نکاتی در تحلیل و طراحی سازه‌ها

امروزه تحلیل و طراحی سازه‌ها عمدتاً با استفاده از فناوری رایانه‌ای صورت می‌‌گیرد.

اگر چه سرعت و سهولت در تعریف مدل‌های تحلیلی و اخذ جواب می‌‌تواند فرصت کنترل و بررسی جواب‌ها را محدود نماید، معهذا با توجه نمودن به نکات ذکر شده در این مقاله در جهت کسب اطمینان از درستی و مناسب و بجا بودن اطلاعات ورودی سازنده مدل و روش تحلیلی بکار گرفته شده، می‌‌توان از بروز خطاهایی که به‌راحتی پیش می‌‌آید اجتناب نمود.

البته خطاهای بنیادی ناشی از قضاوت نامناسب مهندسی و تعبیر نامناسب واقعیت‌های فیزیکی سازه‌ای (واقعی) خارج از شمول بحث این مقاله است.

1 - نرم‌افزارهای مورد استفاده

برای یک سازه‌ی "معمولی" استفاده از نرم‌افزارهایی مثل برنامه‌های ETABS ،STAAD.Pro و SAP مناسب و کافی می‌‌باشد. بعضی از نرم‌افزارها مثل ANSYS امکانات بیشتری داشته و در عین حال سنگین‌تر می‌‌باشد.

به‌لحاظ کاربری، نرم‌افزار ETABS برای یک ساختمان مسکونی (یا اداری، تجاری) قابل استفاده‌تر است. در صورتی که نرم‌افزاری مثل SAP برای تحلیل سازه‌های متنوع‌تری می‌‌تواند مفید باشد. به هر حال چون اصول و مبانی مورد استفاده در این نرم‌افزارها یکسان می‌‌باشد، علیرغم ظاهر متفاوت، در صورتی که کاربرد خاصی را پوشش دهند، با هم فرقی نخواهند داشت.

قبل از کاربری یک نرم‌افزار، باید با ویژگی‌های آن آشنا شد. در این مورد هدف اصلی از آشنایی، این نیست که به سرعت مدل ساخت و تحلیل نمود (گرچه چنین تسلطی نیز مفید است) بلکه منظور از آشنایی با یک نرم‌افزار عبارت است از آشنایی با اصول و مبانی بکار رفته در هر دستوری از نرم‌افزار.

لازم است روش‌های تحلیلی مورد نظر ابتدا در مورد چند مثال ساده امتحان شده و پس از کسب آشنایی با روش، شرایط تکیه‌گاهی ...، نوع بارگذاری، حالات بارگذاری... در مورد سازه‌های (پیچیده) بکار رود. برای مثال‌های حل شده می‌‌توان از مراجع مختلف تحلیل سازه‌ها کمک گرفت.

در ضمن دستور کمک و راهنما (Help) که در آن کلیه‌ی دستورات برنامه شرح داده شده است، به‌طور معمول دارای پرونده‌ها و پوشه‌های زیر است:

• مثال‌هایی (Examples) از نحوه‌ی شروع کار با نرم‌افزار (برای مبتدیان)، امکانات مختلف نرم‌افزار مثل انواع تحلیل‌های استاتیکی، دینامیکی، بارهای فزاینده و...
• مثال‌های تأیید نرم‌افزار (Verification Examples) که جواب‌های مثال‌های خاصی از مراجع مختلف برگرفته و با جواب‌های مدل نظیر نرم‌افزار مقایسه شده است.
• مراجع نظری و یا استانداردهای مورد استناد نرم‌افزارها (گاهی بعضی از این مراجع نیز پیوست نرم‌افزار است).         

2- پیش فرض‌های نرم‌افزارها

هر نرم‌افزاری در موارد متعددی برمبنای پیش فرض‌هایی کار می‌‌کند که این پیش فرض‌ها (یا موارد قرارداری اولیه) بیشتر برمبنای عرف و عادت رایج مهندسان کشور تهیه‌کننده‌ی نرم‌افزار، انتخاب شده است. برای نمونه نرم‌افزار SAP در مصالح فولادی مبنای فولاد قراردادی و یا پیش فرض را A36 که تا حدودی قوی‌تر از فولاد (S235JR (ST37-2 می‌‌باشد منظور نموده است و کاربر باید از این فرض آگاه باشد.

در مثالی دیگر، در طراحی اعضاء یک سازه‌ی اسکلتی، نرم‌افزار، پارامترهای طراحی را به‌صورت ترکیبی از پیش فرض‌ها و داده‌های مدل در نظر گرفته و به نسبت تنش می‌‌رسد، در طراحی یک عضو، متغیرهای متعددی دخیل می‌‌باشد، همچون طول عضو (ضریب طول موثر...) طول آزاد بال فشاری و... طراح باید از تک‌تک متغیرها آگاه باشد.

مثلاً ممکن است در شرایطی برای تیر داخل یک کف، در جایی که بال فشاری آن مقید است نرم‌افزار هیچ‌گونه قید جانبی منظور ننماید و یا مثلاً در شبیه‌سازی یک تیر لانه زنبوری، متغیرهای طراحی مناسب فرض شده است یا خیر؟

3- تغییر شکل‌ها و تعادل نیروها

تعادل نیروهای وارد به سازه در شرایط مختلف، با استفاده از واکنش‌های تکیه‌گاهی، همیشه باید مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد. چنین تعادلی به سادگی می‌‌تواند بهم بخورد (در واقع در روش تحلیل، تعادل همواره برقرار است ولی شرایطی غیر از شرایط مورد نظر می‌‌تواند ایجاد شود) و این حالت می‌‌تواند اثرات سویی داشته باشد.

در بررسی تعادل نیروها باید دقت داشت که بسیاری از نرم‌افزارها، واکنش‌های مربوط به انواع متفاوت تکیه‌گاه‌ها (مثلاً بدون نشست و تکیه‌گاه‌های فنری) را در یک صفحه (پنجره‌ی) واحد نشان نمی‌دهد و باید به این نکته توجه نموده و جداگانه مقدار هر یک و یا جمع آنها را دید.

در عین حال به تغییر شکل‌های سازه نیز باید توجه کافی داشت. از طرف دیگر حدود تغییر شکل و حدود نیرو، هر دو، مهم است.

4- کف‌های صلب و نیمه صلب

با امکانات نرم‌افزاری و سخت‌افزاری امروز به تعریف کف‌های صلب طبق تعریف آیین‌نامه‌ی 2800 و یا بررسی نیمه صلب بودن آن نیازی نیست. به‌راحتی می‌‌توان کف‌ها را با بریدگی‌ها و شکل‌های هندسی خاص خود در نظر گرفت.

در این شبیه‌‌سازی به ابعاد و جهت تیرریزی‌ها و ضخامت دال (بتنی) روی تیرها باید توجه نمود. در یک مدل سه بعدی تغییر جهت تیرریزی، روی پخش بار (استاتیکی) و روی پخش جرم، که در تحلیل دینامیکی مورد استفاده قرار می‌‌گیرد تأثیر خواهد داشت. به این ترتیب در مدل سه بعدی خروج از محوری‌ها را، به‌صورت واقعی‌تری، می‌‌توان منظور نمود.

5- اجزای سازه‌ای مدل

چه اجزایی از سازه را باید در مدل منظور نمود؟ امکانات نرم‌افزاری و سخت‌افزاری، امروزه، بسیاری از محدودیت‌ها را از بین برده است. بنابراین شاید این تصور پیش آید که هر چه اجزای سازه‌ای بیشتر و یا حالت‌های بارگذاری بیشتر و... یا رفتارهای سازه‌ای پیچیده‌تری منظور شود بهتر خواهد بود.

پیچیدگی مدل نباید چنان شود که اجزای فرعی بر اجزای اصلی سایه افکنده، مدل از کننترل خارج شده و امکان نتیجه‌گیرری روشن تحلیل، خدشه‌دار شود. ممکن است در یک مدل‌سازی تحقیقاتی و یا بررسی‌های خاص، مدل‌های پیچیده‌ای در نظر گرفته شود ولی معمول پروژه‌های عادی نیست. چنانچه لازم باشد می‌‌توان از رده‌های متفاوتی از مدل‌ها استفاده نمود.

6- بررسی مدل

مدل باید تحت کنترل تحلیل‌گر باشد و به‌عبارت دیگر جنبه‌های مختلف مدل (که بهتر است به‌صورت نوشته/ سیاهه/ چک لیست “Check list” باشد) همچون هندسه، میزان بارها، حالات بارگذاری، تکیه‌گاهها (انواع و محل آنها)، و... کنترل شود.

به همین صورت جواب‌های مدل (خروجی‌ها) به‌صورت کامل باید بازبینی شود. بعضی از اشکالات را به سادگی می‌‌توان از تصاویر اولیه‌ی سازه و یا از تصاویر بعد از تحلیل (تغییر شکل یافته) دید. مثلاً اینکه، آیا تکیه‌گاهها سرجای خود قرار دارند و یا اعضا به هم متصل شده است یا خیر.

ولی علاوه بر این اشکالات ظاهری، اشکالاتی نیز در تحلیل می‌‌تواند بروز نماید که از نوع "نهفته" است و با نگاهی سطحی نمی‌توان به وجود آنها پی‌برد. باید توجه شود که در بسیاری از موارد، این نوع اشکالات تأثیرگذاری جدی در جواب‌ها دارد.

7- بررسی حساسیت‌ها

اگر چنانچه برخی از فرضیه‌های محاسبه، شفاف نباشد و به دلایل مختلفی مقادیر آنها امکان تغییر یابد، باید به جای اینکه تحلیل فقط برای میزان مشخص و معینی از متغیرها انجام یابد، برای محدود محتملی از آنها صورت پذیرد. برای مثال، اگر سازه‌ای نسبت به نشست یک یا چند تکیه‌گاه حساس باشد، در آن مورد لازم است تحلیل حساسیت صورت گیرد تا از پیامدهای ناشی از میزان متفاوت نشست آگاه شد.

یا مثالی دیگر، فرض تکیه‌گاه گیردار کامل و یا مفصلی کامل (که اغلب موارد به‌صورت ایده‌آل وجود خارجی ندارند) باعث ازدیاد نیروهای داخلی اعضا (و کمانش و یا کشش زیادی آنها) به‌ویژه در بارهایی مثل بارهای حرارتی و یا در مقابل حالت‌های بارگذاری زلزله خواهد شد، درصورتی که اگر، رهاسازی حتی جزیی تکیه‌گاهی نیز منظور شود، میزان تغییر شکل‌ها، نیروها و واکنش‌های تکیه‌گاهی تغییرات منطقی‌تر خواهد داشت.

8- تحلیل با آخرین تغییرات

گاهی بر مبنای جواب‌های به‌دست آمده از تحلیل‌های (ابتدایی)، تحلیل‌گر تغییراتی در سازه اعمال می‌‌نماید.

برای مثال مقاطع اعضا سبک و یا سنگین می‌‌شود و.... اعمال چنین تغییراتی باعث تغییر شکل و یا در حا لت کلی تغییر نیروی اجزا می‌‌شود. بنابراین لازم است پس از انجام تغییرات (جدی)، تحلیل دوباره‌ای از مدل صورت گیرد.

9- مستندسازی تحلیل

کارکرد منظم و مستندسازی باید از اهم ویژگی‌های لازم یک تحلیل و یک تحلیل‌گر باشد. با انجام مستندسازی یک تحلیل و به‌ویژه انجام آن طبق یک روال و دستورالعمل جامع مشخص و معین از پیش تعیین شده (Check list)، به جرأت می‌‌توان گفت که، در یک سازه متعارف، امکان بروز اشکال در تحلیل محو خواهد شد.

این مستندات باید شامل اطلاعاتی از قبیل اسم تحلیل‌گر (و یا تحلیل‌گران)، مشخصات (شماره و تاریخ انتشار) نرم‌افزار ... و تاریخ انجام آخرین تغییرات در مدل... باشد. لازم است، پس از تأیید مدل، نسبت به "قفل نمودن" و یا "منجمدسازی" مدل اقدام شود و برای مثال در وسایل "فقط خواندنی- غیرقابل بازنویسی" حفظ شود.

10- بازتاب تحلیل در نقشه‌ها

هدف نهایی بسیاری از تحلیل‌ها عبارت از اجرای سازه‌ی مدل است، و این کار از طریق نقشه‌ها به مهندس مجری می‌‌رسد. لازم است نقشه‌های (سازه‌ای) با فرضیه‌های مدل و جواب‌های مدل مقایسه گردیده و اطمینان حاصل شود که، ویژگی‌های اساسی مدل در آن بازتاب یافته و دچار خدشه نشده باشد.

گرچه در نقشه‌ها به تحلیل (شماره و تاریخ مستندات تحلیل) فعلاً اشاره نمی‌شود ولی، انجام این امر بسیار مفید خواهد بود و حداقل لازم است این کار روی نسخه‌ی (شخصی) سخت‌افزاری و یا نرم‌افزاری مهندس طراح، منعکس گردد.

11- ارائه‌ی مدل و جواب‌های تحلیل

جواب‌های کامل یک تحلیل (سازه‌ای) رایانه‌ای، برای یک سازه نه چندان پیچیده به راحتی به چند صد صفحه خواهد رسید. ارائه‌ی چاپی کامل چنین جواب‌هایی چندان مفید نبوده و باعث اتلاف وقت (و اتلاف کاغذ و مضر به محیط‌زیست!) خواهد شد. در صورت نیاز به ارائه‌ی کل جواب‌ها نیز، می‌‌توان آنها را به‌صورت نرم‌افزاری ارائه داد.

در حالت کلی ارائه‌ی مدل و جواب‌های تحلیل باید طبق یک استاندارد و الگوی مشخص و معین باشد. در این مورد روش‌های زیر پیشنهاد می‌‌شود:

• ارائه مدل تحلیلی نرم‌افزاری؛ از محاسن این روش این است که همه‌ی کلیات و جزییات مدل قابل دسترسی خواهد بود و از اشکالات آنکه، در صورت در دسترس نبودن آن نرم‌افزار و یا انتشار خاصی که تحلیل با آن انجام گرفته است، باز کردن مدل ممکن نخواهد بود، در ضمن آشنایی به نرم‌افزار نیز لازم ا ست.
• ارائه فرضیه‌ها و جواب‌های کلیدی؛ از محاسن این روش وقت‌بر نبودن آن، لازم بودن آشنایی فرد (بیننده‌ی جواب‌ها) با اصول مهندسی سازه و اصول تحلیل است. از شرایط کافی بودن این روش، تعریف دقیق و مناسب "جواب‌ها و فرضیه‌های کلیدی" می‌‌باشد.

جواب‌ها بهتر است به‌صورت ترکیبی، توضیحاتی از نمودارها، تصاویر دوبعدی و یا سه بعدی، جداول و لیست‌ها، آمار ... حداکثرها (و یا حداقل‌ها) و حتی المقدور به‌صورت نرم‌افزاری باشد. در مورد نمودارها و تصاویر باید دقت شود که برای مفید بودن آنها، لازم است معیار مقایسه‌ای به‌طور روشن همراه آنها ارائه شود. برای تحلیل‌هایی مثل تاریخچه‌ی زمانی، تصویر "گام به گام" (و یا فیلم) تهیه شود و چنین امکاناتی در نرم‌افزارها میسر است.

12- بازبینی

برای اطمینان از صحت مدل لازم است، در شرایط متفاوت (و بهتر است در زمانی دیگر) توسط تحلیل‌گر مورد بازبینی قرار گیرد. البته اگر بازبینی توسط شخص دیگری انجام گیرد می‌‌تواند بسیار مفیدتر و مؤثرتر باشد. در واقع انجام چنین امری در طرح‌های پیچیده و خاص یک ضرورت است.

حتی در مواردی لازم خواهد بود که تحلیلی مجدد و مستقل انجام پذیرد. از بازبینی و یا بازبینی‌ها فقط آنهایی مؤثر تلقی گردد که مستند شده باشد (به‌صورت نرم‌افزاری و یا سخت‌افزاری) و گرنه، بازبینی مستند نشده، همانند انجام نیافتن آن است.

نويسنده: دکتر محمود هریسچیان

نویسنده :«احسان غرقابي_مدير سایت» شنبه 1385/05/21 2:50 قبل از ظهر

. .

کپی برداری از مطالب این سایت تنها با ذکر منبع مجاز می باشد