آکادمی ملی علوم آمریکا (1974)

چکیده
 

عوامل بسیاری، حرکات دمامحور در یک ساختمان را تحت تاثیر قرار می دهند و شدت خرابی های ایجاد شده در اثر این حرکات را تعیین می کنند. از جمله ی این عوامل، درزهای انبساط هستند که حرکت آزاد را برای المان های ساختمان تا حدودی ممکن می سازند. از این رو، تعیین نیاز ساختمان به درز انبساط و همچنین تعیین خصوصیات این درز در صورت نیاز، از مسائل ناگزیر در آنالیز ساختمان ها می باشد.
در این گزارش، با معرفی روش های تحلیلی و تجربی برای تحلیل نیاز ساختمان به درز انبساط، به خواننده این امکان داده می شود که به عنوان بخشی از آنالیز ساختمان، نیاز به درز انبساط را نیز بررسی کند.

مقدمه
 

ساختمان فرآورده ای پویاست و تحت تأثیر شرایط بارگذاری های مختلف می باشد که اجزا و المان های آن را تحت تنش، کرنش و تغییر مکان دائمی قرار می دهند. در هنگامی طراحی باید تغییر مکان را به گونه ای در نظر گرفت و حتی در صورت نیاز آن را کنترل کرد که ساختمان در طول دوره ای که از آن انتظار می رود، بدون نیاز به تعمیرات اساسی قابل بهره برداری باشد.
به نظر می رسد تعیینِ این که ساختمان به درزهای انبساطِ گرمایی نیاز دارد یا ندارد، باید به عنوان بخشی از آنالیزِ سازه ایِ یک ساختمان در نظر گرفته شود و باید به اثرِ بالقوه ای تغییرات ابعادی افقی بر یکپارچگی سازه و خدمت رسانی ساختمان، توجهی ویژه معطوف گردد.
در این گزارش، تنها تغییر مکان های افقی و درزهای انبساطی که در این راستا تعبیه می شوند، مدنظر هستند و مسائل دیگر، مانند تغییر مکان های عمودی قابل سازه، افت بتن، نشست های جزئی فونداسیون و ... دیده نشده اند.
ابعاد و شکل ساختمان، تغییرات دما، ضوابط کنترل دما، نوع قاب، نوع اتصال به فونداسیون و تقارن سختی در برابر تغییر مکان جانبی و مصالح ساخت و ساز، از مهم ترین عواملی هستند که در طراحی و مکان یابی درزهای انبساط باید مورد توجه واقع شوند.

معیار تعیین نیاز ساختمان به درزهای انبساطی
 

نیاز به درزهای انبساط گرمایی در ساختمان ها، در وهله ی اول می تواند با استفاده از پایه های تجربی تعیین گردد. در صورتی که طراح تشخیص دهد که نتایج بسیار محافظه کارانه اند یا روش تجربی برای نوع ساختمان در دست بررسی، کارآمدی کافی را ندارد، آنالیزِ دقیق تری باید انجام پذیرد.

محاسبه ی تغییرات دمای طراحی
 

مقادیر دمای متوسط باید فقط بر پایه ی فصل ساخت و ساز تعیین گردد؛ دوره ی به هم پیوسته ای از سال که در آن کم ترین دمای روزانه بالای باشد.
حد دمایی را که به طور متوسط فقط 1 درصد از زمان در طول ماه های تابستان (ژوئن تا سپتامبر) دمای هوا در محل ساختمان از آن بالاتر می رود را به عنوان «حد دمای بالای قابل پیش بینی» و حد دمایی را که به طور متوسط 99 درصد از زمان در طول ماه های زمستان (دسامبر تا فوریه) دمای هوا در محل ساختمان از آن بالاتر می رود یا با آن مساوی است، به عنوان «حد دمای پایین قابل پیش بینی» می توان در نظر گرفت.

روش تجربی
 

در این روش، برای ساختمان هایی که ساختار تیر – ستون یا دال – ستون دارند، طول حداکثر ساختمان بدون درز انبساط باید از روی شکل (1) و بر اساس تغییرات دمای طراحی در محل ساختمان تعیین گردد.
در ساختمان هایی که به طور ممتد با مصالح غیر مسلح بنایی نگه داری می شوند، درزهای انبساط باید در فواصل کم تر از 60 متر در نظر گرفته شوند.
این شکل ها بر این فرض استوار هستند که حداکثر بعد مجاز ساختمان ها، تابعی از دو پارامتر می باشند:
1. بیش ترین اختلاف میان دمای متوسط سالانه در مکان ساختمان و حداکثر یا حداقل دمای مورد انتظار،
2. ضوابط کنترل دما برای ساختمان مورد نظر
پارامتر اول باعث تغییرات ابعادی می شود، در حالی که پارامتر دوم توانایی ساختمان برای میرا کردن را منعکس می کند و بنابر آن، جدیت اثر تغییرات دمای بیرون را کاهش می دهد. منحنی های مربوط به ساختمان گرم شده و گرمازدایی شده (شکل 2) مربوط به طول مجاز حداکثر ساختمان که بدون درز انبساط اجرا می شود، بر حسب تغییرات دمای طراحی به شکل یک تابع پله ای قابل ارائه هستند.
این منحنی ها می توانند برای ساختمان های با سازه ای قاب، ساختمان هایی که در تکیه گاه مفصلی هستند و تیرهای گرم شده ی میانی به کار روند. برای شرایط دیگر، قوانین زیر قابل اجرا هستند:
آ) هنگامی که ساختمان فقط گرم می شود و پایه های ستون مفصلی ست، طول مجاز را به صورتی که تعیین شده، استفاده کنید.
ب) اگر ساختمان همان طوری که گرم می شود، تهویه ی مطبوع هم می گردد، طول مجاز را 15 درصد افزایش دهید (اطمینان حاصل کنید که سامانه ی کنترل محیط به طور ممتد در حال کار کردن است).
پ) اگر ساختمان گرمازایی می شود، طول مجاز را 33 درصد کاهش دهید.
ت) اگر ساختمان تکیه گاه های صلب دارد، طول مجاز را 15 درصد کاهش دهید.
ث) اگر ساختمان اختلاف سختی قابل ملاحظه ای در مقابل تغییر مکان جانبی در دو انتهای بعد پلان خود دارد، طول مجاز را 25 درصد کاهش دهید.

در مواردی که بیش تر از یکی از این شرایط در طراحی یک ساختمان مشاهده می شود، باید درصدهای مربوط به هر شرط با هم جمع جبری شده و به طول مجاز اعمال گردد.
به نظر می رسد محدوده های 600 و 200 فوت در ابعاد طولی ساختمان ها، منعکس کننده ی تجربیات بلند مدت مهندسی باشد. در نتیجه، بدون هیچ قضاوت عملی یا تئوری دیگری، در این جا به عنوان مقادیر مرزی استفاده می شوند.
چنان که از نمودار مشخص است، برای مقادیر نسبتاً کوچک تغییرات دما ) حداکثر طول مجاز، قابل قبول می باشد.
همچنین، با توجه به تحقیقات گذشته موارد زیر قابل توجه هستند:
1. تأخیر زمانی قابل ملاحظه ای (2 تا 12 ساعت) میان حداکثر تغییر طول یک ساختمان با دمای حداکثر پیرامون که با این تغییر طول مربوط است، وجود دارد. بررسی ها نشان می دهد که تأخیر زمانی به گرادیان دما میان دمای بیرون و دمای داخل ساختمان، مقاومت در برابر انتقال تغییرات دما (عایق بندی) و طول زمانی که دمای بیرون در ترازهای حداکثر خود باقی می ماند، بستگی دارد.
2. تغییرات حداکثر دما و بعد ماکزیمم یک ساختمان، تنها پارامترهای تاثیرگذار بر گستره ی تغییر ابعاد ساختمان نیستند.
برای مثال، به نظر می رسد که ضرایب موثر انبساط گرمایی از یک ساختمان به ساختمان دیگر و همین طور داخل یک ساختمان بسیار متنوع اند.
3. ضریب موثر انبساط گرمایی تراز طبقه ی اول تقریباً یک سوم تا دو سوم طبقات بالاتر می باشد.
4. در بیش تر موارد، تغییرات ابعاد هر ساختمان در بالاترین تراز به ضریب موثر انبساط گرمایی که مقدار بین 2 و 5 بر میلیون درجه ی فارنهایت می باشد، وابسته است. با تخصیص دادن مقادیر 3/3 برای آجر، 5/5 برای بتن و 6 برای فولاد و همچنین اطمینان کم از صحت فرضیات استفاده شده در ارزیابی تغییرات دما که فاصله ی 2 تا 5 بر مبنای آن استخراج شده است، به نظر می رسد که بررسی ها تأیید می کنند که ترازهای بالاتر ساختمان تحت اثر تغییرات ابعادی مربوط به ضریب انبساط گرمایی ماده ی اصلی که هر تراز از آن ساخته شده است، قرار دارند.

روش تحلیلی
 

دشواری دسته بندی شکل های ممکن ساختمان و پیچیدگی الگوهای تنش – کرنش که اثرات تغییرات دمایی در ساختمان های غیرمستطیلی ایجاد می کند، تشخیص نیاز به درز انبساط بر پایه ی روش تجربی را مشکل یا ناشدنی می سازد. همچنین، ممکن است طراح بخواهد طول ساختمان را بدون درز انبساط از حدودی که روش تجربی معین می کند (به گونه ای که در بالا توضیح داده شد) بالاتر ببرد. بنابراین، نیاز به آنالیزی دارد تا مفاهیم زیر و روشهای طراحی سازه در آن هماهنگ باشند.

تغییر دمای یکنواخت طراحی
 

محاسبه ی تغییرات دمای طراحی برای ساختمان های گرم شده یا دارای تهویه، باید شامل یک ضریب تجربی حداقل باشد تا تغییرات دمای حداکثر را که ساختمان در معرض آن ها قرار می گیرد، کاهش دهد و در عین حال، همه ی اثر کنترل دمای درونی را نیز در نظر نگیرد. در غیاب اطلاعاتی که از نظر تکنیکی دقیق باشند و طور دیگری نتیجه بدهند، مقدار تغییر دمای یکنواخت طراحی، به طور رضایت بخشی با در نظر گرفتن هر کدام که بزرگ تر باشد، قابل تعیین است و همچنین، برای ساختمان هایی که کنترل دما ندارند، برای ساختمان های گرم شده ولی بدون تهویه، برای ساختمان های گرم شده و دارای تهویه.

روش های پیشنهادی برای طراحی ساختمان ها در برابر تغییرات گرمایی
 

مانند بسیاری از مشکلات سازه ای، بررسی اثرات گرمایی بر یک ساختمان به یک درک پایه از نیروها و تغییر شکل های توزیع شده در سازه محدود شده است. اگر تغییر شکل ها کاملاً مهار شوند، نیروهای به وجود آمده در اعضای سازه ای ممکن است از مقاومت اعضا بالاتر روند و باعث شکست سازه ای گردند. در صورت مهار نشدن هم تغییرات هندسه ی سازه ممکن است عملکرد کلی آن را تحت تاثیر قرار دهد.
- مقادیر C کم تر از واحد بر فرش این که سامانه های کنترل محیط در ساختمان های به طور ممتد فعال باشند، استوار است. پس در صورتی که پیش بینی شود دستگاه های کنترل محیط در فواصل منظمی برای یک د وره ی زمانی (2 روز یا بیش تر) خاموش می شوند، مقادیر کم تر از C قابل استفاده نیستند. هر گونه انحراف از این مقادیر باید از لحاظ عددی ثابت گردد.
پس وظیفه ی طراحی این است که یکی از سه راه گسترده ی اساسی زیر را انتخاب کند:
1. محدود کردن پتانسیل تغییر شکل در سازه (بدون این که به شکست منجر شود) توسط طراحی اعضای مناسب که به طور اساسی مقاوم و سخت شوند.
2. آزاد کردن حرکات پایه ی اعضای سازه ای ساختمان و اجزای غیر سازه ای، به گونه ای که عملکرد نهایی سازه تحت اثر معکوس قرار نگیرد. چنین سازه ای عملاً به مقاومت اضافه ی اعضا برای تحمل اثرات گرما نیاز ندارد.
3. ایجاد حالتی میان ظرفیت تحمل تنش و توانایی تحمل تغییر شکل، بدون آن که عملکرد سازه قربانی شود.
راه حل نخست، برای ساختمان های بیش تر از دو طبقه کاملاً ناشدنی ست. سخت کردن و مقاوم کردن طبقات پایین فقط اثرات مضر گرما را به طبقات بالا منتقل می کند و بنابراین، طبقات بالاتر به جای زمین بر یک پایه ی صلب مصنوعی قرار خواهند داشت. بر عکس این روش برای ساخمان های کوتاه و طویل با مصالح بنایی و جرم زیاد که مقاومت کمی در برابر حرکت دارند، روش اصلی خواهد بود. قالب های سازه ای آن ها به گونه ای طراحی شده اند که یکپارچگی ساختمان را از طریق تحمل نیروهای اصلی گرمایی که بیش تر با مقاومت ساختمان سرو کار دارد تا با تغییر شکل، تأمین کند.
بخشی از دیوارها که محل تقاطع دو دیوار یا نزدیک به آن می باشد، سطوحی که به دلیل میزان بازشوهای زیاد به نظر ضعیف می رسند و اتصالات صلب میان المان های افقی (خصوصاً بتن یا سقف های سخت دیگر) و دیوارهای جرم دار، به اثرات تغییر دما حساسیت بیش تری دارند. در همه ی این موارد و موارد مشابه با آن،باید درزهای انبساط یا المان های بسیار قوی دیگر که بتوانند به خوبی در مقابل تمایل به تغییر شکل مقاومت کنند بدون این که تسلیم شوند، در نظر گرفته شوند. نیروهایی که در این شرایط تولید می شوند، از طریق تحلیل نیروهایی که منجر به تغییر شکل الاستیکی که قابل مقایسه با تغییر شکل های یک سازه ای مهار شده بر اثر تغییر دما باشد، قابل استخراج هستند.
پس این نیروها می توانند با فرمول بسیار ابتدایی زیر محاسبه شوند:

F= نیروی محوری که در یک عضو مهار شده در برابر تغییرات مربوط به تغییر دما ایجاد می شود. = ضریب انبساط گرمایی
E= مدول الاستیسیته
A= مساحت سطح مقطع
t= تغییرات دما
اگر عضو کاملاً مهار شود، F بیش ترین مقداری را که در یک عضو می تواند تولید شود، خواهد داشت و اگر کاملاً در برابر انبساط آزاد باشد، F برابر صفر خوادهد بود. در سازه های واقعی، شرایط کاملاً مهار شده و کاملاً آزاد غیرقابل دسترسی می باشد. از لحاظ فیزیکی، مساله می تواند به دو حالت مختلف روی هم گذاری شود:
تغییرات دما می تواند باعث یک تغییر طول کلی و شود که از فرمول زیر محاسبه می شود:

در این جاL طولی از عضو است که تحت تاثیر دما قرار گرفته است. نیروهایی که در برابر تغییر طول مقاومت می کنند، تغییری در طول ایجاد می کند که در جهت مخالف می باشد.
از قانون هوک قابل محاسبه است:

تغییر خالص طول به صورت زیر خواهد بود:

پس اگر (مثلاً اگر صفر باشد یا تغییرات مهار نشده باشد)،
، F=0 و اگر (تغییرات کاملاً مهار شده یا خواهد بود.
در همه ی موقعیت های واقعی، F عددی میان o و می باشد.
اگر در جایی که آن گاه:

در تفسیر این عبارت، بیان شده است که اگر درصدی از تغییر طول مهار نشده ای باشد که عضو تحمل می کند، نیروی مهار کننده ی مکمل این درصد ضرب در نیروی مهار کامل می باشد.
پس، طراح باید ابتدا درصدی از تغییر شکل را که سازه می تواند بدون کمبودی در عملکرد تحمل کند، ارزیابی کند و سپس برای تحمل نیروهای ورای نیازهای قراردادی طراحی، مقاومتی اضافی در اعضای تحت تاثیر در نظر بگیرد. اگر این مساله در چهارچوب ابعاد منطقی یا هزینه ها قابل اجرا نباشد، طراح باید جایگزین های زیر را جهت اصلاح طرح در نظر بگیرد:
1- اتخاذ اتصالات مناسب در میان اجزای سازه ای، نیمه سازه ای و غیر سازه ای، به گونه ای که گستره ی بزرگ تری از تغییر شکل ها بدون کاهش کارآیی ساختمان مجاز باشد.
2- ایجاد یک درز انبساط (درز جداساز یا درز انقطاع نیز نامیده می شود) در قاب سازه ای که موجب کاهش طول موثر(L) و در نتیجه، کاهش پارامتر اولیه می گردد.
در حالی که مطالب بالا روش های گسترده و منطقی برای بررسی و طراحی می باشند، یکی از تفاسیر آن ها کاملاً روشن نیست و توجه ویژه ای را طلب می کند و آن، این است که اگرچه یک سازه ی مخصوص ممکن است امکان تحمل نامحدود طول (که مربوط به است) را داشته باشد، طراح باید میزان تغییر طولی را که در حیطه ی جزئیات فیزیکی سازه قابل دستیابی است، ارزیابی کند.

راهنمایی های نهایی
 

راهنمایی های زیر برای طراحی ومکان یابی درزهای انبساط توصیه می شوند:
1- درزهای انبساط باید در همه ی ارتفاع ساختمان ادامه یابند (از بالای پایه فونداسیون تا درون سقف) (یا دیوارهای حائل). دو ساختمان جدا از هم ولی همساز می توانند در پایه ها مشترک باشند.
2- حد بالای فاصله ی درز افقی (UB) در ساختمان های دارای قاب تیر و ستون، باید از رابطه ی زیر محاسبه گردد:

در این جا بر حسب درجه ی فارنهایت وl برابر طول موثر می باشد. L را از شکل (3) می توان به دست آورد.
(a) قطعات ساختمان با سختی متقارن
(b) یک قطعه با سختی نامتقارن و سختی بیش تر در انتهای دور نسبت به درز
(c) یک قطعه با سختی نامتقارن و سختی بیش تر در انتهای نزدیک نسبت به درز
3- برای در نظر گرفتن مسائل ساخت و ساز و انقباض انبساط درزگیرها، عرض درز انبساط(W)، بر حسب اینچ باید به صورت زیر محاسبه گردد:

در اینجاUB از معادله ی شماره ی (5) محاسبه می گردد و مقادیر عبارت است از:
0/2 برای ساختمان های گرمازدایی شده (unheated)
7/1 برای ساختمان های گرم شده و بدون تهویه ی هوا
4/1 برای ساختمان های گرم شده و دارای تهویه ی هوا
4- برای ساختمان هایی که دارای دیوارهای حمال خارجی با مصالح بنایی رس می باشند، حداکثر فاصله ی درزها باید به 60 متر محدود گردد و عرض حداقل مورد نیاز برای درزها (W) از عبارت زیر محاسبه می گردد:

و L همان گونه که در معادلات (6) و (7) تعیین شده اند، استفاده می گردند.
5- عرض حداقل درزها در هیچ حالتی نباید کم تر از 1 اینچ در نظر گرفته شود و اگر از 2 اینچ بیش تر باشد، باید راهکارهایی در مورد مواد مصرفی و روش های اجرای درز اندیشیده شود که خود درز در هنگام حرکات اصلی در محل درز، تحمل تنش ها را داشته باشد (راهکارهای دیگری نیز باید به جزئیات سازه ای و معماری ساختمان اعمال گردد تا از تحمل ساختمان نسبت به تغییر شکل های اصلی بدون این که خدمت رسانی آن تحت تاثیر قرار گیرد، اطمینان حاصل شود).
6- طراحی درزهای انبساط باید به گونه ای صورت گیرد که حرکت اجزای ساختمانی مجاور نسبت به هم به راحتی صورت گیرد و در عین حال، آب یا گرد و غبار وارد نشود و امکان بازرسی و تعمیر آسان نیز وجود داشته باشد. عرض درزهای انبساط باید مقادیر بیش تر از پتانسیل تغییر طول باشد تا از بسته شدن کامل درز جلوگیری شود و در ضمن، مسائل سازه ای و طبیعت مواد پُر کننده نیز در نظر گرفته شود.

نتیجه گیری
 

برای تعیین نیاز ساختمان به درز انبساط دو روش تجربی و تحلیلی در دست است؛ روش تجربی حداکثر طول ساختمان را که بدون درز انبساط قابل اجراست، 600 فوت اعلام
می دارد و این طول را برای مقادیر نسبتاً کوچک تغییرات دما مجاز می شمارد. روش تحلیلی که برای ساختمان های با شکل یا الگوهای تنش-کرنش پیچیده به کار می رود، با به کارگیری ضرایبی مانندC و با استفاده از روش استاتیکی و معهادله ی ساده ی امکان به دست آوردن طول حداکثر ساختمان را که بدون درز انبساط قابل اجراست، به طراح می دهد و همچنین، برای طراحی ساختمان با مقدار مشخصی تغییر طول، راهکارهایی ارائه می کند. درزهای انبساط که لازم است حداقل 1 اینچ عرض داشته باشند، می باید به گونه ای طراحی گردند که با حفظ کارآمدی و سرویس دهی ساختمان، امکان حرکت اجزای ساختمان را فراهم آورند و در عین حال با اندیشیدن تمهیدات ویژه، طراحی باید از پر شدن درز جلوگیری کند، تا کارآیی درز تحت تاثیر قرار نگیرد.

پی‌نوشت‌ها:
 

1- کارشناس ارشد سازه
2- کارشناس عمران
* مقادیر C کم تر از واحد بر فرض این که سیستم های کنترل محیط در ساختمان ها به طور ممتد فعال باشند استوار است پس، در صورتی که پیش بینی شود، دستگاه های کنترل محیط در فواصل منظمی برای یک دوره ی زمانی (2 روز یا بیش تر) خاموش می گردند، مقادیر کم ترC قابل استفاده نیستند. هرگونه انحراف از این مقادیر باید از لحاظ عددی ثابت گردد.
 

منابع
Expansion joist in building, Technical Report No.65
ماهنامه فنی-تخصصی دانش نما 181-182.