1-2-10 الزامات تحلیل و طراحی برای تأمین پایداری

این بخش به الزامات عمومی تحلیل و طراحی برای تأمین پایداری کل سازه و تمامی اجزای آن می‌پردازد. مقررات این بخش تحت عناوین زیر ارائه می‌گردد:

• 1-1-2-10 الزامات عمومی
• 2-1-2-10 آثار مرتبه دوم (شامل آثار P-δ و P-Δ)
• 3-1-2-10 روش‌های تحلیل و طراحی برای تأمین پایداری
• 4-1-2-10 روش‌های تحلیل مرتبه دوم
• 5-1-2-10 الزامات تحلیل و طراحی
• 6-1-2-10 جدول خلاصه شده از روش‌های تحلیل و طراحی

1-1-2-10 الزامات عمومی

تأمین پایداری کل سازه و تمامی اجزای آن از الزامات تحلیل و طراحی است. مطابق الزامات این بخش، پایداری کل سازه و تمامی اجزای آن در صورتی تأمین می‌شود که آثار ذکر شده در زیر به نحو مؤثری در تحلیل و طراحی آن‌ها لحاظ شده باشند.

(1) تغییرشکل‌های محوری، خمشی و برشی اعضای سازه و تغییرشکل‌های سایر اجزاء (نظیر اتصالات) که در جابجایی سازه مؤثرند.

(2) آثار مرتبه دوم (شامل آثار P-δ و P-Δ)

(3) نواقص هندسی (شامل کجی و ناشاقولی)

(4) کاهش سختی اعضا ناشی از رفتار غیرالاستیک و اثر تنش‌های پسماند

(5) عدم اطمینان در برآورد سختی و مقاومت

روش تحلیل مورد استفاده باید تمامی آثار فوق را لحاظ نماید. به منظور حصول اطمینان از این اهداف، استفاده از دو روش "تحلیل مستقیم" و "طول مؤثر" در طراحی برای تأمین پایداری سازه‌های فولادی و مختلط مجاز است.

2-1-2-10 آثار مرتبه دوم P-δ و P-Δ

مطابق بند 10-2-1-1، در اعضای فولادی مقاومت‌های موردنیاز که از تحلیل سازه به دست می‌آیند، باید شامل آثار مرتبه دوم باشند. این آثار شامل موارد زیر است:

الف) آثار مرتبه دوم P-δ: آثار P-δ به آثار اضافی ناشی از بارها گفته می‌شود که به علت وجود تغییرشکل در فاصله دو انتهای هر یک از اعضا به وجود می‌آید.

ب) آثار مرتبه دوم P-Δ: آثار P-Δ به آثار اضافی بارها به علت تغییرمکان جانبی نسبی کل سیستم سازه‌ای مربوط می‌شود و سبب ایجاد نیروهای اضافی داخلی در اعضا می‌شوند که به علت برون محوری ناشی از تغییرمکان جانبی یک انتهای عضو نسبت به انتهای دیگر آن به وجود می‌آیند. تغییرمکان جانبی نسبی دو انتهای عضو ممکن است به علت بارهای قائم یا بارهای جانبی یا ترکیبی از آن‌ها باشد.

3-1-2-10 روش‌های تحلیل و طراحی برای تأمین پایداری

الف) روش تحلیل مستقیم

در روش تحلیل مستقیم تمامی آثار ذکر شده در بخش 10-2-1-1 به صورت مستقیم در تحلیل سازه لحاظ می‌گردند. در این روش، مقاومت‌های موردنیاز براساس الزامات و محدودیت‌های بخش 10-2-1-5-1 و مقاومت‌های موجود اعضا مطابق با بخش‌های 10-2-2 تا 10-2-9 تعیین می‌شوند. استفاده از این روش برای تمامی سازه‌های فولادی و مختلط مجاز است.

ب) روش طول مؤثر

استفاده از روش سنتی طول مؤثر به عنوان روش دیگر طراحی مطابق با الزامات و محدودیت‌های بند 10-2-1-5-2 مجاز است. در این روش نیز مقاومت‌های موجود اعضا مطابق با بخش‌های 10-2-2 تا 10-2-9 تعیین می‌شوند.

4-1-2-10 روش‌های تحلیل مرتبه دوم

در این مبحث استفاده از روش‌های تحلیلی زیر به عنوان روش‌های تحلیل مرتبه دوم مجاز دانسته شده است:

الف) تحلیل الاستیک مرتبه دوم: تحلیل الاستیک مرتبه دوم به تحلیل‌هایی گفته می‌شود که در آن‌ها روش تحلیل سیستم سازه‌ای الاستیک بوده، لیکن در حین انجام تحلیل، آثار مرتبه دوم (شامل آثار P-δ و P-Δ) در آن لحاظ می‌گردد.

ب) تحلیل مرتبه دوم از طریق تحلیل الاستیک مرتبه اول تشدید یافته: در این مبحث استفاده از روش تحلیل الاستیک مرتبه اول تشدیدیافته به عنوان یک روش تحلیل مرتبه دوم مجاز دانسته شده است. الزامات این نوع روش تحلیل مرتبه دوم در پیوست 3 این مبحث ارائه شده است.

تبصره 1: در طراحی به روش LRFD تحلیل مرتبه دوم باید تحت اثر ترکیبات بارگذاری متناظر با این روش طراحی (شامل بار جانبی فرضی مطابق بند 10-2-1-5-1-1) صورت گیرد. در طراحی به روش ASD، تحلیل مرتبه دوم باید ابتدا تحت اثر 1.6 برابر ترکیبات بارگذاری متناظر با این روش (شامل بار جانبی فرضی مطابق بند 10-2-1-5-1-1) صورت گرفته و سپس کلیه نتایج حاصله بر عدد 1.6 تقسیم شوند، تا مقاومت‌های موردنیاز به دست آیند.

تبصره 2: در هرکدام از روش‌های تحلیلی مرتبه دوم ذکر شده در بند 10-2-1-4، با ارضاء محدودیت‌های زیر می‌توان از آثار P-δ صرفنظر نمود، مشروط بر اینکه لنگرهای خمشی به دست آمده از روش‌های تحلیلی مذکور در اعضای تحت اثر توأم نیروی محوری فشاری و لنگر خمشی با ضریب B₁ (مطابق پیوست 3) تشدید شده باشند:

(1) بارهای ثقلی عمدتاً توسط ستون‌ها، دیوارها یا قاب‌های قائم تحمل شوند.

(2) نسبت تغییرمکان جانبی نسبی حداکثر تحلیل مرتبه دوم به تغییرمکان جانبی نسبی حداکثر تحلیل مرتبه اول یا به طور تقریبی مقدار ضریب B₂ در تحلیل الاستیک مرتبه اول تشدید یافته، در تمام طبقات و در راستای موردنظر کوچکتر یا مساوی 1.7 باشد.

(3) حداکثر یک سوم بارهای ثقلی کل سازه توسط ستون‌های قاب‌های خمشی تحمل گردد.

5-1-2-10 الزامات تحلیل و طراحی

برای طراحی به منظور تأمین پایداری سازه باید آثار ذکر شده در بند 10-2-1-1 به صورت مناسب لحاظ شده باشند. روش‌های تحلیل مستقیم و طول مؤثر با رعایت محدودیت‌ها و الزامات ذکر شده در بندهای 10-2-1-5-1 و 10-2-1-5-2 به عنوان روش‌های تحلیل و طراحی قابل قبول هستند.

1-5-1-2-10 محدودیت‌ها و الزامات روش تحلیل مستقیم

برای تعیین مقاومت‌های موردنیاز اعضا و طراحی آن‌ها و تحلیل و طراحی به روش تحلیل مستقیم، باید محدودیت‌ها و الزامات زیر تأمین شوند:

الف – محدودیت‌ها

در تحلیل و طراحی به روش تحلیل مستقیم هیچ‌گونه محدودیتی وجود ندارد.

ب- الزامات

(1) تحلیل سازه مطابق بند 10-2-1-4 براساس یکی از روش‌های تحلیلی مرتبه دوم باشد.

(2) مطابق الزامات بند 10-2-1-5-1-1 آثار نواقص هندسی اولیه (شامل کجی و ناشاقولی) در تحلیل مرتبه دوم منظور شود.

(3) مطابق الزامات بند 10-2-1-5-1-2 تحلیل مرتبه دوم براساس سختی کاهش یافته اعضا صورت گیرد.

(4) مقاومت موجود کلیه اعضای دارای بار محوری فشاری برای انواع سیستم‌های قآب‌بندی شده با ضریب طول مؤثر یک (K=1) تعیین شود.

1-1-5-1-2-10 ملاحظات نواقص هندسی اولیه

در روش تحلیل مستقیم، آثار نواقص هندسی اولیه (شامل کجی و ناشاقولی اعضا) باید از طریق مدل کردن این نواقص در تحلیل مرتبه دوم سازه انجام‌پذیرد. در سازه‌هایی که بارهای ثقلی عمدتاً توسط ستون‌ها، دیوارها یا قاب‌های قائم تحمل می‌شوند، به جای در نظر گرفتن نواقص هندسی اولیه در مدل‌سازی، می‌توان به شرح زیر یک بار جانبی فرضی در طبقات ساختمان اعمال نمود:

که در آن:

N_i= بار جانبی فرضی در طبقه iام

Y_i= بار ثقلی در طبقه i ام متناسب با ضرایب بار به کار رفته در ترکیبات مختلف بارگذاری در هنگام اعمال بار جانبی فرضی (N_i) به طبقات ساختمان، توجه به نکات زیر ضروری است:

(1) توزیع بار جانبی فرضی در کف هر طبقه باید مشابه توزیع بارهای ثقلی در کف همان طبقه در نظر گرفته شود.

(2) بار جانبی فرضی (N_i) باید به کلیه ترکیبات بارگذاری اضافه شود. در مواردی که نسبت تغییرمکان جانبی نسبی حداکثر تحلیل مرتبه دوم به تغییرمکان جانبی نسبی حداکثر تحلیل مرتبه اول تحت اثر ترکیبات بارگذاری LRFD یا 1.6 برابر ترکیبات بارگذاری ASD (یا به طور تقریبی مقدار ضریب تشدید B₂ در تحلیل الاستیک مرتبه اول تشدید یافته) با احتساب سختی کاهش یافته اعضا (مطابق تنظیمات بند 10-2-1-5-1-2)، در کلیه طبقات کوچکتر یا مساوی 1.7 باشد، می‌توان بارهای جانبی فرضی (N_i) را فقط در ترکیبات بارگذاری ثقلی منظور نمود و از اثر آن‌ها در ترکیبات بارگذاری شامل بارهای جانبی صرفنظر نمود.

(3) بارهای جانبی فرضی باید در راستایی به سازه اعمال شود که بیشترین اثر ناپایداری را داشته باشد. در ترکیبات بارگذاری ثقلی باید در دو جهت متعامد آنکه اثر بدتر دارد، انتخاب شود. در ترکیبات بار جانبی، معمولاً بار فرضی هم جهت با بار جانبی اثر بدتر دارد.

تبصره: کاربرد ملاحظات نواقص هندسی اولیه فقط برای تعیین مقاومت‌های موردنیاز اعضا محدود می‌گردد و برای سایر مقاصد طراحی (نظیر کنترل تغییرمکان جانبی نسبی طبقات، کنترل خیز تیرها، کنترل ارتعاش اعضا و کف‌ها و محاسبه زمان تناوب اصلی ساختمان) در نظر گرفتن آثار نواقص هندسی اولیه ضروری نیست.

2-1-5-1-2-10 کاهش سختی اعضا

در تحلیل و طراحی به روش تحلیل مستقیم برای تعیین مقاومت‌های موردنیاز در تحلیل مرتبه دوم، باید به شرح زیر از ضرایب کاهش سختی استفاده شود:

(1) ضریب کاهش 0.8 برای کلیه سختی‌هایی که در پایداری سازه مؤثرند. اعمال این ضریب کاهش برای کلیه سختی‌های تمامی اعضا، حتی اگر در پایداری سازه نقشی نداشته باشند، نیز مجاز است

(2) علاوه بر ضریب کاهش 0.8 یک ضریب کاهش اضافی τ_b نیز به شرح زیر در سختی خمشی اعضایی که در پایداری سازه مؤثر هستند:

که در آن:

^*(EI) = صلبیت خمشی کاهش یافته عضو

E = مدول الاستیسیته فولاد

I = ممان اینرسی مقطع عضو حول محور خمش

= ضریب کاهش اضافی سختی خمشی مطابق رابطه زیر:

در رابطه 10-2-1-3، P_r مقاومت محوری فشاری موردنیاز و P_y مقاومت تسلیم محوری عضو ( P_y=A_gF_y) است. در صورتی که عضو فشاری لاغر باشد، در تعیین مقاومت تسلیم محوری باید از مساحت مؤثر مقطع (A_e) استفاده شود.استثناء: در اعضای با مقطع مختلط پرشده با بتن یا محاط در بتن، مقدار τ_bباید برابر 0.8 در نظر گرفته شود.

(3) وقتی از روش بار جانبی فرضی برای مدل‌سازی نواقص هندسی اولیه استفاده شده است، به جای استفاده از τ_b متغیردر رابطه 10-2-1-3 به منظور کاهش اضافی سختی خمشی اعضا، می‌توان مقدار τ_b را برای کلیه نسبت‌های برابر یک فرض کرد، مشروط بر اینکه یک بار جانبی فرضی اضافی برابر 0.001Y_i به کلیة طبقات ساختمان اعمال شود. این بار جانبی فرضی اضافی باید در کلیه ترکیبات بارگذاری به همراه بارهای جانبی و بارهای جانبی فرضی در اثر نواقص هندسی اولیه در نظر گرفته شود. مورد 2 از بند 10-2-1-5-1-1 شامل این بار جانبی اضافی نمی‌شود.

(4) چنانچه در یک سیستم سازه‌ای برای تأمین پایداری آن از اعضایی با مصالح دیگری به جزء فولاد استفاده شده باشد و مقررات سازه‌ای مربوط به نوع مصالح ضریب کاهش سختی کوچکتری (کاهش سختی بیشتری) را الزام کرده باشد، برای آن نوع اعضا باید ضریب کاهش سختی کوچکتر مورد استفاده قرار گیرد.

تبصره: در روش تحلیل مستقیم کاربرد سختی کاهش یافته فقط در تحلیل مرتبه دوم و برای تعیین مقاومت‌های موردنیاز اعضا محدود می‌گردد و برای سایر مقاصد طراحی (نظیر کنترل تغییرمکان جانبی نسبی طبقات، کنترل خیز تیرها، کنترل ارتعاش اعضا و کف‌ها و محاسبه زمان تناوب اصلی ساختمان) نباید از ضرایب کاهش سختی استفاده شود.

2-5-1-2-1 محدودیت‌ها و الزامات روش طول مؤثر

برای تعیین مقاومت‌های موردنیاز اعضا و طراحی آن‌ها در تحلیل و طراحی به روش طول مؤثر محدودیت‌ها و الزامات زیر باید تأمین شوند:

الف – محدودیت‌ها

(1) بارهای ثقلی عمدتاً توسط ستون‌ها، دیوارها یا قاب‌های قائم تحمل شوند.

(2) نسبت تغییرمکان جانبی نسبی حداکثر مرتبه دوم به تغییرمکان جانبی نسبی حداکثر مرتبه اول یا به طور تقریبی مقدار ضریب تشدید B₂ در تحلیل الاستیک مرتبه اول تشدیدیافته، در کلیة طبقات کوچکتر یا مساوی 1.5 باشد.

ب- الزامات

(1) تحلیل سازه مطابق بند 10-2-1-4 براساس یکی از روش‌های تحلیلی مرتبه دوم و بدون در نظر گرفتن هر گونه کاهش سختی باشد.

(2) آثار نواقص هندسی اولیه (شامل کجی و ناشاقولی اعضا) مطابق ملاحظات بند 10-2-1-5-1-1 در تحلیل مرتبه دوم منظور گردد.

(3) مقاومت موجود کلیه اعضای دارای بار محوری فشاری براساس ضریب طول مؤثر (K) تعیین شود. ضریب طول مؤثر اعضا (K) متناسب با نوع سیستم باربر باید براساس پیوست 2 تعیین شود.

6-1-2-10 جدول خلاصه شده از روش‌های تحلیل و طراحی

خلاصه روش‌های تحلیل و طراحی مورد بحث فوق در جدول 10-2-1-1 برای سهولت استفاده کاربران ارائه شده است.

جدول 10-2-1-1: الزامات و محدودیت‌های روش‌های طراحی
الف – روش تحلیل مستقیم

ادامه جدول 10-2-1-1: الزامات و محدودیت‌های روش‌های طراحی
ب – روش تحلیل مستقیم

ادامه جدول 10-2-1-1: الزامات و محدودیت‌های روش‌های طراحی
پ – روش طول مؤثر