دیافراگم ها در ساختمان

تعریف دیافراگم

به اجزای افقی یا تقریباً افقی منتقل کننده نیروهای جانبی «دیافراگم افقی» و یا به اختصار «دیافراگم» گفته می شود. در ساختمان‌های متعارف دیافراگم‌ها عبارتند از سقف‌های بتن آرمه، سقف‌های فلزی، سقف‌های چوبی و غیره. دیافراگم‌ها بارهای جانبی را به ستون‌ها و دیوارهای برشی منتقل می کنند و نقش مهمی در پایداری سازه در برابر زلزله دارند.

انواع دیافراگم

دیافراگم‌ها را می توان به سه دسته صلب، نیمه صلب و نرم تقسیم کرد. صلب بودن یا نبودن دیافراگم به نسبت جابجایی افقی آن نسبت به جابجایی نسبی طبقه بستگی دارد. به عبارت دیگر، صلب بودن یک دیافراگم به معنای عدم تغییر شکل قابل توجه آن در راستای جانبی است.

همچنین دیافراگم‌ها به دو دسته اصلی افقی و عمودی تقسیم می‌شوند. دیافراگم‌های افقی عموماً در طبقات سازه قرار می‌گیرند و به نام‌هایی همچون دیافراگم‌های کف، سقف و پوشش شناخته می‌شوند. در حالی که دیافراگم‌های عمودی به عنوان دیوارهای برشی در ساختمان عمل می‌کنند و اغلب برای افزایش استحکام و مقاومت سازه در برابر نیروهای جانبی ناشی از زلزله طراحی می‌شوند.

·         دیافراگم صلب: دیافراگم صلب آن است که جابجایش در هر نقطه کمتر از ۱/۲۰ جابجایش در مرکز طول داد باشد. در این حالت، فرض می شود که دیافراگم همانند چوب خشک عمل می کند و بار جانبی را به صورت چکش به ستون ها و دیوارهای برشی منتقل می کند. دیافراگم صلب باعث می شود که توزیع نیروهای جانبی در سازه به صورت یکنواخت باشد و تفاوت زیادی در جابجایی طبقات وجود نداشته باشد. دیافراگم های بتن آرمه، فلزی و بیت پیش ساخته معمولاً به عنوان دیافراگم صلب در نظر گرفته می شوند.

·         دیافراگم نیمه صلب: دیافراگم نیمه صلب آن است که جابجایش در هر نقطه بین ۱/۲۰ تا ۱/۱۰ جابجایش در مرکز طول داد باشد. در این حالت، فرض می شود که دیافراگم همانند چوب خشک عمل کند اما با این تفاوت که تغییر شکل قابل توجه آن باعث می شود که توزیع نیروهای جانبی در سازه به صورت نامنظم باشد و تفاوت قابل توجهی در جابجایی طبقات وجود داشته باشد. دیافراگم های چوبی، بتن پیش ساخته و فلز پانچ شده معمولاً به عنوان دیافراگم نیمه صلب در نظر گرفته می شوند.

• دیافراگم نرم: دیافراگم نرم آن است که جابجایش در هر نقطه بزرگتر از ۱/۱۰ جابجایش در مرکز طول داد باشد. در این حالت، فرض می شود که دیافراگم همانند چوب خیس عمل کند و بار جانبی را به صورت تسلیم به ستون ها و دیوارهای برشی منتقل کند. دیافراگم نرم باعث می شود که توزیع نیروهای جانبی در سازه به صورت بسیار نامنظم باشد و تفاوت زیادی در جابجایی طبقات وجود داشته باشد. دیافراگم های نرم معمولاً در ساختمان های قدیمی و بدون طراحی زلزله ای یافت می شوند.
• از نظر جنس، دیافراگم ها ممکن است از بتن آرمه، فلز، چوب، بتن پیش ساخته، بیت پیش ساخته و غیره باشند. جنس دیافراگم تاثیر بر خصوصیات مکانیکی و مقاومت آن دارد.
• از نظر سیستم ساختمانی، دیافراگم ها ممکن است شامل تیرچه بلوک، ورق فلزی موجدار، ورق فلزی موجدار با بتن آرمه رویه، کف چوبی، طاق ضربی، مهاربند افقی و غیره باشند. سیستم ساختمانی دیافراگم تاثیر بر شکل و هندسه آن دارد.
• از نظر صلبیت، دیافراگم ها را می توان به سه دسته صلب، نیمه صلب و نرم تقسیم کرد. صلب بودن یا نبودن دیافراگم به نسبت جابجایش در هر نقطه نسبت به جابجایش نسبی طبقه بستگی دارد. صلب بودن یک دیافراگم به معنای عدم تغییر شکل قابل توجه آن در راستای جانبی است.

تحلیل دیافراگم

برای تحلیل دیافراگم، لازم است که خصوصیات مکانیکی آن را مشخص کنیم. خصوصیات مکانیکی دیافراگم عبارتند از:

·         ضخامت دیافراگم: ضخامت دیافراگم بستگی به جنس و نوع آن دارد. برای مثال، ضخامت دیافراگم بتن آرمه برابر با ضخامت صفحه بتن است، ضخامت دیافراگم فلز پانچ شده برابر با ضخامت ورق فلز است و ضخامت دیافراگم چوبی برابر با ضخامت تخته چوب است.

·         مقاومت فشاری دیافراگم: مقاومت فشاری دیافراگم بستگی به جنس و نوع آن دارد. برای مثال، مقاومت فشاری دیافراگم بتن آرمه برابر با مقاومت فشاری بتن است، مقاومت فشاری دیافراگم فلز پانچ شده برابر با مقاومت فشاری فلز است و مقاومت فشاری دیافراگم چوبی برابر با مقاومت فشاری چوب است.

·         مدول الاستیسیته دیافراگم: مدول الاستیسیته دیافراگم بستگی به جنس و نوع آن دارد. برای مثال، مدول الاستیسیته دیافراگم بتن آرمه برابر با مدول الاستیسیته بتن است، مدول الاستیسیته دیافراگم فلز پانچ شده برابر با مدول الاستیسیته فلز است و مدول الاستیسیته دیافراگم چوبی برابر با مدول الاستیسیته چوب است.

·         ضریب پواسون دیافراگم: ضریب پواسون دیافراگم بستگی به جنس و نوع آن دارد. برای مثال، ضریب پواسون دیافراگم بتن آرمه برابر با ضریب پواسون بتن است، ضریب پواسون دیافراگم فلز پانچ شده برابر با ضریب پواسون فلز است و ضریب پواسون دیافراگم چوبی برابر با ضریب پواسون چوب است.

·         عصاره افقی دیافراگم: عصاره افقی دیافراگم تعداد و مکان ستون ها و دیوارهای برشی را در سطح دیافراگم نشان می دهد. عصاره افقی دیافراگم برای محاسبه مقاومت و سختی دیافراگم در راستای جانبی استفاده می شود. عصاره افقی دیافراگم بر حسب متر مربع (m²) اندازه گیری می شود.

·         سختی دیافراگم: سختی دیافراگم توانایی مقابله با تغییر شکل جانبی آن را نشان می دهد. سختی دیافراگم بستگی به خصوصیات مکانیکی و هندسی آن دارد. سختی دیافراگم بر حسب نیوتن بر متر (N/m) اندازه گیری می شود.

• مقاومت دیافراگم: مقاومت دیافراگم حداکثر نیروی جانبی قابل تحمل آن را نشان می دهد. مقاومت دیافراگم بستگی به خصوصیات مکانیکی و هندسی آن دارد. مقاومت دیافراگم بر حسب نیوتن (N) اندازه گیری می شود.

برای تحلیل دیافراگم، معمولاً از روش های زیر استفاده می شود:

• روش تحلیل ساده: در این روش، فرض می شود که دیافراگم صلب است و بار جانبی را به صورت چکش به ستون ها و دیوارهای برشی منتقل می کند. در این روش، نیاز به محاسبه سختی و جابجایی دیافراگم نیست و فقط کافی است که عصاره افقی دیافراگم را مشخص کنیم. این روش برای ساختمان روش تحلیل پوسته ای: در این روش، فرض می شود که دیافراگم یک پوسته نازک با خصوصیات مکانیکی و هندسی مشخص است و بار جانبی را به صورت تسلط به ستون ها و دیوارهای برشی منتقل می کند. در این روش، نیاز به محاسبه سختی و جابجایی دیافراگم داریم و برای این منظور از روابط تئوری یا نرم افزارهای تحلیل سازه استفاده می کنیم. این روش برای ساختمان های بزرگ و پیچیده مناسب است.

طراحی دیافراگم

برای طراحی دیافراگم، لازم است که نقشه های ساختمان، نقشه های دیافراگم، جدول مقادیر طرح و جدول مقادیر طبقات را تهیه کنیم. همچنین لازم است که از استانداردهای ملی و بین المللی زلزله ای پیروی کنیم. برای طراحی دیافراگم، معمولاً از روش های زیر استفاده می شود:

·         روش طراحی قابل تعمیر: در این روش، فرض می شود که دیافراگم در حالت الاستیک باقی مانده و تغییر شکل قابل برگشت دارد. در این روش، هدف آن است که دیافراگم به گونه ای طراحی شود که در صورت وقوع زلزله، فقط خسارات جزئی و قابل تعمیر به آن وارد شود. در این روش، معمولاً از روابط ساده و محافظه کارانه برای محاسبه بار جانبی و مقاومت دیافراگم استفاده می شود. این روش برای ساختمان های کم اهمیت و کوچک مناسب است.

·         روش طراحی قابل جایگزینی: در این روش، فرض می شود که دیافراگم در حالت پلاستیک باقی مانده و تغییر شکل غیر قابل برگشت دارد. در این روش، هدف آن است که دیافراگم به گونه ای طراحی شود که در صورت وقوع زلزله، خسارات جدی و غیر قابل تعمیر به آن وارد شود اما ساختمان فرو نریزد و قابل جایگزینی باشد. در این روش، معمولاً از روابط پیچیده و دقیق برای محاسبه بار جانبی و مقاومت دیافراگم استفاده می شود. این روش برای ساختمان های مهم و بزرگ مناسب است.

دیافراگم‌ها به عنوان عناصر مهمی در سازه‌های ساختمانی جهت انتقال بارهای افقی و کنترل انرژی‌های دینامیکی ایفای نقش می‌کنند. با توجه به تنوع کاربردها و اهمیت عملکردی آنها، طراحی دقیق و مناسب دیافراگم‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. ترکیبی از دیافراگم‌های ساده و پیچیده با استفاده از تکنولوژی‌های نوین می‌تواند به بهبود عملکرد و ایمنی سازه‌ها کمک کند. به طور کلی، تحلیل دقیق و طراحی شکیل‌بندی بهینه دیافراگم‌ها باعث مقاومت و پایداری بیشتر سازه‌ها در مقابل بارهای دینامیکی می‌شود و در نهایت باعث افزایش ایمنی و بهره‌وری سازه‌ها خواهد شد.