۳ راز بزرگ در مورد نامنظمی پیچشی در پلان

نامنظمی پیچشی :

نامنظمی پیچشی برای ما مهندسان عمران و طراحان سازه‌ای بسیار درآمد زا است ! بله درست است ، این جمه را بار ها و بار ها در تمامی سمینارها و کنفرانس هایی که در مورد نامنظمی پیچشی در پلان داشته ام گفته ام.فرض کنید که وظیفه طراحی و ساخت یک ساختمان ۶ طبقه در منطقه متوسط شهر را بر عهده دارید.اگر فرض کنیم که منطقه متوسط شهر هر متر مربع منزل مسکونی قیمتی برابر ۷ میلیون تومان داشته باشد و همینطور هر واحد شما ۱۴۰ متر مربع مساحت داشته باشد ، میتوانم به شما قول بدهم که اگر این مقاله را به خوبی فرا بگیرید میتوانید در این پروژه نزدیک به ۱۵۰ میلیون تومان سود مالی کنید!

پس به این مقاله نامنظمی پیچشی به چشم ۱۵۰ میلیون تومان پول نگاه کنید !

اجازه دهید به معتبر ترین کتاب در مورد نامنظمی پیچشی در کشور عزیزمان ایران مراجعه کنیم . مطابق بند ۱-۷-۱-ب استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم ، در مواردی که حداکثر تغییر مکان نسبی طبقه در یک انتها، با احتساب پیچش تصادفی در ساختمان و با منظور کردن Aj = 1، بیشتر از ۲۰ درصد متوسط تغییر مکان نسبی طبقه در دو انتهای ساختمان در آن طبقه باشد، در این موارد نامنظمی زیاد پیچشی و در مواردی که این اختلاف بیشتر از ۴۰ درصد باشد، نامنظم شدید پیچشی توصیف می‌شود.

 

نامنظمی پیچشی چیست؟

اجازه دهید تا ابتدا با زبان خودمانی این مسیله را بررسی کنیم و پس از ان به سراغ نکات حرفه ای برویم!

معمولا بزرگترین مسئله ای که سازه ها و ساختمان های طراحی شده توسط ما را تهدید میکند ، زلزله میباشد.فارغ از اینکه ما طراحی سازه بتنی و یا طراحی سازه فولادی انجام داده ایم باید از نیروی زمین لرزه بسیار بترسیم به همین دلیل است که محاسبه بار زلزله بسیار اهمیت دارد. در علم مهندس عمران به بارهایی مثل زلزله و بار باد که جوانب وارد میشود بار های جانبی میگویند.

بیایید تا با یکدیگر یک تشابه عمرانی در موضوع نامنظمی پیچشی و بازی دوران کودکیمان انجام دهیم.می توان نوسان یک سازه در زمین لرزه  را مانند تاب خوردن یک کودک هنگام تاب بازی تصور نمود. اگر طنابهای تاب هم اندازه و یک شکل باشند و کودک درست در وسط صندلی تاب بنشیند؛ مطمئنا دو گوشه تاب بصورت مساوی هنگام تاب خوردن حرکت خواهد کرد. نوسان سازه نیز مثلد تاب خوردن فقط بصورت معکوس می باشد (به شکل زیر توجه کنید). ستونها و دیوارهای ساختمان حکم طناب‌های تاب و کف ساختمان حکم صندلی را خواهند داشت و بدیهی است که سازه چند طبقه همانند یک تاب با چند صندلی است !

 

 

حال شیطنت های زمان کودکی خود را به یاد آورید؛یادتان میآید که تاب را میپیچاندید؟ اگر ما در گوشه صندلی تاب مینشستیم دیگر گوشه های تاب به یک اندازه مساوی جلو وعقب نمیکردند و اصطلاحا تاب می پیچد. دقیقا این مسیله را در ساختمان ها و سازه ها ما طراحان سازه ای داریم و مصداق آن در سازه‌ها در مواردی است که جرم کف طبقات متوازن نبوده و در گوشه ها بیشتر باشد (مانند محل انبارها و کتابخانه ها). در این شرایط بخش سنگین تر ساختمان حرکت افقی بزرگتری انجام می دهد. به عبارت دیگر کف ساختمان علاوه بر حرکت افقی دارای حرکت دورانی هم می شود.به شکل زیر دقت کنید.

 

 

در این مرحله  تصور کنید مانند شکل زیر تاب به علت صاف نبودن شاخه درخت با طنابهای نامساوی بسته شده است. در این صورت حتی اگر در وسط نشیمن تاب هم بنشینید، باز تاب می پیچد. به همین ترتیب اگر ساختمان دارای ستونها و دیوارهایی با طول نامساوی باشد ساختمان دچار پیچش می گردد. همینطور اگر دیوارهای ضخیم در یک سوی ساختمان تجمع کنند و ستونهای لاغر در سویی دیگر، مجدد پیچش به جان ساختمان خواهد افتاد.به تصویر زیر و توضیحات آن دقت کنید.

 

 

ماهیت اصلی نامنظمی پیچشی در پلان از نیروهای جانبی میآید.زمانی که یک نیروی جانبی به ساختمان ما وارد میشود اگر پیچش کمی را داشته باشیم ، اختلاف بین جابه‌جایی حداکثر با جابه‌جایی متوسط بسیار کم است و اگر پیچش زیاد باشد اختلاف بین این دو جابه‌جایی بسیار زیاد میشود.

حال هر چه ما طراحان سازه ای این اختلاف را بهتر حدس بزنیم و آن را کمتر کنیم نامنظمی پیچشی کمتر و در نتیجه آن سازه ‌ای سبک تر و در نتیجه آن درآمد بیشتر را داریم!

به معتبر ترین کتاب در مورد نامنظمی پیچشی در ایران مراجعه کنیم . مطابق بند ۱-۷-۱-ب استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم ، در مواردی که حداکثر تغییر مکان نسبی طبقه در یک انتها، با احتساب پیچش تصادفی در ساختمان و با منظور کردن Aj = 1، بیشتر از ۲۰ درصد متوسط تغییر مکان نسبی طبقه در دو انتهای ساختمان در آن طبقه باشد، در این موارد نامنظمی زیاد پیچشی و در مواردی که این اختلاف بیشتر از ۴۰ درصد باشد، نامنظم شدید پیچشی توصیف می‌شود.

اما حال اجازه دهید تا نظر بهترین کتاب بارگذاری در دنیا به نام Asce7 که مطعلق به آمریکا میباشد رادر مورد نامنظمی پیچشی بدانیم.به این کتاب مراجعه میکنیم ، در صفحه ۹۵ در جدول ۱-۳-۱۲ تعریف جامعی از نامنظمی پیچشی ارایه شده است:

 

 

Torsional irregularity is defined to exist where the maximum story drift, computed including accidental torsion with Ax =1.0, at one end of the structure transverse to an axis is more than 1.2 times the average of the story drifts at the two ends of the structure. Torsional irregularity requirements in the reference sections apply only to structures in which the diaphragms are rigid or semirigid.

 

 

اگر به این بند آیین نامه ASCE7 دقت کنیم متوجه میشویم که تعریف شبیه نسبت به استاندارد ۲۸۰۰ خودمان با کمی تفاوت بسیار مهم را دارد.متاسفانه بیان تفاوت نامنظمی پیچشی دراستاندارد۲۸۰۰ و آیین نامه ASCE7 مربوط به این مقاله نمیشود اما در دوره جعبه ابزار طراجی سازه های بتنی و نخبگان طراحی به صورت کامل توضیح داده ایم.

فرض استاندارد ۲۸۰۰ در بند مربوط به نامنمظی پیچشی در پلان این است که، اگر در پلان پیچش زیادی ایجاد نشود، جابجایی حداکثر ایجاد شده در پلان، اختلاف زیادی با جابجایی متوسط آن ندارد. از طرفی اگر پیچش ایجاد شده در پلان زیاد باشد، پلان چرخش زیادی داشته و اختلاف بین تغییر مکان حداکثر و متوسط زیاد خواهد شد. تصویر زیر مفهوم کامل و دقیق نامنظمی پیچشی و محدودیت هایی که آیین نامه ها برای آن در نظر گرفته اند را نشان می‌دهند.این تصیویر را بررسی میکنیم و بعد از آن به سراغ توضیحات بیشتر میرویم:

 

 در ابتدا فرض کنید که یک ساختنمان  ۲ طبقه داریم که طبقه دوم جابجایی برابر دلتا۲ و طبقه اول جابجایی دلتا۱ را دارد.در این حالت کا طراحان سازه ای برای پیداکردن دید درست از نامنظمی پیچشی به دو تا پارامتر نیاز داریم.این دو پارامتر عبارتند از دلتا ماکسیمم و دلتا میانگین.در تصویر بالا فرمول محاسبه هر دو دلتا بر اساس نیروی زلزله در جهت ایکس مشخص شده است.

پس از آن بر اساس نسبت تقسیم دلتا ماکسیمم بر دلتا میانگنین منظمی و یا نامنظمی پیچشی در پلان مشخص میشود و اگر این عدد کمتر از ۱٫۲ باشد پلان ا منظم میباشد و اگر بین ۱٫۲ و ۱٫۴ باشد دارای نامنظمی پیچشی در پلان هستیم و اگر بیشتر از ۱٫۴ باشد این ناممنظمی بسیار شدید میباشد.

 

 

به تصویر زیر دقت کنید !این تصویر یک طرح بسیار ساده و اولیه از سالن همایش های ملی موسیقی Opera در وین اتریش میباشد که در سال ۱۳۹۶ توسط مهندس اشکان رجبی (بنیانگذار شهر نوین عمران ومعماری) طراحی شد.

 

 

این طرح شماتیک دارای بیشمار نکته طراحی میباشد اما سایر نکات را کنار بگذارید و فقط در مورد نامنظمی پیچشی آن بیایید صجبت کنیم.همانطور که در تصویر بالا مشاهده میکنید تعداد ستون ها در سمت چپ بسیار کمتر از است تا سمت راست و دلیل آن نیز کاربری خاص این پلان که سالت موسیقی opera میباشد ، است.

تفاوت در مختصات مرکز سختی و مرکز جرم موجب میشود که در اثر اعمال نیروی جانبی (مثلا نیروی زلزله)سازه علاوه بر حرکت انتقالی ، حرکت چرخشی نیز داشته باشد که در تصویر بالا این مورد را نشان داده ایم و این مسئله موجب پیدایش موضوعی به نام نامنظمی پیچشی در پلان و یا Torsional irregularity میشود.ساده ترین راه برای حل این مشکل برای ما طراحان سازه ای این میباشد که ابعاد تیرها و ستون ها را در قسمتی که تعداد آن ها کم میباشد افزایش دهیم تا با اینکار سختی سسازه ما نیز در همان قسمت افزوده شود و در نتیجه پیچش کاهش یابد و در حالتی که نتوان با تغییر مشخصات و ابعاد سازه ، نامنظمی پیچشی را کاهش داد و یا از بین برد، استاندارد۲۸۰۰ جریمه ها و ملاحظاتی را برای ساختمان‌های نامنظم پیچشی در نظر گرفته است که باید رعایت شوند.

 

۶ مورد از مهمترین قوانین استاندارد ۲۸۰۰ د ر مورد این نامنظمی در پلان:

1. طبق بند ۳-۱-۴ آیین نامه ۲۸۰۰ ، در ساختمان های نامنظم پیچشی قاعده ۳۰-۱۰۰ باید برای همه اعضاء لحاظ شود.
2. طبق بند ۳-۲-۲ آیین نامه ۲۸۰۰ ، در ساختمان های نامنظم پیچشی بالای ۳ طبقه، حتماً باید از روش های دینامیکی برای تحلیل سازه استفاده شود.
3. طبق بند ۳-۳-۲-۲ آیین نامه ۲۸۰۰ ، در ساختمان های نامنظم پیچشی صرفاً باید از بند (ب) این ضابطه برای تعیین درجه نامعینی استفاده کرد.
4. طبق بند ۳-۳-۷-۳ آیین نامه ۲۸۰۰ ، در ساختمان های نامنظم پیچشی برون مرکزیت اتفاقی باید با استفاده از ضریب بزرگ نمایی Aj تشدید شود:
   Aj = (Dmax/1.2Dave)2 1≤Aj≤۳
   پارامترهای Dmax و Dave به ترتیب برابر مقادیر حداکثر و میانگین تغییر مکان های جانبی مطلق دو انتهای ساختمان در طبقه j ام می باشند.
5. طبق بند ۳-۴-۱-۴ استاندارد ۲۸۰۰ ، در ساختمان هایی که نامنظمی شدید پیچشی دارند، مقادیر بازتاب ها باید با ۱۰۰ درصد برش پایه استاتیکی به دینامیکی همپایه شوند. و در ساختمان هایی که شامل نامنظمی زیاد پیچشی می شوند، مقادیر بازتاب ها باید با ۹۰ درصد نسبت برش پایه استاتیکی به دینامیکی همپایه شوند.
6. طبق بند ۳-۵-۴ آیین نامه ۲۸۰۰ ، در ساختمان های نامنظم پیچشی، کنترل دریفت با توجه به اختلاف تغییر مکان های جانبی کف های بالا و پایین طبقه، در امتداد محورهای کناری انجام می گیرد.(نه در مرکز جرم)

همچنین دانستن این نکته برای طراحان سازه ای لازم است که برای بدست آوردن پاسخ صحیح در کنترل نامنظمی پیچشی، حتماً باید از تحلیل استاتیکی استفاده کرد و تحلیل دینامیکی در این مورد پاسخ های نادرست خواهد داد.

 

باتوجه به نکات بالا معمولا دانشجویانم همیشه یک سوال را به صورت مکرر میپرسند. براي محاسبه تغييرمكان جانبي سازه و كنترل پيچش آن، آيا خروج از مركزيت اتفاقي بايد منظور شود؟ 

پاسخ: بله. در شكل زيرنيروي زلزله وارد بر سازه نشان داده شده است. طبق بند۱-۷-۱ استاندارد ۲۸۰۰ ،در تعيين تغييرمكان جانبي طبقه بايد زلزله هاي با خروج از مركزيت تصادفي نيز منظور شوند.

اجازه دهید تا یک پرسش مهم از آزمون محاسبات نظام مهندسی که در سال ۱۳۹۵ مطرح شد را با هم بررسی کنیم. در شکل زیر پلان سقف یک ساختمان مشکونی متعارف نشان داده شده است.با فرض صلب بودن دیافراگم، محاسبات نشان میدهد که برای نیروی زلزله در راستای Y تغییر مکان نسبی نقاط A و B در راستای Y به ترتین ۳۲ و ۲۳ میلیمتر میباشد.با این اطلاعات کدامیک از گزرینه های زیر صحیح میباشد؟(در محاسبات Aj = 1 و پیچش تصادفی منظور شذه است.نیروی زلزله بر اساس زمان تناوب حاصل در تحلیل دینامیکی که بزرگتر از زمان تناوب تجربی است بدست آمده است)

1. سازه در پلان منظمی است.
2. سازه در پلان دارای نامنظمی پیچشی شدید است.
3. سازه در پلان دارای نامنظمی پیچشی زیاد است.
4. اگر به ازای زلزله در راستای X سازه فاقد نامنظمی پیچشی باشد آنگاه سازه منظمی است.

 

برای محاسبه نامنظمی پیچشی تغییر مکان های دو گوشه سازه در پلان لازم میباشد.به شکل بالا توجه کنید با توجه به این شکل و بر اساس قانون تالس عدد C برابر ۱۸٫۵  بدست میآید. بین اعدادی که در این سوال داریم دلتا ماکسیمم برابر ۳۲ میشود همچنین دو دلتا با اعداد ۱۸٫۵ و ۳۲ نیز داریم که مقدار میانگی آن را نیز بدست میآوریم و سپس در فرمول قرار میدهیم.

 

بیان دو نکته بسیار مهم در مورد نامنظمی در پلان :

1. به یک نکته دیگر در سوال بالا بد نیست توجه کنیم.در سوال بالا فرض صلب بودن دیافاگم ذکر شده است. آیا میدانید این به چه معنا میباشد؟لازم است که بدانید نامنظمی پیچشی تنها در سقف‌های صلب و نیمه صلب مهنا پیدا میکند.در غیر اینصورت این مورد از محاسبه سوال ها نیز خارج میشود.
2. کنترل نامنظمی پیچشی ساختمان برای هر دو جهت X و Y انجام می شود و بدترین حالت بدست آمده ملاک عمل قرار خواهد گرفت. برای مثال اگر ساختمان در یک جهت منظم پیچشی باشد ولی در جهت دیگر نامنظم شدید پیچشی باشد، ساختمان در مجموع نامنظم شدید پیچشی خواهد بود.

 

محاسبه نامنظمی پیچشی در نرم افزار ایتبس (Etabs) :

در شهر نوین عمران و معماری ما برای تمامی مهندسان عمران عزیز کشورمان ایران آموزش ایتبس را به صورت رایگان تدارک دیده ایم.این آموزش از ابتدایی ترین مسایل تا حرفه ای ترین مثال ها میباشد.کافیه تنها روی آموزش ایتبس سبز رنگ در جمله ببا کلیک کنید تا وارد این دوره بینظیر شوید.