مفصل پلاستیک : نقطه تسلیم سازه در برابر زلزله

مقدمه:

مفصل پلاستیک به عنوان یکی از مفاهیم کلیدی، نقشی حیاتی در تضمین پایداری و انعطاف‌پذیری سازه‌ها ایفا می‌کند. این نقطه تسلیم سازه، در برابر زلزله خم می‌شود اما نمی‌شکند، و به سازه اجازه می‌دهد تا بدون فرو ریختن، انرژی زلزله را جذب کند.

در این مقاله، به بررسی مفصل پلاستیـک، ویژگی‌های آن پس از تشکیل و چگونگی شکل‌گیری آن در مقاطع مختلف می‌پردازیم.

مفصل پلاستیک چیست؟

مفصـل پلاستیک، ناحیه‌ای در مقطع تیر یا ستون است که در اثر خم شدن بیش از حد، دچار تغییر شکل‌های پلاستیک (غیرقابل برگشت) می‌شود. در این ناحیه، تارهای مقطع به حد تسلیم می‌رسند و تنش آنها ثابت می‌ماند.

چرا مفصل پلاستیک مهم است؟

مفصل پلاستیـک به عنوان یک فیوز در سازه عمل می‌کند و از خرابی ناگهانی و شکننده آن در برابر بارهای زلزله جلوگیری می‌کند. با تشکیل مفصل پلـاستیک، انرژی زلزله در این ناحیه متمرکز شده و به تدریج جذب می‌شود.

ویژگی‌های مقطع پس از تشکیل مفصل پلاستیک:

1. کاهش سختی:پس از تشکیل مفصل پلاستـیک، سختی مقطع به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. به عبارت دیگر، مقطع در برابر تغییر شکل‌های خمشی، انعطاف‌پذیری بیشتری از خود نشان می‌دهد.

2. تغییر شکل‌های غیرخطی:در این مرحله، تغییر شکل‌های مقطع با افزایش بار، به صورت غیرخطی و تسلسلی افزایش می‌یابد.

3. توزیع مجدد تنش:با تشکیل مفصـل پلاستیک، تنش‌ها در مقطع به طور مجدد توزیع می‌شوند. به طوری که تنش در تارهای مقطع به حد تسلیم می‌رسد و تارهای دیگر در حالت الاستیک باقی می‌مانند.

4. ایجاد لنگر خمشی پلاستیک:پس از تشکیل مفصل پلاستیـک، مقطع قادر به تحمل لنگر خمشی بیشتری (لنگر خمشی پلاستیک) خواهد بود.

چگونگی تشکیل مفصل پلاستیک:

مفصـل پلاستیک در اثر افزایش لنگر خمشی در مقطع، به تدریج شکل می‌گیرد. این فرآیند در مراحل زیر رخ می‌دهد:

مرحله الاستیک: در این مرحله، با افزایش لنگر خمشی، تنش در تارهای مقطع به طور خطی افزایش می‌یابد. تا زمانی که تنش از حد تسلیم مصالح تجاوز نکند، رفتار مقطع الاستیک خواهد بود.

مرحله پلاستیک: با افزایش لنگر خمشی، تنش در تارهای مقطع به حد تسلیم می‌رسد. در این مرحله، تارهای تحت کشش، دچار تغییر شکل‌های پلاستیک (غیرقابل برگشت) می‌شوند.

تشکیل مفصل پلاستـیک: با ادامه افزایش لنگر خمشی، تارهای بیشتری در مقطع تسلیم شده و به تدریج، ناحیه‌ای پلاستیک در مقطع ایجاد می‌شود. این ناحیه، مفصـل پلاستیک نامیده می‌شود.

انواع مفصل پلاستیک:

مفصـل پلاستیک کامل: در این نوع مفصل، تمام تارهای مقطع به حد تسلیم می‌رسند.

مفصل پلاستیـک فشاری: در این نوع مفصل، فقط تارهای تحت فشار مقطع به حد تسلیم می‌رسند.

مفصل پلاستیـک کششی: در این نوع مفصل، فقط تارهای تحت کشش مقطع به حد تسلیم می‌رسند.

تاثیر مفصل پلاستیک بر رفتار سازه:

افزایش انعطاف‌پذیری: مفصل پلاستیـک با جذب انرژی زلزله، به سازه انعطاف‌پذیری بیشتری در برابر بارهای لرزه‌ای می‌دهد.

کاهش احتمال خرابی ناگهانی: با تشکیل مفصـل پلاستیک، احتمال خرابی ناگهانی و شکننده سازه در برابر زلزله کاهش می‌یابد.

افزایش ظرفیت جذب انرژی: مفصل پلاستیـک با جذب انرژی زلزله، از تخریب کامل سازه جلوگیری می‌کند.

روش‌های مدلسازی مفصل پلاستیک در نرم‌افزارهای تحلیل سازه:

مدل مفصل پـلاستیک ایده‌آل: در این مدل، مفصل پلـاستیک به عنوان یک لولا در نظر گرفته می‌شود.

مدل مفـصل پلاستیک غیر ایده‌آل:در این مدل، رفتار غیرخطی مصالح در مفصل پلاستـیک در نظر گرفته می‌شود.

مدل مفصـل پلاستیک فایبر: در این مدل، مقطع به تعدادی الیاف کوچک تقسیم شده و رفتار هر الیاف به صورت جداگانه بررسی می‌شود.

نکات مهم در طراحی مقاطع با مفصل پلاستیک:

انتخاب مقطع مناسب: مقطع باید به گونه‌ای انتخاب شود که ظرفیت تشکیل مفصل پلاستیـک را داشته باشد.

محل قرارگیری مفصـل پلاستیک: محل قرارگیری مفصل پلاستیک باید به گونه‌ای باشد که از خرابی موضعی سازه جلوگیری شود.

کنترل تغییر شکل‌ها: تغییر شکل‌های پلاستیک در مفصل باید در حد مجاز باشد تا از عملکرد صحیح سازه اطمینان حاصل شود.

نتیجه‌گیری:

مفصل پلاستیـک، عنصری کلیدی در طراحی سازه‌های مقاوم در برابر زلزله است. با درک صحیح مفاهیم مرتبط با مفصـل پلاستیک، مهندسان می‌توانند سازه‌هایی انعطاف‌پذیرتر و با قابلیت جذب انرژی بیشتر در برابر بارهای زلزله طراحی کنند.