آپلیفت، Uplift

آپلیفت (Uplift) به معنای بلند شدگی یا برکَنِش است. عامل اصلی ایجاد آپلیفت، نیروهای جانبی اعم از باد یا زلزله است.

منظور از بلند شدگی می تواند موارد زیر باشد:

نیروی کششی منتقل‌ شده از مهاربند، به ستونِ متصل به آن مهاربند
نیروی فشاری باد به ‌خصوص در طراحی سازه ‌های صنعتی (سوله)
فشار بالا برنده ناشی از تورم خاک یا تراوش (Seepage) در زیر فونداسیون
بارگذاری خارج از محور ستون ‌ها (ناشاقولی ستون)

ولی زمانی که در طراحی ساختمان از uplift بحث می کنیم معمولاً دو مفهوم زیر دنبال می شود:

در وهله اول بلند شدگی عبارت است از نیروی کششی به وجود آمده در ستون تحت یک ترکیب بار مشخص که در نتیجه‌ی آن، ستون تمایل دارد به سمت بالا حرکت کند.

در صورتی‌ که اتصالات ستون به پی که در واقع همان کف ستون است به ‌خوبی طراحی شده باشند و نیرو های ایجاد شده در ستون بتوانند به پی منتقل شوند، امکان بلندشدگی فونداسیون از روی خاک وجود خواهد داشت و در نتیجه خاک زیر پی که کشش را تحمل نمی کند، دارای فشار صفر خواهد بود. البته توجه شود که آپلیفت در پی مفهوم کلی تری نسبت به حالت قبل دارد و صرفاً ناشی از نیروی کششی ستون نیست، بلکه لنگر های منتقل شده از ستون به پی نیز می تواند موجب بلند شدگی پی گردد. در مقیاس بزرگ‌ تر برآیند نیرو ها و لنگر های منتقل شده از تمامی ستون ‌ها، می تواند با یک خروج از مرکزیت نسبت به مرکز سطح پی اثر کند، که با توجه به این که در اکثر کارهای طراحی فرض بر صلب بودن پی است، امکان بلند شدگی قسمتی از پی وجود خواهد داشت.

نیروی آپلیفت و عوامل ایجاد آن

عامل اصلی ایجاد uplift، نیروهای جانبی اعم از باد یا زلزله هست که با توجه به شرایط جغرافیای ایران و نحوه ساخت ساختمان ها که عموماً سنگین می باشند، تنها زلزله می تواند موجب آپلیفت در ساختمان شود. برای بررسی نیروی بلند شدگی دو حالت وجود دارد:

حالت اول: قاب های خمشی زمانی که تحت اثر زلزله باشند، امکان به وجود آمدن نیروهای کششی در ستون‌ ها وجود دارد.
حالت دوم: در قاب های مهاربندی شده و دوگانه با توجه به این که کل یا قسمت عمده ای از نیروهای جانبی توسط مهاربند تحمل می شود، امکان به وجود آمدن نیرو های کششی بزرگ در مهاربند ها وجود دارد که می تواند موجب آپلیفت در ستون متصل به آن گردد.

نکات مهم آپلیفت در ساختمان

در سازه های بتنی متعارف، در اغلب موارد به دلیل وجود اسکلت سنگین بتنی، uplift در سازه رخ نمی دهد.

در قاب های خمشی، به دلیل اینکه همه‌ی تیرها و ستون‌ ها در باربری لرزه ای سازه مشارکت دارند، معمولاً تمرکز نیروی زلزله نداریم و نیروی جانبی آن در همه اعضا پخش می شود؛ لذا مسئله بلند شدگی چندان بحرانی نیست. در سیستم های مهاربندی شده عمده نیروی جانبی توسط مهاربند ها تحمل می شود؛ لذا در قاب های مهاربندی ‌شده ‌ی سازه، احتمال وقوع uplift در سازه بیشتر است.

عمده حالت وقوع بلند شدگی، حالت دوم (آپلیفت در ستون به واسطه کشش مهاربند) است که به موجب وجود مهاربند کششی، ستون تمایل به بلند شدگی دارد. همچنین مشخص است که امکان uplift در ستون های متصل به مهاربند ها بیشتر و بحرانی تر است.

پیچشِ به وجود آمده در سازه در قاب های مهاربندی شده می تواند به افزایش نیرو های uplift کمک کند.

راهکار های کاهش uplift در ستون

تغییر محل مهاربند: با توجه به این که ستون های گوشه، کناری و میانی دارای سطح بارگیر ثقلی متفاوت می باشند، لذا مطلوب است که مهاربند ها در کنار ستون هایی قرار گیرند که سطح بارگیر بزرگ ‌تری داشته و سهم بیشتری از نیروی ثقلی دارند. البته به لحاظ معماری معمولاً جانمایی مهاربند در دهانه های داخلی مطلوب نیست که در نظر گرفتن این امر و ایجاد تعادل بین آن‌ ها از جمله چالش‌ های مهندسین طراح است.
افزایش تعداد دهانه های مهاربندی شده (خصوصاً در طبقه اول): با افزایش تعداد دهانه های مهاربندی شده، نیروهای جانبی زلزله توسط تعداد بیشتری از مهاربند ها تحمل میشوند و نتیجه‌ اینکه، نیروی هر یک از مهاربند ها کاهش پیدا خواهد کرد. این روش علاوه بر این که نیروی uplift در ستون را کاهش میدهد، باعث کوچک ‌تر شدن مقاطع بادبند ها نیز می شود.
استفاده از بادبند در دهانه های با طول بزرگ‌ تر: با توجه به این که می دانیم این مؤلفه قائم نیروی مهاربند است که باعث آپلیفت در ستون می شود، لذا هر راهکاری که مؤلفه قائم نیروی مهاربند را از بین ببرد، باعث کاهش اثر uplift در ستون خواهد شد. مشخص است که هر چه مهاربند ها به صورت افقی‌ تر (با زاویه‌ی کوچک ‌تر نسبت به افق) قرار گیرند، مؤلفه افقی آن ها نسبت به قائم بزرگ ‌تر خواهد شد. علاوه بر بزرگ تر شدن مؤلفه افقی نیروی مهاربند، عملاً در برابر زلزله عملکرد مطلوب تری خواهد داشت و می توان مقطع بهینه تری را برای مهاربند به دست آورد.
تغییر نوع مهاربند ها: با دقت در جدول 3-4 آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله (استاندارد 2800 – ویرایش 4) مشخص می شود که با تغییر بادبند ها از نوع همگرای معمولی به مهاربند همگرای ویژه یا واگرای ویژه و یا حتی به مهاربند کمانش تاب، ضریب رفتار سازه افزایش پیدا کرده و در نتیجه نیروی زلزله طراحی کاهش پیدا می کند.
استفاده از چیدمان های خاص: با استفاده از بعضی چیدمان های خاص، نیروی کشش مهاربندها توسط همدیگر خنثی می گردد. از جمله این چیدمان های خاص می توان به Dia Grid و Steel Braced Tube اشاره کرد که در تصویر زیر نمونه از آن را مشاهده می‌کنید. البته عمده کاربرد این نوع از مهاربند ها در ساختمان های بلند مرتبه است. تئوری این نوع از چیدمان، به این شکل است که در هر طبقه از ساختمان، المانی از مهاربند قرار می گیرد ولی طرز قرارگیری این مهاربندها به شکلی است که مجموعه مهاربندها خود یک مهاربند بزرگ‌ تر تشکیل می دهند.
افزایش ضخامت صفحه‌ ستون (Base Plate) و افزایش تعداد بولت ها: در صورتی‌ که نتوان با استفاده از پنج روش اشاره ‌شده‌ ی قبلی نیروی بلندشدگی را کاهش داد، نیروی بلندشدگی ایجاد شده باید توسط المان های سازه تحمل گردد. از جمله‌ی این المان ها، صفحه ‌ستون است که میتوان با افزایش ضخامت صفحه ‌ستون (برای جلوگیری از جاری شدن آن در خمش) و افزایش تعداد بولت های ورق پای ستون، سازه را برای تحمل نیروی بلند شدگی مقاوم کرد. در طراحی ها حتماً باید دقت شود تا بولت ها، طول مهار کافی داشته باشند و به اندازه کافی در پی فرو رفته باشند.