روش طراحی مستقیم برای قاب های فولادی

در ویرایش جدید AISC (ویرایش 2005 به بعد) روش جدیدی تحت عنوان روش تحلیل و طراحی مستقیم در کنار روش‌های طراحی تنش مجاز و حالات حدی ارائه شده است. در این روش اثرهای ثانویه، تنش‌های پسماند و خطاهای هندسی بطور مستقیم در تحلیل لحاظ می‌شوند. در این روش از ضریب طول موثر استفاده نمی‌شود. پیوست 7 آیین‌نامه AISC360-05 به تحلیل مستقیم می‌پردازد. ویرایش چهارم مبحث دهم (بند 10-2-1-5) نیز این روش را به رسمیت می‌شناسد. این روش هیچ محدودیتی ندارد. در این روش بایستی: 1) آثار نواقص هندسی (شامل کجی و ناشاقولی) در تحلیل مرتبه دوم منظور گردد. 2) تحلیل سازه از نوع تحلیل مرتبه دوم باشد. 3) تحلیل مرتبه دوم براساس سختی کاهش یافته اعضا صورت گیرد.

> ضوابط ویرایش 2005 و 2010 آیین‌نامه AISC و ویرایش چهارم مبحث دهم عموماً بشکلی تنظیم شده‌اند که به واحدهای مورد استفاده ربطی ندارند.

پایداری سازه به صورت پایداری تک تک اعضا و پایداری کلی سازه بررسی می‌شود. برای کنترل پایداری از دو روش مستقیم و تشدید لنگر استفاده می‌شود. در روش تحلیل مستقیم، بایستی بارهای فرضی (خیالی) که برای لحاظ نمودن اثرهای خطای هندسی ساخت و اجرا اعمال می‌شوند، به میزان Ni=0.002Yi که در آن Yi بار ثقلی موجود در تراز iام است، تعریف شوند. این ضریب برای در نظر گرفتن خطاهای حین ساخت است. طبق آیین‌نامه میزان این خروج از مرکزیت برای ستون‌ها L/500 در نظر گرفته شده است. مطابق شکل زیر در صورتی که به این میزان خروج از مرکزیت برای ستون در نظر گرفته شود، لنگر M=PD=PL/500 در اثر این خروج از مرکزیت ایجاد خواهد شد.

برای در نظر گرفتن این اثر، آیین‌نامه در تحلیل سازه، یک نیروی خیالی به میزان P/500 در بالای ستون در نظر می‌گیرد که باعث ایجاد یک لنگر به میزان M=PL/500=0.002PL در پای ستون خواهد شد.

در آیین‌نامه‌های طراحی به روش حالات حدی به لحاظ نمودن اثرات ثانویه تاکید شده است. این بارها ضریبی از بارهای ثقلی هستند و در دو جهت اصلی سازه (مانند بار زلزله) اعمال می‌شوند. در هر دو روش تحلیل مستقیم و یا ضرائب طول از بارهای فرضی استفاده می‌شود. اگر در سازه‌ای بارهای جانبی حاکم باشند، بارهای فرضی تاثیری در عملیات طراحی نخواهند داشت. بارهای فرضی بایستی مانند بارهای زلزله بصورت رفت و برگشتی معرفی شوند. در آیین‌نامه AISC360-05 در هر دو روش ضرایب طول و روش مستقیم، استفاده از بارهای فرضی لازم دانسته شده است. ضریب 0.002 نقشی به مانند بارهای زلزله دارد. در هر طبقه بارهای ثقلی در این ضریب ضرب شده و بطور جانبی بر سازه اعمال می‌شوند.

هر دو اثر P-d و P-D را در بر گیرد. استفاده از روش عمومی تحلیل مرتبه دوم (بخش C2.1a) یا تحلیل اول تشدید یافته (بخش C2.1b) بخش C آیین‌نامه AISC2005 به شرطی که ضرایب B1 و B2 (ضرایب تشدید لنگر) بر مبنای سختی کاهش یافته محاسبه شوند، مجاز است. در قاب‌هایی که نسبت تغییرمکان مرتبه دوم به تغییرمکان مرتبه اول طبقه یا B2 کمتر از 1.5 (برای سختی کاهش یافته ارتجاعی کمتر از 1.7) باشد، بارهای فرضی تنها با بارهای ثقلی ترکیب می‌شوند (B2 نسبت تغییر مرتبه دوم به تغییرمکان مرتبه اول طبقه است). در غیر اینصورت بایستی در تمام ترکیب بارها بکار گرفته شود.

> طبق AISC در حالتی که B2>1.5 باشد، تنها استفاده از روش مستقیم مجاز است.

> ضرایب B1 و B2 (ضرایب تشدید لنگر) بر مبنای سختی کاهش یافته محاسبه شوند.

روش مستقیم در دو حالت سختی کاهش یافته و سختی متغییر قابل انجام است. سختی خمشی کاهش یافته EI* باید در همه اعضایی که سختی خمشی آنها در پایداری سازه مشارکت می‌کند، به جای سختی عادی آنها بکار رود. در تحلیل و طراحی به روش مستقیم برای تعیین مقاومت مورد نیاز در تحلیل مرتبه دوم باید به شرح زیر از ضرایب کاهش سختی استفاده شود. 1) ضریب کاهش 0.8 برای کلیه سختی‌هایی که پایداری سازه موثرند. 2) علاوه بر ضریب کاهش 0.8، یک ضریب کاهش اضافی tb نیز به شرح زیر در سختی خمشی اعضایی که در پایداری سازه موثر هستند. این مقدار می‌تواند مقداری ثابت و یا متغییر (رابطه C2-2 آیین نامه AISC360-16 را ملاحظه نمایید) داشته باشد.