یک مقطع فولاد سرد نسبت به کمانش محلی بسیار حساس تر از مقاطع نورد گرم معمولی است. تیر ورق با جان سینوسی(موجدار) به واسطه ی وزن سبک، استحکام بالا، مقرون به صرفه بودن، تنوع گسترده، سطح هموار و اندازه دقیق بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. پنل های موجود در جان تیر به عنوان صفحات تقویت کننده ای مورد استفاده قرار می گیرند که هم می توانند برش بالا و هم گشتاور بالا را در مقاطع مختلف یا در یک مقطع بسته به سیستم استاتیکی تیر تحمل کنند.
یکی از روش های کاهش ضخامت جان تیر بکارگیری ورقه های موجدار(سینوسی) به عنوان جان تیر است. با این وجود،در معرض حالتهای مختلف کمانش ازجمله کمانش موضعی و کمانش اعوجاجی در مقاطع فولاد سرد رفتارهای متفاوتی در ضخامت های متغیر می توان متصور بود.
هدف اصلی این مقاله، یافتن ظرفیت باربری حداکثر نمونه و مودهای احتمالی گسیختگی در بارگذاری دو نقطه ای در جان تیر موجدار در مقاطع فولاد سرد با ضخامت متغیر است.در مقطع I فولاد با جان تیر موجدار دارای دو بال به جان تیر جوش داده می شود که طول نمونه ثابت و برابر با 1200 میلیمتر نگه داشته می شود و ضخامت آن از 7/0 تا 9/0 و 2/1 میلیمتر تغییر می کند و نتایج برای تیری با تکیه گاه ساده در معرض یک بارگذاری دو نقطه ای مورد بررسی قرار می گیرد. نهایتاً، تحلیل عددی با استفاده از نتایج انسیس ورژن15.1 انجام میشود و برای توضیح بیشتر با نتایج آزمایشگاهی تحلیل و توجیه می شوند.
معرفی تیر های سینوسی و فواید آنها
جان تیرهای موجدار در ساختمان های فولادی و پل های بزرگراه در اروپا در سال 1960 با استفاده از آباکاس در سال 2003 استفاده شده اند. شاه تیر I با جان تیر موجدار دارای استحکام برشی خوب و استحکام خستگی بهبود یافته در مقایسه با شاه تیرهای I مرسوم با جان تیرهای تخت در پژوهش پیشین نشان داده شده است. اشکال کلی تیرهای با جان موجدار دارای دو بال و یک جان تیر می باشد که وزن کلی عرض بال در وسط یا تیری با بال لاغر به ترتیب 30-40% آن را شامل می شوند.
به طور معمول، پروفایل جان تیر به شکل ذوزنقه ای است اما همچنین می تواند مستطیلی، مثلثی، سینوسی یا هر شکل تکرارشونده ی دیگری باشد.
در تیر ورق با جان موجدار ورقه هایی با ضخامت کمتر مورد استفاده قرار می گیرند که به واسطه آن ظرفیت باربری سازه نیز افزایش خواهد یافت که در نتیجه، موجب کاهش وزن تیر شده و هزینه ی تولید کاهش می یابد و عمر مفید سازه افزایش می یابد.
معمولا حالت های گسیختگی تیرها تحت بارگذاری برشی ناشی از کمانش جان تیر رخ می دهد که در آن کمانش موضعی و کلی به ترتیب در موج متراکم و درشت به وقوع می پیوندند..
جان تیر یکی از اجزای اصلی است که با بال ها در مقاطع نورد گرم برای تشکیل اجزای تیر یا شاه تیر در تعامل است و واضح است که جان تیر ممکن است در معرض کمانش الاستیک از گشتاور برشی، خمشی و تنش های فشاری موضعی از بارهای متمرکز یا کنش ها و واکنش های سازه باشد.
وقتی تنش در سمت تحت فشار از حد بحرانی فراتر رود، جان تیر تخت، پایداری خود را از دست می دهد. تنش فشاری در جان تیر پیش از رسیدن به حد تسلیم از حد بحرانی فراتر می رود و موجب ازهم گسیختگی تیر می شود. این نوع از گسیختگی با بکارگیری جان تیر سینوسی به جای جان تیر تخت،به شکل چشم گیری کاهش خواهد یافت و این کار پایداری و استحکام بالاتری را بدون نیاز به تغییر ضخامت تیرها موجب می شود. تحت گشتاور درون صفحه ای و برش در شاه تیر، موج در صفحه فشار را پخش خواهد شد و همچنین پیچش خارج صفحه ای به سرعت رخ خواهد داد.
در ادامه نظریه تیر معمولی برای تحلیل رفتار خمش درون صفحه ای مقاطع فولادی مورد استفاده قرار خواهد گرفت. و همچنین مسئله ی خمش عرضی بال برای رفتار پیچش خارج صفحه ای مقاطع فولادی تحلیل خواهد شد در طی این اتفاق استحکام برشی ورقه ی فولادی جان تیر کاهش خواهد یافت و کمانش ورقه ی جان تیر رخ خواهد داد.
محققان پیشین شاه تیرهای I شکل با موج ذوزنقه ای مقطع نورد گرم را بررسی کرده اند و پژوهش در مورد فولاد سرد(CFS) به تیر I شکل محدود می باشد. در این تیرها برای عضو خمشی در معرض بار سبک تا متوسط، مقطع I شکل با بال لاغر و جان تیر تخت ممکن است کافی باشد که بال لاغر با فراهم نمودن پهنای بیشتر تقویت می شود. که جان تیر لاغر با بکارگیری موج نیز تقویت می شود.
در سال های اخیر، مطالعات محدودی در مورد تیر I شکل با موج ذوزنقه ای با ضخامت متغیر گزارش شده اند. و ما سعی داریم این مقاله جزئیات این مطالعات را نیز توصیف خواهیم کرد.
هدف اصلی این مقاله، مطالعه ی تحلیل کمانش جان تیرهای موجدار در مقاطع فولاد سرد با تغییر ضخامت تحت بارگذاری دونقطه ای می باشد. در این مطالعه، سه نمونه با تغییر ضخامت مورد آزمایش قرار گرفته اند. طول نمونه ثابت، و 1200 میلیمتر نگه داشته می شود و ضخامت جان تیرها از 7/0 تا 9/0 تا 2/1 میلیمتر تغییر می کند و بار در یک سوم فاصله از کل دهانه اعمال می شود. در نقطه بارگذاری و تکیه گاهی، ورقه های تقویت کننده به منظور اجتناب از گسیختگی و توزیع غیریکنواخت بار جایگذاری می شوند و بارگذاری دونقطه ای در معرض تکیه گاه ساده مورد بررسی قرار می گیرد. مدل عددی با استفاده از نرم افزار المان محدود انسیس 15.1 توسعه داده می شود که هم شامل غیرخطی بودن هندسی و هم مادی است و با نتایج آزمایشگاهی برای تایید مقایسه می شود که درنهایت حداکثر ظرفیت باربری از نتایج آزمایشگاهی بدست می آید.
بررسی آزمایشگاهی تیر سینوسی با فولاد سرد
نمونه ها با استفاده از ورقه های فولاد سرد محلی و در دسترس ساخته شده اند. ورقه ی CFS 7/0، 9/0 و 2/1 میلیمتری برای بال ها و جان تیر استفاده شده اند. بال ها و جان تیر با یک جوش نازک پیوسته به هم متصل می شوند. پروفایل تیر I شکل با جان تیر موجدار در شکل 1 نشان داده شده است. پروفایل جان تیر موجدار در شکل 2 نشان داده شده است. در نقطه بارگذاری، تقویت کننده ها جایگذاری می شوند تا از گسیختگی و توزیع غیریکنواخت بار در سراسر مقطع اجتناب شود. نمونه های ساخته شده در شکل 3 نشان داده شده اند. جزئیات نمونه های ساخته شده و ابعاد آن ها با برچسب گذاری در جدول 1 آورده شده است.
جدول 1- ابعاد نمونه ها
شکل 1- پروفایل تیر I شکل با جان تیر موجدار
شکل 2- ابعاد جان تیر موجدار
شکل 3- نمونه های ساخته شده
آزمون کوپن (COUPON TEST)
خواص مادی نمونه های CFS توسط آزمون های کوپن کششی تایید شده توسط استاندار هندی IS 1608-2005 (بخش 1) مورد بررسی قرار گرفته اند. جزئیات نمونه و ابعاد آزمون کوپن در شکل 4 نشان داده شده اند. استحکام کششی نمونه توسط آزمون کوپن بدست می آید که شامل دو ناحیه است، یک بخش مرکزی و دو بخش انتهایی که انتظار می رود گسیختگی در بخش مرکزی به وقوع بپیوندد. انتهای نمونه ها با گیره هایی به دستگاه آزمون محکم می شوند.
شکل 4- جزئیات ابعاد و نمونه پس از آزمون
مقادیر استحکام آزمون متناظر در جدول زیر فهرست شده اند.
جدول 2- مقادیر بدست آمده از آزمون کوپون
تنظیم آزمون
نمونه ها در قاب های بارگذاری تحت بارگذاری دو نقطه ای در فاصله ی L/3 تست شده اند. دیاگرام شماتیک تنظیم آزمون در شکل 5 نشان داده شده است. نمونه ها دارای تکیه گاه ساده در قاب بارگذاری می باشند و بار ازطریق سلول های باری انتقال داده می شود که خیز و نموی بار را در نمونه ها اندازه گیری می کند و تمامی داده ها در سیستم اکتساب داده ها را در ادامه گزارش داده ایم.
شکل 5- دیاگرام شماتیک تنظیم آزمایشگاهی
تحلیل عددی و اعتبارسنجی نتایج
سه نمونه ی آزمون تیر I شکل با جان تیر سینوسی که دارای شکل ذوزنقه ای هستند به صورت عددی با استفاده از تحلیل المان محدود به وسیله نرم افزار انسیس 15.1 تحلیل شده اند که با نتایج بدست آمده می توان اندازه ی مش (شبکه بندی) مناسب را انتخاب کرد.
ظرفیت باربری هر سه نمونه با ضخامت متغیر با مدلسازی عددی اعتبارسنجی می شود. از نتایج آزمایشگاهی، ظرفیت باربری خوبی را بخصوص با نتایج عددی بدست آمده نشان می دهند و براساس نتایج بدست آمده در کیفیت و میزان جوشها در بخش جان تیر رفتار مکانیکی نمونه تاثیر زیادی را نشان می دهد و با اعمال مقداری جوش در نقاط اتصال میزان مقاومت نمونه تغییر می کند.
ظرفیت باربری و مودهای شکست هر نمونه در جدول زیر آورده شده اند.
جدول 3- نتایج آزمایشگاهی
بررسی مودهای کمانش تیر سینوسی
کمانش موضعی در بالای بال تحت فشار
گسیختگی تقویت کننده در نقطه بارگذاری
(شکل 6- مودهای کمانش برای نمونه 1)
گسیختگی جان تیر موجدار در نقطه بارگذاری
کمانش محلی در بالای بال تحت فشار
(شکل 7- مودهای کمانش برای نمونه 2)
کمانش محلی در بالای بال تحت فشار
کمانش اعوجاجی
(شکل 8- مودهای کمانش برای نمونه 3)
از نتایج حاصل، تمامی نمونه ها در ابتدا توسط کمانش محلی در قسمت فوقانی بال تحت فشار در اثر کمانش اعوجاجی گسیخته می شوند. تقویت کننده ها در نقطه بارگذاری در نمونه 1 گسیخته می شوند. شکل خیز بدست آمده از روش المان محدود مشابه با مودهای کمانشی آزمایشگاهی گسیختگی است. از نتایج حاصل از روش های عددی و آزمایشگاهی، ما دریافتیم که ظرفیت باربری با افزایش ضخامت، افزایش می یابد.
شکل 9- منحنی تنش-کرنش
این مقادیر آزمایشگاهی منحنی تنش-کرنش را در شکل 9 نشان می دهند. از این نمودار، نمونه 3 تنش حداکثر را در مقایسه با نمونه های دیگر نشان می دهند. این نمونه در ابتدا تحت کمانش محلی فشاری قرار می گیرد و سپس کمانش اعوجاجی اتفاق می افتد. سفتی نمونه نیز برای نمونه 3 در مقایسه با نمونه های دیگر بیشتر است زیرا ضخامت افزایش می یابد. نمودارهای بار در مقابل خیز، سفتی در برابر ضخامت در شکل های 10 و 11 نشان داده شده اند. بنابراین، ظرفیت باربری نیز با افزایش ضخامت، افزایش می یابد.
شکل 10- منحنی بار-جابجایی
شکل 11- منحنی سفتی
نتیجه گیری
بررسی مفصل در مورد رفتار ساختاری جان تیرهای موجدار در مقاطع فولاد سرد با ضخامت متغیر در این مقاله توصیف شده اند. هم تحلیل آزمایشگاهی و هم تحلیل عددی برای درک بهتر رفتار اجزای فولاد سرد بررسی شدند. و مدل المان محدود نمونه با استفاده از انسیس 15.1 آماده شده اند.
بر اساس این بررسی، نتایج زیر به صورت زیر خلاصه بندی شده اند.
- وقتی ضخامت تیر سینوسی افزایش می یابد، ظرفیت باربری نیز در مقاطع فولاد سرد با جان تیر موجدار افزایش می یابد.
- گسیختگی فشاری در جان تیر سینوسی به دلیل موج در جان تیر کاهش می یابد.
- اتصال بین جان تیر موجدار و تقویت کننده ها منجر به اتصال موثر می شود که ناشی از جوش نقطه ای در فواصل منظم است.
- تحلیل المان محدود به منظور اعتبارسنجی نتایج آزمایشگاهی انجام شده است و از این نتایج تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی نمونه بدست آمده است.
- در مقایسه با تیرهای تخت، تیر ورق با جان سینوسی موجب کاهش وزن تیر شده اند.
- نتایج آزمایشگاهی نشان می دهند که گسیختگی مقطع عمدتاً به دلیل کمانش ورقه های بال و کمانش اعوجاجی اتفاق می افتد.
مراجع
Abbas HH, Sause R, Driver RG. The behavior of corrugated web I-girders under inplane loads, Journal of Structural Engineering, 123(2008) 806-14.
Elgaaly M, Seshadri A, Hamilton R. Bending strength of steel beams with corrugated webs, Journal of Structural Engineering, 123(1997) 165-74.
Abbas HH, Sause R, Driver RG. Analysis of flange transverse bending of corrugated web I-girders under in-plane loads, Journal of Structural Engineering, 133(2007) 347-55.
Elgaaly M, Seshadri A, Hamilton R. Bending strength of steel beams with corrugated webs, Journal of Structural Engineering, 123(1997) 165-74.
Chan CL, Khalid YA, Sahari BBA, Hamouda M. Finite element analysis of corrugated web beams under bending, Journal of Constructional Steel Research, 58(2002) 1391-1406.
Elamary Ahmed S. Nonlinear behavior analysis of steel beams with flat or corrugated webs at elevated temperatures, Journal of Engineering Sciences, 36(2008) 657-73.
Arunkumar G, Sampathkumar P, Sukumar S. Investigation on cold – formed steel lipped I beam with trapezoidal corrugation in the web by varying depth, International Journal of Innovative Research and Development, 2(2013) 234-42.
Hassan H Abbas, Richard S, Robert G. Driver simplified analysis of flange transverse bending of corrugated web i-girders under in-plane moment and shear, Journal of Engineering Structures, 29(2007) 2816-24.
Romeijn A, Sarkhosha R, Huigert de Hoop. Basic parametric study on corrugated web girders with cut outs, Journal of Constructional Steel Research, 65(2009) 395-407.
Ngoc Duong Nguyen, Seung-Ryong Han, Young-Jong Kang. Lateral-torsional buckling of tapered I-girder with corrugated webs, The 6th International Symposium on Steel Structures, (2011) 3-5.
Elgaaly M, Hamilton RW, Seshadri A. Shear strength of beams with corrugated webs, Journal of Structural Engineering, 122(1998) 390-8.
دیدگاه خود را بنویسید