طراحی سازه‌های فولادی به روش حالت حدی
در طول دو دهه اخیر پیشرفت‌های چشمگیری در مفاهیم سازه‌های بتنی و روش‌های اجرای آنها حاصل شده است. این پیشرفت‌ها اثرات پردامنه‌ای بر روند طراحی به جای گذاشته و منجر به ظهور طراحی سازه‌های فولادی به روش حالت حدی شده است. در این روش مفاهیم ایمنی سازه به دلیل بررسی مسئله از دید احتمالات و حصول تجربایت و تحقیقات بیشتر، کاملاً بهبود یافته و علاوه بر این قابلیت بهره‌برداری از سازه نیز کاملاً مورد تاکید قرار گرفته است. از این رو، روش طراحی حالت حدی به دلیل امتیازات عملی برجسته خود به عنوان پایه و اساس طراحی در آیین نامه‌های جدید بسیاری از کشورهای جهان پذیرفته شده است.
اهداف طراحی به روش حالت حدی
هدف از طراحی به روش حالت حدی، حصول اطمینان از ایمنی و بهره‌برداری از سازه در طول عمر آن است و اینکه سازه برای استفاده‌ای که مورد نظر بوده نامناسب نشود. یعنی با نقض یک یا چند ملاک تعیین کننده کارکرد و استفاده، به یک حالت حدی نرسد. حالت حدی متناظر با حداکثر ظرفیت باربری سازه، یعنی ایمنی آن، حالت حدی گسیختگی یا حالت حدی نهایی خوانده می‌شود. در حالی که حالات حدی دیگری که متناظر با نحوه کارکرد سازه تحت اثر بارهای بهره‌برداری باشند، حالت حدی بهره برداری نامیده می‌شوند.
انواع حالت حدی
حالات حدی که در در طراحی سازه‌های فولادی مورد بررسی قرار می‌گیرد به قرار زیر است.
حالت حدی گسیختگی
کل سازه یا بخشی از آن ممکن است در اثر شکست یک یا چند مقطع بحرانی یا ناپایداری ارتجاعی یا خمیری، واژگونی اثرات خستگی، دچار گسیخته شود. طراحی برای مقاومت نهایی در خمش، برش و غیره منطبق با حالت حدی گسیختگی است.
حالت حدی خیز
سازه ممکن است دچار خیز بیش از حد شود که بر عملکرد و بهره‌دهی آن اثر نامطلوب دارد.
حالت حدی ترک خوردگی
ترک خوردگی بیش از حد در بتن ممکن است از نظر نمود ظاهر و نیز یکپارچگی سازه زیان آور باشد، همچنین ممکن است منجر به خوردگی در میلگردها شود. علاوه بر این حالت حدی، ممکن است در حالت خاص لازم باشد سازه را برای اثرات دیگری، از قبیل ارتعاشات، دوام و مقاومت در برابر آتش سوزی و غیره، نیز مورد بررسی قرار داد.
هر گونه ارزیابی از ایمنی و بهره‌دهی سازه باید با احتساب تغییرات بارهای اعمالی و تغییرات مقاومت‌های مصالح تشکیل دهنده سازه و نیز نقاط ضعف روش‌های تحلیل و طراحی و اجرا انجام گیرد. بنابراین، ایمنی و بهره‌دهی تنها بر حسب احتمال اینکه سازه به یک حالت حدی نرسد، می‌تواند معنی داشته باشد. یعنی روش طراحی باید تضمین کند که احتمال وقوع یک حالت حدی بسته به نوع سازه مورد نظر، در حد قابل قبولی پایین نگاه داشته شود. اما در حال حاضر یک چنین روند طراحی کاملاً احتمالی ممکن نیست. یکی به دلیل فقدان اطلاعات آماری مربوط به متغیرهای طراحی و دیگری وجود عواملی که چندان از روش‌های آماری تبعیت نمی‌کنند. ولی بارها و مقاومت اعضا را، حتی در جایی که از طریق آماری محاسبه شده، تغییر می‌دهند. بنابراین روشی که برای طراحی توصیه می‌شود روش نیمه احتمالی است، یعنی روشی که فقط متغیرهای اساسی ضرایب ایمنی اجزایی می‌پوشاند.
پارامترهای اصلی طراحی سازه‌های فولادی به روش حالت حدی
طراحی لزوماً حصول اطمینان از این است که مقاومت هر عضو از نیروهایی که به آن وارد می‌شوند، بزرگتر باشد. مقاومت هر عضو به وسیله مقاومت‌های مصالح تشکیل دهنده و نیروهای وارد بر آن، به وسیله بارهای اعمال شده بیان می‌شود. از این رو داده‌های طراحی را می‌توان به دو گروه اساسی بارها و‌گروه مقاومت‌های مصالح تقسیم کرد.
مقادیر مشخصه
این مقادیر تغییرات آماری عادی را در داده‌های اولیه طراحی به حساب می‌آورد و به صورت زیر بیان می‌شود.
مقدار مشخصه = میانگین ± (انحراف معیار × k)
که در آن ضریب k به منظور ایجاد این اطمینان است که احتمال بزرگتر شدن (برای بارها) یا کوچکتر شدن (برای مقاومت‌های مصالح) مقادیر واقعی مشخصه در حد قابل قبولی پایین باشد.
برای مقاومت‌های مصالح، آیین نامه مقاومت مشخصه را مقاومتی تعریف می‌کند که بیشتر از ۵ درصد نتایج آزمایش از آن کمتر نباشد. برای چنین تعریفی K=1/64 است.
مقادیر محاسباتی
برخی شرایط از قبیل تحمیل اتفاقی بارهای بزرگتر و خطاهایی که در هنگام طراحی و اجرا رخ می‌دهد از مقاومت عضو می‌کاهد. و در نتیجه مقادیر واقعی بار و مقاومت سازه اجرا شده با مقادیری که بر اساس مقادیر مشخصه به دست می‌آید متفاوت خواهد بود. این گونه اثرات را می‌توان برای هر حالت حدی به وسیله اصلاح مقادیر مشخصه توسط ضرایب ایمنی اجزایی به حساب آورد تا مقادیر محاسباتی برای حالت حدی مربوط مناسب شود.
بار محوری در تیرها
با انتقال بار محوری تیرها به راستای میلگردهای کششی می‌توان به آسانی تیرهای را مورد بررسی قرار داد. مقدار لنگر اضافی که از این انتقال حاصل می‌شود ممکن است باعث کاهش (در حالت کشش محوری) یا افزایش (در حالت فشار محوری) لنگر محاسباتی اولیه مقطع شود. برایند لنگر اولیه و این لنگر اضافی، لنگر موثر بر مقطع را به دست می‌دهد که تیر را باید برای این لنگر طرح کرد.
بار محوری که به راستای میلگردهای کششی انتقال می‌یابد می‌تواند (در حالت کشش محوری) باعث افزایش یا (در حالت فضار محوری) باعث کاهش نیروی محاسباتی حاصل از لنگر موثر در فولاد شود. بنابراین فولاد خمشی لازم برای لنگر موثر را باید به ازای بارمحوری تیر کاهش یا افزایش داد.
اصول طراحی برای خمش و بار محوری
فرضیات اولیه برای حالت حدی گسیختگی در خمش خالص و خمش توام با بار آن طوری بیان شده که بر روی هم به روش طراحی یکنواختی برای تمامی کنش‌های عادی، یعنی کشش محوری و فشار محوری، خمش ساده یا خمش توام با نیروی محوری (فشاری یا کششی) می‌انجامد. توزیع تنش فشاری در بتن در موقع گسیختگی یعنی در حالت حدی نهایی بر اساس منحنی تنش کرنش مفروض برای این حالت طراحی است. رابطه تنش کرنش که توصیه شده سهمی – مستطیلی است و می‌توان آن را به وسیله یک سهمی درجه دوم که در کرنش ۰/۰۰۲ به فراز خود می‌رسد و سپس به خطر مستقیمی که با حفظ مقدار حداکثر تنش تا کرنش ۰/۰۰۳۵ امتداد می‌یابد، نشان داد.
مراحل اساسی طراحی سازه‌های فولادی به روش حالت حدی
مراحل اساسی طراحی اعضای تحت بارگذاری عادی در زیر شرح داده شده است. روش کاملاً کلی بوده و برای ستون‌ها و همچنین برای اعضایی که تحت بار محوری و خمش نسبت به یک یا هر دو محور اصلی قرار می‌گیرند به کار برده می‌شود.
- برای یک مقطع مشخص درصدی از فولاد فرض می‌شود.
- برای حالت گسیختگی یکی از نواحی محتمل توزیع کرنش در مقطع عر‌ضی انتخاب می‌شود. این گزینش بستگی به نوع بارگذاری عادی (ترکیب خمش و بار محوری) وارده بر مقطع دارد. بنابراین یک ناحیه احتمالاً مناسب را می‌توان با توجه به انواع دسته بندی‌های نواحی و نوع بارهایی که برای هر یک تعریف شده، یافت.
- در داخل ناحیه انتخاب شده یک توزیع کرنش محتمل انتخاب می‌شود. این انتخاب به معنای مشخص کردن حداکثر کرنش در بتن و فولاد است.
- با استفاده از شرایط سازگاری عمق تار خنثی و مقادیر کرنش در لایه‌های مختلف فولاد گذاری به دست می‌آید. در حالت خمش حول هر دو محور تمایل تار خنثی (سطح خنثی) نیز در نظر گرفته می‌شود.
- برایند نیروی فشاری در بتن و محل آن با استفاده از پارمترهای توزیع تنش محاسبه می‌شود.
- نیروهای فشاری و کشش در میلگردها با استفاده از منحنی تنش – کرنش مربوط محاسبه می‌شود.
- با استفاده از معادلات تعادل نیورها و لنگرها حول یک یا هر دو محور، بسته به مورد برایند نیروی محوری و لنگر در مقطع به دست می‌آید. این کنش‌ها متناظر با آن بار محوری و لنگر نهایی است که مقطع می‌تواند به طور همزمان تحمل کند.
- چنانچه ظرفیت مقطع برای بار محوری و لنگر حاصله با مقادیر محاسباتی آنها، که لازم است مقطع تحمل کند، اختلاف قابل توجهی داشته باشد باید توزیع کرنش (یعنی عمق تار خنثی و در حالت خمش دو محوری تمایل تار خنثی) دیگری را در نظر گرفت و مراحل فوق را تکرار کرد و یا مقدار فولاد را تغییر داد. جهت تغییر عموماً از مقایسه مقادیر محاسباتی و ظرفیت بار محوری و لنگر آشکار خواهد بود.
