مفصل پلاستیک چیست و چه عملکردی در سازه های بتنی و فولادی دارد؟

مقدمه

مفصل پلاستیک به‌عنوان یکی از مفاهیم کلیدی، نقشی حیاتی در تضمین پایداری و انعطاف‌پذیری سازه‌ها ایفا می‌کند. این نقطه تسلیم سازه، در برابر زلزله خم می‌شود اما نمی‌شکند، و به سازه اجازه می‌دهد تا بدون فروریختن، انرژی زلزله را جذب کند.

در این مقاله، به بررسی مفصل پلاستیـک، ویژگی‌های آن پس از تشکیل و چگونگی شکل‌گیری آن در مقاطع مختلف می‌پردازیم.

1. مفصل پلاستیک چیست؟

مفصـل پلاستیک، ناحیه‌ای در مقطع تیر یا ستون است که در اثر خم‌شدن بیش از حد، دچار تغییر شکل‌های پلاستیک (غیرقابل‌برگشت) می‌شود. در این ناحیه، تارهای مقطع به حد تسلیم می‌رسند و تنش آنها ثابت می‌ماند.

2. چرا مفصل پلاستیک مهم است؟

مفصل پلاستیـک به‌عنوان یک فیوز در سازه عمل می‌کند و از خرابی ناگهانی و شکننده آن در برابر بارهای زلزله جلوگیری می‌کند. با تشکیل مفصل پلـاستیک، انرژی زلزله در این ناحیه متمرکز شده و به‌تدریج جذب می‌شود.

3. ویژگی‌های مقطع پس از تشکیل مفصل پلاستیک

کاهش سختی: پس از تشکیل مفصل پلاستـیک، سختی مقطع به طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد. به‌عبارت‌دیگر، مقطع در برابر تغییر شکل‌های خمشی، انعطاف‌پذیری بیشتری از خود نشان می‌دهد.

تغییر شکل‌های غیرخطی: در این مرحله، تغییر شکل‌های مقطع با افزایش بار، به‌صورت غیرخطی و تسلسلی افزایش می‌یابد.

توزیع مجدد تنش: با تشکیل مفصـل پلاستیک، تنش‌ها در مقطع به طور مجدد توزیع می‌شوند. به‌طوری‌که تنش در تارهای مقطع به حد تسلیم می‌رسد و تارهای دیگر در حالت الاستیک باقی می‌مانند.

ایجاد لنگر خمشی پلاستیک: پس از تشکیل مفصل پلاستیـک، مقطع قادر به تحمل لنگر خمشی بیشتری (لنگر خمشی پلاستیک) خواهد بود.

4. چگونگی تشکیل مفصل پلاستیک

مفصـل پلاستیک در اثر افزایش لنگر خمشی در مقطع، به‌تدریج شکل می‌گیرد. این فرایند در مراحل زیر رخ می‌دهد:

مرحله الاستیک: در این مرحله، با افزایش لنگر خمشی، تنش در تارهای مقطع به طور خطی افزایش می‌یابد. تا زمانی که تنش از حد تسلیم مصالح تجاوز نکند، رفتار مقطع الاستیک خواهد بود.

مرحله پلاستیک: با افزایش لنگر خمشی، تنش در تارهای مقطع به حد تسلیم می‌رسد. در این مرحله، تارهای تحت کشش، دچار تغییر شکل‌های پلاستیک (غیرقابل‌برگشت) می‌شوند.

تشکیل مفصل پلاستـیک: با ادامه افزایش لنگر خمشی، تارهای بیشتری در مقطع تسلیم شده و به‌تدریج، ناحیه‌ای پلاستیک در مقطع ایجاد می‌شود. این ناحیه، مفصـل پلاستیک نامیده می‌شود.

5. انواع مفصل پلاستیک

مفصـل پلاستیک کامل: در این نوع مفصل، تمام تارهای مقطع به حد تسلیم می‌رسند.

مفصل پلاستیـک فشاری: در این نوع مفصل، فقط تارهای تحت‌فشار مقطع به حد تسلیم می‌رسند.

مفصل پلاستیـک کششی: در این نوع مفصل، فقط تارهای تحت کشش مقطع به حد تسلیم می‌رسند.

6. تأثیر مفصل پلاستیک بر رفتار سازه

افزایش انعطاف‌پذیری: مفصل پلاستیـک با جذب انرژی زلزله، به سازه انعطاف‌پذیری بیشتری در برابر بارهای لرزه‌ای می‌دهد.

کاهش احتمال خرابی ناگهانی: با تشکیل مفصـل پلاستیک، احتمال خرابی ناگهانی و شکننده سازه در برابر زلزله کاهش می‌یابد.

افزایش ظرفیت جذب انرژی: مفصل پلاستیـک با جذب انرژی زلزله، از تخریب کامل سازه جلوگیری می‌کند.

روش‌های مدل‌سازی مفصل پلاستیک در نرم‌افزارهای تحلیل سازه:

مدل مفصل پـلاستیک ایدئال: در این مدل، مفصل پلـاستیک به‌عنوان یک لولا در نظر گرفته می‌شود.

مدل مفـصل پلاستیک غیرایدئال: در این مدل، رفتار غیرخطی مصالح در مفصل پلاستـیک در نظر گرفته می‌شود.

مدل مفصـل پلاستیک فایبر: در این مدل، مقطع به تعدادی الیاف کوچک تقسیم شده و رفتار هر الیاف به‌صورت جداگانه بررسی می‌شود.

7. نکات مهم در طراحی مقاطع با مفصل پلاستیک

انتخاب مقطع مناسب: مقطع باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که ظرفیت تشکیل مفصل پلاستیـک را داشته باشد.

محل قرارگیری مفصـل پلاستیک: محل قرارگیری مفصل پلاستیک باید به‌گونه‌ای باشد که از خرابی موضعی سازه جلوگیری شود.

کنترل تغییر شکل‌ها: تغییر شکل‌های پلاستیک در مفصل باید در حد مجاز باشد تا از عملکرد صحیح سازه اطمینان حاصل شود.

8. تعریف مفصل پلاستیک در ایتبس

تا این بخش، توانستیم اطلاعات، درک و نگرش خوبی نسبت به مکانیزم رفتاری اعضاء و همین‌طور انواع سیستم‌های سازه‌ای متداول پیدا نمائیم در حال حاضر باتوجه‌به درک درستی که از فلسفهٔ این موضوع دارید، به شما نشان خواهیم داد که چگونه مفصل پلاستیک اعضای مختلف سازه  را به نرم‌افزار ایتبس معرفی کنید.

در اینجا صرفاً به‌صورت خلاصه، تعریف مفصل پلاستیک مهاربندها در ایتبس (به‌استثنای مهاربند واگرا) را به شما نشان خواهیم داد و در ادامه متن تمام اعضا را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

به‌منظور انجام این کار، بعد از اجرای نرم‌افزار، مسیر زیر را که به‌صورت تصویری در شکل نیز نشان‌داده‌شده است، دنبال نمایید.

define ⇒ section properties ⇒ frame wall nonlinear

 

با کلیک روی گزینه‌ …Frame/Wall Nonlinear Hinges پنجره‌ای مشابه شکل زیر، ظاهر خواهد شد:

بعد از انتخاب نوع مصالح عضو موردنظر، پنجره‌ای مانند زیر ظاهر می‌شود. در کادر بالای پنجره‌ی جاری (به نام اختصاص ویژگی مفصل پلاستیک) که در اینجا، ازآنجایی‌که ابتدا قصد داریم رفتار کششی مهاربندهای پروژه موردنظر را به نرم‌افزار معرفی نماییم، نام Brace-A-T که مخفف، عبارت Brace Axial Tension است انتخاب نموده‌ایم.

در قسمت Hinge Type از پنجره جاری، دو گزینه وجود دارد که گزینه اول، مربوط به اعضای نیرو کنترل (که رفتار ترد دارند) و گزینه دوم، متعلق به اعضای تغییر شکل کنترل است و باتوجه‌به تغییر شکل‌ کنترل بودن رفتار مهاربندها در کشش و فشار، لازم است تا گزینه‌ دوم را انتخاب نماییم. در ذیل گزینه دوم، یک منوی کشویی وجود داشته که به‌صورت پیش‌فرض، گزینه Axial P که معرف نیروی محوری است، فعال است. کاملاً واضح است که نیازی به تغییر این گزینه وجود ندارد!

بعد از انجام دستورالعمل‌های بالا، برای تعیین جزئیات ویژگی‌های رفتاری غیرخطی (یا مفصل پلاستیک)، روی گزینه …Modify/Show Hinge Property کلیک می‌نماییم.

پس از انتخاب گزینه مذکور، پنجره‌ای مشابه زیر، ظاهر می‌گردد. حال لازم است تا با قسمت‌های مختلف این پنجره که هر کدام از آن‌ها با استفاده از یک عدد و نوار رنگی، متمایز و مشخص شده‌اند، آشنا شوید که تمامی توضیحات را در متن به‌صورت کامل بیان کرده‌ایم و همین‌طور گام‌به‌گام به شما آموزش خواهیم داد که چگونه مشخصات دیگر مقاطع را معرفی کنیم؛ مشخصات پروژه آموزشی به‌عنوان یک مثال بررسی شده است.

قسمت اول؛ این قسمت که توسط یک کادر قرمز نشان‌داده‌شده است، مربوط به مختصات نقاط مختلف منحنی تلاش – تغییر شکل عضو است. همان‌طور که می‌دانید، هر نقطه در منحنی، بیانگر یک مقدار نیروی مشخص نسبی (نسبت به نیروی تسلیم)، و تغییر شکل نسبی (تغییر شکل، نسبت به تغییر شکل تسلیم) متناظر با آن است که در ادامه، با چگونگی وارد نمودن اطلاعات مربوطه در این قسمت از پنجره، به طور کامل آشنا خواهید شد.

قسمت دوم؛ این قسمت که با یک کادر نارنجی‌رنگ متمایز شده است، همان منحنی تلاش – تغییر شکل عضو است. در ذیل منحنی، گزینه‌ای با نام Symmetric (به معنی متقارن)، وجود دارد که در قسمت‌های بعدی، متوجه کاربرد این گزینه مهم می‌شوید.

قسمت سوم؛ همان‌طور که به یاد دارید، گفته شد که نرم‌افزار ETABS، قادر است تا نیروها و تغییر شکل تسلیم اعضاء را به‌خوبی محاسبه نماید. اما در موارد خاص و در صورت تمایل، می‌توان مقاومت و تغییر شکل تسلیم عضو موردنظر را (تحت کنش‌های مثبت و منفی) به‌صورت دستی محاسبه، و نتایج را در این قسمت از نرم‌افزار وارد نمود. عموماً از این گزینه استفاده‌ای نمی‌شود!

قسمت چهارم؛ این قسمت مربوط به اعداد شاخص سطوح عملکرد عضو، یعنی IO، LS و CP است و با تعریف مقادیر مربوط به سطوح عملکرد، می‌توان شرایط سطح عملکردی اعضاء سازه‌ای و به‌طورکلی، سازه را مورد کنترل قرارداد. به طور مثال در طراحی یک بیمارستان، هیچ‌‌کدام از اعضاء سازه‌ای، نباید وارد ناحیه رفتاری غیرخطی شوند یا به بیانی دیگر، باید در سطح عملکرد IO باقی‌مانده و همان‌طور که در بخش‌های ابتدایی توضیح داده شد، قابلیت استفاده بی‌وقفه را دارا باشند که این موارد در نرم‌افزار ETABS قابل‌کنترل است. در نرم‌افزار ETABS، سطح عملکرد هر کدام از اعضاء، با استفاده از شکلی مشابه شکل مقابل، باتوجه‌به سطح عملکردی که عضو در آن قرار دارد، تعیین و گزارش می‌شود.

قسمت پنجم؛ در قسمت پنجم از این پنجره، دو گزینه رو مشاهده می‌نماییم. درصورتی‌که برای رفتار و مفاصل پلاستیک تعریف شده در مورد عضو موردنظر، از گزینه Drop To Zero استفاده نمائیم، به این معناست که در شرایطی که نیرو به حد ظرفیت نهایی عضو برسد، قابلیت باربری عضو به صفر کاهش می‌یابد (اتفاقی که در واقعیت رخ می‌دهد) و بعدازاین اتفاق، نیرویی که قبل از به صفر رسیدن ظرفیت در عضو وجود داشت، توسط عمل بازتوزیع نیروها، به اعضای مجاور انتقال می‌یابد. اما باید بدانید که در این حالت، نمی‌توان به‌خوبی شرایط عضو

(بررسی تشکیل مفاصل پلاستیک در عضو) را مورد تحلیل و بررسی قرارداد. از طرفی می‌توان با انتخاب گزینه Is Extrapolated، شرایط عضو را با استفاده از بررسی تشکیل یا عدم تشکیل مفاصل پلاستیک مورد ارزیابی قرارداد. در تحلیل و طراحی، عموماً از همین گزینه استفاده می‌شود.

قسمت ششم؛ این قسمت مربوط به انتخاب نوع منحنی است که قصد معرفی آن را به ایتبس داریم.

قسمت هفتم؛ در صورت نیاز به‌دقت بیشتر در معرفی منحنی تلاش – تغییر شکل عضو، می‌توان با استفاده از این بخش، نقاطی را مضاعف بر پیش‌فرض نرم‌افزار ایتبس، بین نواحی BC و CD تعریف نمود. این بخش بیشتر در مواردی کاربرد دارد که رفتار و منحنی تلاش – تغییر شکل عضو، با استفاده از آزمایش‌های عملی مشخص شده باشد.

قسمت هشتم؛ این بخش مربوط به نوع رفتار چرخه‌ای (Cyclic) عضو است.

حال که با مهم‌ترین و کاربردی‌ترین قسمت‌های پنجرهٔ Hinge Property Data آشنایی پیدا کرده‌اید، می‌خواهیم اطلاعات مربوط به ویژگی‌های رفتاری مهاربندهای پروژه (به‌غیراز مهاربندهای واگرا)، تحت کنش‌های کششی و فشاری را به نرم‌افزار معرفی و تفهیم نمائیم. به همین منظور، جداول مربوط به پارامترهای توصیف‌کنندهٔ رفتار غیرخطی مهاربندها در کشش و فشار در یک جدول ادغام، و تحت جدول  زیر ارائه گردیده است.

• پارامترهای توصیف‌کننده‌ی رفتار مهاربند پروژه آموزش جاری در کشش و فشار

جزء/ تلاش	پارامترهای مدل‌سازی			معیارهای پذیرش
	تغییرشکل خمیری		نسبت تنش پس‌ماند	تغییرشکل خمیری
				کلیه‌ی اعضاء	اعضای اصلی
	a	b	c	IO	LS	CP
مهاربند کششی	11ΔT	14ΔT	0.8	0.25ΔT	7ΔT	9ΔT
مهاربند فشاری	0.5ΔC	10ΔC	0.3	0.25ΔC	6ΔC	8ΔC

اکنون با استفاده از مقادیر موجود در جدول، مختصات نقاط مختلف منحنی تلاش – تغییر شکل مهاربندها را در قسمت اول از پنجرهٔ Hinge Property Data وارد می‌نماییم. همان‌طور که در بخش‌های قبلی، مفصلاً در مورد مختصات نقاط مختلف روی منحنی تلاش – تغییر شکل بحث شد، در اینجا به‌صورت مختصر، مختصات این نقاط را، باتوجه‌به مقادیر موجود در جدول پایین، ارائه کرده‌ایم. به این نکته نیز توجه نمایید که باتوجه‌به فرض نرم‌افزار، نیروها و تغییر شکل‌های کششی با علامت مثبت، و نیروهای فشاری و تغییر شکل‌ها ناشی از آن، با علامت منفی وارد می‌شوند. همچنین باتوجه‌به نسبی بودن مقادیر، تنها ضرایب پارامترهای و در قسمت مربوطه وارد می‌شود.

همین‌طور مقادیر مربوط به سطوح عملکرد مهاربندها نیز، تحت جدول مقادیر عددی پارامترهای توصیف‌کننده‌ی سطوح عملکرد مهاربند پروژه آموزش جاری در کشش و فشار آورده شده است.

مقادیر عددی پارامترهای توصیف‌کنندهٔ رفتار مهاربند پروژه آموزش جاری در کشش و فشار

Disp/SF	Force/SF	Point
10-	0.3-	E-
1.0-	0.8-	D-
1.0-	1+(0.03×0.5) =-1.015	C-
0	1-	B-
0	0	A
0	1	B
11	1+(0.03×11)=1.33	C
11	0.8	D
14	0.8	E

توجه کنید که مقادیر «1.015-» و «1.33» در جدول، با استفاده از رابطه‌ی  بدست آمده‌اند، که در بخش های گذشته نحوه‌ی محاسبه‌ی آن توضیح داده شد.

پارامترهای مربوط به معیارهای پذیرش اعضای مهاربندی مشابه با جدول زیر در قسمت های مربوطه وارد می شوند.

مقادیر عددی پارامترهای توصیف‌کننده‌ی سطوح عملکرد مهاربند پروژه آموزش جاری در کشش و فشار

Negative	Positive
0.25-	0.25	Immediate Occupancy
6-	7	Life Safety
8-	9	Collapse Prevention

پس از پایان فرآیند وارد نمودن اطلاعات مورد نیاز نرم‌افزار، رو گزینه‌ی OK کلیک نموده تا پنجره‌ی جاری بسته شود. بعد از بستن دو پنجره‌ی جاری از طریق گزینه‌ی OK، مجدداً پنجره‌ی زیر را خواهیم دید که در قسمت سمت چپ آن، در بخش Name، نام مفصل پلاستیک معرفی شده به نرم‌افزار را، همانطور که در شکل زیر می‌بینید، مشاهده خواهیم نمود.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

جهت آشنایی کامل با  “مفصل پلاستیک” به پکیج “دوره جامع متره و برآورد پروژه (دکتر مترور)” در بخش گنجینه فایل وب‌سایت مراجعه فرمایید