-طراحی سازه‌های فولادی در طول 100 سال گذشته دست خوش تغییرات فراوانی شده و سیر تکاملی خود را از میان روش‌هایی مبتنی بر شناخت اولیه از مصالح فولاد و برخی مباحث ابتدایی علم ریاضیات تا مباحث گسترده‌تری مبتنی بر شناختی عمیق‌تر و گسترده‌تر از فولاد و همچنین بکارگیری علوم نظری و آزمایشگاهی مختلف پیموده و تجربیات متعدد و گرانمایه‌ای را کسب نموده است.
-روند طراحی حاضر، به صورت عمده، ترکیبی است از مباحث تئوری مطرح در علومی همچون پایداری سازه‌ها، مقاومت مصالح، تحلیل سازه‌ها و تئوری ورق‌ها و پوسته‌ها و همچنین تجربیات آزمایشگاهی و عملی مختلف، برای در نظر گرفتن یک حاشیه‌ی ایمنی مناسب، به صورت قوانینی تدوین شده و در آیین‌نامه‌های طراحی مختلف ذکر شده‌اند.
-روشهای تنش مجاز و حالات حدی تا به امروز به عنوان دو روش اصلی طراحی شناخته شده و به صورتی مجزا در آیین‌نامه‌ها ارائه می‌شدند.
در دهه اخیر، آیین‌نامه‌های طراحی سازه‌های فولادی از جمله AISC روش تنش مجاز را با روشی تحت عنوان مقاومت مجاز جایگزین نموده و روابط و ضوابط مربوط به دو روش حدی و مقاومت مجاز را در کنار یکدیگر و در آیین‌نامه‌ای واحد ذکر نموده‌اند. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان نیز به عنوان آیین‌نامه‌ی رسمی کشور، تا سال‌ها، تنها روش تنش مجاز را در خود جای داده بود ولی اخیراً در پی انتشار ویرایش سوم این آیین‌نامه در سال 1387 توسط وزارت مسکن و شهرسازی، در کنار روش تنش مجاز، روابط و ضوابط طراحی با استفاده از حالات حدی نیز ارائه گردید. این ویرایش از مبحث دهم با هدف پیمودن دوره‌ی گذار از روش کلاسیک تنش مجاز به روشهای دقیق‌تر حدی و مقاومت مجاز تالیف شده بود و این دوره‌ی گذار، اکنون در سال 1392 با انتشار ویرایش چهارم این مبحث به پایان خواهد رسید و دو روش مذکور به عنوان تنها روشهای رسمی و قانونی شناخته خواهند شد. تغییر اساسی دیگری که در ویرایش 1392 مبحث دهم اعمال شده است، تطبیق آن با ویرایش 2010 آیین‌نامه‌ی AISC است.
- منظور از طرح یک سازه :
منظور از طرح یک سازه تعیین پیکربندی، ابعاد و مشخصات قطعات آن به نحوی است که سه هدف اصلی تعیین شده در بندهای زیر تامین شوند :
۱-ایمنی
۲- عملکرد مطلوب
۳- پایایی
- بر این اساس در طراحی سازه های فولادی و بتنی عمدتاً از سه روش استفاده می شود.
الف) روش طراحی تنش مجاز (ASD)
ب) روش طراحی مقاومت نهایی
ج) روش طراحی حالات حدی (LSD)
- تشریح مسئله:
همانطور گفته شده طراحی یک سازه برای رسیدن به اهداف ایمنی ،عملکرد مطلوب و پایایی می باشد. و بر این اساس روشهای طراحی از سوی آیین نامه های معتبر تدوین گردید.حال با این اهداف و روشهای طراحی آشنا می شویم…
- اهداف طراحی یک سازه:
۱-ایمنی :
منظور از ایمنی این است که مجموعه سازه، شامل قطعات و اتصالات آن، طوری سازمان داده شود که سازه از انسجام و پایداری کافی برخوردار باشد و:
الف – تحت اثر بارها و سربارهای متعارف آسیب نبیند.
ب – در اثر بارها و سربارهای استثنایی گسیخته نشود و فرو نریزد.
۲- عملکرد مطلوب :
منظور از عملکرد مطلوب این ست که سازه برای بهره برداری پیش بینی شده از آن مزاحمت فراهم نکند و :
الف – تحت اثر بارها و سربارهای متعارف در آن ترک خوردگی و تغییر شکل بیش از حد بوجود نیاید بطوری که نسبت به ایمنی سازه ایجاد نگرانی نکند.
ب – در اثر لرزش در بهر ه برداری کنندگان احساس ناامنی بوجود نیاید.
۳- پایایی :
منظور از پایایی این است که مصالح سازه کیفیت خود را در تمام طول عمر پیش بینی شده حفظ کند، بطوریکه در اثر پیری، فرسودگی، خوردگی و مانند آن، ایمنی و قابلیت بهر ه برداری سازه بیش از حد تقلیل نیابد.
-روشهای طراحی سازه بر اساس آیین نامه های معتبر:
الف) روش طراحی الاستیک یا تنش مجاز (ASD):
-در روش طراحی تنش مجاز برخورد ضرایب اطمینان به این صورت است که مقاومت ماده به ضرایب اطمینان تقسیم می شود و در محاسبات مقادیر کمتری برای مقاومت منظور می شود.
-تا سال 1950این نوع سازه‌ها براساس روش ASD یا تنش مجاز طراحی می‌شدند و به عبارت دیگر طراحی اعضاء فلزی این نوع سازه بگونه ای صورت می‌گرفت که اعضاء براثر بارهای وارده از حد الاستیک خود خارج نشوند و استفاده از این روش تاکنون نیز در اکثر کشورهای جهان از جمله ایران ادامه داشته و آئین نامه‌های داخلی کشور ایران و فصل دهم مقررات ملی ساختمان نیز براساس این روش تدوین گردیده است .
ضریب اطمینان بارهای وارده و مقاومت در این روش طراحی به شکل زیر است :
ضریب مقاومت = ضریب بار
برای مثال ضریب اطمینان مقاومت کششی فولاد 0.6 یعنی fb=0.6fy می‌باشد .
- مراحل این روش بطور خلاصه به ترتیب زیر هستند:
۱: تعیین بارهای وارد بر سازه
۲: آنالیز سازه و تعیین تنش‌ها در مقاطع مختلف به کمک تئوری‌های کلاسیک اجسام الاستیک
۳: تعیین تنش‌های مجاز با استفاده از یک آیین نامه محاسباتی
۴: طراحی نهایی مقطع با این محدودیت که در هیچ نقطه‌ای از سازه تنش‌های ایجاد شده از تنش‌های مجاز تجاوز نکنند.
– این روش به دلیل سادگی و سهولت کاربرد تا چندی قبل به عنوان قابل استفاده‌ترین روش طراحی سازه‌های بتن آرمه مطرح بود. لیکن نقاط ضعف این روش استفاده از آن را محدود کرده است. مهمترین این نقاط ضعف عبارتند از:
الف: در این روش ایمنی به کمک تنها یک ضریب (ضریب اطمینان) و در یک مرحله منظور میشود، از آنجا که عواملی که لزوم تامین یک حاشیه ایمنی را ایجاب می‌کنند دارای ریشه‌ها و شدت‌های متفاوت هستند، در نظر گرفتن آنها تنها با کمک یک ضریب غیر منطقی است.
ب: بتن ماده‌ای است که تنها تا تنش‌های معادل نصف مقاومت فشاری آن به صورت الاستیک و خطی عمل می‌کند. بنابراین با بکار بردن درصدی از مقاومت فشاری بتن در محاسبات نمی‌توان اطلاعی از ضریب اطمینان کلی سازه در مقابل فروریختگی به دست آورد.
ج: به کار بردن این روش در طراحی بعضی مقاطع با اشکالات تئوریک مواجه است. به عنوان مثال در مقاطع خمشی تنش واقعی فولاد غالبا کمتر از مقداری است که با این روش محاسبه میشود.
– تا سال ۱۹۵۶ میلادی روش تنش‌های مجاز مبنای محاسبات در آیین نامه ACI بود. این روش از سال ۱۹۷۷ تنها در قسمت ضمائم آیین نامه و تحت عنوان روش دیگر طراحی جا داده شد.
-برای روش تنش مجاز :
باید در ETABS از ایین نامه AISC-ASD89 که تطابق خیلی نزدیکی با مبحث دهم دارد استفاده کنیم
دونستنش خالی از لطف نیست که ASD مخفف allowable stress design و همچنین ALLOWABLE STRENGHT DESIGN نیز تعبیر میشود که گاهی هم با نام روش WSD هم شناخته میشه.(working stress design)
ب) روش طراحی پلاستیک یا مقاومت نهایی (LRFD):
-در این روش طراحی، ضرایب اطمینان در بارها ضرب می شود و بارها افزایش داده می شوند و در مقابل در محاسبات ، خود مقاومتهای اصلی وارد می شوند.این روش طراحی در روش LRFD در فولاد و در روش USD بتن در ایین نامه های آمریکا به کار گرفته می شود.
-وارد کردن اصل مقاومت در محاسبات خصوصیات تازه ای به وجود می اورد و امکانات تازه ای را در اختیار طراح قرار می دهد که در روش ASD امکان پذیر نیست.برای مثال در طراحی بتن می توان رفتار غیر خطی بتن را وارد محاسبات کرد در حالی که این کار در روش قبلی امکان پذیر نیست.
-از سال 1980 با افزایش کیفیت مصالح و ارتقاء سطح کیفی اجرا ، روش پلاستیک یا مقاومت نهایی LRFD بعنوان یک روش علمی‌ترو اقتصادی تر در بعضی از کشورها جایگزین روش ASD یا الاستیک گردید .
-در این روش به اعضاء سازه‌ها اجازه داده میشود براثر بار وارده ناشی از بارگذاری از حد الاستیک خود خارج و به حد پلاستیک یا خمیری خود برسند و همین موضوع باعث افزایش مقاومت اعضاء و کاهش هزینه ساخت و اقتصادی تر شدن سازه می‌گردد .
-ضریب اطمینان بارهای وارده در بارگذاری این نوع سازه‌های و ضریب اطمینان مقاومت به شکل زیر می‌باشد :
ضریب مقاومت = ضریب بار
همانگونه که می‌بینیم ضرایب تنها در بار اعمال میشوند .
-این روش بدلیل نیاز به رعایت استانداردهای مصالح و افزایش کیفیت اجرا در بیشتر کشورها از جمله ایران مورد استفاده قرار نگرفته است و اجرای این روش طراحی می‌بایست متناسب با افزایش کیفیت مصالح و ارتقاء کیفی اجرایی سازه‌های فلزی در کشورهای مختلف صورت گیرد .
- این روش را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود:
۱: باربهره برداری به وسیله ضریبی موسوم به ضریب بار افزایش داده میشود، بار حاصله را اصطلاحا بار ضریبدار یا بار نهایی می نامند.
۲: بارهای ضریبدار بر سازه اعمال میشوند و به کمک روشهای خطی آنالیز سازه ها، نیروی داخلی مقاطع محاسبه میشود. به این نیروی داخلی اصطلاحامقاومت لازم گفته میشود. مقاومت لازم در یک مقطع شامل: مقاومت خمشی لازم، مقاومت برشی لازم، مقاومت پیچشی لازم و مقاومت بار محوری لازم است.
۳: برای هر مقطع، مقاومت طراحی آن از حاصلضرب مقاومت اسمی در ضریبی کوچکتر از واحد به نام ضریب کاهش مقاومت به دست می‌آید. مقاومت اسمی، حداکثر مقاومتی است که مقطع قبل از گسیختگی از خود نشان می‌دهد. مقاومت اسمی یک مقطع مشتمل است از: مقاومت خمشی اسمی، مقاومت برشی اسمی، مقاومت پیچشی اسمی و مقاومت بار محوری اسمی.
۴: طراحی مقطع به نحوی که در آن مقاومت لازم از مقاومت طراحی کمتر باشد.
– روش طراحی بر مبنای مقاومت، امروزه اساس کار طراحی سازه‌های بتن آرمه می‌باشد
- برای روش حدی نهایی :
باید در ETABS از آیین نامه AISC360-05/IBC2006 استفاده کنیم که این آیین نامه هم تطابق در حد 95 درصد با مبحث دهم دارد
LRFDهم مخفف load and resistant factor design هست .
ج) روش طراحی حالات حدی (LSD) :
در این روش طراحی قسمتی از ضریب اطمینان در بارها اثر داده می شوند و قسمتی از ضرایب اطمینان در مقاومتها.یعنی هم بارها بزرگ می شوند و هم مقاومتها کاهش داده می شود.توضیح اینکه عدم اطمینانی که در طراحی وجود دارد هم ناشی از بارها و هم ناشی از مقاومت هاست.بنابراین بهتر است هر دو عدم اطمینان به صورت جداگانه در نظر گرفته شود.در این روش می توان با اگاهی بیشتر نسبت به ظرایب اطمینان تصمیم گرفت.
در این روش بجای استفاده از یک ضریب اطمینان شکسته شده که ضرایب جزئی اطمینان (Partical Safty factor) نامیده میشوند استفاده می شود.
مطالب مشابه :
پاورپوینت مقایسه بین روش های طراحی سازه ASD & LRFD