प्रबलित काँक्रीट इमारतीमधील भूकंप प्रतिरोधक तुळया (Beams in RC Buildings Resist Earthquakes)

भूकंपमार्गदर्शक सूचना १८

प्रबलन आणि भूकंपीय नुकसान यांचा परस्परसंबंध :

प्रबलित काँक्रीटच्या इमारतींमध्ये ऊर्ध्व आणि क्षितिज घटक (म्हणजेच तुळया आणि स्तंभ) एकसंधपणे बांधण्यात येतात. म्हणजेच विविध भारांच्या क्रियेच्या प्रभावाखाली ते एकत्रितपणे एका घटकाकडून दुसरीकडे बल हस्तांतरीत करणाऱ्या चौकटीचे कार्य करतात. या सूचनेमध्ये या चौकटीचा एक भाग असलेल्या तुळयांच्या कार्याची माहिती देण्यात आली आहे.

प्रबलित काँक्रीटच्या इमारतींमधील तुळयांच्या पोलादी प्रबलनाचे दोन समूह (प्रकार) असतात : (अ) लांब सरळ गज (अन्वायामी गज / Longitudinal ) जे तुळईच्या लांबीलगत टाकले जातात आणि (आ) कमी व्यासाच्या पोलादी गजाचे बंद चाप (रिकीब / Stirrups) जे संपूर्ण लांबीवर नियमित अंतरावर ऊर्ध्व दिशेत (अन्वयामी गजांच्या काटकोनी दिशेत) टाकले जातात (आकृती १).

आ. १. तुळईतील पोलादी प्रबलन : रिकीबी अन्वायामी गजांना बाह्य दिशेने नमन पावण्यास विरोध करतात.

अतिरिक्त भाराखाली तुळयांचे प्रामुख्याने पुढील दोन प्रकारचे भंग होतात :

आनमन (नमन / Bending) : वाढत्या भाराच्या प्रभावामुळे तुळईचे अवतलन (Sagging) झाल्याने ती दोन प्रकारांनी भंग होऊ शकते. जर ताणाच्या दर्शनी बाजूला तुलनेने अधिक पोलाद उपलब्ध असेल तर काँक्रीट संपीडनामध्ये (Compression) दलित होते. हा ठिसूळ भंग असल्याने तो अनिष्ट आहे. ताणाच्या दर्शनी बाजूला जर पोलादाचे प्रमाण कमी असेल तर पोलादाचे कार्य कमी प्रभावशाली होईल (ते दीर्घीकरण पावत राहील (mhanjech tyachi lambi vadhat rahil) पण तुटणार नाही. कारण पोलादामध्ये ते तुटण्याआधी मोठ्या प्रमाणावर दीर्घीकरण (Elongation) पावण्याची क्षमता असते. पहा : भूकंप मार्गदर्शक सूचना क्र. ९). यामुळे तुळयांमध्ये अंतिमत: काँक्रीट संपीडनामध्ये भंग पावेतोवर पोलादाचे दिर्घीकरण झाल्यामुळे ताणाचे पुनवर्गीकरण (Redistribution) होत राहते आणि त्याच्या शेवटी तंतुक्षम भंग (Ductile Failure) होतो. अशा प्रकारचा तंतुक्षम भंग इष्ट आहे. हा भंग ताणलेल्या तुळईच्या टोकापासून सुरू होऊन त्याच्या मध्यखोलीपर्यंत निर्माण होणाऱ्या अनेक ऊर्ध्व भेगांमुळे वैशिष्ट्यपूर्ण ठरतो (आकृती २ अ).
कर्तन भंग (Shear Failure) : तुळईचा कर्तनामुळे देखील भंग होऊ शकतो. कर्तन तडा क्षितिजाशी ४५ अंशाचा कोन निर्माण करातो; तो टोकाजवळील मध्य खोलीपासून निर्माण होऊन वरच्या आणि खालच्या दर्शनी भागाकडे वाढत जातो (आकृती २ आ). ही कर्तन क्रिया टाळण्यासाठी बंद चाप रिकीबींची (Closed Stirrups) व्यवस्था करण्यात येते. या रिकीबींचे तुळईतील एकंदर क्षेत्रफळ अपुरे असल्यास कर्तनी नुकसान होते. कर्तनी भंग हा ठिसूळ असतो. त्यामुळे प्रबलित काँक्रीट तुळयांच्या संकल्पना दरम्यान तो शक्यतो टाळला पाहिजे.

आ. २. तुळईतील क्षतिचे दोन प्रकार : (अ) आनमन भंग, (आ) कर्तन भंग.

संकल्प कौशल्य :

तुळयांच्या संकल्पनामध्ये तिच्या बांधकाम साहित्याच्या गुणधर्माची निवड (म्हणजेच पोलादी गज आणि काँक्रीटची क्षेणी) आणि सामान्यत: त्यांचे आकारमान आणि प्रमाण यांची संपूर्ण इमारतीच्या अखंड संकल्पन कौशल्याचा एक भाग म्हणून निवड केली जाते. परंतु तुळईमध्ये टाकण्यात येणाऱ्या पोलादाचे प्रमाण आणि वर्गीकरण हे आय्. एस्. ४५६ : २००० आणि आय्. एस्. १३९२० : १९९३ या मानकांनुसार आणि त्यावर आधारित संकल्पन परिगणितांनुसार (करण्यात यावे) करणे अत्यंत आवश्यक आहे.

तुळईची जी बाजू खेचली जाते त्या बाजूला आनमन तड्यांना प्रतिरोध करण्यासाठी अन्वायामी गजांची तरतूद करण्यात येते. भूकंपाच्या तीव्र हादऱ्यांदरम्यान (पहा : भूकंप मार्गदर्शक सूचना क्र. १७) वरचे आणि खालचे दोन्ही दर्शनी भाग खेचले जात असल्याने अन्वायामी पोलादाचे गज मध्य लांबीच्या दर्शनी भागाच्या खाली आणि वर पर्यंत दोन्ही बाजूस आवश्यक ठरतात (आकृती ३).

आ.३. तुळईतील अन्वायामी गजांचे स्थान आणि प्रमाण.

भारतीय तंतूक्षम तपशीलवार आरेखन मानक आय. एस. १३९२० – १९९३ मधील नियमांनुसार :

तुळईच्या संपूर्ण लांबीमध्ये वर आणि खाली कमीतकमी दोन गज असणे आवश्यक आहे.
तुळईच्या टोकांमध्ये तिच्या खालील भागातील पोलादाचे प्रमाण तिच्या वरील भागातील पोलादाच्या किमान अर्धे असणे आवश्यक आहे.

प्रबलित काँक्रीटच्या तुळईतील रिकीबी तीन प्रकारे कार्य करतात :

ते ऊर्ध्व कर्तन बल घेतात आणि त्यामार्गाने कर्णरेषेतील कर्तन तड्यांना प्रतिरोध करतात (आकृती २ आ)
तसेच आनमनामुळे काँक्रीटच्या फुगून येऊन तडे जाण्यास वाचवते आणि
आनमनामुळे संपीडित अन्वायामी गजांचे होणारे उपचयन (buckling) टाळते.

साधारण ते तीव्र भूकंपप्रवण प्रदेशांमध्ये भारतीय मानक आय.एस. १३९२० -१९९३ मध्ये प्रबलित काँक्रीटच्या तुळईतील रिकीबींसंदर्भात खालील नियम नमूद करण्यात आले आहेत.

रिकींबींचा व्यास किमान ६ मिमी. असणे आवश्यक आहे. ५ मी.पेक्षा अधिक लांबी असलेल्या तुळयांमध्ये तो किमान ८ मिमी. इतका असला पाहिजे.
ऊर्ध्व रिकीबींची दोन्ही टोके १३५ अंशाच्या आकारातील पोलादी कड्या वाकवून आणि त्यापलिकडे त्यांचे पुरेसे विस्तारण (अनुवर्धन, Magnification) करून या रिकीबी भूकंपामध्ये उकलून बाहेर येणार नाही याची काळजी घेणे आवश्यक आहे (आकृती ४).
तुळईतील कुठल्याही भागातील ऊर्ध्व रिकीबींचे व्यंतर (Spacing) परिगणितावरून (Calculation) निश्चित करण्यात यावे.

रिकीबीमधील कमाल व्यंतर तुळईच्या खोलीच्या अर्ध्यापेक्षा कमी असावे.
स्तंभाच्या दर्शनी भागापासून खोलीच्या दुप्पट लांबीच्या तुळईसाठी, रिकीबींच्या व्यंतरासाठी अनेक कठोर तरतूदी नमुद करण्यात आल्या आहेत. उदा., वरील (इ) मध्ये नमुद करण्यात आलेल्या व्यंतराच्या अर्ध्या अंतराइतके (आकृती ५).

आ. ५. तुळईतील ऊर्ध्व रिकीबींचे स्थान व प्रमाण : (अ) परिगणित रिकीबींचे व्यंतर (d/४ आणि तुळईच्या गजाच्या व्यासाच्या ८ पटींपेक्षा जास्त), (आ) परिगणित रिकीबींचे व्यंतर (d/२ पेक्षा जास्त नाही)

प्रबलनाचे पोलादी गज साधारणत: १२ ते १४ मी. लांबीमध्ये उपलब्ध असतात. म्हणूनच त्यापेक्षा अधिक लांबीच्या तुळया बनविण्यासाठी अधिछादी (Lapping) गजांची आवश्यकता भासते. छादस्थानी गज मोठ्या प्रमाणावर एकमेकांकडून बल हस्तांतरित करतात. भारतीय मानक आय.एस.१३९२०-१९९३ च्या तरतुदींनुसार अन्वायामी गजांचे छाद

स्तंभाच्या दर्शनी भागापासून लांब अंतरावर टाकण्यात यावेत आणि
जेथे ते मोठ्या प्रमाणावर खेचले जाऊन भंग पावण्याची शक्यता असते. (उदा., तुळईच्या मध्ये लांबीतील खालचे गज) अशा ठिकाणी असू नयेत. तसेच छादस्थानी ऊर्ध्व रिकीबी जवळच्या व्यंतरावर टाकण्यात याव्यात (आकृती ६).