طراحی سقف وافل در ایتبس (ETABS) راهنمای گام‌به‌گام با مثال عملی

چکیده : برای طراحی سقف وافل در نرم‌افزار ETABS، ابتدا باید اطلاعات اولیه مانند نقشه‌های معماری، سیستم ستون‌بندی، دهانه‌ها و بارهای وارد بر سقف را مشخص کنید. سپس با تعیین ضخامت دال، ارتفاع تیرچه‌ها و ویژگی‌های قالب وافل، مدل‌سازی سازه را آغاز می‌کنید.

سقف وافل از جمله سیستم‌های کارآمد و مدرن در صنعت ساختمان‌سازی به حساب می‌آید که به علت مزیت‌های متعدد خود، مهندسان توجه ویژه‌ای به آن دارند. اجرای سیستم وافل منجر به کاهش وزن سازه، کاهش مصرف بتن و فولاد و امکان ایجاد دهانه‌های بزرگ‌تر بدون ستون می‌شود. در این میان، انتخاب قالب وافل مناسب نقش تعیین‌کننده‌ای در کیفیت اجرا و دوام سازه دارد.

استفاده از قالب وافل استاندارد باعث می‌شود بتن‌ریزی دقیق‌تر انجام شود و سطح زیرین سقف ظاهری منظم و مقاوم پیدا کند. برای طراحی اصولی سقف وافل می‌توان از تکنیک‌های مختلفی بهره برد که یکی از این تکنیک‌ها استفاده از نرم‌افزارهای قدرتمندی نظیر ETABS است. این نرم‌افزار به مهندسان تازه‌کار و باتجربه امکان تحلیل رفتار سازه و طراحی ایمن و بهینه را می‌دهد؛ اما نحوه طراحی سقف وافل در ایتبس چگونه است؟

مبانی طراحی سقف وافل و پیش نیاز ها

قبل از این که مدلسازی در ETABS را آغاز کنید، باید اطلاعات مورد نیاز را در اختیار داشته باشید؛ نقشه‌های معماری و سازه‌ای اولیه، سیستم ستون‌بندی و دهانه‌ها، و نیز بارهای وارد بر سقف شامل بار مرده (وزن خود دال و نازک‌کاری)، بار زنده بهره‌برداری و بارهای محیطی نظیر باد و زلزله که بر سازه اثر می‌گذارند، از جمله اطلاعاتی هستند که نیاز دارید. بارگذاری‌های مذکور باید طبق آیین‌نامه‌های معتبر ملی و بین‌المللی نظیر آیین‌نامه بتن ایران و استاندارد 2800 برای زلزله تعیین شوند.

علاوه بر این، ضخامت کل سقف‌های وافل در دهانه‌های متوسط معمولاً حدود ۳۰ تا ۳۲ سانتی‌متر در نظر گرفته می‌شود که شامل ضخامت دال رویه (معمولاً ۵ تا ۷ سانتی‌متر) و ارتفاع تیرچه‌های وافل است. برای دهانه‌های بزرگ‌تر ممکن است ضخامت بیشتر، به عنوان مثال ۳۵ یا ۴۰ سانتی‌متر، نیاز باشد تا کنترل خیز و ارتعاشات در محدوده مجاز باقی بماند. آنچه اهمیت دارد این است که مهندس طراح، پیش از مدل‌سازی و اجرای سقف وافل، مشخصات قالب مورد استفاده مانند ابعاد مدول، ارتفاع تیرچه، ضخامت دال بالا و عرض تیرچه‌ها را از تأمین‌کننده قالب یا کاتالوگ محصول دریافت کند؛ چراکه این اطلاعات مبنای تعریف دقیق سقف وافل در نرم‌افزار ایتبس خواهند بود.

تنظیمات مقدماتی در ETABS برای وافل

در نسخه‌های جدید این نرم‌افزار، قابلیت تعریف مستقیم سقف‌های وافل یک طرفه و دو طرفه فراهم شده؛ پس باید در اولین گام یک مقطع دال وافل جدید با مشخصات موردنظر تعریف کنید. برای این کار باید مراحل زیر را انجام دهید:

1. از منوی Define به بخش Section Properties و سپس Slab Sections وارد شوید.

2. با کلیک بر گزینه Add New Property می‌توان یک مقطع دال جدید ایجاد کرد.

3. در پنجره تعریف مقطع، نوع دال را Waffle (دوطرفه) یا Ribbed (یک‌طرفه) انتخاب کرده و سپس مقادیر هندسی را طبق اطلاعات قالب وارد کنید. این مقادیر شامل ضخامت کل دال، ضخامت دال رویه (دال بالایی بین تیرچه‌ها)، عرض تیرچه‌ها در بالا و پایین، فاصله مرکز تا مرکز تیرچه‌ها (Modular spacing) و عمق تیرچه‌ها است.

ناگفته نماند که در همین بخش می‌توانید جنس مصالح را نیز تعریف کنید. در صورتی که قسمت‌های توپُر در سقف وجود دارد، مثل نواحی اطراف ستون‌ها یا دیوارهای برشی که باید برای تحمل برش پانچینگ پُر شوند، باید برای آن‌ها هم مقطع مناسب را تعریف نمایید.

مدلسازی سقف وافل در ETABS

اکنون که تنظیمات مقدماتی را انجام دادید، نوبت به فاز مدل‌سازی می‌رسد؛ در این مرحله باید اجزای مختلف سازه را در نرم‌افزار ایتبس ترسیم نمایید. طی 13 مرحله مدل‌سازی سقف وافل در نرم‌افزار ایتبس انجام می‌شود:

1. ابتدا شبکه‌ی محورهای معماری و ترازهای طبقات را مطابق نقشه‌های پروژه در ETABS تعریف کنید.

2. محل ستون‌ها و دیوارهای برشی را تعیین و المان‌های ستونی/دیواری را در مدل رسم کنید.

3. پس از آماده شدن اسکلت اصلی، نوبت به مدل کردن کف‌های وافل می‌رسد. برای این کار از ابزار Draw Floor/Wall استفاده کرده و سقف هر طبقه را به صورت ناحیه دال رسم نمایید.

4. هنگام ترسیم، در کادر Properties، مقطع دالی را که قبلاً برای وافل تعریف کردید، اختصاص می‌دهید.

5. اگر سقف پروژه ترکیبی از نواحی مشبک و نواحی توپر باشد، باید آن بخش‌های تو پُر را با رسم نواحی جداگانه و اختصاص مقطع دال توپر مناسب مدل‌سازی کنید.

6. تمام تیرهای لبه‌ای و کلاف‌های مرزی سقف را در اطراف دال‌های وافل مدل کنید تا انتقال نیرو از دال به ستون‌ها و دیوارها به ‌درستی انجام گیرد.

7. در برخی پروژه‌ها، سقف وافل ممکن است فاقد تیرهای میانی باشد و تنها تیرهای پیرامونی در اطراف دهانه‌ها قرار گیرند. در این حالت انتقال بارهای ثقلی از طریق شبکه تیرچه‌های متقاطع وافل و دال بالایی صورت می‌گیرد.

8. نرم‌افزار ETABS به‌صورت پیش‌فرض اتصال بین تیرچه‌های وافل و ستون‌ها را Fixed یا گیردارِ کامل فرض می‌کند که مشابه رفتار بتن یکپارچه در واقعیت است. اگر در نقشه‌های اجرایی اتصال مفصلی یا نیمه‌گیردار پیش‌بینی شده باشد، باید این ویژگی در تنظیمات اعضا تغییر داده شود.

9. در این مرحله مدل شما باید تمامی اجزای اصلی نظیر ستون‌ها، دیوارهای برشی، تیرهای کناری، دال‌های وافل و در صورت نیاز تیرهای تقویتی را داشته باشد.

10. ETABS قابلیت Auto Mesh را دارد که می‌تواند نواحی دال را به المان‌های کوچک‌تر تقسیم کند. اگر این گزینه فعال نباشد، باید به‌صورت دستی اندازه مش (معمولاً بین 0.5 تا 1 متر) را مشخص کنید.

11. در اطراف ستون‌ها، دیوارهای برشی و محل تغییر ضخامت یا مقطع، از مش‌بندی ریزتر استفاده کنید.

12. پیش از اجرای تحلیل، مدل را در نمای سه‌بعدی (3D View) بررسی کنید تا از درست بودن جهت‌گیری المان‌ها، اتصالات بین اجزا و ترازهای ارتفاعی اطمینان حاصل شود.

13. مدل نهایی سقف وافل پس از اعمال تمامی تنظیمات و کنترل‌ها، آماده انجام تحلیل استاتیکی و دینامیکی در نرم‌افزار ایتبس است.

برای درک بهتر روند تحلیل، در بخش بعدی یک مثال عملی از سقف وافل دوطرفه با دهانه ۷×۷ متر را در نرم‌افزار ETABS بررسی می‌کنیم و نتایج حاصل از تحلیل آن را گام‌به‌گام مرور خواهیم کرد.

تحلیل و ترکیب بارگذاری در نرم افزار ایتبس

پس از مدل‌سازی سقف وافل، باید بارگذاری‌ها و ترکیب بارها تعریف شوند تا تحلیل به درستی صورت گیرد. فرض کنید پروژه ما سقف وافل دوطرفه با دهانه ۷×۷ متر و ضخامت کل ۳۲ سانتی‌متر در طبقه‌ی اول ساختمان مسکونی است:

• بار مرده (وزن سقف + کف‌سازی): ۴.۵ kN/m²

• بار زنده مسکونی: ۲.۰ kN/m²

• شتاب مبنای زلزله (آیین‌نامه ۲۸۰۰): g۰.۳

در نرم‌افزار، بارها به کف‌ها اعمال و ترکیب بارها طبق آیین‌نامه ACI 318-19 تعریف می‌شوند:

1. 1.4D

2. 1.2D + 1.6L

3. 1.2D + 1.0E + 0.5L

4. 0.9D ± 1.0E

با اجرای دستور Run Analysis، نرم‌افزار رفتار سقف را در برابر این ترکیب‌ها تحلیل می‌کند.

استخراج نتایج و بررسی عملکرد

نتایج تحلیل برای سقف وافل دوطرفه با دهانه ۷×۷ متر و ضخامت کل ۳۲ سانتی‌متر در طبقه‌ی اول ساختمان مسکونی به شرح زیر است:

• خیز وسط دهانه: 4.8 میلی‌متر < حد مجاز 28 میلی‌متر (قابل قبول)

• لنگر خمشی: M22 = 38 Kn.m/m – M11 = 42 (در محدوده ظرفیت مقطع بتن C30)

• برش پانچینگ ستون: Vc = 420 kN – Vu = 380 (ایمن)

• دریفت جانبی طبقه: ۰.۰۰۲۷ < ۰.۰۰۴ (مجاز)

نکات اجرایی، خطاهای رایج و راه حل‌ها

در نهایت، یک سری نکات وجود دارد که باید در هنگام طراحی سقف وافل در ایتبس مد نظر قرار دهید:

• نواحی اطراف ستون‌ها باید به‌صورت توپر مدل شوند تا برش پانچینگ دقیق محاسبه شود.

• سختی خمشی دال وافل را حدود ۰.۱ تا ۰.۳ برابر دال توپر در نظر بگیرید.

• از مش‌بندی خودکار (Auto Mesh) استفاده کنید و در اطراف ستون‌ها مش را ریزتر نمایید.

• در صورت وجود جزئیات اجرایی خاص، اتصالات تیرچه‌ها به ستون‌ها را از حالت گیردار پیش‌فرض اصلاح نمایید.

• طراحی نهایی آرماتورها و کنترل خیز بلندمدت را در نرم‌افزار SAFE انجام دهید.

• خطاهای رایج شامل فاصله نادرست تیرچه‌ها، حذف نواحی توپر و سختی اشتباه دال است.

جمع‌بندی

طراحی سقف وافل در ایتبس (ETABS) یک روش مطمئن برای رسیدن به سازه‌ای سبک، ایمن و اقتصادی است. در نهایت، با تعریف صحیح مقطع وافل، بارگذاری استاندارد، تحلیل دقیق و رعایت نکات اجرایی، می‌توان سقفی طراحی کرد که هم از نظر عملکرد سازه‌ای و هم از نظر زیبایی معماری در سطح بالایی قرار گیرد.