مقاله تحلیلی: طراحی عملکردی سازه بر مبنای بار باد

با تهیه پیش‌نویس نسخه‌ای از استاندارد (ASCE/SEI) در خصوص طراحی عملکردی سازه بر مبنای بار باد (PBWD) که در آگوست 2019 انتشار یافت، صنعت ساختمان اولین گام را در راستای اجرای تکنیک مهندسی سازه برداشت که شباهت آن به روش طراحی عملکردی ناشی از نیروهای لرزه‌ای (‏PBSD‏) برای ساختمان‌هایی که تحت اثر خطرات محیطی همچون ‏باد قرار دارند، مورد تصدیق قرار گرفت. رئوس مطالب اصلی این پیش‌نویس، روشی جایگزین و جامع برای طراحی ساختمان در برابر باد ارائه می‌کند که به ارزیابی صریح عملکردی رفتار سازه تحت بار باد بحرانی، دریفت ساختمان و همچنین آسایش و راحتی ساکنین و کاربران آن می‌پردازد. استفاده از این روش بالاترین درجه اهمیت را برای طراحی ساختمان‌های بلندمرتبه مانند برج‌ها در بر خواهد داشت، به‌ویژه در مناطقی با خطر لرزه‌ای خیلی زیاد که در آن اثر لرزه‌ای و همچنین اثر باد توأماً در کنترل نیازهای جانبی سازه باید مدنظر قرار بگیرند.

 بااینکه روش ‏PBSD‏ بیش از 25 سال است که در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما همچنان اقدام به توسعه ‏تکنیک‌هایی مشابه برای طراحی ساختمان‌ها تحت اثر باد، به تعویق افتاده و دچار تأخیر شده است. علل این تأخیر، ‏نگرانی‌های بسیاری است که در خصوص مواردی از قبیل مدت‌زمان و جهت بارگذاری، خستگی عناصر سازه‌ای، روش‌های محاسباتی، تکنیک‌های تونل باد و پاسخ دینامیکی سازه وجود دارد. این پیش‌نویس باهدف پاسخ به چنین نگرانی‌هایی ‏تهیه شده است و مسیری را برای اجرای طراحی به روش ‏PBWD‏ ترسیم می‌نماید.‏

پیش‌نویس استاندارد ASCE/SEI

این پیش‌نویس به‌منظور طراحی بر مبنای عملکرد باد، روش جایگزینی را برای دستورالعمل‌های طراحی تحت اثر باد که در استاندارد ملی ASCE/SEI ASCE 7 مشخص و تصویب‌شده، تجویز می‌کند. پیش‌نویس مذکور، باهدف اجرایی بودن برای سهولت دستیابی به پاسخ‌های معنادار رفتار ساختمان و یا تأسیسات مربوط به آن و همچنین ایجاد آسایش و راحتی برای کاربران، مالکان و یا سرنشینان آن سازه مورد تدوین قرار گرفته است. 

این اهداف، محدوده‌های وسیعی را پوشش می‌دهد که از سطوح راحتی برای سرنشینان ساختمان (تشخیص ناامنی در اثر حرکت‌های ساختمان) گرفته تا محدوده خدمت‌رسانی و بهره‌برداری (دریفت و حرکت سازه) و همچنین تا سطوح ایمنی و مقاومتی سازه (مقاومت سازه، پتانسیل خرابی، استحکام، ثبات و پایداری سازه) است. طراحان و ذینفعان یک ساختمان ممکن است هر یک از این تکنیک‌های ویژه طراحی را برای تعیین و نشان دادن عملکردهای قابل‌قبول بر طبق اهداف مختلفی که ساختمان برای آن طراحی می‌شود، بکار بگیرند.

این پیش‌نویس تصدیق می‌کند که ارزیابی جزئی و دقیق پاسخ سازه، نیازمند درک دقیق از شرایط باد است؛ بنابراین تحلیل و آنالیز یک ساختمان و طراحی آن، با استناد به تست تونل باد برای تعیین بارهای سازه‌ای صورت می‌پذیرد. این بارها سپس توسط طراح بر اساس یکی از سه روش تحلیل تاریخچه زمانی پاسخ خطی یا غیرخطی بررسی و ارزیابی می‌شود. این سه روش به طراحان این امکان را می‌دهد که از بین طیف با سطوح پایین و متوسط تحلیل تا طیف با سطوح پیچیده برای آنالیز بتوانند انتخاب کنند.

روش اول

این روش نیازمند یک ارزیابی تاریخچه پاسخ خطی از بارهای باد است. این تحلیل با استفاده از پلتفرم‌های آنالیز موجود و در دسترس انجام می‌شود. این پیش‌نویس، مجموعه‌ای از معیارهای قابل‌قبول برای عناصر و سیستم‌های سازه‌ای باهدف تولید خروجی تحلیل خطی را شامل می‌شود. اگر این تحلیل خطی حاکی از افزایش نرخ تقاضا به ظرفیت باشد، همان‌گونه که در پیش‌نویس این استاندارد بیان شده، ممکن است لازم باشد که طراح، تحلیل غیرخطی را برای سازه انجام دهد. در این روش، طراح به سطوح محدودی از غیر الاستیسیته بودن در اعضای سازه‌ای خاص محدود می‌شود.

روش دوم

دومین روش به‌طور مستقیم به ارزیابی تطابق قابلیت اطمینان سازه باقابلیت اطمینان موردنظر در فصل یک از ASCE 7 می‌پردازد. ارزیابی قابلیت اطمینان نیازمند یک تحلیل دینامیکی افزایشی غیرخطی از پاسخ سازه‌ای به‌عنوان داده‌های ورودی است؛ سپس یافته‌های حاصل از این تحلیل، با مودهای اولیه شکست بحرانی برای آن سازه خاص مقایسه می‌شوند. طراح پس‌ازآن می‌تواند نتایج قابلیت اطمینان سیستم سازه‌ای را متناسب با اهداف تعیین شده در استاندارد ASCE 7 مشخص نماید. در این روش، طراح آزادی عمل قابل‌توجهی برای تشخیص و تعیین عملکرد قابل‌قبول سازه در بین اعضای سازه‌ای الاستیک و غیر الاستیک دارد.

روش سوم

روش سوم، همانند روش دوم مستقیماً به ارزیابی قابلیت اطمینان یک سازه می‌پردازد اما به‌جای استفاده از آنالیز غیرخطی سیستم، مستقیماً از ترکیب بارهای تاریخچه زمانی باد و عدم قطعیت‌ها در بار و مقاومت سازه استفاده می‌شود. حجم بالای محاسبات این روش را می‌توان با استفاده از تحلیل فروپاشی سازه (Shakedown Analysis)، کاهش داد که این امر اخیراً به نقطه قوتی برای عملیاتی و کاربردی شدن آن بدل شده است. تحلیل فروپاشی یک سازه، قابلیت اطمینان و اعتماد آن را به‌طور مستقیم از طریق شبیه‌سازی پاسخ سازه به روش مونت‌کارلو (Monte Carlo) تعیین می‌کند؛ بنابراین یافته‌های حاصل از روش سوم را می‌توان باقابلیت اطمینان موردنظر یعنی بر طبق الزامات ASCE 7، مورد مقایسه قرار داد. با استفاده از این روش، طراح دارای بیشترین آزادی عمل برای تشخیص و تعیین عملکرد قابل‌قبول در سازه است.

در هر یک از روش‌های مذکور مجموعه‌ای از اهداف عملکردی سیستم سازه‌ای و عناصر آن، برای ارزیابی یافته‌های حاصل از این تحلیل تدارک دیده شده است. چنانچه عملکرد آن ساختمان مورد قبول باشد، طراحی حاصل‌شده برای بررسی طبق مفاد طراحی جایگزین در فصل یک از استاندارد ASCE 7 به یک مرجع بررسی صلاحیت ارجاع داده می‌شود (شکل 2).

بعلاوه، با توجه به اینکه بخش قابل‌توجهی از خسارات ناشی از باد بر ساختمان‌های بلندمرتبه ناشی از برخورد باران به‌واسطه نیروی باد بر نمای ساختمان‌ها است، این پیش‌نویس مواردی را به‌طور خاص برای تقویت و بهبود عملکرد نمای این ساختمان‌ها در نظر گرفته است.

طراحی ساختمان‌های بلندمرتبه

از این پیش‌نویس می‌توان در تیپ‌های مختلفی از ساختمان با ارتفاع‌های متفاوت استفاده کرد اما بیشترین کاربرد آن معطوف به ساختمان‌های بلندمرتبه ایست که پاسخ دینامیکی و خمشی سازه در آن‌ها تعیین‌کننده است. این شیوه را می‌توان برای طراحی انواع مختلف سیستم‌های اصلی سازه‌ای مقاوم در برابر نیروی باد (MWFRS) که از مصالح مختلف ساخته شده‌اند، استفاده نمود. با به‌کارگیری تکنیک‌های پیشرفته طراحی همچون روش MWFRS، می‌توان برای بیش از یک‌سوم از سازه‌های بلندمرتبه، مواد و مصالح بکار رفته در ساختمان را بهینه کرد.

در پیش‌نویس مذکور، روندی تعیین شده تا از اه-داف عملکردی موردنظر با توجه به سه عامل احساس امنیت و آسایش کاربران ساختمان، اهداف عملکردی و مقاومت سازه اطمینان حاصل شود. باوجوداینکه که اغلب آیین‌نامه‌ها و استانداردهای مربوط به طراحی ساختمان نیازی به انجام آزمایش تونل باد و یا تأمین و تائید معیارهای خدمت‌رسانی سازه نمی‌بینند، استفاده از PBWD به طراحان، ذینفعان و کاربران این اجازه را می‌دهد تا دقیق‌تر رفتار ساختمان را درک و ارزیابی کنند و تدابیر و اقداماتی برای اصلاح رفتار آن انجام دهند.

بهینه نمودن مقاومت یک سازه، روشی مناسب در عناصر شکل‌پذیر است که باعث توزیع مناسب انرژی سازه و همچنین باز توزیع نیروها خواهد شد. این کار با بهره‌گیری از مقاومت ذاتی مصالح و محدود کردن نقطه تسلیم اعضا انجام می‌شود. پیش‌نویس مذکور، این مورد را با استفاده از مقاومت‌های مورد انتظار مصالح و نسبت تقاضا به ظرفیت مصالح (DCR) برابر با 1.25 یا 1.5، بسته به روش مورد استفاده قابل‌دستیابی می‌داند.

روش ۱ که در بالا توضیح داده شد، ساده‌ترین روش بوده و شباهت زیادی به روش طراحی لرزه‌ای برحسب عملکرد PBSD دارد که معیارهای آن در دستورالعمل طراحی سازه‌های بلندمرتبه پیر (PEER) بیان شده است. مراحل و گام‌های لازم در روش ۱ به شرح زیر است:

1. انجام آزمایش تونل باد برای تعیین ویژگی‌های ساختمان تحت نیروهای باد وارده
2. دسته‌بندی عناصر سازه بر اساس تغییرشکل-کنترل (انعطاف‌پذیر) یا نیرو-کنترل (شکننده)
3. تکمیل طراحی اولیه MWFRS بر مبنای نتایج حاصل از مطالعه تونل باد، با اعمال معیارهای پیشرفته طراحی برای کنترل اعضا بر مبنای تغییر شکل
4. بازبینی پاسخ عناصر سازه‌ای تحت تأثیر رکوردهای تاریخچه زمانی باد
5. در صورت لزوم، انجام تحلیل تاریخچه پاسخ غیرخطی به‌منظور تائید اعضایی که مطابق با معیارهای قابل‌قبول هستند

علی‌رغم اینکه روش ۱ دارای فرایندی مستقیم است اما به‌طور قابل‌توجهی فراتر از روش‌های متعارف است خصوصاً که با اعمال تاریخچه زمانی باد و تحلیل تاریخچه زمانی پاسخ غیرخطی انجام می‌شود.

روش‌های متداول برای محاسبه نیروهای اعضای یک سازه، شامل اعمال مجموعه‌ای از بارهای استاتیکی باد است که در ارتفاع ساختمان تحت یک مدل تحلیلی الاستیک خطی توزیع شده‌اند. در روش PBWD، نیروهای اعضا، توسط مجموعه‌ای از بارهایی که در جهات مختلف باد تعیین می‌گردند و همچنین در اثر اعمال یک تحلیل تاریخچه پاسخ مربوطه به دست می‌آیند. سپس پاسخ دینامیکی سازه، با توجه به جرم سازه و سختی آن، مستقیماً توسط مدل تحلیلی مربوطه به دست می‌آید. پاسخ کلی سازه، منوط به یک تحلیل تاریخچه زمانی خطی است که باید با بارگذاری استاتیکی آزمایش تونل باد، تطابق داشته باشد (شکل 4). چنانچه همخوانی بین نتایج برقرار نباشند، لازم است تمهیدات بیشتری در ورودی داده‌ها و جزئیات در مدل تحلیلی پاسخ تاریخچه زمانی مدنظر قرار بگیرد.

برای به دست آوردن پوش کامل پاسخ تمامی مؤلفه‌های MWFRS در تحلیل پاسخ تاریخچه‌ای باید جهات اعمال بار باد به‌طور کافی مدنظر قرار بگیرد. باید حداقل ترکیبات بار باد اعمالی برای تأمین حداقل نیاز (تحلیل) در چهار حالت واژگونی، (Mx+ My+, Mx+ My-, Mx- My-, Mx- My+) انتخاب گردد.

وقتی طراحی اولیه توسط نتایج حاصل از تحلیل تاریخچه زمانی خطی پاسخ ارزیابی می‌شود و همچنین مقدار DCR در اعضا فراتر از 1.0 برود، باید یک تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی پاسخ انجام شود تا پاسخ‌ها طبق معیارهای قابل‌قبول مورد تائید قرار گیرند. ساخت چنین مدل پیچیده‌ای نیازمند تکنیک‌ها و روش‌های پیشرفته مدل‌سازی است تا بتوان به عملکرد غیرخطی و تسلیم هر کدام از اجزای سازه‌ای مانند تیرهای همبند، خمش دیوار برشی و یا سایر عناصر تغییرشکل-کنترل، دست یافت.

با استفاده از یک مدل غیرخطی صحت سنجی شده، رفتار دینامیکی سازه باید نسبت به‌سختی متغیر اعضای در حال تسلیم و همچنین باز توزیع نیروهای آن‌ها پاسخگو باشد. با توجه به اینکه این تحلیل مستقیماً رفتار دینامیکی را مورد هدف قرار می‌دهد، پیش‌نویس مذکور، اجرای هوشمندانه‌تر سیستم‌های میرایی مکمل را برای حالات تغییرمکان-کنترل همانند حالات نیرو-کنترل مجاز می‌داند. توجه دقیق به خصوصیت‌هایی همچون قابلیت اطمینانی و ایمنی، درجه نامعینی و میرا بودن این‌گونه سیستم‌های سازه‌ای، برای اطمینان از عملکرد هدفمند آن‌ها بسیار حائز اهمیت است.

قسمت مهم انگیزه ایجادشده در طراحی ساختمان‌های بلندمرتبه به روش PBWD مربوط می‌شد به مناطق با خطر لرزه‌ای خیلی زیاد و جاهایی که کنترل اثر باد در طراحی اعضای اصلی سازه مورد نیاز است. اصول طراحی لرزه‌ای یک سازه تا حد زیادی به نحوه استهلاک انرژی ناشی از تسلیم در اعضای شکل‌پذیر (تغییر شکل - کنترل) وابسته است. هنگامی‌که این عناصر با مقاومت و سختی بیشتری در برابر نیروهای ناشی از باد ساخته می‌شوند، تمایل به استهلاک انرژی کمتری در هنگام زلزله از خود نشان می‌دهند. این مورد باعث می‌شود که اعضای شکننده (نیرو-کنترل) در سازه، نیازمند مقاومت بیشتری از آنچه دارند باشند. اعمال روش PBWD در طراحی، می‌تواند موجب اصلاح این نقیصه گردد و رویکردهای طراحی در مقابل باد و زلزله را بهبود بخشد.

نتیجه‌گیری

مهم‌ترین پیشرفت‌های روش PBWD، کاربرد روش‌های مذکور در طراحی ساختمان‌ها به‌گونه‌ای است که به واقعیت نزدیک‌تر باشد. مشابه روش طراحی عملکردی لرزه‌ای، طراحی‌های اولیه نیز نیازمند تفکر خلاقانه و خارج از چهارچوب و همچنین وجود همکاری مهندسین سازه، مهندسین باد، مالکان و سازمان مربوطه خواهد بود. چاپ و انتشار این پیش استاندارد برای طراحی عملکردی سازه بر مبنای بار باد، تنها یک آغاز محسوب می‌شود و قطعاً اطلاعات بسیار بیشتری در ماه‌ها و سال‌های پیش رو در خصوص نحوه رفتار و پاسخ ساختمان‌های بلندمرتبه در مقابل باد، کسب خواهد گردید.

 منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.