مقالات کارگشا

مفصل پلاستیک و تغییر شکل های فرا ارتجاعی

همانطور که در مقالات  قبل در تعریف قاب خمشی معمولی متوسط و ویژه دیدید کلماتی نظیر مفصل پلاستیک ، تغییرشکل فرا ارتجاعی به چشم خورد که می خواهیم برای درک مفهوم تعاریف انواع قاب خمشی به تشریح مفصل پلاستیک و تغییر شکل های فرا ارتجاعی بپردازیم :

مفصل پلاستیک چیست؟

پاسخ : برای پاسخ در ابتدا به اشکال زیر توجه کنید.

تغییر مکان قاب خمشی ناشی از بار رفت و برگشتی ناشی از بار جانبی لرزه ایسوالی که مطرح می شود این است که رفتار قاب در محل اتصال تیر به ستون چگونه است؟ آیا  تغییر مکان جانبی سازه موجب جدایی و افزایش زاویه تیر نسبت به ستون در اتصال تیر از ستون و انهدام سازه نمی شود؟ برای دستیابی به پاسخ این سوالات و رسیدن به پاسخ آنها دیدن شکل زیر توصیه می گردد.

رفتار واقعی قاب های خمشی در برابر بارهای جانبی

در تفسیر شکل فوق باید آورد که اتفاقی که برای قاب های خمشی در مواجه با بارهای جانبی رخ می دهد به این صورتی که نمایش داده شده است می باشد، یعنی زاویه بین تیر ستون تغییر نخواهد کرد و تیر در مقابل چرخش از خود مقاومت نشان می دهد.

نقاط بنفش چه نقاطی هستند؟ آیا همان مفصل پلاستیک می باشند؟ آری این نقاط بنفش همان مفاصل پلاستیک اند که تیر ها در این نقاط دچار مفصلی مرسوم به مفصل پلاستیک می شوند.

شایان ذکرهست که با امدن نام مفصل نا خود اگاه یاد اتصال مفصلی می افتیم ولی این مفصل با آن مفصل کاملا متفاوت است که در ادامه به تعریف آن پرداخته خواهد شد.

نمایش لنگر های وارد به محل اتصال

همانطور که در شکل ها مشاهده می نمایید، درمقطع تیر درشکل الف در اتصال سمت چپ ناشی از نیروی رفت در تارهای بالای تیر به فشار و تار های پایین تیر به کشش می افتند و در شکل ب ناشی از نیروی برگشت در مقطع تیر تارهای بالا به کشش و تار های پایین مقطع به فشار می افتند. حال می خواهیم ببینیم که در در مقطع در محل نقطه بنفش چه اتفاقی رخ می دهد.

ابتدا دانستن این نکته بسیار مهم است که لنگری که در شکل بالا آن را نمایش دادیم بعد از آن که تقسیم بر ار تفاع مقطع شد تبدیل به یک جفت نیرو می شود که در خلاف جهت یکدیگر به مقطع وارد می شود.

نمایش نیروهای بر مقطع تیر ناشی از لنگر های بار جانبی

حال در جریان زلزله مقدار لنگر M  زیاد و زیاد تر میشود و به تبع مقادیر نیروهای P و T نیز افزایش می یابند. به طوری که تنش وارد بر مقطع بیشتر و بیشتر میگردد تا جایی که تمام مقطع جاری شود. به عنوان مثال می توان روند جاری شدن مقطع را در شکل زیر دید:

روند تشکیل مفصل کامل پلاستیک در مقطع تیر در قاب خمشی

حال شکل «ت» را می توان به عنوان یک مفصل پلاستیک نام برد زمانی که تمام تار های تیر در محل نقطه بنفش به جاری شدن برسند می توان گفت که مقطع در آن نقطه مفصل پلاستیک شده است. یعنی لنگر وارده از لنگر پلاستیک بیشتر باشد، که لنگر پلاستیک عبارت است از:

Mp=Z*Fy

که در رابطه فوق Mp لنگر پلاستیک، Z اساس مقطع پلاستیک، Fy تنش حد جاری شدن است. 

سوال: اهمیت مفاصل پلاستیک در سیتم های قاب خمشی چیست؟

پاسخ: این نقاط (مفاصل پلاستیک) بهترین نقاط برای مستهلک کردن انرژی می باشد بدین معنا که انرژی واردی جذب و در این نقاط مستهلک می گردد و از  رسیدن به نقاط حساس دیگر مانند ستون ها جلوگیری می گردد. در واقع این نقاط به مانند فیوز هایی می مانند که مانع رسیدن آسیب به پیکره کلی سازه می شوند.

دستیابی به تعداد بیشتر این نقاط در سازه منوط به رعایت نکات مهم طرح لرزه ای است. با این حساب هرچه تعداد مفاصل پلاستیک در سازه بیشتر باشد سازه شکل پذیر تر می شود که شکل پذیری سازه یعنی قابلیت جذب و استهلاک انرژی توسط سازه.

حال می خواهیم چند نمونه واقعی از تشکیل مفصل پلاستیک در تیر های قاب خمشی ببینیم:

تشکیل مفصل پلاستیک در تیر خمشی

همانطور که در شکل 3-5 مشاهده می نمایید زاویه تیر با ستون همچنان 90 درجه باقی مانده و در محل مورد پیش بینی تیر دچار مفصل پلاستیک شده است و تار های مقطع همانند شکل 3-4 آنقدر کشیده و فشرده شده اند که شکل فوق را حاصل کرده اند.

تغییرشکل فرا ارتجاعی:

ابتدا برای ایجاد ذهنیت می خواهیم نواحی ارتجاعی و غیر ارتجاعی را به نمایش بگذاریم، به شکل 3-6 که در زیر آمده است لطفا توجه نمایید.

منحنی رفتار مفصل خمیری ( پلاستیک )

شایان ذکراست که:

 اگر تلاش های عضو درز مان اعمال نیروهای جانبی نظیر زلزله در محدوده رفتار ارتجاعی باشد هیچ تفاوتی در رفتار قبل و بعد از اعمال بار جانبی در عضو مشاهده نمی شود.
هر سطح زیر نمودار تلاش-تغییرمکان بیشتر باشد عضو رفتار غیر خطی بیشتری را داشته و انرژی بیشتری را جذب کرده است.

حال می خواهم برای توضیح بیشتر، یک سوال و یک چالش ایجاد کنیم و با پاسخ به این سوال با مفهوم فرا ارتجاعی و غیر خطی شدن کاملا آشنا شویم.

سوال: مگر در ابتدای طراحی سازه تمام نیرو ها به سازه پیش بینی نمی شود؟ پس چرا ما در خلال اعمال نیرو به مقاطع با نیروهایی برخورد می کنیم که رفتار عضو را به نواحی غیر خطی می کشد؟؟

پاسخ: مهم ترین نکته در تحلیل و طراحی سازه این است که اصل نیروی زلزله وارد بر سازه در هنگام وقوع زمین لرزه، مقادیری که در ابتدا پیش بینی شده نمی باشد و تقریبا R برابر بیشتر است. زیرا اگر قرار باشد دقیقا با اندازه نیروی وارده بر سازه اعضا طراحی شود، سازه ما به دلیل بزرگ شدن ابعاد تیر و ستون ها و مصرف بیش از حد مصالح ساختمانی نه توجیح اقتصادی دارد و نه معماری. پس به دلیل اینکه ممکن است در مدت زمان طول عمر بنا، سازه ما هیچ زلزله ای را تجربه نکند می توان مقدار نیروی وارد بر سازه را کاهش داد (به اندازه R) و توقع داشت که سازه در زمان زلزله نیرو های اضافی را از طریق رفتار های غیر خطی و شکل پذیری جذب و مستهلک کند.

سوال: R چیست؟

R: ضریب رفتار می باشد که متغییر به نوع سیستم سازه ای است و هر چه مقدار ان بیشتر و بزرگتر باشد توقع شکل پذیری و رفتار غیر خطی از آن سازه بیشتر است و در واقع از آن سازه شکل پذیری بیشتری را داریم که در آینده جامع تر و کامل تر در مورد پیدایش آن صحبت می کنیم.

برای شناخت مقدماتی جهت مشاهده R مختص به هر سیستم کافیست به صفحه 34 ایین نامه 2800 ویرایش 4 مراجعه شود:

نمایش مقادیر ضریب رفتار سیستم های سازه ای (R)

بعد از شرح پیش نیاز های این بحث، مجددا به تفصیل به شرح مفهمو غیر خطی شدن و فرا ارتجاعی می پردازیم .

منبع:

دپارتمان سازه سامانه کارگشا

مشاهده بیشتر

نوشته های مشابه

1 دیدگاه

  1. با سلام خیلی ممنون از این مطالب فوق العاده تون
    در مورد ناحیه ارتجاعی یک توضیحی دادید که به زبان ساده تر در حالت خودش قرار میگیره یعنی اعضا تحت اثر نیروهای جانبی ناشی از زلزله هیچ رفتاری در عضو از قبل از اعمال بارهای جانبی یا بعد از اون مشاهده نمیشه
    در مورد ناحیه فرا ارتجاعی توضیح ندادید ؟

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا