چگونه از استیل در طراحی سازه های ضد زلزله استفاده می شود؟

زمین لرزه فقط یک پدیده طبیعی نیست؛ آزمونی است که در چند ثانیه، سال ها طراحی، محاسبه و اجرا را به چالش می کشد. در چنین شرایطی، آنچه یک سازه را سرپا نگه می دارد، تنها مقاومت مصالح نیست، بلکه هوشمندی در انتخاب سیستم سازه ای و شیوه طراحی لرزه ای است.

استیل یا فولاد، یکی از مهم ترین مصالح در مهندسی سازه است که در طراحی سازه های ضد زلزله نقش ویژه ای دارد. ترکیب مقاومت بالا، شکل پذیری مناسب و رفتار قابل پیش بینی باعث شده فولاد به انتخاب اول بسیاری از مهندسان در مناطق با خطر لرزه ای زیاد تبدیل شود.

طراحی ضد زلزله، به معنای ساخت سازه ای شکست ناپذیر نیست؛ بلکه هدف این است که سازه در زلزله های شدید، به جای فروریزش، به صورت کنترل شده آسیب ببیند، انرژی را جذب کند و مهم تر از همه، فرصت خروج امن برای ساکنان ایجاد شود. فولاد دقیقا در این نقطه می درخشد؛ جایی که بحث شکل پذیری، جذب انرژی و رفتار غیرخطی مطرح می شود.

سازه های ضد زلزله برای عملکرد مطمئن، نیازمند انتخاب مصالحی با کیفیت و آلیاژ مناسب هستند؛ به همین دلیل مهندسان همواره به قیمت روز فولاد آلیاژی توجه ویژه ای دارند تا بهترین گزینه را برای طراحی فراهم کنند.

ویژگی های مکانیکی استیل در برابر زلزله

مقاومت بالا در برابر تنش و کرنش

فولاد، یک ماده همگن و ایزوتروپ نسبی است که رفتار مکانیکی آن تا حد زیادی قابل مدل سازی و پیش بینی است. منحنی تنش–کرنش فولاد به مهندس سازه نشان می دهد که این مصالح، پیش از رسیدن به نقطه شکست، وارد ناحیه تسلیم می شود و در این ناحیه با کرنش های قابل توجه، تنش تقریبا ثابتی دارد.

این یعنی فولاد می تواند انرژی زیادی را با ایجاد تغییر شکل های پلاستیک جذب کند، بدون آنکه بلافاصله دچار شکست ترد شود. این خاصیت در زلزله بسیار مهم است، چون نیروهای لرزه ای ماهیت تصادفی و متغیر دارند و ما نمی توانیم تنها با افزایش مقاومت، از سازه محافظت کنیم.

در طراحی لرزه ای، معمولا سازه به گونه ای طراحی می شود که برخی اعضا (مانند تیرها در قاب خمشی یا بخش هایی از مهاربندها) عمدا وارد ناحیه غیرخطی شوند و به عنوان «فیوز انرژی» عمل کنند. فولاد به دلیل رفتار تسلیمی مشخص، برای این نقش ایده آل است.

شکل پذیری استیل و اهمیت آن در زلزله

شکل پذیری یعنی توانایی یک عضو یا سازه برای تحمل تغییر شکل های بزرگ بعد از تسلیم، بدون از دست دادن ناگهانی مقاومت. هرچه شکل پذیری بیشتر باشد، سازه می تواند در برابر زلزله های شدیدتر، بدون فروریزش کلی، انرژی بیشتری را جذب کند.

فولاد ذاتا شکل پذیر است، اما این شکل پذیری تنها به جنس مصالح وابسته نیست؛ نحوه طراحی و جزئیات اجرایی نیز بسیار مهم اند. برای مثال:

• اگر اتصالات به درستی طراحی نشوند، ممکن است اتصال قبل از عضو فولادی تسلیم شود و شکست ترد در محل اتصال رخ دهد.
• اگر کمانش موضعی مقاطع کنترل نشود، عضو فولادی پیش از آنکه ظرفیت شکل پذیری خود را نشان دهد، ناپایدار می شود.

به همین دلیل در آیین نامه ها، برای سیستم های فولادی با شکل پذیری بالا، ضوابط ویژه ای برای نسبت ابعادی مقطع، فاصله سخت کننده ها، نوع جوش و پیچ، و جزئیات ناحیه پانل بیم در قاب ها ارائه شده است. هدف، این است که رفتار سازه در زلزله، به صورت «کنترل شده» پلاستیک شود، نه «غیرمنتظره» و شکننده.

رفتار دینامیکی استیل تحت بارهای لرزه ای

در تحلیل دینامیکی سازه، جرم، سختی و میرایی سه مؤلفه اصلی هستند. سازه فولادی به دلیل وزن کمتر نسبت به سازه بتنی، معمولاً نیروی اینرسی کمتری در زمان زلزله تجربه می کند. این خود یک مزیت مهم است.

از سوی دیگر، سازه های فولادی معمولا دارای سختی مناسب و قابلیت تنظیم سختی از طریق تغییر شکل سیستم سازه ای (نوع قاب، مهاربند، سیستم مرکب) هستند. این یعنی مهندس می تواند با انتخاب شکل سیستم و مقاطع، دوره تناوب سازه را در محدوده ای قرار دهد که پاسخ لرزه ای مطلوب تری داشته باشد.

میرایی ذاتی فولاد زیاد نیست، اما با شکل پذیری و ایجاد مفاصل پلاستیک، در واقع انرژی قابل توجهی به صورت هیسترزیس در حلقه های نیرو تغییر شکل تلف می شود. این اتلاف انرژی، یکی از کلیدهای عملکرد خوب سازه فولادی در زلزله است.

در پروژه هایی که از ورق های فولادی مقاوم در برابر خوردگی استفاده می شود، بررسی قیمت ورق استنلس استیل امروز می تواند نقش مهمی در تصمیم گیری اقتصادی و فنی داشته باشد.

کاربردهای استیل در اجزای مختلف سازه ضد زلزله

استفاده در قاب های خمشی (Moment-Resisting Frames)

قاب های خمشی فولادی از تیر و ستون هایی تشکیل شده اند که اتصالات میان آنها به گونه ای طراحی می شود که بتوانند لنگر خمشی را منتقل کنند. در این سیستم، مقاومت در برابر بارهای جانبی عمدتاً از طریق خمش تیرها و ستون ها تأمین می شود.

در طراحی لرزه ای، قاب خمشی فولادی می تواند شکل پذیری بسیار بالایی داشته باشد، اگر:

• ناحیه اتصال تیر به ستون مطابق ضوابط ویژه لرزه ای، تقویت و جزئیات دهی شود
• نسبت مقاومت ستون به تیر رعایت شود تا مفصل پلاستیک در تیر تشکیل شود نه ستون
• محدودیت های کمانش موضعی و جانبی تیرها در نظر گرفته شود

در هنگام زلزله، مفاصل پلاستیک معمولا در انتهای تیرها و در برخی موارد در پای ستون ها شکل می گیرد. این مفصل ها مانند لولاهای پلاستیک عمل کرده و با دوران های بزرگ، انرژی زلزله را جذب می کنند. اگر این مفاصل به خوبی طراحی شوند، قاب خمشی می تواند بدون فروریزش، تغییر شکل های قابل توجهی را تحمل کند.

نقش استیل در مهاربندها (Bracing Systems)

مهاربندها یکی دیگر از ابزارهای قدرتمند در طراحی سازه ضد زلزله هستند. مهاربند فولادی با ایجاد مسیر مستقیم برای انتقال نیروی جانبی به فونداسیون، سختی جانبی سازه را افزایش داده و تغییر مکان نسبی طبقات را کاهش می دهد.

انواع مهاربند مانند مهاربند هم محور، خارج ازمرکز، ضربدری، K شکل و واگرا وجود دارند. در سیستم های ویژه، بعضی از این مهاربندها عمدا به گونه ای طراحی می شوند که در کشش و فشار وارد ناحیه غیرخطی شده و در طول زلزله، با کمانش و تسلیم کنترل شده، انرژی را مستهلک کنند.

استفاده از فولاد با رفتار تسلیمی مناسب و مقاومت فشاری و کششی کافی، امکان طراحی مهاربندهایی را می دهد که مانند فیوزهای سازه ای عمل کنند؛ در زلزله شدید آسیب ببینند، اما از انتقال این آسیب به دیگر اجزای حساس سازه جلوگیری کنند.

ترکیب استیل با بتن در سیستم های مرکب

سیستم های مرکب فولاد و بتن، تلاش می کنند بهترین ویژگی های هر دو مصالح را ترکیب کنند. برای مثال، ستون مرکب که شامل مقطع فولادی و بتن محصورکننده است، می تواند هم مقاومت فشاری بالای بتن را استفاده کند، هم شکل پذیری و مقاومت کششی فولاد را.

در تیرهای مرکب، دال بتنی و تیر فولادی با برش گیرها به یکدیگر متصل می شوند تا در انتقال برش و مشارکت در خمشی با هم همکاری کنند. این سیستم ها علاوه بر افزایش سختی و مقاومت، می توانند عملکرد لرزه ای را نیز بهبود دهند؛ چرا که در زلزله، عضو مرکب می تواند توزیع بهتری از تنش ها را تجربه کرده و رفتار پایدار تری نشان دهد.

برای طراحی لرزه ای سیستم های مرکب، آیین نامه ها ضوابط ویژه ای برای جزئیات برش گیرها، طول مهاری، پیوستگی بتن، و نوع مقاطع ارائه می کنند. در صورت رعایت این ضوابط، سازه مرکب می تواند یکی از گزینه های بسیار بهینه برای سازه های بلندمرتبه در مناطق لرزه خیز باشد.

روش های تحلیل و طراحی سازه های فولادی در برابر زلزله

تحلیل استاتیکی غیرخطی

تحلیل استاتیکی غیرخطی که اغلب با نام تحلیل پوش آور شناخته می شود، یکی از روش های قدرتمند برای ارزیابی عملکرد سازه های فولادی در برابر زلزله است. در این روش، سازه تحت الگوی بار جانبی معین، به صورت تدریجی تا رسیدن به نقطه فروریزش تقریبی بارگذاری می شود.

نتیجه این تحلیل، منحنی ظرفیت سازه است که رابطه بین برش پایه و جابه جایی بام را نشان می دهد. با بررسی این منحنی، مهندس می تواند:

• نقاط تشکیل مفصل های پلاستیک را شناسایی کند
• سطح عملکرد سازه را برای شدت های مختلف زلزله ارزیابی کند
• اعضای بحرانی را که نیاز به تقویت دارند مشخص کند

برای سازه های فولادی، تحلیل پوش آور ابزار بسیار خوبی است، زیرا رفتار غیرخطی مصالح فولادی و تشکیل مفاصل پلاستیک در تیرها، ستون ها و مهاربندها به خوبی در آن قابل مدل سازی است.

تحلیل دینامیکی طیفی و تاریخچه زمانی

وقتی سازه پیچیده تر است، یا نامنظمی های قابل توجه دارد، یا دقت بیشتری در ارزیابی پاسخ لرزه ای نیاز است، تحلیل دینامیکی مطرح می شود.

در تحلیل طیفی، پاسخ سازه با استفاده از طیف طرح (طیف پاسخ آیین نامه ای یا طیف زلزله واقعی) محاسبه می شود. این روش برای بسیاری از سازه های میان مرتبه و بلندمرتبه، یک راه حل متعادل بین دقت و زمان تحلیل است.

تحلیل تاریخچه زمانی، پیشرفته ترین روش تحلیل لرزه ای است که در آن، رکورد واقعی یا مصنوعی زلزله مستقیما به سازه اعمال می شود و پاسخ سازه در طول زمان محاسبه می گردد. در این تحلیل می توان:

• اثرات غیرخطی مصالح فولادی را با دقت بالاتر بررسی کرد
• رفتار اعضای بحرانی تحت توالی پالس های مختلف زلزله را مطالعه کرد
• تغییرات نیرو و جابه جایی را در طول کل رویداد لرزه ای مشاهده نمود

برای سازه های فولادی ضد زلزله، تحلیل های دینامیکی به مهندس کمک می کنند تا مطمئن شود که شکل پذیری لازم تأمین شده، مفاصل پلاستیک در نواحی مورد نظر تشکیل می شود و احتمال مکانیزم فروریزش کلی به حداقل می رسد.

استفاده از آیین نامه های بین المللی مانند AISC و Eurocode

طراحی سازه های فولادی بدون تکیه بر آیین نامه های معتبر، عملا قابل قبول نیست. آیین نامه های بین المللی مانند AISC و Eurocode، سال ها تجربه، پژوهش و درس آموخته های زلزله های گذشته را در قالب ضوابط و روابط مشخص در اختیار مهندس قرار می دهند.

این آیین نامه ها:

• سیستم های لرزه بر فولادی را طبقه بندی می کنند
• ضوابط ویژه شکل پذیری برای قاب های خمشی، مهاربندهای ویژه و سیستم های مرکب ارائه می دهند
• ضرایب رفتار، ضرایب اضافه مقاومت و الزامات تحلیل را مشخص می کنند

در کنار این آیین نامه ها، در ایران آیین نامه هایی مانند مبحث دهم مقررات ملی و آیین نامه لرزه ای ایران (۴۸۰۰ قدیم و ۲۸۰۰ جدید) نیز استفاده می شوند. ترکیب دانش آیین نامه های داخلی و بین المللی، به مهندس این امکان را می دهد که ضمن رعایت مقررات بومی، از آخرین دستاوردهای جهانی نیز بهره مند شود.

مهندسان سازه هنگام طراحی المان های کششی یا فشاری فولادی، معمولاً وضعیت بازار و قیمت میلگرد استیل امروز را نیز دنبال می کنند تا انتخابی همسو با بودجه و نیاز پروژه داشته باشند.

مقایسه سازه های فولادی و بتنی در برابر زلزله

مزایا و معایب سازه های فولادی

سازه های فولادی در برابر زلزله دارای مزایای مهمی هستند:

• وزن کمتر نسبت به سازه های بتنی، که باعث کاهش نیروی اینرسی می شود
• شکل پذیری بالا و امکان جذب انرژی زیاد
• ساخت خشک و سرعت اجرای بالا
• امکان تقویت و مقاوم سازی نسبتا ساده تر در آینده

در مقابل، چالش هایی نیز وجود دارد:

• حساسیت به حریق و نیاز به حفاظت در برابر آتش
• لزوم کنترل دقیق خوردگی و مراقبت از پوشش های محافظ
• نیاز به دقت بالا در ساخت و جوشکاری و کنترل کیفیت

اگر این چالش ها با طراحی درست و نظارت مناسب مدیریت شوند، سازه فولادی می تواند عملکرد لرزه ای بسیار مطلوبی داشته باشد.

عملکرد نسبی در زلزله های شدید

در زلزله های شدید، رفتار سازه به مرحله ای می رسد که فراتر از تحلیل خطی و حتی فراتر از مقاومت اسمی است. در این شرایط، تفاوت میان سازه فولادی و بتنی بیشتر آشکار می شود.

سازه بتنی، به خصوص اگر جزئیات آرماتورگذاری آن مطابق آیین نامه های جدید نباشد، ممکن است دچار شکست های ترد در ستون ها، برش پانچ در دال ها یا شکست برشی در دیوارهای برشی شود. این نوع شکست ها ناگهانی و با هشدار اندک رخ می دهند.

سازه فولادی، در صورت طراحی بر مبنای شکل پذیری، می تواند با تشکیل مفاصل پلاستیک در تیرها و مهاربندها، قبل از فروریزش کلی، تغییر شکل های قابل توجهی از خود نشان دهد. این تغییر شکل ها، علاوه بر جذب انرژی لرزه ای، به مهندس و ساکن ساختمان «هشدار رفتاری» می دهند؛ یعنی سازه با خم شدن و تغییر شکل، نشان می دهد که در محدوده ظرفیت خود قرار دارد.

به همین دلیل در بسیاری از کشورهایی که خطر لرزه ای بالایی دارند، سازه های فولادی یا مرکب به عنوان یکی از گزینه های اصلی برای ساختمان های بلندمرتبه و حساس انتخاب می شوند.

در سیستم های لوله ای یا اعضای دایره ای مقطع، اطلاع از قیمت لوله استیل امروز به پیمانکار کمک می کند تا برنامه ریزی دقیق تری برای تأمین مصالح و مدیریت هزینه ها انجام دهد.

نمونه های موفق استفاده از استیل در سازه های ضد زلزله

بررسی چند پروژه مهم در ژاپن یا آمریکا

ژاپن و آمریکا دو کشوری هستند که تجربه سنگینی از زلزله های ویرانگر داشته اند و در عین حال، از پیشروترین کشورها در توسعه فناوری سازه های ضد زلزله محسوب می شوند. در بسیاری از برج ها، پل ها و ساختمان های مهم این کشورها، سیستم های فولادی و مرکب به کار رفته است.

در ساختمان های بلندمرتبه توکیو و اوزاکا، ترکیبی از قاب های خمشی فولادی، مهاربندهای واگرا و سیستم های میراگر جرمی تنظیم شونده استفاده می شود تا پاسخ سازه در برابر زلزله و باد کنترل شود. در ایالات متحده، بسیاری از برج های اداری و تجاری از سیستم های فولادی ویژه با قاب خمشی و مهاربندی شکل پذیر بهره می برند که مطابق آیین نامه های سخت گیرانه لرزه ای طراحی شده اند.

درس مشترک این پروژه ها این است که فولاد به عنوان مصالح اصلی، وقتی در کنار تحلیل پیشرفته و آیین نامه دقیق قرار می گیرد، می تواند سطحی از ایمنی و عملکرد را فراهم کند که فراتر از الزامات حداقلی است.

استفاده از استیل در سازه های بلندمرتبه در ایران

در ایران نیز طی سال های اخیر، استفاده از سازه های فولادی مهندسی شده در ساختمان های میان مرتبه و بلندمرتبه افزایش یافته است. بسیاری از پروژه ها از سیستم های ترکیبی مانند قاب خمشی فولادی به همراه مهاربندهای ویژه یا سیستم های مرکب فولاد و بتن استفاده می کنند.

در شهرهای بزرگ مانند تهران، مشهد، اصفهان و تبریز، به دلیل محدودیت فضا و نیاز به ساخت وساز عمودی، انتخاب سازه های فولادی و مرکب، هم از نظر سرعت اجرا و هم از نظر عملکرد لرزه ای، گزینه ای منطقی است.

اگرچه چالش هایی مانند کنترل کیفیت جوش، نظارت بر اجرای اتصالات و رعایت دقیق آیین نامه ها همچنان جدی است، اما روند کلی به سمت استفاده حرفه ای تر از فولاد در طراحی ضد زلزله پیش می رود. ترکیب دانش مهندسی، تجربه زلزله های گذشته و استفاده از آیین نامه های به روز، می تواند آینده ای امن تر برای ساخت وساز در ایران رقم بزند.

سوالات متداول