میانقاب در سازه چیست؟
دسترسی سریع به محتوای این مطلب
میانقاب (Infill Wall) دیواری است که فضای میان تیرها و ستون های یک قاب سازه ای را پر می کند و معمولا به عنوان عضو اصلی باربر طراحی نمی شود؛ با این حال، حضور آن می تواند سختی جانبی، مقاومت، تغییرمکان و نحوه توزیع نیرو در ساختمان را به طور محسوسی تغییر دهد. این دیوارها با مصالح مختلفی مانند آجر، بلوک، بتن یا مصالح سبک اجرا می شوند و نوع مصالح، نحوه اتصال به قاب و وجود بازشو در تعیین رفتار آنها هنگام زلزله اهمیت زیادی دارد. از آنجا که اجرای قاب پیرامونی و برخی جزئیات اتصال میانقاب به مقاطع و اجزای فولادی وابسته است، قیمت آهن نیز می تواند بخشی از هزینه اجرای سازه را تحت تاثیر قرار دهد. در ادامه این مقاله، انواع میانقاب، نحوه عملکرد، مقاومت جانبی و تاثیر آن بر رفتار لرزه ای ساختمان را به صورت تخصصی بررسی می کنیم.
معرفی دیوار میانقاب
دیوار میانقاب (Infill Wall) یک عضو غیرسازه ای یا شبه سازه ای است که فضای داخلی قاب های خمشی یا مهاربندی شده را میان تیرها و ستون ها پر می کند. این دیوار معمولا برای تحمل بارهای ثقلی ساختمان طراحی نمی شود، اما تحت اثر نیروهای جانبی، به ویژه زلزله، می تواند وارد اندرکنش مکانیکی با قاب پیرامونی شود. هنگام تغییرشکل جانبی قاب، بخشی از میانقاب در امتداد قطر فشاری فعال شده و رفتاری مشابه یک دستک فشاری معادل (Equivalent Diagonal Strut) ایجاد می کند. در نتیجه، وجود میانقاب می تواند سختی اولیه، مقاومت جانبی، دوره تناوب طبیعی و توزیع نیروهای داخلی سازه را تغییر دهد. میزان این تاثیر به مقاومت فشاری مصالح، مدول الاستیسیته، ضخامت و ابعاد دیوار، نسبت طول به ارتفاع، کیفیت ملات، مشخصات قاب و نحوه تماس دیوار با تیر و ستون وابسته است.
از دیدگاه مهندسی زلزله، میانقاب را نمی توان صرفا یک جداکننده معماری در نظر گرفت؛ زیرا رفتار واقعی قاب دارای میانقاب با قاب خالی (Bare Frame) تفاوت قابل توجهی دارد. وجود بازشوهای در و پنجره، محل قرارگیری آنها، توزیع نامنظم میانقاب ها در ارتفاع ساختمان و نحوه اتصال دیوار به قاب می تواند مسیر انتقال نیرو را تغییر دهد و حتی پدیده هایی مانند طبقه نرم، پیچش نامنظم یا اثر ستون کوتاه ایجاد کند. علاوه بر رفتار درون صفحه ای (In-Plane Behavior)، پایداری خارج از صفحه (Out-of-Plane Stability) دیوار نیز اهمیت دارد، زیرا میانقاب آسیب دیده ممکن است در اثر شتاب لرزه ای از صفحه خود خارج شود. بنابراین در طراحی حرفه ای، مشخصات میانقاب و جزئیات اتصال یا جداسازی آن باید همزمان با سیستم سازه ای اصلی بررسی شوند تا تاثیر واقعی دیوار بر پاسخ لرزه ای ساختمان کنترل شود.
انواع میانقاب
انواع میانقاب را می توان بر اساس جنس مصالح و نحوه اتصال دیوار به قاب سازه دسته بندی کرد. این تفکیک از نظر مهندسی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا سختی، جرم، مقاومت و نوع اتصال هر میانقاب می تواند پاسخ قاب را در برابر بارهای جانبی تغییر دهد. دیوار میانقاب در ساختمان اگرچه معمولا به عنوان عضو اصلی سیستم باربر جانبی طراحی نمی شود، در عمل با قاب پیرامونی اندرکنش دارد و ممکن است مسیر انتقال نیرو و توزیع تغییرشکل ها را تحت تاثیر قرار دهد. بنابراین بررسی نقش میانقاب در سازه باید متناسب با مشخصات واقعی دیوار و جزئیات اجرایی آن انجام شود.
میانقاب با مصالح بنایی
میانقاب بنایی (Masonry Infill Wall) معمولا با آجر، بلوک سفالی، بلوک سیمانی یا سایر واحدهای بنایی اجرا می شود و یکی از متداول ترین انواع دیوار میانقاب است. پس از اعمال نیروی جانبی، تماس میان قاب و دیوار می تواند باعث شکل گیری مسیر فشاری قطری در صفحه دیوار شود؛ به همین دلیل در مدل سازی مهندسی گاهی اثر آن با مفهوم دستک فشاری معادل (Equivalent Diagonal Strut) بررسی می شود. مقاومت مصالح، ضخامت دیوار، نسبت ابعاد، وجود بازشو و کیفیت ملات بر مقاومت جانبی میانقاب اثر مستقیم دارند. در پروژه هایی که مقدار زیادی فولاد در قاب پیرامونی یا اتصالات مصرف می شود، تغییرات قیمت آهن نیز می تواند بر هزینه کلی اجرای سیستم سازه و اجزای مرتبط اثرگذار باشد.
میانقاب بتنی
میانقاب بتنی از بتن معمولی، بتن مسلح یا قطعات بتنی پیش ساخته تشکیل می شود و به دلیل جرم و سختی بیشتر، اندرکنش آن با قاب می تواند قابل توجه باشد. نحوه آرماتورگذاری، ضخامت، مقاومت بتن و چگونگی اتصال به تیر و ستون تعیین می کند که رفتار سازه ای میانقاب تا چه اندازه در پاسخ جانبی ساختمان موثر باشد. این نوع دیوار را نباید صرفا به دلیل بتنی بودن با دیوار برشی یکسان دانست؛ پاسخ به این پرسش که دیوار برشی چیست به عضوی مربوط می شود که به طور مشخص به عنوان بخشی از سیستم باربر جانبی طراحی شده است. در مقابل، میانقاب بتنی ممکن است اساسا برای این وظیفه طراحی نشده باشد، حتی اگر در عمل سختی قاب را افزایش دهد.
میانقاب با مصالح سبک
میانقاب سبک می تواند با بلوک های سبک، بتن هوادار اتوکلاو شده (AAC)، پانل های سبک یا سیستم های خشک اجرا شود. کاهش جرم این دیوارها می تواند وزن لرزه ای ساختمان را کاهش دهد، اما عملکرد لرزه ای میانقاب فقط تابع وزن آن نیست و مقاومت اتصالات، تغییرشکل پذیری و سازگاری دیوار با دریفت قاب نیز اهمیت دارد. ضریب زلزله در محاسبات بار جانبی یکی از پارامترهای مرتبط با تقاضای لرزه ای ساختمان است، در حالی که نوع میانقاب می تواند نحوه پاسخ واقعی قاب به این تقاضا را تغییر دهد. استفاده صحیح از مصالح سبک، همراه با جزئیات اتصال مناسب، می تواند احتمال آسیب ناشی از تغییرشکل نسبی طبقات و ریزش خارج از صفحه دیوار را کاهش دهد.
میانقاب با اتصال کامل به قاب
در میانقاب با اتصال کامل، دیوار در تماس موثر با تیرها و ستون های پیرامونی قرار دارد و امکان اندرکنش قابل توجه میان قاب و دیوار وجود دارد. تحت بار جانبی، این تماس می تواند سختی اولیه و مقاومت قاب پرشده را افزایش دهد، اما همزمان توزیع نیروهای داخلی را نیز تغییر می دهد. تاثیر میانقاب بر رفتار لرزه ای سازه در این حالت معمولا بیشتر از حالتی است که میان دیوار و قاب جداسازی مناسب وجود دارد. وجود بازشوهای نامتقارن یا توزیع نامنظم چنین دیوارهایی نیز می تواند تمرکز تنش، اثر ستون کوتاه یا نامنظمی سختی ایجاد کند. به همین دلیل خطرات دیوار میانقاب در زلزله باید در کنار افزایش احتمالی سختی و مقاومت بررسی شود.
میانقاب با اتصال غیرکامل به قاب
در میانقاب با اتصال غیرکامل، جزئیات اجرایی به گونه ای طراحی می شوند که بخشی از حرکات نسبی قاب و دیوار امکان پذیر باشد و انتقال ناخواسته نیرو میان آنها کنترل شود. فاصله جداسازی، اتصالات لغزشی یا انعطاف پذیر و مهارهای مناسب خارج از صفحه از روش هایی هستند که بسته به سیستم مورد استفاده می توانند برای این هدف به کار روند. عملکرد لرزه ای میانقاب در چنین شرایطی به طراحی دقیق جزئیات وابسته است؛ زیرا دیوار باید ضمن پذیرش تغییرشکل های نسبی، در برابر ناپایداری خارج از صفحه نیز ایمن باقی بماند. اثر زلزله بر دیوار میانقاب در صورت اجرای نادرست اتصالات می تواند به ترک خوردگی، جداشدگی یا ریزش موضعی منجر شود، بنابراین جداسازی دیوار نباید به معنی حذف مهار ایمن آن تلقی شود.
| نوع میانقاب | ویژگی اصلی | وزن نسبی | میزان اندرکنش با قاب | رفتار مورد انتظار در برابر بار جانبی |
|---|---|---|---|---|
| مصالح بنایی | اجرای متداول با آجر یا بلوک | متوسط | متوسط تا زیاد | امکان تشکیل مسیر فشاری قطری |
| بتنی | سختی و جرم بالا | زیاد | متوسط تا زیاد | افزایش قابل توجه سختی در صورت تماس موثر |
| مصالح سبک | جرم کمتر و اجرای سریع تر | کم | وابسته به اتصال | کاهش جرم همراه با نیاز به کنترل دریفت و مهار |
| اتصال کامل به قاب | تماس موثر دیوار با قاب | وابسته به مصالح | زیاد | تغییر محسوس سختی و توزیع نیرو |
| اتصال غیرکامل به قاب | امکان حرکت نسبی کنترل شده | وابسته به مصالح | محدودتر | کاهش اندرکنش ناخواسته با نیاز به مهار خارج از صفحه |
چرا توجه به میانقاب در ایران اهمیت دارد؟
ایران یکی از زلزله خیزترین کشورهای جهان است و بر روی کمربند زلزله آلپ – هیمالیا قرار دارد. با مطالعه آثار زلزله های به وقوع پیوسته مشخص می شود که در گذشته زلزله های متعدد، تلفات جانی و مالی زیادی به جای گذاشته است. خاطره تلخ زلزله 1369 رودبار که در طی آن چندین ده هزار نفر انسان های بی گناه جان باختند و میلیاردها ریال خسارت مالی به بار آمد، هنوز از اذهان پاک نشده است.
شرایط طبیعی زمین ساختاری ایران از نقطه نظر استعداد وقوع زلزله های مخرب ایجاب می کند که مساله مصون سازی جامعه از هر لحاظ در مقابل آثار زلزله به طور جدی در دستور کار قرار گیرد و به ویژه از نظر ایجاد بناها، استانداردهای ساختمان سازی مقاوم در مقابل زلزله به طور جدی مراعات شود و مقررات مربوطه به مرحله اجرا درآید.
تأثیر زلزله بر دیوارهای میانقاب
نکته قابل توجه آن که پیش بینی وقوع زلزله غیر ممکن است! زیرا این مساله به فعل و انفعالات درون زمین مربوط می شود. لذا مساله برای مهندسین کاهش اثرات مخرب زلزله در سازه است. در زمینه مذکور پی بردن به نحوه اثر زلزله بر یک سازه و چگونگی عکس العمل اجزا مختلف تشکیل دهنده سازه، ضروری است.
با مشخص بودن عملکرد هر یک از اجزا سازه در مقابل نیروهای جانبی می توان سیستم مناسب، جهت طرح مقاوم لرزه ای را انتخاب کرد و طوری طراحی نمود که مقاومت جانبی لازم تامین شود. عموما جهت مقابله با زلزله، سیستم های کلاسیکی همچون قاب خمشی، بادبندها، دیوار برشی و یا ترکیبی از آنها به کار می رود.
نقش میانقاب در عملکرد لرزه ای سازه چیست ؟
دیوارها یا جداکننده ها که به عنوان پرکننده درون قاب های فلزی و یا بتنی به کار می روند، اجزای سازه ای هستند که به وفور در ساختمان ها مورد استفاده قرار می گیرند. معمولا در تحلیل های دینامیکی از وجود پرکننده ها صرف نظر می شود.
قرارگیری پرکننده در دهانه یک قاب، نوعی زیرسازه تشکیل می دهد که به آن میانقاب می گویند. هرگاه داخل قاب بتنی یا فولادی با یک پانل آجری یا بتنی پر شود، سیستم قاب و میانقاب به وجود می آید. سوال مهم این است که نقش پرکننده های فوق در عملکرد لرزه ای سازه چیست؟ و آیا می توان از نقش این دیوارها مطمئن بود؟
رفتارهای مشاهده شده در زلزله های مختلف مثل زلزله منجیل نشان می دهد که میانقاب ها به عنوان یک جزء سازه ای مقاوم در برابر بارهای جانبی در سازه کلی دارای نقش اساسی بوده و قطعا باید مورد توجه قرار گیرند.
برای مثال سیستم هایی که دارای اتصالات مفصلی هستند و در مقابل نیروهای جانبی ناشی از زلزله ناپایدارند؛ با کاربرد میانقاب ها پایدار شده و از خود سختی جانبی نشان می دهند. در حالی که سیستم های کلاسیک موجود خسارت بیشتری دیده و بعضا فرو می ریزند.
مشاهده آثار خرابی زلزله های مختلف، محققین را بر آن داشت تا تاثیر اجزا سازه ای مختلف در مقابل بارهای جانی از جمله پرکننده ها را مورد مطالعه قرار داده و به تحقیقات گسترده ای بپردازند. به طور خلاصه نتیجه تحقیقات به عمل آمده نشان می دهد که با وجود پرکننده ها درون قاب، رفتار قاب در مقابل بارهای جانبی به کلی تغییر می کند.
به عبارت دیگر با مقایسه رفتار یک قاب مرکب با یک قاب خالی که با اصول و مبانی اولیه در مقابله زلزله طراحی شده باشد، در می یابیم که سختی و مقاومت قاب مرکب نسبت به قاب خالی به مراتب بیشتر است. همچنین مشخصه هایی از سازه مانند پریود و شکل پذیری تحت تاثیر میانقاب واقع شده و تغییر می کنند.
مقدار این تغییرات به اندازه ای است که نشان می دهد نقش پرکننده ها در هنگام زلزله بسیار قابل ملاحظه بوده و نمی توان از وجود آنها صرف نظر کرد. به عنوان مثال، پرکننده ها سختی سازه را افزایش داده و منجر به کاهش پریود می شوند، لذا باعث القای انرژی بیشتر به سازه می شوند.
نکته دیگر این که چون نیروهای زلزله در هر تراز به نسبت سختی بین قاب ها توزیع می شود، در نتیجه به قاب های کناری با ستون های ضعیف تر، نیروی کمتری اعمال می شود. واقعیت این است که بر اثر وجود پرکننده ها و تشکیل میانقاب ها، سختی این مجموعه بیشتر از قاب های لخت شده و هنگام وقوع زلزله نیروی بیشتری نسبت به نیروی طراحی متحمل می شود.
رفتار سازهای میانقاب چگونه است؟
رفتار سازه ای یک پانل میانقابی به دو روش مدل می شود:
- به عنوان یک دیوار برشی
- به عنوان یک عضو قطری فشاری
در مدل اول یک میانقاب ممکن است به صورت یک دیوار برشی فرض شود. در این حالت رفتار دیوار در صفحه خود همانند رفتار یک دیافراگم است. به هر حال این نحوه برخورد با مساله تاثیرات متقابل پانل و میانقاب را در نظر نمی گیرد، لذا این مدل دارای تقریب نسبتا زیادی است.
در مدل دوم قاب و میانقاب معادل یک قاب بادبندی در نظر گرفته می شود که در آن یک عضو بادبندی جایگزین زیر سازه میانقاب می شود. هنگام تغییر شکل جانبی قاب، میانقاب در بعضی از نواحی بین قاب و میانقاب به علت تغییر شکل های خمشی اعضای قاب فاصله می افتد. از طرف دیگر دو انتهای قطر مخالف پانل در اثر فشار بار جانبی به قاب فشرده می شود. این مساله باعث تشکیل یک ناحیه فشاری قطری در پانل می شود.
اندرکنش بین قاب محیطی و میانقاب در چگونگی رفتار زیر سازه قاب میانقاب بسیار موثر است. این اندرکنش ها موجب می شود که مجموع سختی قاب و میانقاب، هر یک به تنهایی، معادل سختی قاب میانقاب نباشد. طول ناحیه تماس قاب و میانقاب در هنگام تغییر شکل جانبی، به میزان زیادی روی سختی جانبی اثر دارد.
بین قاب و میانقاب ممکن است اتصالات برشی تعبیه گردد. این اتصالات باعث انتقال برش در ناحیه انتقال بار از قاب به میانقاب شده و مودهای خرابی میانقاب را به طور کلی تغییر می دهند. مودهای خرابی در غیاب اتصالات برشی برای زیر سازه قاب میانقاب عبارت است از:
- خردشدگی گوشه ها همراه با گسیختگی ستون ها
- خردشدگی گوشه ها همراه با گسیختگی تیرها
مقاومت جانبی میانقاب به چه عواملی بستگی دارد ؟
مقاومت جانبی قاب میانقاب ها به عوامل مختلفی نظیر:
- ضخامت میانقاب
- فاصله آزاد بین قاب و میانقاب
- ضریب اصطکاک سطوح تماس
- استفاده یا عدم استفاده از اتصالات برشی
- تسلیح میانقاب
- سختی قاب
- نوع مصالح به کار رفته
- ترتیب اجرا و وجود بازشوها در میانقاب
بستگی دارد. برای مطالعه تاثیر ترتیب های اجرا در ساخت قاب میانقاب ها، آزمایش های متعددی ترتیب داده شده است. آزمایش های مورد مطالعه عبارتند از:
- ابتدا اجرای میانقاب سپس اجرای قاب
- مانند ترتیب دوم ولی به همراه اتصالات برشی
ترتیب ساخت اول ابتدایی ترین روش است. اما آزمایش ها نشان می دهند قاب میانقاب هایی که با ترتیب دوم و سوم ساخته می شوند مقاومت بهتری در مقابل بارهای جانبی از خود نشان می دهند.
آیا استفاده از میانقاب میتواند خطرآفرین باشد؟
اگرچه وجود میانقاب بر سختی و مقاومت سازه در مقابل بارهای جانبی می افزاید، لیکن باعث کاهش شکل پذیری می شود. بنابراین همواره این پرسش مطرح است که آیا مزیت مثبت افزایش سختی و مقاومت در مقابل تاثیر منفی افزایش ضریب زلزله و کاهش شکل پذیری قابل قبول است یا نه؟
در صورت آگاهی کامل از چگونگی رفتار میانقاب ها می توان از اثرات مثبت میانقاب استفاده کرد؛ در غیر این صورت، وجود میانقاب می تواند خطرناک باشد. تاثیر تعیین کننده میانقاب ها بر روی خواص مکانیکی سازه از قبیل مقاومت، سختی، شکل پذیری، پریود و غیره، محققین را به پژوهش های بیشتری واداشته است.
مشاهدات به دست آمده در زلزله های مختلف موید نتایج حاصل شده در تحقیقات آزمایشگاهی و تحلیلی است. بررسی تخریب های ناشی از زلزله ها و نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد که رفتار قاب ها در مقابل بار جانبی بر اثر زیاد شدن مقاومت و سختی جانبی توسط دیوارهای میانقابی به طور قابل ملاحظه ای تغییر می کند.
این در حالی است که معمولا وجود دیوار در طراحی ها منظور نمی شود. با وجود پیچیدگی در رفتار مرکب قاب و دیوار، در یک نگاه ساده، قاب با محصور کردن دیوار باعث افزایش سختی دیوار تحت بارهای جانبی می شود. از طرف دیگر، اثرات دیوار بر روی قاب نیز باعث زیاد شدن سختی جانبی قاب می شود.
به هر حال میانقاب ها زیر سازه هایی هستند که خواسته یا ناخواسته در ساختمان های ایران متداول بوده و در واکنش سازه نسبت به تحریک های خارجی موثر هستند. لذا آشنایی با عملکرد آنها در هنگام اعمال نیرو ضرورت دارد.
سوالات متداول
میانقاب معمولا عضو باربر اصلی محسوب نمی شود، اما می تواند بر سختی، مقاومت جانبی و رفتار کلی سازه تاثیر قابل توجهی داشته باشد.
زیرا حضور میانقاب می تواند سختی جانبی سازه، توزیع نیرو و شکل مودهای ارتعاشی را تغییر دهد و رفتار ساختمان هنگام زلزله را تحت تاثیر قرار دهد.
جنس و ضخامت دیوار، مقاومت مصالح، ابعاد بازشوها، کیفیت اجرا، نوع اتصال به قاب و مشخصات تیر و ستون بر مقاومت جانبی میانقاب موثر هستند.
بله، توزیع نامنظم یا اجرای نامناسب میانقاب می تواند موجب ایجاد طبقه نرم، ستون کوتاه و تمرکز نیروهای لرزه ای در بخش هایی از سازه شود.
