امروزه مطالعه و تحقيق روي رفتار سازه ها به منظور دسترسي به حداكثر ايمني، همزمان با معيارهاي در سراسر جهان رشد فزاينده اي يافته است. به طوريكه آزمايش روي تك تك اجزاء و يا تركيبي از چند جزء يك سازه، در مقياسهاي بزرگ و واقعي، يك از مهمترين و اساسي ترين نكات مورد توجه پژوهشگران صنعت ساختمان است.

وسايل آزمايشگاهي موجود در كشور ما را ملزم مي سازد كه روي نمونه هاي با ابعاد كوچك و يا نمونه هايي با مقياس كوچك آزمايشهايي صورت گيرد كه اين كار حداكثر مي تواند گوياي رفتار تك تك عناصر تشكيل دهندة سازه بدون در نظر گرفتن عملكرد واقعي آنها در سازة اصلي و در كنار ديگر عناصر ساختمان باشد و بررسي نحوة تاثير بعضي از عوامل موثر بر موضوع مورد مطالعه محدود گردد.

عملكرد نمونه مورد آزمايش به نكاتي كه اهم آنها به قرار زير است، بستگي دارد:

      ü        هندسه سازة

      ü        اندازة سازه

      ü        استفادة همزمان از مصالح گوناگون در كنار يكديگر

      ü        تاثير نوع اتصال و پيوستگي اجزاء و مصالح به يكديگر

لذا در هنگام آزمايش بياد موارد فوق كاملاً مدنظر گرفته شود، تا نتايج حاصل، واقعي و با درصد بالايي قابل اعتماد باشند. به عنوان مثال، ‌براي بررسي رفتار يك پل بايستي تنشها و تغيير شكلهاي ناشي از نيروهاي شامل وزن پل، تردد وسايل نقليه، ارتعاشات، باد، تغييرات درجحه حرارت و … در نظر گرفته شوند.

شايان ذكر است، كه تمامي اينها با آزمايشهاي سادة كششي و فشاري، روي يك قسمت كوچك از نمونة مصالح به كار فته در يك عضو از سازة پل بدست نمي آيد.

همين طور استفاده از فرمولهاي محاسباتي و تعميم آنها به نكات تازه و ناشناخته، ما را ملزم مي سازد كه اعضاي واقعي سازه و يا در مواقعي حتي،‌خود سازه را تحت اثر بارهاي بهره برداري مورد آزمايش قرار دهيم، تا بتوان براساس نتايج آزمايش به آگاهيهاي معتبري دست يابيم.

داشتن اطلاعات دقيق و معتبر بخصو براي توليد انبوه حايز اهمت فراوان است. با توجه به مشكلات گوناگون در جوامع بشري، كه صنعت ساختمان به سوي توليد انبوه روي آورده است، طرح يك عضو سازه اي با ظرفيت باربري بيش از حد لازم، علاوه بر اتلاف مصالح با ارزش ساختماني، زيانهاي اقتصادي فراواني به دنبال خواهد داشت.

از سوي ديگر، تكيه بر آزمايشهاي كلاسيك سازه اي، عدم آگاه دقيق از كاركرد هماهنگ اجزاي يك سازه و به فرمولهاي به دست آمده و نتايج تجربيات گذشته بسنده‌كردن، راه را براي پژوهشهاي آتي و پيشرفت، مسدود خواهد كرد.

با وجود اينكه روشهاي عددي مثل روش المانهاي محدود، ابزار خوبي جهت مطالعه رفتار سازه هاي ساختماني هستند و بسياري از پيش بيني هاي طراحي، نظريات و توصيه‌ها بر پاية نتايج آنها استوار است. با وجود اين، استفاده از همين روشها هم، فرضياتي ساده كنده كه گاهي دور از واقعيت اند را شامل مي شود.

باتوجه به موارد مذكور، به گوشه اي از اهميت كاربرد استفاده از آزمايشگاه سازه پي مي بريم. به طوري كه حتي، بسياري از كشورهاي جهان سوم مانند اندونزي، يمن، عربستان، الجزاير، تونس و سنگاپور نيز اقدام به راه اندازي چنين آزمايشگاه هايي در كشورهاي خود كرده اند.

ايران در ميان كشورهاي در حال توسعه، نخستين كشوري بود، كه پژوهشگران آن به مطالغه و پژوهش در زمينه هاي علمي، روي آوردند. ولي به علت كمبود امكانات و تجهيزات آزمايشگاهي، پژوهشهاي در دست مطالعه، روند مطلوب را نداشته و در بسياري از موارد به حال تعليق درآمده اند. امروزه، براي تحقيق در زمينه هاي سازه ها، از دو روش بنيادي به شرح زير كه در آزمايشگاههاي انجام مي پذيرد، استفاده مي شود:

اول : آزمايش اعضاي سازه با اندازة واقعي در ماشين هاي آزمايشي (يونيورسال تست) با ظرفيت زياد و ابعاد بزرگ.

دوم: آزمايش سازه با اندازه واقعي آن با استفاده از يك سيستم معادل، شامل كف قوي[1] ، قابهاي بارگذاري[2] و تجهيزات تكيه گاهي[3].

در پايان، ذكر اين نكته را لازم مي داند كه وقتي درباره اهميت آزمايش در مقياسهاي بزرگ سخن به ميان مي آيد معنايش اين نيست، كه همواره به چنين آزمايشهايي (با صرف وقت و هزينه زياد) نياز داريم، بلكه اين گونه آزمايشگاه را وقتي تأئيد نهايي مورد نياز باشد، يا اينكه بخواهيم تئوريهاي موجود را اصلاح كرده و شناخت دقيقتري از رفتار سازه به دست آوريم، انجام مي دهيم.

به منظور آزمايش بر اجزاي ساختماني در اندازه هاي حقيقي و بزرگ و بررسي رفتار آنها، احداث آزمايشگاه سازه در مراكز علمي و دانشگاهي كشور، امري ضروري و اجتناب ناپذير است.

از جمله مهمترين عناصر تشكيل دهنده يك آزمايشگاه سازه، كف قوي و قابهاي استوار شده بروي آن است. هدف از پروژه مورد بحث در اين گزرش طرح يك كف قوي و سازه هاي مربوط به آن و همچنين تحقيق بر روي مصالح جهت ساختن اين گونه كف قوي است كه ايجاد يك آزمايشگاه سازه مجهز را توصيه مي نمايد.

فصل اول

معرفي كفهاي قوي و ملحقات آن

آزمايشگاههاي تحقيقاتي سازه كه در اغلب كشورهاي جهان ساخته شده، داراي امكانات گوناگون و پيشرفته اي هستند. اين آزمايشگاه ها، براي تحقيق و مطالعه پژوهشگران تسهيلات لازم را فراهم مي آورند و حصول نتايج مطمئن و واقعي را ممكن مي سازند. از جمله تجهيزات ضروري براي مجهز ساختن و راه اندازي آزمايشگاه سازه عبارتند از:

      ü        كف قوي

      ü        ديوار قوي[1]

      ü        قابهاي بارگذاري

      ü        ماشينهاي آزمايشي (يونيورسال تست)

      ü        تجهيزات تكيه گاهي

      ü        سيستم هاي كنترل كامپيوتري

      ü        سيستمهاي هيدروليكي و جكها

با بررسيهاي انجام شده از مراكز علمي و تحقيقاتي كشور، مشخص شد كه در كشور ما نه تنها براي آزمايش خود سازه، بلكه حتي براي آزمايش اعضاي آن در اندازه واقعي خود، آزمايشگاهي وجود ندارد و احساس مي شود كه براي فراهم نمودن زمينه هاي جديد تحقيقاتي وجود آزمايشگاههاي سازه لازم و ضروري است، و گام اول در راه ايجاد چنين آزمايشگاهي، بايد در جهت داشتن يك كف قوي و مناسب باشد، تا بتواند نيازهاي پژوهشگران را از نظر ابعاد و ظرفيتهاي بارگذاري گوناگون تأمين كند.

اين فصل به معرفي انواع كفهاي قوي، قابهاي بارگذاري و مثالي از يك آزمايشگاه سازه مي پردازد.

براي انجام دادن مطالعه و تحقيق روي رفتار سازها و عملكرد اجزاي آنها، اصولاً‌دو روش موجود است.

روش اول، كارهاي آزمايشگاهي و روش دوم، كارهاي تحليلي و آناليتيكي است. در روش آزمايشگاهي، مقياس اجزاي سازه تعيين و ساخته مي‌شوند و پس از پيوستن آنها به هم و ايجاد سازه هاي موردنظر، سازه ها تحت انواع بارگذاريها و حالات تكيه گاهي مورد آزمايش قرار مي گيرند و سرانجام نتايج با رفتار واقعي سازه ها تصحيح مي‌شوند.

در روش تحليلي از فرمول هاي خالص رياضي حاصل از پديده هاي فيزيكي مدل شده جهت يك آناليز عددي به كمك كامپيوتر استفاده مي شود.

امروزه آزمايشگاه هاي تحقيقاتي سازه كه در اغلب كشورهاي جهان ساخته مي شوند داراي امكانات گوناگون پيشرفته اي هستند. مثلاً آزمايشگاه بزرگي كه براي دانشگاه شهر سرپونگ[2] در كشور اندونزي تاسيس شده است. داراي امكانات متعددي براي آزمايش روي مصالح، اجزاء سازه، و سازه‌هاي واقعي است. در اين آزمايشگاه كه مساحت ساختمان آن بالغ بر 8800 مترمربع است. يك كف قوي بتن آرمه به ابعاد 40 متر در 40 متر (1600 مترمربع) ساخته شده است. در اين آزمايشگاه علاوه بر قابهاي بارگيذاري نصب شده روي كف قوي با ظرفيت باربري KN 4000، تجهيزات ديگري نيز ساخته شده است كه قسمتهاي مختلف آن به شرح زير است:

-         آزمايشگاه ماشين‌هاي كوچك آزمايشگاهي

-         آزمايشگاه دستگاههاي آزمايشي استاندارد

-         آزمايشگاه دستگاههاي آزمايشي استاتيكي

-         آزمايشگاه تست‌هاي غيرتخريبي NDT

-         آزمايشگاه ماشين‌هاي تشديد

-         آزمايشگاه اندازه‌گيري وارفتگي و افت مصالح

-         آزمايشگاه اشعه ايكس و ايزوتوپ

-         آزمايشگاه متالوگرافي و عكسبرداري

-         كارگاههاي جوشكاري، مكانيكي و الكترونيكي

كليه اين قسمتها داراي سيستم تغذيه روغن هيدروليك تحت فشار مركزي است. در ضمن يك سيستم كامپيوتري مركزي تمام عملياتي را كه انجام مي‌گيرد در كنترل دارد.

همين‌طور در آزمايشگاه سازه دانشگاه شهر بوخوم[3] در آلمان، يك كف قوي به مساحت 300 متر مربع وجود دارد كه قادر است ستونهاي تا ارتفاع 10 متر را زير بار فشاري MN 20 و يا بار كششي MN 10 و يا تحت بار ديناميكي MN8+ قرار دهد.

كف قوي، سازه اي است صلب كه داراي تجهيزات مخصوص براي نصب و مهار قابهاي بارگذاري و تجهيزات تكيه گاهي است.

اعضاي سازه و يا خود سازه با ابعاد دواقعي و يا مدل كوچكتر شده اش بروي اين كف قوي و در زير قابهاي بارگذاري تحت آزمايشهاي گوناگون استاتيكي و ديناميكي فشار، كشش و خمش قرار مي گيرد، تا ظرفيت باربري و عملكرد مصالح گوناگون در كنار يكديگر در نقاط مختلف سازه و در اتصالات بررسي و مطالعه شود.

كف قوي معمولاً‌براساس 51231 DIN طرح مي شود. طراحي يك كف قوي مخصوصاً بستگي به حالت محلي براساس نيروهاي اعمال شده به آن دارد.

كف قوي در سه تيپ مختلف ساخته و عرضه مي شود:

1.كف قوي تمام فولادي

2.كف قوي بتن آرمه

3.كف قوي بتن پيش تنيده

دو مورد آخر (رديفهاي 2و3) داراي شبكه بولت اي فولادي جهت مهار و مونتاژ قابهاي بارگذاري و تجهيزات تكيه گاهي هستند كه بست قورباغه اي[4] ناميده مي شود.

جايي كه ابعاد نمونه كوچك است و لنگرهاي خمشي نسبتاً كم هستند. كف قوي فولادي مناسبتر و سيستم مهار و مونتاژ قابهاي بارگذاري ريلي است. در حاليكه ابعاد نمونة مورد آزمايش اگر بزرگتر باشند، لنگرهاي خمشي بزرگي اعمال مي شود و كف قوي پيش تنيده مناسبتر است.

معمولاً كفهاي قوي را همراه را با يك ديوار قوي مي سازند كه كفهاي افقي براي آزمايش سازه ها تحت اثر بارهاي قائم و ديواره هاي قائم جهت آزمايش سازه ها، تحت اثر نيروهاي افقي مورد استفاده قرار مي گيرند.

در آزمايشگاههايي كه كفهاي قوي و ديواره هاي قوي باهم ساخته مي شوند. معمولاً‌ ديواره بروي يكي از اضلاع كناري كف قرار مي گيرد، ولي بسته به نوع آزمايش مي‌‌تواند در هر محل مناسبي طراحي و اجرا شود. قابهاي بارگذاري با روشهاي گوناگون كه مفصلاً شرح داده خواهد شد روي كف قوي نصب و مهار مي شوند. همچنين تجهيزات تكيه گاهي نيز براي آزمايش هاي خمش روي كف به همان ترتيب نصب و مهار مي‌گردند.

معيارهايي كه در طرح يك كف قوي مي توان در نظر گرفت، عبارتند از:

كفهاي قوي را بسته به نوع شكل سازه اي و همچنين ابعاد و موارد مصرف آنها مي‌توان از فولاد، بتن آرمه، بتن آرمه پيش تنيده، بتن آرمه مختلط با فولاد ساخت.

ابعاد كفهاي قوي تابعي از اندازة قطعاتي هستند كه بايد تحت آزمايش قرار گيرند. بايد در نظر داشت كه قطعات متعددي ممكن است به طور همزمان مورد آزمايش قرار بگيرند. همچنين بايستي طول به عرض كف، طوري رعايت شود كه پايداري سازه كف بر اثر بارهاي وارده تأمين گردد.

در حالتي كه كف قوي از نوع بتن پيش تنيده يا بتن آرمه باشد، انتخاب صحيح ابعاد كف حايز اهميت است. زيرا ابعاد اين نوع كفها، ابعاد ساختمان آزمايشگاه را تعيين مي‌كنند. همچنين محل نصب ساير تجهيزات آزمايشگاهي در ارتباط با محل استقرار كف قوي خواهد بود.

چنانچه در نظر داشته باشيم در يك ساختمان آزمايشگاه موجود، يك كف قوي بسازيم و يا ابعاد كف موجود را گسترش دهيم، در صورتي كه كف موردنظر از بتن آرمه يا بتن پيش تنيده باشد، بعلت مشكلات اجرايي امكان پذير نخواهد بود.

براي ساختن اين نوع كفها زيرسازيهاي بخصوصي تدارك ديده مي شود كه امكان اجراي آن در يك ساختمان موجود با دشواري صورت خواهد گرفت.

همچنين ساختن يك كف قوي از اين نوع، عمليات ساختماني حجيمي را به همراه دارد كه اجراي آن در زير سقف يك آزمايشگاه مشكلاتي را بوجود مي آورد.

گسترش كفهاي موجود نيز از نظر تأمين يكپارچگي كف و مشكلاتي كه در تدارك آزمايشهاي دقيق بوجود خواهد آورد، نامممكن خواهد بود، بخصوص در مورد كفهاي پيش تنيده به جهت مسيرهاي انتخاب شده براي كابل هاي پيش تنيدگي (تندان)، گسترش كف عملي نمي باشد.

بنابراين در طرح ابعاد يك كف قوي از نوع بتن آرمه يا بتن پيش تنيده بايستي نيازهاي موجود و خواسته هاي قابل پيش بيني در نظر گرفته شود.

كفهاي قوي از نظر شكل سازه اي به سه دسته به شرح  زير تقسيم مي شوند:

      ü        كفهاي قوي با سيستم يك بعدي

      ü        كفهاي قوي با سيستم دو بعدي

      ü        كفهاي قوي با سيستم سه بعدي

اين گونه كفها به منظور آزمايشهاي خمش روي تيرهاي فلزي، بتني، چوبي و … ساخته مي شوند. قابهاي بارگذاري بروي اين كفها، فقط در امتداد طولي كف جابجا مي‌شوند و از اين رو بايد به هنگام طرح كف، چگونگي كار آن را كاملاً در نظر گرفت. كشل مقطع كفهاي قوي با سيستم يك بعدي طبق آيين نامه 51231 DIN يكي از چهار شكل به شرح زير است:

مقطع مربع مستطيل توپر    ، مقطع مربع مستطيل توخالي    ، مقطع I شكل    ، و مقطع H شكل   .

جنس مصالح كفها قوي با مقطع مربع مستطيل توپر عموماً بتني است. اما كفهاي قوي در سه مورد ديگر (مقطع مربع مستطيل توخالي، مقطع I شكل و مقطع H شكل) تماماً از فولاد ساخته  مي شود. از معيارهاي انتخاب مقطع هاي گوناگون ...