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.