فلسفه طراحی اتصالات تیر به ستون
مقدمه
اتصالات تیر به ستون یکی از مراحل مهم و حیاتی در طراحی سازه‌های فولادی به شمار می‌آیند. این اتصالات نقش کلیدی در انتقال نیروها و بارهای مختلف از تیرها به ستون‌ها دارند و به همین دلیل، باید با دقت و توجه ویژه‌ای طراحی و اجرا شوند. در این مقاله، به بررسی اصول و مفاهیم اساسی اتصالات تیر به ستون پرداخته و مثالي از طراحي يك اتصال حل خواهيم كرد.
ايجاد خرابي نرم در خارج از محل اتصال
همانطور كه از مقالات قبلي و دانش پيشين خود مي‌دانيد خرابی و ایجاد مفصل پلاستیک در تیر ها باید خارج ناحیه بر اتصال و به صورت نرم رخ دهد . زیرا اگر خرابی در اتصال رخ دهد موجب از دست رفتن کلی تیر و اگر خرابی به صورت سخت باشد موجب می‌شود خرابی به صورت ناگهانی رخ داده و منجر به خسارات عدیده ای شود .
به همین جهت خرابی را با روش هایی به خرابی نرم و محل ایجاد شدن مفصل پلاستیک را به سمت میانه تیر نسبت به بر اتصال سوق می‌دهیم .
محاسبه نیروهای اثر گذار در طراحی یک اتصال
تیر بالا را در ذهن خود مجسم کنید.اگر قسمت میانی تیر یعنی حدفاصل بین دو مفصل پلاستیک را بیرون بکشیم و نیرو های وارده را رسم کنیم به شکل زیر دست می‌یابیم.
با فرض اینکه دوسر قسمت بیرون کشیده دارای لنگر باشد به نحوی که تیر در بدترین شرایط خودش یعنی انحنا به صورت مضاعف قرار بگیرد ادامه می‌دهیم.
بار q حاصله از بار مرده و زنده به صورت گسترده روی تیر قرارگرفته است.و همچنین لنگری که برای طراحی در نظر می‌گیریم Mpr می‌باشد.
Mpr حداکثر لنگر خمشی متحمل شده توسط تیر است که رابطه آن در بالا آمده است. در این رابطه Cpr ضریبی مربوط به عواملی مانند سخت شوندگی کرنشی فولاد است که به وضوح در نمودار تنش-کرنش فولاد قابل مشاهده است.Ry نیز تنش تسلیم مورد انتظار فولاد است.فولاد های رایج به دلیل روشهای ساخت و نوع آهن مصرفی مقداری مقاومت بالاتری در واقعیت نسبت به مقاومت اسمی آن دارد که این خطا با ضریبی به نام Ry اصلاح می‌شود.
علاوه بر موارد بالا نیرو های برشی نیز اثرگذار خواهند بود و آنرا مانند لنگر با Vrp نشان می‌دهیم.
محاسبه Vpr:
برای محاسبه این نیرو کافی است حول یکی از نقشه های سبز رنگ بالا لنگر گرفته و رابطه زیر را بنویسیم.
محاسبه ضریب Cpr:
در فولاد نرمه یا ST37 این ضریب از رابطه زیر ۱٫۲ می‌باشد.
اکنون که تمامی نیروی اثرگذار را محاسبه کردیم،عکس‌العمل آن ها را در قسمت مقابل خود نیز رسم می‌کنیم.
همانطور که مشاهده می‌کنید در انتهای تیر یا همان بر اتصال لنگری تحت عنوان Mr حاصل می‌شود که تحت تاثیر بار مرده،لنگر Mpr و Vpr است.برای محاسبه این لنگر از قوانین استاتیکی استفاده کرده و حول نقطه اتصال لنگرگیری می‌کنیم.
همانطورکه مشاهده می‌کنید لنگر طراحی اتصال حتی از لنگرپلاستیک که تمامی نقاط مقطع را به تسلیم می‌رساند بزرگتر بوده.
با بدست آمدن رابطه Mr باید اتصالی طراحی کنیم که ظرفیتی برای این لنگر خمشی فراهم آورد.
اکنون با حل مثالی عددی این ماهیم را برای شما شفاف‌تر می‌کنیم.
تیری به طول ۷ متر را درنظر بگیرید.
فاصله مابین دو محل تشکیل مفصل پلاستیک ۶ متر و Sh برابر ۰٫۵ متر است.همچنین لنگر Mp محاسباتی ۸۵ تن . متر می‌باشد.
مرحله ۱:محاسبه Mpr
ضریب Cprبرای فولاد نرمه ۱٫۲ و Ry برای تیرورق ۱٫۱۵ می‌باشد.
مرحله ۲:محاسبه Vpr
با لنگرگیری حول نقطه تشکیل مفصل پلاستیک داریم:
مرحله ۳: انتقال اثرات برش و بنگر خمشی
تمامی برش و لنگر محاسبه شده به نقطه مقابل خود انتقال می‌دهیم.
مرحله ۴: محاسبه Mrبا استفاده از اثر نیرو های انتقالی
لنگر محاسبه شده مبنای طراحی اتصال می‌باشد.
با یک نسبت گیری ساده در می‌یابیم که لنگر طراحی اتصال ۶۴ درصد بزرگتر از لنگری است که تیر را پلاستیک کرده و تمام نقاط مقطع را به تسلیم می‌رساند.
برای طراحی ورق های زیرسری و روسری با توجه به نیرو های کششی و فشاری حاصله از لنگر Mr ، مقدار کشش ایجاد شده را با استفاده از رابطه زیر محاسبه می‌کنیم.
پس از محاسبه نیروی کششی با استفاده از رابطه رایجی که در درس فولاد آموختید مساحت ورق ریزسری به راحتی قابل محاسبه است.
نتیجه گیری:
در طراحی اتصالات لنگر طراحی به مراتب باید بزرگتر از لنگرپلاستیک بوده و اتصال باید به قدری دست بالا طراحی شود که شکست به صورت نرم و خارج از ناحیه بر اتصال تیر به ستون افتاده.
لینک ویدیو جهت درک بهتر موضوع :فلسفه طراحی اتصالات تیر به ستون
ناظر علمی:مهندس سید علی ذاکری
منابع:
