بررسی اثر زلزله در طراحی سوله ها، به دلیل ویژگی‌های ساختاری متمایزشان، چالش‌های منحصربه‌فردی را به همراه دارد.
سوله‌ها برخلاف ساختمان‌های تجاری یا مسکونی چندطبقه، معمولاً دارای دهانه‌های بزرگ و شفاف، سیستم‌های سقف نسبتاً سبک و اغلب یک دیافراگم انعطاف‌پذیرتر در سطح سقف هستند.
این عوامل به طور قابل توجهی بر پاسخ دینامیکی آنها به رویدادهای لرزه‌ای تأثیر می‌گذارند و تجزیه‌وتحلیل و طراحی کامل با استفاده از نرم‌افزارهای پیشرفته‌ای مانند SAP2000 را حیاتی می‌کنند.
این راهنمای جامع، فرایند زلزله در طراحی سوله ها با استفاده از SAP2000 را بررسی می‌کند و اصول اساسی، تکنیک‌های مدلسازی، روش‌های تحلیل و انطباق با آیین‌نامه را پوشش می‌دهد.
1# سوله‌ها و ویژگی‌هایشان
ساخت و ساز صنعتی که به عنوان سوله یاد می‌شوند، به برنامه‌ریزی، طراحی و ساخت تأسیسات و زیرساخت‌های متناسب با نیازهای خاص فرایندهای صنعتی، تولید یا فعالیت‌های تولیدی سنگین اشاره دارد.
این تأسیسات عموماً بزرگ و پیچیده هستند و اغلب به تکنیک‌ها و تخصص‌های تخصصی ساخت و ساز نیاز دارند و معمولاً به عنوان “انبار” یا “کارخانه” استفاده می‌شوند.
سوله‌ها معمولاً دارای نقشه‌های بزرگ و باز برای جادادن ماشین‌آلات سنگین و تجهیزات تولیدی هستند.
این سازه‌ها اغلب دارای سقف‌های بلند هستند تا امکان نصب جرثقیل‌های سقفی و سیستم‌های تهویه فراهم شود.
در طراحی و ساخت سوله‌ها، طرح‌های تخصصی برای برآوردن نیازهای خاص فرایندهای صنعتی، مانند کفپوش تقویت‌شده، مواد مقاوم در برابر مواد شیمیایی و شرایط محیطی کنترل‌شده و همچنین مواردی همچون زلزله در طراحی سوله ها به کار گرفته می‌شوند.
پروژه‌های ساخت‌وساز صنعتی اغلب به دلیل نیاز به فضا، آب و برق و تدارکات در مناطق دورافتاده یا صنعتی واقع می‌شوند.
ملاحظات زیست محیطی، مانند پهنه‌بندی، مدیریت پسماند و کنترل آلودگی، به دلیل تأثیرات بالقوه زیست‌محیطی در ساخت‌وساز صنعتی بسیار مهم هستند.
پروژه‌های ساخت‌وساز صنعتی معمولاً به دلیل خطرات احتمالی، به مجموعه‌ای پیچیده از مجوزها، از جمله مجوزهای زیست محیطی، مجوزهای ایمنی و اغلب مجوزهای نظارتی فدرال، ایالتی یا محلی نیاز دارند.
سیستم‌های خدماتی در سوله‌ها بسیار تخصصی هستند و شامل سیستم‌های الکتریکی پیچیده، سیستم‌های HVAC سنگین و شبکه‌های لوله‌کشی گسترده برای پشتیبانی از فرایندهای صنعتی می‌شوند.
ایمنی به دلیل وجود ماشین‌آلات سنگین، ولتاژهای بالا، مواد شیمیایی و مواد بالقوه خطرناک، یک نگرانی اساسی در سوله‌ها است و باید پروتکل‌های ایمنی سخت‌گیرانه‌ای برای کاهش خطرات رعایت می‌شوند.
2# زلزله در طراحی سوله ها
شکل سازه‌ای اصلی سوله‌ها اغلب از یک قاب فولادی با دهانه‌های بزرگ و شفاف تشکیل شده است که از سقف سبک‌وزن پشتیبانی می‌کند و بررسی زلزله در طراحی سوله ها به دلیل وجود تجهیزات سنگین، جرثقیل‌ها و حساسیت عملکردی، چالش‌های منحصر به فردی دارد.
SAP2000 به عنوان نرم‌افزار پیشرو در تحلیل و طراحی سازه‌ها، ابزارهای قدرتمندی برای این منظور ارائه می‌دهد.
عواملی که برای بررسی تاثیر زلزله در طراحی سوله ها باید در نظر گرفته شود، موارد زیر را شامل می‌شوند:
1-2# دوره‌های تناوب بنیادی طولانی‌تر
به دلیل انعطاف‌پذیری ذاتی و اغلب ستون‌های بلند و باریک، با توجه به بررسی زلزله در طراحی سوله ها، این سازه در مقایسه با سازه‌های صلب‌تر و چند طبقه، دوره‌های تناوب ارتعاش طبیعی طولانی‌تری دارند.
2-2# اثرات P-Delta
در جریان زلزله در سوله‌ها، اندرکنش بارهای ثقلی با انحرافات جانبی بزرگ (اثرات P-Delta) می‌تواند قابل توجه باشد و باید به طور دقیق در نظر گرفته شود.
3-2# عملکرد دیافراگم
سیستم سقف که اغلب از عرشه فلزی و تیرهای سقف تشکیل شده است، ممکن است دیافراگم صلب ایجاد نکند.
این انعطاف‌پذیری بر نحوه توزیع نیروهای جانبی بین عناصر مقاوم در برابر بارهای عمودی در زلزله تأثیر می‌گذارد.
4-2# تجهیزات تخصصی
سوله‌ها اغلب میزبان ماشین‌آلات سنگین، جرثقیل‌های سقفی و سیستم‌های لوله‌کشی پیچیده هستند که ملاحظات جرمی و دینامیکی بیشتری را مطرح می‌کنند.
تضمین ایمنی لرزه‌ای این سازه‌ها نه‌تنها برای حفاظت از جان انسان‌ها؛ بلکه برای به حداقل رساندن خسارات اقتصادی ناشی از تجهیزات آسیب‌دیده، وقفه در عملیات و هزینه‌های تعمیر، بسیار مهم است.
بررسی زلزله در طراحی سوله ها ا نیازمند درک عمیق از اصول مکانیک خاک و پی، دینامیک سازه، آیین‌نامه‌های طراحی لرزه‌ای مانند آیین‌نامه 2800 ایران، ASCE 7 ،Eurocode 8 و همچنین تسلط بر نرم‌افزارهای قدرتمند تحلیل و طراحی سازه نظیر SAP2000 است.
SAP2000 با قابلیت‌های قوی تحلیل و طراحی خود، ابزاری قدرتمند برای پرداختن به این پیچیدگی‌ها است.
3# مراحل کلی بررسی زلزله در طراحی سوله ها
امروزه SAP 2000 به عنوان یک نرم افزار پیشرو درطراحی لرزه‌ای سوله‌ها مطرح است که تمام پیچیدگی‌های این فرایند را مورد بررسی قرار می‌دهد.
در ادامه، یک گردش کار جامع در SAP2000 برای بررسی زلزله در طراحی سوله ها توضیح داده‌ایم.
مراحل کار به صورت است:
- مدلسازی هندسی: این مرحله از بررسی زلزله در طراحی سوله ها شامل طراحی کلیات سوله در نرم افزار می‌باشد.
- تعریف شبکه: ایجاد یک سیستم شبکه‌ای دقیق در SAP2000 که منعکس کننده طرح سوله باشد.
- ایجاد اعضا: ترسیم تمام عناصر سازه‌ای (ستون‌ها، تیرهای خرپا (تیرهای سقف شیب‌دار)، تیرهای سقف. (در صورت مدلسازی برای انتقال بار یا به عنوان عناصر ثانویه) و اعضای مهاربندی)
- مقاطع غیر منشوری: استفاده از مقاطع غیر منشوری برای تیرهای خرپا و ستون‌ها برای بهبود کارایی و بهینه‌سازی.
این امر به مقطع عضو اجازه می‌دهد تا در امتداد طول خود تغییر کند و با نمودارهای گشتاور خمشی متغیر مطابقت داشته باشد. - مدلسازی اتصالات: انجام مدلسازی اتصالات، به ویژه اتصالات صلب (ثابت) بین تیرهای خرپا و ستون‌ها. (مثلاً اتصالات فلنجی پیچی)
- مدلسازی سه‌بعدی: انتخاب و انجام یک مدل سه‌بعدی کامل.
این امر برای ثبت مسیرهای پیچیده بار، اثرات خارج از صفحه و برای طراحی مناسب همه عناصر مهاربندی ضروری است.
- خواص مواد و ویژگی مقاطع: در این قسمت از بررسی زلزله در طراحی سوله ها، مواد و شکل مصرف آنها مشخص می‌گردد:
- تعریف مواد: مشخص کردن خواص فولاد مورد استفاده، از جمله استحکام تسلیم (Fy) و استحکام کششی نهایی (Fu)، همراه با مدول الاستیسیته (E).
- ویژگی‌های مقاطع: تعیین ویژگی‌های هندسی و مصالح را برای تمام مقاطع اعضا.
- برنامه بارگیری: در این مرحله انواع بارهای تاثیرگذار مورد بررسی قرار می‌گیرد:
- بارهای ثقلی (بار مرده و بار زنده)
- بارهای جانبی مانند بار باد
- بار لرزه‌ای
- بهینه‌سازی تکراری: اصلاح مقاطع اعضا بر اساس بررسی‌های طراحی، تنظیم پیکربندی مهاربندها، اصلاح LFRS در صورت نیاز.
(تحلیل و طراحی را تا زمانی که تمام الزامات آیین‌نامه 2800 ایران برآورده شود و یک طراحی بهینه، اقتصادی و ایمن حاصل شود، دوباره انجام دهید.) - گزارش‌دهی: تهیه گزارش‌های جامعی از داده‌های ورودی، نتایج تحلیل و بررسی‌های طراحی.
- تولید نقشه: استفاده از طرح نهایی برای تهیه نقشه‌های ساختمانی دقیق، شامل نقشه‌های قاب‌بندی، مقاطع و جزئیات اتصال.
4# مباحث و چالش‌های پیشرفته زلزله در طراحی سوله ها
بررسی تاثیر زلزله در طراحی سوله ها، زیرمجموعه‌ای از تحلیل سازه است و محاسبه پاسخ یک سازه ساختمانی (یا غیرساختمانی) به زلزله است.
این بخشی از فرایند طراحی سازه، مهندسی زلزله یا ارزیابی و مقاوم‌سازی سازه در مناطقی است که زلزله‌خیز هستند.
همانطور که می‌دانیم، یک سازه پتانسیل «حرکت موجی» به جلو و عقب در طول زلزله (یا حتی یک طوفان شدید) را دارد که این «مد اساسی» نامیده می‌شود و کمترین فرکانس پاسخ سازه است.
با این حال، اکثر سازه‌ها دارای مدهای پاسخ بالاتری هستند که به طور منحصر به فرد در طول زلزله فعال می‌شوند.
این فقط مد دوم لرزش می‌باشد؛ اما مدهای «لرزش غیر طبیعی» بالاتری نیز وجود دارند.
با این وجود، مدهای اول و دوم در بیشتر موارد بیشترین آسیب را ایجاد می‌کنند.
در همین راستا، در نظر گرفتن آثار زلزله در طراحی سوله ها، از روزهای اولیه پیشرفت زیادی کرده است و برخی از طرح‌های پیچیده‌تر اکنون از عناصر محافظ زلزله ویژه یا فقط در فونداسیون (ایزولاسیون پایه) یا در سراسر سازه توزیع شده‌اند.
تجزیه و تحلیل این نوع سازه‌ها نیاز به کد کامپیوتری المان محدود صریح و تخصصی دارد که زمان را به برش‌های بسیار کوچک تقسیم می‌کند و فیزیک واقعی را مدلسازی می‌کند، دقیقاً مانند بازی‌های ویدیویی رایج که اغلب “موتورهای فیزیک” دارند.
سوله‌های بسیار بزرگ و پیچیده را می‌توان به این روش مدلسازی کرد.
در بررسی زلزله در طراحی سوله ها، روش‌های تحلیل سازه‌ها را می‌توان به پنج دسته زیر تقسیم کرد:
1-4# تحلیل استاتیکی معادل
این رویکرد مجموعه‌ای از نیروها را که بر یک سازه سوله وارد می‌شوند، برای نشان دادن اثر حرکت زمین در اثر زلزله تعریف می‌کند که معمولاً توسط یک طیف پاسخ طراحی لرزه‌ای تعریف می‌شود.
در این رویکرد فرض می‌شود که سازه در حالت اساسی خود پاسخ می‌دهد.
برای اینکه این امر صادق باشد، سوله باید کم ارتفاع باشد و هنگام حرکت زمین نباید به طور قابل توجهی پیچش داشته باشد.
پاسخ از طیف پاسخ طراحی، با توجه به فرکانس طبیعی سازه (که توسط آیین‌نامه ساختمان محاسبه یا تعریف شده است) خوانده می‌شود.
کاربرد این روش در بسیاری از آیین‌نامه‌های ساختمانی با اعمال ضرایبی برای در نظر گرفتن سازه‌های بلندتر با برخی از مودهای بالاتر و برای سطوح پایین پیچش، گسترش یافته است.
برای در نظر گرفتن اثرات ناشی از “تسلیم” سازه، بسیاری از آیین‌نامه‌ها ضرایب اصلاحی را اعمال می‌کنند که نیروهای طراحی را کاهش می‌دهند. (مثلاً ضرایب کاهش نیرو)
2-4# تحلیل طیف پاسخ
این رویکرد در بررسی زلزله در طراحی سوله ها، امکان در نظر گرفتن چندین حالت پاسخ یک سازه (در حوزه فرکانس) را فراهم می‌کند.
این امر در بسیاری از آیین‌نامه‌های ساختمانی برای همه سازه‌ها به جز سازه‌های بسیار ساده یا بسیار پیچیده الزامی است.
پاسخ یک سازه را می‌توان به عنوان ترکیبی از اشکال (حالت‌های) خاص بسیاری تعریف کرد که در یک رشته مرتعش با “هارمونیک‌ها” مطابقت دارند.
می‌توان از تحلیل کامپیوتری برای تعیین این حالت‌ها برای یک سازه استفاده کرد. برای هر حالت، یک پاسخ از طیف طراحی، بر اساس فرکانس مودال و جرم مودال، خوانده می‌شود و سپس آنها را ترکیب می‌کنیم تا تخمینی از پاسخ کل سازه ارائه دهیم.
در این روش، باید بزرگی نیروها را در همه جهات یعنی X ،Y و Z محاسبه کنیم و سپس اثرات آن را بر ساختمان مشاهده کنیم.
نتیجه تحلیل طیف پاسخ با استفاده از طیف پاسخ حاصل از حرکت زمین معمولاً با نتیجه‌ای که مستقیماً از تحلیل دینامیکی خطی با استفاده از همان حرکت زمین محاسبه می‌شود، متفاوت است؛ زیرا اطلاعات فاز در فرایند تولید طیف پاسخ از بین می‌رود.
در مواردی که سازه‌ها یا بیش از حد نامنظم، بیش از حد بلند یا برای جامعه‌ای که در واکنش به بلایای طبیعی فعال هستند، رویکرد طیف پاسخ دیگر مناسب نیست و اغلب تحلیل‌های پیچیده‌تری مانند تحلیل استاتیکی غیرخطی یا تحلیل دینامیکی مورد نیاز است.
3-4# تحلیل دینامیکی خطی
روش‌های استاتیکی زمانی مناسب هستند که اثرات مودهای بالاتر قابل توجه نباشند.
این امر عموماً برای سوله‌های کوتاه و منظم صادق است.
بنابراین، برای سوله‌های با ارتفاع زیاد، ساختمان‌های دارای بی‌نظمی پیچشی یا سیستم‌های غیر متعامد، یک روش دینامیکی مورد نیاز است.
در روش دینامیکی خطی، ساختمان به عنوان یک سیستم چند درجه آزادی (MDOF) با یک ماتریس سختی الاستیک خطی و یک ماتریس میرایی ویسکوز معادل مدلسازی می‌شود.
در این مرحله از بررسی زلزله در طراحی سوله ها، ورودی لرزه‌ای با استفاده از تحلیل طیفی مودال یا تحلیل تاریخچه زمانی مدلسازی می‌شود؛ اما در هر دو مورد، نیروها و جابجایی‌های داخلی مربوطه با استفاده از تحلیل الاستیک خطی تعیین می‌شوند.
در تحلیل دینامیکی خطی، پاسخ سازه به حرکت زمین در حوزه زمان محاسبه می‌شود و بنابراین تمام اطلاعات فاز حفظ می‌شود.
فقط خواص خطی فرض می‌شوند.
روش تحلیلی می‌تواند از تجزیه مودال به عنوان وسیله‌ای برای کاهش درجات آزادی در تحلیل استفاده کند.
4-4# تحلیل استاتیکی غیرخطی
به طور کلی، روش‌های خطی زمانی قابل اجرا هستند که انتظار می‌رود سازه برای سطح حرکت زمین تقریباً الاستیک باقی بماند یا زمانی که طراحی منجر به توزیع تقریباً یکنواخت پاسخ غیرخطی در سراسر سازه شود.
از آنجایی که هدف عملکرد سازه، تقاضاهای غیرالاستیک بیشتری را نشان می‌دهد، عدم قطعیت با روش‌های خطی تا حدی افزایش می‌یابد که نیاز به سطح بالایی از محافظه‌کاری در فرضیات تقاضا و معیارهای پذیرش برای جلوگیری از عملکرد ناخواسته دارد.
بنابراین، روش‌هایی که شامل تحلیل غیرالاستیک هستند می‌توانند عدم قطعیت و محافظه‌کاری را کاهش دهند.
این رویکرد همچنین به عنوان تحلیل «پوش‌اور» شناخته می‌شود.
الگویی از نیروها به یک مدل سازه‌ای که شامل خواص غیرخطی (مانند تسلیم فولاد) است، اعمال می‌شود و نیروی کل در برابر یک جابجایی مرجع رسم می‌شود تا منحنی ظرفیت تعریف شود.
سپس می‌توان آن را با یک منحنی تقاضا (معمولاً به شکل طیف پاسخ شتاب-جابجایی (ADRS)) ترکیب کرد.
5-4# تحلیل دینامیکی غیرخطی
تحلیل دینامیکی غیرخطی از ترکیب رکوردهای حرکت زمین با یک مدل سازه‌ای دقیق استفاده می‌کند، بنابراین قادر به تولید نتایجی با عدم قطعیت نسبتاً کم است.
در این مرحله از بررسی تاثیر زلزله در طراحی سوله ها، در تحلیل‌های دینامیکی غیرخطی، مدل سازه‌ای دقیق که تحت تأثیر رکورد حرکت زمین قرار می‌گیرد، تخمین‌هایی از تغییر شکل اجزا برای هر درجه آزادی در مدل تولید می‌کند و پاسخ‌های مودال با استفاده از طرح‌هایی مانند جذر مجموع مربعات ترکیب می‌شوند.
در تحلیل دینامیکی غیرخطی، خواص غیرخطی سازه به عنوان بخشی از تحلیل حوزه زمان در نظر گرفته می‌شوند.
این رویکرد دقیق‌ترین رویکرد است و توسط برخی از آیین‌نامه‌های ساختمانی برای ساختمان‌هایی با پیکربندی غیرمعمول یا با اهمیت ویژه الزامی است.
با این حال، پاسخ محاسبه‌شده می‌تواند به ویژگی‌های حرکت زمین منفرد مورد استفاده به عنوان ورودی لرزه‌ای بسیار حساس باشد.
بنابراین، برای دستیابی به تخمینی قابل اعتماد از توزیع احتمالی پاسخ سازه، چندین تحلیل با استفاده از رکوردهای مختلف حرکت زمین مورد نیاز است.
5# ملاحظات ویژه برای سوله‌ها
1-5# دیافراگم‌های انعطاف پذیر
در بررسی زلزله در طراحی سوله ها، اگر سیستم سقف (مثلاً عرشه فلزی با تیرهای مهاربندی شده) را نمی‌توان صلب فرض کرد، آن را به عنوان یک دیافراگم انعطاف‌پذیر یا نیمه صلب در SAP2000 با استفاده از المان‌های پوسته‌ای (از نوع غشایی) یا با مدلسازی صریح تیرهای مهاربندی شده و مهاربندی قطری در صفحه سقف مدل کنید.
این امر تضمین می‌کند که نیروهای جانبی بر اساس سختی نسبی آنها، و نه فقط مساحت شاخه فرعی، به LFRS عمودی توزیع شوند.
2-5# سیستم‌های جرثقیل
حرکت جرثقیل می‌تواند بارهای دینامیکی ایجاد کند.
در حالی که SAP2000 می‌تواند بارهای متحرک را برای طراحی استاتیک مدلسازی کند، تعامل آنها با رویدادهای لرزه‌ای پیچیده است.
کدهایی مانند ASCE 7 یا استانداردهای خاص جرثقیل، راهنمایی‌هایی در مورد نحوه ترکیب نیروهای ناشی از جرثقیل با نیروهای لرزه‌ای ارائه می‌دهند.
اغلب، جرثقیل‌ها طوری طراحی می‌شوند که در طول یک رویداد لرزه‌ای “قفل شوند”.
3-5# عناصر غیر سازه‌ای
روکش دیوار (پانل‌های فلزی، پرکننده‌های بنایی)، پارتیشن‌ها و تجهیزات حساس می‌توانند با قاب سازه‌ای در تعامل باشند.
وال‌پست‌ها (کمربندها) که روکش دیوار را نگه می‌دارند باید به گونه‌ای طراحی شوند که رانش طبقه را بدون انتقال نیروهای جانبی قابل توجه به قاب اصلی (مثلاً از طریق اتصالات شیاردار) جبران کنند.
نتیجه‌گیری
سازه‌های مقاوم در برابر زلزله عموماً با استفاده از روش‌های تحلیل الاستیک و مدل‌های عددی ساده شده طراحی می‌شوند.
با این حال، جای تعجب نیست که سازه‌ها در صورت قرار گرفتن در معرض زلزله، رفتار غیرالاستیک قابل توجهی را تجربه کنند.
روش‌های طراحی مبتنی بر عملکرد مدرن برای بررسی رفتار واقعی سازه‌ها در چنین شرایطی، نیاز به تحلیل سازه‌ای دقیق دارند.
پیشرفت در روش‌های محاسباتی و افزایش دسترسی به داده‌های آزمایش تجربی، امکان انجام تحلیل سازه‌ای پیشرفته را به منظور ارزیابی پاسخ سازه فراتر از محدوده الاستیک، فراهم می‌کند.
در سوله‌ها، طراحی لرزه‌ای تجهیزات به اندازه طراحی سازه اصلی اهمیت دارد.
SAP2000 با قابلیت‌های پیشرفته مدلسازی و تحلیل، ابزار ایده‌آلی برای دستیابی به طراحی ایمن و اقتصادی است.
بحث زلزله در طراحی سوله ها با استفاده از SAP2000 و برطبق استاندارد 2800 ایران، یک فرایند پیچیده اما حیاتی است که نیازمند درک جامع از رفتار سازه، آیین‌نامه‌ها و قابلیت‌های نرم‌افزاری است.
با رعایت دقیق مراحل مدلسازی، بارگذاری، تحلیل و طراحی، و توجه به ملاحظات ویژه سوله‌ها، می‌توان از ایمنی و عملکرد مناسب این سازه‌های مهم در برابر زلزله اطمینان حاصل کرد.
درباره نویسنده : معصومه آذری
نظرتون درباره این مقاله چیه؟
ما رو راهنمایی کنید تا اون رو کامل تر کنیم و نواقصش رو رفع کنیم.
توی بخش دیدگاه ها منتظر پیشنهادهای فوق العاده شما هستیم.
