بررسی مدلسازی اولیه سازه‌ در طراحی عملکردی ، مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای ساختمان

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 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 ویدئو های رایگان به بررسی مدلسازی اولیه سازه ها در طراحی عملکردی خواهیم پرداخت. برای درک کامل این مقاله حداقل یک بار این ویدئو ها را مشاهده کنید.

 

 

با توجه به دو دستورالعمل ASCE 41-16 و نشریه­ ی 360 که در رابطه با طراحی عملکردی ، مقام سازی و بهسازی لرزه ای ساختمان، دو پارامتر مهم در انتخاب روش مدل سازی، نوع دیافراگم و اثر پیچش می ­باشد که در ابتدا به بیان مفهوم این دو می­ پردازیم.

مروری بر مفاهیم دیافراگم

برای شروع کار ابتدا باید دیافراگم ­ها را دسته بندی 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 می‌باشد. 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 استاندارد2800 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 انعطاف پذیر 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 صد‌ در صد 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 می‌باشد. 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.

برای ادامه دادن این موضوع باید حتما بر مفاهیم دیافراگم تسلط داشته باشید. پیشنهاد می کنم حتما در همین اول کار سری به شهر یادگیری سبزسازه بزنید و مقالات مرتبط با دیافراگم را مطالعه کنید.

با فرض اینکه مخاطب تسلط کافی بر مفاهیم دیافراگم دارد مطلب را ادامه می­ دهیم. با توجه به شکل زیر از ASCE 41-16 دو پارامتر مهم در بحث دسته­ بندی دیافراگم ­ها مورد بررسی قرار می­گیرد.

 

 

 

پارامترهای مندرج در تصویر فوق عبارتند از؛

 بیشترین تغییر مکان افقی دیافراگم : Δ_d

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

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

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

مروری بر مفاهیم پیچش

با توجه به بند­های آیین نامه پیچش کلی مجموع دو پیچش واقعی و اتفاقی است که در ادامه نحوه‌ی محاسبه­ ی آنها 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 (انعطاف پذیر) 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 می‌باشد.

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 کرده اند که پیشنهاد می کنم حتما آن را مشاهده کنید.

 

  نکات مهم:

• در دیافراگم­ های انعطاف پذیر اساساً پیچش نداریم و در دیافراگم ­های صلب و نیمه صلب از پیچش کلی استفاده می ­کنیم، که با توجه به بند­های آیین نامه پیچش کلی مجموع دو پیچش واقعی و اتفاقی است
• براساس 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.

 

بررسی مدلسازی اولیه سازه در طراحی عملکردی به صورت دوبعدی یا سه­ بعدی در آیین­ نامه

 

 

حتی در مدل سازی­‌های دو بعدی نیز برای محاسبه­‌ی سختی و مقاومت، اعضا باید از مدل­‌های سه بعدی استفاده شود.

در مواقعی که می­ توانیم هم به روش دو بعدی و هم به روش سه بعدی مدل کنیم کدام یک را انتخاب کنیم؟

اساساً کاربرد مدل ­های سه ­بعدی منجر به ارزیابی جامع ­تری از سازه می­گردد و بدون انجام فرآیند­های 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 می ­باشد. اگر متوجه منظور ما نشدین حتما Voice زیر را که در آن به پاسخ این سوال پرداخته شده است، گوش کنید.

 

  ارزیابی اعضای سازه­‌ای و غیرسازه‌­ای در طراحی عملکردی

در دستورالعمل­ های بهسازی و طراحی عملکردی ، نظیر نشریه 360 (دستورالعمل بهسازی لرزه ­ای ساختمان ­های موجود)، ASCE41-17,FEMA440 و نسخه ­های قدیمی ­تر آن­ها، با تقسیم بندی المان ­های سازه ­ای به دو دسته اصلی و غیراصلی، مدلسازی و همچنین معیارهای پذیرش هریک از المان‌ها تفکیک می‌شوند. این مفاهیم و کاربرد آن­ها 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.

تشریح اعضای اصلی و غیراصلی در بندهای آیین­‌نامه­ 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 موثرند 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 مولفه­ های اصلی و غیراصلی ارائه شده است که تا حد زیادی مشابه به هم می­ باشند و صرفاً اندکی در جزئیات تفاوت دارند. تعبیر ASCE-41-16 که یکی از به ­روز­ترین مراجع در زمینه بهسازی، مقاوم­سازی و طراحی عملکردی می ­باشد، 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 کم بودن مقاومت، سختی و ظرفیت تغییر شکل سهم قابل اعتمادی را در مقاومت در برابر اثرات زلزله نداشته باشد، به عنوان المان غیر اصلی شناخته می­ شود.

 

ارائه یک مثال ساده جهت تفکیک اعضای اصلی و غیر اصلی

تشخیص اصلی یا غیر اصلی بودن اعضا، ابهامی است که سعی شده است 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 می­ باشد. به واسطه اینکه در سیستم­ های دال تخت، عملکرد قاب خمشی تضعیف شده و ضابطه 25% در سیستم­ های دوگانه اقناع نمی­گردد، 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 آن­ها از سازه خللی در سیستم باربری سازه ایجاد نخواهد کرد.

 

 

لازم به توضیح است که در این مثال اندرکنش سیستم کف و ستون ­ها به­ طور قطع مقداری سختی جانبی را ایجاد خواهد کرد ولی به­ طور معمول، طراح به علت کم بودن 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 می­باشند. اعضایی که برای تحمل بار جانبی جهت رسیدن به سطح عملکرد موردنظر، نیاز نمی ­باشند و حذف آن­ها خللی در سیستم باربر جانبی ایجاد نکند، می­ توانند به عنوان اعضای غیر اصلی درنظر گرفته شوند.

بر طبق این تعریف در شکل فوق دیوارهای برشی در دسته اعضای سازه­ای اصلی قرار خواهند گرفت. چرا که بدون حضور آن­ها رسیدن به سطح عملکرد مورد نظر امکان پذیر نخواهد بود. ستون­ های غیر متصل به دیوار برشی نیز از آن جهت که در تحمل بارجانبی مشارکت جدی نمی­ نمایند و حذف آن­ها خللی در سیستم باربر جانبی ایجاد نمی­کند در زمره اعضای سازه­ای غیراصلی طبقه­ بندی خواهند شد.

اگر ستون­ های غیرمتصل به دیوار برشی در باربری لرزه ­ای سهیم نیستند پس به چه علتی از آن­ها 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 آن­که این اعضا بواسطه ضعف ذاتی، در هنگام اعمال نیروی جانبی مانند زلزله به سرعت از سیستم باربرجانبی خارج شده و در باربری لرزه‌ای نقشی ایفا نمی­کنند. در  voice زیر به صورت کاملا منطقی و باسرعت پاسخ این سوال را داده ایم. حداقل یک بار این voice را گوش دهید.

 

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 غیر اصلی الزامی دانسته است:

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

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 می­کنند 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 نبایست فاصله ­ای 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

2. 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. در ادامه در مورد این منحنی ها صحبت خواهیم کرد.

تأثیر دسته بندی اعضا بر ظرفیت نهایی سازه

پرسشی که از ابتدای این مقاله همچنان بی پاسخ مانده، این است که دامنه تاثیرگذاری انتخاب اعضای اصلی و غیر اصلی در هزینه­ های لازم جهت بهسازی و یا ساخت یک سازه جدید در چه حدودی خواهد بود؟

مطابق با مطالعه انجام گرفته توسط دوست محمدی بوئینی و سروقدمقدم (در سال 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). به ­طور کلی 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 غیر اصلی در لبه نرم ساختمان قرار گیرند.
• بهتر است در ساختمان ­های نامتقارن، اعضای اصلی و غیراصلی به صورت متقارن قرار نگیرند، 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 جدی­ تر 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 می­ باشد 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.

در یک پروژه طراحی عملکردی و مقاوم‌سازی…

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

اگر به دلیل ضعف سازه دیوارهای برشی و ستون­ های میانی غیر متصل به دیوار برشی هیچکدام قادر به تأمین سطح عملکرد مورد نظر نباشند آنگاه چه خواهد شد؟

پاسخ پرسش بالا را در قالب یک Voice ضبط کرده ایم تا با بیانی راحت تر مفهوم را به شما انتقال دهیم. حتما Voice کوتاه زیر را گوش کنید و پاسخ سوال را بشنوید. اگر بازهم سوالی دارید حتما در انتهای همبن صفحه در قسمت کامنت ها سوال و نظراتتان را مطرح کنید تا کارشناسان ما به آن پاسخ دهند.

 

 

 

 

 

 

مطالب فوق محدود به مقاوم سازی نبوده و در طراحی عملکردی سازه های جدید نیز می­ توان تعمداً برخی اعضای سازه­ ای را در دسته اعضای سازه ­ای غیراصلی گنجاند. به عنوان مثال تیرهمبند در دیوارهای همبسته می­ تواند به عنوان 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 آن­ها 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.

 

 

اما سؤال اصلی 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 می ­باشد. بر همین اساس 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 می­توان 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:

 

 

تعیین تلاش­ های نیرو کنترل و تغییرشکل کنترل در اعضای سازه ­ای

هر مدل ریاضی از سازه، نیازمند تعریف رفتار اعضای تشکیل دهنده آن سازه می­ باشد. از این­ رو رفتار اعضای سازه‌ای تحت اثر بارهای لرزه ­ای در آزمایشگاه ­ها تحت بارهای رفت و برگشتی تعیین می­گردد 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.

 

 

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

 

 

منحنی­ های چرخه ­ای بدست 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 به جای کاربرد مدل ­های چرخه ­ای از مدل ­های چندخطی برای مدلسازی استفاده می­ کنند. در شکل زیر مدل چندخطی متداول در آیین­نامه­ ها و نیز در نرم ­افزارهای SAP2000 و ETABS برای نمایش رفتار اعضا نشان داده شده است.

 

 

این منحنی­ ها تحت عنوان منحنی­ های backbone شناخته می­ شوند و در انجام تحلیل­ های غیرخطی لازم است تا براساس 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 می­ باشد که در ادامه با ارائه چند مثال در قالب یک ویدیو آموزشی قصد داریم به بیان آن بپردازیم.

در این مثال­ ها که در قالب ویدیو بیان خواهد شد مجموعاً سه مثال از تیر و ستون بتن­ آرمه ارائه می­گردد 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. اگر با این منحنی  ها آشنایی کامل ندارید قطعا باید همین الان با آنها آشنا شوید. برای آشنایی شما با تمامی منحنی هایی که تا به اینجای مقاله معرفی کرده ایم ویدئویی ضبط کرده ایم که با بیان مثال سعی میکنیم مفهوم را کامل منتقل کنیم. حتما یک بار 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 مقاله مدلسازی اولیه سازه در طراحی عملکردی را هم برای درک بهتر شما ضبط کرده ایم. بعد از مشاهده این ویدئو حتما یک بار خودتان مثال را حل کنید و ایراداتتان را در قسمت کامنت های 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 مورد انتظار مثبت و منفی تکیه­گاه هر دو 7.5 تن. متر می­ باشد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

از ویدیو­های 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 براساس جزییات 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 ویدیو 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 ویدیو کوتاه زیر مثال سوم و استخراج منحنی backbone برای یک ستون بتن ­آرمه به اتمام می­رسد.

 

 

روش­ هایی که در مثال­ های سه گانه فوق بررسی شدند بسیار زمان­ بر بوده و در یک پروژه با تعداد زیادی عضو به­ نظر نمی­رسد 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 می­ باشند. اما در هرحال مهندسی که در رده طراحی عملکردی فعالیت دارد بایست بر روی مفاهیم و روند محاسبه این منحنی­ ها مسلط باشد تا در صورت لزوم بتواند منحنی­ های پیش­فرض نرم ­افزار را با محاسبات خود صحت سنجی نماید.

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 به عنوان یکی از عوامل تفکیک مدلسازی و معیار پذیرش استفاده شده است. این مفاهیم و کاربرد آن­ها 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 به عنوان المان غیراصلی به آنها 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 عملکردی را از دسته ­بندی اعضای سازه ­ای به اصلی و غیراصلی را وارد کردن انعطاف­ پذیری 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 می­شود.

جمع‌بندی

مقاله مدلسازی اولیه سازه در طراحی عملکردی تمرکز اصلی اش بر روی مبانی و مفاهیم مدلسازی اعم از انتخاب مدل­ های سه­ بعدی یا دوبعدی، دسته بندی اعضای اصلی و استخراج منحنی ­های Backbone بود. در ادامه سری مقالات طراحی عملکردی به مبانی انتخاب روش تحلیل سازه، مفاهیم و محدوده کاربرد هریک از روش­ ها پرداخته خواهد شد تا از این طریق مقدمات لازم برای آغاز مثال‌های پروژه محور فراهم گردد.

منابع:

 

ASCE STANDARD, 41-2017, Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings,

Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-14)

• نشریه 360، دﺳﺘﻮراﻟﻌﻤﻞ ﺑﻬﺴﺎزی لرزه‌ای ﺳﺎﺧﺘﻤﺎﻧ ﻬﺎی ﻣﻮﺟﻮد، 1392.
• تأثیر دسته­ بندی اعضا به اصلی و غیراصلی در تعیین ظرفیت خرابی ساختمان ­های نامتقارن قاب خمشی بتن مسلح، منا دوست محمدی بوئینی، دکتر عبدالرضا سروقدمقدم، 1390.
• تقی نژاد، رامین، “طراحی و بهسازی لرزه ­ای سازه­ ها براساس سطح عملکرد با استفاده از تحلیل پوش آورETAB-SAP2000″، نشر کتاب دانشگاهی، 1395

 

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

• ارسال سوال برای تولید محتوا