صفحه اصلی » طراحی سازه های ساختمانی و صنعتی » آنالیز حرارتی سازه های بتنی و فولادی همراه با آموزش تصویری در نرم‌افزار ایتبس(آپدیت 1405)

آنالیز حرارتی سازه های بتنی و فولادی همراه با آموزش تصویری در نرم‌افزار ایتبس(آپدیت 1405)

آیا تاکنون به این فکر کرده‌اید که آنالیز حرارتی یعنی چه؟ چرا در طراحی سازه‌ ها اهمیت دارد؟ تغییرات دما چه تأثیری بر سازه‌های بتنی و فولادی می‌گذارد؟

آنالیز حرارتی یکی از مباحث مهم در مهندسی سازه است که به مطالعه و پیش‌بینی رفتار سازه‌ها تحت‌تأثیر تغییرات دما می‌پردازد. این تحلیل، امکان ارزیابی تأثیر تغییرات دمایی بر پایداری و عملکرد سازه را فراهم می‌کند و از اهمیت ویژه‌ای در پروژه‌های عمرانی و به‌خصوص در سازه‌های با طول یا ارتفاع زیاد برخوردار است. آنالیز حرارتی سازه‌ها نقش مهمی در بهینه‌سازی مصرف انرژی و ایمنی سازه‌ها داشته و در تعیین رفتار سازه تحت تاثیر عوامل حرارتی مثل انبساط و انقباض و همچنین جلوگیری از ایجاد تنش‌های حرارتی، کاربرد دارد.

در این مقاله، اصول پایه آنالیز حرارتی، درز انبساط، ضوابط آیین‌نامه‌های داخلی و خارجی در خصوص آنالیز حرارتی و کاربرد این تحلیل در سازه‌های مختلف ارائه خواهد شد. در ادامه هم روش‌ انجام آنالیز حرارتی در نرم‌افزار ایتبس به‌صورت تصویری توضیح داده خواهد شد.

این مقاله می‌تواند یک راهنمای جامع و کاربردی برای دانشجویان مهندسی عمران و طراحان سازه برای فراگیری آنالیز حرارتی در سازه‌ها باشد

⌛ آخرین به‌روزرسانی: 24 مرداد 1405

📕 تغییرات به روز رسانی: تکمیل تر شدن مقاله

در این مقاله چه می‌آموزیم؟

1. مفاهیم پایه آنالیز حرارتی
2. حرارت در سازه‌ها
3. نقش آنالیز حرارتی در سازه‌ها
4. آنالیز حرارتی سازه‌ها در آیین‌نامه‌ها
5. معرفی نرم‌افزارهای آنالیز حرارتی
6. آنالیز حرارتی سازه‌های فولادی و بتنی در ایتبس
7. آنالیز حرارتی در سایر سازه‌ها
8. پرسش و پاسخ
9.نتیجه گیری و جمع بندی
10. منابع

1. مفاهیم پایه آنالیز حرارتی

در بخش اول این مقاله به مفاهیم پایه آنالیز حرارتی اشاره خواهد شد. در این بخش ابتدا آنالیز حرارتی و پارامترهای مؤثر بر آن معرفی شده، سپس انواع آنالیز حرارتی، روش‌های رایج انجام آن، آنالیز حرارتی در انواع مختلف تحلیل سازه و محدودیت‌های آنالیز حرارتی در طراحی سازه ارائه خواهد شد.

1.1. آنالیز حرارتی چیست؟

آنالیز حرارتی فرایندی است که در آن رفتار حرارتی یک ساختمان تحت شرایط مختلف دمایی بررسی و تحلیل می‌شود. در این فرایند، تغییرات دمایی و اثرات آن بر روی ساختمان تحلیل می‌گردد تا نحوه انتقال حرارت در اجزای مختلف سازه بررسی شود. آنالیز حرارتی معمولاً با استفاده از روش‌های محاسباتی و نرم‌افزاری انجام می‌شود که به کمک آن، توزیع حرارت در داخل سازه محاسبه می‌شود. طی این تحلیل‌ها، رفتار حرارتی سازه‌ها شبیه‌سازی شده و نحوه واکنش آنها در برابر تغییرات دما پیش‌بینی می‌شود.

هدف اصلی از آنالیز حرارتی، بررسی آسیب‌ها و تحلیل سازه در برابر تغییرات دمایی است. آنالیز حرارتی همچنین به کاهش مصرف انرژی، افزایش دوام سازه و ایجاد راحتی بیشتر برای ساکنان کمک می‌کند و با استفاده از اطلاعات حاصل از آنالیز حرارتی ساختمان، می‌توان تدابیری برای بهینه‌سازی مصرف انرژی، کنترل دمای داخلی و حفظ طول عمر سازه‌ها اتخاذ کرد که در ادامه بیشتر به آن‌ها پرداخته خواهد شد.

آنالیز حرارتی سازه معمولاً زمانی ضروری می‌شود که ابعاد سازه یا شرایط محیطی باعث افزایش اثرات دما بر ساختار آن شوند. برای مثال، اگر طول پلان یک سازه خیلی بزرگ باشد (حدوداً بیشتر از 40 تا 50 متر)، انقباض و انبساط ناشی از تغییرات دما می‌تواند به سازه تنش وارد کند و تغییرشکل‌هایی ایجاد کند که در سازه و به‌ویژه در نقاط حساس مثل ستون‌های گوشه‌، از حد مجاز فراتر برود. در چنین مواردی، تحلیل و طراحی سازه برای تحمل بارهای حرارتی و جلوگیری از آسیب‌های احتمالی ضرورت پیدا می‌کند.

اگر سازه به نحوی طراحی شود که دارای درز انبساط باشد، می‌توان با محدود کردن تغییرشکل‌ها از اثرات منفی انبساط و انقباض حرارتی جلوگیری کرد. این روش در سازه‌های طولانی مانند ریل‌های راه‌آهن هم استفاده می‌شود. در نتیجه، درصورتی‌که ابعاد سازه محدود باشد و در معرض تغییرات دمایی قابل‌توجهی قرار نگیرد یا سازه به درز انبساط مجهز باشد، می‌توان از آنالیز حرارتی صرف‌نظر کرد. اما در سازه‌های بزرگ یا پیچیده، بررسی و محاسبه بارهای حرارتی طبق آیین‌نامه‌ها ضروری است تا از ایمنی و پایداری آنها اطمینان حاصل شود.

2.1. پارامترهای مؤثر در آنالیز حرارتی

آنالیز حرارتی سازه‌ها برای پیش‌بینی رفتار سازه در برابر تغییرات دما و اثرات آن بر تنش‌ها و تغییر شکل‌ها اهمیت زیادی دارد. در این آنالیز، پارامترهای مختلفی تأثیرگذار هستند که در این بخش به مهم‌ترین آن‌ها پرداخته خواهد شد.

پارامترهای موثر در آنالیز حرارتی

1.2.1. مشخصات مصالح مصرفی

مشخصات حرارتی مصالحی که در سازه‌ها استفاده می‌شود، مانند ضریب انبساط حرارتی و رسانایی حرارتی آن‌ها‌ می‌توانند بر رفتار حرارتی ساختمان اثر بگذارند. همچنین مشخصات مکانیکی مواد مانند مدول الاستیسیته و ضریب پواسون نیز می‌توانند روی مقاومت ماده در برابر تنش‌های حرارتی و تغییر شکل‌ها تأثیرگذار باشند.

2.2.1. شرایط محیطی

دمای محیط و تابش خورشید می‌توانند بر عملکرد حرارتی ساختمان تأثیر بگذارند. این اثرات ممکن است به‌صورت تغییر دمای ثابت در کل سازه باشد که باعث انبساط یا انقباض کلی سازه می‌شود و یا اختلاف دما در بخش‌های مختلف یک عضو که باعث ایجاد تغییرشکل در اعضای سازه می‌شود. این حالت بیشتر در عضوهایی مانند سقف‌ها که در معرض تابش خورشید هستند، اهمیت دارد.

3.2.1. ابعاد پلان

یکی دیگر از پارامترهای مؤثر بر آنالیز حرارتی، ابعاد پلان ساختمان است. اندازه و شکل پلان سازه بر نحوه توزیع دما، گسترش تنش‌های حرارتی و تغییر شکل‌های ناشی از آن تأثیر می‌گذارد. اثرگذاری ابعاد پلان بر رفتار حرارتی سازه را می‌توان به دو دلیل دانست.

اول اینکه با افزایش ابعاد سازه، به‌ویژه در پلان‌های طولانی و وسیع، میزان انبساط و انقباض حرارتی در نتیجه تغییرات دما بیشتر می‌شود. این مسئله می‌تواند منجر به ایجاد تنش‌های زیادی در سازه گردد، به‌خصوص اگر محدودیت‌ها یا تکیه‌گاه‌ها در اطراف پلان مانع انبساط آزاد شوند.

دومین علت این است که در پلان‌های بزرگ، ممکن است تفاوت دمایی در نقاط مختلف سازه وجود داشته باشد و یک طرف سازه بیشتر در معرض تابش خورشید یا دماهای محیطی قرار گیرد. این تفاوت‌های دمایی می‌تواند باعث خمیدگی و تغییر شکل‌های اضافی در سازه شود.

4.2.1. شرایط مرزی سازه

شرایط مرزی سازه شامل تکیه‌گاه‌ها و اتصالات بر تحلیل حرارتی سازه مؤثر هستند. اگر محدودیت حرکتی اضافی در لبه‌ها یا نقاطی از سازه وجود داشته باشد، حرارت نمی‌تواند باعث انبساط آزاد در آن نواحی شود و تنش بیشتری ایجاد می‌شود. همچنین نوع و نحوه اتصالات سازه بر نحوه انتقال تنش‌های حرارتی تأثیر می‌گذارد و می‌تواند باعث تجمع تنش در نواحی خاص شود.

3.1. انواع آنالیز حرارتی

دو نوع اصلی آنالیز حرارتی که در مهندسی سازه‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند، آنالیز حرارتی استاتیک و آنالیز حرارتی دینامیک هستند. آنالیز حرارتی دینامیکی و استاتیکی به‌صورت متفاوتی به بررسی اثرات دما بر سازه پرداخته و هرکدام برای شرایط خاصی کاربرد دارند. در این بخش، به معرفی انواع آنالیز حرارتی و تفاوت‌های آن‌ها اشاره خواهد شد.

1.3.1. آنالیز حرارتی استاتیک

در این نوع آنالیز، دما به‌عنوان یک مقدار ثابت یا یکنواخت در نظر گرفته می‌شود و بارهای حرارتی به طور ثابت بر سازه اعمال می‌شوند. در آنالیز حرارتی استاتیکی، تغییرات دما در طول زمان در نظر گرفته نمی‌شود و تنها اثرات دما در یک لحظه خاص یا یک حالت پایدار بررسی می‌شود و نتیجه‌گیری‌ها بیشتر بر روی تأثیر دما بر تغییرات مکانیکی (مانند انبساط یا انقباض) متمرکز است. این تحلیل در شرایطی که تغییرات دما به‌آرامی رخ می‌دهند و زمان تغییرات دما اهمیتی ندارد، کاربرد دارد.

2.3.1. آنالیز حرارتی دینامیک

در این نوع آنالیز، تغییرات دما در طول زمان در نظر گرفته می‌شود، بارهای حرارتی به طور متغیر در طول زمان اعمال می‌شوند و سازه تحت‌تأثیر نوسانات دما قرار می‌گیرد. برای مثال، بررسی واکنش سازه به تغییرات سریع دما (چرخه‌های گرم و سرد شدن) مانند تغییرات دمایی شدید بین شب و روز یا تغییر فصل‌ها می‌تواند در این دسته قرار گیرد؛ بنابراین آنالیز حرارتی دینامیک برای شرایطی که تغییرات دما سریع و شدید هستند و زمان این تغییرات اهمیت دارد، مناسب است.

3.3.1. تفاوت آنالیز حرارتی دینامیکی و استاتیکی

تفاوت اصلی بین آنالیز حرارتی دینامیکی و استاتیکی در ثابت یا متغیر بودن تغییرات دمایی در طول زمان است. در آنالیز استاتیک، دما به‌عنوان یک مقدار ثابت در نظر گرفته شده و تغییرات زمانی دما در نظر گرفته نمی‌شود، بنابراین تنها اثرات دما در یک لحظه خاص بر سازه بررسی می‌شود. اما در آنالیز دینامیک، تغییرات دما در طول زمان و نوسانات آن در نظر گرفته می‌شود و سازه تحت‌تأثیر این تغییرات متغیر دما قرار می‌گیرد.

4.1. روش‌های آنالیز حرارتی

رایج‌ترین روش‌های آنالیز حرارتی شامل آنالیز وزن‌سنجی حرارتی (TGA)، آنالیز حرارتی افتراقی (DTA) و گرماسنجی روبشی افتراقی (DSC) هستند. همچنین امروزه فرایندهای جدیدی در آنالیز حرارتی به وجود آمده است که بررسی و تحلیل ویژگی‌های مواد در دماهای مختلف استفاده می‌شوند. هرکدام از این روش‌ها برای بررسی تغییرات خاص مواد در اثر تغییر دما طراحی شده‌اند. از این روش‌ها می‌توان برای شناسایی دماهای بحرانی مواد مختلف استفاده کرد. در ادامه، به معرفی برخی از مهم‌ترین روش‌های آنالیز حرارتی به طور مختصر پرداخته خواهد شد.

1.4.1. آنالیز وزن‌سنجی حرارتی (TGA)

روش آنالیز حرارتی TGA (Thermo Gravimetry Analysis) یکی از ساده‌ترین و رایج‌ترین روش‌های آنالیز حرارتی است که در آن تغییرات جرم نمونه در اثر تغییر دما، اعم از گرم شدن یا سرد شدن، اندازه‌گیری می‌شود. این روش برای شناسایی و بررسی فرایندهای فیزیکی و شیمیایی مانند تجزیه، تبلور، تصعید مواد کاربرد دارد. در این روش، نمونه تحت گرمایش با نرخ مشخصی قرار می‌گیرد و اساس کار آن، اندازه‌گیری تغییرات وزن نمونه در حین این گرمایش است که می‌تواند اطلاعات بسیاری درباره ویژگی‌ها و رفتار ماده تحت دماهای مختلف ارائه دهد.

2.4.1. آنالیز حرارتی افتراقی (DTA)

روش آنالیز حرارتی DTA (Differential Thermal Analysis) یک روش رایج در مطالعه رفتار حرارتی مواد است که در آن اختلاف دما بین نمونه اصلی و یک نمونه مرجع در طول گرم شدن یا سرد شدن با یک برنامه حرارتی یکسان اندازه‌گیری می‌شود. این روش برای بررسی فرایندهایی مانند ذوب، انجماد و تغییرات فازی کاربرد دارد. در روش آنالیز حرارتی DTA، نمونه شاهد باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که در هنگام گرمایش، هیچ‌گونه تغییرات فیزیکی یا شیمیایی که منجر به جذب یا آزادسازی ناگهانی حرارت شود، نداشته باشد. معمولاً موادی مانند گرافیت و اکسید آهن به‌عنوان نمونه شاهد استفاده می‌شوند. این ویژگی‌ها کمک می‌کنند تا اثرات حرارتی در نمونه اصلی به طور دقیق‌تری تحلیل و ارزیابی شوند.

3.4.1. گرماسنجی روبشی افتراقی (DSC)

روش آنالیز حرارتی DSC (Differential Scanning Calorimetry) نیز مانند روش آنالیز حرارتی DTA، بر اساس تغییرات انرژی ماده عمل می‌کند. این روش برای بررسی تغییرات آنتالپی و ظرفیت گرمایی ویژه مواد هنگام گرم شدن یا سرد شدن با سرعت ثابت استفاده می‌شود. در طی این فرایند، نمونه اصلی و نمونه مرجع در دمای مشابه نگه داشته می‌شوند؛ اما برای حفظ دمای یکسان، انرژی‌های مختلفی دریافت می‌کنند و مقدار انرژی اعمال شده به هر نمونه اندازه‌گیری شده و در نمودار نمایش داده می‌شود. این روش یکی از متداول‌ترین روش‌های آنالیز حرارتی مواد پلیمری و معدنی است؛ برای مثال، این روش می‌تواند برای تعیین اینکه یک پلیمر چه زمانی نرم می‌شود یا در دماهای بالا تغییر می‌کند، مفید باشد.

4.4.1. روش‌های جدید

فرایندهای جدید در آنالیز حرارتی شامل چندین روش جدید هستند. تحلیل مکانیکی حرارتی (TMA) که تغییر شکل مواد بر اثر دما را بررسی می‌کند، تحلیل مکانیکی دینامیکی (DMA) که رفتار دینامیکی و تغییرات ساختاری مواد را تحت شرایط متغیر بررسی می‌کند، تحلیل دی‌الکتریک (DEA) که ظرفیت ذخیره و هدایت بار الکتریکی مواد را نشان می‌دهد، و گرماسنجی هدایتی که واکنش‌های گرمازای سیمان در زمان ترکیب با آب را برای ارزیابی مراحل و سرعت هیدراتاسیون تحلیل می‌کند.

این فرایندهای جدید باعث شده‌اند طراحی سازه‌ها با دقت بیشتری انجام شود، زیرا مهندسان می‌توانند ویژگی‌های حرارتی و رفتار مواد را تحت شرایط مختلف پیش‌بینی کنند. به‌این‌ترتیب، انتخاب مواد بهتر، مدیریت تنش‌های حرارتی و درک بهتر تغییرات دمایی ممکن می‌شود که در نهایت منجر به سازه‌هایی مقاوم‌تر و کارآمدتر خواهد شد.

5.1. آنالیز حرارتی سازه در انواع تحلیل‌ها

در آنالیز حرارتی سازه‌ها، دما به‌عنوان یک بارگذاری خارجی به مدل تحمیل می‌شود و تأثیر آن بر رفتار سازه مورد بررسی قرار می‌گیرد. نحوه اعمال اثرات حرارتی به نوع تحلیل و شرایط پروژه بستگی دارد. در ادامه به نحوه درنظرگرفتن آنالیز حرارتی در انواع تحلیل‌ها می‌پردازیم:

◾️تحلیل استاتیکی معادل (Equivalent Static Analysis): در این روش، تغییرات دما (افزایش یا کاهش) به‌صورت یک توزیع دمای ثابت یا متغیر به المان‌های سازه‌ای اعمال می‌شود. تغییرات دما موجب تغییر طول و کرنش حرارتی در اعضا می‌شود. این کرنش به شکل بار معادل حرارتی در مدل وارد می‌شود. این روش برای سازه‌هایی که تغییرات دمایی به‌صورت تدریجی و بدون شوک حرارتی رخ می‌دهد، مناسب است.

◾️تحلیل طیفی (Spectral Analysis): در این تحلیل، اثرات حرارتی به طور مستقیم بررسی نمی‌شوند. بااین‌حال، دما می‌تواند با تغییر در سختی اعضای سازه (به دلیل کاهش مدول الاستیسیته) روی پاسخ دینامیکی اثر بگذارد و برای تحلیل پاسخ سازه به بارهای دینامیکی ناشی از تغییرات دمایی استفاده می‌شود. این روش برای سازه‌هایی که تحت‌تأثیر تغییرات دمایی دینامیکی و نوسانات حرارتی قرار دارند، مناسب است.

◾️تحلیل تاریخچه زمانی (Time History Analysis): در این تحلیل، تغییرات دما به‌صورت وابسته به زمان تعریف می‌شوند. برای مثال، ممکن است یک پروفیل دمایی متغیر در طول زمان به سازه اعمال شود. این تغییرات دمایی ممکن است به‌صورت ترکیبی با بارهای دینامیکی دیگر (مانند زلزله) در نظر گرفته شود. تحلیل تاریخچه زمانی مناسب سازه‌هایی است که در معرض تغییرات ناگهانی دما یا شرایط محیطی شدید هستند.

◾️تحلیل پوش‌اور (Pushover Analysis): در تحلیل پوش‌اور، بارهای حرارتی به‌صورت تدریجی و افزایشی به سازه اعمال می‌شوند تا پاسخ غیرخطی سازه به تغییرات دمایی بررسی شود و برای تحلیل رفتار غیرخطی سازه‌ها تحت‌تأثیر تغییرات دمایی مناسب است.

برای آشنایی بیشتر با انواع تحلیل سازه، می‌توانید به ایبوک تحلیل خطی و غیر خطی سازه؛ بررسی 5 روش تحلیل سازه از جمله استاتیکی معادل و پوش اور در سبزسازه مراجعه کنید.

6.1. محدودیت‌های آنالیز حرارتی در طراحی سازه

آنالیز حرارتی در طراحی سازه می‌تواند اطلاعات مفیدی برای پیش‌بینی رفتار سازه تحت تغییرات دمایی ارائه دهد، اما دارای محدودیت‌هایی است که باید در نظر گرفته شوند. این محدودیت‌ها شامل موارد زیر هستند:

◾️ دقت در تعریف شرایط دمایی: تعریف دقیق توزیع دما و شرایط مرزی حرارتی در بسیاری از پروژه‌ها دشوار است. برای مثال، توزیع دما ممکن است به‌صورت غیریکنواخت باشد یا تحت‌تأثیر عوامل محیطی پیچیده‌ای مانند باد، تابش خورشید یا سایه قرار گیرد.

◾️ اثرات غیرخطی مصالح: خواص مصالح (مانند مدول الاستیسیته، مقاومت و کرنش تسلیم) با افزایش یا کاهش دما به طور غیرخطی تغییر می‌کنند. مدل‌سازی این رفتار غیرخطی در نرم‌افزارهای عمومی تحلیل سازه محدودیت دارد. برای مدل‌سازی دقیق رفتار مصالح در دماهای بالا می‌توان از نرم‌افزارهای تخصصی مانند Abaqus یا ANSYS. استفاده کرد.

◾️ اثرات حرارتی وابسته به زمان: تغییرات دمایی وابسته به زمان (مانند گرم شدن روزانه یا سرد شدن شبانه) می‌تواند به خستگی حرارتی منجر شود. این اثرات معمولاً در آنالیزهای استاتیکی ساده نادیده گرفته می‌شوند.

◾️ تعامل بین بارهای حرارتی و مکانیکی: تغییرات دمایی ممکن است بر رفتار مکانیکی سازه تأثیر بگذارد، به‌ویژه اگر بارگذاری‌های دیگری مانند زلزله یا باد هم‌زمان اعمال شوند. تحلیل این ترکیب بارها معمولاً پیچیده است.

◾️ محدودیت در مدل‌سازی ترک و آسیب ناشی از حرارت: بارهای حرارتی می‌توانند باعث ترک‌خوردگی و خزش در مواد شوند، اما مدل‌سازی این پدیده‌ها دشوار است.

◾️ پیچیدگی در پروژه‌های بزرگ و پیچیده: در سازه‌های بزرگ یا با جزئیات پیچیده، شبیه‌سازی توزیع دما و پاسخ حرارتی کل سازه ممکن است نیاز به محاسبات سنگین و زمان‌بر داشته باشد.

◾️ عدم توجه به تأثیرات بلندمدت: اثرات حرارتی ممکن است باعث خزش، انقباض، یا تغییر شکل دائم شوند که در طراحی کوتاه‌مدت نادیده گرفته می‌شود.

آنالیز حرارتی، با وجود اهمیت بالایی که دارد، به دلیل محدودیت‌های مدل‌سازی و محاسباتی نمی‌تواند به‌تنهایی همه اثرات را پیش‌بینی کند. در صورت ضرورت آنالیز حرارتی دقیق سازه، ترکیب این تحلیل با روش‌های پیشرفته‌تر و انجام مطالعات میدانی می‌تواند کمک کند تا دقت پیش‌بینی‌ها افزایش یابد.

2. حرارت در سازه‌ها

حرارت یکی از عوامل محیطی است که می‌تواند تأثیرات زیادی بر عملکرد و دوام سازه‌ها داشته باشد. درک دقیق عوامل مؤثر بر انتقال حرارت، شناخت روش‌های اندازه‌گیری دما، چگونگی توزیع حرارت در بخش‌های مختلف سازه، آشنایی با روش‌های ارزیابی اثر حرارت بر اتصالات و شناخت اثرات حرارت ناشی از آتش‌سوزی بر سازه در آنالیز حرارتی سازه‌ها و افزایش پایداری و ایمنی آن‌ها اهمیت بسیاری دارد. در این بخش، جنبه‌های مختلف اثر حرارت بر سازه‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد.

1.2. عوامل مؤثر بر انتقال حرارت در سازه‌ها

انتقال حرارت در سازه‌ها تحت‌تأثیر عوامل مختلفی قرار دارد که هر یک نقش مهمی در تعیین چگونگی توزیع و جریان حرارت ایفا می‌کنند. این عوامل شامل موارد زیر هستند:

◾️مشخصات مصالح مصرفی: رسانایی حرارتی، ظرفیت حرارتی و چگالی موادی که در ساخت سازه‌ها استفاده می‌شوند، تعیین می‌کنند که چگونه حرارت در سازه منتقل و ذخیره می‌شود. مثلاً فلزات به دلیل رسانایی بالای حرارتی، گرما را سریع‌تر از مواد عایق مانند چوب منتقل می‌کنند.

◾️عایق‌بندی حرارتی: کیفیت و نوع عایق‌های حرارتی که در ساختمان‌ها به کار می‌روند، تأثیر زیادی بر کاهش انتقال حرارت دارند.

◾️ضخامت و ابعاد سازه: سازه‌های ضخیم‌تر زمان بیشتری برای گرم و سرد شدن نیاز دارند و می‌توانند به‌عنوان عایق‌های طبیعی عمل کنند. مثلاً دیوارهای ضخیم بتنی در ساختمان‌ها زمان بیشتری برای انتقال گرما به محیط نیاز دارند.

◾️شرایط محیطی: دمای خارجی، تابش خورشید، و سرعت و جهت باد می‌توانند بر انتقال حرارت در سازه‌ها تأثیر بگذارند. مثلاً در روزهای گرم تابستان، سازه‌هایی که در معرض نور خورشید قرار دارند، بیشتر گرم می‌شوند.

◾️تهویه و جریان هوا: سیستم‌های تهویه و تبادل هوا نیز نقش مهمی در توزیع حرارت در داخل سازه دارند. تهویه مناسب می‌تواند به توزیع یکنواخت حرارت و کاهش نقاط گرم و سرد کمک کند.

◾️شرایط آب‌وهوایی: رطوبت، باد و تابش خورشیدی بر انتقال حرارت تأثیر دارند. مثلاً باد باعث افزایش سرعت انتقال حرارت در سازه می‌شود و رطوبت نیز به دلیل جذب گرما می‌تواند باعث تغییرات حرارتی بیشتری شود.

بنابراین، انتقال حرارت در سازه‌ها تحت‌تأثیر عوامل مختلفی قرار دارد و هر کدام از این عوامل می‌توانند در چگونگی انتقال دما و حرارت در سازه تأثیرگذار باشند.

2.2. انواع بارهای حرارتی در سازه

بارهای حرارتی از عوامل مهم در طراحی و تحلیل سازه‌ها هستند که به دلیل تأثیر مستقیم بر تغییر شکل و تنش‌های داخلی، باید به‌دقت در نظر گرفته شوند. این بارها می‌توانند ناشی از موارد زیر باشند:

◾️تغییرات دمای محیطی: تغییرات روزانه و فصلی دما باعث انبساط و انقباض مداوم مصالح می‌شود.

◾️توزیع دمای غیریکنواخت: گرادیان دمایی در مقاطع یا تفاوت دمای داخل و خارج سازه می‌تواند منجر به تنش‌های حرارتی و تغییر شکل‌های ناخواسته شود.

◾️حرارت موضعی: در سازه‌های صنعتی، منابع حرارتی موضعی مانند کوره‌ها یا خطوط لوله و همچنین آتش‌سوزی، می‌توانند به تغییرات دمایی شدید و کاهش مقاومت مصالح منجر شوند.

◾️شوک حرارتی: تغییرات ناگهانی دما، مانند گرمایش سریع یا سرمایش ناگهانی، باعث شوک حرارتی شده و می‌تواند ترک یا آسیب‌های ناگهانی در سازه ایجاد کند.

◾️تابش خورشیدی: تابش مستقیم و غیرمستقیم خورشید باعث ایجاد دماهای غیریکنواخت در سطح سازه می‌شود و می‌تواند به تغییر شکل حرارتی منجر شود.

◾️رطوبت و دما: تغییرات هم‌زمان دما و رطوبت می‌تواند واکنش‌های انبساطی در مصالح ایجاد کرده و به تخریب سازه کمک کند.

بارهای حرارتی تأثیرات زیادی بر رفتار سازه‌ها دارند و باید به طور کامل در طراحی‌های مهندسی مدنظر قرار گیرند. همه این عوامل باید به‌دقت مدل‌سازی شده و در محاسبات وارد شوند تا سازه‌ای ایمن و پایدار طراحی گردد.

3.2. روش‌های اندازه‌گیری دما در سازه

برای اندازه‌گیری دما در سازه‌ها برای پایش سلامت آن‌ها، از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود که با تماس مستقیم و یا به‌صورت غیرتماسی دمای ساختمان را اندازه‌گیری می‌کنند. در ادامه به معرفی مهم‌ترین روش‌های اندازه‌گیری دمای سازه اشاره خواهد شد. هر کدام از این روش‌ها مزایا و کاربردهای خاص خود را دارند و می‌توانند به بهبود پایش و حفظ سلامت سازه‌ها کمک کنند.

1.3.2. ترموکوپل

ترموکوپل‌ها که به‌صورت تماسی دمای سازه را اندازه‌گیری می‌کنند، از دو فلز مختلف تشکیل شده‌اند که در نقطه اتصال خود اختلاف دما ایجاد می‌کنند. این اختلاف دما منجر به تولید ولتاژ می‌شود که می‌توان دما را از آن اندازه‌گیری کرد. ترموکوپل‌ها به دلیل سادگی و قابلیت استفاده در دماهای بالا، قیمت کم و سرعت بالای اندازه‌گیری دما، در سازه‌های مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرند. نمونه‌ای از ترموکوپل برای اندازه‌گیری دمای بتن در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 1: نمونه‌ای از ترموکوپل در بتن

2.3.2. حسگرهای مقاومتی (RTD)

حسگرهای مقاومتی که از فلزاتی مانند پلاتین ساخته می‌شوند از طریق تماس مستقیم می‌توانند دمای سازه را اندازه‌گیری کنند. این حسگرها بر اساس تغییر مقاومت الکتریکی با تغییر دما عمل می‌کنند. RTDها دقت بالایی در اندازه‌گیری دما دارند و برای کاربردهایی که نیاز به اندازه‌گیری دقیق دما دارند، مانند کنترل دما در سازه‌های حساس، مناسب هستند. نمونه‌ای از حسگرهای مقاومتی برای اندازه‌گیری دما در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: نمونه‌ای از حسگرهای مقاومتی برای اندازه‌گیری دما

3.3.2. پیرومتر

پیرومتر یا دماسنج نوری که در شکل 3 نشان داده شده است، برای اندازه‌گیری دما از فاصله دور و به‌صورت غیرتماسی استفاده می‌شود. پیرومترها از تابش مادون‌قرمز برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کنند و برای اندازه‌گیری دمای سطوح بیرونی سازه‌ها مفید هستند، مانند بررسی دمای سطحی ساختمان‌ها در طول روزهای گرم تابستان.

شکل 3: نمونه‌از پیرومتر یا دماسنج حرارتی

4.3.2. دوربین‌های حرارتی

دوربین‌های حرارتی برای اندازه‌گیری دما به‌صورت غیرتماسی و از راه دور مورداستفاده قرار می‌گیرند که امکان پایش دما در نقاط با دسترسی کم را فراهم کرده و توزیع دما را برای تحلیل نواحی با تنش‌های حرارتی فراهم می‌کنند.

دوربین‌های حرارتی با تشخیص تابش مادون‌قرمزی که از اجسام منتشر می‌شود، کار می‌کنند. این تابش توسط حسگرهای دوربین به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل شده و به تصویر حرارتی ترجمه می‌شود که توزیع دمایی سطح جسم را نمایش می‌دهد. نواحی با دماهای مختلف به رنگ‌های متفاوت در تصویر نمایان می‌شوند که امکان شناسایی نقاط گرم و سرد را فراهم می‌کند. نمونه‌ای از دوربین حرارتی در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل 4: اندازه‌گیری دمای ساختمان با دوربین حرارتی

5.3.2. فیبر نوری

این روش از تغییرات در ویژگی‌های نوری فیبر نوری برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کند و به‌صورت تماس مستقیم با سطح یا درون سازه قرار می‌گیرد. فیبرهای نوری به دلیل حساسیت بالا و قابلیت اندازه‌گیری دما در نقاط متعدد، برای مانیتورینگ دقیق دما در سازه‌های بزرگ و پیچیده استفاده می‌شوند. این روش برای پایش پیوسته دمای سازه‌ها مانند پل‌ها و تونل‌ها کاربرد دارد. نمونه‌ای از فیبر نوری برای اندازه‌گیری دما در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 5: فیبر نوری برای اندازه‌گیری دما

4.2. توزیع دما در سازه

برای پی‌بردن به توزیع حرارتی در سازه‌ها، می‌توان از ترکیبی از روش‌های اندازه‌گیری‌ دمای سازه و تحلیل‌های مدل‌سازی حرارتی استفاده کرد. به این منظور لازم است ابتدا داده‌های دما از نقاط مختلف سازه توسط روش‌های مختلف اندازه‌گیری دما که در بخش قبل معرفی شدند، جمع‌آوری شوند. سپس با استفاده از مدل‌سازی‌های حرارتی کامپیوتری مثل روش المان محدود (FEM)، توزیع حرارت در سازه شبیه‌سازی و تحلیل می‌شود. این مدل‌ها قادرند تا تأثیر شرایط محیطی (مانند تابش خورشید، باد و دما) و مشخصات مصالح (مانند رسانایی و ظرفیت حرارتی) را بر انتقال و توزیع دما در سازه درک کنند و چگونگی توزیع دما در بخش‌های مختلف سازه را پیش‌بینی کنند.

5.2. ارزیابی تأثیر حرارت بر روی اعضای سازه‌ای و اتصالات

برای ارزیابی تأثیر حرارت بر روی اعضای مختلف سازه‌، روش‌های مختلفی وجود دارد که می‌توانند به مهندسان کمک کنند تا نحوه واکنش اعضا در برابر تغییرات دما را درک کنند و از عملکرد صحیح سازه در شرایط حرارتی مختلف اطمینان حاصل کنند. ارزیابی اثرات حرارت بر روی اتصالات سازه اهمیت ویژه‌ای دارد؛ زیرا اتصالات به‌عنوان نقاط کلیدی انتقال نیرو در یک سازه عمل می‌کنند و استحکام و پایداری کل سازه به مقاومت و عملکرد آنها وابسته است. در این بخش به چند رویکرد اصلی برای ارزیابی تأثیر حرارت بر روی اعضای سازه‌ای و اتصالات اشاره خواهد شد:

◾️مدل‌سازی حرارتی و ساختاری: با استفاده از روش‌های عددی مانند تحلیل المان محدود (FEM)، می‌توان اثرات حرارت بر روی اعضا و اتصالات سازه را شبیه‌سازی کرد. این مدل‌ها می‌توانند تغییرات دما در سازه و توزیع آن در اعضای مختلف را شبیه‌سازی کنند. با اعمال دماهای مختلف، تحلیل‌هایی از تأثیرات حرارتی بر روی تنش‌ها، انحراف‌ها و تغییرات ابعادی در سازه انجام می‌شود. این مدل‌ها می‌توانند پیش‌بینی کنند که چگونه حرارت ممکن است موجب انبساط یا انقباض در اجزای سازه‌ای شده و به تغییرات در نیروی انتقالی و عملکرد اتصالات منجر شود.

◾️تحلیل تغییرات مکانیکی تحت اثر حرارت: در اثر تغییر دما، اعضا و اتصالات سازه ممکن است دچار تنش‌های حرارتی شوند که به دلیل انبساط یا انقباض مصالح به وجود می‌آید. با توجه‌ به ویژگی‌های مصالح مختلف، این تغییرات می‌تواند باعث کاهش مقاومت کششی، فشاری یا برشی اعضا و اتصالات شود.

◾️اندازه‌گیری دما: با استفاده از ابزارهایی که برای اندازه‌گیری دما معرفی شدند، مانند ترموکوپل‌ها و دوربین‌های حرارتی، می‌توان تغییرات دما در اعضا و اتصالات مختلف سازه را اندازه‌گیری کرده و مناطق با تنش حرارتی بالا را شناسایی کرد. این اندازه‌گیری‌ها می‌توانند کمک کنند تا درک بهتری از نحوه تغییرات دمایی در قسمت‌های مختلف سازه، مخصوصاً اتصالات آن به دست آید و نقاط ضعف احتمالی شناسایی شوند.

با استفاده از این روش‌ها و داده‌ها، می‌توان تأثیرات حرارت را بر روی اعضای سازه‌ای و مخصوصاً اتصالات را ارزیابی کرده و در نتیجه، اقدامات لازم را برای افزایش ایمنی و عملکرد سازه در برابر تغییرات دمایی اعمال کرد.

6.2. مقاومت حرارتی مصالح

در مورد مقاومت حرارتی مصالح ساختمانی، شناخت رفتار مصالح مختلف مانند بتن، فولاد، مصالح انواع دیوارها و نماها در برابر تغییرات دما از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. هر یک از این مصالح با توجه به ویژگی‌های فیزیکی و ترکیبات شیمیایی خود، واکنش متفاوتی نسبت به دما از خود نشان می‌دهند.

1.6.2. مقایسه مقاومت حرارتی بتن و فولاد

بتن و فولاد هر دو از مواد ساختمانی مهم و پرکاربرد هستند، اما از نظر مقاومت حرارتی تفاوت‌های قابل‌توجهی دارند. بتن به دلیل ویژگی‌های حرارتی خود، معمولاً در برابر تغییرات دمایی مقاوم‌تر است. ضریب انبساط حرارتی بتن کمتر از فولاد است که به معنای تغییرات کمتر در حجم و ابعاد آن در مواجهه با تغییرات دما است. این ویژگی باعث می‌شود که بتن در شرایط دمایی مختلف پایداری بیشتری داشته باشد و کمتر دچار ترک‌خوردگی و آسیب‌های حرارتی شود.

فولاد با وجود داشتن ضریب انبساط حرارتی بالاتر، به دلیل مقاومت مکانیکی بالا و قابلیت تحمل بارهای سنگین، همچنان در بسیاری از سازه‌ها به‌عنوان ماده اصلی استفاده می‌شود. بااین‌حال، در شرایط دمایی شدید، فولاد ممکن است دچار انبساط و انقباض‌های بیشتری شود که می‌تواند به تنش‌های داخلی و ترک‌خوردگی در سازه‌های بتنی منجر شود.

2.6.2. دیوارهای مقاوم در برابر حرارت

در بین دیوارهای ساختمانی، دیوارهای بتنی یا آجرنسوز برای مقاومت حرارتی بالاتر مناسب‌ترند. این دیوارها با جرم حرارتی بالا و هدایت حرارتی پایین، می‌توانند حرارت را در خود ذخیره کرده و از ایجاد تنش‌های حرارتی و انتقال حرارت به فضای داخلی جلوگیری کنند؛ بنابراین، در برابر تغییرات دمایی شدید عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند.

در مقابل، دیوارهای سبک‌تری مانند دیوارهای گچی یا چوبی به دلیل جرم حرارتی پایین و انتقال حرارتی سریع‌تر، در برابر آتش و تغییرات دما آسیب‌پذیرتر هستند و ممکن است به‌سرعت تخریب شوند. همچنین، استفاده از عایق‌های حرارتی در دیوارها می‌تواند به بهبود عملکرد حرارتی سازه کمک کند.

3.6.2. نماهای ساختمانی مقاوم در برابر حرارت

در انتخاب مصالح مناسب برای نمای ساختمان، عواملی همچون پایداری در برابر حرارت و جلوگیری از انتقال حرارت به فضای داخلی اهمیت دارند. مصالحی مانند آجر، سنگ، سرامیک و بتن در نماهای ساختمانی به دلیل مقاومت بالا در برابر دماهای زیاد و تغییرات حرارتی گزینه‌های مناسبی محسوب می‌شوند. این مواد علاوه بر پایداری حرارتی، کمتر دچار انبساط و انقباض می‌شوند که این ویژگی به دوام بیشتر نمای ساختمان کمک می‌کند.

همچنین استفاده از مواد کامپوزیتی و پانل‌های عایق حرارتی در نماهای ساختمانی می‌تواند به بهبود مقاومت حرارتی کمک کند. نماهای شیشه‌ای با پوشش‌های حرارتی نیز می‌توانند به کاهش انتقال حرارت و بهبود کارایی انرژی کمک کنند. نمونه‌ای از پانل شیشه‌ای عایق حرارتی در نمای ساختمان در شکل 6 نشان داده شده است.

در مقابل، نماهای شیشه‌ای بدون پوشش حرارتی و نماهای فلزی بدون عایق به دلیل هدایت حرارتی بالا، حرارت را به‌سرعت به فضای داخلی منتقل می‌کنند. نمای فلزی در اثر دماهای بالا منبسط شده و ممکن است تغییر شکل دهد که این امر می‌تواند بر پایداری و ایمنی سازه تأثیر منفی بگذارد. به‌علاوه، نماهای پلاستیکی به دلیل ضریب انبساط حرارتی بالا و مقاومت کم در برابر حرارت، ممکن است در برابر تغییرات دمایی ناشی از تابش خورشید دچار تغییر شکل و کاهش دوام شوند.

شکل 6: نمونه‌ای از پانل شیشه‌ای عایق حرارتی نما

7.2. حرارت ناشی از آتش‌سوزی

حرارت ناشی از آتش‌سوزی تأثیرات عمده‌ای بر روی سازه‌ها و مصالح دارد و بررسی این تأثیرات از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. آتش‌سوزی با افزایش ناگهانی دما و تغییرات سریع حرارتی می‌تواند به تغییر شکل، کاهش مقاومت و آسیب به اتصالات سازه‌ای منجر شود. در این بخش به بررسی ارتباط آتش‌سوزی با آنالیز حرارتی و روش‌های مدل‌سازی آتش‌سوزی در سازه پرداخته می‌شود.

1.7.2. ارتباط آنالیز حرارتی و آتش‌سوزی

آتش‌سوزی و آنالیز حرارتی به‌صورت مستقیم مرتبط هستند، زیرا هر دو به مطالعه رفتار حرارتی مواد و سازه‌ها در شرایط دمایی خاص می‌پردازند. اما تفاوت اصلی بین آن‌ها در منبع و شدت حرارت است. در آنالیز حرارتی، معمولاً تأثیرات دمایی در شرایط پایدار یا در معرض تغییرات تدریجی دما بررسی می‌شود، درحالی‌که در آتش‌سوزی، دما به طور ناگهانی و در مدت‌زمان کوتاهی افزایش می‌یابد که می‌تواند به‌شدت بر روی مصالح سازه‌ای تأثیر بگذارد؛ بنابراین، آنالیز حرارتی در زمینه آتش‌سوزی نیازمند درنظرگرفتن شرایط خاصی مانند تغییرات سریع دما، اثرات دود و گازهای سمی، و تأثیرات مختلف آتش بر روی اتصالات و مصالح سازه‌ای است.

2.7.2. روش‌های مدل‌سازی اثرات حرارت ناشی از آتش‌سوزی

برای مدل‌سازی اثرات حرارتی ناشی از آتش‌سوزی، روش‌های مختلفی به کار گرفته می‌شوند که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

◾️مدل‌سازی حرارتی با استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی آتش: نرم‌افزارهایی مانند FDS برای شبیه‌سازی حرارتی و رفتار سازه‌ها تحت‌تأثیر آتش‌سوزی مورداستفاده قرار می‌گیرند. این نرم‌افزارها می‌توانند تغییرات دما، انتقال حرارت، و واکنش مواد در برابر حرارت بالا را مدل‌سازی کنند. شکل 7 نمونه‌ای از شبیه‌سازی آتش‌سوزی در نرم‌افزار FDS را نشان می‌دهد.

◾️تحلیل‌های عددی: روش المان محدود (FEM) برای تحلیل تأثیرات حرارتی ناشی از آتش‌سوزی بر روی سازه‌ها کاربرد دارد. این روش شامل شبیه‌سازی توزیع حرارت، تنش‌های حرارتی، و تغییرات مکانیکی مواد تحت‌تأثیر دمای بالاست. برای مثال، می‌توان تغییرات تنش و کرنش در تیرها و ستون‌های فلزی را در اثر آتش‌سوزی بررسی کرد.

◾️مطالعات آزمایشگاهی: انجام آزمایش‌های حرارتی بر روی نمونه‌های سازه‌ای در شرایط آزمایشگاهی کنترل‌شده می‌تواند به درک بهتر تأثیرات آتش‌سوزی کمک کند. این آزمون‌ها شامل حرارت‌دهی نمونه‌ها تا دماهای بسیار بالا در کوره‌های بزرگ و مشاهده رفتار آن‌ها پس از حرارت است.

شکل 7: شبیه‌سازی آتش‌سوزی در نرم‌افزار FDS

برای مثال، در مدل‌سازی یک ساختمان در معرض آتش‌سوزی، می‌توان از نرم‌افزار FDS برای شبیه‌سازی گسترش آتش و انتقال حرارت استفاده کرد و سپس نتایج آن را به نرم‌افزارهای اجزای محدود انتقال داد تا تأثیرات حرارتی بر روی سازه‌ها و اتصالات آن بررسی شود. این مدل‌سازی‌ها می‌توانند به طراحی‌های بهتر برای مقاومت در برابر آتش‌سوزی کمک کند.

3.7.2. طراحی در برابر آتش‌سوزی

مقررات ملی ساختمان دستورالعمل‌هایی را برای طراحی و حفاظت سازه‌های بتنی و فولادی در برابر آتش‌سوزی ارائه می‌کند. برای سازه‌های بتنی، مبحث نهم مقررات ملی در پیوست 9-پ2 نکاتی را در خصوص ضوابط طراحی، مدت زمان مقاومت در برابر آتش برای اعضای مختلف ساختمان و راهکارهایی برای افزایش این زمان مقاومت را ارائه می‌کند. همچنین مبحث دهم مقررات ملی، در پیوست 6، توصیه‌هایی برای حفاظت اعضای سازه‌ای در برابر آتش و روش‌های تحلیل و طراحی سازه در برابر آتش‌سوزی در سازه‌های فولادی ارائه می‌کند.

3. نقش آنالیز حرارتی در سازه‌ها

آنالیز حرارتی به‌عنوان ابزاری مهم در طراحی و نگهداری سازه‌ها، نقش اساسی در ارزیابی و بهبود عملکرد سازه‌ها تحت‌تأثیر تغییرات دما و شرایط محیطی دارد. این تحلیل با پیش‌بینی رفتار حرارتی مصالح و اعضای سازه ای، به مهندسان کمک می‌کند تا اثرات حرارتی را پیش‌بینی کرده و از مشکلات احتمالی جلوگیری کنند. در ادامه، به مهم‌ترین نقش‌های آنالیز حرارتی در سازه‌ها و تأثیرات آن بر جنبه‌های مختلف طراحی و عملکرد سازه‌ها پرداخته خواهد شد.

نقش آنالیز حرارتی در سازه‌ها

1.3. پیشگیری از آسیب‌های سازه‌ای

گرما می‌تواند تأثیرات مخربی بر مصالح ساختمانی داشته باشد. هنگامی‌که دما افزایش می‌یابد، مصالح ساختمانی از قبیل بتن، فولاد و سایر مصالح ساختمانی منبسط می‌شوند. در مناطقی که تغییرات دمایی شدید است، این انبساط و سپس انقباض ناشی از سرد شدن، می‌تواند باعث ایجاد تنش‌های حرارتی در سازه شود. تنش‌های حرارتی به مرور زمان به شکل ترک‌خوردگی و آسیب‌های دیگر ظاهر می‌شوند.

این تنش‌های ناشی از انقباض و انبساط‌های مکرر، بخصوص در مناطق با تغییرات دمایی زیاد، به مرور زمان سازه را ضعیف کرده و به آسیب‌های ساختاری جدی می‌انجامد. در واقع، گرما و تنش‌های حرارتی یکی از عوامل مهم در افزایش سرعت تخریب مصالح ساختمانی هستند، و اگر راهکارهای مناسبی برای جلوگیری و کنترل آن در نظر گرفته نشود، سازه ممکن است در معرض آسیب‌های جبران‌ناپذیر قرار گیرد.

بنابراین، آنالیز حرارتی کمک می‌کند تا این تغییرات دمایی و تأثیرات آن‌ها را بر روی سازه‌ها پیش‌بینی و مدیریت شوند. با استفاده از این تحلیل‌ها، می‌توان نقاط ضعف در طراحی سازه و مصالح را شناسایی کرد و اقدامات لازم برای بهبود مقاومت سازه در برابر تغییرات دمایی را انجام داد. این اقدامات می‌توانند شامل انتخاب مواد با ضریب انبساط حرارتی مناسب، استفاده از عایق‌های حرارتی و طراحی سازه‌هایی با قابلیت تحمل تغییرات دمایی باشند. در نتیجه، هدف اصلی از آنالیز حرارتی سازه‌ها، شناسایی و کاهش اثرات ناشی از تغییرات دمایی بر پایداری و عمر مفید سازه است.

2.3. طراحی پایدارتر

آنالیز حرارتی نقش مهمی در پیش‌بینی اثرات تغییرات دمایی بر اجزای مختلف سازه مانند تأثیرات تغییرات دما بر اتصالات، تنش‌های حرارتی در مصالح، و تغییر شکل‌های احتمالی دارد. این اطلاعات به بهبود انتخاب مصالح و طراحی اتصالات کمک می‌کند تا سازه‌ها در برابر انبساط و انقباض دمایی مقاوم‌تر باشند. برای مثال، استفاده از موادی با ضریب انبساط حرارتی کم‌تر در نقاط حساس، می‌تواند دوام و ایمنی سازه را افزایش دهد.

امروزه شبیه‌سازی‌های حرارتی پیشرفته و ابزارهای تحلیل کامپیوتری، امکان آنالیز حرارتی دقیق‌تر را برای سازه‌ها فراهم کرده‌اند. این ابزارها با مدل‌سازی پیچیده‌تر و پیش‌بینی دقیق‌تر رفتار حرارتی سازه‌ها، به کاهش میزان خرابی‌های ناشی از تغییرات دما کمک می‌کند. از مهم‌ترین نرم‌افزارهای شبیه‌سازی حرارتی می‌توان به نرم‌افزارهای ANSYS و COMSOL اشاره کرد.

یکی از کاربردهای مهم شبیه‌سازی حرارتی، پیش‌بینی دوام و عمر مفید سازه‌هاست. با استفاده از شبیه‌سازی‌های حرارتی از مراحل زیر می‌توان عمر مفید سازه‌ها را پیش‌بینی کرد:

◾️مدل‌سازی چرخه‌های دمایی و تنش‌های حرارتی: تغییرات دمایی و به‌ویژه چرخه‌های متناوب گرما و سرما که منجر به انبساط و انقباض مصالح می‌شود، شبیه‌سازی می‌گردد. این تنش‌ها در طول زمان باعث ایجاد ترک‌ها و تنش‌های داخلی در مصالح شده و به‌تدریج به فرسایش سازه منجر می‌شود.

◾️شبیه‌سازی انتقال حرارت در اجزای سازه: با استفاده از شبیه‌سازی‌ها، میزان و سرعت گرم و سرد شدن اجزا پیش‌بینی شده و نقاط حساس به آسیب‌های حرارتی شناسایی می‌شود. به‌این‌ترتیب، امکان اصلاحات طراحی یا استفاده از مواد مقاوم‌تر فراهم می‌گردد.

◾️پیش‌بینی اثرات خستگی حرارتی: اثرات خستگی حرارتی که ناشی از انبساط و انقباض‌های مکرر مواد است، شبیه‌سازی شده و تأثیر آن بر دوام سازه‌ها ارزیابی می‌شود. این شبیه‌سازی‌ها امکان پیش‌بینی مکان‌ها و زمان‌های احتمالی خرابی را فراهم می‌آورد.

در نتیجه، شبیه‌سازی‌های حرارتی به‌عنوان ابزاری مؤثر در پیش‌بینی طول عمر و بهبود پایداری طراحی سازه‌ها، امکان شناسایی و کاهش آسیب‌های ناشی از تغییرات دمایی را فراهم می‌کنند.

3.3. بهینه‌سازی مصرف انرژی

آنالیز حرارتی در سازه‌ها ابزاری کلیدی برای شناسایی و اصلاح نقاط ضعف در عایق‌بندی و سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی است. این تحلیل به مهندسان و طراحان کمک می‌کند تا مصرف انرژی را کاهش داده و هزینه‌های مربوطه را بهینه‌سازی کنند.

برای بهینه‌سازی حرارتی در طراحی سازه می‌توان از روش‌های زیر استفاده کرد:

استفاده از عایق‌های حرارتی مناسب: انتخاب عایق‌های حرارتی با رسانایی حرارتی کم و مقاومت حرارتی بالا می‌تواند به کاهش اتلاف حرارت و بهینه‌سازی مصرف انرژی کمک کند. بند 19-1-2 از مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان در تعریف عایق‌های حرارتی اشاره می‌کند که عایق‌کاری حرارتی باید دو شرط مهم را رعایت کند: مقاومت حرارتی کل پوسته خارجی بیشتر از حد مشخص‌شده باشد و ضریب هدایت حرارتی عایق مصرفی از حد مجاز بیشتر نباشد.

عایق‌بندی حرارتی تأثیر مستقیمی بر عملکرد کلی سازه دارد. عایق‌های حرارتی مناسب می‌توانند از هدررفت انرژی جلوگیری کرده و دمای داخلی را در محدوده مطلوب نگه دارند. این امر نه‌تنها مصرف انرژی سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی را کاهش می‌دهد؛ بلکه آسایش حرارتی ساکنان را نیز بهبود می‌بخشد. به‌علاوه، عایق‌بندی مناسب می‌تواند به کاهش نیاز به ظرفیت سیستم‌های تهویه‌مطبوع و گرمایشی کمک کند که منجر به کاهش هزینه‌های نصب و نگهداری این سیستم‌ها می‌شود.

عایق کاری حرارتی چیست؟

◾️طراحی بهینه سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی: استفاده از سیستم‌های با بازدهی بالا و تنظیمات دقیق‌تر برای کنترل دمای داخلی می‌تواند مصرف انرژی را کاهش دهد. سیستم‌های تهویه‌مطبوع هوشمند که با توجه به تغییرات دمای خارجی و داخلی تنظیم می‌شوند، نمونه‌هایی از این بهینه‌سازی‌ها هستند.

◾️پایش مداوم دما و انرژی: نصب حسگرهای دما و استفاده از دوربین‌های حرارتی برای مانیتورینگ مداوم دمای نقاط مختلف سازه، امکان شناسایی سریع نقاط ضعف و بهبود آن‌ها را فراهم می‌کند.

◾️مدل‌سازی و شبیه‌سازی حرارتی: استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی حرارتی برای پیش‌بینی و ارزیابی تأثیر طراحی‌های مختلف بر انتقال حرارت در سازه و انجام تغییرات لازم به بهینه‌سازی مصرف انرژی کمک می‌کند.

در نتیجه، آنالیز حرارتی و بهینه‌سازی عایق‌بندی و سیستم‌های حرارتی و برودتی در سازه‌ها می‌تواند به طور قابل‌توجهی مصرف انرژی را کاهش داده و عملکرد کلی سازه را بهبود بخشد.

4.3. افزایش راحتی ساکنان

با استفاده از آنالیز حرارتی سازه، امکان شناسایی توزیع دما و جریان هوا در ساختمان فراهم می‌شود که در نتیجه آن، نقاط گرم و سرد ساختمان مشخص می‌گردد. از طریق این اطلاعات، می‌توان اقداماتی مانند بهبود عایق‌کاری و تنظیم سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی را به‌گونه‌ای انجام داد که توزیع دما یکنواخت‌تر و جریان هوا بهینه‌تر شود؛ بنابراین، آسایش حرارتی برای ساکنان افزایش می‌یابد.

5.3. پیش‌بینی عملکرد سازه در شرایط آب‌وهوایی مختلف

آنالیز حرارتی نقش قابل‌توجهی در پیش‌بینی عملکرد سازه‌ها در شرایط مختلف آب‌وهوایی و برنامه‌ریزی برای مقابله با چالش‌های اقلیمی دارد. این تحلیل با بررسی چگونگی تأثیر دما، رطوبت و سایر عوامل محیطی بر مصالح و اجزای سازه، به‌ویژه در تغییرات ناگهانی یا طولانی‌مدت آب‌وهوایی، دیدگاه دقیقی از عملکرد سازه را برای مهندسان فراهم می‌کند.

با استفاده از آنالیز حرارتی گرمایی، می‌توان رفتار سازه را در دماهای بالا و پایین مدل‌سازی کرد. برای مثال، در مناطقی با تغییرات دمایی زیاد، انبساط و انقباض متوالی در مصالح رخ می‌دهد که می‌تواند به تنش‌های داخلی و در نهایت به خرابی منجر شود.

تغییرات اقلیمی مانند افزایش دمای جهانی، شدت یافتن پدیده‌های آب‌وهوایی مثل طوفان‌ها، و افزایش مدت‌زمان خشکسالی‌ها، فشار مضاعفی بر پایداری سازه‌ها وارد می‌کند. آنالیز حرارتی با درنظرگرفتن این تغییرات، به طراحی سازه‌هایی مقاوم‌تر کمک می‌کند که بتوانند شرایط سخت اقلیمی را تحمل کنند. در نتیجه، پیش‌بینی دقیق رفتار سازه در مواجهه با این تغییرات اقلیمی، برای اطمینان از دوام و پایداری ساختمان‌ها اهمیت زیادی دارد.

در مجموع، آنالیز حرارتی ابزار قدرتمندی است که با درک دقیق‌تر از تأثیرات اقلیمی، امکان طراحی و اجرای سازه‌های مقاوم‌تر را فراهم می‌آورد و از اثرات مخرب شرایط آب‌وهوایی بر سازه‌ها می‌کاهد.

4. آنالیز حرارتی سازه‌ها در آیین‌نامه‌ها

در این بخش برای بررسی نکات مهم برای آنالیز حرارتی سازه‌ها، به معرفی ضریب انبساط حرارتی مواد و درز انبساط در سازه‌ها و الزامات توصیه‌شده توسط آیین‌نامه‌ها در مورد آن‌ها پرداخته خواهد شد.

1.4. ضریب انبساط حرارتی مواد

در این بخش به مفهوم ضریب انبساط حرارتی، مقدار این ضریب برای فولاد و بتن مطابق آیین‌نامه‌ها و نقش آن در آنالیز حرارتی سازه‌ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

1.1.4. ضریب انبساط حرارتی چیست؟

ضریب انبساط حرارتی یک ویژگی فیزیکی است که نشان‌دهنده میزان تغییر طول، حجم، یا مساحت یک ماده در اثر تغییر دما است. این ضریب مشخص می‌کند که ماده در اثر هر درجه تغییر دما (مثلاً گرم شدن یا سرد شدن) چه مقدار از ابعاد اولیه خود فاصله می‌گیرد.

به بیان ساده‌تر، در سازه‌ها وقتی دمای یک ماده افزایش پیدا می‌کند، اغلب مواد سازه‌ای تمایل به منبسط شدن (افزایش طول یا حجم) دارند و وقتی دما کاهش پیدا می‌کند، تمایل به منقبض شدن (کاهش طول یا حجم) دارند. ضریب انبساط حرارتی کمک می‌کند که مقدار این تغییرات به‌ازای هر درجه دما پیش‌بینی شود و با واحدهای C^-1 و K^-1 بیان می‌شود.

اگر یک ماده با ضریب انبساط حرارتی α و طول اولیه L₀، تحت تغییرات دمایی به اندازه ΔT قرار بگیرد، تغییر طول ماده از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

ΔL=αL₀ ΔL

برای مثال، اگر یک میله فولادی با طول اولیه 1 متر، تحت °10 افزایش دما قرار بگیرد، میزان افزایش طول میله را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:

ضریب انبساط حرارتی فولاد st37: 12× 10^-6 C^-1

α=12×10^-6 C^-1
L₀=1 m
ΔT=10° C

میزان افزایش طول میله:

ΔL=αL₀ ΔL=12×10^-6×1×10=12×10^-5 m=0.12 mm

2.1.4. ضریب انبساط حرارتی بتن و فولاد

بر اساس بند 9-3-8-1 آیین‌نامه‌ مبحث نهم مقررات ملی و بند 10-2-10-6 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، مقادیر ضریب انبساط حرارتی فولاد و بتن به شرح زیر است:

ضریب انبساط حرارتی بتن: در بتن‌های معمولی برابر با :

10×10^-6

در هر درجه سلسیوس است.

ضریب انبساط حرارتی فولاد برابر با:

12×10^-6

در هر درجه سلسیوس است.

فرمول ضریب انبساط حرارتی

3.1.4. نقش ضریب انبساط حرارتی در آنالیز حرارتی

ضریب انبساط حرارتی در آنالیز حرارتی سازه نقش بسیار مهمی دارد. تغییرات دما می‌تواند باعث انبساط یا انقباض مصالح ساختمانی شود. این تغییرات می‌توانند تنش‌های حرارتی در سازه ایجاد کنند که باید در طراحی و محاسبات سازه‌ای مدنظر قرار گیرند. برای مثال، در سازه‌های بتنی که از فولاد به عنوان آرماتور استفاده می‌شود، تفاوت در ضریب انبساط حرارتی فولاد و بتن می‌تواند منجر به بروز آثار زیر شود:

◾️تنش‌های داخلی: تفاوت در انبساط و انقباض فولاد و بتن می‌تواند باعث ایجاد تنش‌های داخلی در سازه شود. این تنش‌ها ممکن است به مرور زمان منجر به ترک‌خوردگی و کاهش دوام سازه شوند.

◾️ترک‌خوردگی: در شرایطی که تغییرات دما زیاد است، انبساط و انقباض متفاوت فولاد و بتن می‌تواند باعث ترک‌خوردگی در بتن شود. این ترک‌ها می‌توانند به کاهش مقاومت سازه و افزایش نفوذپذیری آب و مواد خورنده منجر شوند.

◾️کاهش دوام: تنش‌های حرارتی و ترک‌خوردگی‌های ناشی از تفاوت ضریب انبساط حرارتی می‌توانند به کاهش دوام و عمر مفید سازه منجر شوند. این مسئله به‌ویژه در سازه‌هایی که در معرض تغییرات دمایی شدید قرار دارند، اهمیت بیشتری دارد.

بنابراین، در طراحی سازه‌های بتنی، به‌ویژه در شرایطی که تغییرات دما زیاد است، باید به تفاوت ضریب انبساط فولاد و بتن توجه ویژه‌ای داشت و اقدامات لازم برای کاهش تنش‌های حرارتی و افزایش دوام سازه انجام شود.

2.4. درز انبساط در سازه

در این بخش به معرفی انواع درز در سازه، تعریف درز انبساط و نکات آیین‌نامه‌ای آن پرداخته خواهد شد.

1.2.4. انواع درز در سازه‌ها

در سازه‌ها، انواع مختلفی از درزها استفاده می‌شود که به اهداف گوناگونی به کار می‌روند. مطابق بند 10-2 جلد دوم آیین‌نامه بتن ایران، این درزها شامل موارد زیر هستند:

◾️درز اجرایی یا درز ساخت: این درزها زمانی ایجاد می‌شوند که اجرای بتن‌ریزی به دلایل فنی یا زمان‌بندی متوقف شده باشد. در این حالت، درز بین قسمت‌های قدیمی و جدید بتن‌ریزی ایجاد شده و باید از نظر چسبندگی و مقاومت تقویت شود.

◾️درز انقباض: این درزها برای کنترل ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی (انقباض) بتن به کار می‌روند. درز انقباض معمولاً به شکل خطوط برش یا شیار در بتن ایجاد می‌شود و به بتن اجازه می‌دهد تا به طور کنترل شده ترک بخورد.

◾️درز انبساط: این درزها برای مقابله با تغییرات حرارتی و انبساط و انقباض‌های ناشی از تغییرات دما طراحی می‌شوند. درز انبساط معمولاً با مواد قابل‌ارتجاع پر می‌شود تا از انتقال تنش‌های حرارتی به سایر قسمت‌های سازه جلوگیری کند. در ادامه به درز انبساط بیشتر پرداخته خواهد شد.

◾️درز انقطاع: درز انقطاع به‌منظور جدا کردن قسمت‌های مختلف سازه برای جلوگیری از انتقال نیروهای جانبی، مانند زلزله، استفاده می‌شود. درز انقطاع باعث می‌شود که از انتقال تنش‌های حرکتی سازه در هنگام حرکات جانبی جلوگیری شود.

درز انبساط و درز انقطاع هر دو برای جذب حرکت‌های حرارتی و مکانیکی در سازه‌ها استفاده می‌شوند، اما تفاوت اصلی آن‌ها در عملکردشان است. درز انبساط به‌منظور جذب انبساط و انقباض حرارتی سازه طراحی می‌شود و معمولاً اجازه می‌دهد تا بخش‌های مختلف سازه به طور مستقل حرکت کنند. درحالی‌که درز انقطاع برای جدا کردن سازه‌های مجاور و جلوگیری از انتقال تنش‌های اضافی بین آن‌ها به کار می‌رود و معمولاً حرکت نسبی بین سازه‌ها را محدود می‌کند.

انواع درز در سازه‌ها

2.2.4. درز انبساط چیست؟

درز انبساط (Expansion Joint) یا درز جداکننده (Isolation Joint) به درزی گفته می‌شود که در سازه‌ها برای جلوگیری از اثرات تنش‌های ناشی از تغییرات دمایی و انبساط و انقباض مواد در سازه اجرا می‌شود. هدف اصلی درز انبساط این است که به سازه اجازه دهد تا بدون آسیب یا تغییرات غیرمجاز در یکپارچگی خود، در اثر تغییرات دمایی و تغییر حجم ناشی از آن، انبساط یا انقباض پیدا کند.

درزهای انبساط معمولاً در قسمت‌های خاصی از سازه‌ها، به‌ویژه در بخش‌هایی که ممکن است در معرض تغییرات دمایی یا حرکت‌های مکانیکی قرار گیرند، ایجاد می‌شوند. این درزها معمولاً در فواصل معین در طول سازه‌ها قرار می‌گیرند تا از ایجاد تنش‌های حرارتی و ترک‌خوردگی جلوگیری کنند. درزهای انبساط در انواع مختلف سازه‌ها از جمله پل‌ها، ساختمان‌ها، جاده‌ها و روسازی‌ها استفاده می‌شوند. شکل 8 نمونه‌ای از اجرای درز انبساط در ساختمان را نشان می‌دهد.

شکل 8: نمونه‌ای از اجرای درز انبساط

برای طراحی درز انبساط در سازه‌ها باید ویژگی‌های زیر را تعیین کرد:

◾️فاصله درزها: فاصله بین درزهای انبساط بسته به نوع سازه، تغییرات دمایی پیش‌بینی‌شده، و حرکت‌های فیزیکی سازه متفاوت است. به‌طورکلی، فاصله بین درزها در ساختمان‌ها معمولاً ۳۰ تا ۶۰ متر است، ولی این فاصله می‌تواند بسته به شرایط خاص تغییر کند.

◾️عرض درزها: عرض درزهای انبساط باید به‌اندازه‌ای باشد که حرکات سازه در اثر تغییرات دما یا جابه‌جایی‌های فیزیکی را به‌خوبی جذب کند. عرض درز انقطاع را با توجه ‌به طول اولیه، ضریب انبساط حرارتی ماده مصرفی و اختلاف دمای موردنظر بر اساس فرمولی که در بخش ضریب انبساط حرارتی ذکر شد تعیین کرد. به‌علاوه، عرض درز انبساط باید حداقل و حداکثرهای آیین‌نامه را نیز تأمین کند.

◾️مواد پرکننده درزها: درزهای انبساط می‌توانند خالی یا پر باشند. در سازه‌های با نیازهای خاص مانند مقاوم در برابر آتش، درزهای انبساط معمولاً با مواد خاصی مانند فوم‌ها یا ترکیبات الاستیک پر می‌شوند تا حرکت را امکان‌پذیر کنند و درعین‌حال نقش عایق داشته و از نفوذ آب، گردوغبار یا مواد دیگر جلوگیری کنند.

◾️محل قرارگیری: درزهای انبساط باید در طول سازه‌های طولانی مانند جاده‌ها، پل‌ها، یا ساختمان‌های بزرگ در سطح مناسب و بالاتر از سطح فونداسیون قرار گیرند تا بتوانند حرکت‌های حرارتی و مکانیکی را به‌راحتی جبران کنند.

◾️پوشش درزها: درزهای انبساط معمولاً باید با پوشش‌های مناسب (مانند کاورهای فلزی یا لاستیکی) محافظت شوند تا از آسیب‌های محیطی و فشارهای خارجی جلوگیری کنند. شکل 9 نمونه‌ای از پوشش درز انبساط را نشان می‌دهد.

تعیین دقیق این ویژگی ها متناسب نیاز سازه و بر اساس آیین‌نامه‌ها برای جلوگیری از آسیب‌های ساختاری، جلوگیری از ترک‌خوردگی و اطمینان از عملکرد صحیح سازه در برابر تغییرات دمایی ضروری است.

شکل 9: نمونه‌ای از پوشش درز انبساط

3.2.4. درز انبساط در آیین‌نامه‌ها

در ویرایش جدید مبحث نهم مقررات ملی و همچنین در چند ویرایش اخیر دهم مقررات ملی ساختمان، موضوع درز انبساط مطرح نشده است؛ بنابراین برای درک بیشتر لزوم و شرایط اجرای درز انبساط، لازم است نکات موجود در ویرایش قبلی مبحث نهم (1392)، آیین‌نامه بتن ایران، و همچنین آیین‌نامه‌های خارجی مورد بررسی قرار گیرند.

درز انبساط در مبحث 9 ویرایش 1392 در بند 9-12-2-2 مطرح شده است. در این بخش الزامات طراحی درزهای انبساط برای سازه‌های بتن‌آرمه‌ای که دارای طول یا عرض زیاد هستند توضیح داده شده است. هدف از این درزها جلوگیری از ایجاد تنش‌ها و کرنش‌های ناشی از تغییرات دمایی و تغییر شکل‌های حرارتی است. بند 9-12-2-2 مبحث نهم ویرایش 1392 به نکات زیر اشاره می‌کند:

◾️لزوم تعبیه درز انبساط: در ساختمان‌های بزرگ (طول یا عرض زیاد) برای جلوگیری از ایجاد تنش‌های حرارتی، باید درزهای انبساطی در فواصل مشخص تعبیه شود. این فاصله در مناطق خشک تا 2۵ متر، در مناطق معتدل تا 35 متر و در مناطق مرطوب تا ۵۰ متر در نظر گرفته شده است.

◾️محاسبه عرض درز انبساط: عرض درز انبساط باید بر اساس میزان تغییر طول سازه به دلیل تغییرات دمایی محاسبه شود. این تغییر طول (ΔL) از رابطه زیر به دست می‌آید که در آن α ضریب انبساط حرارتی ماده (در اینجا بتن) وΔT مقدار تغییرات دمایی است.

ΔL=αLΔT

◾️مقدار تغییرات دمایی: اگر داده‌های دقیق برای تغییرات دمایی منطقه موجود نباشد، تغییرات دمایی ۶۰ درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته می‌شود. درصورتی‌که شرایط آب‌وهوایی محل پروژه از این حدود خارج باشد، باید مقادیر واقعی دما مدنظر قرار گیرد.

◾️آنالیز حرارتی: اگر امکان یا شرایط اجرای درز انبساط در سازه وجود نداشت، می‌توان به‌جای اجرای درز انبساط، آنالیز حرارتی را برای سازه انجام داد به صورتی که اثرات تغییرات دما و بارهای حرارتی در آن در نظر گرفته شود.

درز انبساط در آیین‌نامه‌

همچنین آیین‌نامه بتن ایران (آبا) در جلد دوم در بند 10-3-2 به معرفی درزهای انبساط یا درزهای جداکننده، شرایط و محل اجرای آن‌ها در سازه‌های بتنی می‌پردازد.

◾️کلیات درز انبساط: درزهای جداکننده می‌توانند از وارد شدن تنش‌های اضافی به اعضای سازه جلوگیری کنند و باید جابه‌جایی‌های ناشی از تغییرات دمای محیط را کنترل نمایند.

◾️عرض درز انبساط: عرض درزهای جداکننده باید به‌گونه‌ای باشد که تمامی بخش‌های سازه را در برابر تنش‌های دمایی و حرکات پیش‌بینی‌شده محافظت کند. عرض درزها باید بر اساس حداقل میزان جابه‌جایی مورد انتظار تعیین شود و معمولاً بین 25 تا 50 میلی‌متر انتخاب می‌شود.

◾️فواصل درز انبساط: فاصله مناسب بین درزهای جداکننده بر اساس نوع سازه، تغییرات دمایی و شرایط محیطی تعیین می‌شود و مشاور یا طراح پروژه مسئول تصمیم‌گیری در این زمینه است. فواصل مرجع برای این درزها معمولاً بین ۳۰ تا 60 متر ذکر شده است. در شرایطی که نوسانات دمایی بالا باشد، فواصل درزهای جداکننده می‌توانند کاهش یابند. هرچه فواصل درزهای انبساط بیشتر باشد، لازم است عرض درز انبساط بیشتر در نظر گرفته شود.

ضوابط درزهای انبساط

آیین‌نامه ACI318-19 به‌صورت مستقیم به درز انبساط اشاره نکرده است؛ اما یکی از گزارش‌های انجمن بتن آمریکا (ACI224.3R-95) با عنوان درزها در ساخت‌وساز بتنی برای ساختمان (Joints in Concrete Construction) در بند 3.4 به ارائه نکاتی در مورد درز انبساط در ساختمان‌های بتنی می‌پردازد. بر اساس این بند:

◾️تنش‌های حرارتی: با تغییر دما، بتن دچار تغییر حجم می‌شود که تنش‌هایی را در سازه ایجاد می‌کند. هرچه تغییر دما بیشتر باشد، این تنش‌ها بزرگ‌تر خواهد بود.

◾️محاسبه تغییر طول: برای تخمین طول افزوده یا کاهش‌یافته ناشی از تغییر دما، ضریب انبساط بتن C^(-1) 10^(-6)×9.9 در طول سازه و میزان تغییر دما ضرب می‌شود (ΔL=αLΔT).

◾️کاربرد درزهای انبساط: درزهای انبساط به بخش‌های مختلف ساختمان اجازه می‌دهند تا بدون ایجاد تنش‌های مخرب، به راحتی منبسط یا منقبض شوند. این درزها همچنین به جلوگیری از ترک‌خوردگی ناشی از انقباض سازه کمک می‌کنند.

◾️عرض درزها: عرض درز باید به‌اندازه‌ای باشد که مانع از تماس دو بخش سازه در شرایط مختلف شود و باید با توجه به بیشینه‌ دمای مورد انتظار محاسبه گردد. عرض درزهای انبساط معمولاً بین ۲۵ تا ۱۵۰ میلی‌متر است و ۵۰ میلی‌متر مقدار رایجی برای آن است.

◾️فاصله‌ درزها: فاصله‌ استاندارد درزهای انبساط بسته به نوع سازه بین ۹ تا ۶۰ متر است، اما معمولاً در عمل کمتر از ۳۰ متر انتخاب نمی‌شود.

◾️نحوه‌ پر کردن درزها: روی درزهای انبساط باید پوشیده شوند و این درها می‌توانند خالی یا پر شده باشند. برای سازه‌هایی که نیاز به مقاومت در برابر آتش دارند، پر کردن درزها الزامی است.

آیین نامه درز انبساط

برای سازه‌های فولادی نیز، آیین‌نامه AISC360-22 در تفسیر بند L6 به نکات زیر در مورد درزهای انبساط در سازه‌های فولادی اشاره می‌کند:

◾️ضرورت ارزیابی تخصصی: کنترل انبساط و انقباض حرارتی که تغییرات ابعادی سازه در اثر دما است، به تصمیم‌گیری‌های تخصصی نیاز دارد. طراحی درزهای انبساط تنها بر اساس یک سری قوانین ثابت قابل‌انجام نیست و باید با درک عمیق و تجربه‌ مهندس همراه باشد.

◾️تأثیر عوامل غیر از دما: خزش و جمع‌شدگی بتن و همچنین تسلیم فولاد از جمله عوامل دیگری هستند که می‌توانند باعث تغییرات ابعادی سازه شوند.

◾️خطرات آسیب به نمای ساختمان: هر گونه آسیب به نمای ساختمان، مثل ترک یا شکاف، می‌تواند موجب نفوذ آب به داخل سازه شود که این موضوع خطر خوردگی را افزایش می‌دهد؛ بنابراین طراحی و محافظت مناسب درزهای انبساط نه‌تنها به دلیل کنترل حرارتی بلکه برای حفاظت کلی از سازه نیز مهم است.

◾️دستورالعمل‌های فاصله و اندازه درزها: این آیین‌نامه محدودیت‌های دقیقی را برای تعیین فاصله و عرض درزهای انبساط ارائه نکرده و توصیه کرده است که برای تعیین اندازه و فاصله مناسب درزهای انبساط، به منابع و استانداردهایی که اطلاعاتی را برای طراحی بهینه درزهای انبساط ارائه می‌دهند مراجعه شود.

درزهای انبساط در سازه‌های فولادی

3.4. ترکیب ‌بارهای حرارتی

در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (بارهای وارد بر ساختمان) در بند 6-2-3-2-چ، ترکیب بارهای شامل اثرات خودکرنشی مانند ترکیب بارهای آنالیز حرارتی به این صورت بیان شده است که اگر این اثرات وجود داشته باشند، علاوه بر ترکیب‌های متداول بارگذاری، باید ترکیب‌های خاصی شامل این بارها نیز لحاظ شوند. بارهای خودکرنشی در بند 6-1-5-2 مبحث ششم مقررات ملی معرفی شده‌اند.

ضوابط بازهای خود کرنشی

ترکیب بار اول برای شرایطی که احتمال وقوع هم‌زمان حداکثر اثرات کمتر است، استفاده می‌شود و ترکیب بار دوم برای شرایطی است که احتمال وقوع هم‌زمان حداکثر اثرات بیشتر باشد، کاربرد دارد.

ضوابط ترکیب ‌بارهای حرارتی

همچنین در آیین‌نامه ASCE 7-22 نیز برای ترکیب بارهایی که شامل اثرات ناشی از خودکرنشی می‌شوند، تأکید شده است که در شرایطی که این اثرات ممکن است ایمنی یا عملکرد سازه را تحت تأثیر قرار دهند، باید این بارها به صورت ترکیبی با سایر بارها در نظر گرفته شوند.

ضریب بار برای این بارها باید با درنظرگرفتن عدم قطعیت در مقدار دقیق نیروها و اثرات سازه‌ای ناشی از بارهای خودکرنشی، احتمال وقوع هم‌زمان با سایر بارها و پیامدهای احتمالی در صورت بیش از حد بودن بارها تعیین شود و این ضرایب بار، در هیچ شرایطی نباید کمتر از 1 باشند. این مقدار به‌عنوان یک حداقل برای تأمین ایمنی در ترکیب بارها در نظر گرفته می‌شود.

ترکیب بارهای آیین‌نامه ASCE 7-22 شامل اثرات ناشی از خودکرنشی

5. معرفی نرم‌افزارهای آنالیز حرارتی

برای آنالیز حرارتی سازه‌ها، نرم‌افزارهای متنوعی وجود دارد که هر یک مزایا و قابلیت‌های خاصی دارند. در ادامه، به برخی از نرم‌افزارهای معتبر، تفاوت‌های آن‌ها و جایگاه نرم‌افزارهای شرکت CSI اشاره می‌شود:

◾️ANSYS: نرم‌افزار ANSYS یک نرم‌افزار پیشرفته برای تحلیل‌های عددی (FEM) بادقت بالا و قابلیت شبیه‌سازی هم‌زمان چندین پدیده فیزیکی مختلف است. این نرم‌افزار در تحلیل انتقال حرارت، رفتار مواد تحت شرایط دمایی خاص و ترکیب بارهای مکانیکی و حرارتی بسیار قدرتمند عمل می‌کند. به دلیل دقت بالا، برای پروژه‌های صنعتی و تحقیقاتی پیچیده کاربرد دارد.

◾️ABAQUS: یک نرم‌افزار قدرتمند در حوزه تحلیل‌های مکانیکی و حرارتی که برای شبیه‌سازی رفتار غیرخطی و تحلیل دقیق مواد در شرایط خاص طراحی شده است. ABAQUS با قابلیت مدل‌سازی وابستگی به دما و ترکیب تحلیل‌های حرارتی و مکانیکی، انتخابی مناسب برای پروژه‌های پیشرفته مهندسی است.

◾️SAP2000: یک نرم‌افزار جامع و کاربرپسند برای تحلیل و طراحی سازه‌ها که امکان تحلیل پایه‌ای حرارتی مانند تنش‌ها و تغییر شکل‌های ناشی از دما را فراهم می‌کند. این نرم‌افزار بیشتر برای بررسی سازه‌های عمومی مانند سوله‌ها، پل‌ها و قاب‌های ساختمانی استفاده می‌شود و برای تحلیل‌های پیشرفته مناسب نیست.

◾️ETABS: نرم‌افزاری تخصصی برای طراحی و تحلیل سازه‌های ساختمانی که به دلیل رابط کاربری ساده، میان مهندسان عمران محبوب است. ETABS برای تحلیل حرارتی محدود طراحی شده و کاربرد آن بیشتر به بررسی اثرات حرارتی پایه در سازه‌های ساختمانی خلاصه می‌شود.

◾️COMSOL: این نرم‌افزار یک نرم‌افزار قدرتمند و چندمنظوره برای تحلیل‌های هم‌زمان چندین پدیده فیزیکی مختلف شامل حرارت، مکانیک، الکتریسیته و سیالات است. COMSOL با انعطاف بالا امکان مدل‌سازی شرایط پیچیده مانند ترکیب بارهای حرارتی و مکانیکی را فراهم می‌کند و برای پروژه‌های تحقیقاتی و صنعتی ایده‌آل است.

هرکدام از این نرم‌افزارها کاربرد و مزایای خاص خود را در آنالیز حرارتی دارند. نرم‌افزارهای شرکت CSI (مانند SAP2000 و ETABS) بیشتر برای تحلیل‌های ساختاری توسعه یافته‌اند و تحلیل‌های حرارتی آن‌ها بسیار ساده و محدود به موارد پایه (مانند تأثیر حرارت بر تغییر شکل یا تنش) است. این نرم‌افزارها معمولاً برای تحلیل اولیه دما یا اثرات حرارتی بر سازه‌های ساختمانی استفاده می‌شوند، اما اگر نیاز به تحلیل پیشرفته (مانند انتقال حرارت در مواد پیچیده یا ترکیب حرارت با مکانیک) باشد، ANSYS، ABAQUS، یا COMSOL انتخاب بهتری هستند.

برای استفاده از نرم‌افزارهای FEM (Finite Element Method) در آنالیز حرارتی، نیاز است که مراحل خاصی طی شود که شامل تعریف مسئله، مش‌بندی، تعریف شرایط مرزی و بارهای حرارتی، و تحلیل نتایج است. در ادامه، این مراحل توضیح داده شده و تفاوت‌های نرم‌افزارهایی مانند ABAQUS و ETABS بررسی می‌شود:

◾️تعریف مسئله و مدل‌سازی هندسی: هندسه سازه یا قطعه موردنظر در نرم‌افزار تعریف می‌شود. این هندسه باید نشان‌دهنده نواحی انتقال حرارت باشد. در نرم‌افزارهایی مانند ABAQUS، امکان وارد کردن هندسه‌های پیچیده‌تر وجود دارد، درحالی‌که ETABS برای هندسه‌های ساده‌تر مانند ساختمان‌های متعارف مناسب‌تر است.

◾️تعریف خواص مواد: مشخص کردن خواص حرارتی مواد (مانند ضریب هدایت حرارتی، ظرفیت گرمایی ویژه و چگالی) برای تحلیل دقیق ضروری است. ABAQUS به شما اجازه می‌دهد خواص وابسته به دما یا وابسته به زمان تعریف کنید، درحالی‌که در ETABS این امکان محدودتر است.

◾️تعریف شرایط مرزی و بارهای حرارتی: شرایط مرزی شامل دماهای ثابت، شار حرارتی، یا انتقال حرارت جابه‌جایی تعریف می‌شود. ABAQUS امکان تعریف بارهای پیچیده حرارتی مانند تابش و وابستگی به زمان یا موقعیت را فراهم می‌کند، اما ETABS بیشتر برای بررسی اثرات دماهای ثابت و تغییر شکل‌های سازه‌ای در اثر حرارت مناسب است.

◾️مش‌بندی: مش‌بندی دقیق‌تر موجب افزایش دقت تحلیل می‌شود. در ABAQUS می‌توان از مش‌بندی تطبیقی و انواع المان‌های غیرخطی استفاده کرد، درحالی‌که ETABS مش‌بندی ساده‌تر و اغلب برای تحلیل‌های سازه‌ای طراحی شده است.

◾️تحلیل و مشاهده نتایج: نتایج شامل توزیع دما، تنش‌های حرارتی، و تغییر شکل‌ها هستند. ABAQUS ابزارهای پیشرفته‌ای برای مشاهده توزیع دقیق دما و تنش‌های حرارتی دارد، اما در ETABS نتایج بیشتر به بررسی تنش‌ها و تغییر شکل‌های کلی در سازه محدود می‌شود.

به‌طورکلی، نرم‌افزار ABAQUS برای پروژه‌های پیچیده و دقیق حرارتی، شامل ترکیب بارهای حرارتی و مکانیکی، انتخاب بهتری است و در صنایع پیشرفته یا تحقیقاتی کاربرد دارد، درحالی‌که نرم‌افزار ETABS برای مهندسان عمران و سازه‌هایی که تنها اثرات حرارتی پایه را بررسی می‌کنند، مناسب‌تر است؛ بنابراین، انتخاب نرم‌افزار به نوع مسئله و سطح پیچیدگی تحلیل بستگی دارد.

6. آنالیز حرارتی سازه‌های فولادی و بتنی در ایتبس

همان‌طور که گفته شد آنالیز حرارتی در ایتبس یک آنالیز کلی و پایه بوده و اثرات تغییرات دما بر تنش‌ها و تغییرشکل‌های اعضای سازه‌ای را بررسی می‌کند. مراحل آنالیز حرارتی در ایتبس برای سازه‌های فولادی و بتنی عمدتاً مشترک بوده و تفاوت‌های اندکی بین آن‌ها وجود دارد که در هر مرحله از این بخش به آن‌ها اشاره خواهد شد.

بتن به دلیل ضریب انبساط حرارتی پایین‌تر و ظرفیت حرارتی بالاتر، در برابر تغییرات دمایی مقاومت بیشتری دارد و کمتر دچار ترک‌خوردگی می‌شود. در مقابل، فولاد به دلیل ضریب انبساط حرارتی بالاتر و هدایت حرارتی بیشتر، به تغییرات دمایی حساس‌تر است و ممکن است دچار تغییر شکل‌های بیشتری شود؛ بنابراین، آنالیز حرارتی در سازه‌های فولادی بحرانی‌تر است و نیاز به‌ دقت بیشتری دارد تا از مشکلاتی مانند تغییر شکل‌های ناخواسته و کاهش مقاومت جلوگیری شود. در این بخش به معرفی مراحل آنالیز حرارتی سازه‌ها در ایتبس پرداخته می‌شود.

1.6. Save As گرفتن از فایل اصلی

برای آغاز آنالیز حرارتی در هر دوی سازه‌های فولادی و بتنی، به دلیل تغییراتی که در ادامه اعمال می‌شود، لازم است مثل کنترل دریفت و دوره تناوب سازه، از فایل مدل اصلی یک Save As گرفته شود و مراحل آنالیز حرارتی در فایل جدید انجام شود. به این منظور لازم است مطابق شکل زیر از منوی File گزینه Save As را انتخاب کرده و فایل جدید را با نام جدیدی مثل Temperature ذخیره کنیم.

شکل 10: Save as گرفتن از فایل اصلی

2.6. وارد کردن ضریب انبساط حرارتی مواد

یکی از تنظیماتی که برای شبیه‌سازی اثرات حرارتی بر روی سازه در ایتبس لازم است، وارد کردن ضریب انبساط حرارتی مصالح مصرفی است. ایتبس برای مدل‌سازی تغییرات دمایی در مواد مختلف سازه‌ای از ضریب انبساط حرارتی ماده و میزان تغییرات دمایی که در مرحله اختصاص بار حرارتی به نرم‌افزار وارد می‌شود، استفاده می‌کند و میزان تغییرشکل‌ها و تنش‌های اعضای مختلف را محاسبه می‌کند؛ بنابراین، برای آنالیز حرارتی در ایتبس، در فایل جدید لازم است ضریب انبساط حرارتی مواد مطابق آیین‌نامه ویرایش شود.

در سازه فولادی:

برای آنالیز حرارتی سازه فولادی لازم است ضریب انبساط حرارتی فولاد بر اساس مقدار پیشنهادی مبحث دهم (C^(-1) 10^(-6)×12 ) ویرایش شود. به این منظور مطابق شکل 11 از منوی Define گزینه Material properties را انتخاب کرده، سپس طبق شکل 12 در پنجره Material Properties Data در قسمت Coefficient of Thermal Expansion مقدار موردنظر را ویرایش می‌کنیم.

نحوه وارد کردن ضریب انبساط حرارتی سازه های فولادی

شکل 11: انتخاب گزینه تعریف خواص مواد

شکل 12: ویرایش ضریب انبساط حرارتی فولاد

در سازه بتنی:

برای آنالیز حرارتی سازه بتنی نیز باید ضریب انبساط حرارتی بتن بر اساس مقدار پیشنهادی مبحث نهم (C^(-1) 10^(-6)×10) و ضریب انبساط حرارتی آرماتورهای فولادی بر اساس مقدار پیشنهادی مبحث دهم (C^(-1) 10^(-6)×12 ) ویرایش شوند. به این منظور باید مشابه بخش قبلی از منوی Define گزینه Material properties را انتخاب کرده، سپس طبق شکل 13 و شکل 14 در پنجره Material Properties Data در قسمت Coefficient of Thermal Expansion مقدار ضریب انبساط حرارتی بتن و آرماتور فولادی را ویرایش کنیم.

شکل 13: ویرایش ضریب انبساط حرارتی بتن

شکل 14: ویرایش ضریب انبساط حرارتی آرماتور فولادی

3.6. تعریف بار حرارتی

مرحله بعدی برای آنالیز حرارتی در نرم‌افزار ایتبس، تعریف بارهای حرارتی است. تعریف بارهای حرارتی در ایتبس برای سازه‌های فولادی و بتنی به‌صورت مشابهی انجام می‌شود. برای تعریف بار حرارتی سازه، همان‌طور که در شکل 15 نشان داده شد، باید از منوی Define گزینه Load Patterns را انتخاب کنیم.

تعریف بار برای آنالیز حرارتی در نرم‌افزار ایتبس

شکل 15: مسیر انتخاب Load Patterns برای تعریف بار

سپس در پنجره Define Load Patterns، در قسمت Load یک نام انتخابی برای بار حرارتی مثل Temp که مخفف Temperature است را وارد کرده و نوع بار را در قسمت Type از نوع Other قرار می‌دهیم. مقدار Self Weight Multiplier هم باید همان مقدار پیش‌فرض صفر باقی بماند. در نهایت با کلیک بر گزینه Add New Load بار حرارتی جدید تعریف می‌شود.

شکل 16: تعریف بار حرارتی

❓آیا امکان وارد کردن پروفایل دمایی متغیر با زمان در ایتبس وجود دارد؟

در حال حاضر به طور مستقیم امکان وارد کردن پروفایل دمایی متغیر با زمان در ETABS فراهم نشده است. این نرم‌افزار بیشتر برای تحلیل و طراحی سازه‌های ساختمانی تحت بارگذاری‌های استاتیکی و دینامیکی توسعه داده شده و تحلیل‌های حرارتی یا پروفایل‌های دمایی پیچیده را به‌عنوان امکانات اصلی خود ارائه نمی‌کند.

برای وارد کردن پروفایل دمایی متغیر با زمان، می‌توان نرم‌افزارهای دیگری را مکمل نرم‌افزار ایتبس کرد. نرم‌افزار SAP2000 می‌تواند به‌عنوان مکمل ایتبس در تحلیل‌های حرارتی سازه‌ها استفاده شود. در مواردی که تحلیل حرارتی پیچیده‌تر موردنیاز باشد، SAP2000 به‌عنوان یک گزینه مناسب‌تر از ایتبس پیشنهاد می‌شود، چرا که امکانات بیشتری برای شبیه‌سازی بارگذاری حرارتی ارائه شده است.
همچنین در صورت نیاز به تحلیل‌های خیلی دقیق‌تر حرارتی متغیر با زمان، می‌توان از نرم‌افزارهای تخصصی تحلیل حرارتی مانند ANSYS یا ABAQUS استفاده کرده و نتایج آن‌ها را به‌عنوان ورودی برای تحلیل سازه‌ای در نرم‌افزارهای طراحی سازه مانند ETABS یا SAP2000 به کار گرفت؛ اما این کار معمولاً برای طراحی سازه‌های متعارف ضرورتی نداشته و برای این سازه‌ها آنالیز حرارتی پایه در نرم‌افزار ایتبس کفایت می‌کند.

4.6. اعمال بار حرارتی

از بند 6-1-5-2 مبحث ششم مقررات ملی، می‌توان این‌طور برداشت کرد که برای آنالیز حرارتی سازه باید از قضاوت مهندسی و فرضیات واقع‌بینانه استفاده کرد؛ بنابراین انتخاب تحلیل حرارتی و انتخاب تغییرات دمایی برای سازه تا حد زیادی به نظر مهندس و شرایط پروژه وابسته است و قطعیت زیادی وجود ندارد. طبق این بند برای سازه‌های با طول یا ارتفاع زیاد و بدون درز انبساط که امکان انقباض و انبساط آزاد سازه وجود ندارد، لازم است اثرات تغییرات دما بر سازه مورد بررسی قرار گیرد. با توجه به اینکه دمای داخل و خارج ساختمان یکسان نیست، باید حداقل و حداکثر دمای داخل و خارج ساختمان برای زمان اجرا و زمان بهره‌برداری به صورت منطقی و بر اساس شرایط آب‌وهوایی منطقه محاسبه شود.

نحوه اعمال بار حرارتی

برخی مهندسان معتقد هستند که در زمان بهره‌برداری، تمام تغییرات دمایی منطقه مستقیماً به اسکلت سازه وارد نمی‌شود و دیوارهای پیرامونی، کف‌سازی‌ها و سایر پوشش‌ها (که در ایتبس مدل‌سازی نشده و تأثیر آن‌ها بر اسکلت در نظر گرفته نمی‌شود) به‌نوعی نقش عایق حرارتی برای اسکلت را داشته و بخش عمده‌ای از این اختلاف دما را جذب می‌کنند؛ بنابراین کل این بار حرارتی توسط اسکلت وارد نمی‌شود و علت اینکه گاهی بعد از آنالیز حرارتی سازه‌های حتی کوچک (که انتظار می‌رود تحلیل حرارتی برای آن‌ها تعیین‌کننده نباشد)، مقاطع طراحی شده کفایت لازم را نداشته و مقاطع خیلی بزرگ‌تر از طراحی اولیه سازه به دست می‌آید، ممکن است همین مسئله باشد.

بر اساس نکات ذکرشده می‌توان این‌طور قضاوت کرد که ممکن است برای آنالیز حرارتی دقیق‌‌تر سازه، بهتر باشد که سازه در دو شرایط زیر به‌صورت جداگانه آنالیز شود:

1. در شرایط بهره‌برداری که اسکلت با دیوار، سقف کاذب، نما و… پوشیده شده است و در واقع بخش کمی از بار حرارتی به اسکلت وارد می‌شود و دمای داخل و خارج ساختمان هم متفاوت است.

2. در شرایط اجرا که اسکلت سازه بدون هیچ‌گونه پوششی در معرض تغییرات دمایی قرار دارد و ممکن است بسته به مدت‌زمان اجرا، تحت تغییرات دمایی فصول مختلف هم قرار گیرد. اما باید توجه داشت که در زمان اجرا، بارهای کف‌سازی و دیوارهای پیرامونی و بار زنده به سازه وارد نمی‌شود و فقط لازم است که مقداری را برای بار زنده کارگران در نظر گرفت.

اما در شرایط کلی و به‌عنوان یک روش رایج برای اعمال بار حرارتی به سازه در مدل‌سازی نرم‌افزاری در ایتبس، ابتدا باید میزان تغییرات دمای سازه را با توجه به شرایط اقلیمی برآورد کرد. درصورتی‌که داده‌های محیطی دقیقی برای برآورد تغییرات دمایی منطقه در دست نباشد، می‌توان این تغییرات دما را بر اساس یک فرض رایج بین مهندسان، برابر با 25± یا 30± درجه سانتی‌گراد در نظر گرفت.

برای اعمال بار حرارتی به‌صورت مثبت و منفی، هم می‌توان یک بار حرارتی تعریف و اعمال کرده و در ترکیب بار اثرات مثبت و منفی آن را وارد کرد و هم می‌توان بار حرارتی مثبت و بار حرارتی منفی را به‌صورت جداگانه تعریف و اعمال کرد که در این آموزش از روش اول استفاده می‌شود.

❓بارهای حرارتی باید به کدام بخش‌های سازه اختصاص داده شود؟

در آیین‌نامه‌ها به طور مشخص تعیین نشده که برای آنالیز حرارتی باید بار حرارتی سازه به کدام بخش‌ها اعمال شود. به همین دلیل مهندسان بر اساس دیدگاه‌های مختلف خود نظرات متفاوتی دراین‌خصوص دارند. برخی معتقد هستند که بار حرارتی باید به تمام المان‌هایی که در مرز هوای داخل و خارج سازه قرار دارند (مانند قاب‌های پیرامونی، کف بام و سقف پارکینگ) اختصاص داده شود. دیدگاه دیگر این است که چون در اثر اختلاف دما در تیرها نیروی محوری ایجاد می‌شود و این نیروی محوری به ستون‌های اطراف در محل اتصال تیر و ستون نیروی جانبی وارد می‌کند، حالت‌های بحرانی در تیرها ایجاد شده و اختصاص بارهای حرارتی به تیرها کفایت می‌کند. دیدگاه آخری که در این آموزش هم در پیش گرفته می‌شود این است که در جهت اطمینان، بار حرارتی به تمام اعضای سازه اختصاص داده شود.

به این منظور، بار حرارتی باید یک‌بار به اعضای قاب (Frame) شامل تیر و ستون و مهاربند (درصورتی‌که سازه فولادی باشد) و یک‌بار به اعضای پوسته‌ای (Shell) شامل کف‌ها و دیوارها اختصاص داده شود تا تمام اعضای سازه‌ای تحت‌تأثیر تغییرات دمایی قرار گیرند.

اختصاص بار حرارتی به تیرها و ستون‌ها و مهاربندها:

برای اختصاص دادن بار حرارتی به تیرها، ستون‌ها و مهاربندها باید ابتدا از مسیر نشان‌داده‌شده در شکل 17 گزینه Object Type را انتخاب کنیم.

شکل 17: مسیر انتخاب Object Type موردنظر

در پنجره Select by Object Type باید برای سازه‌های فولادی طبق شکل 18 تیرها، ستون‌ها و مهاربندها، و برای سازه‌های بتنی مطابق شکل 19 تیرها و ستون‌های مدل را انتخاب کنیم.

شکل 18: انتخاب ستون‌ها، تیرها و مهاربندها در سازه فولادی

شکل 19: انتخاب ستون‌ها و تیرها در سازه بتنی

سپس از منوی Assign گزینه Frame Loads و بعد Temperature را انتخاب می‌کنیم. در پنجره بازشده نام بار حرارتی تعریف‌شده را در قسمت Load Pattern Name انتخاب کرده و تغییرات دمایی مدنظر را وارد می‌کنیم. برای اینکه اثرات تغییرات دمایی بر روی اتصالات و گره‌های ابتدا و انتهای اعضای سازه نیز در نظر گرفته شوند، باید تیک گزینه Include Effect of Joint Temperature را فعال کنیم. در نهایت با کلیک بر دکمه Apply بار حرارتی به تمام تیرها، ستون‌ها و در صورت وجود مهاربندها اختصاص داده می‌شود.

شکل 20: مسیر اختصاص بار حرارتی Frame Loads

شکل 21: اختصاص دادن بار حرارتی Frame Loads

اختصاص بار حرارتی به کف‌ها و دیوارها:

برای اختصاص دادن بار حرارتی به کف‌ها و دیوارهای مدل، ابتدا تمامی کف‌ها و دیوارها را مطابق شکل 22 انتخاب می‌کنیم.

شکل 22: انتخاب کف‌ها و دیوارها

سپس از مسیر نشان‌داده‌شده در شکل 23 گزینه Shell Loads و Temperature را انتخاب می‌کنیم. در پنجره بازشده، مانند آنچه در بخش قبل انجام شد، نام بار حرارتی (Temp) را در قسمت Load Pattern Name انتخاب کرده و مقدار تغییرات حرارتی موردنظر را در قسمت Uniform Temperature Change وارد می‌کنیم. همچنین لازم است تیک گزینه Include Effects of Joint Temperature برای آنالیز اثرات حرارتی در گره‌ها فعال شود.

شکل 23: مسیر اختصاص بار حرارتی Shell Loads

شکل 24: اختصاص دادن بار حرارتی Shell Loads

5.6. ساخت ترکیب ‌بارهای آنالیز حرارتی

همان‌طور که در بخش ترکیب ‌بارهای حرارتی ارائه شد، مبحث ششم مقررات ملی ساختمان توصیه می‌کند که برای بارهای خودکرنشی، دو ترکیب بار زیر در نظر گرفته شوند:

1.2D+0.5L+0.5(L_r or S)+1.2T ∶ترکیب بار اول
1.2D+1.6L+1.6(L_r or S)+T ∶ترکیب بار دوم

هر کدام از این ترکیب بارهای آنالیز حرارتی، باید یک بار با بار حرارتی مثبت و یک بار با بار حرارتی منفی تعریف شوند. همچنین هر یک از این ترکیبات بار، باید یک بار با بار L_r و بار دیگر با بار S تعریف شوند. بنابراین باید برای هر ترکیب بار مبحث ششم، 4 ترکیب بار و مجموعا 8 ترکیب بار در ایتبس ساخته شود.

مراحل ساخت ترکیب بار در ایتبس برای سازه‌های فولادی و بتنی یکسان است. برای ساخت ترکیب بار حرارتی در ایتبس، باید از منوی Define گزینه Load Combinations را انتخاب کنیم.

شکل 25: مسیر انتخاب ترکیب بار

سپس همان‌طور که در شکل 26 نشان داده شده است، با کلیک بر گزینه Add New Combo، در پنجره جدید نام ترکیب بار جدید را وارد کرده (Temperature1) و در جدول پایین، بارهای موردنظر را به همراه ضرایب بار وارد می‌کنیم.

باید دقت کرد که منظور از D در ترکیب بار تمام بارهای مرده مدل (مانند Dead و SuperDead) و منظور از L تمام بارهای زنده مدل (مانند Live و Live_Partition) است و لازم است هرکدام در ترکیب بار وارد شوند.

شکل 26: روش ساخت ترکیب بار حرارتی

سپس با Add Copy of Combo و ویرایش بار و ضرایب می‌توان 8 ترکیب بار موردنظر را ایجاد کرد. ترکیبات بار حرارتی مربوط به هر کدام از ترکیب بارهای مبحث ششم در شکل 27 و شکل 28 نشان داده شده است.

شکل 27: ترکیب بارهای 1.2D+0.5L+0.5(Lr or S)+1.2T

شکل 28: ترکیب بارهای 1.2D+1.6L+1.6(Lr or S)+ T

6.6. ویرایش دیافراگم

در سازه با دیافراگم صلب تمام اعضا به‌صورت یکپارچه با هم جابه‌جا می‌شوند؛ بنابراین حرکت و ابتدا و انتهای تیرها با هم انجام شده و در اثر تغییرات دمایی در تیر نیروی محوری ایجاد نمی‌شود؛ بنابراین برای آنالیز حرارتی در ایتبس، باید دیافراگم سازه از حالت صلب به نیمه‌صلب تغییر داده شود تا اثرات بارهای حرارتی در تیرها قابل‌بررسی باشد.

برخی معتقدند که می‌توان برای ایجاد اثرات بارهای حرارتی بر تیرها، دیافراگم سازه را حذف کرده و به حالت none قرار داد؛ اما با توجه به یکپارچگی کلی سازه در واقعیت، به نظر می‌رسد که دیافراگم نیمه‌صلب شرایط واقعی سازه را بهتر مدل‌سازی می‌کند.

روش تعریف دیافراگم نیمه‌صلب برای سازه‌های فولادی و بتنی یکسان است. ابتدا مطابق شکل زیر تمام المان‌های سازه‌ای را با گزینه All از منوی Select انتخاب می‌کنیم.

شکل 29: انتخاب تمام المان‌های سازه

سپس همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است، از منوی Assign گزینه Shell و در نهایت گزینه Diaphragms را برای اختصاص دادن دیافراگم نیمه‌صلب به مدل انتخاب می‌کنیم.

شکل 30: مسیر انتخاب گزینه Diaphragms

در پنجره باز شده با انتخاب دیافراگم تعریف شده و کلیک بر گزینه Modify/Show Diaphragm مطابق شکل 31، Rigidity دیافراگم را روی Semi Rigid قرار می‌دهیم. به‌این‌ترتیب دیافراگم مدل سازه به‌صورت نیمه‌صلب عمل می‌کند.

شکل 31: تعریف دیافراگم نیمه‌صلب

7.6. ایجاد تغییرات در تیرها در سازه‌های بتنی

در این بخش به یکی از تفاوت‌های مهم آنالیز حرارتی در سازه فولادی و بتنی پرداخته می‌شود. در طراحی سازه‌های بتنی، فرض می‌شود که در تیر نیروی محوری ایجاد نمی‌شود و فقط برای لنگر خمشی حول محور 3 طراحی می‌شوند. به این منظور برای تعریف مقطع تیر بتنی، در قسمت Design Type گزینه M3 Design Only (Beam) انتخاب می‌شود. اما همان‌طور که قبل‌تر هم گفته شد، برای آنالیز حرارتی سازه بتنی در اثر تغییرات دمایی در تیرها نیروی محوری ایجاد می‌شود؛ بنابراین برای تعریف مقاطع تیر بتنی در آنالیز حرارتی باید تیرها مانند ستون و با نیروی محوری تعریف شوند.
برای ویرایش تیرهای بتنی باید از مسیر نشان‌داده‌شده در شکل زیر گزینه Frame Sections را انتخاب کرده و مقاطع تیر مورداستفاده در مدل را ویرایش کرد.

شکل 32: مسیر انتخاب Frame Sections

برای ویرایش تیر و تغییر نوع آن به ستون دارای نیروی محوری، مطابق شکل 33 گزینه Modify/Show Rebar را انتخاب می‌کنیم تا پنجره جدید باز شود.

شکل 33: تعریف تیر بتنی

در پنجره Frame Section Property Reinforcement Data در بخش Design Type باید گزینه P-M2-M3 Design (Column) انتخاب شده و در قسمت Check/Design برای اینکه نرم‌افزار مقدار آرماتورهای تیر را محاسبه کند، گزینه Reinforcement to be Designed را انتخاب می‌کنیم. به‌این‌ترتیب در اثر بارهای حرارتی در تیر نیروی محوری ایجاد می‌شود و نرم‌افزار می‌تواند اثرات این بارها را بر سازه بررسی کند.

شکل 34: ویرایش تعریف تیر بتنی

8.6. انتخاب ترکیب بارهای طراحی

پس از تکمیل مراحل اصلی تنظیمات آنالیز حرارتی سازه در ایتبس، باید ترکیب بارهای حرارتی برای طراحی انتخاب شود. برای انتخاب ترکیب بارهای طراحی در سازه‌های فولادی مطابق شکل 35 از منوی Design گزینه Steel Frame Design و بعد گزینه Select Design Combinations و برای سازه‌های بتنی مطابق شکل 36 از منوی Design گزینه Concrete Frame Design و گزینه Select Design Combinations را انتخاب می‌کنیم.

شکل 35: مسیر انتخاب ترکیب بارهای طراحی سازه فولادی

شکل 36: مسیر انتخاب ترکیب بارهای طراحی سازه بتنی

سپس همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است، در پنجره Design Load Combination Selection برای سازه فولادی و بتنی، ترکیب بارهای قبلی را حذف کرده و فقط ترکیب بارهای حرارتی ساخته‌شده را برای طراحی سازه انتخاب می‌کنیم.

شکل 37: انتخاب ترکیب بارهای حرارتی برای طراحی سازه

9.6. تحلیل سازه

در این مرحله مدل‌سازی سازه برای آنالیز حرارتی تکمیل شده و باید از منوی Analyse و گزینه Run Analysis که در شکل زیر نشان‌داده‌شده است، سازه تحت آنالیز حرارتی قرار گیرد.

شکل 38: مسیر تحلیل سازه

10.6. طراحی سازه تحت ترکیب بارهای حرارتی

پس از آنالیز حرارتی سازه، برای طراحی اعضا تحت ترکیب بارهای حرارتی، برای سازه‌های فولادی و بتنی به ترتیب از مسیر نشان‌داده‌شده در شکل 39 و شکل 40 گزینه Start Design/Check را انتخاب می‌کنیم.

شکل 39: مسیر طراحی سازه فولادی تحت بارهای حرارتی

شکل 40: مسیر طراحی سازه بتنی تحت بارهای حرارتی

11.6. تفسیر و تحلیل آنالیز حرارتی در ایتبس

در این بخش به تفسیر و تحلیل آنالیز حرارتی و بررسی تغییرشکل‌ها و تنش‌های سازه و همچنین نتایج طراحی اعضای سازه تحت بار حرارتی در ایتبس پرداخته می‌شود.

1.11.6. بررسی تغییرشکل‌های اعضا تحت بارهای حرارتی

در تحلیل آنالیز حرارتی، یکی از مهم‌ترین بخش‌ها بررسی تغییرشکل‌های اعضا تحت بارهای حرارتی است. به‌منظور بررسی تغییرشکل‌ها در سازه‌های فولادی و بتنی از منوی Display گزینه Deformed Shapes را انتخاب می‌کنیم.

شکل 41: مسیر نمایش تغییرشکل‌ها

مطابق شکل 42 در پنجره Deformed Shape با انتخاب Combo و ترکیب بار حرارتی موردنظر در قسمت Load Cese/Load Combination/Modal Case می‌توانیم مقدار تغییرشکل اعضا را تحت ترکیب بارهای حرارتی مختلف بررسی کنیم.

شکل 42: نمایش تغییرشکل‌ها تحت ترکیب بارهای حرارتی

2.11.6. بررسی نیروهای اعضا تحت بارهای حرارتی

برای مشاهده مقدار نیروها و لنگرهای اعضا تحت ترکیبات بار حرارتی، ابتدا مطابق شکل زیر از منوی Display گزینه Force/Stress Diagrams و بعد گزینه Frame/Pier/Spandrel/Link Forces را انتخاب می‌کنیم.

شکل 43: مسیر انتخاب مشاهده نتایج نیروها

سپس در پنجره بازشده مطابق شکل 44 با انتخاب گزینه Combo و انتخاب ترکیب بارهای حرارتی در قسمت Load Cese/Load Combination/Modal Case و انتخاب مولفه موردنظر در قسمت Component، می‌توان مقدار نیرو و لنگر را در قسمت‌های مختلف سازه مشاهده کرد.

شکل 44: مشاهده نتایج نیروها و لنگرهای اعضا تحت ترکیب بارهای حرارتی

3.11.6. بررسی تنش‌های اعضا تحت بارهای حرارتی

برای ارزیابی تنش‌های حرارتی ناشی از تغییرات دما در مدل سازه، ابتدا از مسیر نشان‌داده‌شده در شکل زیر، گزینه Shell Stresses/Forces را انتخاب می‌کنیم.

شکل 45: مسیر انتخاب مشاهده نتایج تنش‌‌ها

سپس در پنجره بازشده، با انتخاب Combo و ترکیب بار حرارتی مدنظر در قسمت Load Cese/Load Combination/Modal Case و انتخاب انواع مؤلفه‌های مختلف در قسمت Component Type و Component می‌توان میزان تنش در اعضای پوسته‌ای (Shell) مانند کف‌ها و دیوارها را مشاهده و ارزیابی کرد.

شکل 46: مشاهده نتایج تنش‌ها تحت ترکیب بارهای حرارتی

4.11.6. بررسی نتایج طراحی اعضا تحت بارهای حرارتی

در آخر باید نتایج طراحی سازه‌ها تحت ترکیبات بار حرارتی مورد بررسی قرار گرفته و بحرانی‌ترین مقاطع حاصل از این نتایج و نتایج طراحی اولیه سازه برای سازه نهایی در نظر گرفته شود.

نتایج طراحی سازه در سازه فولادی:

شکل 47: مسیر مشاهده نتایج طراحی در سازه فولادی

مطابق شکل 48 در پنجره Display Steel Frame Design Results در قسمت Design Output گزینه P-M Ratio Colors & Values را انتخاب می‌کنیم تا نسبت بارها و لنگرهای اعمال‌شده از ترکیب بارهای حرارتی به ظرفیت نهایی اعضا به‌صورت یک عدد نمایش داده شود. اگر این نسبت برای عضوی کوچک‌تر از 1 باشد، به این معنی است که عضو موردنظر در برابر بارهای حرارتی کفایت لازم را دارد و اگر بزرگ‌تر از 1 باشد، یعنی بارگذاری حرارتی بیش از ظرفیت عضو بوده و احتمالاً عضو تحت بار حرارتی واردشده به شکست یا ناپایداری می‌رسد.

شکل 48: مشاهده میزان کفایت اعضا تحت ترکیب بارهای حرارتی در سازه فولادی

همچنین با کلیک راست بر روی هر کدام از تیرها و ستون‌ها، جدول اطلاعات هر عضو مطابق شکل 49 نمایش داده می‌شود. در این جدول که اطلاعات مربوط به طبقه و مقطع عضو در بالا نشان داده شده است، بحرانی‌ترین ترکیب بار که بیشترین Ratio را برای عضو ایجاد می‌کند، به‌صورت هایلایت نمایش داده می‌شود.

درصورتی‌که Ratio عضو بزرگ‌تر از 1 باشد می‌توان با کلیک بر دکمه Overwrites، مطابق شکل 50 نوع مقطع را به مقطع بزرگ‌تر تغییر داد و مجددا نتایج را مشاهده و بررسی کرد.

شکل 49: جدول نتایج بررسی کفایت اعضا در سازه فولادی

شکل 50: تغییر مقطع عضو با Ratio بزرگ‌تر از 1 در سازه فولادی در پنجره Overwrites

نتایج طراحی سازه در سازه بتنی:

در آنالیز سازه بتنی هم بعد از طراحی اعضا تحت بار حرارتی، از مسیر نشان‌داده‌شده در شکل 51 گزینه Display Design Info را انتخاب می‌کنیم.

شکل 51: مسیر مشاهده نتایج طراحی در سازه بتنی

در سازه‌های بتنی معمولاً ستون‌ها Reinforcement to be Checked و تیرها Reinforcement to be Designed انتخاب می‌شوند، به همین دلیل برای ستون‌ها می‌توان میزان کفایت مقطع بر اساس طرح اولیه را بررسی کرد و برای تیرها مستقیماً مقدار آرماتورهای موردنیاز تحت ترکیبات بار حرارتی در ایتبس محاسبه می‌شود. میزان نهایی آرماتور تیرها باید حداکثر مقدار آرماتور به‌دست‌آمده از طراحی اولیه و طراحی تحت آنالیز حرارتی باشد.

برای بررسی کفایت ستون‌های بتنی تحت بار حرارتی، مطابق شکل 52، در پنجره Display Concrete Frame Design Results در قسمت Design Output گزینه Column P-M-M Interaction Ratios را انتخاب می‌کنیم. این گزینه نشان می‌دهد که ستون‌ها تحت بارهای محوری و لنگر خمشی، تا چه حد به ظرفیت طراحی خود نزدیک شده‌اند. اگر این Ratio کوچک‌تر از 1 باشد یعنی مقطع ستون در برابر بارهای حرارتی کفایت لازم دارد و اگر مقدار آن بزرگ‌تر از 1 باشد، به این معنی است که ستون ظرفیت کافی ندارد و نیاز به اصلاح طراحی (مانند افزایش ابعاد مقطع یا آرماتورگذاری) دارد.

شکل 52: مشاهده میزان کفایت ستون‌ها تحت ترکیب بارهای حرارتی در سازه بتنی

مانند آنچه برای سازه‌های فولادی گفته شد، در این بخش هم با کلیک راست بر روی هر یک از ستون‌های بتنی، جدولی مانند جدول شکل 53 نمایش داده می‌شود که در بالای آن اطلاعات مقطع نوشته شده است و مقدار Ratio ستون تحت هر ترکیب بار قابل مشاهده است. همچنین در این جدول ترکیب باری که بحرانی‌ترین Ratio را برای ستون ایجاد می‌کند به‌صورت هایلایت مشخص شده است.

اگر مقطع کفایت لازم را نداشته باشد، یعنی Ratio آن بزرگ‌تر از 1 به دست آمده باشد، می‌توان با کلیک بر دکمه Overwrites در پنجره بازشده مطابق شکل 54 نوع مقطع ستون را تغییر داد و نتایج را مجددا بررسی کرد.

شکل 53: جدول نتایج بررسی کفایت اعضا در سازه بتنی

شکل 54: تغییر مقطع عضو با Ratio بزرگ‌تر از 1 در سازه بتنی در پنجره Overwrites

همچنین برای مشاهده مقدار آرماتورهای طولی که ایتبس برای تحمل بارهای حرارتی تیر طراحی کرده است، در پنجره Display Concrete Frame Design Results گزینه Longitudinal Reinforcing را انتخاب می‌کنیم. همان‌طور که گفته شد، آرماتورهای نهایی تیر باید حداکثر مقدار آرماتورهای طراحی‌شده در آنالیز حرارتی و مقدار آرماتورهای طراحی‌شده تحت تحلیل اولیه سازه باشد.

شکل 55: مقدار آرماتورهای طولی تیر تحت بار حرارتی

12.6. چالش‌های آنالیز حرارتی سازه در ایتبس

مدل‌سازی حرارتی با نرم‌افزار ایتبس می‌تواند چالش‌های مختلفی داشته باشد. برخی از مشکلات رایج و راه‌حل‌های پیشنهادی عبارت‌اند از:

◾️تعریف و اختصاص نادرست بارهای حرارتی: یکی از مشکلات رایج، تعریف و اختصاص نادرست بارهای حرارتی است. برای رفع این مشکل، باید اطمینان حاصل کرد که بارهای حرارتی به‌درستی و از نوع Other تعریف شده و به المان‌های خطی و سطحی اختصاص داده شده‌اند.

◾️عدم تطابق با شرایط واقعی: گاهی اوقات مدل حرارتی ممکن است با شرایط واقعی سازه تطابق نداشته باشد. برای رفع این مشکل، باید از داده‌های دقیق و معتبر دمایی استفاده کرده و با فرضیات منطقی مدل سازه را با شرایط واقعی تطبیق داد.

◾️خطاهای نرم‌افزاری: در هنگام آنالیز حرارتی سازه در ایتبس ممکن است خطاهای نرم‌افزاری مشاهده شود. برای رفع این خطاها، بهتر است از نسخه‌های به‌روز نرم‌افزار استفاده کرده و تنظیمات نرم‌افزار و ورودی‌ها را به‌دقت بررسی کرد.

◾️عدم کفایت ابعاد المان‌ها: گاهی اوقات ابعاد المان‌ها برای آنالیز حرارتی کافی نیستند. برای رفع این مشکل، باید ابعاد المان‌ها به‌دقت بررسی شده و در صورت نیاز اصلاح و تقویت شوند.

13.6. نکات تکمیلی آنالیز حرارتی سازه در ایتبس

در این بخش برخی از نکات تکمیلی آنالیز حرارتی سازه در ایتبس در قالب پرسش ارائه خواهد شد.

❓آیا در ایتبس می‌توان درز انبساط را مدل‌سازی کرد؟

در ایتبس می‌توان به‌جای اعمال بار حرارتی و آنالیز حرارتی، درز انبساط را مدل‌سازی کرد. اگر در ایتبس درز انبساط مدل‌سازی شود، این درز می‌تواند هم به‌عنوان درز انبساط و هم درز انقطاع عمل کند، فقط لازم است عرض آن به‌اندازه حداکثر مقدار درز انبساط و درز انقطاع در نظر گرفته شود. برای مدل‌سازی سازه با درز انبساط در ایتبس، می‌توان قطعات مختلف سازه را در فایل‌های جداگانه مدل‌سازی و تحلیل کرد. برخی مهندسان معتقد هستند که مدل‌سازی بخش‌های مختلف ساختمان که توسط درزهای انبساط از یکدیگر جدا شده‌اند با هم در یک مدل می‌تواند باعث بررسی بیشتر رفتار اعضای سازه‌ای مجاور درزهای انبساط شود. باید دقت کرد، درصورتی‌که قطعات جداشده سازه در یک فایل مدل‌سازی و تحلیل شود، لازم است به هر بخش دیافراگم جداگانه‌ای اختصاص پیدا کند.

❓چه نوع عایق‌بندی‌های حرارتی را می‌توان در طراحی سازه‌ها با استفاده از ایتبس در نظر گرفت؟

در ایتبس، عایق‌بندی حرارتی به طور مستقیم مدل‌سازی نمی‌شود، اما اثرات عایق حرارتی می‌تواند به طور غیرمستقیم از طریق تنظیم ویژگی‌های حرارتی مصالح و اعمال بار حرارتی (مانند تغییرات دما) در نظر گرفته شود. برای مدل‌سازی دقیق‌تر و تحلیل‌های پیچیده‌تر، معمولاً به نرم‌افزارهای تخصصی حرارتی نیاز است.

❓چگونه ایتبس می‌تواند به تحلیل اثرات حرارتی هم‌زمان با سایر بارگذاری‌ها (مثل بار زلزله یا باد) کمک کند؟

درصورتی‌که لازم باشد اثرات حرارتی هم‌زمان با سایر بارگذاری‌ها نیز در سازه تحلیل شود، می‌توان در زمان انتخاب ترکیب بارهای طراحی در مرحله قبل از تحلیل سازه، تمام ترکیبات بارگذاری اولیه سازه (مانند بارهای مرده، زنده و زلزله) را به همراه ترکیبات بار حرارتی انتخاب نمود تا طراحی نهایی تحت اثر تمام بارهای اعمال‌شده انجام گیرد. البته به دلیل تغییراتی که در دیافراگم و تیر بتنی مدل حرارتی ایجاد می‌شود، این تحلیل نمی‌تواند جایگزین تحلیل اصلی سازه باشد و فقط به‌عنوان یک بررسی کلی می‌تواند مورد ارزیابی قرار گیرد. در نهایت، تحلیل هم‌زمان اثرات حرارتی با سایر بارها به مهندسان کمک می‌کند تا رفتار سازه را در شرایط واقعی‌تر (که تحت‌تأثیر تغییرات دما و بارهای خارجی قرار دارد) بهتر پیش‌بینی و طراحی کنند.

7. آنالیز حرارتی در سایر سازه‌ها

در این بخش آنالیز حرارتی در سایر سازه‍‌ها توضیح داده شده و مبانی آن‌ها به تفصیل بیان می‌شود.

1.7. آنالیز حرارتی سوله

سوله یک نوع سازه فلزی با دهانه‌های بزرگ است که به طور عمده برای ساخت فضاهای صنعتی و انبارها طراحی می‌شود. این سازه‌ها به دلیل استفاده از سیستم قاب‌های فلزی سبک و مقاومت بالا در برابر بارهای مختلف، برای پوشش دهانه‌های وسیع بدون نیاز به ستون‌های میانی زیاد، ایده‌آل هستند. سوله‌ها در صنایع مختلف، از جمله انبارها، کارخانه‌ها، مراکز ورزشی و هوانوردی، کاربرد گسترده‌ای دارند.

برای آشنایی با روند کلی طراحی سوله‌ها می‌توانید به دوره جامع دوره جامع آموزش طراحی سوله صنعتی در سبزسازه مراجعه کنید. در این بخش به‌طورکلی به آنالیز حرارتی سوله اشاره خواهد شد.

1.1.7. نکات آیین‌نامه‌ای آنالیز حرارتی سوله

در فصل یازدهم نشریه 325 سازمان معاونت برنامه ریزی و نظارت راهبردی ریاست جمهوری با عنوان ضوابط طرح و محاسبه ساختمان‌های صنعتی فولادی درزهای انبساط و انقباض و طراح آن‌ها برای سازه‌های صنعتی فولادی (سوله‌ها) ارائه شده است. این نشریه در بند 11-1 ابتدا رابطه ΔL=αLΔt را برای محاسبه طول پیوسته سازه بین دو درز انبساط پیشنهاد می‌کند. همچنین در ادامه همین بند محدودیت‌هایی را برای بیشترین ابعاد قطعات انبساطی سوله را تعیین می‌کند.

نکات آیین‌نامه‌ای آنالیز حرارتی سوله

در بند 11-2 نشریه 325 توصیه شده است که در صورتی‌که درز انبساط در سوله تعبیه نشود، لازم است آنالیز حرارتی تحت بار حرارتی موردانتظار انجام شود. همچنین این نشریه برای محاسبه بار حرارتی سوله، پیشنهاد می‌کند که تغییرات دمایی بار حرارتی باید بر اساس بیشترین تغییرات دمایی سالانه و دمای محیط در هنگام اجرای سوله برآورد شود اما در صورت نبود داده‌های منطقه، این تغییرات دما می‌تواند در حدود 30 تا 40 درجه سانتی‌گراد برای ایران در نظر گرفته شود.

2.1.7. آنالیز حرارتی سوله در SAP2000

روند کلی آنالیز حرارتی سوله در نرم‌افزار SAP2000 مشابه با آنالیز حرارتی سازه در ایتبس است. تفاوت مهم آنالیز حرارتی در ایتبس و SAP2000 این است که در ایتبس فقط امکان اعمال بار یکنواخت حرارتی وجود دارد؛ اما در نرم‌افزار SAP2000، بارگذاری حرارتی می‌تواند به دو صورت کلی و یکنواخت یا به‌صورت گرادیان دمایی در راستای محورهای محلی عضو (محورهای 2 و 3) اعمال شود.
در حالت کلی، تغییر دما به‌صورت یکنواخت در تمام مقطع عضو اعمال شده و باعث تغییر شکل‌ و تنش‌های محوری می‌شود. اما در حالت اعمال بار حرارتی در راستای محورهای محلی، تغییرات دما به‌صورت غیریکنواخت در بخش‌های مختلف مقطع عضو اعمال شده و موجب تغییر شکل‌های خمشی در طول عضو می‌شود. انتخاب نوع بارگذاری بسته به شرایط پروژه و نحوه توزیع دما در عضو انجام می‌گیرد.

بنابراین، در تحلیل سازه‌های سوله در SAP2000، اعمال بار حرارتی یکی از عوامل مهم در طراحی و بررسی رفتار سازه تحت اثر تغییرات دمایی است. این بار می‌تواند به‌صورت دمای یکنواخت یا گرادیان دمایی تعریف شود.

برای بارگذاری سوله تحت بار حرارتی مشابه آنچه برای تعریف بار حرارتی در ایتبس ارائه شد، بار حرارتی در قسمت Load Patterns ایجاد می‌شود. برای اختصاص دادن بار حرارتی، پس از انتخاب اعضای سازه‌ای، از منوی Assign گزینه Frame Loads و در نهایت Teperature انتخاب می‌شود. در پنجره بازشده مطابق شکل 56 بعد از انتخاب بار حرارتی تعریف شده در قسمت Load Pattern و وارد کردن تغییرات دمایی موردنظر برای سوله (30 تا 40 درجه‌ سانتی‌گراد در ایران)، می‌توان بر اساس نیاز پروژه بار حرارتی را به صورت یکنواخت (Temperature) و یا با گرادیان دمایی (Temperature Gradient 2-2 یا Temperature Gradient 3-3) در قسمت Type اختصاص داد. برای بررسی آنالیز حرارتی سوله در سپ مانند ایتبس می‌توان پس از تحلیل سازه، تغییرشکل‌ها، نیروها، تنش‌ها و… را مشاهده و ارزیابی کرد.

شکل 56: اختصاص دادن بار حرارتی سوله در سپ

2.7. آنالیز حرارتی سازه‌های دریایی

آنالیز حرارتی سازه‌های دریایی و زیرآبی شامل بررسی چگونگی تأثیر تغییرات دما بر مواد و یکپارچگی کلی این سازه‌ها است. این تحلیل برای اطمینان از ایمنی و عملکرد سازه‌ها، به‌ویژه در شرایط سخت مانند محیط‌های با دمای بالا، بسیار مهم است. آنالیز حرارتی بر روی سازه‌های دریایی و زیرآبی با سازه‌های متعارف تفاوت‌هایی دارد. این تفاوت‌ها را می‌توان ناشی از عوامل زیر دانست:

◾️شرایط محیطی: سازه‌های دریایی و زیرآبی در معرض شرایط محیطی متفاوتی مانند دما، فشار آب، جریان‌های دریایی و خوردگی قرار دارند. این شرایط می‌توانند تأثیرات مختلفی بر رفتار حرارتی سازه‌ها داشته باشند.

◾️مواد سازه‌ای: مواد مورداستفاده در سازه‌های دریایی و زیرآبی باید مقاومت بالایی در برابر خوردگی و فشار آب داشته باشند. این مواد ممکن است خواص حرارتی متفاوتی نسبت به مواد مورداستفاده در سازه‌های زمینی داشته باشند.

◾️تحلیل حرارتی: در تحلیل حرارتی سازه‌های زیرآبی، باید تأثیرات دمای آب و تغییرات دمایی ناشی از جریان‌های دریایی را در نظر گرفت. این تحلیل‌ها ممکن است پیچیده‌تر از تحلیل‌های حرارتی سازه‌های زمینی باشند.

◾️روش‌های مدل‌سازی: روش‌های مدل‌سازی حرارتی برای سازه‌های دریایی و زیرآبی ممکن است نیاز به تنظیمات و پارامترهای خاصی داشته باشند که با شرایط محیطی و فیزیکی این سازه‌ها سازگار باشند.

بنابراین، آنالیز حرارتی سازه‌های دریایی و زیرآبی به دلیل شرایط محیطی و فیزیکی خاص، نیازمند روش‌های مدل‌سازی و تحلیل متفاوتی است.

3.7. آنالیز حرارتی سد

آنالیز حرارتی سد به بررسی تغییرات دما و تأثیر آن بر رفتار و عملکرد سد در شرایط مختلف آب‌وهوایی و بهره‌برداری می‌پردازد. در این آنالیز، تغییرات دما در مواد مختلف سد موردتوجه قرار می‌گیرد، زیرا این تغییرات می‌توانند باعث ایجاد تنش‌های حرارتی، ترک‌های ناشی از انبساط و انقباض و همچنین تغییر شکل‌های غیرقابل‌پیش‌بینی در ساختار سد شوند. برای انجام آنالیز حرارتی، معمولاً از مدل‌های عددی مانند روش اجزای محدود (FEM) استفاده می‌شود که به تحلیل دقیق رفتار حرارتی سد در طول زمان، به‌ویژه در فصول گرم و سرد سال، کمک می‌کند. این آنالیز به طراحان سازه سد کمک می‌کند تا از مشکلات احتمالی مانند ترک‌خوردگی یا تغییرات ناخواسته در ساختار سد جلوگیری کرده و عمر مفید سد را افزایش دهند.

4.7. آنالیز حرارتی در سازه‌های خاص

آنالیز حرارتی در سازه‌های خاص مانند پل‌ها و برج‌ها با چالش‌هایی همراه است که از جمله می‌توان به تغییرات دمایی نامتعارف، تأثیرات باد و تابش خورشید و ناهماهنگی‌های دمایی در بخش‌های مختلف سازه اشاره کرد. در پل‌ها، تغییرات دما ممکن است باعث انبساط یا انقباض غیریکنواخت در طول سازه شود که منجر به تنش‌های حرارتی و خمش‌های ناخواسته می‌شود. در برج‌ها، تفاوت دما در بخش‌های مختلف برج، به‌ویژه در طبقات مختلف، می‌تواند باعث خمش و پیچش سازه شود. علاوه بر این، سازه‌های بلند تحت‌تأثیر باد و تغییرات دمایی ممکن است با حرکت‌های دینامیکی و تأثیرات حرارتی پیچیده مواجه شوند که نیاز به مدل‌سازی دقیق و درنظرگرفتن شیب‌های دمایی در راستاهای مختلف دارد.

8. پرسش و پاسخ

نقش‌های اصلی آنالیز حرارتی در سازه‌ها چیست؟

آنالیز حرارتی در سازه‌ها نقش‌های متعددی دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به پیشگیری از آسیب‌های سازه‌ای ناشی از تغییرات دمایی، طراحی سازه‌های پایدارتر و مقاوم‌تر، بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان‌ها، افزایش راحتی ساکنان از طریق بهبود توزیع دما و جریان هوا، و پیش‌بینی عملکرد سازه در مواجهه با شرایط مختلف آب‌وهوایی اشاره کرد.

درز انبساط چیست و چه کاربردی دارد؟

درز انبساط یا درز جداکننده، درزی است که در سازه‌ها برای جلوگیری از اثرات تنش‌های ناشی از تغییرات دمایی و انبساط و انقباض مواد اجرا می‌شود. این درزها به سازه اجازه می‌دهند تا بدون آسیب به یکپارچگی خود، در اثر تغییرات دمایی انبساط یا انقباض پیدا کنند. درزهای انبساط معمولاً در بخش‌هایی از سازه که در معرض تغییرات دمایی یا حرکت‌های مکانیکی قرار دارند، به فواصل معین ایجاد می‌شوند تا از ترک‌خوردگی و تنش‌های حرارتی جلوگیری کنند.

ضریب انبساط حرارتی چیست و چگونه بر سازه‌ها تاثیر می‌گذارد؟

ضریب انبساط حرارتی یک ویژگی فیزیکی است که نشان‌دهنده میزان تغییر طول، حجم یا مساحت یک ماده در اثر تغییر دما است. این ضریب تعیین می‌کند که یک ماده در اثر هر درجه تغییر دما چقدر از ابعاد اولیه خود فاصله می‌گیرد. در سازه‌ها، این ضریب به پیش‌بینی تغییرات ابعادی مواد سازه‌ای در اثر تغییرات دما کمک می‌کند، به‌طوری‌که مواد در دماهای بالاتر معمولاً منبسط و در دماهای پایین‌تر منقبض می‌شوند.

آنالیز حرارتی در سازه‌های بتنی اهمیت بیشتری دارد یا در سازه‌های فولادی؟ و چرا؟

آنالیز حرارتی در سازه‌های فولادی اهمیت بیشتری دارد زیرا فولاد به دلیل ضریب انبساط حرارتی بالاتر و هدایت حرارتی بیشتر، نسبت به تغییرات دمایی حساس‌تر است و ممکن است دچار تغییر شکل‌های بیش‌‌ازحد شود. در حالی که بتن به دلیل ضریب انبساط حرارتی پایین‌تر و ظرفیت حرارتی بالاتر، مقاومت بیشتری در برابر تغییرات دمایی دارد. بنابراین، در سازه‌های فولادی نیاز به دقت بیشتری برای جلوگیری از مشکلاتی مانند تغییر شکل‌های اضافی و کاهش مقاومت وجود دارد.

چرا در آنالیز حرارتی سازه‌ها در ایتبس، دیافراگم صلب باید به نیمه‌صلب تغییر کند؟

در سازه با دیافراگم صلب، تمام اعضا به‌صورت یکپارچه جابه‌جا می‌شوند و به دلیل همزمانی حرکت ابتدا و انتهای تیرها، نیروی محوری ناشی از تغییرات دمایی در تیرها ایجاد نمی‌شود. برای بررسی اثرات بارهای حرارتی ، لازم است دیافراگم از حالت صلب به نیمه‌صلب تغییر داده شود تا در تیرها نیروی محوری ایجاد شود و شرایط واقعی‌تر سازه تحت بار حرارتی بهتر مدل‌سازی شود.

نتیجه‌گیری

در پایان این مقاله، انتظار می‌رود که خواننده با اصول و مفاهیم آنالیز حرارتی در سازه‌ها، اهمیت و نقش آن در طراحی ایمن و بهینه، و همچنین نحوه اجرای این تحلیل در نرم‌افزار ایتبس آشنا شده باشد. با توجه به تأثیرات چشمگیر تغییرات دمایی بر پایداری سازه‌ها، درک دقیق این مبحث می‌تواند به طراحان و مهندسان کمک کند تا تصمیمات بهتری در انتخاب مصالح، طراحی اعضای سازه و پیشگیری از مشکلات ناشی از تنش‌های حرارتی اتخاذ کنند. این مقاله، راهنمایی جامع برای ارتقای دانش فنی در تحلیل حرارتی سازه‌ها ارائه می‌دهد.

منابع

کتابخانه آنلاین عمران
مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1398
مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1399
مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1401
مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1389
آیین‌نامه بتن ایران (آبا)، جلد دوم
نشریه 325 سازمان معاونت برنامه ریزی و نظارت راهبردی ریاست جمهوری، ضوابط طرح و محاسبه ساختمان‌های صنعتی فولادی
Specification for Structural Steel Buildings, AISC 7-22
Specification for Structural Steel Buildings, AISC 360-22
Joints in Concrete Construction Reported by ACI Committee 224, ACI224.3R-95
HANDBOOK OF THERMAL ANALYSIS OF CONSTRUCTION MATERIALS

مسیر یادگیری برای حرفه ای شدن

1
مقایسه قاب خمشی و سیستم مهاربندی به زبان ساده
2
معرفی مهاربند کمانش تاب به همراه بررسی اصول طراحی بادبند کمانش ناپذیر در 8 مرحله
3
دیوار برشی فولادی؛ طراحی دیوار برشی فلزی به همراه بیان جزئیات اجرایی آن
آنالیز حرارتی سازه های بتنی و فولادی همراه با آموزش تصویری در نرم‌افزار ایتبس
5
اسکلت فلزی یا بتنی؟ مقایسه و بررسی مزایا و معایب سازه های فولادی و بتنی
6
آموزش گام به گام نحوه کنترل نامنظمی پیچشی در ایتبس
7
اصول طراحی استخر؛ بررسی گام به گام مراحل ساخت استخر و مدلسازی آن در ایتبس
46+
با 46 محتوای دیگر که شما را در این زمینه حرفه ای میکند!

مشاهده نقشه یادگیری

مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!
ارسال سوال برای تولید محتوا

دانلود رایگان فایل pdf مقاله

پیش از همه باخبر شوید!

تعداد علاقه‌مندانی که تاکنون عضو خبرنامه ما شده‌اند: 37,298 نفر

تفاوت خبرنامه ایمیلی سبزسازه با سایر خبرنامه‌ها، نوآورانه و بروز بودن آن است. فقط تخفیف‌ها، جشنواره‌ها، تازه‌ترین‌های آموزشی و ... مورد علاقه شما را هر هفته به ایمیلتان ارسال می‌کنیم.

نگران نباشید، ما هم مثل شما از ایمیل‌های تبلیغاتی متنفریم و خاطر شما را نخواهیم آزرد!

تولید کنندگان آموزش

مهندس نفیسه حبیب نژاد نویسنده
مشاهده تمامی آموزش ها
مهندس عبدالله صفایی ناظر علمی
مشاهده تمامی آموزش ها

با ارسال پنجمین دیدگاه، به بهبود این محتوا کمک کنید.

نظرات کاربران

حسین 2025/02/26
سلام ، وقت بخیر
تبدیل تیر به ستون در سازه های بتنی ، براساس کدام منبع معتبر انجام میگیرد؟ با تشکر
پاسخ دهید
مهندس مرتضی قلندری (پاسخ مورد تایید سبزسازه) 2025/03/2
سلام و عرض ادب. طبق بند ۹-۱۱-۴-۲ مبحث نهم مقرارت ملی، در صورتی که نیروی محوری وارد بر تیر ناچیز باشد (Pu<۰٫۱Agfc) می توان از وجود نیروی محوری صرف نظر کرد و فرض کرد که مقطع تحت خمش خالص قرار دارد. ولی در مواردی که نیروی محوری بیش از مقدار فوق باشد باید مقاومت مقطع بر اساس دیاگرام اندرکنش محاسبه شود. به همین منظور باید در یک مدل جداگانه این اعضا را به عنوان ستون مدل نمود تا اثرات خمش توام با نیروی محوری در طراحی آن ها در نظر گرفته شود.
پاسخ دهید
مرتضی اکبری سروری 2022/09/27
با عرض سلام و خسته نباشید و تشکر از زحمات گروه سبز سازه سوال من در قسمت آنالیز حرارتی مربوط میشه به این نکته که با توجه به تغییر رفتار پوتر به حالت ستون سطح مقطع میلگرد که بعد از تحلیل بدست می آید مربوط به کدام قسمت از پوتر می باشد ( ابتدا – وسط و یا انتهای پوتر ) ؟ آرماتور تحتانی و یا فوقانی ؟ با تشکر از لطف شما
پاسخ دهید
زهرا 2023/04/26
سلام . وقت بخیر
در ایتبس ۹٫۷٫۴ چگونه تیرها را می توان به ستون تبدیل نمود؟
پاسخ دهید