مقاله تحلیلی: پی سطحی

این مقاله مروری بر الزامات طراحی پی بتن مسلح سطحی (پی‌های منفرد و گسترده) مخصوص ساختمان‌های رده D، E یا F در اختیار می‌گذارد. همچنین، روش طراحی پیشنهادی که فراتر از الزامات موجود در آیین‌نامه‌ها و استانداردها است را شامل می‌شود. اگرچه که توضیحات زیر منحصراً بر روی پی‌های منفردی که اعضای سیستم مقاوم در برابر نیروی لرزه‌ای (SFRS) را نگه می‌دارند متمرکز است، اما این توضیحات برای پی‌های گسترده نیز قابل کاربرد است.

مطابق با بخش 12.18.9.2 از آیین‌نامه ASCE/SEI 7-16 با عنوان حداقل بارهای طراحی و معیارهای مربوطه برای ساختمان‌ها و دیگر سازه‌ها، ساختمان‌ها را می‌توان روی پی‌های سطحی ساخت به شرط این‌که پی‌ها طبق بخش 12.13.9.2.1 از آیین‌نامه ASCE/SEI طراحی و جزئیات آن‌ها تهیه‌شده باشد و شرایط بخش 12.13.9.2 از آیین‌نامه ASCE/SEI ارضا شوند.

تعیین مساحت کف پی

زمانی که پی در معرض نیروهای لرزه‌ای قرار گیرد، نقص در باربری اصلی‌ترین ملاحظه طراحی محسوب خواهد شد. روند رایج بدین‌صورت است که از ترکیبات بار بهره‌برداری برای طراحی پی با ظرفیت باربری مجاز استفاده شود که این ظرفیت باربری برابر است با ظرفیت باربری استاتیکی ضربدر ضریبی که ماهیت گذرای نیروهای لرزه‌ای را در نظر می‌گیرد. بخش 1806-1 از آیین‌نامه بین‌المللی ساختمان (IBC) 2018 اجازه می‌دهد در هنگام استفاده از ترکیبات اصلی بار در بخش 1605.3.2 از آیین‌نامه‌ IBC که شامل نیروهای زلزله هستند، مقادیر فشارهای باربری قائم و جانبی فرضی موجود در جدول 1806.2 به مقدار یک‌سوم افزایش پیدا کنند. همچنین در این حالات استفاده از ظرفیت‌های باربری مجاز که از بررسی‌های ژئوتکنیکی تعیین‌شده‌اند، مجاز اعلام‌شده است.

ASCE/SEI 12.13 شامل الزامات طراحی پی‌ها ازجمله پی‌های منفرد می‌شود. به‌جای انجام تحلیل خطی که انعطاف‌پذیری پی و ویژگی‌های بار-تغییرشکل سیستم خاک پی (ASCE/SEI 12.13.3) را در نظر می‌گیرد، ابعاد کف یک پی را می‌توان یا با استفاده از روش طراحی مقاومت نهایی (ASCE/SEI 12.3.5) و یا با استفاده از روش طراحی تنش مجاز (ASCE/SEI 12.13.6) تعیین کرد.

روش طراحی مقاومت نهایی

در روش طراحی مقاومت، ترکیبات بار 1 تا 7 در ASCE/SEI 2.3.1 و ASCE/SEI 2.3.6 به همراه اثرات بار لرزه‌ای E که مطابق با ASCE/SEI 12.4.2 تعیین می‌شوند، استفاده می‌گردد:

پی سطحی

در این معادلات، ρ ضریب نامعینی است که طبق ASCE/SEI 12.3.4 تعیین می‌شود،SDS شتاب پاسخ طیفی طراحی در زمان‌های تناوب کوتاه است و QE اثرات حاصل از نیروهای لرزه‌ای افقی می‌باشند.

تنش‌های ترکیب‌شده در کف پی باید کمتر یا مساوی مقاومت باربری خاک در طراحی، ∅Q_ns باشند. ضریب مقاومت ∅ در جدول ASCE/SEI 12.13-1 ارائه‌شده است و برای مقاومت باربری برابر با 0.45 است. ASCE/SEI 12.13.5.2 اجازه می‌دهد که مقدار ∅ زمانی که مقاومت باربری اسمی توسط تست درجای پی تعیین‌شده و تست توسط مسئول مربوطه تائید شده، برابر با 0.8 در نظر گرفته شود.

مقاومت باربری اسمی خاک،Q_ns، ر می‌توان از روش‌های زیر تعیین کرد:

مقادیر باربری پیش‌فرض (فرض می‌شود نمک‌های معدنی، رس‌های معدنی، کود یا پرکننده‌های غیر مهندسی مقدار ظرفیت باربری پیش‌فرض را ندارند).
بررسی‌های ژئوتکنیکی سایت توسط متخصص طراحی دارای مجوز که خود شامل آزمایش میدانی و آزمایشگاهی می‌شود.
آزمایش درجای پی.

مطابق با ASCE/SEI 12.13.5، اثرات واژگونی در سطح مشترک خاک-پی را می‌توان طبق ASCE/SEI 12.13.4 برای پی‌هایی از ساختمان که (1) سازه مطابق با فرآیند نیروی جانبی معادل (ELFP) در ASCE/SEI 12.8 طراحی‌شده است و (2) سازه از نوع ستون پاندول وارونه یا طره‌ای نیست تا %25 کاهش داد. تنها اثرات بار لرزه‌ای را می‌توان در زمان محاسبه فشارهای باربری تا %25 کاهش داد؛ تمامی اثرات دیگرِ بار نباید کاهش داده شوند. در زمان انجام آنالیز مطابق با ASCE/SEI 12.9 مجاز است که اثرات واژگونی را به مقدار %10 کاهش داد.

تحلیل تنش‌های باربری با استفاده از روش طراحی مقاومت به این موضوع بستگی دارد که آیا پاسخ غیر الاستیک خاک قابل‌قبول است یا خیر. در صورتی که پاسخ الاستیک موردنیاز باشد، حداکثر تنش باربری با استفاده از معادلات الاستیک مناسب در شکل 1 محاسبه می‌شود که نیروهای محوری ضریب دار،P_u، لنگرهای خمشی ضریب دار، M_u، توسط ترکیبات بار 1 تا 7 در ASCE/SEI 2.3.1 و ASCE/SEI 2.3.6 تعیین می‌شوند.

زمانی که پاسخ غیر الاستیک خاک قابل‌قبول باشد، حداکثر تنش باربری که فرض می‌شود در کل سطح تماس ثابت باشد را می‌توان با فرض پلاستیسیته کامل خاک محاسبه کرد.

صرف‌نظر از پاسخ الاستیک یا غیر الاستیک خاک، حداکثر تنش باربری، q_(u,max)، باید کمتر یا برابر با مقاومت باربری طراحی خاک، ∅Q_ns باشد. مساحت پی بر اساس ترکیب بار کنترل‌کننده و معادله مناسب برای حداکثر تنش باربری تعیین می‌شود.

روش تنش مجاز

در روش طراحی تنش مجاز، ترکیبات طراحی 1 تا 10 در ASCE/SEI 2.4.1 و ASCE/SEI 2.4.5 به همراه اثرات بار لرزه‌ای، E که مطابق با ASCE/SEI 12.4.2 محاسبه می‌شوند، استفاده می‌گردند تا در ادامه حداکثر تنش‌های باربری در کف پی که باید کمتر یا برابر با ظرفیت باربری مجاز باشند، تعیین شوند. مشابه روش طراحی مقاومت، کاهش اثرات واژگونی پی مطابق با ASCE/SEI 12.13.4 مجاز است.

روش طراحی پیشنهادی

اثرات زلزله، E که مطابق با فصل 12 از ASCE/SEI تعیین می‌شوند کمتر از اثرات زلزله مورد انتظار در طول سطح زلزله طراحی می‌باشند. درواقع برای پی‌ها، عکس‌العمل‌های ایجادشده توسط E که از یک عضو متکی به پی منتقل می‌شوند، عموماً کمتر از عکس‌العمل‌های واقعی که در طول یک رخداد لرزه‌ای واقعی منتقل می‌شوند، خواهند بود؛ بنابراین تعیین تنش‌های باربری (و مقاومت‌های خمشی و برشی موردنیاز) بر اساس نیروهای زلزله توصیه‌شده در آیین‌نامه، مقداری رفتار غیر الاستیک له پی صرف‌نظر از اینکه ترکیبات بار طراحی استفاده شوند یا ترکیبات بار بهره‌برداری، تحمیل می‌کند. این رفتار غیر الاستیک ممکن است برای ساختمان‌های متعارفی که دارای رده‌بندی‌های ریسک غیرضروری (جدول ASCE/SEI 1.5-1) هستند، قابل‌تحمل باشد؛ اما پی‌هایی که با این روش طراحی می‌شوند ممکن است در طول یک رخداد لرزه‌ای آسیب‌دیده و در طول رخدادهای لرزه‌ای متوالی ممکن است به صورتی که مدنظر است، عمل نکنند. علاوه بر این، بازرسی از پی‌ها پس از یک زلزله ممکن است بسیار پرهزینه و یا حتی ممکن است غیرممکن باشد، لذا معمولاً هیچ روش مستقیمی برای اطمینان از آسیب دیدن پی وجود ندارد، مگر اینکه این آسیب کاملاً آشکار باشد. تعمیر پی‌ها نیز هزینه‌بر بوده و در برخی حالات ممکن است امکان‌پذیر نباشد.

توصیه می‌شود پی‌های ساختمان‌هایی که رده SDC برابر با D، E و F به آن‌ها اختصاص داده‌شده است، با استفاده از ترکیبات بار 1 تا 7 در ASCE/SEI 2.3.1 و ASCE/SEI 2.3.6 طراحی شوند. ترکیبات بار 6 و 7 شامل اثر بار لرزه‌ای به‌صورت ضریب اضافه مقاومت می‌باشند:

پی سطحی

در این معادلات، Ω O ضریب اضافه مقاومت است که برای SFRS در جدول 12.2-1 ASCE/SEI ارائه‌شده است.

پیش‌بینی می‌شود پی‌ها زمانی که با استفاده از این روش طراحی شوند، پاسخی عمدتاً در محدوده الاستیک داشته باشند، ضمن اینکه هنگامی‌که در معرض رخداد لرزه‌ای سطح طراحی قرار می‌گیرند، احتمال آسیب رسیدن به آن‌ها کاهش می‌یابد. پاسخ غیرخطی محدود به اعضای متکی می‌شود که به‌صورت صحیحی مطابق با الزامات مناسب در فصل 18، ACI 318-14، با عنوان الزامات آیین‌نامه برای بتن سازه‌ای، طراحی‌شده‌اند. نیروهایی که به یک پی منتقل شده‌اند نباید بیشتر از ظرفیت سازه متکی باشند.

فرآیند طراحی

فرآیند طراحی زیر را می‌توان برای محاسبه مساحت کف پی اعضای تکیه‌گاهی که جزئی از SFRS در ساختمان‌های دارای رده SDC D، E یا F هستند، استفاده کرد:

پی سطحی

با استفاده از ترکیبات بار 1 تا 7 در ASCE/SEI 2.3.1 و ASCE/SEI 2.3.6 که ترکیبات بار 6 و 7 شامل اثر بار لرزه‌ای با ضریب افزایش مقاومت هستند، اثرات بار ضریب دار را تعیین کنید.

درصورتی‌که پاسخ الاستیک خاک موردنیاز باشد، مساحت کف پی، A_f، با استفاده از معادلات الاستیک مناسب در شکل 1 و مقاومت باربری طراحی خاک، ∅Q_ns تعیین کنید.
درصورتی‌که پاسخ غیر الاستیک خاک مجاز باشد، مساحت کف پی، A_f را با استفاده از توزیع فشار باربری یکنواخت که در شکل 2 نشان داده‌شده است و مقاومت باربری طراحی خاک، ∅Q_ns، تعیین نمایید.

مقاومت در برابر بارهای جانبی

به‌طورکلی نیروهای جانبی حاصل از زلزله در یک پی از طریق اصطکاک در کف پی و فشار باربری غیرفعال در طول لبه پی که عمود برجهت تحلیل (شکل 3) است، به خاک زیرین منتقل می‌شود. هردو روش‌های طراحی مقاومت و طراحی تنش مجاز را می‌توان برای کنترل اینکه مقاومت در برابر لغزش کافی است یا خیر، استفاده کرد.

روش طراحی مقاومت

در روش طراحی مقاومت، نیروهای جانبی ضریب دار باید کمتر یا مساوی مقاومت جانبی طراحی، ∅Qns باشند. ضریب کاهش، ∅، در جدول ASCE/SEI 12.13-1 ارائه‌شده است و برای مقاومت جانبی که توسط فشار باربری غیرفعال حاصل می‌شود برابر با 0.5 و برای مقاومت جانبی که توسط لغزش (اصطکاک یا چسبندگی) حاصل می‌شود، برابر با 0.85 است. ACI 12.13.5.1.1 حاوی انواع خاک‌هایی است که مقاومت لغزشی جانبی حاصل از اصطکاک و چسبندگی را در اختیار می‌گذارند. مقادیر Qns بر اساس نیمرخ خاک در سایت که معمولاً در گزارش ژئوتکنیک منعکس می‌شود، به دست می‌آید.

مقدار فشار باربری غیرفعال نسبت به عمق به‌صورت خطی تغییر می‌کند. در عمقی برابر با ds زیر سطح زمین، فشار غیرفعال برابر است با ds ضربدر ضریب فشار غیرفعال، K_p، (که در گزارش ژئوتکنیکی ارائه می‌شود) ضربدر چگالی خاک. جدول IBC 1806.2 مقادیر فشار غیرفعال پیش‌فرض را برحسب پوند بر فوت مربع در فاصله از سطح زمین برحسب فوت برای انواع خاک در اختیار می‌گذارد.

مقاومت جانبی حاصل از اصطکاک برابر است با نیروی عمودی کلی در کف پی ضربدر ضریب نهایی اصطکاک. درزمان تعیین مقدار کلی نیروی عمودی، ترکیب بار شماره 7 باید استفاده شود زیرا کوچک‌ترین مقدار نیروی عمودی را در کف نتیجه می‌دهد. ضرایب نهایی اصطکاک به نوع خاک بستگی دارد و به‌طورکلی در یک گزارش ژئوتکنیکی ارائه می‌شوند.

ASCE/SEI 12.13.5.1.1 اجازه می‌دهد مقدار مقاومت جانبی طراحی کل، ∅Q_ns، برابر با مجموع مقادیر تعیین‌شده برای فشار غیرفعال و لغزش افقی (حاصل از اصطکاک، چسبندگی، یا ترکیبی از آن دو) باشد. گزارش ژئوتکنیک باید به‌طور خاص مشخص نماید که چه نوع یا انواعی از مقاومت لغزشی افقی در یک سایت قابل کاربرد است.

روش طراحی تنش مجاز

در روش طراحی تنش مجاز، فشارهای باربری مجاز غیرفعال و ضرایب اصطکاک به همراه حداکثر اثرات بار لرزه‌ای که توسط ترکیبات بار تنش مجاز برای تعیین کفایت مقاومت در برابر لغزش جانبی محاسبه شده‌اند، استفاده می‌شوند. مشابه باحالت فشار باربری در کف یک پی، فشارهای غیرفعال مجاز را می‌توان در زمان در نظرگیری اثرات گذرای بار در ترکیبات بار لرزه‌ای، افزایش داد.

الزامات طراحی و تهیه جزئیات

الزامات طراحی و جزئیات قابل کاربرد که در فصل 13 ACI و ACI 18.13.2 ارائه‌شده‌اند باید برای اعضای تکیه‌گاهی پی‌ SFRS در ساختمان‌های دارای رده D تا F، ارضا شوند. مشابه با حالات تعیین مساحت کف یک پی و کنترل مقاومت لغزشی، توصیه می‌شود که آرماتور گذاری برای خمش و انتقال نیرو در سطح پی با استفاده از ترکیبات بار 1 تا 7 در ASCE/SEI 2.3.1 و ASCE/SEI 2.3.6 تعیین شوند که در آن‌ها ترکیبات 6 و 7 شامل اثر بار لرزه‌ای با اضافه مقاومت است. الزامات مقاومت برشی نیز باید بر اساس همان ترکیبات بار ارضا شوند.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.