
مفصل پلاستیک در سازههای بتنی
مفصل پلاستیک در سازههای بتنی
مفصل پلاستیک در سازههای بتنی:
بدون شک، طراحی ساختمان با ایمنی بالا، یکی از مهمترین وظایف مهندسین عمران میباشد. زلزله، یکی از فرایندهای طبیعی میباشد که اگر در طراحی، به آن توجه ویژه نشود، سبب ایجاد خسارات جبران ناپذیری خواهد شد. برای حفظ ایمنی در برابر زلزله باید اقداماتی را در پیش گرفت که سبب جذب و اتلاف انرژی آن شود. یکی از این اقدامات، تشکیل مفصل پلاستیک در المانهای شکل پذیر سازه میباشد. در این مقاله قصد داریم به توضیح پیرامون ” مفصل پلاستیک در سازههای بتنی ” بپردازیم. با نشر نوآور همراه شوید…
پیش از آنکه به توضیح پیرامون مفصل پلاستیک در سازههای بتنی بپردازیم، نیاز هست تا ابتدا مفاهیمی را مرور کنیم.
تعریفها:
-
تارخنثی:
خطی فرضی که مقطع عضو تحت خمش را به دو عملکرد فشاری و کششی تبدیل میکند. و تنها محوری میباشد که تحت فشار و کشش نیست و تغییر شکل نمیدهد. محل تار خنثی الاستیک عمودی و افقی، محل محور تقارن مقطع میباشد.
-
علامت گذاری لنگر:
در قواعد مربوط به علامت گذاری لنگر، گفته میشود که اگر لنگر وارده، تار بالایی تیر را به فشار و تار پایینی را به کشش بیندازد، این لنگر، لنگری مثبت میباشد. و اگر برعکس توضیحات داده شده عمل کند، لنگر منفی خواهد بود.
-
لنگر تسلیم:
وقتی یک عضو تحت خمش خالص قرار میگیرد، در آن فقط تنش های عمودی دیده میشود. با توجه به محل تار خنثی و لنگر وارده مثبت یا منفی، در مقطع موردنظر، تنشهای کششی و فشاری بوجود خواهد آمد.
از درس استاتیک و مقاومت مصالح به یاد داریم که برای محاسبه این تنشهای عمودی، به رابطهای از لنگر، ممان اینرسی مقطع و فاصله محور مورد نظر از تار خنثی، نیاز میباشد:
همانطورکه در رابطه بالا دیده میشود، مقدار لنگر و ممان اینرسی مقطع که مشخص است. و فاصله محور مورد نظر تا تارخنثی، تعیین کننده میباشد.
اگر دورترین محورها (ابتدا و انتهای مقطع) را نسبت به تارخنثی در نظر بگیریم، سبب ایجاد بیشینه تنش فشاری و کششی در مقطع خواهد شد که در شکلهای قبلی هم، توزیع خطی آن دیده میشود.
پس اگر دو انتهای مقطع در نظر گرفته شود، هر قدر این لنگر اعمالی بیشتر شود، این تنشها بیشتر خواهند شد. و در نهایت تنشهای این محورهای ابتدایی و انتهایی، به حالت تنش جاری شدن میرسد که به صورت yσ نمایش داده میشود و به لنگری که سبب ایجاد تنش جاری شدن میشود، لنگر تسلیم میگویند که با My نمایش داده میشود.
-
لنگر پلاستیک:
در ادامه توضیحات قبلی، مقطع مورد نظر دارای تنش yσ در تار بالایی و پایینی مقطع میباشد. با افزایش میزان لنگر تارهای دیگر هم به حد جاری شدن میرسند و در آنها هم تنش برابر yσ خواهد شد.
در این حالت که همه تارها به حد جاری شدن رسیده اند، مفصل پلاستیک تشکیل خواهد شد. و به لنگری که سبب جاری شدن همه تارها میشود، لنگر پلاستیک گفته میشود که با Mp نمایش داده میشود.
در واقع در این حالت، مقطع هیچ گونه تحملی برای دریافت لنگری بیش از Mp را ندارد. ولی می تواند به کمک مفصل پلاستیک، این نیرویی که بیش از حد توان خود میباشد را به بخشهای دیگر که تنشهای کمتری هنوز دارند، منتقل کنند. و با این کار سبب میشود تا توزیع لنگر در بخشهای مختلف، متفاوت شود که به این فرایند ” باز توزیع لنگر ” گفته میشود.
-
مفصل پلاستیک (خمیری):
لفظ مفصل در اتصالات به این معنی میباشد که آن، سختیای نزدیک به صفر در برابر نیروهای وارد شده دارد و به همین سبب در این نقطه یک تغییر شکل زیاد خواهیم داشت. حال همین تعبیر در یک مقطع رخ خواهد داد؛ وقتی نیروهای وارده، لنگری فراتر از تحمل مقطع را به آن اعمال میکنند، در قسمت ضعیف سازه، مفصل پلاستیک تشکیل شده و تغییر شکلهای بزرگی را ایجاد میکند و سبب انتقال لنگر اضافی به بقیه المانها میشود.
ناگفته نماند که مفصل پلاستیک در اعضا، فقط تحت لنگر خمشی ایجاد نمی شود و این مفصل میتواند در اثر نیروی محوری فشاری و کششی و نیروی برشی نیز شکل بگیرد.
فرق مفصل پلاستیک با تکیه گاه مفصلی
بیان شد که به هنگام تشکیل مفصل پلاستیک، در این نقاط دوران های زیادی وجود دارد که این جمله برای تکیه گاه مفصلی هم صادق می باشد. تفاوت اصلی مفصل پلاستیک با تکیه گاه مفصلی، در نحوه برخورد با لنگر وارده می باشد و به نحوی است که در مفصل پلاستیک، لنگر پلاستیک یعنی Mp قابل تحمل می باشد و اضافه لنگر وارده به سایر المان ها منتقل می شود، ولی در تکیه گاه مفصلی نه این لنگر خمشی را جذب می کند و نه نقشی در انتقال آن خواهد داشت.
مفصل پلاستیک در سازه های بتنی
بررسی مفصل پلاستیک در سازههای فولادی و بتنی مسلح متفاوت میباشد؛ دلیل واضح آن، یکسان نبودن مصالحی میباشد که در بتن مسلح وجود دارد (ترکیبی از فولاد و بتن) و این در حالی است که در سازههای فولادی، یک ترکیب یکنواختی به چشم میخورد. در سازههای بتنی به هنگامی که لنگر اعمال شده از ظرفیت خمشی مقطع بیشتر شود، عکس العمل نشان میدهد و در این حالت، میلگردهای خمشی به حد تسلیم میرسند، که سبب ایجاد مفصل پلاستیک در آن میشود، و در ادامه با افزایش لنگر این مفاصل لنگرها را به عضوهای قوی تر منتقل کرده و عمل باز توزیع اتفاق میافتد. مثلا در یک تیر دو سر گیردار این اتفاق را دنبال میکنیم. در ابتدا تیر دوسر گیردار زیر، تحت یک بارگذاری گسترده یکنواخت قرار گرفته است که نمودار لنگر آن نیز دیده میشود.
با توجه به دیاگرام لنگر رسم شده در بالا، لنگرهای بیشینه، در ابتدا و انتهای تیر قرار گرفتهاند و اگر مقاومت خمشی این نقاط کم باشند، آرماتورها جاری شده و مفصل خمیری در این نقاط تشکیل میشود و باز توزیع اتفاق میافتد، اما باز توزیع تا زمانی ادامه پیدا میکند. که سومین مفصل خمیری تشکیل شود و بعد از تشکیل سومین مفصل خمیری، عضو به مکانیزم تبدیل شده و رو به ناپایداری میرود، که در شکل زیر همان تیر دو سر گیردار بعد از تشکیل سومین مفصل خمیری به همراه دیاگرام لنگر آن، دیده میشود.
-
مکانیزم
این کلمه که به هر دو صورت مکانیزم و مکانیسم هم به کار برده می شود. به معنی سازوکار میباشد. در تیر دو سر گیردارِ بحث شده، وقتی سومین مفصل خمیری ایجاد شد، سازه به حالت معین تبدیل میشود و به سبب افزایش نیرو، شاهد تغییر شکلهای بزرگ و ناپایداری خواهیم بود. در این حالت که عضو موردنظر تغییر زیادی داشته باشد، گفته میشود عضو به مکانیزم تبدیل شده است.
در پایان توصیه میشود از کتاب ” طراحی اتصالات فولادی و بتنی مقاوم در برابر زلزله “ برای آشنایی با نحوه طراحی اتصالات در برابر زلزله، که نقش مهمی در تامین ایمنی استفاده کنندگان آن را دارد، استفاده نمایید.
موفق باشید.
سید فرشید شهیدیان
نشر نوآور
ناشر تخصصی کتاب های نظام مهندسی
2 نظر در مورد «مفصل پلاستیک در سازههای بتنی»
دیدگاهتان را بنویسید
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.
با توجه به اینکه از دیدگاه نشریه ۳۶۰ ستون عضوی کنترل شونده توسط نیرو میباشد و احتمال کمانش دارد آیا میتوان نتیجه گرفت که مفاصل خمشی در ستونها امکان پیدایش ندارند و فقط در تیرها امکان تشکیل مفاصل پلاستیک وجود دارد؟
به طور کلی، در طراحی سازههای بتنی و مطابق آییننامهها، مفاصل پلاستیک، بیشتر در نواحی خاصی از سازهها مانند تیرها و پای ستونها انتظار میرود، زیرا این نواحی تحت تاثیر تغییر شکلهای زیادی قرار میگیرند. ستونها عمدتاً برای تحمل نیروی فشاری طراحی میشوند و تمایل به باقی ماندن در حالت الاستیک دارند. بنابراین:
۱. در ستونها بهطور کلی مفاصل پلاستیک کمتر مشاهده میشود، چرا که ستونها اغلب برای باقی ماندن در ناحیه الاستیک طراحی میشوند تا از پایداری سازه اطمینان حاصل شود.
۲. در تیرها مفاصل پلاستیک بیشتر شکل میگیرند، زیرا تیرها نواحی بیشتری برای جذب و تخلیه انرژی دارند و میتوانند به تغییر شکلهای بیشتری پاسخ دهند.