طراحی بهینه تیر های با جان باز با انتهای پوشانده شده (قسمت 1)

1. کلیات تحقیق

هدف اصلی این مطالب تحقیقاتی بهینه سازی تیر حفره دار با انتهای پوشانده شده است. به دلیل مهار شدت  بالای نیروی های برشی در مجاورت اتصالات، گاهی اوقات پوشاندن حفره های انتهایی در تیر با جان باز الزام پیدا می کند. این کار با تعبیه ورق های فولادی و جوش دادن ان ها از هر دو سمت انجام می شود. بهینه سازی این تیر ها با استفاده از روش فرا ابتکاری شامل اجسام برخورد کننده استاندارد CSS  جستجوی سیستمی بارور، CBO و CBO-PSO انجام شده است.

برای مقایسه عملکرد این الگوریتم ها، هزینه کمینه تیر به عنوان تابع هدف طراحی در نظر گرفته شده است. همچنین در این مطلب تحقیقاتی ، دو نوع متداول از تیر های حفره دار مهار شده جانبی به عنوان مسئله طراحی مشخص شده است:

• تیرهای با بازشوهای شش ضلعی
• و تیر های با بازشو های دایره ای.

چندین مثال طراحی نیز برای حل در نظر گرفته شده است که در مطالب آتی به آن ها پرداخته خواهد شد. مقایسه جواب بهینه این روش ها بیان گر آن است که تیر های شش ضلعی دارای هزینه کمتری نسبت به تیر های دایره ای هستند. می توان دریافت که نتایج دریافت شده از روش CBO-PSO برای بیشتر مثال های طراحی دارای هزینه کمتری در مقایسه با روش های دیگر می باشد. 

2. مقدمه 

از سال 1940 تهیه تیر های سازه ای با مقاومت بیشتر و هزینه کمتر دارای امتیاز ویژه ای محسوب شده و مهندسین در تلاش برای طراحی چنین سازه های فولادی با بازدهی بیشتری هستند. به دلیل محدودیت های خیز بیشینه مجاز، استفاده از مقاطع با وزن زیاد و ظرفیت بالا در مسائل طراحی را نمی توان همیشه برای حصول  بازدهی بیشتر استفاده کرد. در نتیجه، روش های جدید متعددی برای افزایش سختی تیر های فولادی بدون افزایش وزن فولاد مورد نیاز به وجود آمد. تیرهای حفره دار(تیر های با جان باز) یکی از همین روش هاست که به عنوان یک المان سازه ای اصلی در طراحی ساختمان مطرح شده است. 

تیر های حفره دار نوعی از تیر های هستند که با برش تیر نورد شده به صورت طولی با استفاده از مشعل های پلاسمای کنترل شونده توسط کامپیوتر، اغلب با الگوهای نیم دایره و نیم شش ضلعی ساخته می شوند(شکل1).

شکل1- a-  تیر با جان باز با بازشو های شش ضلعی b- تیر با جان باز با بازشو های دایره ای 

شکل1 -c

سپس نیمه های تقسیم شده جابه‌جا شده و به یکدیگر جوش می شوند تا تیر عمیق تری را با باز شوهای جانی که به صورت دایره یا شش ضلعی کامل هستند، تشکیل دهند. تیر های با باز شو های دایره ای (تیر های سلولی)،  به دلیلی امتیاز نسبت وزن به سختی خود و قابلیت عبور لوله های تاسیسات، در حال حاضر دارای بیشترین کاربرد در بین تیر های حفره دار هستند. حفره به وجود آمده در آن ها این اجازه را می دهد تا داکت های مکانیکی، لوله های آب و خطوط برق از میان تیر ها عبور کنند که نسبت به عبور آن ها از زیر تیر ارجحیت دارد.

تیر های با جان باز، به دلیل الزام و فوائد اقتصادی به مدت طولانی دارای کاربردهای فراوانی هستند. مزیت اصلی تیر های با جان باز آن است که طراحی می تواند عمق تیر را برای بالا بردن مقاومت افزایش داده بدون آن که فولادی را اضافه کند. تیر حفره دار به دست آمده تقریبا P عمیق تر بوده و بسیار قوی تر از تیر اصلی تغییر نیافته خود است. 

در عمل، به دلیل مهار نیروی برشی بالا نزدیک به اتصالات و یا به دلیل امنیت در برابر حریق، بعضی اوقات پوشاندن برخی حفره ها الزام پیدا می کند. 
در تیر های سلولی، پوشش حفره ها توسط تعبیه دیسک هایی ساخته شده از ورق فولادی و جوشکاری آن ها در هر دو طرف انجام می شود.(شکل2)

شکل2-مثالی از تیر با حفره های به شکل دایره و بازشوهای پوشانده شده

روش های بهینه سازی متعددی همچون الگوریتم های  ازدحام ذرات،دسته مورچگان، الگوریتم ژتنیک و اجسام برخورد کننده که به ترتیب با چنین علائم اختصاری  GA، ACO ، PSO و CBO نشان داده می شوند، وجود دارد. جستجوی سیستمی بارور CSS یک روش جمعیت محور است که هر عامل سیستم بارور CS به صورت یک کره باردار با شعاع a درنظر گرفته شده که دارای حجم چگالی بار یکنواخت می باشد که می تواند نیرو های الکتریکی را بر روی سیستم های بارور یا CP های دیگر اعمال کند. 

روش اجسام برخورد کننده استاندارد CBO یکی از الگوریتم هایی است که اخیرا به وجود آمده که دارای فرمول بندی ساده ای بوده و نیازمند تنظیم پارامتر نیست. این الگوریتم بر اساس برخورد یک بعدی بین دو جسم بوده، که هر عامل حل به صورت یک جسم مدل شده است. یکی از الگوریتم های ترکیبی جدید الگوریتم CBO-PSO می باشد که ویژگی های مثبت PSO به الگوریتم CBO اضافه شده تا بازدهی روش را افزایش دهد. 

هدف اصلی این مطلب تحقیقاتی در ارتباط با بهینه سازی هزینه تیر ای بازشو دار  با بازشوهای پوشانده شده است. بنابراین سه روش ذکر شده فوق برای طراحی تیر ها با بازشو های دایره ای و شش ضلعی استفاده می شود که در مطالب آتی جززیات آن ها گفته خواهد شد.

مقدمه ای بر طراحی تیر های باز شودار

پشتوانه تئوری تیر حفره دار کاهش وزن تیر و ارتقاء سختی با افزایش ممان اینرسی که از افزایش ارتفاع تیر مطابق شکل 3 منتج می شود، بدون اضافه کردن ماده است.

شکل3- a افزایش ارتفاع تیر اصلی با هدف افزایش سختی بدون اضافه کردن ماده

شکل3-b

به دلیل وجود حفره در جان، رفتار سازه ای تیر حفره دار با تیر استاندارد متفاوت است. در حال حاضر، به دلیل پیچیدگی های رفتار تیر های حفره دار و مد های شکست متناظر ، روش طراحی مقرر شده ای برای این تیر ها وجود ندارد. مقاومت یک تیر همراه با بازشوهای جان متعدد توسط در نظر گرفتن خمش و برش در بازشو ها تعیین می شود. مد های شکست بسیاری در طراحی تیر بازشو دار شامل کمانش پیچشی-جانبی، مکانیزم ویرندیل، مکانیزم خمشی، شکست تیر چه های جوش خورده و کمانش پسا-جان می شود.

کمانش پیچشی جانبی در تیر های مهارنشده ممکن است به وجود بیاید. یک تیر هنگامی مهارنشده در نظر گرفته می شود که بال فشاری آن برای جابه‌جایی جانبی و دروان آزاد باشد. در این مطلب تحقیقاتی فرض می شود که بال فشاری تیر حفره دار توسط سیستم سقف مهار شده است. بنابراین، مقاومت کمانش کلی تیر حفره دار از ملاحظات طراحی حذف می شود. این مد ها متناظر با هندسه تیر، پارامتر های شکل، نوع بارگذاری، و الزامات مهارهای جانبی می باشند. در مطلب آتی معیار های طراحی این تیر ها را بررسی خواهیم نمود.

دپارتمان سازه سامانه کارگشا

• COST OPTIMIZATION OF END-FILLED CASTELLATED BEAMS USING META-HEURISTIC ALGORITHMS-F.Shokohi
• Optimum design of steel floor system: effect of floor division number, deck thickness and castellated beams-Ghafari

برای بهره مندی از خدمات محاسبات طراحی  بر اساس شرح خدمات سازه ، در خواست خود را در لینک مشاوره فنی و مهندسی سازه ثبت نمایید.