1- تعریف و عملکرد

مجموعه سیستم مقاوم ساختمانها در برابر نیروهای جانبی معمولاً از دو قسمت اجزای قائم و اجزای افقی (یا تقريباً افقی) تشکیل می‌شود. اجزای افقی نیروهای افقی زلزله و باد را به اجزای قائم منتقل نموده و اجزای قائم نیز این نیروها را به شالوده‌ها و نهایتاً به زمین منتقل می‌نمایند. به اجزای افقی یا تقریباً افقی منتقل کننده نیروهای جانبی «دیافراگم افقی» و یا به اختصار «دیافراگم» گفته می‌شود. در ساختمان‌های متعارف دیافراگم‌ها شامل کفها و سقفها (افقی و یا با شیب کم) می‌باشند. در چنین ساختمان‌هایی دیافراگم‌ها وظیفه باربری قائم (ثقلی) را هم زمان بر عهده دارند. در ساختمان‌های صنعتی به طور کلی بادبندی‌های افقی (یا تقريباً افقی) نقش انتقال نیروهای افقی به اجزای قائم (قاب‌ها) را عهده دار هستند و بنابراین دیافراگم محسوب می‌گردند.

برای سهولت دیافراگم را می‌توان مشابه یک تیر ورق تصور نمود که بر روی تکیه گاههایی که همان اجزای قائم باربر جانبی می‌باشند (قاب‌ها و دیوارهای برشی) واقع شده است (شکل پ-۴-۱).

جان تیر ورق همان صفحه افقی دیافراگم بوده و بال‌های آن اجزای لبه دیافراگم را شامل می‌شوند. لیکن باید توجه داشت به واسطه بزرگی نسبت عرض دیافراگم‌ها (h) به دهانه آنها (L₁ یا L₂) معمولاً این اجزا به عنوان تیرهای عمیق (تیر تیغه) محسوب شده و دیگر فرض مستوی ماندن مقاطع هنگام خمش در آنها صادق نیست. در تغییر شکل تیر تیغه باید علاوه بر اثرهای تغییر شکل‌های خمشی، اثرهای تغییر شکل‌های برشی نیز منظور گردد.

دیافراگم‌ها باید با توجه به فرضیات منظور شده در محاسبات کل سازه در برابر بارهای جانبی دارای سختی و صلبیت مناسب همراه با مقاومت کافی بوده و طوری با سایر قطعات سازه درگیر شده باشند که سازه و دیافراگم هنگام زلزله یکپارچه باقی بمانند.

۲- انواع دیافراگم‌ها از نظر جنس و سیستم ساختمانی

دیافراگم‌ها ممکن است از کف‌های ساخته شده از بتن آرمه در جا ریخته شده، شامل تیرچه بلوک (با بتن آرمه مناسب رویه)، ورق‌های ساده یا موجدار فلزی، ورقهای موجدار فلزی با بتن آرمه رویه به صورت مرکب، کف‌های چوبی، کف‌های ساخته شده از قطعات بتن پیش ساخته همراه با بتن رویه، کف‌های ساخته شده از قطعات بتن پیش ساخته با اتصالات خشک و یا تر با یکدیگر و بدون بتن رویه، طاق‌های ضربی (با مهاربندی) و غیره تشکیل شده باشند. همچنین دیافراگم‌ها می‌توانند شامل مهاربندی‌های افقی که از اجزای فولادی و یا بتنی ساخته شده‌اند نیز باشند. طراحی سیستم مهاربندی افقی مشابه سیستم مهاربندی قائم بوده و از ضوابط آیین نامه‌های مربوط استفاده می‌گردد.

۳- انواع دیافراگم‌ها از نظر صلبیت و انعطاف پذیری

نیروی جانبی هر دیافراگم باید بین اجزای قائم سیستم باربری جانبی با توجه به سختی دیافراگم نسبت به سختی اجزای سازه‌ای قائم تقسیم گردد. در واقع اجزای قائم مانند تکیه گاه‌های دیافراگم (تیر ورق) عمل می‌نمایند. جامع‌ترین روش تحلیلی برای تعیین نیروهای داخلی دیافراگم‌ها (تلاش‌ها) و توزیع مناسب نیروهای جانبی بین اجزای باربر قائم، مدل نمودن دیافراگم به صورت اجزای محدود (finite elements) همراه با اجزای تیر، ستون و دیوارهای برشی در یک مدل سه بعدی کلی است. ليکن به منظور صرفه جویی در وقت در دیافراگم‌های متعارفی که فاقد بازشوهای بزرگ و نزدیک به هم بوده و دارای پلان نسبتاً منظمی می‌باشند، مطلوب‌تر است از روش‌های ساده شده استفاده شود. شکل (پ-۴-۲) وضعیت تغییر مکان و تغییر شکل کلی تیر تیغه دیافراگم) و تکیه گاه‌های آن (قاب‌ها و دیوارهای برشی) را نشان می‌دهد.

۴- تغییر شکل دیافراگم‌ها

با توجه به اینکه متداول‌ترین نوع دیافراگم در ایران دیافراگم‌های بتن آرمه هستند، در ادامه، روش تعیین صلبیت این گونه دیافراگم‌ها مورد بحث قرار می‌گیرد.

همان طور که قبلاً ذکر شد، تغییر شکل کلی هر دیافراگم (Δ_story) تحت اثر بارهای جانبی وارد بر آن از دو قسمت تغییر شکل خمشی (Δ_f) و تغییر شکل برشی (Δ_s ) تشکیل می‌گردد.

در تیرهای معمولی (غیر تیغه) مقدار تغییر شکل‌های برشی جزئی بوده و از آن صرف نظر می‌شود، لیکن در تیر تیغه، مقدار تغییر شکل‌های برشی عمده بوده و باید منظور گردند. روش برآورد تغییر شکل‌های خمشی تیر تیغه، مشابه تیرهای معمولی است. مثلاً در تیر ساده شکل (پ-۴-۳) مقدار حداکثر Δ_f را می‌توان از رابطه زیر محاسبه نمود:

در دیافراگم‌های با ضخامت ثابت برای محاسبه l معمولاً كل مقطع دیافراگم منظور می‌گردد. مثلاً در شکل (پ-۴-۴) مقدار l برابر است با:

*

تغییر شکل برشی دیافراگم‌ها (Δ_s) به شرطی که دیافراگم به صورت تیر تیغه ساده فرض شود، از رابطه زیر به دست می‌آید:

۵- نکاتی درباره تحلیل دیافراگم‌ها

در تحلیل دیافراگم‌های چند دهانه برای تعیین نوع دیافراگم از نظر صلبیت، راه حل محافظه کارانه، منظور نمودن كل دیافراگم به صورت چند دهانه ساده می‌باشد. بررسی اجمالی یک دیافراگم، بحرانی‌ترین دهانه‌های آن را به وضوح مشخص می‌نماید. کنترل صلبیت دیافراگم می‌تواند فقط برای دهانه‌های بحرانی دیافراگم‌های صلب و بر اساس بارگذاری مطابق بند (۳-۳-۶) انجام شود. در صورت صلب بودن دیافراگم در چند دهانه و عدم صلبیت آن در یک دهانه ممکن است نیاز به تحلیل جامع كل دیافراگم و سازه وجود داشته باشد.

از طرف دیگر، در صورتی که کل سازه با فرض دیافراگم صلب تحلیل شده باشد، می‌توان مجموع دیافراگم را به صورت یک تیر ممتد چند دهانه بر روی تکیه گاه‌های صلب و با منظور نمودن سختیهای خمشی (گشتاور ماند ) متفاوت و سطوح مقطع برشی مؤثر متفاوت در دهانه‌های مختلف و قسمتهای مختلف هر دو دهانه تحلیل نمود. بر این اساس تغییر مکان‌های حداکثر دهانه‌های مختلف را با تغییر مکان‌های مجاز هر طبقه مقایسه نموده و صلبیت دیافراگم را تأیید نمود. کنترل تغییر شکل‌های هر دیافراگم باید در امتداد هر دو محور اصلی دیافراگم انجام گیرد.

از طرف دیگر برای تعیین تلاش‌های داخلی هر دیافراگم بعد از تعیین میزان صلبیت آن باید نیروهای طراحی مطابق بند (۳-۸-۳) آیین نامه ملاک عمل قرار گیرد. توزيع افقی نیروهای برشی بین تکیه گاه‌های دیافراگم (عناصر قائم بار بر جانبی) با رعایت بند (3-3-7-1)  آیین نامه صورت می‌گیرد. در صورت صلبیت دیافراگم، این توزیع به نسبت سختی جانبی هر کدام از تکیه گاهها (دیوار برشی، قاب، مهاربند و …) انجام می‌شود. برای تعیین نسبت سختی جانبی عناصر قائم می‌توان تغییر مکان واحدی را در سقف طبقه مورد نظر وارد کرده و در حالتی که کلیه طبقات زیرین بدون حرکت باشند از نسبت نیروهای برشی ایجاد شده در عناصر قائم بار بر جانبی آن طبقه استفاده کرد.

۶- نکاتی درباره طراحی دیافراگم‌ها

ضخامت حداقل دیافراگم‌های بتنی و یا بتن رویه دیافراگم‌های ساخته شده از ورق و یا قطعات پیش ساخته نباید از ۵ سانتی متر کمتر باشد. کنترل کفایت ضخامت باید با توجه به تلاش‌های داخلی دیافراگم و ضوابط آیین نامه بتن ایران انجام گردد. این کنترل به خصوص باید در کنار بازشوهای نسبتاً بزرگ با دقت خاص انجام پذیرد. در صورت عدم کفایت بتن دیافراگم می‌توان آن را با سیستم مهاربندی فولادی مناسب نیز تقویت نمود. به طور کلی توصیه می‌گردد که میزان و تعداد بازشوها در دیافراگم‌ها به حداقل ممکن محدود گردد. کلیه اجزای متصل به دیافراگم (سازه‌ای یا غیرسازه ای) باید قادر به تحمل تغییر شکل دیافراگم در محل اتصال باشند. همچنین اتصالات دیافراگم با دیوارهای برشی و یا قابهای خمشی باید به نحوی طراحی شوند که کل نیروهای وارده را تحمل نمایند. کلیه نیروها و تلاش‌هایی که برای طراحی دیافراگم‌ها به کار می‌روند باید بر اساس نحوه بارگذاری مطابق بند (۳-۸) آیین نامه محاسبه شده باشند.

نیروی جانبی که باید برای طراحی دیافراگم منظور شود، شامل نیروی اینرسی ایجاد شده در اثر وزن خود دیافراگم و همچنین وزن قطعات سازه‌ای و غیر سازه‌ای متصل به آن می‌باشد. علاوه بر آن دیافراگم‌ها باید نیروهای جانبی سازه‌های باربر جانبی را که در محل دیافراگم جابجا یا قطع شده‌اند تحمل نمایند.