روش‌های طراحی سازه

منظور از طراحی سازه تعیین پیکربندی، ابعاد و مشخصات قطعات آن به نحوی است که سه هدف اصلی تعیین شده در بندهای تامین شوند.
۱-ایمنی
۲- عملکرد مطلوب
۳- پایایی

بر این اساس در طراحی سازه های فولادی و بتنی عمدتاً از سه روش استفاده می شود.

الف) روش طراحی تنش مجاز (ASD)
ب) روش طراحی مقاومت نهایی
ج) روش طراحی حالات حدی (LSD)

تشریح مسئله:

همانطور گفته شده طراحی یک سازه برای رسیدن به اهداف ایمنی ،عملکرد مطلوب و پایایی می باشد. و بر این اساس روشهای طراحی از سوی آیین نامه های معتبر تدوین گرددی.حال با این اهداف و روشهای طراحی آشنا می شویم…

اهداف طراحی سازه:

۱-ایمنی :

منظور از ایمنی این است که مجموعه سازه، شامل قطعات و اتصالات آن، طو ری سازمان داده شود که
سازه از انسجام و پایداری کافی برخوردار باشد و:
الف – تحت اثر بارها و سربارهای متعارف آسیب نبیند.
ب – در اثر بارها و سربارهای استثنایی گسیخته نشود و فرو نریزد.

۲- عملکرد مطلوب :

منظور از عملکرد مطلوب اینست که سازه برای بهره برداری پیش بینی شده از آن مزاحمت فراهم نکند و :
الف – تحت اثر بارها و سربارهای متعارف در آن ترک خوردگی و تغییر شکل بیش از حد بوجود نیاید
بطوریکه نسبت به ایمنی سازه ایجاد نگرانی نکند.
ب – در اثر لرزش در بهر هبرداری کنندگان احساس ناامنی بوجود نیاید.

۳- پایایی :

منظور از پایایی این است که مصالح سازه کیفیت خود را در تمام طول عمر پیش بینی شده حفظ کند، بطوریکه در اثر پیری، فرسودگی، خوردگی و مانند آن، ایمنی و قابلیت بهر هبرداری سازه بیش از حد تقلیل نیابد.

روشهای طراحی سازه بر اساس آیین نامه های معتبر

الف) روش طراحی تنش مجاز (ASD)
در روش طراحی تنش مجاز برخورد ضرایب اطمینان به این صورت است که مقاومت ماده به ضرایب اطمینان تقسیم می شود و در محاسبات مقادیر کمتری برای مقاومت منظور می شود.

ب) روش طراحی مقاومت نهایی
در این روش طراحی، ضرایب اطمینان در بارها ضرب می شود و بارها افزایش داده می شوند و در مقابل در محاسبات ، خود مقاومتهای اصلی وارد می شوند.این روش طراحی در روش LRFD در فولاد و در روش USD بتن در ایین نامه های آمریکا به کار گرفته می شود.
وارد کردن اصل مقاومت در محاسبات خصوصیات تازه ای به وجود می اورد و امکانات تازه ای را در اختیار طراح قرار می دهد که در روش ASD امکان پذیر نیست.برای مثال در طراحی بتن می توان رفتار غیر خطی بتن را وارد محاسبات کرد در حالی که این کار در روش قبلی امکان پذیر نیست.

ج) روش طراحی حالات حدی (LSD)
در این روش طراحی قسمتی از ضریب اطمینان در بارها اثر داده می شوند و قسمتی از ضرایب اطمینان در مقاومتها.یعنی هم بارها بزرگ می شوند و هم مقاومتها کاهش داده می شود.توضیح اینکه عدم اطمینانی که در طراحی وجود دارد هم ناشی از بارها و هم ناشی از مقاومت هاست.بنابراین بهتر است هر دو عدم اطمینان به صورت جداگانه در نظر گرفته شود.در این روش می توان با اگاهی بیشتر نسبت به ظرایب اطمینان تصمیم گرفت.

در این روش بجای استفاده از یک ضریب اطمینان شکسته شده که ضرایب جزئی اطمینان (Partical Safty factor) نامیده میشوند استفاده می شود.
در آیین نامه بتن ایران (آبا( روش طراحی ، روش حالات حدی است. در این آیین نامه آبا برای طراحی ساختمان دو حالت پیشنهاد شده است.

این دو روش عبارتند از:

۱- حالات حدی نهایی

به حالاتی گفته می شود که به حداکثر ظرفیت باربری سازه یا قسمتی از آن مربوط می شوند این حالات ممکن است به یکی از صور تهای زیر اتفاق بیافتد:
الف) از دست رفتن تعادل سازه و یا قسمتی از آن به عنوان یک جسم صلب.
ب) تغییر شکل یا تغییر مکان سازه یا قسمتی از آن در حدی که شکل هندسی و در نتیجه رفتار سازه را به کلی تغییر دهد.
پ) رسیدن سازه به حداکثر ظرفیت باربری خود به یکی از صور تهای زیر:
– درهم شکستن مقاطع قطعات و یا اتصالات آنها به دلیل گسیختگی یا تغییر شکل های بیش از حد و یا خستگی در مصالح آنها. این حالت “حالت حدی نهایی مقاومت” نامیده می شود.
– تبدیل شدن سازه یا قسمتی از آن به مکانیزم.
– از دست رفتن پایداری کل سازه و یا قسمتی از آن.

۲- حالات حدی بهر ه برداری

به حالاتی گفته می شود که به معیارهای قابلیت بهره برداری سازه و یا پایایی آن مربوط می شوند. این حالات ممکن است به یکی از صورتهای زیر اتفاق بیافتد:
الف – تغییر شکل بیش از حد سازه یا اجزای آن بنحوی که به منظر یا عملکرد مناسب سازه اثر نامطلوب گذاشته و به ساز ه آسیب برساند.
ب – لطمات موضعی نظیر ترک خوردگی، پوسته شدن یا از هم پاشیدن بیش از حد بتن بطور ی که لزوم نگهداری بیش از حد متعارف را ایجاب کند و یا خطر خوردگی در میلگرد (آرماتور) را افزایش دهد و در نتیجه به منظر و عملکرد مناسب سازه آسیب برساند.
پ- لرزش بیش از حد سازه در اثر بارهای بهره برداری، نیروی باد و یا عوامل دیگ ر بطور ی که در استفاده کنندگان از سازه ایجاد نگرانی کند و یا عملکرد سازه را مختل نماید.
ت – در مواردی که سازه برای عملکرد نامتعارف خاصی طراحی می شود ممکن است حالت های حدی دیگری متناسب با این شرایط خاص مطرح شوند ، که وقوع آنها ع ملکرد سازه را دچار اختلال کنند . این حالت ها با تشخیص و قضاوت مهندس محاسب تعیین میشوند.