بدون شک یکی از مهمترین و تأثیرگذارترین نامنظمیها در پلان، نامنظمی پیچشی میباشد. این نامنظمی همونطور که از اسمش پیداست باعث ایجاد پیچش در پلان خواهد شد که یک رفتار بسیار خطرناک برای سازه محسوب میشه و میتونه سبب بروز آسیبهای جدی در سازه بشه.
علت اصلی بروز نامنظمی پیچشی، اختلاف بین مرکز جرم و مرکز سختی است که به دلیل توزیع نامناسب جرم و سختی در پلان اتفاق میافته. البته که در خیلی از مواقع به دلیل روبرو بودن با پلانهای نامتقارن، به خودی خود توزیع جرم در پلان متقارن نخواهد بود و تنها ابزار مهندس طراح سازه برای بهبود وضعیت پیچشی پلان، توزیع مناسب المانهای باربرجانبی (که دارای بیشترین سختی در سازه هستند)، میباشد.
در این مقاله سعی شده تا ابتدا با بررسی مفهوم پیچش در پلان و علت ایجاد اون، با ضوابط آییننامهای و نحوه کنترل نامنظمی پیچشی در نرم افزار آشنا بشیم و در نهایت راهکارهایی رو جهت بهبود وضعیت پیچشی سازه ارائه کنیم.
سرفصلهای مقاله
تعریف نامنظمی پیچشی
نامنظمی پیچشی چیست؟
مطابق تعریف استاندارد 2800 و ASCE-7 نامنظمی پیچشی در دسته نامنظمیهای در پلان قرار میگیره. (تصویر زیر)
با توجه به تعریف نامنظمی پیچشی در استاندارد 2800، معیار آیین نامه برای کنترل این نوع نامنظمی، میزان تغییرمکانهای نسبی در پلان میباشد.
در استاندارد 2800 سه حالت زیر برای پیچش در پلان وجود داره:
- منظم
- نامنظمی پیچشی زیاد
- نامنظمی پیچشی شدید
نکته: نکته قابل توجه در کنترل این نوع نامنظمی اینه که، برخلاف سایر نامنظمیهای در پلان، نامنظمی پیچشی در ابتدای کار مشخص نیست؛ لذا برای تشخیص آن بایستی پس از مدلسازی و بارگذاری، سازه آنالیز بشه تا بتونیم سازه رو از نظر پیچشی بررسی کنیم.
نتایج و خروجیهای مربوط به نسبت تغییرمکانهای نسبی دیافراگم در حالتی که پیچش تصادفی (برون مرکزی حداقل، برابر با 5درصد بُعد عمود بر امتداد نیرو) در نظرگرفته شده باشه و همچنین Aj=1 (در ادامه درباره Aj صحبت میکنیم) هست، مشخص میکنه که سازه از نظر پیچشی، نامنظم هست یا خیر؟
هنگامی که نیروی زلزله به ساختمان وارد میشه، نقاط پلان دچار تغییرمکان میشن. مطابق استاندارد 2800 سه عدد تغییرمکان ناشی از زلزله در پلان، به نامهای تغییرمکان حداقل،حداکثر و میانگین وجود داره و معیار این استاندارد برای دسته بندی پیچش، نسبت تغییرمکان حداکثر به تغییر مکان میانگین در پلان است. (مطابق شکل زیر)
با توجه به مطالب اشاره شده میشه به صورت خلاصه داریم:
- ساختمان منظم از نظرپیچش: زمانی که نسبت تغییرمکان حداکثر به تغییر مکان میانگین کمتر از 1.2 باشد.
- ساختمان نامنظم پیچشی زیاد: زمانی که نسبت تغییرمکان حداکثر به تغییر مکان میانگین بیشتر از 1.2 و کمتر از 1.4 باشد.
- ساختمان با نامنظمی پیچشی شدید: زمانی که نسبت تغییرمکان حداکثر به تغییر مکان میانگین بیشتر از 1.4 باشد.
علت ایجاد پیچش در پلان
همانطور که میدونیم نیروی زلزله در هر دو راستای X و Y و در هر طبقه به مرکز جرم پلان در اون طبقه وارد میشه. (مانند شکل زیر)
حال سوال اصلی اینجاست که در برابر این نیروی زلزله وارده چی قراره مقاومت کنه؟
المانهای قائم باربرجانبی وظیفه مقاومت در برابر نیروی زلزله رو دارن. این المانها با توجه به میزان سختیای که دارن میتونن در مقابل نیروهای زلزله از خودشون مقاومت نشون بدن. مهم ترین اجزای سیستم باربر جانبی قائم در سازهها، دیواربرشی، قاب خمشی (قاب متشکل از تیرو ستون با اتصالات گیردار) و مهاربندها هستند.
به عنوان مثال در تصویر زیر پلان یک سقف همراه با دیوار برشی بتنی به عنوان المانقائم باربرجانبی رو مشاهده میکنید که در این پلان، دیواربرشی قراره در برابر نیروی زلزله مقاومت کنه.
با توجه به تعریف مرکز جرم که نقطه تجمیع جرمهای پخش شده در پلان هست، میتونیم نقطهای رو هم به نام مرکز سختی در پلان تعریف کنیم که، در واقع محل تجمیع سختی المانهایِ باربرِ پخش شده، در یک پلان هست.
پس از مشخص شدن مرکز سختی و مرکز جرم در پلان، مهمترین موضوع موقعیت قرارگیری این دو نقطه نسبت به هم میباشد. هر چه این دونقطه نسبت به هم فاصله بیشتری داشته باشد، پیچش در پلان شدیدتر خواهد شد. در شکل بالا با توجه به فاصله مرکز جرم و مرکز سختی متوجه میشیم که این پلان، مستعد پیچش هست و برای تعیین شدت و اندازه اون (مطابق تعریف استاندارد2800) بایستی پس از آنالیز سازه مقدارش رو بدست بیاریم و با اعداد استاندارد 2800 کنترل کنیم. (تشخیص میزان پیچش در سازه)
پیچش تصادفی چیست؟
همانطور که اشاره شد در صورتی که مرکز جرم و مرکز سختی در یک پلان از هم فاصله داشته باشن، نیروی زلزله وارده، ضرب در اختلاف این دو مرکز، یک لنگر پیچشی رو در پلان ایجاد خواهد کرد. (نیروی زلزله به مرکز جرم وارد میشه)
حال فرض کنید که با توجه به توزیع مناسب جرم و سختی در پلان و محاسبات انجام شده، مرکز سختی و مرکز جرم دقیقاً بر هم منطبق بوده و یا اختلاف بسیار ناچیزی از هم داشته باشن. در این صورت آیا پیچشی در پلان رخ نخواهد داد؟
در جواب باید گفت: به احتمال زیاد بله – حتی با توجه به انطباق کامل مرکز جرم و مرکز سختی، نمیشه این گونه ادعا کرد که در واقعیت هم هیچ گونه پیچشی در پلان رخ نخواهد داد، چرا که این احتمال وجود داره که به دلیل شرایط حین اجرای ساختمان، کیفیت نامناسب اجرا و عدم رعایت برخی از جزئیات نقشه، همچنین جابهجاییهای جزئی که بعداً مطابق سلیقه کارفرما (حتی با هماهنگی با طراح) در اجرا انجام میشه (مانند جابهجایی تیغهها و دیوارهای داخلی) و موارد از این دست، امکان به هم خوردن تعادل و بروز پیچش (هر چند کم) در سازه وجود خواهد داشت.
لذا آیین نامه 5 درصد بُعد پلان در راستای عمود بر نیروی زلزله رو به عنوان برون مرکزیت اتفاقی درنظرمیگیره (که باعث پیچش تصادفی میشه) تا با این کار در واقع بتونه شرایط پیش بینی نشده رو هم در طراحی لحاظ کنه. به برون مرکزیت (خروج از مرکزیت) اتفاقی، برون مرکزیت (خروج از مرکزیت) حداقل نیز میگن.
کنترل پیچش توسط زلزله های با خروج از مرکزیت
همان طور که میدونیم در تعریف نیروهای زلزله در یک راستا، سه نوع زلزله داریم که دوتای آنها با خروج از مرکزیت (مثبت و منفی) بوده و یکی از آنها بدون خروج از مرکزیت میباشد. به عنوان مثال برای نیروی زلزله در راستای Y، زلزلههای EyAll2 و EyAll3 به ترتیب زلزلههای با خروج از مرکزیت مثبت و منفی بوده و EyAll1 زلزله بدون خروج از مرکزیت میباشد. (مطابق شکل زیر)
با توجه به شکل بالا میشه اینطور نتیجه گرفت که:
تحت زلزله EyAll2 بیشترین پیچش و تحت زلزله EyAll3 کمترین میزان پیچش رو خواهیم داشت. (چرا؟) لذا نتایج مربوط به زلزله EyAll2 در این طبقه بحرانیتر و تعیین کننده خواهد بود.
بنابراین بایستی در کنترل نامنظمی پیچشی در پلان، تأثیر زلزلههای با خروج از مرکزیت اتفاقی (5درصد) رو هم در نظر بگیریم.
- نکته:
در ورژنهای جدید نرم افزار ETABS مثل ایتبس 2019 امکان تعریف همزمان سه نیروی زلزله تحت یک نام وجود داره و نرم افزار در نتایج خروجی اونها رو به ترتیب 1و2و3 نامگذاری میکنه. این کار در بخش تعریف ضریب زلزله در نرم افزار ایتبس انجام می شود. عدد 1 درکنار نام نیروی زلزله، زلزله بدون خروج از مرکزیت و اعداد 2 و 3 به ترتیب زلزلههای با خروج از مرکزیت مثبت و منفی هستند.
ضریب بزرگنمایی Aj
همانطور که از نام این ضریب مشخصه، کاربرد اون افزایش (بزرگ کردن) برون مرکزیهای اتفاقی است. به چه صورت؟
در صورتی که ساختمان از نظرپیچشی نامنظم باشد (چه زیاد و چه شدید) مقدار خروج از مرکزیت اتفاقی حداقل (5درصد) بایستی در ضریب Aj ضرب شود. مقدار این ضریب از رابطه زیر بدست میاد:
همانطور که در رابطه بالا مشاهده میشه مقدار ضریب بزرگنمایی Aj، تنها میتونه بین 1 تا 3 باشه و کمتر یا بیشتر از این مقدار مجاز نیست.
-
نکته: چرا در ساختمانها منظم از نظر پیچشی، ضریب Aj رو در نظر نمیگیریم؟
پاسخ: با توجه به اینکه در ساختمانهای منظم نسبت تغییرمکان حداکثر به تغییر مکان میانگین کوچکتر از 1.2 بوده و اگر مقدار این نسبت (در ساختمانهای منظم) در رابطه Aj جایگذاری بشه، مقدار Aj کمتر از 1 خواهد شد. لذا طبق صحبتی که کردیم مجاز نیستیم که ضریب Aj رو کمتر از یک بگیریم، همچنین اگر بخواهیم این مقدار Aj کمتر از 1 رو در برون از مرکزیت حداقل (5درصد) ضرب کنیم، برون مرکزیت حداقل نیز کمتر از مقدار 5 درصد شده و باز هم مشخصه که مجاز به کاهش برون مرکزیت حداقل نیسیتم. (چون اسمش روش هست حداقل، و از حداقل کمتر معنایی نداره)
پس در ساختمانهای منظم فرض رو بر این قرار میدیم که Aj=1 هست.
- نکته: (تفاوت Aj با نسبت کنترلی برای پیچش)
توجه کنید که برای کنترل نامنظمی پیچشی بایستی نسبت تغییرمکان حداکثر به تغییر مکان میانگین کنترل بشه و نه نسبت Aj. همانطور که مشاهده کردین این دو نسبت با هم متفاوت هستند. دلیل این توصیه این هست که بعضاً دیده شده نسبت Aj با مقدار تغییرمکان حداکثر به تغییر مکان میانگین اشتباه گرفته میشه.
کنترل نامنظمی پیچشی در نرم افزار ایتبس
با توجه به مطالب اشاره شده در قسمت قبل، پس از مدل سازی، بارگذاری و آنالیز سازه به سراغ مشاهده نتایج مربوط به تغییرمکانهای دیافراگمِ کف طبقات میریم.
دسترسی به نتایجِ نسبت تغییرمکان حداکثر به میانگین در پلان
پس از آنالیز سازه بایستی مطابق مسیر زیر از منوی Display اقدام کنیم:
Display — Show Table — Analysis — Result — Displacment — Diaphragm Max/Ave Drifts
همانطور که مشاهده میشه، با استفاده از این گزینه، نسبت ماکزیمم نسبی به میانگین نسبیِ دریفتهای طبقات که با تقریب خوبی میشه اونها رو با نسبت تغییرمکانهای نسبی طبقات یکی در نظرگرفت، بدست میاد. دریفت هر طبقه برابر با تغییرمکان نسبی طبقه (اختلاف تغییرمکان اون طبقه و طبقه زیرین) تقسیم بر ارتفاع طبقه بوده و در صورتی که ارتفاع طبقات یکسان باشه، نسبت دریفت با نسبت تغییرمکانها یکی خواهد شد.
- نکته:
در صورتی که از مسیر زیر اقدام کردین و عبارت Diaphragm Max/Ave Drifts رو مشاهده نکردین، به این دلیل است که به سقفهای پروژه، دیافراگمی رو اختصاص ندادین.
برای انجام این کار (اختصاص دیافراگم به سقفها) بایستی ابتدا تمامی سقفها رو انتخاب کرده و از منوی Assign (مطابق شکل زیر) دیافراگم صلب رو به سقفها اختصاص بدیم.
مشاهده نتایج و تفسیر آن ها
همانطور که در تصویر زیر مشاهده میشه، به عنوان یک مثال نتایجِ مربوط به دریفت ماکزیمم و دریفت میانگین طبقات تحت زلزله راستای Y (با و بدون خروج از مرکزیت) نشان داده شده است.
شکل 9 جدول مربوط به نتایج دریفت ماکزیمم به میانگین در دیافراگم (تحت زلزله راستای Y)
ستون 1: مربوط به زلزلههای راستای Y هست. همونطور که مشاهده میکنید برای کنترل نامنظمی پیچشی نیروهای زلزله رو در هر راستا (X و Y) و به طور مجزا انتخاب میکنیم و این کنترل رو انجام بدیم.
ستون 2: دلیل مجزا انتخاب کردن زلزلهها در هر راستا وجود این ستون است. در این ستون امکان فیلتر کردن جابهجایی دیافراگم در هر راستا (تحت نیروی زلزله انتخابی در ستون 1) وجود دارد، که برای هر راستای زلزله، بایستی جابهجایی دیافراگم در همان راستا انتخاب شود. به عنوان مثال وقتی در ستون 1، EyAll داریم روی این ستون نیز راست کلیک کرده و تنها Diaph Y انتخاب میکنیم.
ستون 3: مقدار دریفت ماکزیمم که در لبههای کناری پلان اتفاق میافته، در این ستون قابل نمایش است.
ستون 4: در این ستون مقدار دریفت میانگین پلان در هر طبقه نمایش داده میشه.
ستون 5: نسبت مقدار ماکزیمم به میانگین دریفت (یعنی نسبت اعداد ستون 4 به 3 در هر ردیف) نمایش داده میشه و با توجه به این نسبت میتونیم تشخیص بدیم که سازه از نظر پیچشی در چه وضعیتی قرار داره.
همانطور که در تصویر بالا مشاهده میشه، بیشترین مقدار نسبت (Ratio) در این ساختمان تحت زلزله راستای Y، با خروج از مرکزیت مثبت و در طبقه سوم اتفاق افتاده است و عدد آن برابر 1.104 است. بنابراین تا اینجا میشه گفت سازه از نظر پیچشی منظم هست.
اما آیا بررسی این نسبت کافی است؟
خیر، در صورتی که سازه در راستای X نسبت بیشتر از 1.2 داشته باشه، کل سازه رو نامنظم پیچشی میگیم پ لازمه که بیشترین مقدار این نسبت تحت زلزلههای راستای X (با و بدون خروج از مرکزیت) کنترل بشه تا بتونیم نظر قطعی بدیم. (تصویر زیر بررسی این نسبت (Ratio) تحت زلزله راستای X رو نشون میده)
شکل 10 جدول مربوط به نتایج دریفت ماکزیمم به میانگین در دیافراگم(تحت زلزله راستای X)
همانطور که در تصویر بالا مشاهده میکنید در راستای X هم، همچنان بیشترین نسبت (Ratio) کمتر از 1.2 بوده و لذا سازه در راستای X هم منظم میباشد. بنابراین با توجه به نتایج فوق (در هر دو راستای X و Y) نتیجه میگیریم که ساختمان از نظر پیچشی منظم هست.
جریمههای مربوط به نامنظمی پیچشی
در صورتی که نسبت کنترلی (Ratio) بیش از مقدار 1.2 باشه، سازه مشمول جرائمی خواهد شد. در این بخش با توجه به نوع نامنظمی پیچشی (زیاد و یا شدید) جریمهها رو دسته بندی کردیم.
جرائم سازه با نامنظمی پیچشی زیاد
افزایش برون مرکزیت اتفاقی
در این صورت بایستی برون مرکزیت اتفاقی با استفاده از ضریب Aj افزایش یابد. به عنوان مثال فرض کنید نسبت جابه جایی حداکثر به میانگین در طبقه دوم و تحت بار EyAll2 برابر با 1.32 شده باشه. لذا داریم:
بنابراین برون مرکزیت اتفاقی که برابر با 5 درصد بُعد پلان در راستای عمود بر نیروی زلزله بود (مطابق شکل زیر 0.05L) ، بایستی در ضریب Aj=1.21 ضرب بشه.
بنابراین داریم:
لذا برون مرکزیت نیروی زلزله در راستای Y به اندازه حدود 1 درصد افزایش مییابد.
- نکته:
با توجه به این که نسبت 1.32 تنها در طبقه دوم و تحت نیروی زلزله EyAll2 رخ داده است، از نظر اقتصادی و بهینه تر کردن طراحی سازه، بهتر است که:
- اولاً این افزایش برون از مرکزیت تنها در راستای زلزله با خروج از مرکزیت مثبت (EyAll2) انجام شود. لازمه این کار تعریف جداگانه زلزلههای با و بدون خروج از مرکزیت است. (EX، EXP، EXN)
- ثانیاً بهتر است که برون از مرکزیت افزایش یافته تنها در طبقه دوم منظور شود و نه در کل طبقات.
به تصاویر زیر دقت کنید:
الزام آنالیز سازه با تحلیل دینامیکی
مطابق بند 3-2-2 استاندارد 2800 درصورتی که ارتفاع ساختمان بیش از سه طبقه باشد و یکی از نامنظمیهای پیچشی زیاد و یا شدید رو داشته باشه، نمیتونیم از روش استاتیکی معادل برای آنالیز سازه استفاده کنیم و بایستی که از تحلیل دینامیکی استفاده بشه.
استفاده از همپایه سازی 90 درصد برای تحلیل دینامیکی
با توجه به اینکه در این شرایط (نامنظمی پیچشی زیاد) مجبور به استفاده از آنالیز دینامیکی هستیم، همپایهسازی برشهای دینامیکی نیز (در تحلیل دینامیکی) بایستی با 90 درصد برش پایه استاتیکی انجام بشه. این در حالی است که اگر سازه منظم بود، همپایه سازی با 85 درصد برش پایه استاتیکی انجام میشد.
شکل 15 بند مربوط به همپایه سازی (اصلاح مقادیر بازتابها) در استاندارد 2800
یعنی در سازههای منظم اجازه 15 درصد کاهش برش پایه دینامیکی رو نسبت به برش پایه استاتیکی داشتیم ولی در سازه با نامنظمی زیاد پیچشی تنها اجازه کاهش 10 درصدی برش پایه دینامیکی رو خواهیم داشت. (این یعنی افزایش 5 درصدی برش پایه دینامیکی در حالت نامنظمی پیچشی زیاد نسبت به حالت منظم)
در نظر گرفتن اثر زلزله متعامد (زلزله 30-100 در ترکیب بارها)
مطابق بند 3-1-4 استاندارد 2800 در صورتی که سازه در پلان دارای نامنظمی باشه، بایستی بدون چون و چرا اثر زلزله متعامد رو در ترکیب بارها لحاظ کنیم.
یعنی نمیتونیم در ترکیب بارها فقط از نیروی زلزله در یک راستا (صرفاً راستای X یا Y به طور مجزا) استفاده کنیم و باید اثر هر دو راستا رو به صورت همزمان ولی با نسبت 100 به 30 (مثلاً 100 درصد نیروی زلزله راستای X و 30 درصد نیروی زلزله در راستای Y) در نظر بگیریم.
محاسبه ضریب نامعینی با استفاده از حالت ب
در شرایطی که سازه از نظر پیچشی نامنظم و همچنین ارتفاع اون کمتر از 3 طبقه و یا 10 مترباشه ، کنترل ضریب نامعینی با استفاده از حالت (ب) که مربوط به حذف المان تأثیرگذار و بررسی میزان کاهش مقاومت و ایجاد یا عدم ایجاد نامنظمی پیچشی شدید است، باید انجام بشه. برای مطالعه بیشتر در این خصوص میتونید به مقاله ضریب نامعینی سازه مراجعه کنید.
شکل 17 تعریف ضریب نامعینی در استاندارد 2800 و چگونگی محاسبه آن
سختگیری در کنترل دریفت سازه (محاسبه تغییرمکان لبهی کناری سازه)
در سازههای نامنظم پیچشی (چه زیاد و چه شدید) برای محاسبه دریفت سازه و کنترل اون با مقدار مجاز بایستی اختلاف تغییرمکانهای لبههای کناری رو به جای اختلاف تغییرمکان مرکز جرمهای طبقات محاسبه کنیم.
بدیهی است که در پلانهای پیچشی، تغییرمکان لبه کناری سازه بیشتر از تغییرمکانی است که در مرکز جرم رخ میدهد. لذا استاندارد 2800 در این قسمت به صورت سختگیرانه عمل میکند و این کار باعث میشه جواب گرفتن از دریفت در سازههای نامنظم پیچشی سختتر بشه.
جرائم سازه با نامنظمی پیچشی شدید
افزایش برون مرکزیت اتفاقی
مطابق با توضیحات قبلی در خصوص نامنظمی زیاد پیچشی (بند 3-1-1 مقاله)
الزام آنالیز سازه با تحلیل دینامیکی
مطابق با توضیحات قبلی در خصوص نامنظمی زیاد پیچشی (بند 3-1-2 مقاله)
همپایه سازی 100 درصدی برش پایه دینامیکی
در صورتی که سازه دارای نامنظمی پیچشی شدید باشه، برش پایه دینامیکی دقیقاً بایستی با برش پایه استاتیکی یکی بشه و اجازه کاهش برش پایه دینامیکی نخواهیم داشت.
در نظر گرفتن اثر زلزله متعامد (زلزله 30-100 در ترکیب بارها)
مطابق با توضیحات قبلی در خصوص نامنظمی زیاد پیچشی (بند 3-1-4 مقاله)
در نظر گرفتن اثر زلزله متعامد (زلزله 30-100 در ترکیب بارها)
در شرایطی که سازه دارای نامنظمی پیچشی شدید باشه، بدون هیچ کنترل دیگهای، قطعاً ضریب نامعینی برابر با 1.2 بوده و در این حالت المانهای سازه بایستی برای 20 درصد نیروی زلزله بیشتر طراحی بشن که خب طبیعتاً منجر به افزایش وزن سازه و هزینههای اضافی برای کارفرما خواهد شد.
سختگیری در کنترل دریفت سازه (محاسبه تغییرمکان لبهی کناری سازه)
مطابق با توضیحات قبلی در خصوص نامنظمی زیاد پیچشی (بند 3-1-6 مقاله)
راهکار اصلاح نامنظمی پیچشی
همانطور که مشاهده کردین، ایجاد نامنظمی پیچشی در پلان با توجه به جریمههایی که آیین نامه برای اون درنظرگرفته، دردسرهای زیادی رو به همراه داره و عملاً میشه گفت پروژه رو از حالت بهینه و اقتصادی خارج میکنه.
بنابراین در صورتی که بعد از تحلیل و طراحی اولیه سازه، به مشکل نامنظمی پیچشی (چه زیاد و چه شدید) برخوردیم، باید سعی کنیم قبل از نهایی کردن پروژه تا جایی که امکان داره از شر این نامنظمی خلاص بشیم.! اما چگونه؟
مهمترین و اصلی ترین راه برای بهبود وضعیت هر مشکلی، شناخت علت اصلی اون مشکل هست. همانطور که در بخش اول مقاله عنوان شد، علت اصلی پیچش در پلان (که زیاد بودن اون باعث نامنظمی پیچشی میشه)، ایجاد فاصله بین مرکز جرم و مرکز سختی در پلان هست.
بنابراین برای اصلاح وضعیت پیچشی در پلان، بایستی تا جایی که میشه، مرکز جرم و مرکز سختی رو به هم نزدیکتر کنیم. انجام این کار با توزیع مناسب جرم و سختی در پلان اتفاق میافته. یعنی چی؟
مثال هایی جهت بهبود وضعیت پیچشی
- به مثالهای زیر توجه کنید:
پروژه دارای دیوار برشی
همانطور که در تصویر زیر (شکل شماره 20) مشاهده میکنید، با پلانی رو برو هستیم که در گوشه سمت چپِ پلان، یک بازشو (جهت سرویس پله) وجود داره. با توجه به وجود این بازشو، مرکز جرم پلان شماره 1، در مرکز پلان نیست ولی با توجه به توزیع متقارن دیوار برشی مرکز سختی دقیقاً در مرکز پلان واقع شده است.
بنابراین همانطور که مشاهده میشه، در پلان شماره 1، اختلاف بین مرکز جرم و مرکز سختی زیاد بوده و پلان دچار پیچش قابل توجهی خواهد شد؛ که این پیچش میتونه منجر به بروز نامنظمی پیچشی زیاد و یا شدید بشه)
- راهکار:
با توجه به این که عموماً نمیتونیم تغییری در ابعاد بازشو ایجاد کنیم (عدم تغییر در مرکز جرم)، بهترین کار توزیع متناسب المانهای تعیین کننده مرکز سختی در سازه هست (قاب خمشی، دیواربرشی، مهاربند).
به همین دلیل در این پروژه که دارای دیواربرشی است، میتونیم ابعاد دیوارهای برشی رو طوری تعیین کنیم که مرکز سختی به مرکز جرم نزدیک بشه.
لذا در تصویر بالا طول دیواربرشی سمت راست (SW2) رو بیشتر میکنیم تا با توجه به داشتن سختی بیشتر (نسبت به SW1)، مرکز سختی رو به سمت خودش بکشه. (مانند یک آهنربای قویتر)
در این حالت مرکز سختی به سمت مرکز جرم کشیده شده و فاصله اونها از هم کم میشه. درنتیجه پیچش سازه نیز کمتر شده و قطعاً وضعیت پیچشی سازه، بهتر از قبل خواهد شد.
پروژه دارای قاب خمشی
دقیقاً مشابه با همین کار (مثال دیواربرشی) رو در تیرهای تشکیل دهنده قابهای خمشی نیز میتونیم انجام بدیم. (مطابق شکل شماره 21)
-
در تصویر فوق مشاهده میکنید که برای نزدیک کردن مرکز سختی به مرکز جرم (در پلان شماره 2) ارتفاع تیرهای صمت راست پلان رو (از 50 به 60 سانتیمتر) افزایش دادیم تا با افزایش سختی قاب خمشی راستای A، مرکز سختی به سمت مرکز جرم متمایل شود.
جمع بندی
- بررسی و کنترل نامنظمی پیچشی در طراحی سازه یکی از موارد مهم و تاثیرگذار در نتایج نهایی میباشد.
- علت اصلی ایجاد پیچش در سازه، اختلاف بین مرکز جرم و مرکز سختی در پلان بوده و برای کاهش آن، بایستی با توزیع مناسب جرم و سختی در پلان، این دو مرکز را به هم نزدیکتر کنیم.
- آیین نامهها، مقدار نسبت جابهجایی ماکزیمم به میانگین در پلان رو، به عنوان معیار بررسی پیچش در سازه درنظر میگیرند.
- در کنترل نامنظمی پیچشی، بایستی اثر زلزلههای خروج از مرکزیت دار با برون مرکزی حداقل (5درصد) را هم لحاظ کنیم.
- در صورتی که سازه از نظر پیچشی نامنظم باشد، مقدار خروج از مرکزیتهای حداقل با استفاده از ضریب بزرگنمایی Aj افزایش مییابد.
- آییننامهها با توجه به رفتارهای پیش بینی نشده سازههای دارای نامنظمی پیچشی زیاد و شدید در برابر نیروهای زلزله، با احتیاط زیادی عمل کرده و به همین دلیل جریمههایی رو برای این گونه سازهها درنظر میگیرن.
- جهت بهبود وضعیت پیچشی در سازه، بایستی با استفاده از توزیع مناسب سختی و جرم در پلان، تا جایی که میشه مرکز سختی رو به مرکز جرم نزدیک کنیم.
منابع
- آییننامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله – استاندارد 2800- ویرایش چهارم
- آییننامهی بارگذاری امریکا ASCE7-2016
- پایگاه دانش فنی شرکت CSI
- پک اموزش ایتبس و طراحی سازه، پاراپلاس. مهندس امیر طاها نوروزی (1399)