اضافه مقاومت یا ضریب امگا (اومگا) چیست؟
اضافه مقاومت (ضریب اُمگا)
احتمالا برای شما هم اتفاق افتاده که چراغ اخطار بنزین ماشین شما روشن شده، شما گمان کردید تا چند خیابان دیگر ماشین شما خاموش می‌شود اما در کمال تعجب، ماشین، شما را تا پمپ بنزین همراهی کرده است. این حس خوب در سازه هم وجود دارد. با این تفاوت که ما از قبل در جریان این اضافه کاری هستیم. این اضافه کاری در سازه اضافه مقاومت نام دارد و مقدار آن در جدول صفحه ۳۴ استاندارد استاندارد ۲۸۰۰ با Ω (اُمگا) نشان داده می‌شود. اما چرا این اتفاق رخ می‌دهد و چرا ما از آن استقبال می‌کنیم؟
در این مقاله چه چیزهایی یاد میگیریم؟
اضافه مقاومت یا ضریب اُمگا چرا رخ می‌دهد؟
همه سازه‌ها در برابر بارهای وارده مقاومتی بیشتر از مقاومت طراحی دارند. دلیل این اتفاق وجود مقاومت مازاد (Over Strength) است. این اضافه مقاومت به سه دلیل به وجود می‌آید:
- اضافه مقاومت ناشی از مصالح (ΩM)
- اضافه مقاومت ناشی از طراحی (ΩD)
- اضافه مقاومت ناشی از سیستم سازی(ΩS)
اضافه مقاومت ناشی از مصالح(ΩM)
در بسیاری از موارد، مقاومت مصالح به کار برده شده در سازه، از مقاومتی که در طراحی لحاظ کردیم بیشتر است. مثلا بتن با 25MPa = fc طراحی می‌کنید اما در عمل مقاومت آن 27MPa است. همچنین در فولاد نیز ممکن است این اتفاق رخ دهد. (البته بسیار کمتر از بتن).
سخت شوندگی کرنشی مصالح یا همان Strain Hardening (که معمولا در طراحی لحاظ نمی‌شود) نیز یکی از دلایل ایجاد اضافه مقاومت ناشی از مصالح است.
اضافه مقاومت ناشی از طراحی (DΩ)
همانطور که می‌دانید، آیین نامه‌ها همواره یک حاشیه ایمنی را برای طراحی در نظر می‌گیرند. مثلا ضریب کاهش مقاومت خمشی برابر ۰.۹ است. (۰.۹=Ø)
علاوه بر ضرایب کاهش مقاومت، تقریب‌های آیین نامه‌ای نیز در این در این اضافه مقاومت تاثیر گذارند. مثلا در محاسبه‌ی مقاومت برشی بتن، ضریبی که در واقعیت کمی بزرگتر از ۰.۱۷ است، به ۰.۱۷ گرد می‌شود، یعنی مقاومت برش طراحی را کمتر از مقدار واقعی آن در نظر میگیریم.
دو عامل بسیار مهم در ایجاد مقاومت، معیارهای سختی و شکل پذیری هستند.
محدودیت‌های آیین نامه‌ای برای سختی جانبی سازه (معیار سختی)
این معیار، عامل کنترلی دریفت سازه است. اما چرا باعث ایجاد اضافه مقاومت می‌شود؟
اگر تجربه‌ی طراحی داشته باشید، حتما با این چالش مواجه شدید که المان‌های سازه پاسخگوی نیاز مقاومت سازه هستند (تیرها و ستون‌ها در ایتبس قرمز نمی‌شوند). اما در هنگام کنترل دریفت، سازه از حد مجاز عبور می‌کند. در نتیجه طراح مجبور می‌شود المان‌های سازه‌ای را بزرگتر در نظر بگیرد تا سختی جانبی افزایش یابد و دریفت کنترل شود. هدف از این کار، ارضای معیار سختی است.
از طرف دیگر، گاهی سختی خود المان‌ها، برای سرویس دهیِ خوب باید افزایش یابد. مثلا خیز تیر نباید از محدوده مجاز تجاوز کند. زیرا اگر از حد مجاز بیشتر شود، ممکن است باعث ترک خوردن دیوارِ زیرِ خودش یا نازک کاری (مثل گچ کاری و …) در ساختمان شود. علاوه بر آن اگر خیز از حدی بیشتر شود، حس ناامنی به ساکنین ساختمان منتقل می‌شود.
محدودیت‌های آیین نامه‌ای برای تامین شکل پذیری (معیار شکل پذیری)
در فرآیند طراحی، ممکن است سختی و مقاومت پاسخگو باشند اما ضوابط شکل پذیری ارضا نشود. بنابراین مجبوریم در ابعاد المان‌ها تغییر ایجاد کنیم. برخی از کنترل‌های آیین نامه‌ای نیز در راستای ارضای همین معیار هستند (مثل کنترل ضابطه تیر ضعیف-ستون قوی). این تغییر در ابعاد المان‌ها باعث ایجاد اضافه مقاومت می‌شود.
اضافه مقاومت ناشی از سیستم سازی (ΩS)
یکی دیگر از دلایل اضافه مقاومت، تیپ بندی‌هاست. تیپ بندی در نقشه‌های اجرایی برای اجرای راحت‌تر، به‌علاوه انتخاب سطح مقطع آرماتورها، باعث مقاومت افزون می‌شود.
فرض کنید سطح مقطع آرماتورها در یک تیر، ۴.۵ آرماتور ۱۸ می‌شود ولی شما از ۵ آرماتور ۱۸ استفاده می‌کنید. یا حتی برای تیپ بندی ممکن است از ۶ آرماتور ۱۸ استفاده کنید.
چرا ما از اضافه مقاومت (ضریب اُمگا) استقبال می‌کنیم؟
در پاسخ به این سوال، اولین جوابی که به ذهن خطور می‌کند، این است که ایجاد یک حاشیه ایمنی، اتفاق خوبی برای سازه است. این حاشیه ایمنی خیال ما را از بابت تحمل سازه راحت می‌کند. اما دلیل ما برای استفاده از اضافه مقاومت (Omega Factor)، فراتر و عمیق‌تر از این است.
قبل از عمیق‌تر شدن در بحث اضافه مقاومت، ویدیوی کوتاه زیر را به دقت نگاه کنید.
همانطور که در ویدیوی بالا اشاره شد، اضافه مقاومت حد فاصل تشکیل اولین مفصل پلاستیک تا آخرین مفصل پلاستیک است.
یک لشکر را تصور کنید که در چند دسته و گروهان با دشمن می‌جنگند. به محض خسته شدن هر دسته، یک دسته دیگر به کمک آنها می‌آید. این فرآیند به صورت سلسله‌وار ادامه می‌یابد تا کل لشکر در برابر دشمن مقاومت کند. این اضافه شدن تدریجی، افزونی یا Redundancy نام دارد. این یک قابلیت مهم و کارا برای سازه است. این ویژگی باعث می‌شود خسارت و خرابی بصورت تسلسل‌وار در بین تمامی المان‌های باربر جانبی توسعه پیدا کند. در نتیجه اتلاف انرژی ادامه می‌یابد و انرژی زلزله به خوبی مستهلک می‌شود. در واقع نیروی زلزله به عنوان یک دشمن یک مفصل را پلاستیک می‌کند، سپس با مفصل بعدی مواجه می‌شود و آن را پلاستیک می‌کند. سپس با مفصل بعدی مواجه می‌شود. این فرآیند انرژی دشمن (زلزله) را مستهلک می‌کند و باعث می‌شود کل سازه در امان باشد.
این فرآیند تسلسل‌وار تا Fully Yielding ادامه دارد. به عبارت دیگر، تسلیم شدن یک المان به معنای Fully Yielding نیست. هر چه تعداد مفاصل پلاستیک تشکیل شده در سازه بیشتر باشد، شکل پذیری آن بیشتر است.
“هر چه شیب منحنی در ناحیه‌ی پلاستیک کمتر باشد، سازه اقتصادی‌تر است.”
هر چه شیب منحنی در ناحیه‌ی پلاستیک بیشتر باشد، المان‌هایی که دیرتر مفصل پلاستیک در آنها تشکیل می‌شود، Ratio کمتری دارند. به عبارت دیگر، از تمام ظرفیت آنها استفاده نمی‌شود. این قضیه باعث می‌شود که سازه اقتصادی نباشد.
اضافه مقاومت در ناحیه‌ی خطی، دو دلیل دارد.
- سایز مقاطع (Size)
- ضریب کاهش مقاومت (Ø)
اضافه مقاومت در ناحیه غیر خطی نیز دو دلیل دارد.
- افزونی (Redundancy)
- سخت شوندگی کرنشی (Strain Hardening)
اضافه مقاومت یا Over Strength یک امکان خوب برای طراحی سازه است. این ویژگی، مثل یک ابزار جنگی برای سازه است که هدف اصلی آن، استهلاک نیروی زلزله است تا در جنگ با زلزله، باعث پیروزی بر زلزله شود. البته جنگ با زلزله هم مانند سایر جنگ‌ها، آثاری از خود به جای می‌گذارد. در صورتی که سازه وارد ناحیه غیر خطی شود، اعضای سازه دیگر قابل استفاده مجدد نیستند.
اگر نکته‌ی بیشتری درباره‌ی این موضوع می‌دانید، با کامنت گذاشتن، بار علمی این صفحه را افزایش دهید. اگر هر سوالی درباره‌ی این موضوع دارید، زیر همین صفحه کامنت بگذارید.
