طراحی به روش تنش مجاز و مقاومت نهایی در سازه سوله چیست و چه تفاوت هایی دارند؟

در طراحی سوله و بخش سازه ها و قطعات فولادی مورد استفاده در سوله روش های متفاوتی برای محاسبات مربوط به آن ها وجود دارد. در این مبحث دو روش تنش مجاز یا ASD و روش حالت حدی یا مقاومت نهایی (LRFD) مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در ابتدا به تعریف هر کدام می پردازیم و در پایان تفاوت های آن ها را بیان خواهیم کرد.

◊ روش تنش مجاز یا ASD در محاسبات سوله چه روشی است؟ 

روش تنش مجاز از قدیمی ترین روش های طراحی است که در آن با توجه به تئوری الاستیک اجسام فرض می شود که تمام اجسام و از جمله بتن و فولاد خاصیت الاستیکی داشته و از قانون هوک در این زمینه پیروی می کنند. در نظر گرفتن این تئوری بدین معنی است که تنش وارده بر جسم با الاستیسیته جسم تا زمان فروپاشی و گسستگی رابطه مستقیم و خطی خواهد داشت. در استفاده از روش طراحی تنش مجاز یک اصل اساسی وجود دارد و آن این است که در هر حالتی مجموع تنش های وارده بر هر نقطه از سازه با در نظر گرفتن ضریب الاستیسیته سازه و آن نقطه خاص نباید از حد معینی بیشتر باشد. چراکه بیشتر شدن تنش وارده بر سازه از حد معین شده منجر به عدم توانایی سازه در برابر تنش وارده شده و موجب تخریب سازه خواهد شد. در این روش ضریب ایمنی برای ایجاد قطعیت و اطمینان در مراحل ساخت و تولید لحاظ می گردد. طبق استانداردها ضریب ایمنی 3 برای تنش های فشاری و برشی بتن و ضریب ایمنی 1.78 برای فولاد محاسبه می گردد.

▪ معایب روش تنش مجاز  در محاسبات سازه سوله چیست؟

روش تنش مجاز دارای معایبی است که در ادامه با هم خواهیم دید.

• 1- در روش ASD رفتار بتن به صورت الاستیک در نظر گرفته شده است؛ درصورتی که بتن حتی در تنش ها و فشارهای کم هم رفتاری غیر الاستیک از خود نشان می دهد. 
• 2- ضریب ایمنی در روش تنش مجاز فقط برای تنش های وارده در نظر گرفته شده است؛ در صورتی که بارهای وارده به سازه هم از جنس تنش و هم از جنس فشار هستند و در این روش در مورد بارهای حاصل از فشار وارده تصمیمی اتخاذ نگردیده است. بنابراین دیدگاه کاملی در برابر بارهای وارده به سازه وجود نخواهد داشت. 
• 3- در این روش میزان انبساط و انقباض و حرکت پلاستیکی اجسام در طول زمان در نظر گرفته نشده است و برای این منظور ضریبی وجود ندارد. 
• 4- در روش تنش مجاز درخصوص اتفاقات و تنش های حاصله در نقطه بحرانی و هنگام گسستگی و فرو ریزش هیچ ایده ای وجود ندارد. 

به طور کلی می توان گفت روش تنش مجاز یک روش پایه ای بوده که هم از نظر درجه اطمینان و ایمنی و هم از نظر مقرون به صرفه بودن اقتصادی قابل اتکا نخواهد بود و تنها در زمان هایی کاربرد خواهد داشت که روش های دیگر نتیجه ای را حاصل ننماید.

◊ روش طراحی حالت حدی یا مقاومت نهایی (LRFD) چیست؟

این روش را می توان همان روش تنش مجاز دانست با این تفاوت که با در نظر گرفتن بار نهایی سازه به صورت بهینه در آمده است و به صورت یک روش کاملا منطقی قابل استفاده می باشد که در آن از مقاومت نهایی سازه و دیگر الزامات در زمان بهره برداری استفاده می گردد. در طراحی سازه با این روش دو حالت اصلی به وجود می آید. حالت حدی در زمان فرو ریزش و گسستگی و حالت حدی بهره برداری. 

▪ حالت حدی در زمان فروریزش در چه حالت هایی از سازه قابل بررسی است؟

حالت حدی در زمان فرو ریزش و گسسته شدن سازه با مقاومت سازه در برابر انواع تنش های وارده در ارتباط است. بنابراین این حالت حدی در زمان فرو ریزش را می توان در انواع حالات حدی فرو ریزش در خمش، در پیچش، در برش و در فشار مورد بررسی قرار داد که مستلزم مباحث تخصصی مهندسی سازه می باشد.

▪ حالت حدی در زمان بهره برداری با چه فرایندهایی در ارتباط است؟

حالت حدی در زمان بهره برداری که در ارتباط با فرآیند هایی چون تغییر شکل و ترک خوردگی و موارد مشابه می باشد؛ در سه نوع، تغییر شکل، ترک خوردگی و ارتعاش مورد بحث قرار می گیرد.

به طور کلی می توان گفت که:
روش حالت حدی یا همان LRFD مبتنی بر برآوردهای انجام شده است و با توجه به اینکه ضریب ایمنی را برای تمام حالات در نظر می گیرد و همین طور عدم قطعیت مرتبط با بارهای وارده و تنش های تحمیل شده به سازه را در محاسبات خود لحاظ می نماید و همچنین از خواص مواد هم غافل نمی شود؛ لذا بر خلاف روش تنش مجاز از درجه اعتبار بالاتری برخوردار خواهد بود.

◊ تفاوت های روش های محاسباتی تنش مجاز و مقاومت نهایی کدامند؟ 

به طور کلی تفاوت این دو روش محاسباتی را می توان به شرح زیر خلاصه نمود: 

• ▪ در روش تنش مجاز یا ASD فرض بر این است که فولاد و بتن نیز مانند تمام مواد الاستیک دیگر خاصیت الاستیکی داشته و منحنی تنش-کرنش در آن ها به صورت خطی می باشد. اما در روش محاسباتی بر پایه مقاومت نهایی LRFD خاصیت الاستیسیته واقعی بتن و فولاد در نظر گرفته می شود و منحنی تنش-کرنش که در مورد بتن کاملا غیر خطی است مبنای محاسبات قرار می گیرد.
• ▪ در روش تنش مجاز از یک ضریب ایمنی استفاده می شود تا در محاسبات انجام شده یک تنش مجاز حاصل شود و مبنای مقاومت سازه قرار گیرد؛ در حالی که در روش مقاومت نهایی از یک ضریب نسبی ایمنی استفاده می گردد و در نتیجه آن مقدار تنش های طراحی محاسبه و اندازه گیری خواهد شد.
• ▪ در روش تنش مجاز برای بارهای فشاری وارده به سازه هیچ ضریب ایمنی در نظر گرفته نمی شود؛ در حالی که در روش LRFD با توجه به استفاده از ضریب نسبی ایمنی، تنش های فشاری هم مورد توجه قرار می گیرند.
• ▪ در روش تنش مجاز با توجه به نوع محاسبات و استفاده از ضریب ایمنی به روش خاص با مقاطع ضخیم تری در سازه روبرو خواهیم بود که نتیجه آن افزایش هزینه های ساخت و ساز خواهد شد. اما در روش مقاومت نهایی مقاطع نازک تر با مقاومت مورد نیاز سازه طراحی می شوند و از نظر اقتصادی هم مقرون به صرفه تر خواهند بود.
• ▪ در روش تنش مجاز فرض بر این است که بارهای وارده، تنش های مجاز، ضریب ایمنی و تمامی متغیرهای موجود در محاسبات به طور دقیق قابل تشخیص و محاسبه هستند؛ اما در روش مقاومت نهایی برای هر کدام از متغیرها احتمالات هم در نظر گرفته شده که این روش از لحاظ تجربی نیز به واقعیت نزیک تر می باشد.

 

 

در نهایت می توان گفت که روش مبتنی بر تنش مجاز (ASD) از نظر دقت، حاشیه ایمنی دقیقی نداشته و چندان قابل اتکا نخواهد بود. اما روش مبتنی بر مقاومت نهایی سازه (LRFD) به دلیل توجه به شرایط واقعی سازه و تمامی تنش های احتمالی وارده و تجربیات در طول زمان از درجه اعتبار بالاتری برخوردار است.