نکاتی در تحلیل و طراحی سازه‌ها
نکاتی در تحلیل و طراحی سازه*ها
امروزه تحلیل و طراحی سازه*ها عمدتاً با استفاده از فناوری رایانه*ای صورت
می**گیرد.
اگر چه سرعت و سهولت در تعریف مدل*های تحلیلی و اخذ جواب می**تواند فرصت
کنترل و بررسی جواب*ها 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، می**توان از بروز خطاهایی که
به*راحتی پیش می**آید اجتناب نمود.
البته خطاهای بنیادی ناشی از قضاوت نامناسب مهندسی و تعبیر نامناسب
واقعیت*های فیزیکی سازه*ای (واقعی) خارج از شمول بحث این مقاله است.
1 - نرم*افزارهای مورد استفاده
برای یک سازه*ی "معمولی" استفاده از نرم*افزارهایی مثل برنامه*های ETABS
،STAAD.Pro و SAP مناسب و کافی می**باشد. بعضی از نرم*افزارها مثل ANSYS
امکانات بیشتری داشته و در عین حال سنگین*تر می**باشد.
به*لحاظ کاربری، نرم*افزار ETABS برای یک ساختمان مسکونی (یا اداری، تجاری)
قابل استفاده*تر است. در صورتی که نرم*افزاری مثل SAP برای تحلیل سازه*های
متنوع*تری می**تواند مفید باشد. به هر حال چون اصول و مبانی مورد استفاده در
این نرم*افزارها یکسان می**باشد، علیرغم ظاهر متفاوت، در صورتی که کاربرد
خاصی را پوشش دهند، با هم فرقی نخواهند داشت.
قبل از کاربری یک نرم*افزار، باید با ویژگی*های 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 نرم*افزار عبارت است از آشنایی با
اصول و مبانی بکار رفته در هر دستوری از نرم*افزار.
لازم است روش*های تحلیلی مورد نظر ابتدا در مورد چند مثال ساده امتحان شده و
پس از کسب آشنایی با روش، شرایط تکیه*گاهی ...، نوع بارگذاری، حالات
بارگذاری... در مورد سازه*های (پیچیده) بکار رود. برای مثال*های حل شده
می**توان از مراجع مختلف تحلیل سازه*ها کمک گرفت.
در ضمن دستور کمک و راهنما (Help) که در آن کلیه*ی دستورات برنامه شرح داده
شده است، به*طور معمول دارای پرونده*ها و پوشه*های زیر است:
مثال*هایی (Examples) از نحوه*ی شروع کار با نرم*افزار (برای مبتدیان)،
امکانات مختلف نرم*افزار مثل انواع تحلیل*های استاتیکی، دینامیکی، بارهای
فزاینده و...
مثال*های تأیید نرم*افزار (Verification Examples) که جواب*های مثال*های
خاصی از مراجع مختلف برگرفته و با جواب*های مدل نظیر نرم*افزار مقایسه شده
است.
مراجع نظری و یا استانداردهای مورد استناد نرم*افزارها (گاهی بعضی از این
مراجع نیز پیوست نرم*افزار است).
2- پیش فرض*های نرم*افزارها
هر نرم*افزاری در موارد متعددی برمبنای پیش فرض*هایی کار می**کند که این پیش
فرض*ها (یا موارد قرارداری اولیه) بیشتر برمبنای عرف و عادت رایج مهندسان
کشور تهیه*کننده*ی نرم*افزار، انتخاب شده است. برای نمونه نرم*افزار SAP در
مصالح فولادی مبنای فولاد قراردادی و یا پیش فرض را A36 که تا حدودی قوی*تر
از فولاد (S235JR (ST37-2 می**باشد منظور نموده است و کاربر باید از این فرض
آگاه باشد.
در مثالی دیگر، در طراحی اعضاء یک سازه*ی اسکلتی، نرم*افزار، پارامترهای
طراحی را به*صورت ترکیبی از پیش فرض*ها و داده*های مدل در نظر گرفته و به
نسبت تنش می**رسد، در طراحی یک عضو، متغیرهای متعددی دخیل می**باشد، همچون
طول عضو (ضریب طول موثر...) طول آزاد بال فشاری و... طراح باید از تک*تک
متغیرها آگاه باشد.
مثلاً ممکن است در شرایطی برای تیر داخل یک کف، در جایی که بال فشاری آن مقید
است نرم*افزار هیچ*گونه قید جانبی منظور ننماید و یا مثلاً در شبیه*سازی یک
تیر لانه زنبوری، متغیرهای طراحی مناسب فرض شده است یا خیر؟
3- تغییر شکل*ها و تعادل نیروها
تعادل نیروهای وارد به سازه در شرایط مختلف، با استفاده از واکنش*های
تکیه*گاهی، همیشه باید مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد. چنین تعادلی به سادگی
می**تواند بهم بخورد (در واقع در روش تحلیل، تعادل همواره برقرار است ولی
شرایطی غیر از شرایط مورد نظر می**تواند ایجاد شود) و این حالت می**تواند
اثرات سویی داشته باشد.
در بررسی تعادل نیروها باید دقت داشت که بسیاری از نرم*افزارها، واکنش*های
مربوط به انواع متفاوت تکیه*گاه*ها (مثلاً بدون نشست و تکیه*گاه*های فنری) را
در یک صفحه (پنجره*ی) واحد نشان نمی*دهد و باید به این نکته توجه نموده و
جداگانه مقدار هر یک و یا جمع آنها را دید.
در عین حال به تغییر شکل*های سازه نیز باید توجه کافی داشت. از طرف دیگر حدود
تغییر شکل و حدود نیرو، هر دو، مهم است.
4- کف*های صلب و نیمه صلب
با امکانات نرم*افزاری و سخت*افزاری امروز به تعریف کف*های صلب طبق تعریف
آیین*نامه*ی 2800 و یا بررسی نیمه صلب بودن آن نیازی نیست. به*راحتی می**توان
کف*ها را با بریدگی*ها و شکل*های هندسی خاص خود در نظر گرفت.
در این شبیه**سازی به ابعاد و جهت تیرریزی*ها 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 می**گیرد
تأثیر خواهد داشت. به این ترتیب در مدل سه بعدی خروج از محوری*ها را، به*صورت
واقعی*تری، می**توان منظور نمود.
5- اجزای سازه*ای مدل
چه اجزایی از سازه را باید در مدل منظور نمود؟ امکانات نرم*افزاری و
سخت*افزاری، امروزه، بسیاری از محدودیت*ها را از بین برده است. بنابراین شاید
این تصور پیش آید که هر چه اجزای سازه*ای بیشتر و یا حالت*های بارگذاری بیشتر
و... یا رفتارهای سازه*ای پیچیده*تری 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 نتیجه*گیرری روشن تحلیل، خدشه*دار شود. ممکن است در
یک مدل*سازی تحقیقاتی و یا بررسی*های خاص، مدل*های پیچیده*ای در نظر گرفته
شود ولی معمول پروژه*های عادی نیست. چنانچه لازم باشد می**توان از رده*های
متفاوتی از مدل*ها استفاده نمود.
6- بررسی مدل
مدل باید تحت کنترل تحلیل*گر باشد و به*عبارت دیگر جنبه*های مختلف مدل (که
بهتر است به*صورت نوشته/ سیاهه/ چک لیست “Check list” باشد) همچون هندسه،
میزان بارها، حالات بارگذاری، تکیه*گاهها (انواع و محل آنها)، و... کنترل
شود.
به همین صورت جواب*های مدل (خروجی*ها) به*صورت کامل باید بازبینی شود. بعضی
از اشکالات را به سادگی می**توان از تصاویر اولیه*ی سازه و یا از تصاویر بعد
از تحلیل (تغییر شکل یافته) دید. مثلاً اینکه، آیا تکیه*گاهها سرجای خود قرار
دارند و یا اعضا به هم متصل شده است یا خیر.
ولی علاوه بر این اشکالات ظاهری، اشکالاتی نیز در تحلیل می**تواند بروز نماید
که از نوع "نهفته" است و با نگاهی سطحی نمی*توان به وجود آنها پی*برد. باید
توجه شود که در بسیاری از موارد، این نوع اشکالات تأثیرگذاری جدی در جواب*ها
دارد.
7- بررسی حساسیت*ها
اگر چنانچه برخی از فرضیه*های 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 سازه*ای نسبت به نشست یک یا چند تکیه*گاه 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 تکیه*گاه گیردار کامل و یا مفصلی کامل (که اغلب موارد
به*صورت ایده*آل وجود خارجی ندارند) باعث ازدیاد نیروهای داخلی اعضا (و کمانش
و یا کشش زیادی آنها) به*ویژه در بارهایی مثل بارهای حرارتی و یا در مقابل
حالت*های بارگذاری زلزله خواهد شد، درصورتی که اگر، رهاسازی حتی جزیی
تکیه*گاهی نیز منظور شود، میزان تغییر شکل*ها، نیروها و واکنش*های تکیه*گاهی
تغییرات منطقی*تر خواهد داشت.
8- تحلیل با آخرین تغییرات
گاهی بر مبنای جواب*های به*دست آمده از تحلیل*های (ابتدایی)، تحلیل*گر
تغییراتی در سازه اعمال می**نماید.
برای مثال مقاطع اعضا سبک و یا سنگین می**شود و.... اعمال چنین تغییراتی باعث
تغییر شکل و یا در حا لت کلی تغییر نیروی اجزا می**شود. بنابراین لازم است پس
از انجام تغییرات (جدی)، تحلیل دوباره*ای از مدل صورت گیرد.
9- مستندسازی تحلیل
کارکرد منظم و مستندسازی باید از اهم ویژگی*های لازم یک تحلیل و یک تحلیل*گر
باشد. با انجام مستندسازی یک تحلیل و به*ویژه انجام آن طبق یک روال و
دستورالعمل جامع مشخص و معین از پیش تعیین شده (Check list)، به جرأت
می**توان گفت که، در یک سازه متعارف، امکان بروز اشکال در تحلیل محو خواهد
شد.
این مستندات باید شامل اطلاعاتی از قبیل اسم تحلیل*گر (و یا تحلیل*گران)،
مشخصات (شماره و تاریخ انتشار) نرم*افزار ... 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 نقشه*ها
هدف نهایی بسیاری از تحلیل*ها عبارت از اجرای سازه*ی مدل است، و این کار از
طریق نقشه*ها به مهندس مجری می**رسد. لازم است نقشه*های (سازه*ای) با
فرضیه*های مدل و جواب*های مدل مقایسه گردیده و اطمینان حاصل شود که،
ویژگی*های اساسی مدل در آن بازتاب یافته و دچار خدشه نشده باشد.
گرچه در نقشه*ها به تحلیل (شماره و تاریخ مستندات تحلیل) فعلاً اشاره نمی*شود
ولی، انجام این امر بسیار مفید خواهد بود و حداقل لازم است این کار روی
نسخه*ی (شخصی) سخت*افزاری و یا نرم*افزاری مهندس طراح، منعکس گردد.
11- ارائه*ی مدل و جواب*های تحلیل
جواب*های کامل یک تحلیل (سازه*ای) رایانه*ای، برای یک سازه نه چندان پیچیده
به راحتی به چند صد صفحه خواهد رسید. ارائه*ی چاپی کامل چنین جواب*هایی چندان
مفید نبوده و باعث اتلاف وقت (و اتلاف کاغذ و مضر به محیط*زیست!) خواهد شد.
در صورت نیاز به ارائه*ی کل جواب*ها نیز، می**توان آنها را به*صورت
نرم*افزاری ارائه داد.
در حالت کلی ارائه*ی مدل و جواب*های تحلیل باید طبق یک استاندارد و الگوی
مشخص و معین باشد. در این مورد روش*های زیر پیشنهاد می**شود:
ارائه مدل تحلیلی نرم*افزاری؛ از محاسن این روش این است که همه*ی کلیات و
جزییات مدل قابل دسترسی خواهد بود و از اشکالات آنکه، در صورت در دسترس
نبودن آن نرم*افزار و یا انتشار خاصی که تحلیل با آن انجام گرفته است، باز
کردن مدل ممکن نخواهد بود، در ضمن آشنایی به نرم*افزار نیز لازم ا ست.
ارائه فرضیه*ها و جواب*های کلیدی؛ از محاسن این روش وقت*بر نبودن آن، لازم
بودن آشنایی فرد (بیننده*ی جواب*ها) با اصول مهندسی سازه و اصول تحلیل است.
از شرایط کافی بودن این روش، تعریف دقیق و مناسب "جواب*ها و فرضیه*های
کلیدی" می**باشد.
جواب*ها بهتر است به*صورت ترکیبی، توضیحاتی از نمودارها، تصاویر دوبعدی و یا
سه بعدی، جداول و لیست*ها، آمار ... حداکثرها (و یا حداقل*ها) و حتی المقدور
به*صورت نرم*افزاری باشد. در مورد نمودارها و تصاویر باید دقت شود که برای
مفید بودن آنها، لازم است معیار مقایسه*ای به*طور روشن همراه آنها ارائه شود.
برای تحلیل*هایی مثل تاریخچه*ی زمانی، تصویر "گام به گام" (و یا فیلم) تهیه
شود و چنین امکاناتی در نرم*افزارها میسر است.
12- بازبینی
برای اطمینان از صحت مدل لازم است، در شرایط متفاوت (و بهتر است در زمانی
دیگر) توسط تحلیل*گر مورد بازبینی قرار گیرد. البته اگر بازبینی توسط شخص
دیگری انجام گیرد می**تواند بسیار مفیدتر و مؤثرتر باشد. در واقع انجام چنین
امری در طرح*های پیچیده و خاص یک ضرورت است.
حتی در مواردی لازم خواهد بود که تحلیلی مجدد و مستقل انجام پذیرد. از
بازبینی و یا بازبینی*ها فقط آنهایی مؤثر تلقی گردد که مستند شده باشد
(به*صورت نرم*افزاری و یا سخت*افزاری) و گرنه، بازبینی مستند نشده، همانند
انجام نیافتن آن است.
