ساخت سوله بخصوص سوله های صنعتی در سالهای اخیر پیشرفت های بسزایی داشته و مهندسان برای ساخت سوله های با دهانه های عظیم و سقف های بلندتر ایده ها و طراحی های زیادی را ارائه داده اند که یکی از موفق ترین آنها تیر ورق با جان موجدار (سینوسی) با نام علمی corrugated web beam می باشد که به همت متخصصان شرکت خانه آفتاب شرق طراحی و پیاده سازی این تیرها چند سالی است که در دستور کار قرار گرفته و در پروژهای ساخت سوله بکار گرفته می شود.
دراین مقاله نیز ما قصد داریم اطلاعات جامعی در مورد تیر ورق با جان موجدار و استفاده آن در صنعت ساخت سوله مطالبی را در اختیار علاقه مندان قرار دهیم.
مقدمه
فولاد آلیاژی از آهن با عملکرد بالا است که به طور قابل توجهی در دسترس می باشند و به دلیل استقامت بالا، استحکام عالی و همچنین قابلیت جوشکاری خوب و مقاومت در برابر خوردگی برای ساخت سوله ها، برج ها،پل بزرگراه ها و غیره به شدت مناسب می باشند.
این ماده ارزشمند پتانسیل خوبی در کاهش چشمگیر وزن دارد اگرچه، موانعی برای کارآمدی آن در شاه تیرهای ورقه ای با جان تخت مرسوم وجود دارد که از جمله می توان به وجود پتانسیل برای ناپایداری جان تیر، خیز بیش از حد و از هم گسیختگی آن در فشارهای ناگهانی اشاره کرد.
به منظور مواجه با این محدودیت ها، طراحی های نوآورانه ای پیشنهاد شده اند از جمله استفاده از تیر ورق با جان موجدار به منظور فراهم سازی پایداری برشی افزایش یافته و حذف نیاز برای تقویت کننده های عرضی.
ورقه ی فولادی موجدار به دلیل ویژگی های مطلوبش، یک المان ساختاری پرکاربرد است و از دهه ی 1920 نمونه های اولیه آن مورد استفاده قرار گرفته است. در ابتدا از آن در ساختار هواپیما با پنل های با جان تیر بسیار نازک استفاده شد و سپس برای دیگر کاربردهای مهندسی عمران در ساخت ساختمان ها و پل ها و ساخت سوله تعمیم یافت.
در بیست سال اخیر، به طور گسترده از تیرهای فولاد با جان موجدار برای ساخت سوله مورد استفاده قرار گرفته است و امروزه می توان در سراسر جهان در ستون ها و سقف سوله هایی با مقاوت بالا و تکنولوژی ساخت جدید این تیرها را مشاهده کرد.
(عکس 1-1)
کاربرد تیر ورق با جان موجدار
کاربرد تیر ورق با جان موجدار برای مدت زمان زیادی به منظور افزایش استحکام کمانش و سختی خارج صفحه ای با حذف کاربرد تقویت کننده های عمودی، مدنظر بوده است. با این وجود، یافته شد که شاه تیرهایی با تیر ورق با جان موجدار مقرون به صرفه تر هستند و می توانند زیبایی سازه را نیز بهبود بخشند.
شکل 2-1
همانطور که در شکل 2-1 نشان داده شده است، در ساخت سوله با استفاده از تیر ورق با جان موجدار، جان تیر های بتنی پیش تنیده ی مرسوم با تیرهای فولادی با جان موجدار جایگزین شده اند.
مطالعات متعددی در سال های اخیر به اثبات رسانده است که توزیع تنش در شاه تیرهایی که با تیر ورق با جان سینوسی ساخته شده اند از توزیع تنش مرسوم در شاه تیرهای( I شکل) سنتی تحت خمش و برش درون صفحه ای بسیار کاسته شده است.
بیشتر بخوانید: کاربرد تیرهای فولادی I در صنعت ساخت سوله
مشخصه های متفاوت توزیع تنش در بال و جان تیر تاثیری در مقاومت خمشی و برشی دارد که باید در طراحی مدنظر قرار گیرد.
سیستم ساختاری شاه تیر سوله، ساخته شده با تیر ورق با جان موجدار
سیستم ساختاری شاه تیر با تیر ورق با جان موجدار شامل بال ها و جان های موجدار دیواره نازک است. در مورد سوله هایی که با شاه تیر ورقه ای با جان تیر تخت(تیر I) ساخته شه اند، این تیرها از حداکثر ظرفیت تحمل گشتاور نسبت به بخش های نورد شده دارند و می توانند مقاومت سوله در برابر طوفان ها و خطرات طبیعی را به شدت افزایش دهند.
برای تحمل گشتاورها، مقطع باید لاغر باشد و این مقاطع باریک مستعد کمانش جان تیر هستند. بنابراین جان تیر استحکام کمانشی خود را از دست می دهد. از این رو به منظور اجتناب از کمانش و به دست اوردن استحکام حداکثر، تمرکز بر تیر ورق با جان موجدار صورت می گیرد.
هدف بکارگیری تیر ورق با جان موجدار این است که امکان استفاده از ورقه های نازک بدون نیاز به تقویت کننده ها را فراهم سازد که موجب کاهش هزینه ی ساخت و تولید و بهبود عمر سازه سوله می شود. برآورد شده است که این شاه تیرها با تیر ورق با جان موجدار حدود 19 تا 33 درصد سبک تر از شاه تیر های تقویت شده ی مرسوم با جان تیر تخت است.
انواع موج در تیرهای با جان موجدار
انواع موج احتمالی عبارتند از مستطیلی، ذوزنقه ای و سینوسی. نوع ذوزنقه ای و سینوسی توجه ی بیشتری را به خود جلب کرده اند. یک پروفایل معمولی از تیر ورق با جان موجدار در شکل 2-1 نشان داده شده است.
(شکل 1-2)
هدف از ایجاد موج در تیرها
برای اینکه سطح مقطع در مقاومت نسبت به خمش درون صفحه ای کارآمد باشد، نیاز است که حداکثر ماده تا جای ممکن دور از محور خنثی قرار گیرد. با افزایش عمق سطح مقطع، عمق جان تیر نیز افزایش می یابد و لاغرتر می شود. در نتیجه ممکن است گسیختگی زودهنگام شاه تیر به دلیل کمانش جان تیر در برش رخ دهد.
از این رو به منظور کاهش نسبت لاغری به واسطه ی افزایش عمق و ضخامت کم جان تیر به جای استفاده از تقویت کننده های تخت، جان تیر موج دارباشد که یک روش عالی برای پایداری در مقابل کمانش الاستیک (elastic buckling) جان تیر می باشد. پروفایل آن به گونه ای است که از گسیختگی تیر ناشی از، از دست رفتن پایداری پیش از آن که بار نهایی جان تیر به حد تسلیم برسد، جلوگیری می کند.
رفتار ساختاری تیر ورق با جان موجدار
در ادامه به شما خواهیم گفت که تیرهای با جان سینوسی در مقابل تنش های مختلف چه رفتاری از خود نشان می دهند.
رفتار خمشی تیر ورق با جان موجدار
جان تیر فولادی موجدار به تنهایی ظرفیت برشی شاه تیرها را تامین می کند که در آن استحکام برشی توسط کمانش و یا تسلیم فولاد در جان تیر کنترل می شود و بال ها تکیه گاه مرزی جان تیر را فراهم می کنند.
در نتیجه، ورقه ی فولادی موجدار در برابر نیروهای محوری و گشتاور خمشی مقاومت نمی کند اما مقاومت بالایی نسبت به کمانش برشی دارد، همانطور که در شکل 3-1 نشان داده شده است. این اثر را می توان به عنوان یک اثر آکاردئونی تعریف کرد.
برای جبران این ضعف از شاه تیرهای بتنی پیش تنیده با جان موجدار در ساخت سوله استفاده می شود که اثر آکاردئونی کف بالایی و پایینی شاه تیر را توانمند می سازد تا به صورت کارآمد فشارها را در مقابل پیش تنیدگی تحمل کند. از این رو، کمبود توان تحمل پیش تنیدگی به طرز چشمگیری در مقایسه با سوله هایی با شاه تیر جعبه ای مرسوم کاهش می یابد.
(شکل 1-3)
توزیع نیروی محوری و گشتاور خمشی در سراسر سطح مقطع یک شاه تیر جعبه ای در شکل 4-2 نشان داده شده است. در این شکل، بال های شاه تیر جعبه ای از بتن ساخته شده اند و جان تیر بتنی با جان تیر فولادی موجدار جایگزین شده است. این شکل نشان می دهد که سهم ناچیزی از تیر ورق با جان موجدار در نیروی محوری و گشتاور خمشی بر شاه تیر وجود دارد.
(شکل 2-3)
رفتار برشی تیر ورق با جان موجدار
بر اساس آزمایشات و تحلیل های صورت گرفته تا به امروز، تایید شده است که نیروی برشی اعمالی به طور کامل توسط تیر فولادی با جان موجدار مقاومت می شود. استحکام برشی تیر ورق با جان موجدار تابعی از ارتفاع، ضخامت جان تیر و هندسه ی موج می باشد و البته دقت در ساخت تیر و عیوب جان تیر نیز نقش مهمی را در این مقاومت ایفا می کنند.
همانطور که پیش تر ذکر شد،سازندگان این تیرها موج ها پایداری را برای جان تیر فراهم کرده و نیاز به تقویت کننده های عرضی را از بین می برند که خود آن ها تاثیر ابتدایی بر استحکام برشی شاه تیرهای ورقه ای با جان تیر تخت تقویت شده ی مرسوم دارد.
جان تیر موجدار، تنش های طولی چشمگیری را از خمش اولیه ی شاه تیرها تحمل نمی کند. از این رو، استحکام برشی را می توان بدون در نظر گرفتن بر هم کنش برشی گشتاور تعیین نمود. از این رو، طراحی با این فرض انجام می شود که تمامی نیروهای برشی توسط تیر ورق با جان موجدار مقاومت می شوند. توزیع نیروی برشی در شکل 3-3 نشان داده شده است.
(عکس 3-3)
سبک‌های گسیختگی شاه تیر با تیر ورق با جان موجدار
رفتار کمانش برشی
نیروی برشی اعمال شده بر یک شاه تیر با جان تیر فولادی موجدار در ابتدا توسط جان تیر مقاومت می شود و تنش ها در تیر ورق با جان موجدار تقریباً تنش های برشی خالص هستند.
پایداری جان تیر فولادی موجدار را می توان با طراحی مناسب شکل و طول موج موج ها تضمین نمود. به طور معمول، حداقل ضخامت جان تیر با در نظر گرفتن موج ها و تنش برشی مجاز موردنیاز تعیین می شود.
سه نوع مود کمانشی وجود دارد که عبارتند از کمانش محلی، کمانش عمومی و کمانش تعاملی.
کمانش موضعی (Local Buckling)
یک سبک کمانش موضعی با ناپایداری نوار فولادی با تکیه گاه ساده بین دو چین خوردگی تحت برش یکنواخت متناظر است که این کمانش تنها برای چین خوردگی های عمیق، بحرانی است. در کمانش محلی یا موضعی، تیر ورق با جان موجدار همانند مجموعه ای از پنل های تخت عمل می کند که متقابلاً یکدیگر را در راستای لبه های عمودیشان پشتیبانی می کنند و توسط بال ها در لبه های افقی حمایت می شوند.
(عکس 1-4)
کمانش جانبی یا کلی (Global Buckling)
سبک کمانش جانبی تیر ورق با جان موجدار، سبکی است که در آن کل جان تیر فولادی موجدار کمانش می یابد. این سبک از ازهم گسیختگی در تیرهایی با چین خوردگی های کم عمق بحرانی می باشد.
(عکس 2-4)
مودهای کمانش جانبی یا کلی شامل چین خوردگی های چندگانه است و شکل کمانش یافته به صورت قطری بر عمق جان تیر گسترش می یابد.
کمانش تعاملی (Interactive Buckling)
سبک کمانش تعاملی از تعامل میان سبک‌های کمانش موضعی و جانبی حاصل می شود و همچنین سخت ترین سبک کمانش برای پیش بینی است. مطالعات پژوهشی پیشین نشان داده اند که گسیختگی کمانش تیر ورق با جان موجدار، عمدتاً به واسطه ی کمانش برش تعاملی صورت می گیرد.
رفتار پیچشی (Torsional Behavior)
در مقایسه با شاه تیرهای جعبه ای PC مرسوم، سختی خارج صفحه ای جان تیر فولادی موجدار نسبتاً کم است و از این رو سطح مقطع هایی با تیر فولادی با جان موجدار تمایل به اعوجاج دارند.
وقتی سطح مقطع دچار اعوجاج می شود، تنش های پیچشی کاهش می یابند. بنابراین، وقتی پل هایی با شاه تیر جعبه ای PC با جان تیر فولادی موجدار برای سوله های انحنادار یا پیچ دار انتخاب می شوند، لازم است که دیافراگم هایی در فواصل مناسب تعبیه شوند تا اعوجاج سطح مقطع را کنترل کنند.
بیشتر بخوانید: مزایای تیر ورق با جان موجدار برای ساخت سوله
نتیجه گیری
جان تیر فولادی موجدار که نسبت به بتن و فولاد از برتری بالایی برخوردار است و یکی از راه حل های امیدوارکننده برای کاهش وزن شاه تیرهای اصلی به شمار می رود و از این رو، بکارگیری دهانه های بلندتر امکان پذیر می شود و هزینه ی ساخت و ساز در سوله کاهش می یابد. با وجود اینکه شاه تیر با تیر ورق با جان موجدار همچنان جدید می باشد و بخصوص در ایران همچنان کمتر سوله هایی مشاهده می شود که در ساخت آنها از این نوع تیرهای مدرن استفاده شده باشد.
درپایان باید گفت مزایای فراهم شده به واسطه ی تیر ورق با جان موجدار، پتانسیل اقتصادی چشمگیری برای پروژه های طراحی و ساخت سوله به همراه آورده است.
مراجع
Rui Juan Jiang, Francis Tat Kwong Au and Yu Feng Xiao, “Prestressed Concrete Girder Bridges with Corrugated Steel Webs:Review”,Journal of Structural Engineering.
Sedky Abdullah Tohamy, Osama Mohamed Abu El Ela, Amr Bakr Saddek, Ahmed
Ibrahim Mohamed, “Efficiency of plate girder with corrugated web
Versus plate girder with flat web”,Minia Journal of Engineering and Technology,January .
B.Kovesdi, L.Dunai,”Fatigue life of girders with trapezoidally corrugated web : An Experimental Study”, International Journal of Fatigue.
M.F.Hassanein, O.F.Kharoob,”Behaviour of bridge girders with corrugated webs:(II)Shear strength and design”,Engineering Structures.
دیدگاه خود را بنویسید