راهنمای مهندسی محاسبه دقیق ابعاد و ضخامت بیس پلیت

بیس پلیت یا صفحه ستون یکی از اجزای حیاتی در ساختمان‌سازی مدرن به شمار می‌رود که در فونداسیون‌های فولادی مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از این المان منجر به ایجاد اتصالی محکم بین ستون فلزی و سطح بتنی فونداسیون می‌شود. صفحه ستون از اجزای گوناگونی همچون صفحه فولادی، بولت‌ها و مهره‌ها تشکیل شده است؛ بنابراین محاسبات فنی و دقیق برای تمامی این اجزا در راستای اجرای صحیح و ایمن بیس پلیت الزامی هستند.

اهمیت بیس پلیت در اتصال ستون ها به فونداسیون

نقش بیس پلیت در اتصال سازه‌های فولادی به فونداسیون بتنی مانند نقش مفاصل غضروفی بین دو استخوان در اسکلت بدن است. به کارگیری این المان سازه‌ای امکان انتقال ایمن و موثر بارهای ناشی از ستون (شامل بارهای محوری فشاری و کششی) به پی ساختمان را فراهم می‌آورد. در طراحی بیس پلیت سطح اتکای صفحه ستون را نسبت به مقطع خود ستون، مقداری عریض‌تر در نظر می‌گیرند. این عمل باعث گسترش ناحیه توزیع بار شده که منجر به کاهش چشم‌گیر تنش‌های وارده بر سطح بتن فونداسیون می‌گردد.

معرفی اجزای اصلی یک اتصال بیس پلیت

بیس پلیت به عنوان یکی از حیاتی‌ترین اتصالات در سازه‌های فولادی شناخته می‌شود. این اتصال از اجزا و المان‌های گوناگونی تشکیل شده که نقش مستقیمی در عملکرد آن ایفا می‌کنند. شناخت دقیق این اجزا، درک عمیق نحوه انتقال نیرو از ستون به فونداسیون را ممکن می‌سازد.

صفحه فولادی

صفحه ستون مستقیما در زیر ستون فلزی و بر روی سطح بتنی فونداسیون قرار می‌گیرد. ضخامت، ابعاد و گرید ورق فولادی مورد استفاده در ساخت این صفحه بر اساس محاسبات دقیق مهندس طراح سازه تعیین می‌گردد. حصول اطمینان از تراز بودن سطح صفحه به منظور توزیع یکنواخت بارها و ایجاد اتصال ایمن و پایدار از اهمیت زیادی برخوردار است.

انکربولت‌ها (پیچ‌های مهاری)

اتصال مکانیکی صفحه ستون به فونداسیون از طریق این انکربولت‌ها تامین می‌گردد. این بولت‌های فولادی قادر به تحمل نیروهای کششی و نیروهای برشی هستند. اطمینان از گیرایی کامل و مقاومت کافی انکربولت‌ها از هرگونه لغزش جانبی و حرکت ناخواسته در صفحه ستون جلوگیری می‌کند. محاسبه ابعاد بولت‌های مورد نیاز هر پروژه به عواملی مانند ضخامت بیس پلیت و میزان بارهای وارده وابسته است.

مهره‌ها و واشرها

این اجزا روی رزوه بولت‌ها نصب می‌گردند. نقش اصلی مهره و واشر ایجاد نیروی پیش‌تنیدگی (pre-stressing) در اتصال است. نوع مهره و واشرهای مورد استفاده باید با گرید و مشخصات مکانیکی بولت‌ها همخوانی داشته باشند تا از عملکرد صحیح اتصال و انتقال ایمن نیروها اطمینان حاصل شود.

گروت

گروت از ترکیب آب، ماسه، سیمان و مواد افزودنی خاص ساخته می‌شود و به عنوان ملات با هدف پر کردن فضاهای خالی و یکپارچه‌سازی اتصال بین صفحه ستون و سطح فونداسیون ایفای نقش می‌کند. روان بودن گروت امکان جریان یافتن آن در تمامی زوایای فضای اتصال را فراهم می‌سازد. این مورد برای دستیابی به یک سطح اتکای تراز و توزیع متعادل بار بین این دو عضو سازه‌ای از اهمیت بالایی برخوردار است.

انواع بارهای وارده به بیس پلیت

پیش از محاسبه بیس پلیت و ابعاد آن ابتدا باید انواع اصلی بارهای وارده به ستون و پی را در نظر گرفت:

• بار پیچشی (Torsional Load): بار پیچشی تمایل به ایجاد چرخش در ستون حول محور عمودی خود دارد. این نوع بارگذاری معمولا در اثر اعمال بارهای نامتقارن نسبت به مرکز برش مقطع ستون و یا در اثر تغییرات غیریکنواخت در توزیع بارگذاری بر سازه ایجاد می‌گردد.
• لنگر خمشی (Bending Moment): فشار ناشی از بارهای جانبی نظیر باد و زلزله می‌تواند منجر به ایجاد لنگر خمشی در سازه گردد. نیروهای خمشی بر اساس جهت و تاثیرشان به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند. لنگر خمشی مثبت، منفی و لنگر خمشی ترکیبی.
• بارهای برشی (Shear Force): بارهای برشی از جمله نیروهای داخلی وارده بر اجزای سازه‌ای به شمار می‌روند. این نیروها در اثر بارهای عمود (مانند وزن بهره‌برداری و بارهای مرده سنگین)، بارهای جانبی (نیروهای ناشی از زلزله و باد) و تغییرات دمایی به وجود می‌آیند.
• بار محوری (Axial Load): بار محوری نیرویی است که در راستای محور طولی ستون اعمال می‌گردد. این نیرو به دو صورت فشاری و کششی بر ستون وارد می‌شود. بار فشاری به سمت داخل مقطع ستون و بار کششی به سمت خارج از مقطع ستون است.

مراحل محاسبه ابعاد بیس پلیت

تعیین ابعاد بیس پلیت مستلزم انجام مراحل متعددی است. در گام نخست تمامی بارهای وارده از ستون به پلیت محاسبه و تحلیل می‌شوند. سپس ابعاد صفحه ستون و مشخصات قطعات اتصال (مانند تعداد و قطر بولت‌ها) به منظور ایجاد یک اتصال پایدار تعیین می‌گردند. در ادامه مراحل محاسبه ابعاد صفحه ستون شرح داده خواهد شد.

تعیین بار خالص وارد بر بیس پلیت

همان‌طور که گفته شد نیروهای ایجاد شده در پای ستون عبارتند از نیروی برشی، خمشی، پیچشی و محوری. این نیروها به سه شکل به سازه تحمیل می‌شوند. در حالت اول ستون بار محوری فشاری را حمل می‌کند. توزیع این نوع توزیع بار به صورت یکنواخت است. در حالت دوم بار محوری به صورت توام با لنگر بر ستون و اجزای سازه تحمیل می‌شود و تنش در آن به صورت ذوزنقه‌ای توزیع می‌گردد. در حالت سوم میزان خروج از مرکزیت نیرو به حدی است که در صفحه ستون کشش ایجاد می‌کند. توزیع نیرو در این حالت به شکل مثلث است. برای بررسی این حالات باید میزان خروج از مرکزیت که باعث ایجاده تنش شده را بدست آورد. فرمول توزیع تنش فشاری زیر کف ستون به صورت زیر است:

$$ fp = P/BD± Mx/(DB3/12) $$

که در آن:

• 𝑓𝑝: تنش فشاری زیر کف ستون
• 𝑃: نیروی محوری
• 𝐵: عرض کف ستون
• 𝐷: طول کف ستون
• 𝑀: لنگر خمشی
• 𝑥: فاصله نقطه مورد نظر از مرکز کف ستون

محاسبه حداقل مساحت مورد نیاز بیس پلیت

در محاسبه بیس پلیت میزان مساحت مورد نیاز با دو روش LRFD و ASD به دست می‌آید.

LRFD:

$$ f_up≤ϕcFp $$

ASD:

$$ f_ap≤ΩcFp $$

که در آن:

• Fup: تنش زیر کف ستون از بارهای ضریب‌دار
• Fap: نشان‌دهنده تنش زیر کف ستون از بارهای بدون ضریب
• ϕc: ضریب کاهش مقاومت برابر با 0.65
• Ωc: ضریب اطمینان برابر با 2.31

فرمول به دست آوردن Fp عبارت است از:

$$ Fp = 0.85fc’√(A1/A2)≤fc’ $$

که در آن:

• ′fc = مقاومت فشاری بتن
• A1​ = سطح ورق کف ستون در تماس با فونداسیون
• A2​ = حداکثر سطح از شالوده هم‌مرکز با ورق صفحه ستون

محاسبه ابعاد بیس پلیت جوشی و پیچ و مهره‌ای حالت‌های دیگری هم دارد که بر اساس میزان و نوع بار وارده استفاده می‌شوند. برای کسب اطلاعات تخصصی‌تر در این مورد به آیین‌نامه‌های معتبر طراحی سازه‌های فولادی مانند مبحث دهم مقررات ملی ساختمان مراجعه کرده یا از کارشناسان ما راهنمایی‌های لازم را کسب نمایید.

ملاحظات طراحی و نکات اجرایی

برخی از مهم‌ترین ملاحظات طراحی و نکات اجرایی بیس پلیت عبارتند از:

• توزیع تنش‌های فشاری زیر ورق و تنش‌های خمشی در آن باید مطابق با الزامات آیین‌نامه‌های طراحی سازه‌های فولادی و در محدوده مجاز صورت گیرد.
• عدم در نظر گرفتن دقیق نوع و میزان بارهای وارده (نیروی محوری، خمشی، برشی و پیچشی) منجر به عملکرد نامناسب اجزای اتصال و اختلال در مکانیزم صحیح انتقال نیرو می‌گردد.
• آرایش، قطر، تعداد و طول بولت‌های مورد استفاده در اتصال باید بر اساس الزامات طراحی سازه و مشخصات فنی فونداسیون تعیین گردد و فرآیند پانچ ورق گالوانیزه مورد استفاده برای صفحه ستون بر اساس آن انجام شود.
• ابعاد و مشخصات مکانیکی ورق فولادی مورد استفاده باید متناسب با ظرفیت باربری اجزای سازه‌ای متصل به آن تعیین گردد.

ضرورت توجه به جزییات در طراحی و اجرای بیس پلیت

طراحی و محاسبه بیس پلیت فرآیندی تخصصی است که نیازمند رعایت دقیق اصول مهندسی و ضوابط آیین‌نامه‌ای است. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران ضوابط و الزامات مربوط به طراحی این اتصالات فولادی را به تفصیل شرح داده است. رعایت این ضوابط نقش مهمی در ایجاد اتصالات پایدار و ایمن در سازه‌ها دارد. زرین فولاد شهریاری به عنوان یکی از شرکت‌های فعال در زمینه تولید و عرضه محصولات فولادی، خدمات متنوعی شامل فرمینگ ورق، تولید مقاطع فولادی مانند بست تسمه گالوانیزه، انواع پروفیل و خدمات برش و فرمینگ را به مشتریان خود ارائه می‌دهد. جهت کسب اطلاعات تکمیلی می‌توانید با کارشناسان فنی شرکت تماس حاصل فرمایید.