بررسی شکل‌پذیری سازه‌های فولادی و بتنی به زبان ساده

شکل پذیری سازه (Ductile) چیست؟

در این مقاله، به بیان مطالب مربوط به شکل‌پذیری و اهمیت آن در سازه‌ها پرداخته می‌شود. ابتدا با بیان مفهوم شکل‌پذیری و تفاوت آن با سایر مفاهیم، این ویژگی در مصالح فولاد و بتن با بررسی منحنی‌های تنش کرنش مورد بحث قرار می‌گیرد، سپس شکل‌پذیری سازه‌های بتنی و فولادی هریک در بخش جداگانه بررسی شده و انواع سیستم‌های باربر جانبی با بیان ویژگی‌ها و ضوابط آیین‌نامه‌ای تشریح می‌گردند.

پس از آشنایی با پارامترهای مؤثر بر شکل‌پذیری سازه‌ها و ضوابط آیین‌نامه‌ای مربوطه، میزان شکل‌پذیری انواع سیستم‌های سازه‌ای با یکدیگر مقایسه می‌شوند. در نهایت تنظیم پارامترهای مربوطه در نرم‌افزار ایتبس نیز بررسی می‌شوند.

⌛ آخرین به روز رسانی: 10 دی 1404

📕 تغییرات به روز رسانی: آپدیت براساس آخرین ویرایش مبحث 9 و 10 مقررات ملی ساختمان

تعریف شکل پذیری سازه

شکل‌پذیری به قابلیت تحمل تغییرشکل‌های غیرخطی بدون افت قابل توجه در مقاومت گفته می‌شود. این ویژگی یک خاصیت ذاتی در مصالح است که باعث می شود تغییرشکل‌های بزرگ قبل از گسیختگی کامل در مصالح قابل نمایش باشند. اهمیت شکل‌پذیری در سازه‌ها هنگام وقوع زلزله نمایان می‌شود.

چنانچه سیستم سازه‌ای هنگام تحمل بار اضافی دچار تغییرشکل ظاهری گردد، اعضای آن با ورود به ناحیه غیرخطی، انرژی زلزله را در سیکل‌های متوالی مستهلک می‌کنند و سازه دچار انهدام ناگهانی نمی‌شود. در مقابل چنانچه شکل‌پذیری مورد نیاز تأمین نشده باشد، سازه شکننده بوده و در مقابل نیروهای ناشی از زلزله دچار انهدام ناگهانی می‌شود.

به طور مثال تیری را در یک ساختمان در نظر بگیرید که در اثر بارهای وارده، بدون نشان دادن تغییرشکل‌های قابل‌ ملاحظه، به‌طور ناگهانی می‌شکند اما در مقابل، تیری را فرض کنید که تحت همان مقدار بار، قبل از شکست کامل، تغییرشکل‌‌های زیادی را از خود نشان داده است.

اولین عامل مؤثر در شکل‌پذیری اعضاء، جنس مصالح به کار رفته در آن‌ها است. از این نظر می‌توان مصالح را به دو دسته مصالح شکل‌پذیر و مصالح شکننده یا تُرد تقسیم نمود. میزان شکل‌پذیری مصالح را می‌توان از طریق بررسی رفتار آن‌ها تحت آزمایشات مختلف مصالح ارزیابی کرد.

✅ برای مطالعه توضیحات مفصل تفاوت شکل‌پذیری با مفاهیمی همچون انعطاف پذیری، چکش خواری و سختی به متن اصلی ایبوک مراجعه کنید.

مصالح شکل‌پذیر و تُرد

شکل‌پذیری یک کمیت عددی مطلق نیست؛ در واقع ما نمی‌توانیم یک مقدار عددی را به‌عنوان معیار تعیین رفتار ماده (شکل‌پذیر یا شکننده بودن) در نظر بگیریم. ازاین‌رو می‌توان گفت تمامی مواد، از نظر خواص مکانیکی، تا حدودی شکل‌پذیر هستند اما در بعضی مواد به‌ قدری این شکل‌پذیری ناچیز است که می‌توان آن‌ها را جزو مواد شکننده یا تُرد طبقه‌ بندی کرد.

عموماً شکل‌پذیری مصالح توسط آزمون کشش ارزیابی می‌شود. در این آزمایش نمونه‌ی ساخته ‌شده از مصالح مورد نظر در دستگاه آزمایش کشش قرار می‌گیرد؛ به گونه‌ای که دو انتهای نمونه توسط گیره‌های نگهدارنده، ثابت نگه داشته شده و سپس از طریق سلول بارگذاری، به نمونه نیرو اعمال می‌شود. این قسمت به بخشی متحرکی به نام کلگی متصل است که قابلیت حرکت به سمت بالا و پایین را داراست.

در نهایت با استفاده از کامپیوتر، اطلاعات مربوط به هر لحظه از آزمایش مانند نیرو و مقدار تغییر طول نسبی (کرنش) نمونه تا لحظه شکست کامل، ثبت می‌گردد. در شکل زیر نمونه‌ای از دستگاه آزمون کشش به همراه اجزای مختلف آن قابل مشاهده است.

دستگاه آزمایش مربوط به آزمون کشش

پس از اتمام آزمایش، مقادیر تنش (σ=P/A) و کرنش (ε=∆L/L) متناظر با آن، در قالب یک دستگاه مختصات دو بعدی، مرتب شده که نتیجه آن، تحت عنوان نمودار تنش-کرنش شناخته می‌شود. محور قائم این نمودار، مقادیر تنش (stress) و محور افقی نمودار، مقادیر کرنش (strain) را نشان می‌دهد.

به‌منظور درک بهتر مفهوم شکل‌پذیری، به شکل زیر توجه نمایید. در این شکل، نتایج آزمایش تنش-کرنش دو نمونه‌، در یک دستگاه مختصات آورده شده و در جهت تفکیک بهتر، نمونه اول با رنگ قرمز و نمونه دوم با رنگ آبی نمایش داده شده‌اند. با دقت در نمودار متوجه می‌شویم که نمونه اول، مقدار مشخصی از تنش را با کرنش متناظرِ بسیار پایین در لحظه شکست تجربه می‌کند.

به بیان دیگر این ماده در زمان شکست، تغییرشکل اندکی را از خود نشان داده است. به موادی که چنین رفتاری دارند، مواد تُرد یا شکننده (Brittle) گفته می‌شود. سنگ، شیشه، چدن، گچ، آهک و بتن نمونه‌های بارز موادی هستند که چنین رفتاری را دارند.

در مقابل، شکست نهایی نمونه ساخته شده با نمونه دوم، تقریباً تحت همان مقدار تنشی اتفاق افتاده است که شکست برای نمونه اول رخ داده است، با این تفاوت که نمونه دوم، در لحظه شکست نهایی مقدار کرنش بسیار بزرگ‌تری را نسبت به نمونه اول از خود نشان داده است و در مقایسه با آن تغییرشکل بیشتری را تا لحظه گسیختگی خود تحمل می‌کند؛ بنابراین می‌توان این ماده را ماده‌ای شکل‌پذیر (Ductile) نامید.

شکل 2- نمودار تنش-کرنش ماده تُرد و شکل‌پذیر

همانطور که مشاهده می‌کنید، تفاوت این دو نمونه در مقدار کرنش متناظر با لحظه شکست، کاملاً مشهود است، قابل ذکر است که مساحت زیر منحنی تنش-کرنش هر ماده‌ای، انرژی جذب (مستهلک) شده توسط آن را نشان می‌دهد. با توجه به این نکته می‌توان نتیجه گرفت که مواد شکل‌پذیر به دلیل مساحت زیاد زیر نمودار تنش-کرنش خود، عموماً قابلیت جذب انرژی و چقرمگی بیشتری دارند.

✅ برای مطالعه تحلیل جامع‌تر رفتار شکست مواد بر اساس منحنی تنش–کرنش، به توضیحات کامل ارائه‌شده در ایبوک مراجعه نمایید.

شکل‌پذیری بتن

ضعف بتن در کشش و عملکرد ترد آن تحت تنش‌های کششی، یکی از دلایلی بود که مهندسین را به استفاده از فولاد و دیگر مواد در بتن به جهت جبران این ضعف مجاب می‌کرد. همان‌طور که می‌دانید، بتن نسبت به نیروهای کششی رفتاری ترد از خود نشان می‌دهد. به‌علاوه مقاومت گسیختگی (شکست) کششی بتن، به مراتب مقدار کمتری نسبت به مقاومت فشاری این ماده دارد (حدود یک‌ دهم مقاومت فشاری). همچنین رفتار این ماده تحت تنش‌های فشاری و کششی، برخلاف فولاد که تقریباً رفتار مشابهی تحت فشار و کشش دارد، کاملاً متفاوت است و این تفاوت، در منحنی تنش کرنش بتن به وضوح قابل مشاهده است.

منحنی تنش-کرنش بتن

در شکل بالا، دستگاه مختصاتی را می‌بینید که بنابر فرض مثبت بودن تنش و کرنش کششی، دیاگرام تنش-کرنش ‌کششی بتن، در قسمت (ربع) اول و طبق فرض منفی بودن تنش و کرنش فشاری، منحنی تنش-کرنش‌ فشاری بتن در قسمت سوم دستگاه مختصات ترسیم شده است. با مشاهده دیاگرام تنش -کرنش کششی بتن (قسمت اول دستگاه)، می‌بینیم که بتن تحت نیروی کششی، بدون تغییر رفتار قابل‌ملاحظه در تنش نهایی σ_(U,tension)، به طور ناگهانی گسیخته شده (می‌شکند) و ازاین‌رو، متوجه رفتار ترد و شکننده بتن در برابر نیرو‌های کششی می‌شویم.

اما در مقابل، با تحلیل رفتار بتن تحت نیروهای فشاری توسط دیاگرام تنش‌-کرنش فشاری بتن (قسمت سوم دستگاه)، متوجه این موضوع می‌شویم که بتن تحت نیروی فشاری، عملکرد به مراتب بهتری نسبت به کنش‌های کششی داشته و تغییر رفتار (تغییر شیب نمودار) نسبتاً قابل‌توجهی از خود نشان می دهد. همچنین کرنش حد گسیختگی (ε_CU) متناظر با تنش نهایی σ_(U,tension) بزرگ‌تر و به دنبال آن شکل‌پذیری بالاتری را از خود نشان داده است.

به‌طورکلی پارامترهای زیادی می‌تواند بر میزان شکل‌پذیری بتن مؤثر باشند که در این مقاله تعدادی از مهم‌ترین آن‌ها نظیر مقاومت فشاری بتن، مساحت فولاد کششی، مساحت فولاد فشاری و محصورشدگی را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

✅ برای مطالعه ادامه توضیحات مفصل این بخش متن اصلی ایبوک را از بخش لینک های دانلود، دریافت نمایید.

عوامل موثر بر شکل پذیری سازه ها

شکل‌پذیری سازه به عوامل گوناگونی بستگی دارد که به‌صورت زیر طبقه‌بندی می‌شوند.

شکل‌پذیری اعضاء سازه‌ای

ماده‌ای که اعضای سازه از آن تشکیل می‌شوند بایستی شکل‌پذیری مطلوبی داشته باشد. فولاد و بتن دو نمونه از مصالح پرکاربرد در صنعت ساختمان می‌باشند که در بخش‌های قبل میزان شکل‌پذیری آن‌ها را بررسی نمودیم. بتن مسلح نیز به جهت داشتن شکل‌پذیری مناسب بایستی دارای مقدار کنترل‌شده‌ای از فولاد باشد. نسبت ابعاد مناسب مقطع، ابعاد مناسب اعضاء و کنترل فشردگی لرزه‌ای آن (منحصراً برای مقاطع فولادی) موجب افزایش شکل‌پذیری مقطع می‌گردد.

چرا که یک مقطع غیرفشرده لرزه‌ای در معرض کمانش موضعی می‌باشد و همانطورکه می‌دانید کمانش موضعی موجب خرابی مقطع پیش از رسیدن به مقاومت نهایی بوده و مانعی در برابر شکل‌پذیری است. چنانچه طول یک عضو نسبت به سطح مقطع آن بسیار زیاد باشد و ضوابط مبحث دهم مقررات ملی در این زمینه رعایت نشود، مقطع لاغر بوده و مستعد کمانش کلی می‌باشد. در این حالت نیز مقطع پیش از جاری شدن و رسیدن به ظرفیت نهایی خود منهدم می‌شود.

تعداد و آرایش اعضاء سازه‌ای

تعداد و آرایش اعضای باربر سازه‌ای نظیر تیرها، ستون‌ها، مهاربندها، دیوارهای برشی و… اگر به‌گونه‌ای باشد که در مقابل زلزله تنها تعدادی از اعضا دچار آسیب جدی شوند، سایر اعضا قادر به حفظ پایداری جانبی و ثقلی سازه خواهند بود و از شکل‌پذیری سازه نهایت استفاده را می‌توان کرد. این موضوع تداعی‌گر مفهومی به نام ضریب نامعینی سازه می‌باشد.

توزیع سختی و مقاومت بین اعضاء سازه‌ای

چنانچه توزیع سختی و مقاومت بین اعضای سازه به درستی صورت نگیرد، عضوی که سختی بیشتری نسبت به سایر اعضاء دارد، انرژی بیشتری از زلزله جذب نموده و متحمل نیروی زیادی می‌شود و سایر اعضا نقش چندانی در مقابل نیروی زلزله نخواهند داشت. در این صورت با خرابی عضو حساس، کل سازه به یک باره منهدم می‌شود. بنابراین با توزیع صحیح سختی و مقاومت بین اعضای سازه می‌توان شکل‌پذیری کل سازه را افزیش داد تا خرابی به صورت یکنواخت در پلان و ارتفاع سازه رخ دهد.

سیستم باربر جانبی

سیستم‌های باربر جانبی مورد استفاده برای سازه‌های بتنی و فولادی مطابق استاندارد 2800 به‌صورت زیر طبقه‌بندی می‌شوند. به منظور آشنایی بیشتر با انواع سیستم‌های باربر جانبی می‌توانید به مقالات مقایسه قاب خمشی و سیستم مهاربندی با زبانی ساده و سیستم باربر جانبی مراجعه نمایید.

انتخاب نوع سازه از نظر بتنی یا فولادی بودن نیز بر شکل‌پذیری کل سیستم تأثیر بسیاری دارد. در مقاله اسکلت فلزی یا بتنی به این تفاوت‌ها پرداخته شده است. هریک از سیستم‌های فوق بسته به نوع عملکردشان دارای ضریب شکل‌پذیری مختص خود می‌باشند که با پارامتری به نام ضریب رفتار در استاندارد 2800 معرفی شده است. این پارامتر در بخش بعدی به‌صورت جداگانه بررسی خواهد شد.

ارتفاع سازه

با افزایش ارتفاع سازه خرابی‌ها متمرکزتر می‌شوند. برای مثال ممکن است با تمرکز خرابی‌ها در طبقات پایین، بدون اینکه طبقات بالا مداخله‌ای در برابر زلزله داشته باشند، کل سازه تخریب گردد. بنابراین در سازه‌های بلند مرتبه توزیع یکنواخت خرابی بین طبقات اهمیت زیادی دارد و به همین دلیل هر یک از سیستم‌های باربر جانبی معرفی شده مطابق جدول 3-4 در استاندارد 2800 محدودیت مجاز ارتفاعی دارند. اگرچه با افزایش ارتفاع سازه، سازه نرم‌تر می‌شود، امّا شکل‌پذیری آن کاهش می‌یابد و سازه تُرد‌تر می‌شود.

✅ برای درک عمیق‌تر مفهوم شکل‌پذیری در سازه با مثال و شکل پذیری سازه فولادی به متن اصلی ایبوک مراجعه نمایید.

شکل‌پذیری سازه بتنی

شکل‌پذیری سازه بتنی به شکل‌پذیری اعضا و مصالح مورد استفاده در آن وابسته است. مقاطع این نوع سازه‌ها به‌صورت بتن مسلح ساخته می‌شوند که می‌تواند ترکیبی از بتن، آرماتورهای طولی و عرضی باشد. عوامل مؤثر بر شکل‌پذیری مقطع بتنی در بخش شکل‌پذیری بتن در این مقاله به‌طور مفصل بحث شد و عواملی نظیر تأثیر مقدار فولاد کششی و فولاد فشاری در شکل‌پذیری مقطع بتنی با ارائه نمودارهای علمی بررسی گردید. در این بخش تأثیر اجزای سازنده سازه بتنی بر شکل‌پذیری آن مورد بحث قرار می‌گیرد.

✅ ادامه توضیحات مربوط به آرماتورهای طولی و عرضی، تیر و ستون بتن‌آرمه، اتصالات و سیستم باربر جانبی در متن اصلی ایبوک ارائه شده است

پارامترهای شکل‌پذیری در نرم‌افزار

تعیین نوع قاب ساختمانی و اعمال تنظیمات مربوط به شکل‌پذیری از مسیر Design > Steel Frame Design > View Revise Preferences برای سازه‌های فولادی و از مسیر Design > Concrete Frame Design > View Revise Preferences برای سازه‌های بتنی انجام می‌گیرد.

تعیین نوع قاب ساختمانی به همراه تنظیم مشخصات مربوط به شکل‌پذیری

از قسمت Framing Type نوع قاب سازه مورد نظر را می‌توان مشخص نمود. هریک از نمادهای موجود در شکل فوق به صورت زیر معرفی می‌شوند.

(SMF) قاب خمشی ویژه▪️

(IMF) قاب خمشی متوسط▪️

(OMF)قاب خمشی معمولی▪️

(SCBF) قاب مهاربندی‌شده همگرای ویژه▪️

(OCBF) قاب مهاربندی‌شده همگرای معمولی▪️

(OCBFI) قاب مهاربندی‌شده همگرای معمولی در سازه‌های جداسازی‌شده لرزه‌ای▪️

(EBF) قاب مهاربندی‌شده واگرا▪️

(BRBF) قاب با مهاربند کمانش‌تاب▪️

لازم به ذکر است ضریب رفتار، ضریب اضافه مقاومت و ضریب بزرگنمایی تغییرمکان از آیین‌نامه 2800 استخراج می‌شوند. در رابطه با قاب‌هایی که در هر جهت دارای سیستم باربر جانبی متفاوت می‌باشند، بایستی با قرار گرفتن در حالت Elevation تمام اعضای قرار گرفته در جهت X را انتخاب کرده و از مسیر Design > Steel/Concrete Frame Design > View Overwrites اقدام به تعیین نوع قاب و تنظیم ضرایب یادشده نمود. سپس همین مراحل برای اعضای قرار گرفته در جهت y نیز تکرار شود.

✅ برای مطالعه توضیحات مفصل این بخش به متن اصلی ایبوک مراجعه کنید.

منابع

1. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 99)
2. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1401)
3. استاندارد 2800 (ویرایش چهارم)
4. نکات مدل‌سازی و طراحی سازه‌های بتنی و فولادی دکتر حسین‌زاده اصل
5. سازه‌های بتن‌آرمه بر اساس روش طرح مقاومت ACI 318-14 و طراحی در حالات حدی/تألیف داود مستوفی‌نژاد، انتشارات ارکان دانش،1394.
6. ASCE41-23
7. Fema356-2000
8. Mechanics of materials / Ferdinand Beer … [et al.]. 6^th
9. Mechanics of Materials / James M. Gere. 6^th
10. Mechanics of materials / R.C. HIBBELER. 8^th
11. Design of reinforced concrete /Jack C. McCormac and Russell H. Brown.9^th ed
12. Reinforced concrete: mechanics and design / James K. Wight. 7^th
13. Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings / T. Paulay and M. J. N. Priestly. 1th
14. Design of concrete structures / Aurthar H. Nilson…[et al.]. 14th ed.
15. Ductile Design of Steel Structures / Michel Bruneau…[et al.]. 2^th

• مفهوم شکل‌پذیری
  • مصالح شکل‌پذیر و تُرد
    • شکست در مصالح شکل‌پذیر و تُرد
    • معیارهای ارزیابی شکل‌پذیری
  • شکل‌پذیری فولاد
    • تأثیر کربن بر شکل‌پذیری فولاد
    • تأثیر دما بر شکل‌پذیری فولاد
    • شکل‌پذیری فولاد ساختمانی
  • شکل‌پذیری بتن
    • تأثیر مقاومت فشاری بر شکل‌پذیری بتن
    • تأثیر مساحت فولاد کششی بر شکل‌پذیری بتن
    • تأثیر مساحت فولاد فشاری بر شکل‌پذیری بتن
    • تأثیرسرعت بارگذاری بر شکل‌پذیری بتن
    • تأثیر محصورشدگی بر شکل‌پذیری بتن
• شکل‌پذیری سازه‌ها
  • عوامل مؤثر بر شکل‌پذیری سازه‌ها
  • ضریب رفتار سازه
  • رویکرد آیین‌نامه‌های طراحی در برابر شکل‌پذیری
  • اهمیت شکل‌پذیری در سازه
  • شکل‌پذیری سازه فولادی
    • شکل‌پذیری سیستم مهاربندی فولادی
    • شکل‌پذیری سیستم قاب خمشی فولادی
    • شکل‌پذیری سیستم دوگانه فولادی
    • مقایسه شکل‌پذیری انواع سیستم‌های سازه فولادی
  • شکل‌پذیری سازه بتن‌آرمه
  • آرماتورهای طولی و عرضی
  • تیر بتن‌آرمه
  • ستون بتن‌آرمه
  • اتصالات
  • سیستم باربر جانبی
• پارامترهای شکل‌پذیری در نرم‌افزار
• پرسش و پاسخ
• جمع بندی
• منابع

• ثبت شده در
  وزارت ارشاد
• دانلود سریع
  پس از پرداخت
• ضمانت ارسال
  بروزترین نسخه کتاب