آنالیز حرارتی سازه های بتنی و فولادی همراه با آموزش تصویری در نرم‌افزار ایتبس

در این مقاله چه می‌آموزیم؟

• 1. درز انبساط چیست؟
  
  • 1.1. ضوابط مربوط به درز انبساط
• 2. چگونگی اجرا در نرم افزار ایتبس
  • 1.2. اصلاح ضرایب α
  • 2.2. تعریف بار حرارتی
  • 3.2. تنظیمات مربوط به دیافراگم پیش از اعمال بار حرارتی به اعضا
  • 4.2. تفاوت اعمال بار های حرارتی در سازه های فولادی و سازه های بتنی
  • 5.2. اعمال بارهای حرارتی به اعضای سازه
    • 1.5.2. تنظیمات پنجره مربوط به میزان درجه حرارت
  • 6.2. ترکیب بار های مورد استفاده در تحلیل حرارتی
  • 7.2. تحلیل و طراحی سازه
  • 8.2. کنترل سازه براساس بار های حرارتی اعمال شده

1. درز انبساط چیست؟

به‌عنوان مثال و برای درکی عمیق‌تر از این موضوع می‌توانیم به ریل‌های راه‌آهن اشاره کنیم که به علت طول زیاد برای اثر انبساط در ریل، آن‌ها را به قطعات کوچک‌تر و بافاصله کم تر تقسیم می‌کردند.در سازه‌های با طول یا عرض زیاد نیز می‌توان همین روش را اعمال کنیم و سازه را به بخش‌هایی تقسیم کرد تا اثر تغییر شکل‌ها محدود شود. در واقع فاصله‌ای که ایجاد می‌شود را با عنوان درز انبساط می‌شناسیم.

در آیین‌نامه‌های جدید نظیر مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399 و مبحث دهم مقررات ملی ویرایش 1392 ،بحث درز انبساط برای سازه‌ها مطرح نشده است. در اینجا ضوابط مربوط به مبحث درز انبساط که در مبحث نهم مقررات ملی 1392 آورده شده را بررسی و نتیجه‌گیری می‌کنیم.

1.1. ضوابط مربوط به درز انبساط

از آن جایی که ضوابط مربوط به درز انبساط در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399 حذف گردیده است و هم چنین در مبحث دهم مقررات ملی ویرایش 1392 نیز صحبتی نشده است، این سوال پیش می‌آید که:

❓ پس در هر شرایطی ضوابط مربوط به درز انبساط را در نظر نگیریم و در واقع حذف شده‌اند؟

برای پاسخ به این سوال ابتدا ضوابط مربوط به بند درز انبساط موجود در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1392 را بررسی می‌کنیم که به نتیجه‌گیری جامعی در این موضوع برسیم.

پس در واقع طبق این بند مبحث نهم مقررات ملی ویرایش 1392 برای درنظرگرفتن اثرات تغییرات حرارت دو راه‌حل پیش روی داریم:

1. پلان را به چند قسمت مطابق ضوابط مبحث نهم مقررات ملی ویرایش 1392 تقسیم کنیم و بین آن فاصله‌ای به‌عنوان درز انبساط قرار دهیم.
2. آنالیز حرارتی انجام بدهیم و تغییرات ∆t را در طراحی سازه در نظر بگیریم.

البته قابل ذکر است که این بند نیز طبق اصلاحیه مبحث مقررات ملی ویرایش 1392 نیز حذف شده است. اما در آیین‌نامه آبا جلد دوم طبق بند 10-2-3 بحث درز انبساط مطرح شده است که داریم:

طبق بندهای بررسی شده از مبحث نهم مقررات ملی ویرایش 1392 و جلد دوم آیین‌نامه آبا داریم:

∆L=L.∝.∆T

مقدار ∝ برای بتن طبق مبحث نهم مقررات ملی ویرایش 1399 :

∝ =10×10^-6

مقدار ∝ برای فولاد طبق مبحث دهم مقررات ملی ویرایش 1392 :

∝ =12 × 10^-6

همان‌طور که می‌بینیم و قبلاً ذکر کردیم در مبحث نهم مقررات ملی ویرایش 1399 و هم چنین مبحث دهم مقررات ملی 1392 در مورد درز انبساط و بارگذاری حرارتی صحبتی نشده است و ممکن است این برداشت شود که نباید در نظر بگیریم،

باتوجه‌به اینکه ترکیبات بار حرارتی در مبحث ششم مقررات ملی ویرایش 1398 آورده شده است و باتوجه‌به اینکه محدودیت برای آن در نظر گرفته نشده است، لذا بحث تغییرات درجه حرارت و بارگذاری حرارتی در تمامی سازه‌ها چه سازه فولادی و چه سازه بتنی، همیشه و بدون درنظرگرفتن هرگونه محدودیتی باید در نظر گرفته شود.
از طرفی این موضوع ممکن است باعث ایجاد نگرانی در مهندسین طراح سازه شود که:

❓ پس با درنظرگرفتن همیشگی این موضوع، همواره بحرانی می‌شود و باعث افزایش میزان میلگردها در سازه‌های بتنی می‌گردد؟

خیر همواره این‌طور نیست و طبق تجربه مهندسی معمولاً در پلان‌های با طول کمتر از 30 متر تأثیرگذار نخواهد بود، اما به‌هرحال باید این موضوع لحاظ شود و سازه طبق بارگذاری حرارتی مورد کنترل قرار گیرد.

2. چگونگی اجرا در نرم‌افزار ETABS :

1.2. اصلاح ضرایب ∝

مرحله اول به این صورت انجام می‌شود که ابتدا مقدار ضریب ∝ در قسمت مصالح را اصلاح می‌کنیم:

Define<Material Properties<   نوع متریال مورد اصلاح را انتخاب می‌کنیم

در مورد نوع متریال، همان‌طور که می‌دانیم قبلاً مصالحی برای بتن و هم چنین برای فولاد تعریف کرده‌ایم. مصالح بتنی که تعریف کرده‌ایم شامل C25 و مصالح فولادی AII و AIII می‌باشند.

در ادامه برای اصلاح این ضریب، روی مصالح موردنظر کلیک کرده و مراحل زیر را انجام می‌دهیم:

▪️ مصالح بتنی

C25<Modify/ShowMaterial Properties

در این قسمت پنجره Material Property Data مطابق تصویر باز می‌شود که در قسمت سوم این پنجره یعنی Mechanical Property Data ، تنظیمات مربوط به ضریب ∝ ، با نام Coifficient Of Thermal Expansion نوشته شده است. مقدار آن را برای مصالح بتنی طبق مبحث نهم مقررات ملی ویرایش 1399 برابر عبارت زیر قرار می دهیم:

∝ =10×10^-6

 همچنین برای دیگر مصالح بتنی به همین روش قابل انجام می‌باشد.

▪️ مصالح فولادی

برای مصالح فولادی نیز تمامی مراحلی که برای مصالح بتنی توضیح داده شده را طی می‌کنیم.

مطابق تصویر مصالح فولادی مورد اصلاح را انتخاب می‌کنیم و در قسمت ضریب حرارتی مقدار آن را برای مصالح فولادی طبق مبحث دهم مقررات ملی ویرایش 1392 برابر عبارت زیر قرار می دهیم.

2.2. تعریف بار حرارتی

در مرحله بعدی نیاز داریم که باری به‌عنوان بار حرارتی تعریف کنیم که آن را Temp نام‌گذاری می‌کنیم و مراحل زیر را انجام می‌دهیم:

Define<Load Patterns<Temp<Other<Ok

در این قسمت بار حرارتی با نام Temp تعریف می‌کنیم و در قسمت Type نوع آن را Other انتخاب می‌کنیم.

3.2. تنظیمات مربوط به دیافراگم پیش از اعمال بار حرارتی به اعضا

قبل از اعمال بارها به اعضا، این موضوع را در نظر می‌گیریم که دیافراگم حتماً از نوع نیمه صلب (Semi Rigid) باشد.

علت این موضوع هم این است که چون تغییرات درجه حرارت بر روی تیرها هم تأثیرگذار است و نیرویی که ایجاد می‌کند از نوع نیروی محوری است درصورتی‌که دیافراگم از نوع صلب (Rigid) باشد هیچ‌گونه نیروی محوری در تیر ایجاد نمی‌شود و در این صورت تأثیر تغییرات درجه حرارت بر روی تیرها قابل‌بررسی نمی‌باشد.

پس هم می‌توانیم از همان ابتدای پروژه دیافراگم را نیمه صلب (Semi Rigid) در نظر بگیریم یا اگر بعد از بررسی متوجه شدیم دیافراگم از نوع صلب (Rigid) است آن را به دیافراگم نیمه صلب (Semi Rigid) تغییر می‌دهیم.

مراحل زیر را طی می‌کنیم:

▪️ ابتدا تمامی کف ها را انتخاب می‌کنیم:

Select<Select<Object Type<Floors

▪️ سپس باتوجه‌به این که قبلاً دیافراگم نیمه صلب را در نرم‌افزار تعریف کرده‌ایم، به کف‌های انتخاب شده اعمال می‌کنیم.

Assign<Shell<Diafragms<D1(Semi Rigid)

همان‌طور که در تصویر نشان‌داده‌شده، دیافراگم D1 به‌عنوان دیافراگم نیمه صلب (Semi Rigid) تعریف شده است.

4.2. تفاوت اعمال بارهای حرارتی در سازه‌های فولادی و سازه‌های بتنی

در سازه فولادی با درنظرگرفتن دیافراگم نیمه صلب نیازی به اعمال تغییرات دیگری نیست و بار حرارتی در طراحی و دیزاین در نظر گرفته می‌شود. اما در مورد سازه بتنی نیاز به اعمال تغییرات دیگری نیز هست که در ادامه مورد بررسی قرار می‌دهیم. در سازه‌های بتنی همان‌طور که می‌دانیم و در تصاویر هم قابل‌مشاهده است برای طراحی ستون‌ها گزینه P-M2-M3 Design را انتخاب می‌کنیم یعنی طراحی هم برای نیروی محوری و همچنین لنگر خمشی حول محورهای 2 و 3 انجام می‌شود.

برای تیرها گزینه M3 Design را انتخاب می‌کنیم یعنی تیرها فقط برای لنگر خمشی حول محور 3 طراحی می‌شوند و نیروی محوری تیرها در طراحی در نظر گرفته نمی‌شود. از آن جایی که نیاز است در طراحی تیرها نیز نیروی محوری در نظر گرفته شود برای رفع این مشکل و اعمال اثر نیروی محوری در طراحی تیرها، آن‌ها را به‌صورت ستون در نظر می‌گیریم.

برای اعمال این تغییرات مراحل زیر را انجام می‌دهیم:

▪️ ابتدا از فایل اصلی پروژه Save As می‌گیریم و سپس فایل جدید را با نام Temp ذخیره می‌کنیم.

▪️ طبق مطالب گفته شده، پس تیرها را انتخاب می‌کنیم و به‌عنوان ستون در نظر می‌گیریم که اثر نیروی محوری نیز در نظر گرفته شود.

در پروژه موردنظر تیرهایی که در نظر گرفتیم B40×40 هستند.

Define<Section Properties<Frame Section<B40X40

▪️ در پنجره باز شده همان‌طور که در تصویر نیز می‌بینیم در قسمت Reinforcement گزینه Modify/Show Rebar را انتخاب می‌کنیم.

▪️ پنجره جدیدی باز می‌شود که در قسمت Design Type که در حالت تیر بر روی گزینه M3 Design Only است، گزینه P-M2-M3 Design را انتخاب می‌کنیم که در واقع تبدیل به ستون می‌شود.

▪️ از طرفی چون گزارش میزان آرماتورها را می‌خواهیم پس در قسمت Check/Design گزینه Reinforcement To Be Designed را انتخاب می‌کنیم.

با اعمال این تغییرات مشکل مربوط به اثر نیروی محوری تیرها در سازه بتنی برطرف می‌شود و این مرحله به اتمام می‌رسد.

5.2. اعمال بارهای حرارتی به اعضای سازه

نکته مورد بررسی دیگر این است که:

❓ بارهای حرارتی را به کدام اعضا وارد کنیم؟

از آن جایی که در آیین‌نامه مطرح نشده است ولی در جهت اطمینان به‌تمامی اعضا شامل تیرها، ستون‌ها، کف ها و دیوارها اعمال می‌کنیم.

پس به دو قسمت تقسیم می‌کنیم:

قسمت اول شامل تیرها و ستون‌ها می‌شود، درصورتی‌که سازه فولادی باشد و مهاربند نیز داشته باشد مهاربندی نیز در این قسمت قرار می‌گیرند و قسمت دوم کف ها و دیوارها می‌شوند. علت به دو قسمت تقسیم کردن این است که تیرها و ستون‌ها در زمان اعمال بار Frame loads و کف ها و دیوارها Shell loads می‌باشند.

▪️ قسمت 1 :

تیرها و ستون‌ها را انتخاب می‌کنیم

Select< Select<Object Type<Beams & Columns

سپس به آن‌ها بار حرارتی را اعمال می‌کنیم

Assign<Frame Load<Tempreture

1.5.2. تنظیمات پنجره مربوط به میزان درجه حرارت

پنجره جدیدی باز می‌شود که در این پنجره گزینه‌ها را مورد بررسی قرار می‌دهیم در قسمت load Pattern Name بار حرارتی Temp که از قبل تعریف کرده بودیم را انتخاب می‌کنیم.

در قسمت Object Tempreture یعنی بحث درجه حرارت داریم:

طبق آیین‌نامه معمولاً بین 25 تا 30 درجه در نظر گرفته می‌شود اما این که (+) اعمال شود یا (-) به دو روش امکان‌پذیر است

1. روش اول این که در این قسمت 30+ در نظر بگیریم اما در ترکیب بارها هم 30+ و هم 30- را تعریف کنیم که هر دو در نظر گرفته شوند.
2. روش دوم به این صورت است که در قسمت قبل برای تعریف بار حرارتی، دو بار به‌صورت جداگانه یعنی +Temp و –Temp تعریف کنیم اما در این صورت در ترکیب بارها دیگر + و – وارد نمی‌کنیم.

در این پروژه روش اول را انجام می‌دهیم، پس مقدار Uniform Tempreture Change را برابر 30+ وارد می‌کنیم.

در قسمت End Joint Tempreture Option از آن جایی که می‌خواهیم تغییرات درجه حرارتی برای قسمت ابتدایی و انتهایی تیر و ستون هم در نظر گرفته شوند پس گزینه Include Effects Of Joint Tempretures را تیک می‌زنیم.

▪️ قسمت 2:

کف ها و دیوارها را انتخاب می‌کنیم و بار حرارتی را اعمال می‌کنیم با این تفاوت که در هنگام اعمال باید shell loads را انتخاب کنیم.

Select<Select<Object Type<Floors & Walls

سپس تمامی مراحل قبلی را برای این قسمت نیز انجام می‌دهیم.

6.2. ترکیب بارهای مورداستفاده در تحلیل حرارتی

در این قسمت ترکیب بارهای مورداستفاده برای تحلیل حرارتی را بررسی می‌کنیم. مطابق بند 6-2-3-2 مورد (چ) از مبحث ششم مقررات ملی ویرایش 1398 داریم:

پس این ترکیب بارها را با نام Temp تعریف می‌کنیم و گسترش می‌دهیم.

Define<Load Combinations<Add New Combo

پنجره جدیدی باز می‌شود که در این قسمت ترکیب بارها را با نام‌گذاری تعریف می‌کنیم. بعد از تعریف ترکیب بار Temp 1، بقیه ترکیب بارها را با انتخاب گزینه Add Copy Of Combo اصلاح و نام‌گذاری می‌کنیم.

حالات ترکیب بار شماره 1 :

تمامی این ترکیب بارها را تعریف می کنیم و در نهایت 8 ترکیب بار Temp داریم.

7.2. تحلیل و طراحی سازه

بعد از انجام مراحل قبل، سازه را تحلیل می‌کنیم. از آن جایی که پروژه موردنظر بتنی است برای انتقال ترکیب بارهای حرارتی را به قسمت طراحی مراحل زیر را انجام می‌دهیم.

Design<Concrete Frame Design<Select Design Combinations

پنجره جدیدی باز می‌شود که در ترکیبات بار حرارتی را از Temp 1 تا Temp 8 که در سمت چپ قرار دارند به سمت راست یعنی قسمت Design Combinations انتقال می‌دهیم.

سپس سازه را بر اساس این ترکیبات بار طراحی می‌کنیم.

در حالت کلی

✔️ اگر سازه بتنی باشد:

Design<Concrete Frame Design<Start Design/Check

✔️ اگر سازه فولادی باشد:

Design<Concrete Frame Design<Start Design/Check

هم چنین می‌توانیم از کلید میان بر Shift+F6 نیز استفاده کنیم و سازه را طراحی کنیم.

8.2. کنترل سازه بر اساس بارهای حرارتی اعمال شده

بعد از اینکه سازه طراحی شد از آن جایی که طبق تنظیماتی که انجام داده‌ایم میزان آرماتورها هم برای ستون‌ها و هم برای تیرها نشان داده می‌شود، کنترل می‌کنیم.
اگر در قسمت‌هایی از تیر یا ستون یا هر قسمت دیگر میزان آرماتور بیشتری گزارش شده باشد، آن را مبنای طراحی قرار می‌دهیم.

منابع

1. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1392.
2. کتابخانه آنلاین سبزسازه
3. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1399.
4. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1398.
5. آیین‌نامه بتن ایران، جلد دوم، مصالح و اجرا، نشریه شماره 120-2
6. آیین‌نامه ASCE7 ویرایش سال 2010 آمریکا
7. راهنمای نرم‌افزار ایتبس 2017 –ETABS2017Documentation1