مدلسازی اولیه سازه در طراحی عملکردی و بهسازی لرزه‌ای (آپدیت 1404)

برای مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای ساختمان های موجود و یا طراحی عملکردی سازه های جدید لازم است بر اساس پیکر بندی پروژه موردنظر مدلسازی اولیه آن را انجام دهیم که قطعا باید در اینجا مهندس محاسب ضوابطی را مانند پیچش، دیافراگم ها، اثرات P-Delta و … را در مدلسازی اولیه لحاظ کند اما دقیقا چه نکاتی را باید در مدلسازی اولیه سازه در طراحی عملکردی لحاظ کنیم؟ در چه سازه‌هایی ما مجاز به مدل سازی دو بعدی هستیم؟ منحنی Backbone چیست و چگونه پارامترهای آن محاسبه می­‌شود؟

در این مقاله جامع با کمک فایل صوتی و ویدئوهای رایگان به بررسی مدلسازی اولیه سازه در طراحی عملکردی خواهیم پرداخت. برای درک کامل این مقاله حداقل یک بار این ویدئو ها را مشاهده کنید.

⌛ آخرین به‌روزرسانی: 12 شهریور 1404

📕 تغییرات به‌روزرسانی: تکمیل‌تر شدن مقاله

1. طراحی عملکردی چیست؟

ﺑﺎ ﺗﻮﺳﻌﻪ ﻓﻠﺴﻔﻪ ﺟﺪﻳﺪ طراحی سازه که ﻃﺮاحی ﺑﺮ ﻣﺒﻨﺎی ﻋﻤﻠﻜﺮد است، ﺑﺮ ﺧﻼف روشﻫﺎی ﻃﺮاحی ﻟﺮزه‌ای ﻣﻮﺟﻮد، می‌توان ﻋﻤﻠﻜﺮد ﺳﺎزه در ﺷﺮاﻳﻂ ﺑﺤﺮاﻧـﻲ را ﺗﻌﻴﻴﻦ کرد. سازه‌های ﻣﻬﻢ در ﺷﺮاﻳﻂ ﺑﺤﺮانی ﺑﺎﻳﺪ ﺗﻮاﻧﺎیی ﺣﻔﻆ ﺳﻄﺢ ﻋﻤﻠﻜﺮد ﺑﺎﻻﺗﺮی را ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ سازه‌های ﻋـﺎدی داﺷـﺘﻪ ﺑﺎﺷﻨﺪ. ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﺑﺎ ﭘﺬﻳﺮش ﺧﻄﺮ ﻣﺸﺨﺺ و ﻃﺮاحی ﺳﺎزه ﺑﺮ ﻣﺒﻨﺎی ﺳﻄﺢ ﻋﻤﻠﻜﺮد ﺑـﺎﻻﺗﺮ، از اﻳﺠـﺎد ﺧﺴـﺎرت ﻫﺎی اﻗﺘﺼﺎدی، ﺟﺎنی و زﻳﺴﺖ ﻣﺤﻴطی سنگین‌تر ﻧﺎشی از ﺧﻄﺮ زمین‌لرزه می‌توان ﺟﻠﻮﮔﻴﺮی ﻛﺮد.

در صورت استفاده از روش عملکردی در تحلیل و طراحی، باید به‌وسیله تحلیل و یا ترکیبی از تحلیل و آزمایش اطمینان حاصل کرد که عدم خرابی اعضاء سازه‌ای و غیرسازه‌ای و اتصالات آن‌ها، حداقل برابر با ضوابط ارائه شده در پیوست شماره ۶-۱ مبحث ششم مقررات ملی ساختمان به‌عنوان مقادیر هدف ذکر شده، تأمین خواهد شد. در این تحلیل‌‌ها، ملاحظات مربوط به عدم قطعیت‌های بارگذاری و مقاومت باید در نظر گرفته شود.

در جدول پ-۶-۱-۱ اهداف عملکردی برای جلوگیری از خرابی اجزای سازه‌ای در ساختمان‌های گروه‌های مختلف خطرپذیری تحت اثر بارهای مرده، زنده و محیطی، به‌استثنای زلزله و حوادث غیرعادی، در قالب احتمال خرابی سالیانه قابل‌قبول ارائه شده است. در جدول پ-۶-۱-۲ اهداف عملکردی تحت اثر زلزله ارائه شده است. در این جدول احتمال خرابی قابل‌قبول کل سازه و اعضای غیربحرانی آن در صورت وقوع بیشینه حرکات زمین که در این مبحث (مبحث ششم ۱۳۹۸) در نظر گرفته شده، MCE، بیان شده است. MCE، حرکات زمین متناظر با زلزله‌‌ای که احتمال فراگذشت از آن در ۵۰ سال دو درصد باشد، در نظر گرفته می‌شود. دوره بازگشت این زلزله ۲۴۷۵ سال است.

باید توجه داشت که ضوابط مقررات ملی ساختمان صرفاً برای تأمین ایمنی در برابر فروریزش سازه‌ها تحت حالات حدی بارگذاری تدوین نشده و حفظ عملکرد سازه و اجزای غیرسازه‌ای در برابر شرایط بارگذاری که احتمال وقوع سالیانه بیشتری دارند، نیز باید مطابق مفاد بند ۶-۲-۵ مبحث ششم مورد توجه قرار گیرد.

1.1. چگونه اعضای FC و DC شناسایی و تفکیک می‌شوند؟

در استاندارد ASCE 41-17، اعضا و عملکردهای سازه‌ای به دو دسته تقسیم می‌شوند:

1. رفتار کنترل‌شده توسط نیرو یا اعضای نیرو کنترل (Force-Controlled – FC): اعضایی که در آن‌ها شکست به‌سرعت با عبور از یک حد نیرو اتفاق می‌افتد و معمولاً شامل عملکردهایی با رفتار ترد یا شکننده هستند.
2. رفتار کنترل‌شده توسط تغییرمکان یا اعضای تغییرشکل کنترل (Deformation-Controlled – DC): اعضایی که می‌توانند تغییر شکل قابل توجهی قبل از شکست تحمل کنند و معمولاً شکل‌پذیر هستند.

برای شناسایی و طبقه‌بندی یک عضو به‌عنوان FC یا DC، مراحل زیر دنبال می‌شود:

• بررسی نوع عملکرد عضو: مشخص کردن اینکه عضو در معرض خمش، برش، کشش، یا فشار است.
• بررسی شکل‌پذیری عملکرد: آیا عضو در عملکرد موردنظر شکل‌پذیر است یا ترد؟
• مطابقت با جداول استاندارد: استفاده از جداول ارائه‌شده در 17-ASCE 41 که عملکردهای FC و DC را مشخص می‌کند. (جدول 10-7 یا 10-8 در نسخه اصلی).
• ملاحظات اجرایی توجه به کیفیت ساخت، طول مهاری، نوع اتصالات و ضوابط جزئی که ممکن است عملکرد عضو را از DC به FC تغییر دهد.

2.1. سطوح مختلف عملکرد لرزه‌ای یک ساختمان

سطوح مختلف عملکرد اجزای سازه‌ای و غیر سازه در نشریه 360 همراه با توضیحات کامل ارائه شده است. با توجه به سناریوهای لرزه‌ای ممکن باید دید که کدام سطح عملکرد سازه مد نظر است.

3.1. معیارهای اصلی ارزیابی عملکرد سازه‌ها

به‌صورت کلی معیارهای اصلی ارزیابی عملکرد سازه‌ها در 4 بخش دسته بندی می‌شوند.

1. سطح عملکرد سازه‌ای (Immediate Occupancy, Life Safety, Collapse Prevention)
2. سطح عملکرد غیرسازه‌ای (Operational, Life Safety Nonstructural, Hazards Reduced)
3. اهداف عملکردی: (ترکیب سطح عملکرد + سطح زلزله)
4. معیارهای پذیرش اجزا شامل: تغییرمکان مجاز برای اجزای DC و مقاومت مجاز برای اجزای FC

4.1. تحلیل‌های مورد نیاز برای تحقق عملکرد مطلوب

در سازه‌ها با ویژگی‌های مختلف تحلیل‌های متفاوتی می‌تواند عملکرد موردانتظار را تأمین کند. در جدول زیر انواع تحلیل مورد نیاز ارائه شده است.

جدول 1- تحلیل های مورد نیاز برای تحقق عملکرد مطلوب

5.1. ارتباط طراحی عملکردی با انتخاب سیستم باربر جانبی چیست؟

عملکرد موردانتظار، نوع، سختی و شکل‌پذیری سیستم را تعیین می‌کند و نوع سیستم انتخابی، روش تحلیل و جزئیات اجرایی را نیز مشخص می‌کند. یعنی:

• سیستم باربر مناسب با ظرفیت و شکل‌پذیری کافی   ←   عملکرد مطلوب
• نیاز به سیستم قوی‌تر و شکل‌پذیرتر (مثل دیوار برشی یا مهاربند ویژه)   ←   سطح عملکرد بالاتر
• عملکرد ضعیف‌تر در زلزله   ←   سیستم باربر ضعیف

چه نرم افزارهایی برای طراحی و ارزیابی عملکردی پیشنهاد می‌شود؟

برای طراحی عملکردی، چندین نرم‌افزار تخصصی وجود دارد که مهندسان عمران و سازه از آن‌ها استفاده می‌کنند. برخی از بهترین گزینه‌ها عبارت‌اند از:

• PERFORM-3D : یکی از پیشرفته‌ترین نرم‌افزارها برای تحلیل غیرخطی و ارزیابی عملکرد لرزه‌ای سازه‌ها.
• OpenSees: یک نرم‌افزار متن‌باز برای تحلیل سازه‌های پیچیده با قابلیت مدل‌سازی رفتار غیرخطی.
• SAP2000 : علاوه بر تحلیل‌های استاتیکی و دینامیکی، امکان ارزیابی عملکردی سازه را نیز فراهم می‌کند.
• ETABS : برای طراحی ساختمان‌های بلند و بررسی رفتار لرزه‌ای آن‌ها مناسب است.
• SeismoStruct : نرم‌افزاری قدرتمند برای تحلیل غیرخطی و بررسی عملکرد لرزه‌ای سازه‌ها.

2. مقاوم‌سازی و بهسازی لرزه‌ای و تفاوت آن‌ها

مقاوم‌سازی به معنای افزایش مقاومت اجزای سازه‌ای یا کل ساختمان در برابر نیروهای وارده (مثل زلزله، باد یا بارهای ثقلی) است. این کار معمولاً برای برطرف‌کردن ضعف‌های مشخص در سازه انجام می‌شود، مثلاً با اضافه‌کردن بادبند، ژاکت بتنی یا تقویت اتصالات.

اما بهسازی لرزه‌ای فرایندی است برای ارتقای عملکرد لرزه‌ای سازه به سطح موردانتظار (مثلاً حفظ جان افراد یا جلوگیری از فروپاشی) در برابر زلزله. این کار بر اساس مبانی طراحی مبتنی بر عملکرد (Performance-Based) انجام می‌شود و می‌تواند شامل مقاوم‌سازی، اصلاح هندسه، کاهش جرم، یا کنترل تغییر مکان‌ها باشد.

تفاوت اصلی بهسازی لرزه‌ای و مقاوم‌سازی در این است که بهسازی لرزه‌ای بر پایه عملکرد است و هدف آن رسیدن به سطح ایمنی مشخص در برابر زلزله است، درحالی‌که مقاوم‌سازی صرفاً افزایش مقاومت سازه در برابر نیروهاست. بهسازی ساختمان دیدی کلی و عملکرد محور دارد، ولی مقاوم‌سازی معمولاً موضعی و مقاومتی است.

1.2. فرایند صحیح ارزیابی پیش از مقاوم‌سازی ساختمان

پیش از مقاوم‌سازی، سازه باید طی فرایندی ارزیابی شود. ابتدا اطلاعات اولیه مانند نقشه‌ها، مشخصات و سوابق بهره‌برداری جمع‌آوری می‌شود. سپس با بازدید میدانی، وضعیت فعلی سازه از نظر آسیب‌دیدگی و تغییرات بررسی و مستندسازی می‌گردد. در ادامه، هدف عملکردی موردانتظار (مثل ایمنی جانی یا اشغال‌پذیری فوری) تعیین می‌شود و بر اساس آن، مدل‌سازی سازه با در نظر گرفتن واقعیت‌های اجرایی و مصالح انجام می‌گیرد. پس از آن تحلیل سازه‌ای مناسب (خطی یا غیرخطی) صورت می‌گیرد و پاسخ اجزا با معیارهای پذیرش مقایسه می‌شود. در نهایت، نقاط ضعف شناسایی شده و نیاز به مقاوم‌سازی مشخص می‌گردد.

2.2. معیارهای انتخاب روش مقاوم‌سازی مناسب برای هر پروژه

معیارهای اصلی انتخاب روش مقاوم‌سازی بر اساس چند معیار کلی تعریف می‌شود.

• هدف عملکردی موردانتظار: سطح عملکرد موردنظر (مثل ایمنی جانی یا جلوگیری از فروپاشی) تعیین می‌کند که روش مقاوم‌سازی باید چه میزان شکل‌پذیری یا مقاومت ایجاد کند.
• نوع و سیستم سازه‌ای موجود: روش مقاوم‌سازی باید با نوع سازه (بتنی، فولادی، بنایی) و سیستم باربر آن (قاب، دیوار برشی، مهاربند) سازگار باشد.
• نوع ضعف سازه‌ای موجود: بسته به این‌که ضعف در خمشی، برشی، پایداری یا اتصالات است، روش‌های متفاوتی (مثل ژاکت بتنی، اضافه‌کردن بادبند، یا تقویت اتصالات) انتخاب می‌شود.
• میزان دسترسی و محدودیت اجرایی: فضا، دسترسی به اجزا، وجود ساکن یا تجهیزات داخل ساختمان می‌تواند روش‌هایی مانند FRP یا اجرای خارجی را ارجح کند.
• هزینه و زمان اجرا: باید بین عملکرد به‌دست‌آمده و هزینه/زمان صرف‌شده تعادل برقرار شود.
• دوام و نگهداری در بلندمدت: برخی روش‌ها مانند ژاکت فلزی نیاز به نگهداری بیشتری دارند، درحالی‌که برخی مانند FRP دوام بالایی دارند.

3.2. شاخص‌های ارزیابی موفقیت عملیات بهسازی

شاخص‌های موفقیت عملیات بهسازی در پروژه‌های مختلف می‌تواند با موارد زیر سنجش شود.

• دستیابی به سطح عملکرد موردنظر در تحلیل پس از اجرا (مثلاً Life Safety یا IO)
• پایداری و ایمنی سازه‌ای ارتقا یافته
• کاهش آسیب‌پذیری اجزای بحرانی در سناریوهای زلزله
• رضایت کارفرما یا بهره‌بردار از عملکرد، ظاهر و کاربری ساختمان
• عدم ایجاد اختلال جدی در عملکرد روزمره ساختمان
• پایداری نتایج در بلندمدت و کاهش نیاز به تعمیرات مجدد

❓چگونه می‌توان قابلیت اجرای طرح مقاوم‌سازی را سنجید؟

برای سنجش قابلیت اجرای طرح مقاوم‌سازی، باید بررسی شود که آیا طرح انتخاب‌شده از نظر فنی، اجرایی، اقتصادی و زمانی قابل پیاده‌سازی است یا نه. از نظر فنی، باید اطمینان حاصل شود که روش مقاوم‌سازی با نوع سازه و وضعیت موجود آن سازگار است و اجرای جزئیات آن امکان‌پذیر است. از نظر اجرایی، باید شرایط کارگاهی، دسترسی به اجزای موردنظر، تداخل با عملکرد فعلی ساختمان و ایمنی حین اجرا ارزیابی شود. از نظر اقتصادی، هزینه‌های اجرای طرح در مقایسه با مزایای آن مانند افزایش ایمنی و عمر مفید سازه سنجیده می‌شود و باید اطمینان حاصل گردد که منابع مالی کافی وجود دارد. از نظر زمانی نیز باید مشخص شود که اجرای طرح در مدت زمان موردنظر پروژه یا کارفرما قابل انجام است. در نهایت، طرح باید با الزامات آیین‌نامه‌ای و ضوابط قانونی مطابقت داشته باشد و در صورت نیاز، مجوزهای لازم دریافت شود. این ارزیابی‌ها نشان می‌دهد که طرح مقاوم‌سازی نه‌تنها مناسب، بلکه واقع‌بینانه و قابل اجراست.

4.2. چالش‌های اجرای مقاوم‌سازی در ساختمان‌های در حال بهره‌برداری

در هر پروژه مقاوم‌سازی با توجه به شرایط محدودیت‌هایی وجود خواهد داشت. به تعدادی از آن‌ها را در متن زیر اشاره کرده‌ایم.

• تداخل با فعالیت‌های روزمره کاربران (ساکنان، کارکنان یا تجهیزات حساس)
• محدودیت در دسترسی به اجزای سازه‌ای (مثلاً ستون‌ها یا تیرها در دیوار یا سقف پوشیده‌اند)
• ملاحظات ایمنی حین کار (خطر ریزش، سروصدا، گرد و غبار، عبور و مرور افراد)
• زمان‌بندی محدود و فازبندی اجباری اجرا برای حفظ بهره‌برداری همزمان
• نیاز به مصالح و روش‌های سریع، سبک و کم‌تخریب (مثل FRP یا مقاوم‌سازی خارجی)

5.2. روش‌های بهینه‌سازی هزینه و زمان مقاوم‌سازی

برای بهینه‌سازی هزینه و زمان مقاوم‌سازی، باید رویکردی هدفمند و اقتصادی در طراحی و اجرا اتخاذ شود. یکی از مهم‌ترین راهکارها، انتخاب روش‌های مقاوم‌سازی با حداقل تخریب و زمان اجرا است؛ مانند استفاده از ورق‌های FRP، میراگرها یا جداسازهای لرزه‌ای که نیاز به عملیات سنگین سازه‌ای ندارند. تمرکز بر اجزای بحرانی به جای تقویت کل ساختمان نیز به کاهش حجم عملیات و هزینه کمک می‌کند. همچنین با استفاده از تحلیل‌های دقیق عملکرد محور، می‌توان از مقاوم‌سازی‌های غیرضروری پرهیز کرد و تنها بخش‌هایی را تقویت نمود که واقعاً از نظر عملکردی ضعیف هستند. بهره‌گیری از سیستم‌های پیش‌ساخته، روش‌های خشک، و اجرای فازبندی شده در ساعات غیرکاری نیز باعث کاهش زمان و اختلال در بهره‌برداری می‌شود. در نهایت، با مقایسه اقتصادی گزینه‌های مختلف و انتخاب طرحی با بیشترین اثربخشی و کمترین هزینه، می‌توان اجرای مقاوم‌سازی را بهینه کرد.

3. مدل‌سازی اولیه سازه در طراحی عملکردی

مدل‌سازی و تحلیل سازه‌ها از بنیادی‌ترین و نخستین مراحل در فرایند طراحی مهندسی سازه به شمار می‌آید. در این مرحله، مهندس یا معمار با بهره‌گیری از روش‌های تحلیلی و ابزارهای نرم‌افزاری پیشرفته، مدلی ریاضی و هندسی از سازه ایجاد می‌کند تا رفتار واقعی آن را تحت انواع شرایط بارگذاری پیش‌بینی و ارزیابی کند.

مدل‌سازی اولیه باهدف تعریف دقیق هندسه سازه، شرایط مرزی، و خواص مکانیکی مصالح صورت می‌گیرد. انتخاب میان مدل‌های دوبعدی یا سه‌بعدی وابسته به عواملی چون پیچیدگی سازه، نوع و الگوی بارگذاری، و نیاز به دقت تحلیلی است. در مواردی که تحلیل رفتار در محدوده‌های غیرخطی، مانند رفتار پلاستیک اعضا، گسیختگی اتصالات، یا شرایط بارگذاری شدید، ضرورت دارد، از مدل‌های غیرخطی هندسی و یا مصالح استفاده می‌شود تا پدیده‌های وابسته به واقعیت فیزیکی سازه با دقت بیشتری شبیه‌سازی شوند.

روش انتخابی برای مدل‌سازی و تحلیل نه‌تنها بر صحت پیش‌بینی پاسخ سازه اثرگذار است، بلکه در بهینه‌سازی طراحی، ارتقای ایمنی، کاهش هزینه‌های اجرایی، و تصمیم‌گیری‌های مهندسی نقشی کلیدی ایفا می‌کند.

4. الزاما­ت مطرح در مدل‌سازی اسکلت سازه به­ صورت دوبعدی و سه ­بعدی

با توجه به دو دستورالعمل ASCE 41-17 و نشریه 360، دو پارامتر مهم در انتخاب روش مدل‌سازی، نوع دیافراگم و اثر پیچش است که در ابتدا به بیان مفهوم این دو می ­پردازیم.

1.4. مروری بر مفاهیم دیافراگم

برای شروع کار ابتدا باید دیافراگم­ ها را دسته‌بندی کنیم تا بتوان در مورد انتخاب روش مدل‌سازی نظر داد. دیافراگم‌ها، کف‌های سازه‌ای هستند که بارهای ثقلی را تحمل می‌کنند. انتقال نیروهای جانبی از کف‌ها به سیستم باربر جانبی قائم نیز برعهده این اعضا است. به همین دلیل باید برخی کنترل‌های لرزه‌ای برای دیافراگم‌ها صورت گیرد و از این­رو تشخیص میزان صلبیت دیافراگم تأثیر بسیار زیادی بر فرضیات طراحی ما خواهد داشت.

مطابق تعریف استاندارد 2800 به اجزای افقی یا تقریباً افقیِ منتقل‌کننده‌ی نیروهای جانبی، دیافراگم افقی یا به اختصار دیافراگم گفته می‌شود. دیافراگم‌ها به سه دسته صلب، نیمه صلب و انعطاف‌پذیر تقسیم‌بندی می‌شوند. با وارد شدن نیروهای جانبی، نظیر زلزله، دیافراگم‌ها باید در برابر تغییر شکل‌های افقی مقاومت و سختی کافی را داشته باشند. هر چقدر این سختی و مقاومت بیشتر باشد رفتار به دیافراگم صلب نزدیکتر خواهد بود. توجه داشته باشید که صلبیتِ صددرصدد در عمل ممکن نیست. در ادامه با ویژگی‌های اصلی هر سه دیافراگم معرفی شده بیشتر آشنا می‌شویم:

1. دیافراگم صلب: در تحلیل‌های خطی با شرط وجود سقف با دیافراگم صلب، نیرو به نسبت سختی و در حالتی که سازه وارد ناحیه غیرخطی می‌شود، توزیع نیرو به نسبت مقاومت اعضا انجام می‌شود. یعنی نیروهای اینرسی که به دلیل زلزله در دیافراگم ایجاد شده‌اند به نسبت سختی در میان اعضای باربر، نظیر قاب‌های خمشی و دیوارهای برشی، تقسیم می‌شوند. توجه داشته باشید که صلب بودن دیافراگم یک مفهوم مطلق نیست و باید آن را نسبت به سیستم باربر قائم ارزیابی نمود.
2. دیافراگم انعطاف‌پذیر: در دیافراگم انعطاف‌پذیر، نیروی ناشی از زلزله برای هر قاب به طور جداگانه متناسب با جرم لرزه‌ای همان قاب توزیع می‌شود. به بیان ساده‌تر قابی که سهم بار ثقلی آن بیشتر است، سهم بار لرزه‌ای بیشتری هم خواهد داشت.
3. دیافراگم نیمه صلب: این حالت، حالتی بینابینی از موارد فوق است. در حالتی که تغییر شکل درون صفحه‌ای دیافراگم و تغییر مکان جانبی عناصر باربر قائم در یک حدود باشند، نمی‌توان دیافراگم را صلب یا منعطف فرض کرد. در این حالت روش دقیق‌تر آن است که رفتار درون صفحه‌ای دیافراگم با روش اجزا محدود مدل گردد و همراه با سایر اجزای سازه (تیرها، ستون‌ها، دیوارها و مهاربندها) تحلیل شود.

با فرض اینکه مخاطب تسلط کافی بر مفاهیم دیافراگم دارد مطلب را ادامه می­ دهیم. با توجه به شکل زیر از ASCE 41-17 دو پارامتر مهم در بحث دسته ­بندی دیافراگم­ ها مورد بررسی قرار می­ گیرد.

شکل 1. متوسط و بیشینه تغییرمکان افقی دیافراگم

پارامترهای مندرج در تصویر فوق عبارت‌اند از؛

Δ_d : بیشترین تغییر مکان افقی دیافراگم

Δ_w : متوسط تغییر مکان جانبی سیستم­ های قائم باربر جانبی نسبت به طبقه­ ی زیرین

حال دیافراگم با توجه به دو پارامتر Δ_d  و Δ_w به سه دسته­ ی صلب، نیمه صلب و انعطاف‌پذیر به‌صورت زیر تقسیم می‌شوند.

با توجه به بند فوق از دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود برای به دست آوردن این تغییر شکل‌ها و محاسبه نوع دیافراگم باید از رابطه زیر استفاده کرد:

که در آن F_i نیروی جانبی وارد بر طبقه‌ی i ام، h_i ارتفاع طبقه i ام از تراز پایه، W_i وزن مؤثر لرزه‌ای طبقه‌ی i ام است و مقدار k طبق آیین نامه‌ی 2800 از رابطه‌ی زیر به دست می­ آید:

K = 0.5T + 0.75

اگر پریود سازه بزرگ‌تر از 2.5 باشد k برابر است با 2  و برای پریودهای کمتر از 0.5 ، k برابر با 1 می‌باشد.

2.4. مروری بر مفاهیم پیچش

با توجه به بند­های آیین‌نامه پیچش کلی مجموع دو پیچش واقعی و اتفاقی است که در ادامه نحوه‌ی محاسبه ی آن ها آورده شده است. چنانچه دیافراگم‌های کف از نوع نیمه صلب و یا صلب محسوب شوند، مقدار لنگر پیچشی در هر طبقه برابر با مجموع مقادیر پیچش واقعی و پیچش اتفاقی درنظر گرفته می‌شود، اما در ساختمان­ هایی با دیافراگم نرم (انعطاف‌پذیر) محاسبه پیچش لازم نیست.

• پیچش واقعی

مقدار پیچش واقعی در هر طبقه ساختمان برابر با مجموع حاصل ضرب نیروهای جانبی طبقات فوقانی در فاصله افقی مرکز جرم  آن طبقات در جهت عمود بر راستای بار، نسبت به مرکز صلبیت طبقه مورد بررسی است.

• پیچش اتفاقی

این پیچش ناشی از خروج از مرکزیت اتفاقی جرم بوده و با درنظر گرفتن خروج از مرکزیتی برابر  5% بعد ساختمان در امتداد عمود بر راستای بار جانبی محاسبه می‌شود.

برای درک بهتر شما از پیچش واقعی ویدئو کوتاهی را مهندس بداغی ضبط کرده‌اند که پیشنهاد می‌کنم حتماً آن را مشاهده کنید. برای مشاهده این ویدئو تنها کافی است بر روی تصویر زیر کلیک کنید تا ویدئو در مرورگر باز شود.

توجه شود که؛

• در دیافراگم­ های انعطاف‌پذیر اساساً پیچش نداریم و در دیافراگم ­های صلب و نیمه صلب از پیچش کلی استفاده می­ کنیم که با توجه به بند­های آیین‌نامه پیچش کلی مجموع دو پیچش واقعی و اتفاقی است.
• بر اساس ضوابط پیچش در ارزیابی مدل از ضریبی استفاده می­ شود به نام ضریب تغییر مکان، η که مطابق با فرمول زیر برابر است با نسبت تغییر مکان ماکزیمم افقی طبقه به تغییر مکان متوسط طبقه، در ادامه از این رابطه برای انتخاب روش مدل‌سازی استفاده خواهد شد.

5. عوامل تأثیرگذار در انتخاب دقت مدل‌سازی اولیه سازه

مطابق آیین‌نامه ASCE 41-17  عوامل مؤثر در انتخاب دقت مدل‌سازی به شرح زیر آمده است:

• اهداف عملکردی (Performance Objective)

هرچه سطح عملکردی موردنظر بالاتر باشد (مثلاً «امکان بهره‌برداری فوری» نسبت به «ایمنی جانی»)، دقت مدل‌سازی باید بالاتر باشد.

• روش تحلیل انتخاب‌شده

در تحلیل‌های غیرخطی، نیاز به اطلاعات دقیق‌تر و مدل‌سازی واقع‌گرایانه‌تر وجود دارد، بنابراین سطح داده‌ها باید حداقل در سطح «معمول» یا «جامع» باشد. برای تحلیل‌های خطی، اطلاعات «حداقلی» هم کفایت می‌کند.

• در دسترس بودن نقشه‌ها و مستندات اجرایی

اگر نقشه‌های طراحی اولیه کامل باشند، می‌توان مدل‌سازی را دقیق‌تر و سریع‌تر انجام داد. در غیر این صورت باید از بازدید میدانی و آزمون‌های مخرب یا غیرمخرب استفاده کرد.

• وضعیت و کیفیت مصالح موجود

اگر در بازدیدها ضعف در مصالح یا اجرا مشاهده شود (مثلاً وجود حفره در بتن یا جوش‌های ناقص)، باید دقت مدل‌سازی و آزمایش‌ها بیشتر شود و نمی‌توان از مقادیر پیش‌فرض استفاده کرد.

• سطح اطلاعات مهندس از ساختمان (Knowledge Factor, κ)

مقدار κ (ضریب اطلاعات) بین 0.75 تا 1 متغیر است و نشان‌دهنده میزان اطمینان از اطلاعات مدل‌سازی است. اگر اطلاعات ناقص باشد، باید با ضریب کمتری تحلیل انجام شود و دقت مدل پایین‌تر در نظر گرفته شود.

در نهایت هرچه اهمیت پروژه بیشتر، روش تحلیل پیچیده‌تر، و اطلاعات اولیه ناقص‌تر باشد، دقت مدل‌سازی اولیه باید بیشتر در نظر گرفته شود. در جدول زیر الزامات جمع‌آوری داده‌ها طبق عوامل مختلف نامبرده در بالا معرفی شده است.

1.5. مدل‌سازی صحیح اعضای دیوار برشی چگونه انجام می‌گیرد؟

مراحل و اصول مدل‌سازی دیوار برشی به شرح زیر است.

▪️تفکیک به اجزای دیوار (Wall Segments): دیوارهای برشی باید به اجزای اصلی مانند بدنه، تیر همبند (Coupling Beam)، و ناحیه لبه (Boundary Elements) تقسیم شوند. این کار معمولاً طبق بند 6-4-1-2 از نشریه 360 انجام می‌گیرد.

▪️شناسایی نوع دیوار: نوع دیوار در انتخاب روش مدل‌سازی مؤثر است.

• دیوار برشی یکپارچه
• دیوار برشی با بازشو منظم
• دیوارهای کوپله یا ترکیبی (Coupled Walls): نوع دیوار در انتخاب روش مدل‌سازی مؤثر است.

▪️تجزیه به تیر و ستون معادل (Strut-and-Tie یا Fiber Section): دیوارها را می‌توان به المان‌های عمودی (ستون‌مانند) و افقی (تیر همبند) مدل کرد، خصوصاً در مناطق با بازشو زیاد.

▪️رفتار غیرخطی مصالح: باید در مدل، منحنی کامل نیرو تغییر مکان برای هر بخش لحاظ شود، به‌ویژه در تیرهای همبند و نواحی مرزی.

▪️الزامات هندسی و آرماتورگذاری: مانند حداقل سطح آرماتور افقی و قائم، فواصل آن‌ها و الزامات محصورشدگی در ناحیه لبه دیوار باید رعایت گردد.

▪️درنظرگرفتن اثر سختی ترک‌خورده: مدول سختی مورد استفاده در مدل، باید معادل سختی ترک‌خورده‌ی بتن باشد (نه سختی اولیه کامل).

▪️اعمال بارها و ترکیب بار مناسب: بارهای ثقلی، زلزله و ترکیب‌های بحرانی باید وارد مدل شوند، مخصوصاً برای تحلیل غیرخطی.

6. بررسی مدل‌سازی دوبعدی یا سه ­بعدی در آیین ­نامه

دقت شود که حتی در مدلسازی‌های دوبعدی نیز برای محاسبه­ ی سختی و مقاومت، اعضا باید از مدل ­های سه بعدی استفاده شود.

❓زمانی که امکان انتخاب هر دو نوع مدل‌سازی دو و سه بعدی وجود دارد، کدام یک را انتخاب کنیم؟

اساساً کاربرد مدل­ های سه­ بعدی منجر به ارزیابی جامع ­تری از سازه می­ گردد و بدون انجام فرایندهای کنترلی، مطابق آنچه در بخش قبل بیان گردید، قابل کاربرد است. اما مشکل اصلی این مدل­ ها زمان نسبتاً بالای تحلیل در قیاس با مدل های دوبعدی است. همان‌طور که در متن بالا گفته شد، بعضی از سازه‌ها در گروهی قرار می‌گیرند که هم می‌توانیم به‌صورت سه بعدی و هم دوبعدی مدل‌سازی را انجام دهیم. در اینجا با توجه به شرایط پروژه و زمان مورد نیاز، یکی از این دو روش را انتخاب می‌کنیم.

برای مثال آنالیز تاریخچه زمانی غیرخطی یک سازه ۵ طبقه کاملاً متقارن و تحت یک زلزله ۸۰ ثانیه‌ای، توسط Etabs  یک ساعت و نیم طول  می‌کشید که شاید در بعضی از موارد غیرمنطقی و خیلی زیاد باشد؛ اما در آنالیزهای دوبعدی ما مشکل زمان نداریم، بلکه باید برای هر قاب سطح بارگیری را حساب کنیم بارها را به دست بیاوریم و به قاب اختصاص بدهیم که در نهایت کار زمان‌بری خواهد بود و امکان اشتباه وجود خواهد داشت. به همین خاطر پیشنهاد ما به شما که می‌خواهید سازه‌ای را مدل کنید که امکان مدل‌سازی سه‌بعدی و دوبعدی برای آن وجود دارد این است که با توجه به شرایط پروژه زمان و قضاوت مهندسی یکی از این دو روش را انتخاب کنید. اما در پروژه‌هایی که سازه دارای پیچیدگی هندسی، توزیع نامنظم جرم و سختی، یا دیافراگم انعطاف‌پذیر باشد، مدل‌سازی سه‌بعدی ضرورت پیدا می‌کند. در این شرایط، استفاده از مدل‌های دوبعدی ممکن است پاسخ‌ها را به‌شدت نادقیق یا حتی خطرناک کند.

1.6. ارزیابی اعضای سازه ­ای (اصلی و غیراصلی) و غیرسازه ­ای

در دستورالعمل­ های بهسازی و طراحی بر اساس عملکرد، نظیر نشریه 360 (دستورالعمل بهسازی لرزه­ای ساختمان­ های موجود)، ASCE41-17,FEMA440 و نسخه­ های قدیمی­ تر آن­ ها، با تقسیم بندی المان­ های سازه­ای به دو دسته اصلی و غیراصلی، مدل‌سازی و همچنین معیارهای پذیرش هریک از المان‌های تفکیک می‌شوند. این مفاهیم و کاربرد آن­ ها در جامعه مهندسی با ابهامات بسیاری رو­به­ رو می ­باشد. برخی باربری ثقلی و جانبی را ملاک تمایز این اعضا دانسته و برخی دیگر انتخاب این اعضا را کاملاً در اختیار مهندسین محاسب قرار می ­دهند. آنچه حائز اهمیت است دامنه تاثیرگذاری چنین انتخابی بر پاسخ­ های سازه می­ باشد.

2.6. تشریح اعضای اصلی و غیراصلی در بندهای آیین ­نامه ­های مختلف

در یک دسته ­بندی عمومی اجزای موجود در یک ساختمان به اجزای سازه ­ای و غیرسازه ­ای تفکیک می ­شوند. اجزای سازه­ ای که در سختی جانبی و یا توزیع نیروها در سازه مؤثرند و یا در اثر تغییرمکان جانبی سازه تحت تأثیر نیرو قرار می­ گیرند، خود به دو گروه اصلی و غیراصلی تقسیم می­ شوند.

در آیین ­نامه ­های مختلف تعابیر گوناگونی از المان­ ها و مؤلفه‌های اصلی و غیراصلی ارائه شده است که تا حد زیادی مشابه به هم هستند و صرفاً اندکی در جزئیات تفاوت دارند. تعبیر ASCE-41-17 که یکی از به­ روز­ترین مراجع در زمینه بهسازی، مقاوم‌سازی و طراحی بر اساس عملکرد است، به شرح زیر است:

• اعضای اصلی

المانی که توانایی کلی ساختمان را برای مقابله با فروریختن تحت اثر نیروهای لرزه­ ای در هر جهت فراهم می ­آورد.

• اعضای غیراصلی

سایر المان­ هایی که در تعریف فوق قرار نمی­ گیرند غیراصلی خواهند بود. به بیان دیگر وقتی المانی به سبب کم‌بودن مقاومت، سختی و ظرفیت تغییر شکل سهم قابل اعتمادی را در مقاومت در برابر اثرات زلزله نداشته باشد، به‌عنوان المان غیراصلی شناخته می ­شود.

3.6. چگونه می‌توان مدل‌سازی سازه‌های ترکیبی بتنی و فولادی را دقیق انجام داد؟

برای مدل‌سازی دقیق سازه‌های ترکیبی بتنی و فولادی، ابتدا باید خواص مصالح به‌درستی تعریف شود؛ بتن با رفتار غیرخطی در کشش و فشار و فولاد با مدل الاستو-پلاستیک همراه با سخت‌شوندگی. اتصال بین بتن و فولاد نقش حیاتی دارد و باید با استفاده از المان‌های رابط یا مدل تماس همراه با اصطکاک و چسبندگی شبیه‌سازی شود؛ همچنین وجود برشگیرها در تیرهای مرکب باید به‌درستی مدل شود. جزئیات هندسی اجزا، از جمله محل دقیق آرماتورها، صفحات فولادی و ضخامت دال، باید در مدل لحاظ گردد. بارگذاری‌ها شامل بارهای ثقلی، زلزله، باد و دما است که در تحلیل استاتیکی و دینامیکی مدنظر قرار می‌گیرد. استفاده از تحلیل‌های غیرخطی برای مدل‌سازی دقیق رفتار مصالح، اتصالات و تغییرشکل‌های بزرگ ضروری است. مدل‌سازی دقیق اتصالات مانند جوش، پیچ و مفاصل پلاستیک نیز در دقت تحلیل مؤثر است. نرم‌افزارهایی نظیر ETABS، ABAQUS، ANSYS و MIDAS بسته به نوع تحلیل انتخاب می‌شوند و در نهایت، نتایج مدل باید با داده‌های آزمایشگاهی یا مطالعات معتبر مقایسه و اعتبارسنجی شود تا اطمینان از صحت تحلیل حاصل گردد.

4.6. ارائه یک مثال ساده جهت تفکیک اعضای اصلی و غیراصلی

تشخیص اصلی یا غیراصلی بودن اعضا، ابهامی است که در سعی شده در ادامه به کمک یک مثال ساده بر طرف گردد:

شکل زیر، یک سازه با دهانه­ های بلند را نشان می ­دهد که سیستم سقف آن دال تخت است. به واسطه اینکه در سیستم ­های دال تخت، عملکرد قاب خمشی تضعیف شده و ضابطه 25% در سیستم ­های دوگانه اقناع نمی­ گردد، در تحلیل ­های خطی بایست مقدار ضریب رفتار از سیستم قاب ساختمانی استخراج گردد.  بر این اساس دیوارهای برشی بایست به تنهایی تحمل بارهای جانبی را انجام دهند. این در حالی است که ستون­ های غیرمتصل به دیوار برشی، در باربری لرزه ­ای شریک نبوده و حذف آن­ ها از سازه خللی در سیستم باربری سازه ایجاد نخواهد کرد.

شکل 2. مثالی از یک سازه با سیستم قاب ساختمانی

لازم به توضیح است که در این مثال اندرکنش سیستم کف و ستون­ ها به‌طورقطع مقداری سختی جانبی را ایجاد خواهد کرد؛ ولی به طور معمول، طراح به علت کم‌بودن این سختی جانبی، از آن صرف­ نظر می­ کند. پس از درک این مثال ساده، می­ توان با دید بهتری به بند زیر از نشریه 360 پرداخت.

مطابق نشریه 360 اعضای اصلی اعضایی هستند که برای تحمل بار جانبی جهت رسیدن به سطح عملکرد موردنظر، نیاز می باشند. اعضایی که برای تحمل بار جانبی جهت رسیدن به سطح عملکرد موردنظر، نیاز نمی باشند و حذف آن ها خللی در سیستم باربر جانبی ایجاد نکند، می توانند به‌عنوان اعضای غیراصلی درنظر گرفته شوند.

بر طبق این تعریف در شکل فوق دیوارهای برشی در دسته اعضای سازه ­ای اصلی قرار خواهند گرفت. چرا که بدون حضور آن­ ها رسیدن به سطح عملکرد موردنظر امکان‌پذیر نخواهد بود. ستون­ های غیرمتصل به دیوار برشی نیز از آن جهت که در تحمل بارجانبی مشارکت جدی نمی ­نمایند و حذف آن ­ها خللی در سیستم باربر جانبی ایجاد نمی ­کند در زمره اعضای سازه ­ای غیراصلی طبقه­  بندی خواهند شد.

❓اگر ستون ­های غیرمتصل به دیوار برشی در باربری لرزه­ ای سهیم نیستند پس به چه علتی از آن ­ها در سازه استفاده شده است؟

باید توجه داشت که تغییرشکل دال و باربری ثقلی را می ­توان با اعضایی که ابعاد نسبتاً کوچکی دارند و در معماری بنا مشکلی ایجاد نمی ­کنند، تحت کنترل قرار داد. حال آن­ که این اعضا به واسطه ضعف ذاتی، در هنگام اعمال نیروی جانبی مانند زلزله به‌سرعت از سیستم باربرجانبی خارج شده و در باربری لرزه‌ای نقشی ایفا نمی­ کنند. در  voice زیر به‌صورت کاملاً منطقی و باسرعت پاسخ این سؤال را داده‌ایم.

از خلال بحث­ های فوق ممکن است این ذهنیت در خواننده پدید آید که اگر عضوی در دسته اعضای غیراصلی قرار گیرد دیگر الزامی به کنترل آن عضو تحت بارهای لرزه ­ای نخواهد بود. این در حالی است که ستون­ های غیرمتصل به دیوار برشی در مثال فوق به دلیل اتصال به دیافراگم کف تغییرمکان­ های ناشی از زلزله را متحمل خواهند شد. بر همین اساس نشریه 360 در نظر گرفتن ملاحظات زیر را برای اعضای اصلی و غیراصلی الزامی دانسته است:

• اعضای اصلی بایست هم‌زمان با بارهای ثقلی، نیرو و تغییر مکان‌های ناشی از زلزله را متحمل شوند.
• اعضای غیراصلی بایست هم‌زمان با بار ثقلی، تغییر مکان‌های ناشی از زلزله را متحمل شوند.

5.6. برخورد با اعضای اصلی و غیراصلی در انواع تحلیل

1. در تحلیل­ های خطی فقط اعضای اصلی مدل می­ شوند و اعضای غیراصلی تنها برای تغییرشکل­ های حاصل از زلزله کنترل می ­شوند. یعنی در مثال مورد بررسی ستون ­های غیرمتصل به دیوار برشی را به صورت دوسرمفصل مدل می­ کنند تا نقشی در عملکرد لرزه ­ای نداشته باشد. اما چون این ستون ­ها از طریق دیافراگم کف تغییرمکان­ های ناشی از زلزله را متحمل خواهند شد بایست برای تغییرشکل ­های حاصل کنترل ­شوند. هرچند در پروسه­ های رایج مهندسی در جهت ساده سازی و پرهیز از انجام تحلیل غیرخطی می­ توان از دیتیل زیر به پیشنهاد ACI318-14 استفاده نمود.

درخصوص تیرهای غیرباربر لرزه ­ای و اما متصل به دیافراگم آرماتورهای عرضی در کل طول تیر نباید فاصل ه­ای بیش از d⁄2  داشته باشند. سایر الزامات براساس طراحی تیرها با شکل ­پذیری ویژه خواهد بود. همینطور برای ستون ها به فرم زیر عمل خواهیم کرد.

شکل 3. جزئیات آرماتورگذاری مناسب برای ستون­ های غیرباربر لرزه ­ای متصل به دیافراگم

❓چه پارامترهایی باید در تحلیل غیرخطی لحاظ شوند؟

در جدول زیر پارامترهای موردنیاز تحلیل غیرخطی آورده شده است.

جدول 2 پارامتر مورد نیاز در تحلیل غیرخطی

در تحلیل­ های غیرخطی تمام اعضای اصلی و غیراصلی مدل شده و اثر کاهش مقاومت و سختی اجزا (کاهندگی) از طریق منحنی­ های Backbone در مدل وارد می ­شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در خصوص مفاهیم منحنی Backbone و مشاهده مثال­ هایی از آن این مقاله را تا انتها دنبال کنید.

6.6. تأثیر دسته‌بندی اعضا به اصلی و غیراصلی بر ظرفیت نهایی سازه

❓پرسشی که از ابتدای این مقاله همچنان بی‌پاسخ مانده این است که دامنه تأثیرگذاری انتخاب اعضای اصلی و غیراصلی در هزینه ­های لازم جهت بهسازی و یا ساخت یک سازه جدید در چه حدودی خواهد بود؟

مطابق با مطالعه انجام‌گرفته توسط دوست محمدی بوئینی و سروقدمقدم (1390)، چنانچه براساس آیین­ نامه مورد استفاده در طراحی عملکردی یا بهسازی، انتخاب تعداد اعضای اصلی و غیراصلی در اختیار مهندس محاسب سازه باشد، هرچه تعداد اعضای غیراصلی در ساختمان بیشتر باشد، حاشیه محافظه­ کاری در طراحی کمتر، ظرفیت خرابی ساختمان بیشتر و استفاده بهینه از ظرفیت ساختمان افزایش می­ یابد (به دلیل کاهش نامعینی سازه، از ظرفیت بالاتری از اعضای اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرد). به‌طورکلی برای بهره ­گیری از حداکثر ظرفیت سازه و بهینه­ سازی طرح از جنبه­ های اقتصادی و اجرایی می­ توان از توصیه­ های زیر بهره برد:

• مطابق تحقیقات انجام گرفته، در تحلیل ­های غیرخطی، مستقل از کوتاه یا بلند بودن سازه و نیز متقارن یا نامتقارن بودن آن، افزایش تعداد اعضای غیراصلی تا حد امکان باعث بهره­ گیری بیشتری از ظرفیت سازه می­ شود.
• در ساختمان­ های نامتقارن برای رسیدن به این منظور بهتر است اعضای غیراصلی در لبه نرم ساختمان قرار گیرند.
• بهتر است در ساختمان­ ها نامتقارن، اصلی و غیراصلی گرفتن اعضا به ­صورت متقارن انجام نگیرد، چرا که چیدمان متقارن فقط در ساختمان­ های متقارن نتایج مناسبی به همراه دارد.
• در ساختمان ­های نامتقارن تعداد مفاصل در لبه سخت کمتر بوده و آسیب بیش­تر و جدی­تر در لبه نرم ساختمان رخ خواهد داد. در توضیح مفهوم لبه سخت و نرم بایست به مفهوم نامنظمی پیچشی در سازه­ ها اشاره داشت. به­ طوری­که در یک سازه با نامنظمی پیچشی یک لبه ساختمان سخت بوده و لبه دیگر نرم است و از این طریق استعداد پیچش در سازه به­ وجود می ­ آید. در نتیجه اگر اعضای غیراصلی در سمت نرم ساختمان تعبیه شوند، ظرفیت خرابی ساختمان افزایش یافته و نتیجتاً از ظرفیت ساختمان استفاده بهینه­ تری صورت خواهد گرفت.

جهت آشنایی بیشتر با طراحی عملکردی می‌توانید از کتاب، مقالات و آموزش‌های زیر که به طور جامع در زمینه طراحی عملکردی اطلاعات مفیدی در اختیار خوانندگان قرار می‌دهد استفاده کنید.

“تور تخصصی آموزش طراحی عملکردی و مقاوم‌سازی ساختمان”

“بررسی روش‌های تحلیل سازه در طراحی عملکردی و چالش‌های مدل‌سازی آن”

“کتاب راهنمای ورود به طراحی لرزه‌ای بر اساس عملکرد”

7. مثالی از یک پروژه مقاوم‌سازی

فرض کنیم در پروژه ­ای با پلان زیر هدف ارزیابی سازه و در صورت لزوم ارائه دستورالعملی برای مقاوم‌سازی اعضای سازه­ ای ­باشد. یک راهبرد می­ تواند این باشد که کل اجزای سازه­ ای را به ­صورت اصلی درنظر بگیریم. در این صورت کلیه اعضا بایست قادر باشند همزمان با بارهای ثقلی، نیرو و تغییرمکان ­های ناشی از زلزله را متحمل شوند. تا بدین ­جا همه ­چیز ساده و منطقی به­ نظر می ­رسد.

❓اگر به دلیل ضعف سازه دیوارهای برشی و ستون‌های میانی غیرمتصل به دیوار برشی هیچ‌کدام قادر به تأمین سطح عملکرد موردنظر نباشند آنگاه چه خواهد شد؟

در این صورت باید کل اعضای سازه‌ای را مقاوم‌سازی کنیم. روش‌های طراحی مقاوم‌سازی می‌تواند متفاوت باشد. بر اساس نوع عضو و یا امکانات و روش‌های موجود که در دسترس ما هستند. اما نکته‌ای که باید به آن توجه کنیم این است که بر خلاف ساخت سازه‌های جدید در بحث مقاوم‌سازی ما باید یکسری عملیات تخریبی هم انجام دهیم. همینطور که در تصاویر زیر می‌بینید، برای دسترسی پیداکردن به ستون‌ها، بخشی از دیوار تیغه یا دیوارهای خارجی که متصل هستند به یک ستون تخریب شده یا برای امتداد دادن آرماتورهای خمشی ستون، بخش‌هایی از سقف و تیر نیاز به تخریب دارند. همه این تخریب‌ها هزینه بر و زمان بر خواهد بود. بطور مثال شما در نظر بگیرید. یک ستون را که دیوار نما دار به آن متصل شده، اگر بخواهیم به آن ستون دسترسی پیدا کنیم و کار مقاوم‌سازی را در انجام بدهیم، نیاز داریم که بخشی از دیوار را تخریب کنیم. با تخریب دیوار نما تخریب می‌شود و همه این‌ها در هنگام بازسازی پروژه ایجاد هزینه می‌کند. در نتیجه می‌توان از یک راهبرد استفاده کرد.

اگر به شکل پلان توجه کنید، با خطوط خط‌چین سبزرنگ یک سری ستون را نمایش داده‌ایم. در واقع ما می‌توانیم برخورد دیگری نسبت به این مسئله داشته باشیم و کل اجزای سازه را این بار به‌صورت اصلی درنظر نگیریم. درواقع اجزای اصلی را محدود کنیم به دیوارهای برشی و چند ستون و تیر دیگر، و از این طریق تخریب‌های مختلف را کاهش دهیم. این روش ابزاری است که مهندسین می‌توانند بر اساس بینش و قضاوت مهندسی خودشان و براساس مشخصه‌های منحصر به فرد آن پروژه در خصوص انتخاب عضو اصلی و غیراصلی سازه تصمیم‌گیری کنند و از این طریق هزینه‌های اجرایی پروژه مقاوم‌سازی را بهینه‌سازی کند.

شکل 4. روند اجرایی مقاوم‌سازی ستون

شکل 5. قضاوت مهندسی در انتخاب اعضای اصلی و غیراصلی

مطالب فوق محدود به مقاوم‌سازی نبوده و در طراحی سازه ­های جدید بر اساس عملکرد نیز می ­توان تعمداً برخی اعضای سازه ­ای را در دسته اعضای سازه ­ای غیراصلی گنجاند. به‌عنوان مثال تیر همبند در دیوارهای همبسته می ­تواند به‌عنوان عضو غیراصلی محسوب گردد، به شرطی که پس از تغییرشکل­ های زیاد و خارج شدن از سیستم باربری جانبی، دیوارها همچنان باربری جانبی را تحمل نمایند. در واقع در چنین شرایطی طراح با غیراصلی فرض کردن تیرهای همبند به آن­ ها اجازه تغییرشکل همساز با سازه را می­ دهد، مشروط بر آن­که این تغییرشکل­ ها و خرابی احتمالی ناشی از آن منجر به کاهش شدید در باربری قائم و جانبی سایر اعضا نگردد.

شکل 6. تصویر تیرهمبند در دیوارهای همبسته

1.7. اما سؤال اصلی در مورد مدلسازی اولیه سازه همچنان پابرجاست

به طور قطع از خلال مطالب بیان شده تاکنون این برداشت را می ­توان داشت که انتخاب عضو اصلی و غیراصلی کاملاً به قضاوت مهندسی و ویژگی ­های خاص هر پروژه وابسته است. بر همین اساس در مدل‌سازی‌های اولیه در هر پروژه در جهت محافظه­ کاری و سهولت کار، تمامی اعضا در دسته اعضای اصلی قرار خواهند گرفت. سپس با کسب تسلط بیشتر بر مشخصه­ های منحصربه‌فرد پروژه می­ توان در تصمیم ­گیری اولیه تجدید نظر نمود و تعدادی از اعضا را در دسته اعضای غیراصلی قرار دارد. البته در این حالت بایست توجه داشت که ملاحظات زیر بایست مدنظر قرار گیرد:

8. تعیین تلاش های نیرو کنترل و تغییر شکل کنترل در اعضای سازه ­ای

هر مدل ریاضی از سازه، نیازمند تعریف رفتار اعضای تشکیل دهنده آن سازه است. از این ­رو رفتار اعضای سازه‌ای تحت اثر بارهای لرزه­ ای در آزمایشگاه ­ها تحت بارهای رفت و برگشتی تعیین می­ گردد و از طریق نمودار­های بار- جابجایی مشابه شکل 6 نشان داده می ­شود که به آن منحنی هیسترزیس گفته می ­شود. برای انجام تحلیل های غیر خطی سازه، شناخت رفتار عضو و منحنی هیسترزیس آن ضروری است؛

شکل 7. نمونه ­ای از نمودار­های بار- جابه‌جایی

نحوه استخراج چنین منحنی­ هایی در آزمایشگاه در قالب ویدئو زیر نشان داده شده است که پیشنهاد می‌کنیم با دقت مشاهده بفرمایید.

منحنی­ های چرخه­ ای به دست آمده از نظر کاربرد و تفسیر نتایج پیچیده بوده و از این ­رو اکثر آیین­ نامه­ ها و نرم ­افزارهای کامپیوتری به جهت ساده­ سازی رفتار اعضا تحت اثر بارهای ناشی از زلزله به‌جای کاربرد مدل­ های چرخه ­ای از مدل ­های چندخطی برای مدل‌سازی استفاده می ­کنند. در شکل زیر مدل چندخطی متداول در آیین ­نامه­ ها و نیز در نرم ­افزارهای SAP2000 و ETABS برای نمایش رفتار اعضا نشان داده شده است.

شکل 8. مدل چندخطی متداول برای نمایش رفتار اعضا

این منحنی­ ها تحت عنوان منحنی­ های Backbone شناخته می ­شوند و در انجام تحلیل ­های غیرخطی لازم است تا بر اساس ضوابط آیین ­نامه برای نرم ­افزار معرفی گردند. برای تعریف منحنی­ های Backbone به نرم ­افزار نیاز به دانستن مفاهیمی از قبیل تلاش ­های کنترل شونده به تغییرشکل و تلاش ­های کنترل شونده به نیرو است که در ادامه با ارائه چند مثال در قالب یک ویدئو آموزشی قصد داریم به بیان آن بپردازیم.

در این مثال­ ها که در قالب ویدئو بیان خواهد شد مجموعاً سه مثال از تیر و ستون بتن ­آرمه ارائه می ­گردد تا مخاطب پس از مشاهده آن قادر به انجام محاسبات دستی مربوط به تعریف منحنی­ های  Backbone  باشد. توجه داشته باشید که تعریف منحنی­ های Backbone و مسلط بودن به مفاهیم آن لازمه کاربرد روش ­های غیرخطی است. برای آشنایی شما با تمامی منحنی هایی که تا به اینجای مقاله معرفی کرده‌ایم ویدئویی ضبط کرده‌ایم که مفهوم را کامل منتقل کنیم. حتماً یک‌بار ویدئو زیر را مشاهده کنید.

ما در مجموعه سبزسازه معتقدیم که برای درک یک موضوع باید موشکافانه عمل کنیم و البته تمرین کردن را فراموش نکنیم به همین علت هم ویدئو دومین مثال را هم برای درک بهتر شما ضبط کرده‌ایم. بعد از مشاهده این ویدئو حتماً یک‌بار خودتان مثال را حل کنید و ایراداتتان را در قسمت کامنت‌های همین مقاله مطرح کنید.

مثال 3. ستونی با مقطع عرضی زیر با دهانه 3 متر در نظر گرفته شده است که تحت نیروی محوری 3 تن قرار دارد. ظرفیت لنگر خمشی موردانتظار مثبت و منفی تکیه ­گاه هر دو 7.5 تن.متر می ­باشد.

از ویدئوهای آموزشی فوق به ­خاطر داریم که در تیر­ها باید تلاش کنترل به خمش و یا برش بودن بررسی می­ شد، در ستون­ ها اما باید شرایط ستون بر اساس جزئیات آرماتور عرضی بررسی شود که برای این منظور از جدول زیر استفاده می ­شود:

نحوه کاربرد جدول فوق برای تعیین شرایط آرماتورگذاری ستون نیاز به دانستن یکسری روابط و اصول تحلیل ­سازه ­ای دارد که در ویدئو کوتاه زیر به آن پرداخته شده است.

پس از تعیین شرایط ستون یک گام دیگر به استخراج پارامترها منحنی Backbone نزدیک شده­ ایم و اینک بایست مطابق جدول زیر از نشریه 360 برای ستون ­های با جزئیات آرماتورگذاری i سایر بخش های لازم را تعیین نماییم.

در گام نهایی با مشاهده ویدئو کوتاه زیر مثال سوم و استخراج منحنی Backbone  برای یک ستون بتن­ آرمه به اتمام می­ رسد.

روش­ هایی که در مثال­ های سه‌گانه فوق بررسی شدند بسیار زمان­بر بوده و در یک پروژه با تعداد زیادی عضو به­ نظر نمی ­رسد که کاربردی باشند، راهکار مهندسین برای برون‌ رفت از این مشکل چیست؟

خبر خوب این است که نرم­ افزارهایی همچون ETABS و SAP2000 به­ صورت اتوماتیک قادر به ساخت منحنی­ های Backbone هستند. اما در هرحال مهندسی که در رده طراحی براساس عملکرد فعالیت دارد بایست بر روی مفاهیم و روند محاسبه این منحنی­ ها مسلط باشد تا در صورت لزوم بتواند منحنی­ های پیش­ فرض نرم­ افزار را با محاسبات خود صحت سنجی نماید.

9. نتایج و خروجی ­ها

1. تحلیل­ های با مدل­ های سه­ بعدی تحلیل­ های جامع­ تری بوده و امروزه با سیستم ­های رایانه­ ای جدید و خصوصاً در تحلیل ­های غیرخطی استاتیکی که پرکاربردتر می­ باشند، دیگر مدل ­های دوبعدی چندان مزیتی نسبت به مدل­ های سه­ بعدی ندارند.
2.  از مفاهیم اصلی و غیراصلی به‌عنوان یکی از عوامل تفکیک مدل‌سازی و معیار پذیرش استفاده شده است. این مفاهیم و کاربرد آن ­ها در جامعه مهندسی با ابهامات بسیاری رو­به ­رو می­ باشد. برخی باربری ثقلی و جانبی را ملاک تمایز این اعضا دانسته و برخی دیگر انتخاب این اعضا را کاملاً در اختیار مهندسین محاسب قرار می­ دهند.
3. انتخاب برخی از اعضای سازه‌ای به‌عنوان المان غیراصلی به آن ها اجازه خواهد داد که آسیب­ های بیشتر و تغییرمکان ­های بزرگ‌تری را نسبت به آنچه برای اعضای اصلی مجاز دانسته شده است متحمل شوند. در این خصوص محاسب سازه بایست در حدود ضوابط آیین ­نامه و قضاوت مهندسی تلاش نماید تا به طرحی بهینه و ایمن دست یابد.
4. به­ طور خلاصه می ­توان هدف آیین ­نامه­ های طراحی براساس عملکرد از دسته­ بندی اعضای سازه­ ای به اصلی و غیراصلی را وارد کردن انعطاف­پذیری در پروسه تحلیل و طراحی دانست. در واقع از این طریق به­ جای اینکه یک برنامه ­ریزی جامع و فشرده برای جلوگیری از آسیب به تمامی المان­ ها تدوین شود، به برخی المان­ ها اجازه داده خواهد شد تا آسیب زیادتری را تجربه کنند.
5. عمدتاً در مدلسازی­ های اولیه در هر پروژه در جهت محافظه­ کاری و سهولت کار، تمامی اعضا در دسته اعضای اصلی قرار خواهند گرفت. سپس با کسب تسلط بیشتر بر مشخصه­ های منحصر بفرد پروژه می توان در تصمیم­ گیری اولیه تجدید نظر نمود و تعدادی از اعضا را در دسته اعضای غیراصلی قرار دارد.
6. مهم‌ترین تفاوت کنترل به برش و خمش بودن در پارامتر a (طول ناحیه سخت شوندگی) می­ باشد که در اصل اثر نیرو کنترل بودن یا تغییرشکل کنترل بودن در آن دیده می ­شود.

 10. نتیجه‌گیری 

در این مقاله تمرکز اصلی روی مبانی و مفاهیم مقاوم‌سازی و بهسازی لرزه‌ای و مدل‌سازی اعم از انتخاب مدل­ های سه ­بعدی یا دوبعدی، شناخت و دسته‌بندی اعضای اصلی و استخراج منحنی­ های Backbone بود. در ادامه در خصوص انواع تحلیل‌ها، نرم‌افزارها، چالش‌های موجود در مباحث مقاوم‌سازی و بهسازی لرزه‌ای بحث شد. در نهایت با موارد بررسی شده می‌توان گفت باید با توجه به وضعیت پروژه، شرایط اقتصادی، سیستم باربر لرزه‌ای، شکل‌پذیری سازه و… نوع تحلیل و روش انجام مقاوم‌سازی و بهسازی را انتخاب کرد. در این صورت می‌توان مؤثرترین، بهینه‌ترین و کم‌چالش‌ترین روش را برای مقاوم‌سازی و بهسازی لرزه‌ای انتخاب کنیم تا عملکرد بهینه برای سازه موردنظر حاصل شود.

11. پرسش‌وپاسخ

12. منابع

• نشریه 360، دﺳﺘﻮراﻟﻌﻤﻞ ﺑﻬﺴﺎزی لرزه‌ای ﺳﺎﺧﺘﻤﺎن های ﻣﻮﺟﻮد، 1392.
• تأثیر دسته‌بندی اعضا به اصلی و غیراصلی در تعیین ظرفیت خرابی ساختمان‌های نامتقارن قاب خمشی بتن مسلح، منا دوست‌محمدی بوئینی، دکتر عبدالرضا سروقدمقدم، 1390.
• تقی نژاد، رامین، ” طراحی و بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها بر اساس سطح عملکرد با استفاده از تحلیل پوش‌آور ETAB-SAP2000″، نشر کتاب دانشگاهی، 1395
• ASCE STANDARD, 41-2017, Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings,
• Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-14)
• مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (بارهای وارد بر ساختمان) ویرایش 1398

• مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!

• ارسال سوال برای تولید محتوا