مبانی سازه های فولادی

نکته کارشناس مهم: این یک متن آموزشی بایگانی است، نه مشخصات طراحی فعلی، محاسبه استاتیک، اثبات ظرفیت بار یا دستورالعمل های ساخت و مونتاژ. طراحی سازه های فولادی باید شامل اثرات واقعی، اتصالات، پایداری، خستگی، آتش سوزی، خوردگی و سایر شرایط مربوطه طبق مقررات و استانداردهای معتبر با مسئولیت طراح مجاز باشد.

طراحی و ساخت سازه های فولادی بخشی از پیشنهاد عمومی فعلی ساوو کوسیچ نیست. تمرکز تولید امروز شامل پنجره‌های چوبی، پنجره‌های چوبی-آلومینیومی و درب‌های سفارشی است.

سازه های فولادی یک ویژگی مشترک دارند در این که عمدتا از فولاد نورد گرم ساخته می شوند. اتصال با استفاده از پرچ، پیچ یا جوش انجام می شود. این شامل سازه‌های فولادی برای پل‌ها، ساختمان‌ها، صنعت و معدن، مهندسی هیدرولیک، ستون‌ها، برج‌ها، مخازن به معنای وسیع‌تر و برای جرثقیل‌ها، کشتی‌سازی، دیگ‌ها و غیره است.

مواد

مواد اصلی ساخت سازه های فولادی پروفیل های نورد شده از فولاد با کیفیت ساخت S235, S275, S355, S420, S450 می باشد. بسته به استاندارد، انواع مختلفی از فولاد ساختمانی وجود دارد که عدد در طبقه بندی معمولاً نشان دهنده مقاومت کششی فولاد است. چندین علامت حرف وجود دارد که در این مورد S مخفف فولاد ساختاری است. رایج ترین فرم های مورد استفاده S، B (فولادهای بتنی، آرماتور) و Y (فولاد پیش تنیدگی) هستند.

تکیه گاه های نورد فولادی

طیف گسترده ای از تکیه گاه های پروفیل فولادی وجود دارد و هر کدام هدف، مزایا و معایب خاص خود را دارند.

• U-پروفایل
• نمایه‌های I با پایه‌های باریک (IPE، IPN)
• پروفایل‌های I با پایه‌های پهن (HEA، HEB، HEM، HD)
• پروفیل ها/جعبه های توخالی (گرد، مربع، مستطیل)
• برگ
• محصولات شکل‌دهی سرد (به دست آمده از نورد سرد نوار صاف و پیچاندن نوار تخت)

هر یک از این پروفایل ها در شکل، ابعاد، هدف و غیره متفاوت هستند. برای مثال، بیش از 20 پروفایل های IPN مختلف وجود دارد که در ابعاد متفاوت هستند. پروفیل های بزرگتر می توانند کمانش (خمشی و پیچشی جانبی)، انحرافات و غیره را بهتر تحمل کنند.

بسته به اینکه در هنگام افزایش تنش به نقطه تسلیم برسند، پلاستیک یا الاستیک بودن آنالیز، ظرفیت بارگذاری سطح مقطع و غیره که کلاس اول بهترین و طبقه چهارم بدترین است، چهار کلاس فولاد وجود دارد. اطلاعات بیشتر در مورد ساختار و استحکام فولاد را می توانید اینجا بخوانید.

یکسان سازی ولتاژ و ظرفیت حمل در بار ثابت

ظرفیت باربری. ابعاد سازه های فولادی به گونه ای تعیین می شود که تغییر شکل های دائمی قابل توجهی حذف شود. از سوی دیگر، ظرفیت باربری در بسیاری از موارد به هیچ وجه زمانی که بالاترین تنش نسبی به نقطه تسلیم می رسد به پایان نمی رسد - سپس تغییر شکل ها بسیار سریعتر از تنش ها رشد می کنند. برای فولاد سازه ای، همان وابستگی زمانی که تسلیم است را می توان به عنوان حد قانون هوک برای حالت های تنش عمومی در نظر گرفت. در مورد حالت‌های تنش همگن، که در هر مکان یکسان هستند، با تجاوز از حد تناسب، هیچ تغییری رخ نمی‌دهد، به جز اینکه کل تغییر شکل‌ها سریع‌تر از تنش رشد می‌کنند.

یکسان سازی تنش در حین خمش. در مورد خمش تیر، توزیع تنش مستطیلی طبق فرضیه ناویر اعمال می شود، تا زمانی که تنش لبه σ=M/W از حد تناسب تجاوز نکند. انبساط طولی ε = ε(σ). این حداقل برای خم های کوچک صادق است. تنش هایی که بیشتر از تنش متناسب هستند، فقط می توانند کندتر از انبساط ε رشد کنند. در شکل 1 توزیع تنش خمشی را برای نمودار عملیاتی داده شده و مقادیر مختلف انبساط لبه نشان می‌دهد. ناحیه تناسب (که با یک دایره در تمام خطوط ولتاژ مشخص شده است) بنابراین با افزایش اتساع لبه کوچکتر و کوچکتر می شود. ولتاژ لبه ابتدا توسط σF محدود می شود. تنها پس از تغییر شکل‌های بسیار مهم، حداکثر تنش از σF بالاتر می‌رود، به طوری که تأثیر آرماتور فولادی سازه قابل مشاهده است (مورد 5).

شکل. 1 - یکسان سازی ولتاژ خمشی

برابرسازی پیک‌های تنش. توزیع تنش‌های طولی در سراسر بخش از وسط سوراخ در یک میله حفاری کششی تقریباً مطابق با خط 2 در شکل است. 2. پیک ولتاژ σmax به نسبت d/b بستگی دارد. بیشتر در حدود σmax = 2-3 σm است، که σm = S/FM نشان دهنده مقدار متوسط ​​تنش کششی در بخش ضعیف شده توسط سوراخ در FM است. Sl. 2 تا زمانی که حالت ولتاژ از حد P فراتر رود معتبر است. در بارهای بالاتر، برای دستیابی به اتساع معین، ولتاژهای کمتر از قانون خط مستقیم فقط در نزدیکی سوراخ مورد نیاز است. در نقاطی که بیشترین تنش را دارند، تنش‌ها دیگر متناسب با S افزایش نمی‌یابند، بلکه آهسته‌تر می‌شوند. در مرز، توزیع تقریباً یکنواختی از تنش‌های طولی σm = σf در کل بخش 2-2 بدست می‌آید. تنش های برشی و عرضی نادیده گرفته شد. وقوع یکسان سازی تنش در حین افزایش آهسته نیروی S در میله ثابت می کند که روش معمول سازه های فولادی تحت تأثیر بار استاتیکی، نادیده گرفتن پیک های تنش در حین بعد گذاری و مقایسه تنها تنش متوسط σm=S/Fm در مقطع ضعیف شده Fm با مقدار مجاز قابل توجیه است.

شکل. 2

روش اندازه‌گیری بر اساس ظرفیت بار

با افزایش بار، یکسان سازی ولتاژ در بخش اتفاق می افتد. در انجام این کار، تنش‌ها از قسمت‌هایی که بیشترین تنش را دارند به قسمت‌های کم‌تنش‌تر گروه‌بندی می‌شوند. تا زمانی که تغییر شکل‌ها آنقدر بزرگ نباشند که هنگام تنظیم شرایط تعادل مورد توجه قرار گیرند، این فرآیند نمی‌تواند چیزی را در میزان تأثیر S، M و غیره با ساختارهای تعیین‌شده استاتیک تغییر دهد.

تکیه گاه های پیوسته و قاب: با فرض قانون هوک، برای یک تکیه گاه پیوسته مقطع ثابت به دست می آید (شکل 1).3) خط لحظه ای نشان داده شده در زیر a. تنش‌های خمشی متناسب با ممان‌های خمشی M هستند. اگر هر دو بار به طور مساوی افزایش پیدا کنند، ابتدا از حد P در تکیه‌گاه میانی B تجاوز می‌شود. زمانی که به لنگر محدود MDF در مزرعه نیز رسیده باشد، به حد تحمل رسیده است. در مورد تیری که در دو طرف یک مقطع متقارن ثابت با نیروی متمرکز گیره شده است (شکل 2).4) تساوی لحظه ای از ابتدا وجود دارد. هنگامی که از حد P تجاوز می شود، تغییری در توزیع گشتاور ایجاد نمی شود. برعکس، در مورد یک بار توزیع شده به طور مساوی (شکل.5) یکسان سازی لحظه ها منجر به کاهش لحظه گیر کردن با -2/3 Mدر مورد -1/2 Mo

Sl.4

شکل. 3 و مانند آن. 5، به ترتیب: ممان خمشی: الف) قبل، ب) حالت محدود پس از گروه بندی مجدد نیرو. الف) قبل، ب) یکسان سازی لحظه ای پس از آن

ساختارهای مشبک: با خرپاهای نامشخص از لحاظ استاتیک داخلی، وابستگی‌های مشابهی با ساختارهای قاب وجود دارد. تنش‌های ثانویه، که مربوط به گره‌هایی هستند که در خمش صلب هستند، می‌توانند در اولین تقریب هنگام ارزیابی ظرفیت بار نادیده گرفته شوند. مقاطع پلاستیکی شده مشابه اتصالات عمل می کنند، به طوری که عمل استاتیکی تیر تحت بار نهایی که هنوز می تواند حمل کند، به عملکرد یک خرپا ایده آل با اتصالات در گره ها نزدیک تر است. در مورد سازه هایی با بارهای مکرر، که در آنها پدیده مقاومت خستگی باید در نظر گرفته شود، بنابراین تردیدهای قابل توجهی در مورد در نظر گرفتن یکسان سازی نیروها در طول ابعاد وجود دارد. برعکس، نتیجه گیری در مورد تأثیر جابجایی تکیه گاه ها اهمیت عملی دارد. از آنجایی که استحکام کاری تک تک عناصر سازه ای تنها به محدودیت های تنش بستگی دارد و نه به اندازه کل تغییر شکل ها، جابجایی تکیه گاه ها تأثیری بر ظرفیت باربری ندارد.

بار متناوب: فرض یک مورد بار ثابت به ندرت محقق می شود. با تیرهای پل، حالت های بار متغیر وجود دارد. مفروضات مربوط به نیروها و توزیع تنش در عناصر سازه ای منفرد، که ساده می شود، در کار عملی با سازه های فولادی رایج است، طبق فرض قبلی، آنها در شرایط عادی توجیه می شوند. این به ویژه برای نادیده گرفتن پیک های ولتاژ محلی صادق است. نمی توان توصیه کرد که روش اندازه گیری را با توجه به ظرفیت بار تحت بارگذاری خستگی (دینامیک) اعمال کنید. بنابراین، روش اندازه‌گیری با توجه به ظرفیت بار محدود به بارهای غالباً ساکن، به‌ویژه برای سازه‌ها در صنعت ساختمان است. در موارد دیگر، که در آن باید به ظاهر خستگی توجه شود، باید تغییر شکل های قابل توجهی را حذف کرد و نظریه کشش را به عنوان مبنایی در نظر گرفت. در انجام این کار، باید برای فاصله کافی از نقطه تسلیم تلاش کرد. چقرمگی فولاد ساختمانی سپس مقداری امنیت اضافی را فراهم می کند.

استرس متناوب

کشش سرد و پیری: در شکل. 6 خط تنش - اتساع یک میله گرد، که در معرض تنش های کششی و فشاری متناوب قرار داشت، اعمال شد. فرآیندهای بار فردی با توجه به ترتیب آنها با اعداد مشخص می شوند. اتساع الاستیک که پس از تخلیه برمی گردد نیز پس از کشش های بزرگ متناسب با تنش ها رخ می دهد. هنگام تغییر علامت ولتاژ، حد P تقریباً به طور کامل ناپدید می شود. بنابراین، خواص کشسانی فولاد ساختمانی کشیده شده در حالت سرد با مقادیر اولیه مطابقت ندارد. بسته به پردازش قبلی، تفاوت های کاملاً قابل توجهی را می توان نشان داد.

شکل. 6

همراه با آن، علائم پیری بیشتری نیز وجود دارد. این اصطلاح شامل تمام تغییرات خواصی است که در طول زمان بدون تأثیر خارجی رخ می دهد. پیری کششی را می توان پس از تغییر شکل دائمی با کشش سرد مشاهده کرد. اگر نمونه‌های آزمایشی با کشش دائمی برای مدتی بدون بار در دمای اتاق باقی بمانند، استحکام کششی و تا حدی کمتر، مقاومت پارگی بالاتر از مقدار اولیه می‌رود، در حالی که ازدیاد طول در هنگام شکست کاهش می‌یابد (شکل 7). فرآیند پیری روزها طول می کشد، اما اگر فولاد ساختاری تا حدود 300 oC گرم شود، به چند ساعت یا فقط چند دقیقه کاهش می یابد. همچنین لازم به ذکر است که پیری کششی همزمان با کشش اتفاق می‌افتد، در صورتی که این امر در دما اتفاق بیفتد. 200 – 400 oC، یعنی در ناحیه درخشش آبی.

شکل. 7 - الف) خط انبساط یک میله با بار مضاعف؛ ب) خط اتساع میله ای که در حالت سرد کشیده شده است

عملکرد بعدی و پسماند: در یک ماده کاملا الاستیک، بین حالت تنش و تغییر شکل، وابستگی متقابل بدون ابهام وجود دارد، به طوری که تنش های خاص همیشه با همان تغییر شکل ها مطابقت دارند و بالعکس. با قانون خاصی از الاستیسیته، تغییر شکل ها به زمان سپری شده از زمان اعمال بار و همچنین به روش اعمال بار بستگی ندارد. انحرافات از رفتار کاملاً الاستیک را می توان در دو درجه تقریب توصیف کرد: در ناحیه الاستیک انحرافات کوچک وجود دارد. آنها را می توان در اولین تقریب نادیده گرفت. آنها را می توان با اندازه گیری های دقیق تعیین کرد، به ویژه هنگام مقایسه تنش نزدیک به حد الاستیک. یعنی اتساع نه تنها تابعی از ولتاژ است، بلکه با یک چرخه بار بسته و ولتاژ یکسان، همیشه در هنگام تخلیه کمی کوچکتر از بارگذاری است. انحراف از کشش کامل، یعنی. تفاوت بین انبساط متناظر در تنش های یکسان را پسماند الاستیک می گویند. اگر چرخه بار بیشتر تکرار شود، این در ولتاژهای نه چندان بالا به دست می آید - یک حلقه بسته هیسترزیس یا میرایی. Sl. 8 حلقه های میرایی را برای مقادیر مختلف بار AC نشان می دهد. عرض حلقه ها به شدت با ارتفاع ولتاژ افزایش می یابد. مساحت حلقه متناسب با کار تغییر شکل است که در هر چرخه از بین می رود و به گرما تبدیل می شود. همچنین تغییر شکل‌ها نه تنها با ارتفاع ولتاژ، بلکه با زمان متغیر هستند و به سرعت و روش بارگذاری بستگی دارند. بخشی از تغییر شکل که به زمان بستگی دارد، افترافکت نامیده می شود. هیسترزیس و افترافکت به طور همزمان اتفاق می افتد. به عنوان یک قاعده، آنها برای آن دسته از فولادهای ساختمانی که در سازه های فولادی در دمای اتاق وجود دارند، اهمیت عملی ندارند.

Sl. 8

نکته کاربردی: نامگذاری مواد تاریخی، مفروضات، نمودارها و رویه های موجود در متن نباید به عنوان جایگزینی برای استانداردهای فعلی، ویژگی های خاص محصول، مدل محاسباتی و تأیید تخصصی ساخت و ساز کلی استفاده شود.