مفصل پلاستیک و مفاهیم مرتبط با آن در طراحی سازه

به طور کلی هدف طراح سازه از ایجاد مفاصل پلاستیک در اعضای شکل‌پذیر بالابردن قابلیت شکل پذیری سازه و استهلاک نیروی زلزله می‌باشد. همونطور که اشاره شد پس از تشکیل مفصل پلاستیک، تغییرشکل‌های قابل توجهی در مقطع رخ میده و لذا تعیین این موضوع که ابتدا در چه عضوی از سازه مفصل پلاستیک تشکیل بشه یکی از مهم‌ترین اقداماتی است که باید در طراحی سازه پیش بینی شود. در ادامه به بررسی موضوع تشکیل مفاصل پلاستیک در سازه‌های با مقاطع فولادی و بتنی می‌پردازیم.

مفصل پلاستیک در سازه های بتنی

در این بخش تشکیل مفاصل پلاستیک در سازه‌هایی با مقاطع بتنی رو بررسی خواهیم کرد.

قاب خمشی بتنی

همونطور که میدونیم سیستم باربرجانبی قاب خمشی، متشکل از تیر و ستون با اتصالات گیردار بوده که با هم تشکیل یک قاب را می‌دهند.

با اِعمال نیروی جانبی زلزله به سازه، اعضای قاب خمشی (تیر و ستون) تحت لنگرهای خمشی و نیروهای برشی قرار می‌گیرند و با افزایش نیرو‌های وارده به سازه امکان تشکیل مفاصل پلاستیک در اعضای قاب خمشی (چه در ستون و چه در تیر) وجود دارد.

زمانی که یک عضو خمشی بتنی، تحت لنگرخمشی قرار می‌گیره، با توجه دیاگرام لنگر وارده در طول عضو، در نقطه ای از عضو که لنگرخمشی قابل توجهی وارد میشه و این لنگر از ظرفیت خمشی اون عضو بیشتره مفصل پلاستیک تشکیل میشه. تشکیل مفصل پلاستیک در یک عضو بتنی، با جاری شدن میلگردهای اون مقطع همراه است.

   ⇐ سوال: اما سوال اصلی اینجاست آیا تشکیل مفصل پلاستیک در ستون یا در تیر تفاوتی هم داره؟

در پاسخ به این سوال باید گفت: بله، اولویت تشکیل مفصل پلاستیک در تیر است و نه ستون.

به عبارت دیگه یک طراحی مناسب به گونه ای است که ابتدا در تیرهای سازه که اعضای شکل پذیر سازه نیز محسوب میشن، مفصل پلاستیک تشکیل بشه و در نهایت پس از تشکیل مفاصل پلاستیک در تمامی تیرها سپس در پای ستون‌ها این اتفاق رخ بده.

   ⇐ سوال: علت اولویت تشکیل مفصل پلاستیک در تیرها چیست؟

همونطور که اشاره شد پس از ایجاد مفصل پلاستیک تغییرشکل‌های زیادی در اون ناحیه (ناحیه تشکیل مفصل پلاستیک) رخ میده، بنابراین طبیعی است که در ناحیه تشکیل مفاصل پلاستیک خرابی‌های قابل توجهی نیز داشته باشیم. اگر این خرابی‌ها در تیر اتفاق بیافته آسیب چندان جدی‌ای به سازه اصلی وارد نخواهد شد اما اگر مفاصل پلاستیک در ستون‌ها تشکیل بشه چی؟ قطعاً این خرابی بسیار مهم‌تره؛ چرا که به شدت در پایداری کلی سازه تأثیر گذاربوده و ممکنه باعث فرورریزش کلی سازه و یا وقوع خرابی پیش‌رونده بشه.

لذا تمایل داریم تا ستون‌های سازه قوی‌تر از تیرهای اون باشه تا ابتدا در تیرها مفصل پلاستیک ایجاد بشه و نه در ستون‌ها. بنابراین علت اصلی کنترل قاعده تیر ضعیف- ستون قوی (که در قاب‌های خمشی ویژه به صورت الزامی باید صورت گیرد) نیز به همین دلیل است.

دیوار برشی بتنی

دیوارهای برشی برای تحمل نیروهای جانبی زلزله مورد استفاده قرار می‌گیرند و لذا بایستی توانایی مقابله با نیروهای رفت و برگشتی زلزله را در سیکل‌های متعدد داشته باشند. وقتی صحبت از نیروهای رفت و برگشتی زلزله میشه، مطمئناً اولین چیزی که به ذهن میرسه بحث دوام و شکل‌پذیری اون المان در جریان زلزله خواهد بود.

یکی از راهکارهای اصلی آیین‌نامه برای بالابردن شکل‌پذیری المان‌های بتنی در جریان زلزله نوع آرماتورگذاری ویژه‌ای است که برای اون المان در نظر میگیرن. لذا در قسمت‌هایی از عضو که در اثر نیروهای وارده دچار تنش‌های زیادی میشن (مقاطع بحرانی عضو) آرماتورگذاری به صورت ویژه پیشنهاد میشه.

معمولاً در دیوار برشی بتنی متعارف محل تشکیل مفصل پلاستیک در پای دیوار (در تراز پایه) بوده و مطابق مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، در این قسمت (که مقطع بحرانی دیوار نامیده میشه) به دلیل جاری شدن آرماتورهای طولی مجاز به در نظرگرفتن وصله پوششی (اورلپ) نخواهیم بود.