ابعاد تمام ستون‌ها، حداقل یک متر است. ارتفاع تمام تیرها، از یک متر تجاوز می‌کند. در یک ساختمان مسکونی، ستون‌ها جایی برای نشستن مهمانان باقی نگذاشتند و ماشین‌ها در پارکینگ‌ها جا نمی‌شوند. همه این اتفاقات میفتاد اگر معجزه شکل پذیری نبود! شکل پذیری ناجی جیبِ سازنده و عصای دست طراح سازه است. یک طراح حرفه‌ای، با استفاده از شکل پذیری صدها میلیون تومان صرفه جویی و در واقع فولاد را پس انداز می‌کند.
در این مقاله، مو به مو شکل پذیری را بررسی می‌کنیم. اینکه طراح سازه چگونه با استفاده از شکل پذیری، سازه را در برابر زلزله در امان نگه می‌دارد. چرا شکل پذیری سپر بلای سازه و برگ برنده سازه در جنگ با زلزله است. همچنین به روش‌های مختلفِ استفاده از شکل پذیری برای سبک‌تر شدن سازه می‌پردازیم و بسیاری از باورهای غلط در مورد شکل‌پذیری را بررسی می‌کنیم. حتما تا انتهای این مقاله را مطالعه کنید.
در این مقاله چه چیزهایی یاد میگیریم؟
شکل پذیری در سازه چیست؟ مفهوم شکل پذیری
به توانایی تغییر شکل در ناحیه غیر الاستیک، شکل پذیری می‌گویند. مفهوم شکل پذیری در سازه، مفهومی مشابه با شکل پذیری فولاد است. رفتار فولاد تحت اثر بار، یک رفتار الاستوپلاستیک است. به این معنی که ابتدا تحت بار، تنش های داخلی در آن ایجاد می‌شود و تغییر شکل می‌دهد. اگر این تغییر شکل‌ها، از یک حد معین بگذرد، فولاد دیگر به حالت اولیه باز نمی‌گردد. تا قبل از این مرحله، فولاد رفتاری برگشت پذیر دارد یعنی بعد از باربرداری، به حالت اولیه خودش باز می‌گردد اما اگر از حد تنش جاری شدگی (Fy) یا yeilding عبور کند، پس از باربرداری به حالت اولیه خودش باز نمی‌گردد.
خاصیت فولاد شکل پذیر این است که بعد از جاری شدگی، مدول الاستیسیته (E) آن به شدت کاهش می یابد. در نتیجه کرنش های ماندگار خیلی زیادی در آن ایجاد می‌شود.
پس تا اینجا متوجه شدیم رفتار فولاد، در ناحیه الاستیک، باعث تغییر شکل‌های الاستیک (برگشت پذیر) و رفتار فولاد در ناحیه پلاستیک، منجر به تغییر شکل‌های غیر الاستیک می‌شود. نسبت کرنش غیر الاستیک به کرنش الاستیک مصالح بیانگر میزان شکل پذیری آن مصالح است. شکل پذیری را با µ نشان می‌دهند. بنابراین هرچه نسبت تغییر شکل‌های غیر الاستیک فولاد به تغییر شکل‌های الاستیک آن بیشتر باشد؛ شکل پذیری آن بیشتر است.
یک باور غلط
خیلی از مدرسان و مهندسین، شکل پذیری (Ductility) را با انعطاف پذیری (Flexibility) یکی می‌دانند. در حالی که انعطاف پذیری خاصیتی برگشت پذیر در مصالح است.
مثلا وقتی یک درخت (که خشک شده است) تحت اثر نیرو خم می‌شود و پس از برداشتن نیرو به حالت اولیه خودش باز می‌گردد، نشان دهنده‌ی انعطاف پذیری آن درخت است نه شکل پذیری آن.
وقتی یک انسان داخل اتوبوس ایستاده و تحت اثر شتاب (ترمز ناگهانی یا گاز دادن سریع) خم می‌شود یا فرم بدنش تغییر می‌کند، بیانگر flexibility است نه شکل‌پذیری.
تغییر شکل خط کش فلزی و پاک کن خمیری نیز، بیانگر انعطاف پذیری آن‌هاست، نه شکل پذیری.
نقطه مقابل شکل پذیری چیست؟
در مقابلِ مصالح شکل پذیر (ductile)، مصالح ترد (brittle) وجود دارند. مصالح ترد، برخلاف مصالح شکل پذیر، تغییر شکل‌های غیرالاستیک قابل توجهی ندارند. در نتیجه پس از تحمل مقداری بار به طور ناگهانی و ترد می‌شکنند.
مثلاً فولاد پر کربن، با اینکه مقاومت بیشتری دارد، اما پس از تحمل حداکثر تنش، به طور ناگهانی می‌شکند.
در حالی که مصالح شکل پذیر پس از جاری شدن (مثل خمیر پیتزا) کش می‌آیند. (البته خمیر پیتزا مثالی اغراق آمیز است و فولاد قطعا تغییر شکل های کمتری می‌دهد.)
توجه کنید که کش آمدن به تعبیر الاستیکیِ آن نیست. منظور از این کش آمدن، رفتار خمیری است. رفتاری که برگشت ناپذیر است.
در شکل زیر، رفتار دو مصالح شکل پذیر (فولاد کم‌کربن) و ترد (فولاد پرکربن) را مشاهده می‌کنید. همانطور که در شکل مشخص است در المان شکل پذیر؛ استهلاک انرژی بدون افت قابل توجه در مقاومت رخ می‌دهد.(سطح زیر نمودار، بیانگر میزان استهلاک انرژی است)
حتما این سوال برای شما پیش می‌آید که مصالح ترد، مقاومت بیشتری دارند. پس چرا ما از مصالح شکل پذیر (با این که مقاومت کمتری دارند) در سازه استفاده می‌کنیم. جواب ساده است. به دو دلیل در اکثر سازه‌ها باید از شکل پذیری استفاده کنیم.
چرا از شکل پذیری استفاده می‌کنیم؟
دلیل اول آنکه مصالح ترد، خرابیِ ناگهانی و بدون اخطار دارند. در حالی که مصالح شکل پذیر، خرابی ناگهانی ندارند و با جاری شدگی، مقدار زیادی انرژی را در خود جذب می‌کنند. تصور کنید در یک زلزله، شما در خانه خود نشسته‌اید و ناگهان بدون هیچ اخطارِ قبلی، سازه روی سر شما خراب می‌شود (خدایی ناکرده). در نقطه مقابل، در هنگام زلزله، شما متوجه آن می‌شوید و فرصت کافی برای فرار و آمادگی دارید.
حتما با خود می‌گویید با استفاده از مصالح ترد، مقاومت سازه به خوبی بالا می‌رود که در برابر زلزله اصلا آسیب نبیند.
تبریک می‌گویم! دقیقا درست فکر می‌کنید! اما برای اینکه سازه، در برابر زلزله آسیب نبیند و المان های آن جاری نشود، ابعاد مقاطع و جنس مصالح طوری طراحی می‌شوند که هزینه اجرایی شدنِ آن بسیار زیاد است. در واقع ما با استفاده از مصالح ترد کل سازه را هنگام زلزله در ناحیه خطی نگه می‌داریم و متحمل هزینه‌های سنگین می‌شویم. اما با استفاده از شکل پذیری، بخشی از نیروی زلزله را ناحیه خطی تحمل می‌کند. اگر نیروی زلزله از ناحیه خطی تجاوز کرد؛ ناحیه غیرخطی انرژی آن را مستهلک می‌کند. با این استراتژی، سازه بسیار ارزان‌تر و سبک‌تر ساخته می‌شود.
شکل پذیری سازه
تا اینجا به خوبی متوجهِ مفهوم ذاتیِ شکل پذیری شُدید. مفهوم شکل پذیریِ سازه نیز به همان سادگیست. اگر در هنگام زلزله، هیچ کدام از المانها جاری نشود؛ سازه رفتاری کاملاً پلاستیک دارد. اما اگر المانها شروع به جاری‌شدن کنند؛ رفتار سازه فرق می‌کند.
با جاری شدن هر المان، سازه یکی از چند سرباز خود برای مقابله با زلزله را از دست می‌دهد. (البته این سرباز با جذب بخشی از نیروی زلزله وظیفه خود را در حق سازه ادا می‌کند)
با جاری شدن هر المان، مقاومت سازه در برابر تغییر شکل کم می‌شود. (سختی (ایستادگی در برابر تغییر مکان) کاهش می‌یابد) هرچه المان‌های بیشتری جاری شوند، تغییر شکل سازه بیشتر می‌شود. برای درک بهتر پیشنهاد می‌کنم حتما ویدیوی کوتاه اضافه مقاومت در سازه را ببینید.
این جنگ یک برنده دارد: یا المان‌های جاری شده به طور کافی انرژی زلزله را مستهلک می‌کنند و پیروز می‌شوند. یا زلزله تمام المانها یا المان‌های حساس را جاری می‌کند و با فروریختن سازه برنده این جنگ می‌شود.
تا اینجا ممکن است دو سوال برای شما ایجاد شود:
سوال اول اینکه اگر بخشی از المانها جاری شوند و سازه دیگر قابل استفاده نباشد، باز هم سازه پیروز شده است؟
در چه صورت سازه برنده این جنگ است؟
هدف ما این است که چه تعداد از المان ها جاری شوند؟
پاسخ تمام این پرسش ها به زبان ساده در مقاله سطوح عملکرد سازه در برابر زلزله وجود دارد.
سوال دوم اینکه اگر المانها جاری شوند، راهی هست که بتوان دوباره از سازه استفاده کرد؟ بله. تنها راه موجود، استفاده از فیوز سازه‌ای است.
از زیبایی‌های طراحی سازه، این است که ما مشخص می‌کنیم چه المان‌هایی جاری شوند و خود را فدا کنند. طبیعتاً هرچه این المانها بیشتر باشند و قابلیت جذب انرژی بیشتری داشته باشند احتمال پیروزی سازه در برابر زلزله بیشتر خواهد بود. هرچه نامعینی سازه بیشتر باشد، المان‌های بیشتری درگیر مقابله با زلزله خواهند شد. یکی از بهترین سربازها برای مقابله با نیروی زلزله، مهاربند کمانش تاب است. سازه‌های مجهز به مهاربند کمانش‌تاب، برنده قطعی جنگ با زلزله هستند.
همانطور که در مقاله اضافه مقاومت در سازه خواندید، یک طراحِ باهوش، المانها را طوری طراحی می‌کند که در هنگام زلزله، با یک نظم مشخص وارد میدان جنگ شوند. اگر یک سرباز که باید در خط مقدم باشد (جاری شود)، جاری نشود ولی چند سرباز دیگر جاری شوند نشان دهنده ضعف طراحی است.
به عنوان مثال، اگر در یک سازه ستون (قبل از تیر) دچار ضعف شود و در آن مفصل پلاستیک کامل تشکیل شود و تا حد خرابی کامل پیش برود کمر آن طبقه می‌شکند. کل طبقه به پایین سقوط می‌کند و ممکن است به طور ناگهانی منجر به خرابی پیشرونده شود. آیا خرابی ناگهانی به معنای شکل‌پذیری است؟ خیر! یک فاجعه است و انهدام ترد رخ می‌دهد. پس باید بدانیم که ستون‌ها همیشه باید قوی‌تر طراحی شوند و آخرین عضوی باشند که در آن‌ها مفصل پلاستیک تشکیل می‌شود. فلسفه ضابطه‌ی تیر ضعیف-ستون قوی دقیقا همین است. در سیستم قاب خمشی مفاصل پلاستیک باید ابتدا در دو سر تیرها ایجاد شوند و سپس در ستون‌ها.
به بیان دیگر، سربازان خط مقدم در سیستم قاب خمشی، تیرها هستند. دو سر تیرها با جاری شدن وظیفه اتلاف انرژی سازه را برعهده دارند. اگر اول تیرها آسیب ببینند سازه فرو نمی‌ریزد و ساکنین فرصت فرار دارند.
مفصل پلاستیک چیست؟
مفصل پلاستیک در المان بتنی وقتی ایجاد می‌شود که تمام آرماتور ها جاری شوند، هسته بتنی خرد شود.
مفصل پلاستیک در المان فولادی وقتی ایجاد می‌شود که تمام تارها به حد تسلیم برسند.
ایجاد مفصل پلاستیک، یعنی آن محل، دیگر قابلیت تحمل خمشی بیشتری ندارد و به حداکثر توان خمشی خود رسیده است.
مفصل پلاستیک یک نقطه یا یک مقطع نیست، بلکه یک طول از تیر است. هرچه این طول بیشتر باشد، اتلاف انرژی بیشتر است. برای اینکه اتلاف انرژی به‌طور لازم رخ دهد، مفصل پلاستیک شدن کافی نیست. مفصل پلاستیک ماندن هم مهم است.
چرا شکل پذیری یک موهبت است؟
باعث بازتوزیع تنش ها و نیروهای داخلی می‌شود.
به این معنی که وقتی یک مقطع به حد تسلیم می‌رسد، گسیخته نمیشود. این اتفاق باعث می‌شود نیروها و تنش‌ها باز توزیع شوند. به زبان ساده‌تر، تنش‌ها با جاری کردن یک مقطع سراغ یک مقطع دیگر می‌روند. بدون اینکه مقطع جاری شده‌ی قبلی، گسیخته شود. این بازتوزیع (redistribution) باعث می‌شود انرژی زلزله، بیشتر و بیشتر مستهلک شود.
طراحی سازه را راحت می‌کند
در تحلیل استاتیکی خطی، ما رفتار شکل پذیر سازه را در نظر نمی‌گیریم. سازه را برای محدوده‌ی خطی طراحی می‌کنیم. سپس با یک ضریب Cd، تغییر شکل‌های غیر خطی را در آن لحاظ می‌کنیم. این کار باعث می‌شود طراحی سازه برای ما بسیار آسان شود.
البته طبیعتاً طراحی سازه از طریق تحلیل خطی دقت کمتری نسبت به تحلیل‌های غیر خطی دارد. سازه های شکل پذیر، باهوش‌تر از مهندسینی هستند که آن‌ها را طراحی می‌کنند. نیاز نیست بدانیم تنش‌ها و نیروها چطور در سازه جریان دارند.
اخطار قبل از آسیب
سازه‌های دارای شکل پذیری با اخطار قبلی دچار خرابی می‌شوند. یعنی ساکنین متوجه این ترک‌ها و تغییر شکل‌ها می‌شوند. اما در سازه‌هایی که هنگام زلزله اسیر شکست ترد می‌شوند، انهدام به طور بسیار ناگهانی رخ می‌دهد.
باعث امنیت سازه در پیش‌لرزه‌ها و پس‌لرزه‌ها می‌شود.
زلزله رفتاری رفت و برگشتی دارد. در این جنگ بزرگ، زلزله چندین بار جهت عوض می‌کند. خسته نمیشود و از پا نمی‌نشیند. سازه‌های شکل پذیر انرژی زلزله را به خوبی مستهلک می‌کنند و در سیکل‌های متوالی زلزله دوام می‌آورند.
در چه سازه‌هایی نباید از شکل پذیری استفاده کنیم؟
همانطور که تا الان متوجه شدید، اگر یک سازه وارد ناحیه غیرخطی شود، شاید فرو نریزد، اما قطعاً دیگر سرویس دهی نخواهد داشت. زیرا المان‌های آن وارد ناحیه‌ی فراارتجاعی شدند و دیگر قدرت قبل را نخواهند داشت.(از یک جنگ خسته کننده برگشته‌اند). ساختمان‌هایی که حساسیت زیادی دارند (مثل بیمارستان‌ها، مراکز مدیریت بحران، نیروگاه‌های اتمی و….) نباید بعد از زلزله، سرویس دهی خود را از دست بدهند. این ساختمان‌ها، باید در تمام مدت زلزله در ناحیه خطی باقی بمانند و رفتارهای برگشت پذیر داشته باشند. طبیعتاً این تصمیم باعث افزایش هزینه ساختِ سازه خواهد شد.
اگر قرار است این سازه‌ها رفتاری شکل پذیر داشته باشند، حتماً باید از فیوز با قابلیت تعویض سریع در آن‌ها استفاده کرد تا به سرعت به سرویس دهی بازگردند. البته راه بهتر استفاده از جداسازهای لرزه‌ای است تا حداقل نیروی ممکن جذب سازه شود.
عوامل موثر بر شکل پذیری سازه
سیستم مقاوم باربر جانبی
خیلی از مهندسان بر این باورند که هرچه ضریب رفتار یک سیستم سازه‌ای بیشتر باشد شکل پذیری آن بیشتر است. این باور، غلط است. شکل پذیری یک سیستم سازه‌ای از Rµ به دست می‌آید. هر چه مقدار Rµ یک سیستم بیشتر باشد، شکل پذیری آن بیشتر است. ضریب رفتار (R) یک سازه از دو پارامتر تشکیل شده است. پارامتر اول؛ اضافه مقاومت و پارامتر دوم؛ Rµ. یعنی حاصلضرب این دو پارامتر، ضریب رفتار را نتیجه می‌دهد (برای توضیحات بیشتر ویدیوی زیر را ببینید). پس برای به دست آوردن Rµ کافیست ضریب رفتار یک سازه را بر اضافه مقاومت (Ω) تقسیم کنیم. عدد حاصل، بیانگر مقدار شکل پذیری آن سیستم است. ده سیستم باربر جانبی که بیشترین شکل پذیری را دارند در نمودار زیر نمایش داده شده است.
تعداد المان‌های باربر لرزه‌ای و نحوه آرایش آن‌ها
هرچه ضریب نامعینی یک سازه بیشتر باشد، تعداد سربازهای خط مقدم افزایش خواهد یافت. اگر آرایش آن‌ها به نحوی باشد که همه آن‌ها درگیر جنگ با زلزله شوند (نه یک عده خاص)، شکل پذیری به طور قابل توجهی افزایش خواهد یافت.
توزیع سختی و مقاومت بین المان‌های لرزه بر
تصور کنید در این جنگ بزرگ، یک المان که زور بسیار زیادی دارد (سختی آن زیاد است) متحمل نیروی زیادی شود اما سایر المانها این سرباز را فقط نگاه کنند و در باربری لرزه‌ای مشارکت نداشته باشند. در این صورت با خرابی عضو حساس، عملکرد کل سازه زیر سوال می‌رود. پس بسیار مهم است که توزیع سختی و مقاومت بین المان‌های لرزه بر به گونه‌ای باشد که دست در دست یکدیگر به جنگ با زلزله بروند. در غیر این‌صورت سازه با یک شکست ترد، مغلوب زلزله خواهد شد.
ارتفاع سازه
هرچه ارتفاع سازه بیشتر باشد، خرابی‌ها متمرکزتر می‌شوند. در حالی که ما می‌خواهیم خرابی‌ها به صورت گسترده و یکنواخت در کل سازه پخش شوند. با افزایش ارتفاع سازه، ممکن است خرابی‌ها در المان‌های طبقات پایین متمرکز شود. در نتیجه قبل از اینکه المان‌های طبقات بالایی وارد کار شوند، کل سازه خراب شود. هنر طراح سازه، در طراحی سازه‌های بلند این است که بتواند خرابی‌ها را به طور منطقی بین طبقات توزیع کند.
شکل پذیری خود المانها
مهمترین عامل شکل پذیری یک سازه، شکل پذیری المان‌های آن است. شکل پذیری المان‌های یک سازه به چهار عامل بستگی دارد:
قبل از آنکه به این چهار عامل بپردازیم لازم است مفهوم زیر را عمیقاً درک کنید.
(( هر چیزی که مانع جاری شدن المانها شود مانعی است بر سر راه شکل‌پذیری))
مثلاً کمانش یک المان فولادی، مانع از جاری شدن و تشکیل مفصل پلاستیک در آن می‌شود؛ لذا اگر مانع کمانش شویم و کاری کنیم که المان جاری شود، شکل پذیری آن افزایش می‌یابد. دلیل شکل پذیری فوق العاده مهاربند کمانش تاب نیز همین است.
چهار عامل موثر بر شکل پذیری المان های سازه‌ای:
جنس مصالح
ماده ای که مقطع از آن تشکیل شده است، باید به خودیِ خود شکل پذیری بالایی داشته باشد. فولاد st37 نسبت به st52 شکل پذیری بیشتری دارد. همچنین فولاد از بتن. برای جبران ضعف بتن در شکل پذیری از فولاد در آن استفاده می‌کنیم. البته مقدار فولاد باید کنترل شده باشد که به آن خواهیم پرداخت.
تاثیر پیکربندی بر شکل پذیری
پیکربندی یا configuration از دو طریق روی شکل پذیری اثر می‌گذارد. اول این که نسبت ابعادی مقطع و کنترل فشردگی لرزه‌ای مقطع باعث افزایش شکل پذیری می‌شود. یک مقطع غیرفشرده‌ی لرزه‌ای، در خطر کمانش موضعی (local buckling) قرار دارد و همانطور که گفتیم، هر چیزی که مانع جاری شدن مقطع شود؛ شکل پذیری آن را کاهش می‌دهد. کمانش موضعی باعث می‌شود قبل از اینکه مقطع جاری شود توان خود را از دست بدهد.
دومین راهی که پیکربندی روی شکل پذیری اثر می‌گذارد، تناسب ابعاد المان هاست. مثل کنترل لاغری.
دقت کنید که حالت قبل کنترل نسبت ابعاد مقطع بود و این حالت کنترل نسبت ابعاد المان است. مثلا اگر طول یک المان نسبت به سطح خیلی زیاد باشد. مقطع لاغر تلقی می‌شود؛ در نتیجه کمانش کلی رخ می دهد و شکل پذیری کاهش می‌یابد. کمانش کلی هم باعث می‌شود از حداکثر توان مقطع استفاده نشود و مقطع قبل از جاری شدن از مدار خارج شود.
همچنین کنترل لاغری باعث کاهش اثر P-Δ و P-δ می‌شود. مقطع لاغر، درخطر پدیده P-Δ و P-δ قرار دارد. این پدیده‌ها، باعث شکست زودهنگام از نوع ناپایداری جانبی می‌شوند.
مقدار مصالح (توزیع مقاومت)
این پارامتر، بیشتر مربوط به المان‌های بتن آرمه است. اینکه آرماتورهای طولی و عرضی با چه نسبتی توزیع شده‌اند. در مورد آرماتورهای طولی حتماً باید به این نکته توجه کنیم که درصد آرماتور بین ρmin و ρmax باشد. هر چه درصد آرماتورهای طولی به ρmax نزدیک‌تر باشد دوام مفصل پلاستیک بیشتر می‌شود. زیرا بتن فشاری، دیرتر به کرنش‌های خردشدگی می‌رسد.
ویدیو کوتاه زیر، به طور کامل دلیل این موضوع را روشن می‌کند.
آرماتورهای عرضی وظیفه‌ی بسیار مهمی دارند. آن وظیفه مهم محصور کردن هسته بتنی است. این محصور کردن باعث می‌شود که اولا بتن دیرتر خرد شود. دوما از شکست برشی که مانع جاری شدن مقطع است جلوگیری می‌کند. سوما سد بزرگی بر سر راه کمانش آرماتورهای طولی است.
به همین دلیل آیین نامه‌ها، ضوابط سختگیرانه‌ای برای فشردگی آرماتورهای عرضی در نزدیکی تکیه گاه دارند. این فشردگی مانعِ شکست برشی می‌شود.
در ستون بتنی اگر هسته مرکزی بتن متلاشی شود، قبل از این که المان به حداکثر توان خودش برسد از مدار خارج می‌شود. اگر مقطع قبل از رسیدن به حد ماکزیمم تلاش کمانش کند، دیگر شکل پذیری معنا نخواهد داشت.
مقدار تلاش مقطع
در یک نظرسنجی، ۷۱ درصد از مهندسان طراح سازه معتقد بودند نیروهای داخلی المان‌های یک سازه ارتباطی به شکل پذیری ندارند. با یک مثال، به سادگی می‌توان این موضوع را بررسی کرد.
یک صندلی پلاستیکی را تصور کنید. فرض کنید یک آدم ۳۰۰ کیلویی روی آن نشسته است. اگر یک ضربه محکم به پایه صندلی پلاستیکی بزنید و پایه بشکند، آن آدم چطور روی زمین می افتد؟ همین اتفاق را با یک آدم ۵۰ کیلویی تصور کنید. کدام سقوط ناگهانی‌تر است؟ کدام شکست تردتر است؟ نمونه ۳۰۰ کیلویی.
به همین دلیل خیلی از بزرگان طراحی سازه معتقدند که وجود بار محوری بیش از حد روی دیوار برشی بتنی در هنگام زلزله، باعث شکست ترد و ناگهانی آن می‌شود.
پس تلاش های داخلی مقطع، روی شکل پذیری یک سازه بسیار اثرگذار است.
مقدار نیروی برشی
رفتار ذاتی بتن در برش ترد می‌باشد. لذا افزایش نیروی برشی باعث کاهش شکل پذیری این المانها خواهد شد اما رفتار ذاتی فولاد در برش شکل پذیر می‌باشد. پس شکل پذیری فولاد مستقل از برش است.
مقدار نیروی محوری فشاری
هرچه نیروی محوری فشاری افزایش یابد، شکل پذیری سازه کاهش می‌یابد. نمودار روبرو به خوبی بیانگر این موضوع است.
به همین دلیل آیین نامه سازه‌های فولادی تاکید می‌کند که اگر مقدار نیروی فشاری به مقاومت کمانشی مقطع بیشتر از ۰.۵ است، نباید آن را شکل پذیر لحاظ کرد. آن مقطع حکما ترد است. در سازه‌های بتنی این عدد برابر ۰.۷ است.
افزایش شکل پذیری سازه‌ها
حالا که با مفاهیم اولیه شکل پذیری آشنا شدیم، کمی عمیق‌تر و حرفه‌ای‌تر به علت شکل پذیری سازه‌ها نگاه می‌کنیم. یک سازه در چه صورتی شکل پذیر است؟ در صورتی که سه شرط زیر را داشته باشد:
۱- فیوز در مکان مناسب جاری شود
۲- فیوز در زمان مناسب جاری شود
۳- فیوز جاری شده بماند.
پس باید کاری کنیم که اولاً سه شرط بالا محقق شود، ثانیاً موانع سه شرط بالا را از سر راه برداریم.
اگر نمی دانید فیوز چیست، مقاله آن را مطالعه کنید (فیوز در سازه). فیوز المانی است که ما باید انرژی سازه را در آن اسیر کنیم. ممکن است این سوال برای شما ایجاد شود که چطور می‌توان انرژی سازه را در المان دلخواه خود زندانی کنیم؟
چگونه فیوز در مکان مناسب جاری شود؟
برای زندانی کردن آسیبِ سازه در یک المان، کافیست در مسیرِ حرکتِ بارِ زلزله یک المان ضعیف‌تر قرار دهیم، تا زلزله مشغول جنگیدن با آن بشود. در این صورت انرژی زلزله در جنگ با المان ضعیف‌تر، تلف می‌شود. در این صورت بقیه المانها، جان سالم بدر می‌برند. فلسفه استفاده از تیر RBS دقیقا همین است. دو سر تیر ضعیف‌تر طراحی می‌شوند تا دقیقاً همان مقطع جاری شود. این تسلیم شدن (yelding) مقدار زیادی از انرژی زلزله را مستهلک می‌کند، در نتیجه اتصال و ستون سالم می‌مانند.
حال تصور کنید، نیروی زلزله قبل از اینکه به تیر RBS برسد، بتواند به اتصال آسیب بزند (اتصال را جاری کند). این اتفاق در صورتی رخ می‌دهد که اتصال ضعیف‌تر از تیر RBS باشد. به بیان دیگر، زلزله به اتصال می‌رسد و آن‌را جاری می‌کند ولی تیر RBS قوی‌تر است و نیروی ناشی از زلزله توان جاری کردن آن را ندارد.
اگر اتصال جاری شود و انرژی زلزله آن‌جا گیر کند چه اتفاقی می‌افتد؟ تمام المان‌هایی که به آن وصل هستند قبل از اینکه به حداکثر توان خود برسند از مدار خارج می‌شوند.
در حالی که ما انتظار داشتیم نیروی زلزله را بین چهار المان تقسیم کنیم و انرژی آن را به خوبی تلف کنیم. با جاری شدن اتصال کل نیروی زلزله در یک جا متمرکز می‌شود و سازه را از پا در می‌آورد .در نتیجه به طور ناگهانی سازه خراب می‌شود. (تمام نقشه‌های ما نقش بر آب می‌شود)
راز اصلی شکل پذیری سازه‌ها:
با این مقدمه، آمادگی شنیدن راز اصلی شکل پذیری سازه را دارید.
راز اصلی شکل پذیری سازه این است که اتصال از متصل قوی‌تر باشد.
دانستن سه نکته زیر، در افزایش شکل پذیری سازه‌ها، بسیار مهم است:
۱- المان‌های فیوز باید ضعیف‌ترین المان در مسیر باربری لرزه‌ای باشند.
۲- قوی‌تر بودن مقطع در سازه شکل پذیر، الزاما خوب نیست.
۳- از فولاد پر مقاومت در المان‌های شکل پذیر پرهیز کنید.
شاید بدترین بلایی که می‌تواند بر سر سازه رخ دهد، این است که در ستون‌ها مفصل پلاستیک تشکیل شود. ستون‌ها نگهدارنده‌های اصلی سازه هستند. از مدار خارج شدن ستون‌های مهم همانا و فاجعه progressive collapse همانا. تاکنون حتماً متوجه اهمیت تیر ضعیف – ستون قوی شده‌اید.
چگونه فیوز در زمان مناسب جاری شود؟
در یک سازه قاب خمشی بتنی، اگر دو سر تیر، مقاومت خمشی مختلفی (با اختلاف زیاد) داشته باشند چه اتفاقی می افتد؟
یک سر تیر که ضعیف‌تر است گسیخته می‌شود و از مدار خارج می‌شود، در عین حال سرِ دیگر تیر بدون جاری شدن و بدون اینکه از حداکثر توان خودش استفاده کند باقی می‌ماند. پس بسیار مهم است که تشکیل مفاصل پلاستیک به طور کنترل شده و تقریباً همزمان باشد. بهترین حالت این است مثل شکل زیر، مفصل پلاستیک به طور تقریباً همزمان در دو سر تیرها تشکیل شود (در سازه‌ی قاب خمشی، تیرها نقشه فیوز را دارند) اگر خرابی‌ها در یک منطقه متمرکز شوند، سازه زودتر از حد مورد انتظار شکست می‌خورد.
همانطور که در شکل بالا می‌بینید، اگر مفاصل پلاستیک ابتدا در ستون‌های طبقه اول تشکیل شوند، تمام تیرهایی که ما انتظار داشتیم در طبقه بالا وارد عمل شوند، بدون اینکه کاری انجام دهند و از ظرفیت آن‌ها استفاده شود باقی می‌مانند و سازه فرو می‌ریزد.
این اتفاق اصلا بعید نیست، زیرا نیروی زلزله در طبقه اول، بسیار وحشتناک است. پس لازم است ستون‌های طبقه اول از سختی لازم برخوردار باشند تا پدیده طبقه نرم تمام برنامه‌های ما را نقش بر آب نکند.
شرط رسیدن به اتلاف انرژی بهینه، توالی خرابی مطلوب است
چگونه فیوز جاری شده باقی بماند؟
قرار است مفاصل پلاستیک دقیقا در همان جاهایی که ما می‌خواهیم تشکیل شوند. حال اگر نتوانند انرژی زلزله را تا تمام شدن زلزله اسیر خود کنند، عملا تمام زحمات ما بر باد می‌رود. خرابی‌ها به طور غیرقابل کنترلی گسترش می‌یابد و سازه دچار شکست ترد می‌شود.
رفتار ذاتی فولاد، ضامن مفصل پلاستیک ماندن المان فولادی است. اما برای اینکه المان بتنی مفصل پلاستیک بماند لازم است نکاتی را رعایت کنیم. این نکات در بخش افزایش شکل پذیری سازه بتنی بررسی خواهند شد.
افزایش شکل پذیری سازه بتنی
افزایش شکل پذیری سازه به معنای افزایش توان اتلاف انرژی در آن می‌باشد. پس سازه‌ای که توان اتلاف انرژی بیشتری داشته باشد، شکل پذیرتر است. افزایش شکل پذیری سازه بتنی یک کلید اصلی دارد:
هرچه هسته مرکزی بتن، دیرتر آسیب ببیند، شکل پذیری المان و بالتبع شکل پذیری کل سازه بیشتر خواهد بود. هدفِ استفاده از محصورکننده‌ها (تنگ، خاموت، دورپیچ و…) دقیقاً همین است. این محصور کننده‌ها به کمک پدیده محصور شدگی (confine)، مقاومت هسته مرکزی بتن را به طور چشمگیری افزایش خواهند داد. برای این که بهتر این موضوع را درک کنید ویدیوی زیر را به طور کامل ببینید.
چیدمان المان‌های بتنی حتماً باید به نحوی باشد که المان‌های دارای نقش فیوز (مثل تیر رابط در دیوار کوپله) زودتر از بقیه جاری شوند و خود را فدا کنند. در همین راستا مبحث نهم ویرایش ۹۹، کنترل ضابطه تیر ضعیف – ستون قوی را برای سازه‌های با شکل پذیری ویژه الزامی می‌داند.
استفاده از آرماتورهای عرضی در نزدیکی اتصال:
محل نزدیکی اتصال، جایی است که بیشترین برش رخ می‌دهد. همانطور که قبلاً هم اشاره کردیم، شکست برشی بتن، از موانع اصلی تامین شکل پذیری کافی در سازه است. بهتر است در المان‌های بتنی، در نزدیکی اتصال به طور فشرده آرماتورگذاری صورت بگیرد.
تقویت اتصال
اگر در سازه بتنی، اتصال قبل از متصل دچار آسیب شود، تمامی المان‌های متصل را از مدار خارج می‌کند. به همین خاطر محققان زیادی در حال تلاش هستند تا با ترفندهای مختلف، اتصال را تقویت و نزدیکی اتصال را تضعیف کنند تا خرابی‌ها در محل‌های کنترل شده رخ دهد. به عنوان مثال در شکل زیر، با قراردادن یک لوله، تلاش شده تا مقاومت تیر در نزدیکی اتصال کم شود تا مطمئن شویم خرابی‌ها وارد اتصال نمیشود.
مدل دیگری که امروز در حال رشد است، تقویت اتصال با روش‌های نوین مثل استفاده از FRP است. در این روش، تلاش می‌شود تا با محصور کردن اتصال به وسیله FRP، از متلاشی نشدن آن مطمئن شویم.
البته درحال حاضر، بین تمامی این ایده‌ها، بهترین و مطمئن‌ترین روش، به کارگیری اصولی آرماتورها، طبق ضوابط آیین نامه، در محل اتصال و نزدیکی آن است.
درصد آرماتور در مقطع بتنی
بعد از محصور شدگی، مهمترین عامل شکل پذیری المان بتنی، درصد آرماتور است. وقتی از درصد آرماتور صحبت می‌کنیم منظور ρ و ’ρ است. درصد آرماتور کششی و درصد آرماتور فشاری. همانطور که در ویدیوی “تاثیر درصد آرماتور بر شکل پذیری” در بالا گفته شد؛ هر چه درصد آرماتور کششی (ρ) کمتر باشد، مقاومت مقطع کمتر و شکل پذیری آن بیشتر است. زیرا قسمت فشاری مقطع دیرتر به حد تسلیم می‌رسد.
هر چه مقدار ρ به ’ρ نزدیک‌تر باشد، رفتار تیر بهتر می‌شود. اولاً به دلیل تقارن رفتاری در ممان‌های مثبت و منفی و دوما به دلیل همزمانی جاری شدگی آرماتورها در طول تیر. شرط اینکه تیر بتنی مفصل پلاستیک بماند، این است که ρ و ’ρ به هم نزدیک باشند.
به همین دلیل مبحث نهم ویرایش ۹۹، برای سازه‌های با شکل پذیری زیاد تاکید می‌کند که در هر طرف تیر در برِ تکیه گاه، مقاومت خمشی مثبت نباید از یک دوم مقاومت خمشی منفی همان تکیه گاه کمتر باشد.
بهترین درصد آرماتور، درصد آرماتور بالانس (ρb) خواهد بود. اگر درصد آرماتور بالانس نباشد، ممکن است آرماتورها قبل از آنکه قسمت فشاری به حداکثر ظرفیت خود برسد یا بالعکس، جاری شوند. هدف از (ρb) این است که آرماتور کششی و بلوک فشاری بتنی، همزمان به حداکثر ظرفیت خود برسند.
استفاده از ستون دایره ای به جای ستون مربعی
ستون دایره‌ای، شکل پذیری بهتری نسبت به ستون مربعی دارد. ستون دایره‌ای به علت وجود اسپیرال و محصور شدگی یکنواخت شکل پذیری فوق العاده‌ای دارد. البته استفاده از ستون‌های دایره‌ای در سازه‌های مسکونی به علت سختی اجرای آن، تصمیمی منطقی نیست. زیرا عبور دادن آرماتورهای طولی تیر از ستون بسیار دشوار است. ضمن اینکه سختی و مقاومت (خمشی) ستون مربعی، اندکی بهتر از ستون دایره‌ای است. از ستون‌های دایره‌ای بهتر است در پل‌ها و سازه‌های این چنینی استفاده کرد.
استفاده از آرماتور با شکل پذیری زیاد
آرماتورهای پر مقاومت، شکل پذیری کمی دارند و بدیهی است استفاده از آن‌ها در سازه، شکل پذیری را کاهش می‌دهد.
علاوه بر تمام موارد ذکر شده، بینشِ درستی که بعد از خواندن این مقاله نسبت به شکل پذیری به دست آوردید نیز، به شما در تصمیم گیری کمک خواهد کرد. بهترین اصل این است که مانع هر چیزی شویم که مانع تسلیم شدگی است.
استفاده از تیر با الیاف کربنی
بتن رفتاری ذاتا طرد دارد. در آزمایشگاه‌ها نشان داده شده است که ترکیب الیاف کربنی یا فولادی با بتن، شکل‌پذیری آن را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.
افزایش شکل پذیری سازه فولادی
دشمن اصلی شکل پذیری در المان‌های فولادی کمانش است. هم کمانش کلی، هم کمانش موضعی. پس با کنترل کمانش، می‌توانیم شکل پذیری المان‌های فولادی را تامین کنیم. اما برای تامین شکل پذیری کل سازه، علاوه بر کنترل کمانش باید محل خرابی‌ها را نیز کنترل کنیم.
برای کنترل کمانش کلی، لاغری کل المان حتماً باید کنترل شود. برای جلوگیری از کمانش موضعی نیز، کافی است نسبت b/t را مطابق ضوابط آیین نامه کنترل کنیم. در انواع مقاطع صلیبی هرچه نسبت b/t کمتر باشد، شکل پذیری بیشتر می‌شود.
علاوه بر کمانش کلی و کمانش موضعی، کمانش پیچشی جانبی (LTB) نیز سد راه شکل پذیری است. پس با مهار جانبی بهتر است از آن جلوگیری کنیم.
استفاده از سیستم همگرای هفتی، هشتی یا شورون (CBF)
این سیستم از مهاربند تشکیل شده است. در زلزله، یک مهاربند تحت فشار و یک مهاربند تحت کشش قرار می‌گیرد. در این سیستم وظیفه اتلاف انرژی هنگام زلزله به عهده مهاربند است. مهاربندی که تحت کشش قرار می‌گیرد با جاری شدن انرژی زلزله را مستهلک می کند. در سیکل‌های رفت و برگشتی زلزله، یک المان که تحت فشار است، با تغییر جهت زلزله، تحت کشش قرار می‌گیرد و بالعکس. بسیار مهم است که تیر بالای آن، در ناحیه ارتجاعی باقی بماند. در غیر این صورت نمی‌تواند مهاربند فشاری را در کشش قرار دهد چون خودش جاری شده است.
پس تیر دهانه‌ی مهاربندی شده، باید در برابر نیروهای نامتوازن (unbalanced) در ناحیه خطی باقی بماند.
در مهاربند CBF، از هر اتفاقی که مانع جاری شدن المان کششی یا کمانش المان فشاری شود باید جلوگیری کنیم
استفاده از مهاربندهای واگرا (EBF )
در این مهاربند برخلاف مهاربند CBF، تامین شکل‌پذیری به عهده مهاربندها نیست. در این سیستم مهاربندها خطی باقی می‌مانند و شکل پذیری فقط توسط تیر پیوند تامین می‌شود. پس مهم است که مهاربندها کمانش نکنند و بتوانند نیرو را به تیر پیوند فوقانی (یا تحتانی) منتقل کنند.
در این سیستم، چون رفتار فولاد در برشِ مثبت و منفی متقارن است، ترجیحاً از شکل پذیری برشی استفاده می‌کنیم. برای اینکه از شکل پذیری برشی استفاده کنیم، طول تیر پیوند را کوتاه در نظر میگیریم تا سختی زیاد شود و در خمش جاری نشود.
دلیل دیگری که از شکل پذیری برشی استفاده می‌کنیم، این است که کل طول تیر پیوند جاری می‌شود. اما در شکل پذیری خمشی، فقط دو سر تیرپیوند جاری می‌شوند. همانطور که قبلاً گفتیم، طول مفصل پلاستیک، عامل بسیار مهمی در اتلاف انرژی زلزله و شکل پذیری است. اگر تیر پیوند در برش جاری شود، طول جاری شدگی بیشتر از حالتی است که در خمش جاری شود.
این جاری شدگیِ کل طول تیر پیوند، باعث شکل پذیری فوق العاده این سیستم می‌شود. به همین دلیل، بیشترین Rµ (شکل پذیری) را در بین سیستم‌های موجود در صفحه ۳۹ استاندارد ۲۸۰۰ دارد.
در این سیستم، برخلاف سیستم CBF، باید از هر اتفاقی که باعث جاری نشدن تیر پیوند یا کمانش مهاربند شود جلوگیری کرد. چون مهاربند ها باید بتوانند به خوبی و با قدرت تیر بالای خود را جاری کنند.
برای تامین دوام عملکردی (مفصل پلاستیک ماندن) تیر پیوند، از استیفنر(سخت کننده) استفاده می‌کنیم تا شکل پذیری به µ عالی‌ترین شکل ممکن رخ دهد.
نتیجه گیری
شکل پذیری، موهبتی ذاتی است که به طراح سازه اعطا شده است. اکنون به طور کامل با مفهوم شکل پذیری و پیچیدگی‌های آن آشنا شدید و به خوبی می‌توانید از آن به نفع خودتان استفاده کنید. شما می‌توانید دیدگاه‌ها و سوالات خود را در زیر همین صفحه مطرح کنید. به تمامی سوالات و دیدگاه‌ها در انتهای این مقاله پاسخ داده خواهد شد.
بسیار عالی و ممنون از توضیحاتتون. خسته نباشید
منتظر آموزش های بیشتر در سایر زمینه ها هستیم.
عالی بود 👏👏👏
سلام وقتتون بخیر.ممنون از متن فوق العادتون
من میخوام pdfرو دانلود کنم ولی ایمیلو میزنم ارور میده
عرض ادب و احترام. ضمن عرض پوزش؛ در حال حاضر سیستم ایمیل ایسازه به علت مشکلات تحریمی غیرفعال شده که به زودی فعال می‌شود. بنابراین فعلا امکان دانلود فایل این مقاله وجود ندارد.
سلام وقتتون بخیر ممنون از مقاله کاربردی ومفید
فقط اینک من میخوام مقاله رو دانلودکنم ولی ایمیلو میزنم ارور میده!