تیر های با جان موجدار

تیر های با جان موجدار

تیرورق

تیرورق به عضو خمشی اطلاق می‌شود که اعضای آن به منظور بهبود باربری و عملکرد مطلوب‌تر از ورق های فولادی ساخته می شوند. استفاده از تیرورق در دهانه‌ی خمشی بزرگ اقتصادی خواهد بود. تیرورق‌ها را می‌توان با اتصالات پیچی، پرچی و یا جوشی ایجاد کرد. از آغاز دهه 1950میلادی که استفاده از صنعت جوشکاری توسعه یافت به تدریج ساخت تیرورق از ترکیب  ورق های فولادی جایگزین روش‌های قبلی شد. کاربرد بیشتر تیرورق‌ها در پل می‌باشد؛ امروزه برای پل‌ها از تیرورق‌هایی با دهانه‌های 30متر نیز استفاده می‌شود.[1]

نمایش تیرورق‌ها با سخت کننده‌ها و مقطع تیرورق‌ها در شکل(1) آورده شده است.

شکل 1-تیر ورق همراه با سخت کننده های عرضی

در شکل(2) انواع کمانش و ناپایداری تیرورق‌ها با شکل‌های مربوطه آورده شده است که شامل کمانش جان و صفحات می‌باشد:

شکل2-انواه کمانش تیر ورق ها

در شکل‌های 3 تا 5 چند نمونه از کاربرد تیرورق‌ها نشان داده شده است.

3-الف

3-ب

3-ج

شکل 3-کاربردهای متفاوت تیر ورق ها

ظرفیت فراکمانشی تیرورق‌ها

قبل از پذیرش آیین‌نامه 1961میلادی AISC، طراحی سازه‌های فولادی بر پایه کنترل کمانش ارتجاعی در قطعات تشکیل شده از ورق استوار بود و بدین ترتیب تصور می‌شد که سازه به علت جاری شدن و یا بدلیل ناپایداری ارتجاعی در معرض گسیختگی قرار می‌گیرد. ولی اکنون ضوابط آیین نامه‌ای به گونه دیگری تغییر یافته است. بطوریکه اگر تیرورقی دارای قطعات تقویتی قائم با فواصل صحیح باشد بعد از کمانش، جان تیر ورق مانند خرپایی عمل خواهد کرد که در آن جان کمانش یافته بمانند قطرهای کششی و قطعات تقویتی قائم به عنوان اعضای قائم و فشاری خرپا رفتار خواهند نمود.[1]

شکل4-عملکرد میدان کششی

ناپایداری وکمانش تیرورق‌ها

نقش جان در نیمرخ خمشی تیرورق‌ها عملا متصل کننده دو بال و تحمل کننده برش موجود می‌باشد و لذا اختصاص ضخامت بالا برای جان به جز افزایش وزن نیمرخ تاثیر دیگری نخواهد داشت. به همین دلیل ضخامت جان کمتر انتخاب شده و برای تحمل برش موجود از ورق های تقویتی استفاده می‌شود، تا وزن تیرورق کمترین مقدار را داشته باشد. بدین جهت پایداری جان نازک تیرورق از اهمیت ویژه‌ای برخوردار خواهد بود. ناپایداری‌هایی که حاصل از بار وارده بر ورق جان در تیرورق ها رخ می‌دهد به صورت زیر می‌باشد:

 کمانش غیر ارتجاعی تحت برش خالص

مانند کلیه حالات پایداری هرگاه تنش بحرانی به تنش تسلیم نزدیک شود، تنش‌های پسماند و نقائص موجود سبب کمانش غیر ارتجاعی تیرورق خواهد شد.

خمش در صفحه جان

کمانش ارتجاعی تحت فشار عرضی: بارهای شدید فشاری که بر تیرورق وارد می‌شوند معمولا توسط قطعات تقویتی قایم تحمل می‌شوند و بدین جهت تنش فشاری دارای شدت کمی خواهد بود ولی چون ضخامت جان بسیار کم است حتی این فشار یکنواخت نیز می‌تواند سبب کمانش جان تیرورق گردد.
ناپایداری دیگری که در تیرورق‌ها رخ می‌دهد، ناپایداری بال فشاری می‌باشد که شامل:

    کمانش جانبی بال فشاری

    کمانش قائم بال فشاری

    کمانش پیچشی بال فشاری

  انواع ناپایداری تیرورق‌ها که در بالا اشاره شد بر اساس تئوری تغییر مکان‌های کوچک است. در شرایط پس کمانشی در ورق جان کمانش یافته، وضع تعادل ناپایداری آن در مقایسه با حالت مسطح و کمانش نیافته ورق تعریف می‌شود. یک چنین بیرون زدگی کوچکی که در ورق کمانش یافته جان اتفاق می‌افتد در اثر بار بحرانی حادث می‌گردد که تعیین آن عملا به صورت تجربی ممکن نیست. پس از آن که بیرون زدگی اندکی در ورق جان اتفاق افتاد بلافاصله در میان صفحه جان تنش غشایی بوجود می‌آید که سعی در پایداری ورق جان می‌نماید و عملا پیشروی کمانشی هر جز سطح ورق توسط اجزا محیطی آن کند می‌شود بر اثر بوجود آمدن یک چنین نیروی غشایی که به تدریج حین بارگذاری تیرورق بوجود می‌آید وضعیت کمانشی آن متفاوت از کمانش ستون‌های فشاری خواهد بود.

عملا گسیختگی جان تیرورق بدون آنکه بال‌ها و قطعات تقویتی اطراف آن قسمت از جان گسیخته شوند غیرممکن است، پس از کمانش جان، باز توزیع تنش در آن قسمت از تیرورق رخ می‌دهد و تا زمانی که بال‌ها و قطعات تقویتی قادر به تحمل بار اضافی وارد شده برخود باشند، عملا گسیختگی تیرورق ممکن نخواهد بود. در کل می‌توان گفت اگر تیرورقی توسط دوبال و چندین ورق تقویتی قائم تقویت شده باشد، دارای استحکام پس کمانشی قابل ملاحظه‌ای خواهد بود. شکل(7) مد کمانشی جان را نشان می‌دهد.[1]

شکل5-تیر ورق با جان کمانش یافته

معرفی تیرورق های با جان موج‌دار

یک شاهتیر I شکل با جان موج‌دار ترکیبی از دو بال فولادی و یک جان موج‌دار است که به یکدیگر جوش شده‌اند. عموماً از پروفیل ذوزنقه‌ای برای موجداری استفاده می‌شود، هرچند که از دیگر پروفیل‌ها مانند سینوسی نیز استفاده شده است. پروفیل‌های سینوسی اغلب در مواردی استفاده می‌شود که مسئله خستگی در آن بیشتر مطرح باشد. موج‌دار کردن جان شاه تیرها علاوه بر اینکه پایداری برشی را افزایش می‌دهد نیاز به سخت کننده‌های عرضی را نیز از بین می‌برد و در نتیجه حذف سخت کننده‌های عرضی، عمر خستگی نیز بهبود می‌یابد. استفاده از جان موج‌دار سبب افزایش سختی خارج از صفحه جان و بالابردن مقاومت کمانشی، بدون بکارگیری از سخت کننده‌های قائم می‌شود که در نتیجه وزن تیرورق و هزینه‌های ساخت آن کاهش می‌یابد. مزیت‌های اقتصادی شاهتیر I شکل با جان موجدار عبارتند از: سبکی و زیبایی ظاهری، مقاومت مناسب و سهولت کاربرد، امکان استفاده از جوشکاری اتوماتیک.[1]

همانطور که می‌دانیم شاهتیرهای با جان موج‌دار، یکی از سیستم‌های نو و ابتکاری در طراحی شاه تیرها بخصوصی در طرح و اجرای شاهتیر پل‌ها است که امروزه استفاده از این نوع شاهتیر در ساخت پل‌ها در کشورهای اروپایی، ژاپن و امریکا رواج پیدا کرده است. شکل‌های زیر نمونه‌ای از شاه تیرها با جان موجدار اجرا شده را نشان می‌دهد.

6-الف

6-ب

6-ج

شکل6-کاربردهای تیر با جان موجدار

مزایای جان موج‌دار 

در تیرهای با ارتفاع مقطع نسبتا زیاد مساله کمانش ورق جان تیر بسیار محتمل بوده و از اهمیت زیادی برخوردار است، لذا برای به تعویق انداختن وقوع این پدیده جان تیر را با سخت کننده‌های افقی و قائم تقویت می کنند. این تقویت کننده‌ها باعث افزایش وزن تیر می‌شوند. استفاده از تیرورق های با جان موج دار علاوه بر اینکه مقاومت کمانشی را افزایش می‌دهد، استفاده از سخت کننده ها را نیز به حداقل می‌رساند. نکته حائز اهمیت در مورد تیرورق‌ها با ارتفاع زیاد، مقاومت و بار بری پس از کمانش ورق‌های بال و جان می‌باشد. میزان این مقاومت و باربری با کم و زیاد شدن ضخامت ورق بال و جان و یا ارتفاع و عرض مقطع تغییر خواهد کرد. تیر ورق‌های یا جان موج‌دار نسبت به کم شدن ضخامت جان حساسیت کمتری در مقایسه با تیرورق‌های ساده دارند با موج دار کردن تیرورق‌ها، ضخامت جان تیرورق‌ها تا ۷۰ ٪ کاهش می‌یابد و استفاده از سخت کننده‌های طولی و عرضی را حذف می‌کند[3]. از جمله مزیت‌های اینگونه تیرها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود[4]:

 ۱. کاهش ضخامت جان و حذف سخت کننده‌های عرضی، منجر به استفاده از مصالح کمتر می‌گردد. 

۲. موج‌دار کردن جان باعث می‌شود تا کمانش به صورت موضعی در قسمت‌های مسطح موج اتفاق افتد و در نتیجه افزایش در تنش بحرانی کمانش جان بوجود آید.

 ۳. موج دار کردن جان باعث کاهش سختی محوری آن می‌گردد، که در نتیجه نیروهای محوری ناشی از خمش، تغییرات دما، خزش و جمع شدگی در جان تیر کاهش می‌یابد و حساسیت در مقابل کمانش در جان کاهش، و اثرات ناشی از خطاهای ساخت در افزایش تنش‌های محوری کمرنگ تر می‌گردد.

 ۴- برای تیر ورق‌های فلزی با جان موج‌دار باید مقداری ضخامت بال را افزایش داد. زیرا کمانش موضعی در عرض بیش تر از نصف بال اتقاقی میافتد و همچنین جان تیر در مقابل تنش های خمشی مقاومتی از خود نشان نمی‌دهد.

۵. تغییرشکل برشی تیرورق‌های با جان موج‌ دار در اثر تنش‌های برشی، اندکی بیشتر از تیرهای با جان مسطح می‌باشد، اما این افزایش خیز، در مقایسه با تغییرشکل های ناشی از خمش قابل صرف نظر کردن است.

۶. در تیرهای مرکب به دلیل پیش تنیده بودن بال‌ها، جان تحت تنش های محوری قرار می‌گیرد. اما جان‌های موج دار به خاطر عدم سختی محوری و امکان وقوع تعبیر شکل در راستای محور جان، تحت تاثیر تنش‌های محوری موجود قرار نمی‌گیرند. این ویژگی به خاصیت اکاردئونی جان معروف است.

 ۷. در خصوص تیرهای قوطی شکل که جان آن ها از ورق‌های فلزی موج دار ساخته شده است، مقاومت در مقابل تنش‌های برشی ناشی از اثرات پیچشی بارهای خارجی افزایش می‌یابد. همچنین توزیع تنش در این تیرها یکنواخت‌تر است.

 ۸. کاهش ضخامت جان و همچنین حذف سخت‌کننده‌ها و هزینه‌های مربوط به جوشکاری آنها باعث کاهش وزن و در نتیجه اقتصادی تر شدن تیرهای با جان موج‌دار می‌گردد. خصوصا در تیرهای بتنی، به دلیل جایگزینی جان بتنی با یک ورق قولادی سبک کاهش قابل توجهی در وزن تیر حاصل می‌گردد. اصلی ترین نقص تیرورق‌های با جان موج‌دار افزایش هزینه های مربوط به ساخت ورق‌های موجدار می‌باشد. هر چند یا بکارگیری جان های موج دار، هزینه های مربوط به استفاده از سخت کننده‌های عرضی و ضخیمتر بودن جان وجود ندارد.

در ادامه نمونه‌ای از تحقیقات صورت گرفته در زمینه تیرورق‌های با جان موجدار ارائه شده است.

1- در سال 2017 Shao و همکارانش بر روی تیروروق با جان‌موجدار و بال فوقانی پر شده با بتن آزمایشاتی صورت دادند. بدین منظور آن تیر ورق را تحت بار متمرکز در میانه آن قرار دادند و رفتار آن را با تیرورق‌های با جان مسطح مقایسه کردند. نتایج نشان داد استفاده از بتن در بال فوقانی مانع کمانش موضعی در محل اعمال بار می‌شود که علت آن بالا بودن سختی خمشی و پیچشی در این تیرورق‌ها به علت استفاده از بتن در بال فوقانی می‌باشد.[20]

منابع

دپارتمان سازه سامانه کارگشا

 [1] جواد رزاقی، رحمت وهابی" بررسی رفتار غیر خطی تیر ورقهای با جان سینوسی تحت بارهای دینامیکی" پایان‌نامه . دولتی – وزارت علوم، تحقیقات، و فناوری – دانشگاه گیلان – دانشکده فنی و مهندسی . 1391 . کارشناسی ارشد

[2] مجیدزمانی, سیدسهیل و مژگان امیریان، ۱۳۹۵، "بررسی فشردگی مقاطع i شکل با جان موجدار سینوسی"، هفتمین کنفرانس ملی و دومین کنفرانس بین المللی سازه و فولاد، تهران،  انجمن سازه های فولادی ایران

منبع:

«دپارتمان سازه سامانه کارگشا»

————————————————————————————————————————————–

برای بهره مندی از خدمات محاسبات طراحی سازه در خواست خود را در لینک های مربوطه زیر ، در قسمت عنوان سوال-سازه ثبت نموده و فایل های مورد نیاز را بارگذاری کنید.

1-طراحی اسکلت فولادی و شالوده

2-طراحی اسکلت بتنی و شالوده

3-سبک سازی و بهینه سازی محاسبات طراحی

4- کنترل مضاعف محاسبات طراحی

3-طراحی سقف کامپوزیت عرشه فولادی و کامپوزیت سنتی

4-طراحی دال پس کشیده

5- طراحی دال بتنی مشبک

6-طراحی دال های بتنی 

7- بهسازی لرزه ای و مقاوم سازی

8-طراحی سوله

9-طراحی سازه های با اسکلت LSF

10- مباحث تکمیلی و پژوهشی سازه

با تشکر