مدلسازی سازه و عملکرد سیستم سازه ای

مدلسازی سازه و عملکرد سیستم سازه ای
سپس نوبت به مدلسازی و ترسیم سازه می رسد . این ترسیم بدون کمک Gridline و نقاط کمکی امکانپذیر نیست . ستون ها و تیرها و سقف های سازه مدل شده و شکل کلی سازه قابل رویت خواهد بود . باید دقت داشته باشیم که مدلسازی ما بدون ایراد باشد و کاملا صحیح باشد . نکته بسیار مهم در این بخش دید مهندسی و استفاده از تجارب گذشته است تا یک حدس اولیه برای ابعاد ستون ها در تمامی طبقات داشته باشیم . زیرا این ابعاد بر سختی سازه موثر است و اگر ما همپایه سازی انجام دهیم به وضوح این تغییرات سختی پس از تغییرات ابعاد ستون را می توانیم مشاهده کنیم . بهتر است ستون ها با حداقل درصد میلگردها قرارداده شود و در صورت نیاز آن را بعدا افزایش داد .

مدلسازی سازه و عملکرد سیستم سازه ای

نکته حائز اهمیت دیگر توجه به محدودیت های هندسی اعضای خمشی (مثلا حداقل بعد ستون مربع 30سانتیمتر و حداقل قطر ستون دایره 25 سانیتمتر است ) و طول مهاری میلگردها ( طول مهاری : حداقل طول میلگرد در بتن که می تواند تکیه گاه آرماتورتا حد جاری شدن باشد ) در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان است . باید توجه داشت که سیستم قاب خمشی متوسط است یا ویژه زیرا ضوابط آن متغیر است .

مدلسازی سازه و عملکرد سیستم سازه ای

* در برخی موارد ما ملزم به استفاده از قاب خمشی ویژه هستیم :

1) ساختمانی با اهمیت خیلی زیاد در مناطق خطر لرزه ای نسبی خیلی زیاد واقع شده باشد . ( بطور مثال بیمارستان ، مراکز آتش نشانی و … در شهر تهران )

2) در صورتی که ارتفاع سازه از حداکثر ارتفاع قابل ساخت طبق جدول 2800 بیشتر باشد .

مدلسازی سازه و عملکرد سیستم سازه ای

قاب خمشی بتنی ویژه دارای ضریب رفتار 7.5 و قاب خمشی بتنی متوسط دارای ضریب رفتار 5 است . طبق رابطه ضریب زلزله می توان دریافت که ضریب زلزله در قاب خمشی ویژه مقدار کمتری خواهد بود . در نتیجه قاب خمشی ویژه در برابر نیروی زلزله کمتری طراحی و همچنین قاب خمشی ویژه خاصیت شکل پذیری ،انعطاف و رفتارغیرخطی مناسبتری داشته و طبیعتاً انرژی بیشتری را در هنگام وقوع زلزله مستهلک می کند .

اما نکته مهم آن است که سازه های دارای قاب خمشی ویژه محدودیتهای زیادی وجود دارد که این محدودیتها می تواند منجر به غیر اقتصادی شدن  سازه شود.

مدلسازی سازه و عملکرد سیستم سازه ای

قاب خمشی ویژه با Cd = 5.5  دارای حداکثر دریفت مجاز کمتری نسبت قاب خمشی متوسط با Cd = 4.5  است، یعنی جابجایی نسبی طبقات باید کمتر باشد .

بطور مثال الزام به وصله میلگردها در وسط اعضا ، ارضای رابطه تیر ضعیف _ ستون قوی ، افزایش سایز ستون ها جهت مهار میلگرد تیر و فشردگی در سازه فولادی و رعایت ضابطه برش گره اتصال وجود دارد . در قاب خمشی ویژه جهت افزایش شکل پذیری میلگردهای عرضی در فواصل کمتری در طول بحرانی ویا غیربحرانی ستون از یکدیگر قرار گرفته و تعداد سنجاقی ها نیز افزایش می یابد که اجرای آن را سخت تر میکند . در حالت کلی نیز وزن میلگردها از قاب خمشی متوسط بیشتر و وزن بتن مصرفی کمتر خواهد بود .

مدلسازی سازه و عملکرد سیستم سازه ای

رعایت محدودیت ارتفاع ( حداقل و حداکثر ) ، عرض و خروج از مرکزیت تیرها نسبت به ستون از نکات مهم دیگری است که باید به آن توجه شود .

مدلسازی سازه و عملکرد سیستم سازه ای

 در دهانه های بلند خمش و در دهانه های کوتاه برش در طراحی تیرها حاکم است . بطور مثال یک قطعه چوبی با ضخامت 3 سانتیمتر اگر دارای طول 2 متر باشد بسیار ساده تر از از قطعه چوبی 10 سانتی با همان ضخامت خم می شود .

دلیل استفاده ما از سقف های وافل کاهش تعداد ستون هاست زیرا قابلیت ساخت تا دهانه 18 متر را دارا می باشند . بی تردید این کاهش تعداد ستون ها خود مسبب کاهش سختی و افزایش دریفت سازه و به ناچار افزایش ابعاد ستون ها و تیرها است اما در نهایت طی انجام متره برآورد و مقایسات متعدد مشاهده شده است با اینکه ابعاد ستون ها یا المان های دیگر بزرگتر شده اما بسیار اقتصادی تر می باشد زیرا بتن سقف علی الخصوص در پروژه های وسیع تر بسیار کمتر از دال های تخت دوطرفه دیگر خواهد بود و نسبت به تیرچه بلوک های غیر استاندارد کیفیت بهتری خواهد داشت .

سقف دال وافل به چهار صورت می تواند نیروی خود را به المان های عمودی سازه ( ستون ها ) منتقل کند که باید در مدلسازی نیزمدنظر قرار گیرد :

1) بصورت متکی بر تیرهای آویز دار بین ستون ها

2) بصورت متکی بر تیرهای مخفی (تیر هم ضخامت با سقف )بین ستون ها

3) اتکاء سقف بصورت مستقیم برروی ستون ها با سرستون

4) اتکاء سقف ها بصورت مستقیم برروی ستون ها بدون سرستون

همانطور که ذکر شد قابلیت مهم سقف های وافل دهانه های بلند آنها می باشد. این دهانه های بلند خود باعث کاهش تعداد ستون ها و افزایش طول تیرها خواهد شد. و این عامل جابجایی زیادتر از طبقات ( دریفت ) خواهد بود و به ناچار ما در اکثر موارد مجبور به تعبیه دیوار برشی هستیم . اما اگر پلان معماری طرح شده امکان ایجاد دیوار برشی را به ما ندهد ما وادار به افزایش ارتفاع تیرها برای کنترل دریفت خواهیم شد که همین امر ممکن است ضابطه مهم تیر ضعیف _ ستون قوی را نقض کند ( علی الخصوص در قاب خمشی ویژه که ملزم به ارضای این ضابطه هستیم ) یعنی ابعاد تیر بیشتر از ابعاد ستون شود و در نهایت ظرفیت خمشی تیرها بیشتر از ستون ها شده و عکس رابطه پدید آید.

همانطور که مستحضرید در صورت خرابی یک تیر، در المان های مجاور توزیع نیرو می تواند ادامه پیدا کند و سازه میتواند پایداری خود را حفظ کند. ولی خرابی یک ستون می تواند موجب collapse (فروپاشی و ریزش) کل سازه شود. تمام آیین نامه های لرزه ای با در نظر گرفتن این موضوع بر لزوم رعایت اصل تیر ضعیف ستون قوی تاکید می کنند. در واقع کاری که ما انجام میدهیم آن است که مفصل پلاستیک در تیرها (برِ ستون) تشکیل شود . دو دلیل برای جلوگیری از تشکیل مفصل پلاستیک در ستون ها وجود دارد :

 1)) بار محوری وارده بر ستون ها اجازه دوران کافی به ستون را نمی دهد . 2)) پایداری سازه مربوط به ستون است .

در هنگام وقوع زلزله به نظر شما خطر جانی خرابی کدام یک بیشتر است ؟ تیر و یا ستون ؟ طبعاً جواب باید تیر باشد زیرا خرابی تیر ها صدمه ای به کلیت سازه وارد نمیکند اما خرابی ستون ها منجر به اضمحلال کل سازه و آوار شدن سقف برروی ساکنین داخل ساختمان خواهد شد . به این دلایل بسیار مهم ، ابعاد ستون ها باید حداقل برابر و یا بزرگتر از تیرهای متصل کننده و هسته اتصال مقاومت و شکلپذیری کافی داشته باشد .

این مفاصل پلاستیک در سازه به تدریج و یک به یک تشکیل می شود و عملکرد آنها به این نحو است که خود المان به تسلیم رسیده است اما انتقال نیروها توسط مفصل پلاستیک که مانند یک تکیه گاه مفصلی عمل کرده و هیچگونه مقاومت خمشی ندارند آن را به اعضایی که ظرفیت خمشی بیشتری دارند منتقل می نمایند که به این عملکرد بازتوزیع لنگر گفته می شود . هر چقدر ضریب نامعینی ما در سازه بیشتر باشد ، شکل پذیری و جذب نیرو و مستهلک سازی آن توسط سازه زیادتر خواهد شد. می توان تیرها را در قاب خمشی  فیوز سازه دانست و همانطور که میدانید وظیفه فیوز ، قطع جریان است تا دیگر قطعات و یا مقاطع آسیب نبینند.

 هرچه تعداد مفاصل پلاستیک بیشتر باشد جذب انرژی سازه بیشتر خواهد بود پس باید سعی ما برهرچه نامعین تر کردن سازه باشد و این مهم با گیردار کردن اتصالات تیر و ستون ممکن است . ( البته در سازه بتنی ناخودآگاه تمامی اتصالات گیردار است مگر آنکه آرایش میلگرد خاصی مدنظر قرار گیرد که هرچند با این عمل نیز با نظر برخی مهندسین اتصال مفصلی ایجاد نخواهد شد .)

شاید به همین دلایل است که درست ترین روش تحلیل سازه روش تحلیل غیرخطی (استاتیکی push over ) و (دینامیکی تاریخچه زمانی ) است زیرا در واقع سازه وارد محدوده غیرخطی می شود و عمده استهلاک انرژی در آن قسمت است . تحلیل غیر خطی اجازه فرض سختی ثابت در حین تغییر شکل را به ما نمیدهد. سختی در طی مراحل تغییر شکل، متغیر است و ماتریس سختی [K] باید در هنگام مراحل حل مسائل بصورت مداوم تغییر کند. هر چند این تکرار باعث افزایش زمان تحلیل سازه ها میشود اما جوابی که در نهایت می گیریم درصورت صحت تحلیل دقیق تر است .

هرچند تحلیل خطی الاستیک نتایج قابل قبولی از ظرفیت سازه به ما نشان میدهد اما با این حال قادر به پیش بینی مکانیزم شکست سازه و چگونگی بازتوزیع نیرو و لنگرها در حین تسلیم های پی در پی نبوده و نتایج قابل اطمینانی در مورد میزان تغییر شکل های پلاستیک و در نتیجه میزان آسیب های سازه ای در اختیار نمی گذارد.

از لحاظ شکل پذیری به سه دسته زیاد ، متوسط و کم تقسیم بندی می شوند که بطور مثال ساختمان هایی مثل بیمارستان ها باید شکل پذیری کم و رفتار خطی داشته باشند . علت آن این است که تغییر مکان در این سازه ها باید بسیار اندک باشد تا جابجایی وسایل و تجهیزات درمانی در بخش ها و اتاق عمل حرکت نکنند .

مرحله بعد ما اعمال ضرایب ترک خوردگی المان ها می باشد . ضرایب ترک خوردگی که برای هر نیرو تحت و یا حول محور ها اعمال می شود نمایشگر این است که آن المان چه مقدار از آن نیرو را حول یک محور بپذیرد. بطور مثال ما در تیرها ضریب ترک خوردگی خمش حول محور 2 (محور عمود بر افق) را 1 در نظر میگیریم زیرا حول آن محور هیچ خمشی بر آنها وارد نمی شود و حول محور 3 (محور افقی ) 0/35 وارد میکنیم یعنی تیر حول محور 3 تنها 35درصد نیروی خمشی را پذیرا باشد. در حالت سازه پایدار ، مهارشده و مقاطع بدون ترک این میزان برای ستون ها 1 و برای تیرها 0/5 خواهد بود .

بعد از ترک خوردن مقطع بتنی بخشی از ارتفاع مقطع غیر قابل پذیرش بوده و در واقع مقاومت اندکی دارد . این میزان کاهش در ستون 10درصد و در تیرها حدود 30درصد است . طبق فرمول ممان اینرسی  اگر 0/9 را به توان سه برسانیم حدود 0/7شده و با به توان سه رساندن میزان 0/7 به عدد 0/35 خواهیم رسید.

باید به یاد داشت که محل اتصال ستون ها به فنداسیون باید گیردار در نظر گرفته شود که با انتخاب تکیه گاه و به کمک منوی joint  و restraints می توان حرکت و چرخش آن را در تمام جهات محدود کرد .