم افزار Etabs بپردازیم، بایستی با چگونگی تعریف این بارها در نرم افزار آشنا شویم.
برای معرفی بار ناشی از فشار خاک از نام Soil و برای بار ناشی از زلزله از نام RWE (Retaining Wall Earthquake)، در نرم افزار استفاده خواهیم کرد. تعریف این بارها در نرم افزار از مسیر زیر میسر خواهد بود:

 

 

علاوه بر تعریف الگوهای بار مذکور، لازم است ترکیبات بار ساخته شده در نرم افزار، این الگوهای بار را نیز در بر گیرد. به عنوان مثال برای ساختمان های بتنی بایستی ردیف 4 و 5 که در صفحه 15 مبحث ششم قید شده است، در ترکیب بارهای طراحی دیوار استفاده شود.

 

گام7: اعمال (اختصاص) بارهای وارده به دیوار حائل در نرم افزار

راستای بارهای وارده بر دیوار حائل عمود بر صفحه دیوار و جهت ها آن ها از سمت خاک به سمت دیوار است. همین موضوع سبب شده است تعیین موقعیت دیوار حائل با توجه به جهت محورهای اصلی نرم افزار (نه محورهای محلی دیوار حائل) بسیار مهم تلقی گردد.
در حقیقت پس از تعیین موقعیت دیوار نسبت به محورهای اصلی، بایستی جهت و علامت (مثبت یا منفی) بار به نحوی انتخاب شود که فشار ناشی از بارها همواره دیوار را به سمت داخل هل دهد.

محورهای اصلی نرم افزار همواره به صورت پیش فرض در گوشه پنجره های نمایش دیده می شود. این محورها معمولاً در گوشه پایین سمت چپ پلان قرار دارد. اگر به هر محورهای اصلی در یک از پنجره ها قابل مشاهده نبود، از مسیر View > Show Axes می توان نسبت به فعال سازی و نمایش مجدد آن اقدام کرد.

 

 

برای اعمال بارهای وارده به دیوارهای حائل در نرم افزار بایستی مراحل زیر را به ترتیب پیمود:

1. ابتدا یکی از قاب های پیرامونی سازه را که دیوار حائل در آن قرار دارد، انتخاب می کنیم. (در این مثال دیوارهای روی آکس 3 را انتخاب نموده ایم.)
2. به وسیله ی موس همه دیوارهای حائل را به حالت انتخاب (Select) در می آوریم (سعی کنید المان های دیگری نظیر تیر یا ستون را انتخاب نکنید).
3. پس از پیمودن مسیر Assign>Shell Loads>Uniform… ، پنجره ای به شکل زیر ظاهر می شود که به عنوان مثال برای اعمال بار فشارجانبی خاک به دیوارهای روی آکس 3، باید به صورت زیر تنظیم شود:
4.  

 

تعیین راستا و علامت بارهای جانبی :

همانطور که در شکل سه بعدی زیر مشاهده می کنید، فشار جانبی خاک در راستای محور Y  و هم جهت با آن وارد می شود. بر همین اساس در قسمت Direction عبارت Global-Y را انتخاب نمودیم که بدان معناست که بار وارده در راستای محور Y وارد می شود و بر حسب موقعیت دیوار در پلان سازه، جهت بار وارده هم جهت با محور Y می باشد که بایستی از علامت بار مثبت (+) استفاده کنیم.

 

 

همین روال را برای اعمال فشار جانبی خاک (Soil) و فشار دینامیکی زلزله (RWE) پیش خواهیم گرفت. تنظیمات بارگذاری برای دیوارهای هر قاب به صورت جدول زیر خواهد شد:

 

 

Direction			Load Pattern Name & Load			آکس
RWEy	RWEx	Soil	RWEy	RWEx	Soil
Global-Y	Global-Y	Global-Y	2016-	-2016	-2850	1
Global-Y	Global-Y	Global-Y	2016	2016	2850	3
Global-X	Global-X	Global-X	2016	2016	2850	A
Global-X	Global-X	Global-X	-2016	-2016	-2850	E

 

برای اطمینان از صحت بارگذاری دیوارها، پس از آنالیز سازه؛ می توان کانتورهای تنش و تغییر شکل های ایجاد شده در دیوار را از مسیر زیر مشاهده کرد:

 

 

با زدن دکمه OK تنش های خمشی ناشی از فشار خاک وارده بر دیوار به صورت کانتورهای رنگی در نرم افزار نمایش داده می شود. همانطور که از کانتورهای رنگی شکل زیر نیز پیداست، مقدار لنگر در پای دیوار (نزدیک فونداسیون) به حداکثر خود رسیده است که با توجه به نحوه توزیع فشار جانبی خاک، کاملاً صحیح و مطابق انتظار می باشد.

 

 

همین طور برای مشاهده تغییرشکل های ایجاد شده در دیوار حائل بر اثر فشار خاک وارده، باید مطابق روند زیر پیش رویم:

 

 

که پس از زدن دکمه OK تغییرشکل های ایجاد شده در دیوار به صورت زیر نمایش داده می شود. با توجه به جهت بارگذاری، تغییرشکل های ایجاد شده کاملاً صحیح و مطابق انتظار است.

 

 

گام8: ضوابط و محدودیت های  آیین نامه ای در طراحی دیوارهای حائل

پیش از شروع طراحی دیوارهای حائل در نرم افزار ایتبس ، بایستی ضوابط آرماتورگذاری این دیوارها بررسی شود؛ زیرا نرم افزار قادر به اعمال این ضوابط در طراحی نبوده و لازم است مهندس طراح آن ها را به صورت دستی در نرم افزار اعمال کند.

خوشبختانه بندهای مربوط به آرماتورگذاری دیوارهای حائل (مقدار حداقل و حداکثر آرماتور، نحوه چینش و فاصله) در مبحث نهم به صورت کاملاً صریح و واضح بیان شده است که ما را از شفاف سازی آن ها بی نیاز می کند:

 

گام9: طراحی آرماتورهای قائم دیوارهای حائل در نرم افزار

با اطلاعاتی که از مطالعه ی مقالات «آرماتور گذاری دیوار برشی مطابق ضوابط آیین نامه» و «آرماتور گذاری فونداسیون» آموختیم؛ می دانیم طراحی دیوار (برشی و حائل) در نرم افزار Etabs به دو شیوه ی آرماتورگذاری یکنواخت (Uniform Reinforcing) و آرماتورگذاری عمومی (General Reinforcing) قابل انجام است.

از آنجایی که ستون های متصل به دیوار حائل جزئی از دیوار (المان مرزی) محسوب نمی شوند؛ استفاده از آرماتورگذاری یکنواخت (Uniform Reinforcing) به سبب سهولت آرماتورگذاری مناسب تر خواهد بود.

از طرفی در طراحی دیوار حائل به روش Uniform Reinforcing می توان برای کلیه های دیوارهای یک قاب از نام گذاری یکسان استفاده نمود (در حالی که در روش General Reinforcing بایستی برای دیوارهای هر دهانه نام گذاری مختلفی انجام داد).

 

با در نظر گرفتن موارد بیان شده، در این مقاله برای آرماتور گذاری دیوارحائل از روش آرماتورگذاری یکنواخت (Uniform Reinforcing) بهره خواهیم برد که برای این کار لازم است مراحل زیر را به ترتیب انجام دهیم:

1. انتخاب یک دیوار حائل از هر قاب که توصیه می شود طول دیوار انتخاب شده از طول سایر دیوارهای همان قاب بزرگتر باشد تا تلاش های وارده بحرانی تر شود.
2. از مسیر زیر برای آرماتور گذاری مقطع دیوار (تعیین سایز و فاصله میلگردهای قائم، مقدار کاور آن ها) استفاده می کنیم.
   

   اختصاص آرماتور به مقطع دیوار

    

3. پس از کلیک بروی Uniform Reinforcing پنجره ای به شکل زیر ظاهر می شود که لازم است مشخصات مقطع دیوار را وارد نماییم. مقادیر وارد شده در این پنجره بایستی دربرگیرنده تمامی ضوابط آرماتورگذاری دیوارهای حائل ،که در گام 8 بررسی شد، باشد.
   

   وارد کردن مشخصات مقطع دیوار

    

4. درمورد انتخاب روش محاسبه میلگردهای قائم به روش چِک یا دیزاین، بایستی گفت که در صورت استفاده از روش چک برای طراحی آرماتورهای قائم دیوار برشی، نرم افزار این آرماتورها به صورت مساحت میلگرد محاسبه خواهد نمود.
   در این حالت مهندس بایستی با رعایت ضوابط میلگرد گذاری آیین نامه و در نظر گرفتن اصول تیپ بندی، نسبت به تبدیل این مساحت به تعداد و سایز میلگرد اقدام کند. با توجه به وقت گیر بودن این پروسه، بهتر است از روش چک برای محاسبه آرماتورهای قائم دیوار استفاده شود.
5. پس از کلیک بر روی دکمه OK ، مقطع تعریف شده به دیوارهای حائل بحرانی انتخاب شده، اختصاص داده خواهد شد. با در نظرگرفتن ترسیم نقشه های سازه و سهولت اجرا، بهتر است مشخصات مقاطع همه دیوارها مشابه هم باشند.
6. پس از اختصاص مقطع به دیوارهای بحرانی هر قاب، با کلیک بر روی آیکون رسم دیوار برشی، دیوارهای سازه طراحی شده و کفایت مقطع اختصاص داده شده در مرحله قبل، از مسیر زیر قابل بررسی خواهد بود:
   

   نمایش نتایج طراحی دیوار حائل

    

7. با کلیک برروی دکمه OK مقدار رِشیو هر دیوار برروی آن نمایش داده خواهد شد. محل و تعداد رشیوهای نمایش داده شده با توجه به تعداد نام گذاری دیوار در ارتفاع آن مشخص می شود (به همین دلیل توصیه می شود که حداقل از 2 نام گذاری در ارتفاع دیوار استفاده شود).
   درصورتی که مقدار رشیو از یک کمتر باشد، بدان معناست که آرماتورهای قائم دیوار برای بارهای وارده کافی بوده و دیوار تحمل آن ها را دارد. (هر چند یکی از رشیوهای روی دیوارها 1.076 شده که کمی از یک بزرگتر است، ولی به دلیل تجاوز بسیار جزئی آن، قابل اغماض است.)

    

   

   نمایش رشیوی طراحی دیوار

    

در صورتی که مقطع اختصاص داده شده به دیوار برای بارهای وارده کفایت نکند (رشیو دیوار بزرگتر از یک باشد)، بهتر است تراکم آرماتورهای دیوار را (با در نظر گرفتن نکات اجرایی) افزایش داده شود و در گام بعدی نسبت به افزایش ضخامت دیوار اقدام گردد.

در صورتی که مقطع اختصاص داده شده به دیوارها به نسبت بارهای وارده، قوی تر باشد (رشیو دیوار بسیار کوچکتر از 1 باشد)، می توان با کاهش ضخامت دیوار یا سایز آرماتور یا افزایش فاصله میلگردها، در جهت نزدیک کردن رشیو مورد نظر به 1 اقدام نمود تا طرح مورد نظر اقتصادی تر باشد.

سوال: آیا امکان طراحی دستی میلگردهای قائم دیوار حائل وجود ندارد؟

پاسخ به این سوال تا حد زیادی به توانایی محاسباتی طراح سازه مربوط می باشد؛ زیرا همانند طراحی تیرهای یک قاب خمشی در درس بتن آرمه 1، بایستی مقدار تک تک بارهای وارده به دیوار را در ترکیبات بار سازه جایگذاری کرده و بحرانی ترین مقدار برای طراحی برگزینیم.

با توجه به وجود نیروی زلزله وارد بر دیوار حائل و تعداد زیاد این ترکیبات بار، پیمودن این روند بسیار مشکل و زمانبر خواهد شد. لذا محاسبه دستی این آرماتورها چندان توصیه نمی شود. علی رقم این موضوع، در برخی منابع با توجه اینکه که نیروی وارد بر دیوارهای حائل را، صرفاً به نیروی جانبی فشار خاک محدود می کنند (نیروی زلزله ای را به دیوار حائل وارد نمی کنند)؛ با کاهش حجم محاسبات و استفاده از روابط بسیار ساده درصدد محاسبه میلگردهای قائم دیوارهای حائل بر می آیند که نتیجه آن بسیار متفاوت تر از نتیجه گزارش شده در نرم افزار می باشد.

گام10: طراحی آرماتورهای افقی دیوار حائل در نرم افزار

پس از اطمینان از کفایت مقطع دیوار (مقدار آرماتورهای قائم و ضخامت تعریف شده)، می توان میلگردهای افقی دیوار را براساس برش وارده محاسبه نمود. نرم افزار مقدار آرماتورهای افقی را همانند خاموت تیر ها براساس نسبت A_v/S گزارش می کند. برای مشاهده این نسبت و محاسبه سایز و فاصله آرماتورهای افقی بایستی مراحل زیر را به ترتیب پیمود:

1. پس از اتمام طراحی دیوار با پیمودن مسیر زیر، مشاهده نسبت A_v/S بر روی دیوار ممکن خواهد بود:
   

   مشاهده نسبت Av/S برای طراحی آرماتور افقی در ETABS

    

2. با کلیک بر روی دکمه OK، مقدار A_v/S هر دیوار بر حسب واحد نرم افزار (که در این مقاله واحد آن cm²/cm است) نمایش داده می شود.
    

    

   

   نمایش نسبت Av/S

    

3. برای تبدیل مقدار A_v/S به سایز و فاصله آرماتور، پس از قرائت بحرانی ترین مقدار آن از روی دیوار (که در این مثال A_v/S=0.0983 می باشد.)، به صورت زیر عمل خواهیم نمود:

A_v/S _read = 0.0983 cm²/cm

A_v= 2 x [(3.14 x 1.4 x 14)/4] = 2 x 1.5 = 3 cm²

→S= 3/0.0983 = 30.5 cm → S=30 cm → use: Φ14@30cm

(به عنوان یک توصیه اجرایی بهتر است سایز آرماتور های افقی با آرماتورهای قائم یکسان درنظر گرفته شود. لذا برای آرماتورهای افقی از میلگرد Φ14 استفاده خواهیم نمود.)

 

نتیجه آرماتورگذاری: مش های انتخاب شده برای دیوار مورد نظر که ضخامتی 30 سانتی دارد، به صورت زیر خواهد بود:

مش قائم: Φ14@20cm

مش افقی: Φ14@30cm

این آرماتورگذاری ها برای بحرانی ترین دیوار هر قاب به دست آمد. برای آرماتورگذاری دیوارهای حائل سایر دهانه نیز می توان همین آرماتورگذاری را به آن نیز تعمیم داد.

 

کمی بحث بیشتر   در برخی ساختمان ها ضمن طراحی دیوار حائل برای دیوارهای زیرزمین، از دیوارهای برشی در کنار قاب خمشی به عنوان سیستم لرزه بر استفاده می شود. با توجه به اینکه دیوارهای حائل کل پیرامون سازه را پوشش داده و دیوار برشی یک دهانه در کل ارتفاع سازه بالا می رود؛ تداخل این دو نوع دیوار اجتناب ناپذیر است. (مانند حالتی که در تصویر زیر مشاهده می کنید)   تداخل دیوار حائل با دیوار برشی   حال سوال اینجاست که : دیواری که در محل تلاقی دیوار برشی با دیوار حائل قرار دارد، چه نوع دیواریست؟ آیا بایستی آن را جزئی از دیوار حائل دانست یا ادامه دیوار برشی در ارتفاع سازه؟ بررسی این موضوع یکی دیگر از مسائلی است که در بین مهندسین همچنان جای مناقشه دارد. برای این حل مسئله سه دیدگاه کلی ارئه شده است: دیدگاه 1 : دیوار مشترک، جزئی از دیوار برشی سازه می باشد. در صورتی که این دیوار جزئی از دیوار حائل محسوب شود، دیواربرشی در ارتفاع قطع شده و سازه دارای نامنظمی قطع سیستم باربر جانبی در ارتفاع شده و بایستی ضوابط سخت گیرانه تری برای جبران این نامنظمی در نظر گرفته شود. دیدگاه 2: این دیوار مشترک بایستی جزئی از دیوارهای حائل زیرزمین در نظر گرفته شود؛ زیرا با انتقال تراز پایه سازه به بالای سازه، ارتعاش سازه از بالای دیوارهای حائل شروع شده و نیازی نیست که دیوار مشترک نقش دیوار برشی را در لرزه بری سازه ایفا کند. دیدگاه3:  دیوار مشترک یک بار به عنوان دیوار حائل و یک بار به عنوان دیوار برشی تحلیل و طراحی شود و هر حالتی که دیوار مقطع بحرانی تری نیاز داشته باشد، به عنوان نوع دیوار مشترک انتخاب شود. از بین این دیدگاه ها، دیدگاه های 1 و 2  پشتوانه علمی تری دارد و با توجه به توضیحات ارائه شده در هر دیدگاه، این گونه به نظر می رسد که دیدگاه 2 در صورت ارضای تمام شرایط مربوط به انتقال پایه به بالای دیوار حائل (ضوابط بند 3-3-1-2 استاندارد 2800)، صحیح تر است.

 

خلاصه و نتیجه گیری :

1. در گذشته برای مهار فشار خاک پشت دیوار زیرزمین از دیوارهای بنایی ضخیم استفاده می شد ولی امروزه برای پوشش دیوارهای زیرزمین از دیوارهای بتنی به نام «دیوار حائل» استفاده می شود.
2. دیوارهای حائل از نظر ظاهری بسیار شبیه دیوارهای برشی می باشد ولی از نظر عملکردی و بارگذاری بسیار متفاوت تر از آن است.
3. وجود دیوار حائل علاوه بر مهار فشار خاک پشت آن، می تواند در سبک سازی سازه نیز نقش ایفا کند. براساس ویرایش چهارم استاندارد 2800، در صورتی که شرایط بند 3-3-1- 2 این استاندارد کاملاً ارضا شود؛ می توان تراز پایه را به بالای دیوار حائل منتقل کرد. با این کار ضریب زلزله محاسبه شده و در نتیجه مقدار نیروی زلزله وارده بر سازه کاهش یافته و سازه با مقطع کوچکتری جوابگو خواهد بود.
4. بارهای مختلفی از قبیل بار یخ، فشار آب زیرزمینی، بار سیل، بار ناشی از وزن، بار لرزاه ای و … به دیوار حائل وارد می شود که برخی از آن ها با ارائه دیتیل های مناسب در حین اجرا قابل صرف نظر کردن می باشد.
5. بارهایی که در طراحی دیوارهای حائل در نرم افزار مورد استفاده است، عبارتند از : فشار جانبی خاک پشت دیوار و فشار دینامیکی ناشی از زلزله.
6. مقدار بارهای وارده براساس روابط مکانیک خاک و به صورت دستی محاسبه شده و برای اعمال نرم افزار استفاده خواهد شد. جهت این بارها همواره طوریست که دیوارهای حائل را به سمت داخل زیرزمین هل می دهد.
7. برخی از گام های طراحی دیوار حائل مشابه دیوارهای برشی بوده ولی سایر گام ها به صورت اختصاصی برای طراحی دیوار حائل در نرم افزار می باشد.
8. پیش از شروع طراحی دیوارهای حائل در نرم افزار، بایستی آرماتورگذاری مقطع دیوار با رعایت ضوابط آرماتورگذاری مبحث نهم صورت گیرد؛ زیرا نرم افزار قادر به اعمال و کنترل خودکار آن ها نمی باشد.
9. برای افزایش سرعت طراحی، عموماً یک دیوار از هر قاب که طول بیشتری نسبت به سایر دیوارهای همان قاب دارد (دیوار بحرانی) انتخاب شده و همان دیوار بارگذاری و طراحی می شود.
10. پس از طراحی دیوار بحرانی (تعیین آرماتورگذاری قائم و افقی آن)، می توان با تعمیم آماتورگذاری آن به سایر دیوارها؛ نسبت به ترسیم نقشه های سازه ای دیوار حائل اقدام نمود.

فیلم آموزشی :

برای آشنایی بیشتر با انواع دیوارهای حائل، نحوه عملکرد، محاسبه نیروهای وارد و … می توانید از لینک های زیر استفاده کنید:

Retaining wall in SAP

Overview of design of RCC Retaining Walls

Design of cantilevered concrete retaining walls

پلان یادگیری مبحث آرماتورگذاری در سازه های بتنی :

برای دسترسی راحت تر شما عزیزان به مطالب سایت، در جدول زیر مطالب مرتبط با مبحث آرماتورگذاری در سازه های بتنی ارائه شده است. با کلیک بر روی هر گزینه به صفحه مربوطه هدایت خواهید شد.

مبحث آرماتورگذاری در سازه های بتنی

1-    طراحی آرماتورهای تیر بتنی   2-    طراحی آرماتورهای ستون بتنی 3-    طراحی آرماتورهای دیواربرشی 4-    طراحی آرماتورهای دال بتنی 5-    طراحی آرماتورهای فونداسیون 6-    طراحی آرماتورهای دیوار حائل

منابع :

1. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ، ویرایش 1392
2. مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان ، ویرایش 1392
3. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ، ویرایش 1392
4. ICE Specification for Piling and embedded retaining walls 2nd edition 2007 – Institution of Civil Engineering
5. یادداشت علمی مهندس آتیلا امینی