نامظمی هندسی چیست؟
نامنظمی هندسی داستان بسیار زیبایی دارد ! در ۷ دسامبر سال ۱۹۸۸ میلادی بودی که خانه همسایه مان به یکباره ویران شد.البته منظوزم از این همسایه کشور همسایه مان میباشد.کشوری به نام ارمنستان ! در آن زمان‌ها شمال ارمنستان قسمتی از کشور جماهیر شوروی بود که در ساعت ۱۱:۴۱ توسط زمین لرزه ای به نام زمین‌لرزه اسپیتاک بابزرگی به مقیاس ۶٫۸ ریشتر با خاک یکسان گردید.
ما مهندسان عمران در زندگی طراحی خود دو نوع معلم داریم:
- آموزگاران دانشگاه ها
- تجربه ی حاصل از اتفاقات
معمولا مطالعه داستان‌های تاریخی به ما این هشدار را میدهد که معلم دوم بسیار خطرناک و بیرحم میباشد.معمولا این معلم بیرحم توسط زمین لرزه در کسری از ثانیه ، ابتدا امتحان میگیرد و سپس تنبیه میکند و در مرحله بعد فرصت آموزش دیدن به ما میدهد !
یکی از امتحان‌های این معلم بی رحم ، زلزله بزرگ ارمنستان بود که ما مهندسان عمران عملکرد خوبی را از خود به نمایش نگذاشتیم. اما درس بزرگی را از ابن زمین لرزه گرفتیم و این درس بزرگ موردی به نام نامظمی هندسی در پلان بود.
نامظمی هندسی :
بعد از زلزله ارمنستان کانادایی ها که اون روز ها در زمینه عمران از همه جلو تر بودند به فکر تحقیق بر روی این زمین لرزه افتادند.تحقیق های بسیاری انجام شده و نتایجی بزرگی بدست آمد که امروز در آیین نامه های آمریکا ، کانادا و… این نتایج ثبت شده اند.یکی از این نتایج که حتی در استاندارد۲۸۰۰ وارد شده است نامنظمی هندسی میباشد.
اما اجازه دهید ابتدا مشخص کنیم که این نامنظمی هندسی از کجا به وجود آمده است !
نظم کالبدی سازه :
یکی از دسته بندی هایی که میتوانیم روی سازه ها انجام دهیم تقسیم انواع سازه های بر اساس منظمی و یا نامنظمی میباشد.ما مهندسان عمران به مراتب متوجه شدیم که سازه‌ها در برابر بارهای جانبی بر اساس منظمی و یا نامنظمی رفتار متفاوت دارند.
اما این منظمی و نامنظمی بر اساس شکل هندسی ، توزیع جرم ، توزیع سختی در پلان و توزیع سختی در ارتفاع مشخص میشود و میتوانم گفت سازه های منظم نسبت به سازههای نامنظم رفتار و عملکرد بهتری را در مقابل بار های جانبی از خود نشان میدهند.
به طور کلی نامنظمی ها به دو دسته تقسیم میشوند:
- نامنظمی در ارتفاع
- نامنظمی در پلان
در این مقاله به نامنظمی در ارتفاع هیچ اشاره ای نمیکنیم و به سراغ نامنظمی در پلان میرویم و میتوانیم بگوییم که نامنظمی در پلان خود به ۵ زیر شاخه تقسیم میشود.
- نامنظمی هندسی
- نامنظمی پیچشی
- نامنظمی در دیافراگم
- نامنظمی خارج از صفحه
- نامنظمی سیستم های غیر موازی
اگر به آیین نامه های معتبر جهان مثل ASCE7 و Eurocode مراجعه کنیم دقیقا همین دسته بندی را نیز مشاهده میکنیم.به عنوان مثال در آیین نامه ASCE7 ویرایش ۱۶ مراجعه کنیم در جدول ۱-۱۲٫۳ که در صفحه ۹۵ میباشد دسته بندی انواع نامنظمی در هندسه به صورت زیر میباشد :
- Torsional Irregularity
- Reentrant Corner Irregularity (یا همان نامنظمی هندسی)
- Diaphragm Discontinuity Irregularity
- Out-of-Plane Offset Irregularity
- Nonparallel System Irregularity
در این مقاله از شهر نوین عمران ومعماری ما تنها به نامنظمی هندسی میپردازیم و موارد دیگر را در مقالات دیگر مورد بررسی قرار میدهیم.
تعریف نامنظمی هندسی
به گفته استاندارد ۲۸۰۰ صفحه ۶ زمانی که پلان معماری را بررسی میکنیم در مواردی که پس رفتگی هم زمان در دو جهت در یکی از گوشه های ساختمان بیشتر از ۲۰ درصد طول پلان در آن جهت باشد، وقوع نامنظمی هندسی محتمل است.در این حالت وظیفه هر طراح سازه ای میباشد که پلان تمام طبقات ساختمان را چک کرده و اگر پلان موجو در طبقه ای شرایط این بند از آیین نامه را داشته باشد، کل سازه جزء نامنظمی هندسی پلان(نامنظمی در یک طبقه از ساختمان ما موجب ایجاد نام منظمی در کل سازه ما میشود) در نظر گرفته میشود.
در مورد کنترل نامنظمی هندسی مطالب بسیاری وجود دارد که ما تصمیم داریم این نکات را تحت عنوان ۵ راز بزرگ توضیح دهیم.پیشنهاد میکنم برای این که این موضوع برای شما به طور کامل جا بیفتد ابتدا استاندارد ۲۸۰۰ صفحه ۶ و سپس ASCE7 ویرایش ۱۶ را از صفحه ۹۴ مطالعه بکنید و سپس به سراغ نکات زیر بیایید.
راز اول : اختلاف بین آیین نامه آمریکا با آیین نامه ایران
متاسفانه در کشور عزیزمان ایران به دلیل عدم وجود آزمایشگاه ها و سرویس های تحقیقاتی قدرتمند در زمنیه عمران ، بسیاری از مواردی که ما در آیین نامه ها داریم کپی برداری از آیین نامه های کشورهایی مثل آمریکا و کانادا میباشد.
در ببالا خدمتتان رض کردیم که استاندارد۲۸۰۰ ، مقدار ۲۰ درصد را در نظر میگیرد اما اگر یک مقایسه ساده را انجام دهیم در آیین نامه ASCE7 که مربوط به کشور آمریکا میباشد محدودیت درصدی به عدد ۱۵ ختم میشود.در زیر تصویر دقیق متن را از آیین نامه asce7 برای شما آورده ایم.
راز دوم : اشتباه فراموش نشدنی استاندارد۲۸۰۰
بسیاری از مهندسان عمران وطراحان سازه ای که از چاپ های اولیه استاندارد۲۸۰۰ ، با این کتاب همراه بودند از عدد ۱۵ درصد استفاده میکنند و بسیاری از عدد ۲۰ درصد. اما کدام یک راه درست را بر اساس آیین نامه ۲۸۰۰ انتخاب کرده اند؟
میتوانیم بگوییم که ما مهندسان عمران مفتخر این بوده ایم که شاهد یکی از بزرگترین اشتباه باور نکردنی در کل تاریخ ویرایش استاندارد ها باشیم . در چاپ های اولیه ی ویرایش چهارم استاندارد ۲۸۰۰ مقدار درصد مجاز پس رفتگی در ایجاد نامنظمی هندسی، در متن آیین نامه برابر ۲۰ درصد و در شکل زیر متن برابر ۱۵ درصد آورده شده بود که باعث یک ایجاد یک دو گانگی در جامعه مهندسی عمران بود. با توجه به بررسی های صورت گرفته زیر نظر کمیته استاندارد ۲۸۰۰ در نسخه های بعدی که از این کتاب منتشر شد این مشکل رفع گردید و مقدار درصد مجاز پس رفتگی برای ایجاد نامنظمی هندسی در متن آیین نامه و تصویر زیر آن اصلاح شده و نهایتاً مقدار ۲۰ درصد ملاک عمل قرار گرفت.
پس اگر ملاک کار استاندارد ۲۸۰۰ میباشد باید از عدد ۲۰ و برای آیین نامه آمریکا از عدد۱۵ استفاده کنیم.
راز سوم : آیا بالکن ها هم میتوانند موجب ایجاد نامنظمی هندسی در پلان شوند؟
این راز بسیار ساده اما در عین حال بسیار پرکاربرد میباشد.اگر بالکن و یا تراس یا طره طراحی شده در اثر عقب‌‌رفتن دیوارهای پیرامونی ساختمان و در داخل پلان سازه تعبیه شده باشد و بخشی از آن روی ستون بنا شده باشد می‌توان گفت بالکن را جزئی از دیافراگم پلان و به صورت یک سقف یکپارچه در نظر گرفت و بند نامنظمی هندسی آیین نامه را برای آن چک کرد.
به این راز دقت بفرمایید ، مطلبی بسیار ساده و در عین حال پر کاربرد میباشد.اگر بالکن ما به گونه ای طراحی و اجرا شده باشد که جزئی از دیافراگم پلان باشد یک رفتار را از خود نشان میدهد و اگر جزئی از پلان سازه ای نباشد رفتاری دیگر از خود نشان میدهد.
حال سوال اصلی اینجا پرسیده میشود که چگونه میتوانیم بفهمیم که بالکن جزئی از دیافراگم سقف میباشد و یا خیر؟
پاسخ این سوال به هویت بالکن (Identity Balcony) طراحی شده توسط ما مربوط میشود .بطور کلی ما ۲۳ روش برای طراحی بالکن ها در سراسر دنیا داریم که تنها ۳ مورد از آن ها کاربرد دارد. به دو حالت بیان شده در زیر دقت کنید :
- اگر بالکن و یا تراس ما به گونه ای طراحی و اجرا شده باشد ، که این بالکن در اثر عقب نشینی دیوارهای پیرامونی شکل گرفته باشد و گوشه ای از آن دارای اتصال با ستونی باشد (بخشی از آن روی ستون بنا شده باشد) ، در این حالت باید الزامات مربوط به نامنظمی هندسی را چک کرد.
- اگر بالکن مورد نظر به صورت بیرون آمدگی (غده مانند Glandular Design) در خارج از دیوارهای پیرامونی سازه و به صورت کنسولی (طره‌ای) اجرا شده باشد ،در این حالت بالکن ما جزئی پلان سازه نمیباشد و الزامات نامنظمی هندسی را برای این پلان در نظر نخواهیم گرفت.
به شکل های زیر دقت کنید.
راز چهارم : کدام یک از شکل های زیر دارای نامنظمی هندسی میباشند؟
اجازه دهید این راز را به صورت یک پرسش مطرح کنیم. به شکل های زیر دقت کنید.به نظر شما کدام یک از این شکل ها منظم میباشد و کدام یک دارای نامنظمی هندسی میباشد؟
شرط اول نامنظمی هندسی در پلان این موضوع بود که تغییر طول همزمان در دو جهت ایجاد شود.با در نظر گرفتن این نکته به بررسی شکل های بالا میپردازیم.در شکل ۱ ما تنها در یک جهت افزایش طول را مشاهده میکنیم پس نمیتوانیم از ظوابط نامنظمی ها پیروی کنیم اما در شکل ۲ و ۳ این شرط را در دوجهت مشاهده میکنیم.
پس میتوانیم ابنگونه نتیجه بگیریم که شکل ۱ منظم و شکل ۲ و ۳ دارای نامنظمی هندسی در پلان میباشد!
راز پنجم : با پخ هایی که در پلان معماری هستند چگونه رفتار کنیم؟
تمامی ما از دور و نزدیک پخ هایی را ممشاهده کرده ایم و ممکنه این سوال به ذهن ما خطور بکند که با این پخ ها چگونه باید رفتار کرد ؟در بسیاری از پلان هایی که مشاهده میکنیم زمین ساختمان ما حتما مستطیل شکل نمیباشد (پلان سازه دارای پخ میشود که به تبع آن غیر مستطیلی یا اصطلاحاً قناص میشود) و یا به هر دلیلی از فرم استاندارد خود خارج میشود (مثلا ممکن است باتوجه به نظر مهندس معمار یا مهندس طراح سازه ای، قسمتی از پلان به صورت مورب (پَخ شده) اجرا خواهد شد .
در چنین شرایطی با توجه به نکته راز چهارم که بالاتر خدمتتان بیان شد ، برای کنترل نامنظمی هندسی پلان، بایستی دقت نمود که در متن آیین نامه ۲۸۰۰، پس رفتگی را به طورهم زمان در دو جهت تعریف میکند و این یعنی باید در پلان، گوشه داخلی ایجاد شود و منظوز از این صحبت این میباشد که اگر تنها در یک جهت پس رفتگی داشته باشیم ، پلان ما شامل نامنظمی ه هندسی نمیباشد.
اجازه دهید یک مقدار علمی تر این موضوع را بررسی کنیم.معموولا ما طراحان سازه ای (چه طراحی سازه های بتنی و چه طراحی سازه های فولادی) سازه های خود را برای مقاومت و ایستادگی در برابر بار های جانبی طراحی میکنیم. با توجه به ساختمان های متداول و موجود در سطح کشور نیروی زلزله به صورت قدرتمند تا و غالت نر واقع میشود.از طرف دیگر در هنگام وجود نامنظمی هندسی ویا وجود پس رفتگی و تو رفتگی در هر دو جهت پلان معماری را ما شاهد ایجاد نقطه گوشه ای داخلی میباشیم که این نقطه ، ناشی از پس رفتگی هنگام وقوع زلزله واعمال بار های جانبی استعداد پارگی دارد.
به شکل زیر دقت کنید!همانطور که در شکل زیر مشاهده میکنید به علت وجود نامنظمی هندسی (پس رفتگی و تو رفتگی در هر دو جهت ) ، در سازه ما نقطه گوشه داخلی ایجاد شده است و میتوانیم تصور کنیم این نقطه فضا های متفاوتی را ایجاد کرده است که هر دو فضت دارای مرکز جرم و مرکز سختی متفاوتی میباشد! حال این دو منطقه سازه ای متفاوت که دارای مرکز جرم و مرکز سختی متفاوتی هستند در هنگام وقوع زلزله به دلیل جرم متفاوتشان ، زمان تناوب متفاوتی را دارا هستند و این به این معنا میباشد که احتمال این موضوع وجود دارد که زمانی که یک قسمت در حال رفت میباشد ، قسمت دیگر در حال برگشت میباشد و این باعث بروز رخداد گسیختگی گوشه مشترک آن ها میشود.
برای فرار از این موضوع ما طراحان سازه ای میتوانیم از پخ ها استفاده کنیم! باتوجه به موارد بررسی شده در پلان های دارای پخ که اصطلاحا به آن ها قناص میگویند ، این مسئله وجود ندارد یعنی گوشه داخلی ایجاد نمی‌شود که تمرکز تنشی هنگام وقوع زلزله داشته باشیم.
به تصویر زیر دقت بفرمایید با توجه به توضیحات بیان شده در بالا نتیجه می‌گیریم که قسمت قناص یا پخ دار پلان شامل بررسی نامنظمی هندسی نشده و این قسمت از پلان منظم فرض میشود.
بررسی راهکارهای فرار از نامنظمی در پلان :
تقریبا میتوانیم بگوییم هیچ پلان معماری به صورت کامل منظم نمیباشد و لازم است ما طراحان سازه ای راهکار هایی را بدانیم که از دست نامنظمی هندسی که در اثر پس رفتگی بزرگ ایجاد میشود ، فرار کنیم !
- اولین و ساده ترین راه حل ایجاد درز انقطاع (فاصله ای در میان دو ساختمان ایجاد کننده نامنظمی ) در محل گوشه داخلی پس رفتگی است، بطوری که سازه ی اولیه که نامنظمی بوده است به سازههای منظم کوچک تر تبدیل شود.
- روش دیگر که به کمک آن میتوانیم نامنظمی موجود در برخی از پلان ها را برطرف کینم ، انجام کار های ابتکاری در گوشه داخلی تو رفتگی میباشد.این کار ها و ابتکارات ما باید به گونه ای انجانم شود که در نهایت منجر به کاهش تمرکز تنش شود. به عنوان ساده‌ترین کار می‌توان دو وجه سازه در گوشه‌ی مذکور را با استفاده از تیرهای رابط به یکدیگرمتصل کنیم. ایده اصلی این کار این کار مانند گُرده (ماهیچه) ی ایجاد شده در محل اتصال جان به بال در مقاطع فولادی I شکل یا ناودانی نورد شده است که تمرکز تنش در گوشه ها را کاهش میدهد.
تاثیر نامنظمی هندسی پلان در پارامترهای طراحی لرزه ای :
تا اینجای کار با بسیاری از نکات حرفه ای در مورد نامنظمی هندسی اشنا شدیم اما الان فرصت به آن رسیده است که در مورد مهمترین مسئله صحبت کنیم.به نظر شما این نامنظمی ها در روند طراحی و پارامتر های طراحی چه تاثیری میگذارند؟
سازه ما چه مقدار سنگین تر میشود؟
عملکرد قاب های خمشی در سازه هایی که دارای نامنظمی هندسی میباشند به چه شکل است؟
در هنگام زلزله های شدید به دلیل تغییر شکل های زیاد سازه و وارد شدن به حوزه ی غیرخطی، سازه باید توانایی تحمل تغییر شکل های زیادی را داشته باشد.در اکثر طراحی های متداول، سازه ها برای تغییرشکل در حوزه ی خطی طراحی می شوند ، به همین منظور در آیین نامه ها برای درنظر گرفتن تاثیر حوزه ی غیرخطی ، پارامترهای طراحی لرزه ای در نظر گرفته می شود.
مشاهده کامل این قسمت تنها برای اعضای الماسی شهر نوین عمران ومعماری امکان پذیر میباشد.چنانچه عضو الماسی نیستید دکمه مربوط به دانلود مقاله را مشاهده نمیکنید!همچنین از طریق دکمه زیر میتوانید متوجه شوید که اعضای الماسی از چه مزایایی بهره مند میشوند!
