• 02122444717
  • info@paracivil.org

مفصل پلاستیک و مفاهیم مرتبط با آن در طراحی سازه

مشخصات مقاله

  • تعداد صفحات:14 صفحه
  • اخرین تغییرات : 1400/04/31
  • تعداد بازدید ها: 431 نفر
  • بازخوردها:

یکی از مهم‌ترین استراتژی‌ها در خصوص طراحی ایمن ساختمان‌ها در برابر زلزله، توانایی جذب و اتلاف انرژی زلزله توسط المان‌های باربرجانبی می‌باشد. به همین منظور یکی از روش‌های پرکاربرد و مناسب برای استهلاک نیروی زلزله، تشکیل مفصل پلاستیک در المان‌های شکل پذیر سازه می‌باشد. در واقع با تشکیل مفصل پلاستیک در اعضای شکل پذیر و تغییرشکل‌های فراارتجاعی این اعضاء، فرآیند بازتوزیع نیروها در سایر المان‌های سازه نیز شکل می‌گیرد.
در این مقاله به تعریف مفصل پلاستیک و مفاهیم آن و همچنین تشکیل آن در انواع سیستم‌های سازه‌ای پرداخته شده است.

سرفصل‌های مقاله

1.تعریف مفصل پلاستیک

به طور کلی زمانی یک اتصال را مفصلی می نامیم که سختی اتصال در برابر نیروی وارده صفر و یا نزدیک به صفر باشد. در این حالت مقطع مورد نظر با اتصال مفصلی در اثر نیروی وارده و به دلیل پایین بودن میزان سختی، تغییرشکل زیادی از خود نشان می‌دهد.

زمانی که یک مقطع تحت تلاش‌های قابل توجهی (نیروی برشی، لنگرخمشی و …)  که فراتر از ظرفیت خودش باشه قرار بگیره، در قسمتی از مقطع که ضعیف‌تر از سایر قسمت‌ها باشه مفصل پلاستیک تشکیل میشه و مقطع در اون ناحیه تغییرشکل‌های قابل ملاحظه ای از خودش نشان خواهد داد.

1.1 چگونگی تشکیل مفصل پلاستیک

همانطور که میدونید در صورتی که یک مقطع تحت لنگر خمشی قرار بگیره تنش‌های کششی و فشاری ناشی از لنگر در اون مقطع ایجاد میشه. (مانند تصویر زیر)

شکل 1 دیاگرام فشار و کشش ناشی از لنگر خمشی در مقطع

در صورتی که مقدار لنگر خمشی افزایش پیدا کنه، تنش‌های کششی و فشاری و متناظر اون کرنش‌های این نواحی نیز افزایش پیدا میکنه؛ در صورت ادامه روند افزایش لنگر، این امکان وجود داره که ابتدا در دورترین تارمقطع، تنش به حد تسلیم (σy) برسه که این تنش متناظر با کرنش حدتسلیم (εy) در مقطع نیز هست.

به عبارتی در این لحظه اولین تار مقطع (که دورترین تار مقطع نسبت به تار خنثی هست) به تنش جاری شدن رسیده و لنگر متناظر با این تنش (که باعث ایجاد تنش حدتسلیم در اولین تار مقطع شده است) رو لنگر تسلیم یا My می نامیم.

شکل 2 تسلیم دورترین تار (اولین تار) مقطع ناشی از لنگرخمشی تسلیم
با ادامه روند افزایش لنگر خمشی در مقطع، سایر نقاط مقطع (تارهای بالایی و پایینی مقطع) نیز به ترتیب شروع به جاری شدن کرده و دیگر توانایی تحمل لنگر اضافه‌تری را نخواهند داشت. در صورت ادامه این روند افزایشی، تمامی تارهای مقطع به تنش حدتسلیم رسیده و در این حالت شاهد تشکیل مفصل پلاستیک در عضو خواهیم بود. لنگر متناظر با این حالت را لنگر پلاستیک یا Mp می نامیم.
شکل 3 تسلیم تمامی تارهای مقطع ناشی از لنگر پلاستیک

2.1 ویژگی های مقطع پس از تشکیل مفصل پلاستیک

همانطور که اشاره شد لنگر پلاستیک یا Mp همون لنگری است که باعث میشه که تمامی تارهای مقطع به تنش جاری شدن برسند. در واقع این لنگر رو حدظرفیت پلاستیک مقطع نیز می‌نامند به نحوی که مقطع موردنظر تحمل هرگونه لنگر اضافه‌ای (بیش از Mp) رو نخواهد داشت.

♦ سوال: رفتار مقطع در مقابل لنگرهای بیش از لنگر پلاستیک چگونه خواهد بود؟

با توجه به مطالبی که ارائه شد، مقطع میتونه تا حد ظرفیت پلاستیک خودش لنگر تحمل کنه، اما در صورتی که لنگر بیش از میزان ظرفیت (لنگر پلاستیک) مقطع به اون وارد بشه، آنگاه با تغییرشکل‌های قابل توجهی لنگرهای وارده رو به سایر مقاطع مجاور خودش انتقال میده و با این کار باعث میشه از ظرفیت سایر مقاطع که تحت تنش‌های کمتری هستند نیز استفاده بشه. به این کار بازتوزیع لنگر نیز میگن.

به عبارت دیگه لنگرهایی که بیش از ظرفیت مقطع باشن در ناحیه تشکیل مفصل پلاستیک شبیه به تکیه‌گاه مفصلی (تکیه گاه ساده) عمل کرده و لنگرهای مازاد رو تحمل نمی‌کنن و اون‌ها رو به سایر اعضاء انتقال میدن. به همین علت نیز نام مفصل رو برای این ناحیه انتخاب می‌کنیم.

♦ نکته:

توجه به این نکته ضروری است که مقایسه تکیه گاه مفصلی با مفصل پلاستیک صرفاً جهت آشنایی با رفتار ناحیه مفصل شده بود؛ ولی این رو هم  میدونیم که یک تفاوت عمده بین این دو وجود داره و اون اینه که از نظر تئوری در تکیه گاه مفصلی هیچ گونه لنگری تحمل نمیشه ولی در ناحیه مفصل پلاستیک تا رسیدن به لنگر پلاستیک مقطع لنگر تحمل میکنه و بیشتر از این مقدار رو به صورت مفصل عمل میکنه.

♦ نکته:

تشکیل مفصل پلاستیک در یک عضو علاوه بر تلاش لنگر خمشی میتونه تحت تلاش‌های دیگر نیز مانند نیروی برشی هم ایجاد بشه که در این صورت به عنوان مفصل برشی نامیده میشه. همچنین تحت تلاش‌های محوری نیز  امکان ایجاد این حالت (تشکیل مفصل) وجود داره.

2.تشکیل مفاصل پلاستیک در انواع سازه‌ها

به طور کلی هدف طراحان 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 پیش بینی شود. در ادامه به بررسی موضوع تشکیل مفاصل پلاستیک در سازه‌های با مقاطع فولادی و بتنی می‌پردازیم.

1.2 سازه های بتنی

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

1.1.2 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 لنگروارده 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.

2.1.2 دیوار برشی 

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 دیوارهای برشی متعارف محل تشکیل مفصل پلاستیک در پای دیوار (در تراز پایه) بوده و مطابق مبحث نهم ویرایش 99، در این قسمت (که مقطع بحرانی دیوار نامیده میشه) به دلیل جاری شدن آرماتورهای طولی مجاز به در نظرگرفتن وصله پوششی (اورلپ) نخواهیم بود.

شکل 4 بند مربوط به مهار و وصله دیوارهای برشی در نواحی بحرانی (نواحی محتمل برای تشکیل مفصل پلاستیک)

مطابق شکل زیر مشاهده میشه که محل تشکیل مفصل پلاستیک در دیوار برشی در پای دیوار بوده و لذا در این ناحیه از عضو که مطابق آیین نامه مقطع بحرانی نام‌گذاری شده، بایستی هم از آرماتورگذاری ویژه استفاده بشه و هم مجاز به استفاده از وصله پوششی نخواهیم بود.

شکل 5 مقاطع بحرانی دیوار برشی در تراز پایه (امکان ایجاد مفصل پلاستیک) – شکل برگرفته از جزوه ETABS دکتر حسین زاده اصل
شکل 6 ایجاد مفاصل پلاستیک در پای دیوار برشی (دیواربرشی عادی و دیواربرشی کوپله)

2.2 سازه فولادی

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

1.2.2 قاب خمشی فولادی

در قاب خمشی فولادی نیز مانند قاب خمشی بتنی اتصالات تیرها به ستون به صورت گیردار بوده و هدفِ طراحی، به گونه‌ای است که مفاصل پلاستیک ابتدا در تیرها تشکیل بشن. یکی از تعاریف مهم در مبحث دهم مقررات ملی در خصوص محل تشکیل مفصل پلاستیک، ناحیه حفاظت شده می‌باشد.

♦ ناحیه حفاظت شده

با توجه به مشاهدات خرابی‌ها پس از زلزله در سالیان گذشته، مهندسان به این نتیجه رسیدند که عمده خرابی‌ها در سازه‌های فولادی در محل اتصال تیر به ستون اتفاق افتاده و این نواحی زودتر از سایر قسمت‌ها به حد تسلیم رسیده‌اند. به همین منظور برای جلوگیری از این اتفاق ناخوشایند در سازه‌های فولادی، ناحیه‌ای را به عنوان ناحیه حفاظت شده مطرح کرده تا مفصل پلاستیک در این ناحیه تشکیل شده و از تشکیل مفصل پلاستیک در بَرِ ستون جلوگیری شود.

برای این منظور آیین نامه مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در بند 10-3-2-2 ناحیه حفاظت شده را به صورت زیر تعریف کرده و تأکید می‌کند با توجه به اهیمت این ناحیه، مجاز به هر گونه ناپیوستگی یا اتصال در این ناحیه نیستیم.

شکل 7 بند مرتبط با تعریف ناحیه حفاظت شده در مبحث دهم

بنابراین آیین‌نامه‌های فولادی به جهت ایجاد کردن فاصله بین محل تشکیل مفصل پلاستیک تا بَرِ ستون جزئیاتی رو برای اتصالات تیر به ستون ارائه کرده‌اند که به اتصالات گیردار از پیش تأیید شده معروف می‌باشد. این اتصالات به گونه‌ای طرح شده‌اند تا بتوان محل فرضی تشکیل مفصل پلاستیک رو در اون‌ها پیش بینی کرد.

با توجه به توضیحات ارائه شده در شکل زیر جزئیات مربوط به ناحیه حفاظت شده و محل تشکیل مفصل پلاستیک رو مطابق با مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در قاب‌های خمشی فولادی، میتونید مشاهده کنید.

شکل 8 نمایش ناحیه حفاظت شده و محل تشکیل مفصل پلاستیک در اتصال تیر به ستون

ضوابط تشکیل مفصل پلاستیک با توجه به شکل پذیری قاب خمشی

همانطور که میدونید یکی از پارامترهای مهم در تعیین شکل پذیری سازه نوع سیستم باربرجانبی است که با عبارات معمولی، متوسط و ویژه نام‌گذاری شده و برای هر کدام از آن‌ها نیز در استاندارد 2800 یک ضریب رفتار R پیشنهاد شده است. برای مطالعه بیشتر در این خصوص می‌تونید به مقاله ضریب رفتار مراجعه کنید.

  • قاب خمشی معمولی:

در قاب خمشی معمولی می‌توان محل تشکیل مفصل پلاستیک را در بَرِ ستون در نظرگرفت.

  • قاب خمشی متوسط و ویژه:

در قاب خمشی متوسط و ویژه بایستی محل تشکیل مفصل پلاستیک تا بَرِستون فاصله داشته باشد که برای ایجاد این فاصله با توجه به جزئیات مربوط به اتصالات گیردار از پیش تأیید شده میتونیم دو رویکرد کلی داشته باشیم:

  • ضعیف کردن مقطع در محل تشکیل مفصل پلاستیک

 استفاده از اتصال RBS یکی از راهکارهایی است که با کاهش سطح مقطع تیر و به تبع آن کاهش مقاومت خمشی در این ناحیه سعی میشه تا مفصل پلاستیک در این قسمت از تیر ایجاد بشه. (یعنی ابتدا تمامی تارهای این ناحیه از تیر به تنش تسلیم برسند چرا که به جهت کاهش سطح مقطع، این قسمت از سایر نقاط مقطع ضیعف‌تر می‌باشد)

  • تقویت تیر در محل اتصال به ستون

تقویت تیر در محل اتصال به ستون نیز باعث میشه تا قبل از جاری شدن تیر در محل اتصال به ستون (بَرِستون) در ناحیه ای از تیر که با بَرِستون فاصله داره، مفصل پلاستیک تشکیل شود.

2.2.2 مهاربندهای فولادی

مهاربندها نیز یکی از اعضای سیستم باربرجانبی هستند که قصد داریم در اون‌ها به جهت استهلاک نیروی زلزله مفصل پلاستیک تشکیل گردد. همانطور که میدونید در هر عضو یک مهاربند معمولی همگرا که نیروی جانبی رو تحمل میکنه، نیروهای متفاوت کششی و فشاری ایجاد میشه. (با توجه به جهت نیروی جانبی) به عنوان مثال در مهاربند همگرای شکل زیر تحت نیروی جانبی زلزله عضو شماره 1 مهاربند به کشش و عضو شماره 2 به فشار می افته.

شکل 9 نیروهای کششی و فشاری ایجاد شده در مهاربند همگرای هشتی شکل

مطابق آنچه در مورد لنگر خمشی و تشکیل مفصل پلاستیک (در قسمت‌های قبل) توضیح داده شد، در اینجا نیز درصورتی که نیروی محوری کششی یا فشاری عضو مهاربند افزایش یابد و به حد تسلیم خود برسد در اون ناحیه از عضو که اولین بار این اتفاق رخ دهد (تمامی تارهای مقطع به حد تسلیم برسند) مفصل پلاستیک تشکیل خواهد شد. در این حالت مفصل پلاستیک محوری در عضو مهاربندی تشکیل میشه.

  • نکته

ذکر این نکته ضروری است که عضوی از مهاربند که تحت فشار قرار میگیره، ممکنه قبل از اینکه به حد تسلیم برسه و در اون مفصل پلاستیک تشکیل بشه دچار کمانش کلی بشه و عملاً نتونیم از تمامی ظرفیت این عضو استفاده کنیم. لذا در صورتی که از مهاربندهای کمانش تاب (BRB) که در برابر کمانش مقید شده باشند استفاده بشه، تشکیل مفصل پلاستیک محوری در این اعضاء را نیز شاهد هستیم.

  • سوال: تشکیل مفصل پلاستیک در مهاربند در چه نقاطی باید انجام بشه؟

مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در بند 10-3-2-2 علاوه بر معرفی ناحیه حفاظت شده در قاب‌های خمشی، ناحیه حفاظت شده مهاربندها را نیز به صورت زیر تعریف میکنه.

بنابراین مطابق مطالب ارائه شده اشکال زیر به عنوان نواحی حفاظت شده مهاربند‌ها که امکان ایجاد مفصل پلاستیک در آن‌ها انتظار می‌رود  را خواهیم داشت.

شکل 10 نمایش ناحیه حفاظت شده در مهاربندها

منابع 

  1. آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله – استاندارد 2800- ویرایش چهارم
  2. آیین نامه مبحث دهم مقررات ملی ساختمان – ویرایش 92
  3. آیین‌نامه‌ی بارگذاری امریکا ASCE7-2016
  4. پک آموزش جامع ایتبس و طراحی سازه، پاراپلاس. امیرطه نوروزی (1399)
 

  • برچسب:

نظرات

  • ارسال نظرات