طريقة عامل التحميل في التصميم الإنشائي

ما هو عامل التحميل في التصميم الإنشائي؟

يتمثل أحد العيوب الرئيسية في النسبة المعيارية أو طريقة إجهاد العمل في التصميم في أنها لا تعطي عاملاً حقيقياً للأمان ضد الفشل. وللتغلب على هذا، تم إدخال طريقة الحمل النهائية للتصميم في تصميم الخرسانة المسلحة. حيث تم إدخال هذه الطريقة، التي تم تعديلها لاحقًا على أنها طريقة عامل التحميل، في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 1956 وفي المملكة المتحدة في عام 1957، ثم في الهند لاحقًا.

في هذه الطريقة، يتم تقدير قوة قسم الخرسانة المسلحة عند حمل العمل من القوة النهائية للقسم. حيث تم تقديم مفهوم عامل الحمولة، الذي يُعرَّف على أنه نسبة الحمل النهائي الذي يمكن للقسم أن يحمله إلى حمل العمل الذي يجب أن يحمله، في المملكة المتحدة أيضًا. وعادة، يتم تصميم الهياكل الخرسانية المسلحة لعوامل تحميل منفصلة مناسبة للأحمال الميتة وللأحمال الحية مع عوامل أمان إضافية لقوة الخرسانة.

بعد إدخال طريقة عَامل الحمولة، من أجل جعل الحسابات قابلة للمقارنة مع طريقة النسبة المعيارية (إجهاد العمل)، اعتمدت بعض الرموز مثل الرموز البريطانية والهندية طريقة عامل الحمولة المعدل. حيث استخدمت هذه الطريقة مبادئ الحمل النهائية للتصميم، لكنها احتفظت بمفهوم ضغوط الخدمة المسموح به في الحسابات.

تم استخدام عامل تحميل (نسبة الحمل النهائي إلى حمل العمل) 2 مع عامل أمان إضافي مطبق على قوة المادة، للوصول إلى ضغوط الخدمة المسموح بها. ونظرًا لأن تباين قوة الخرسانة أكبر بكثير من الفولاذ، فقد تم استخدام عامل أمان إضافي 1.5 لخلطات التصميم و 1.67 للخلطات الاسمية عند حساب إجهادات الخرسانة المسموح بها.

إنّ هذا العامل الإضافي للأمان للخرسانة كفل أيضًا أن يحدث الفشل دائمًا بسبب فشل التوتر في الفولاذ، وليس بسبب فشل الضغط المفاجئ للخرسانة. وتجدر الإشارة إلى أن طريقة عامل الحمولة كانت تاريخيًا هي الطريقة الأولى التي لم تستخدم الحصة المعيارية التخيلية لتصميم الهياكل الخرسانية المسلحة. حيث تم استبدال هذا من خلال طريقة الحالة المحددة اليوم في مدونات الممارسة.

الفلسفات الرئيسية في التصميم الإنشائي:

فلسفة التصميم هي مجموعة من الافتراضات والإجراءات التي تُستخدم لتلبية شروط الخدمة والسلامة والاقتصاد ووظائف الهيكل. حيث تم تقديم العديد من فلسفات التصميم من أجزاء مختلفة من العالم. وبعض فلسفات التصميم التي استخدمها المهندسون هي:

• طريقة إجهاد العمل (WSM) أو تصميم الإجهاد المسموح به (ASD).

• طريقة التحميل النهائي (ULM).

• طريقة حالة الحد (LSM).

أقدمها هو أسلوب إجهاد العمل، والذي تم تقديمه في القرن العشرين. حيث أن هذا يعتمد على نظرية المرونة الخطية. كما تم استخدام هذه الطريقة في الخرسانة العادية والمسلحة. وفي الخمسينيات من القرن الماضي، تم تقديم طريقة التحميل النهائي والتي تعتمد على الحمل النهائي الذي يمكن أن تقوم به المادة.

يمكن رؤية قبولها في رمز المعهد الأمريكي للخرسانة في عام 1956 والرموز البريطانية في عام 1957 والرموز الهندية في عام 1964. ويستند أحدث قانون مقبول للممارسة على طريقة حالة الحد. حيث يستخدم هذا في كود الخرسانة العادية والمسلحة.

1. طريقة إجهاد العمل أو تصميم الإجهاد المسموح به:

يتم استخدام طريقة إجهاد العمل لتصميم الهياكل الخرسانية المسلحة والفولاذ والخشب. حيث أن الافتراض الرئيسي في طريقة إجهاد العمل هو أن سلوك المواد الإنشائية مقيد بمنطقة خطية مرنة ويتم ضمان سلامتها عن طريق تقييد الضغوط القادمة على الأعضاء من خلال أحمال العمل.

وبالتالي فإنّ الضغوط المسموح بها ستأتي في الجزء الخطي (أي المرحلة الأولية) لمنحنى الإجهاد والانفعال. وهكذا تم إدخال عامل أمان في التصميم. حيث أنه عندما ننظر في تأثير الزحف والانكماش وتركيزات الإجهاد والتأثيرات الثانوية الأخرى، فإنّ افتراض سلوك المواد في النطاق المرن لن يصمد. كما سيؤدي ذلك إلى زيادة الضغوط في النطاق غير المرن.

لا يمكن لطريقة إجهاد العمل تفسير الأحمال التي تعمل في وقت واحد، ولكن لديها درجات مختلفة من عدم اليقين. حيث لا يمكن حساب الأحمال التي لها تأثيرات معاكسة، مثل الحمل الميت وحمل الرياح. وما سبق سيؤدي إلى تصميم غير متحفظ. بحيث ستؤدي طريقة إجهاد العمل إلى أقسام كبيرة وأقسام كبيرة الحجم، وبالتالي تقليل الاقتصاد في التصميم.

لا تزال طريقة إجهاد العمل تستخدم في الهياكل الخاصة مثل خزانات المياه والمداخن في الهند. حيث أن المناطق المرنة جيدة في فحوصات قابلية الخدمة مثل عرض الشقوق والانحراف وما إلى ذلك.

2. طريقة التحميل النهائية:

يُعرف هذا أيضًا بِاسم طريقة عَامل التَّحميل أو طريقة القوة النهائية. وفي هذا نستفيد من المنطقة غير الخطية لمنحنيات إجهاد الإجهاد للتسليحوالخرسانة. كما يتم ضمان السلامة من خلال إدخال عامل الحمولة. حيث أن عامل الحمولة هو نسبة القوة المطلقة إلى أحمال الخدمة.

تجعل طريقة التحميل النهائية من الممكن النظر في تأثيرات الأحمال المختلفة التي تعمل في وقت واحد وبالتالي حل أوجه القصور في طريقة إجهاد العمل. ونظرًا لأن القوة النهائية للمادة يتم أخذها في الاعتبار، فسنحصل على أقسام رفيعة للأعمدةوالعوارض مقارنة بطريقة طريقة إجهاد العمل.

لكن لم يتم استيفاء معايير الخدمة بسبب الانحرافات الكبيرة والشقوق في الأقسام. حيث كان التراجع في الطريقة هو أنه على الرغم من أن سلوك الإجهاد غير الخطي تم اعتباره أقسامًا، إلّا أن التحليل غير الخطي للهيكل لم يتم تنفيذه لتأثيرات الحمل. وبالتالي فإنّ توزيع الإجهاد عند الحمل النهائي كان مجرد تضخيم حمل الخدمة بواسطة عامل الحمل باتباع نظرية المرونة الخطية.

3. طريقة حالة الحد:

هذه الفلسفة تقدم على فلسفات التصميم التقليدية. كما أنه يأخذ في الاعتبار السلامة عند الحمل النهائي وإمكانية الخدمة عند حمل العمل، ونوع امتداد إجهاد العمل والتحميل النهائية. حيث أن حالة الحد هي حالة الفشل الوشيك، والتي يتوقف بعدها الهيكل عن أداء وظيفته المقصودة بشكل مُرضٍ، سواء من حيث السلامة أو إمكانية الخدمة.

هناك نوعان من حالات التحديد وهما:

• حالة الحد النهائية: تعتبر القوة والانقلاب والتعب والانزلاق.

• حالة حد إمكانية الخدمة: وهي تعتبر عرض الشق والانحراف والاهتزاز وما إلى ذلك.

إنّها تستخدم عوامل أمان متعددة للسلامة المطلوبة وإمكانية الخدمة عند الحمل النهائي وحمل العمل على التوالي من خلال مراعاة جميع حالات الحد. وتسمّى هذه عوامل الأمان الجزئية.

1. عامل الأمان الجزئي للمواد:

تؤخذ قوة الخرسانة في الهيكل الفعلي على أنها (0.67 * قوة مميزة). وعامل الأمان الجزئي (لحالة الحد النهائي) للخرسانة هو 1.5 وعامل الأمان للتسليح هو 1.15. حيث تكون القيمة أعلى للخرسانة حيث من المتوقع أن تكون أكثر تنوعًا مقارنة بالتسليح. كما يُؤخذ عامل الأمان الجزئي (لحالة حد الخدمة) للخرسانة وعامل الأمان على أنه 1.0. ويتم أخذ هذا كوحدة لأننا مهتمون بتقدير الانحرافات الفعلية لعرض التشققات أثناء أحمال الخدمة.