رابطه والپست و میانقاب در سازه ها : اصول طراحی، اندرکنش لرزه‌ای و الزامات آیین‌نامه 2800
در اکثر ساختمان‌های متعارف با اسکلت فولادی یا بتنی، فضاهای داخلی و پیرامونی توسط دیوارهایی به نام “میانقاب” (Infill Panel / Infill Wall) از یکدیگر جدا یا محصور می‌شوند. این میانقاب‌ها، که معمولاً از مصالح بنایی مانند آجر، بلوک سفالی یا سیمانی، یا هبلکس ساخته می‌شوند، اصولاً به عنوان اعضای غیرسازه‌ای در نظر گرفته می‌شوند که وظیفه تحمل بارهای ثقلی اصلی ساختمان بر عهده آنها نیست. با این حال، تجربیات زلزله‌های گذشته و تحقیقات گسترده نشان داده است که این اجزای “غیرسازه‌ای” می‌توانند تاثیرات بسیار قابل توجه و گاه نامطلوبی بر رفتار کلی سازه، به‌ویژه تحت بارهای جانبی لرزه‌ای، داشته باشند.
“والپست” (Wall Post / Stud) به عنوان یک عضو کلیدی برای کنترل و مدیریت رفتار میانقاب‌ها و نحوه اندرکنش آنها با قاب سازه‌ای اصلی (تیرها و ستون‌ها) وارد عمل می‌شود. طراحی و اجرای صحیح والپست ها و جزئیات اتصال آنها به میانقاب و قاب، نقشی حیاتی در تامین ایمنی لرزه‌ای ساختمان، جلوگیری از خسارات پیش‌بینی نشده و دستیابی به رفتار مطلوب سازه ایفا می‌کند. این مقاله به بررسی عمیق “رابطه والپست و میانقاب”، اصول طراحی حاکم بر این اندرکنش، و الزامات آیین‌نامه‌ای مرتبط، با تاکید بر استاندارد ۲۸۰۰ ایران، می‌پردازد.
میانقاب چیست و چه تاثیری بر رفتار لرزه ای سازه دارد؟
تعریف و انواع میانقاب‌ها
میانقاب به دیواری گفته می‌شود که فضای خالی درون یک یا چند دهانه از قاب سازه‌ای اصلی (متشکل از تیرها و ستون‌ها) را پر می‌کند. این دیوارها معمولاً پس از اجرای اسکلت اصلی ساختمان ساخته می‌شوند. انواع رایج مصالح برای میانقاب‌ها عبارتند از:
- آجر فشاری یا ماشینی
- بلوک سفالی
- بلوک سیمانی (سبک یا معمولی)
- بلوک بتن هوادار اتوکلاو شده (مانند هبلکس یا سیپورکس)
- پنل‌های پیش‌ساخته سبک
تاثیرات نامطلوب احتمالی میانقاب‌های بدون جزئیات والپست مناسب
اگر میانقاب‌ها بدون در نظر گرفتن اندرکنش صحیح با قاب و بدون استفاده از والپست‌های مناسب اجرا شوند، می‌توانند منجر به مشکلات جدی در هنگام زلزله شوند:
- افزایش سختی و تغییر در دوره تناوب سازه: تماس کامل میانقاب با قاب، سختی جانبی طبقه را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند دوره تناوب طبیعی سازه را تغییر داده و منجر به جذب نیروهای لرزه‌ای بیشتر از آنچه در طراحی قاب تنها در نظر گرفته شده، گردد.
- ایجاد طبقه نرم یا خیلی نرم (Soft/Very Soft Story): اگر در یک یا چند طبقه از میانقاب استفاده نشود (مثلاً در طبقه همکف برای ایجاد فضای تجاری باز) در حالی که طبقات بالایی دارای میانقاب‌های سخت هستند، آن طبقه به شدت آسیب‌پذیر شده و پدیده طبقه نرم رخ می‌دهد.
- ایجاد ستون کوتاه (Short Column Effect): اگر میانقاب تنها بخشی از ارتفاع یک ستون را بپوشاند (مثلاً به دلیل وجود بازشو یا اختلاف تراز)، طول آزاد آن ستون کاهش یافته و تحت تغییر مکان‌های جانبی، نیروی برشی بسیار زیادی در آن ایجاد می‌شود که می‌تواند منجر به شکست برشی ترد ستون گردد.
- شکست ترد و فروپاشی خود میانقاب: میانقاب‌های بنایی ذاتاً رفتار تردی دارند. تحت تغییر شکل‌های زیاد قاب، اگر فضای کافی برای حرکت نداشته باشند، دچار ترک‌خوردگی قطری، خردشدگی گوشه‌ها و در نهایت فروپاشی خارج از صفحه یا درون صفحه می‌شوند که خطر جانی و مالی به همراه دارد.
- انتقال نیروی نامطلوب به قاب: اندرکنش سخت میانقاب با قاب می‌تواند منجر به تمرکز تنش و ایجاد نیروهای پیش‌بینی نشده در اعضای قاب، به‌ویژه در اتصالات تیر به ستون شود.
اهمیت در نظر گرفتن اندرکنش قاب و میانقاب (Frame-Infill Interaction)
با توجه به موارد فوق، درک و مدل‌سازی صحیح اندرکنش بین قاب سازه‌ای و دیوارهای میانقاب در تحلیل و طراحی لرزه‌ای ساختمان‌ها امری ضروری است. هدف اصلی، کنترل این اندرکنش به گونه‌ای است که از بروز رفتارهای نامطلوب جلوگیری شده و ایمنی کلی سازه و اجزای آن تامین گردد. اینجاست که نقش والپست‌ها برجسته می‌شود.
والپست چه نقشی در سیستم میانقاب ایفا می‌کند؟
تعریف و انواع والپست‌های مورد استفاده برای میانقاب‌ها
والپست، عضوی است (معمولاً قائم و گاهی افقی) که برای مهار جانبی دیوار میانقاب، کنترل رفتار آن و مدیریت اتصال آن به قاب سازه‌ای اصلی به کار می‌رود. والپست‌ها اغلب از پروفیل‌های فولادی ساخته می‌شوند، از جمله:
- نبشی (Angle Section): به صورت تکی یا دوبل (وادار نبشی).
- ناودانی (Channel Section): به صورت تکی یا جفتی برای ایجاد مقطع قوی‌تر (مانند وادار H شکل سبک).
- قوطی پروفیل (Rectangular/Square Hollow Section – RHS/SHS): به دلیل سختی پیچشی و مقاومت دو محوره خوب.
- پروفیل H شکل (H-Section / I-Section): شامل تیرآهن‌های معمولی یا بال پهن، یا مقاطع ساخته شده از ورق یا جفت ناودانی.
انتخاب نوع و ابعاد والپست به ابعاد دیوار میانقاب، نیروهای وارده، و الزامات آیین‌نامه‌ای بستگی دارد.
اهداف اصلی استفاده از والپست در کنار میانقاب
استفاده از والپست در سیستم‌های میانقاب اهداف چندگانه‌ای را دنبال می‌کند:
- تامین پایداری خارج از صفحه میانقاب (Out-of-Plane Stability): این مهمترین نقش والپست است. والپست‌ها به عنوان تیرهای عمودی عمل کرده و بارهای وارده عمود بر صفحه دیوار (ناشی از باد یا مولفه خارج از صفحه زلزله) را به کف و سقف یا به قاب سازه‌ای منتقل می‌کنند و از کمانش یا واژگونی دیوار جلوگیری می‌کنند.
- کنترل رفتار درون صفحه و جداسازی از قاب اصلی (In-Plane Behavior Control and Isolation): والپست‌ها، به همراه جزئیات اتصال مناسب، امکان جداسازی میانقاب از قاب اصلی را فراهم می‌کنند. این جداسازی (معمولاً با ایجاد درز انقطاع) به قاب اجازه می‌دهد تا بدون انتقال نیروی مخرب به میانقاب ترد، تغییر شکل دهد. والپست در این حالت پایداری پنل جدا شده را تامین می‌کند.
- جلوگیری از شکست ترد و زودهنگام میانقاب: با کنترل تغییر شکل‌ها و مهار مناسب، والپست‌ها می‌توانند از تمرکز تنش در میانقاب کاسته و به حفظ یکپارچگی آن کمک کنند.
- انتقال ایمن بارهای وارده بر میانقاب به سازه: بارهای خارج از صفحه که به میانقاب وارد می‌شوند، از طریق والپست‌ها به تکیه‌گاه‌هایشان (معمولاً تیرهای بالا و پایین یا ستون‌ها) منتقل می‌شوند.
تقسیم پنل‌های بزرگ میانقاب: برای دیوارهای میانقاب با طول یا ارتفاع زیاد، از والپست‌های میانی برای تقسیم دیوار به پنل‌های کوچکتر استفاده می‌شود. این کار نسبت ظرافت (Slenderness Ratio) هر پنل را کاهش داده و پایداری آن را افزایش می‌دهد.
رویکردهای طراحی برای اندرکنش والپست و میانقاب
دو رویکرد اصلی در طراحی میانقاب‌ها و والپست‌های مرتبط با آنها وجود دارد:
میانقاب جدا شده از قاب (Isolated Infill Frame)
این رویکرد، متداول‌ترین و اغلب توصیه‌شده‌ترین روش در مناطق لرزه‌خیز برای دیوارهای میانقاب غیرسازه‌ای است.
- مفهوم: در این روش، تلاش می‌شود تا میانقاب از نظر سختی از قاب سازه‌ای اصلی جدا شود تا در هنگام زلزله، قاب بتواند آزادانه تغییر شکل دهد بدون آنکه میانقاب مانعی ایجاد کرده یا توسط قاب خرد شود.
- نقش والپست: والپست‌ها در این حالت، پایداری خارج از صفحه پنل میانقاب را که اکنون از اطراف جدا شده، تامین می‌کنند. آنها به عنوان ستونک‌هایی عمل می‌کنند که دیوار به آنها تکیه می‌کند.
- جزئیات اجرایی:
- درز انقطاع (Separation Gap): ایجاد یک فاصله یا درز مشخص (معمولاً با مواد نرم و تراکم‌پذیر مانند پشم سنگ یا یونولیت پر می‌شود) بین لبه‌های قائم و فوقانی میانقاب و اعضای قاب (ستون‌ها و تیرها). اندازه این درز باید بر اساس حداکثر تغییر مکان نسبی مورد انتظار طبقات (Drift) طراحی شود.
- اتصالات والپست: اتصال پایین والپست به کف معمولاً مفصلی یا گیردار است. اتصال بالای والپست به تیر یا سقف باید به صورت “کشویی” یا “لغزشی” باشد تا امکان حرکت قائم و جابجایی درون صفحه قاب را بدون انتقال بار محوری به والپست فراهم کند.
- مهار دیوار به والپست: دیوار میانقاب باید در فواصل قائم مشخص با استفاده از بست‌های انعطاف‌پذیر یا شاخک‌هایی که امکان حرکت جزئی درون صفحه را می‌دهند، به والپست مهار شود.
میانقاب یکپارچه یا نیمه‌یکپارچه
این رویکرد کمتر برای میانقاب‌های بنایی معمولی در ساختمان‌های با اسکلت فلزی یا بتنی رایج است و بیشتر در سیستم‌های خاص مانند دیوارهای برشی بنایی مسلح یا برخی سیستم‌های مقاوم‌سازی کاربرد دارد.
- مفهوم: در این حالت، میانقاب به گونه‌ای طراحی و به قاب متصل می‌شود که به عنوان یک عضو مقاوم در برابر بارهای جانبی عمل کرده و در سختی و مقاومت کلی سازه مشارکت کند.
- نقش والپست (یا اعضای مشابه): اگر در این سیستم‌ها از والپست استفاده شود، نقش آنها تقویت میانقاب، افزایش شکل‌پذیری آن و تامین اتصال مناسب و مقاوم به قاب خواهد بود. این والپست‌ها خود باید برای تحمل نیروهای قابل توجه طراحی شوند.
تمرکز اصلی آیین‌نامه‌های لرزه‌ای مانند استاندارد ۲۸۰۰ ایران بر روی رویکرد “میانقاب جدا شده” برای دیوارهای غیرسازه‌ای متعارف است.
الزامات آیین‌نامه‌ای (مانند استاندارد ۲۸۰۰ ایران) برای والپست و میانقاب
استاندارد ۲۸۰۰ ایران، به‌ویژه در پیوست ششم خود (“طراحی لرزه‌ای اجزای غیرسازه‌ای معماری، مکانیکی و برقی”)، الزامات دقیقی را برای طراحی و اجرای دیوارهای میانقاب و والپست‌های آنها ارائه می‌دهد:
اشاره به پیوست ششم استاندارد ۲۸۰۰
این پیوست تاکید می‌کند که اجزای غیرسازه‌ای باید به گونه‌ای به سازه متصل شوند که علاوه بر تحمل نیروهای اینرسی ناشی از وزن خودشان در هنگام زلزله، از اثرات نامطلوب تغییر شکل‌های سازه اصلی نیز مصون بمانند یا این اثرات را تشدید نکنند.
الزامات مربوط به ابعاد حداکثر پنل میانقاب و نیاز به وادار (والپست)
استاندارد ۲۸۰۰ محدودیت‌هایی برای حداکثر طول و ارتفاع دیوارهای میانقاب بدون نیاز به وادار قائم یا افقی تعیین می‌کند. معمولاً اگر طول دیوار از حدود ۴ تا ۶ متر (بسته به ضخامت و نوع دیوار) یا ارتفاع آن از ۳ تا ۳.۵ متر تجاوز کند، نیاز به استفاده از وادارهای قائم (والپست) و گاهی وادارهای افقی (تیرک) برای تقسیم دیوار به پنل‌های کوچکتر و مهار آنها وجود دارد. این مقادیر باید دقیقاً از آخرین ویرایش آیین‌نامه استخراج شوند.
جزئیات مربوط به درزهای انقطاع و اتصالات والپست
- درز انقطاع: آیین‌نامه بر لزوم ایجاد درز انقطاع بین میانقاب و اعضای قاب سازه‌ای تاکید دارد. حداقل اندازه این درز معمولاً بر اساس تغییر مکان نسبی طرح طبقات (و نه کمتر از مقداری مشخص مانند ۱٪ ارتفاع طبقه یا ۲۵ میلیمتر) تعیین می‌شود.
- اتصال والپست به سازه: نحوه اتصال والپست به کف و سقف باید مطابق با جزئیات آیین‌نامه‌ای باشد. اتصال بالا باید لغزشی بوده تا از انتقال بار محوری به والپست جلوگیری شود.
- اتصال دیوار به والپست: دیوار باید در فواصل قائم (مثلاً هر ۵۰ تا ۷۵ سانتیمتر) با استفاده از بست‌های فلزی انعطاف‌پذیر یا میلگردهای U شکل (شاخک) به والپست مهار شود. این اتصالات باید مقاومت کافی در برابر نیروی خارج از صفحه داشته باشند و در عین حال امکان حرکت جزئی درون صفحه را فراهم کنند.
نکات اجرایی کلیدی در نصب والپست برای میانقاب‌ها
اجرای صحیح والپست‌ها به اندازه طراحی آنها اهمیت دارد:
- اتصالات صحیح وادار به سازه اصلی: جوشکاری یا پیچ‌کاری وادارها به صفحات اتصال کارگذاشته شده در تیرها و ستون‌ها یا به کف و سقف باید با دقت و کیفیت بالا انجام شود.
- رعایت دقیق ابعاد درزهای انقطاع: پر کردن این درزها با مواد نرم و تراکم‌پذیر (مانند پشم سنگ یا پلی‌استایرن با دانسیته کم) و اطمینان از عدم ورود ملات یا نخاله ساختمانی به درون آنها ضروری است.
- مهار مناسب دیوار میانقاب به والپست: نصب صحیح و کافی بست‌ها یا شاخک‌های اتصال دیوار به والپست برای تامین پایداری خارج از صفحه.
- شاقول بودن و هم‌راستایی والپست‌ها: وادارهای قائم باید کاملاً شاقول نصب شوند.
اجرای صحیح اتصال لغزشی در بالای والپست: این اتصال باید به گونه‌ای باشد که واقعاً امکان حرکت آزاد قائم را فراهم کند.
مزایای استفاده صحیح از والپست در سیستم‌های میانقاب
اجرای صحیح والپست‌ها و رعایت جزئیات اندرکنش قاب و میانقاب، مزایای قابل توجهی به همراه دارد:
- افزایش چشمگیر ایمنی لرزه‌ای ساختمان: جلوگیری از فروپاشی میانقاب‌ها و کاهش خطرات جانی.
- کاهش خسارات اقتصادی به اجزای غیرسازه‌ای: حفظ یکپارچگی دیوارها و نما، و کاهش هزینه‌های تعمیر پس از زلزله.
- بهبود رفتار کلی سازه: جلوگیری از تشکیل مکانیزم‌های نامطلوب مانند طبقه نرم یا ستون کوتاه و کمک به دستیابی به رفتار پیش‌بینی شده در طراحی.
- انطباق با الزامات آیین‌نامه‌ای: رعایت ضوابط قانونی و مهندسی.
نتیجه‌گیری: والپست، کلید طلایی مدیریت اندرکنش قاب و میانقاب
رابطه بین والپست و میانقاب یک جنبه حیاتی در طراحی و اجرای ساختمان‌های ایمن در برابر زلزله است. میانقاب‌ها، اگرچه غیرسازه‌ای تلقی می‌شوند، اما بدون مدیریت صحیح اندرکنش آنها با قاب اصلی، می‌توانند به طور جدی عملکرد لرزه‌ای سازه را تحت تاثیر قرار دهند. والپست‌ها به عنوان ابزاری مهندسی برای کنترل این اندرکنش، تامین پایداری خارج از صفحه میانقاب‌ها، و امکان جداسازی آنها از قاب اصلی برای جلوگیری از انتقال نیروهای مخرب عمل می‌کنند.
طراحی دقیق والپست‌ها، انتخاب مقاطع مناسب، اجرای صحیح اتصالات (به‌ویژه اتصالات لغزشی و درزهای انقطاع) و مهار مناسب دیوار به والپست، همگی باید بر اساس اصول مهندسی و با رعایت کامل ضوابط آیین‌نامه‌های معتبر مانند استاندارد ۲۸۰۰ ایران انجام پذیرد. تنها در این صورت می‌توان از مزایای کامل این سیستم بهره‌مند شد و به ساختمانی با ایمنی و عملکرد لرزه‌ای مطلوب دست یافت. سرمایه‌گذاری در طراحی و اجرای صحیح والپست و جزئیات میانقاب، سرمایه‌گذاری در ایمنی و پایداری بلندمدت ساختمان است.
سوالات متداول
- آیا همیشه برای دیوارهای میانقاب به والپست (وادار) نیاز است؟ خیر، همیشه نیاز نیست. استاندارد ۲۸۰۰ ایران و مبحث هشتم مقررات ملی ساختمان، محدودیت‌هایی برای حداکثر طول و ارتفاع آزاد دیوارهای میانقاب بدون نیاز به وادار قائم یا افقی تعیین می‌کنند. اگر ابعاد دیوار از این حدود تجاوز کند، استفاده از والپست برای تقسیم دیوار به پنل‌های کوچکتر و مهار آنها الزامی می‌شود. تشخیص دقیق نیاز به والپست و تعیین فواصل آنها بر عهده مهندس طراح است.
درز انقطاع بین میانقاب و قاب اصلی چقدر باید باشد؟ اندازه درز انقطاع به تغییر مکان نسبی مورد انتظار طبقات (Drift) بستگی دارد. استاندارد ۲۸۰۰ معمولاً حداقل مقداری را (مثلاً ۱٪ ارتفاع قابل تغییرشکل دیوار یا ۲۵ میلیمتر، هرکدام که بیشتر است) مشخص می‌کند، اما مقدار دقیق باید توسط مهندس محاسب و بر اساس تحلیل سازه تعیین شود تا از برخورد میانقاب و قاب در هنگام زلزله جلوگیری شود.
- نقش والپست در جلوگیری از پدیده ستون کوتاه چیست؟ اگر یک دیوار میانقاب تنها بخشی از ارتفاع یک ستون را بپوشاند (مثلاً زیر یک پنجره نواری)، آن بخش از ستون که توسط دیوار محدود نشده، به “ستون کوتاه” تبدیل می‌شود و در هنگام زلزله، تغییر شکل زیادی را در طول کوتاه خود تجربه کرده و مستعد شکست برشی می‌شود. والپست به خودی خود مستقیماً مانع ایجاد ستون کوتاه نمی‌شود، اما طراحی صحیح سیستم دیوار و جداسازی آن از ستون (با استفاده از درز انقطاع در کنار ستون و اجرای والپست در صورت نیاز برای مهار خود دیوار) می‌تواند از انتقال نیروی برشی زیاد از دیوار به ستون و تشدید این پدیده جلوگیری کند. مهمترین راهکار، جداسازی کامل میانقاب از ستون در ارتفاع است.
- متداول‌ترین مقطع برای والپست میانقاب کدام است؟ انتخاب مقطع به ابعاد دیوار، نیروهای وارده و ملاحظات اجرایی بستگی دارد. برای دیوارهای سبک‌تر و دهانه‌های کوتاه‌تر، از نبشی‌های دوبل یا قوطی‌های سبک استفاده می‌شود. برای دیوارهای سنگین‌تر یا بلندتر، ممکن است از ناودانی‌های جفتی (برای ایجاد مقطع H یا I شکل) یا حتی تیرآهن‌های سبک استفاده شود. مهندس طراح مقطع مناسب را بر اساس محاسبات انتخاب می‌کند.
دفتر مرکزی:
دفتر مرکزی: اسلامشهر ابتدای ایرین
خیابان ابراهیمی
سمت چپ میدان (پرچم ایران)
جاده خاکی
درب دوم
