بخشی از مقاله
بررسی اثر کاربرد فولادهای HPS بر رفتار خمشی پلهای متشکل از تیرورقهای I شکل خمیده
چکیده
مطالعات پارامتریک با هدف بررسی اثر فولاد HPS 70W بر رفتار کلی و مقاومت خمشی پلهای متشکل از تیرورقهای
فولادی I شکل خمیده در پلان انجام شده است. برای مدلسازی از نرم افزار اجزاء محدود ABAQUS استفاده، و صحت آن از طریق مقایسه با نتایج تجربی موجود کنترل شد. بر اساس نتایج بدست آمده، استفاده از فولاد با عملکرد بالا در بال تیرورقها
سبب افزایش چشمگیر مقاومت خمشی نسبت به حالت کاربرد فولاد معمولی شده و این امر میتواند کاهش ابعاد بال و در نتیجه کاهش وزن را به همراه داشته باشد. علاوه بر این ظرفیت خمشی مقاطع هیبریدی نسبت به مقاطع هموژن ساخته شده از فولاد HPS 70W، به دلیل تسلیم زودهنگام جان، اندکی کاهش مییابد.
کلمات کلیدی
تیرورقهای I، پلهای خمیده در پلان، فولاد با عملکرد بالا (HPS 70W)
– 1 مقدمه
-1-1 معرفی و تاریخچه تولید فولادهای با عملکرد بالا (HPS)
در سال 1994 در ایالات متحده آمریکا، برنامه تحقیقاتی مشترکی با همکاری وزارت راه (FHWA )، مؤسسه تحقیقات فولاد (AISI) و نیروی دریایی، جهت تولید و کاربرد فولادهای با عملکرد بالا در پلسازی آغاز شد. در پی تلاشهای بعمل آمده،
ابتدا فولاد HPS 70W در سال 1996، و سپس فولادهای HPS 50W و HPS 100W تا پایان سال 2002 تولید و به بازار عرضه
شدند. انواع ردههای این فولاد بوسیله سه حرف HPS در ابتدای نام مشخص میشوند. در کنار آن عددی که بیانگر حداقل تنش تسلیم است بر حسب ksi ذکر میگردد. در انتها نیز حرف W که نشاندهندهی فولادهای مقاوم در برابر خوردگی1 است،
قرار میگیرد.
پیشرفتهای چشمگیر ایجاد شده در صنایع فولاد، از جمله روش تولید 2TMCP، سبب بهبود ساختار مولکولی ورقها و در
نتیجه بهبود خواص مکانیکی و جوشپذیری آنها میشود. فولادهای HPS تولید شده در آمریکا، از لحاظ مقاومت کششی،
چقرمگی، جوشپذیری، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت شکلپذیری عملکرد بهتری نسبت به فولادهای معمولی دارند و
این ویژگیها سبب شده تا از آنها به عنوان مصالح پلسازی قرن جدید یاد شود .[1]
-2-1 استفاده از فولادهای HPS در آمریکا
تجربیات بدست آمده از طراحی و ساخت پلهای مستقیم با استفاده از فولادهای HPS، حاکی از اثر مقاومت بالای این نوع فولاد بر کاهش تعداد تیرورقها و در نتیجه کاهش وزن و هزینه، کاهش عمق، افزایش طول دهانه و کاهش تعداد پایهها می-باشد. بررسیها نشان داده است که استفاده از فولادهای HPS در پلهای داری دهانههای متوسط و بلند، میتواند تا 20 درصد کاهش وزن سازه را به دنبال داشته باشد .[2]
فولاد HPS 70W برای اولین بار در ساخت پل اسنایدر3 در ایالت نبراسکا استفاده شد. این پل، یک دهانهی ساده به طول 45.7 متر داشت و متشکل از پنج تیرورق به عمق 1.37 متر بود. این تجربه نشان داد که استفاده از فولاد HPS 70W، تغییر
چندانی در روند ساخت پلها ایجاد نمیکند. تجربهی بدست آمده از کاربرد فولاد HPS 70W در ساخت پل SR53، در ایالت تِنِسی4 حاکی از 24.2 درصد کاهش وزن فولاد و 10.6 درصد کاهش هزینهها بود. استفاده از فولاد HPS 70W در طراحی
مجدد پل موتزس کیل5 در ایالت نیویورک، که طرح اولیهی آن بر مبنای فولاد معمولی 50W ارائه شده و شامل دو دهانهی پیوسته بود، منجر به افزایش طول دهانه و حذف پایه داخلی شد.
محققین شرکت مهندسی 6HDR و دانشگاه نبراسکا-لینکولن7 مطالعاتی برای مقایسه هزینه پلهای ساخته شده از فولادهای
معمولی و فولادهای HPS ترتیب دادند. نتایج این مطالعات حاکی از کاهش عمق و وزن تیرورقها در نتیجهی استفاده از فولاد HPS 70W بود. طبق نتایج بدست آمده، استفاده از فولاد HPS 70W در بالها، و فولاد معمولی 50W در جان بیشترین صرفه-ی اقتصادی را به دنبال دارد. بر این مبنا راهنمای [3] AASHTO HPS، طراحان را به استفاده از تیرورقهای هیبریدی متشکل از فولاد HPS 70W و فولاد معمولی 50W ترغیب مینماید.
-3-1 اهداف پژوهش
کاربرد فولاد HPS 70W به صورت همگن و همچنین در ترکیب با فولاد معمولی 50W به صورت هیبریدی منجر به افزایش
مقاومت مقاطع و احتمالاً کاهش وزن و ابعاد سازه میشود. در این پژوهش بررسی تأثیر نوع فولاد بر مقاومت خمشی پلهای
متشکل از تیرورقهای Iشکل خمیده در افق مدّ نظر است. با توجه به لزوم کنترل مقاومت سازهی پل در تمام مراحل ساخت [4]، مطالعات پارامتریک با هدف بررسی اثر مصالح بر مقاومت خمشی تیرورقهای I در حالت غیر کامپوزیتی انجام میشود.
شبیهسازی و تحلیل با روش اجزاء محدودکاملاً غیر خطی بوسیله نرمافزار انجام و صحت آن از طریق
مقایسه با نتایج آزمایشهای تجربی کنترل میشود.
-2 روش مطالعه
-1-2 خصوصیات هندسی و جزئیات مدلها
در مطالعات پارامتریک، مدل یک پل متشکل از 4 تیرورق خمیدهی G1 تا G4 به فاصله عرضی 3.417 متر و شعاع انحنای 70 متر در محل محور مرکزی عرشه، در نظر گرفته شده است. نمایی از این مدل در شکل (1) مشاهده میشود. طول قوس تیرورق بیرونی برابر 27.3 متر است. ابعاد هندسی اجزای تیرورقها و سختکنندهها مطابق جدول (1) میباشد.سیستم پل شامل 6 عدد قاب عرضی با آرایش ضربدری بوده و اعضای آن پروفیل نبشی L200x20x20 میباشند. نحوه قرارگیری قاب-های عرضی بصورت شعاعی است و زاویهی مرکزی نظیر خمیدگی8 را به پنج قسمت مساوی تقسیم مینمایند. محل سخت-
کنندههای عرضی در شکل (2) ارائه شده و در محل قابهای عرضی، سختکنندههای اضافی تعبیه میشود.
برای بررسی اثر کاربرد فولاد HPS 70W و مقایسه آن با فولاد معمولی 50W، مدل پل در سه حالت مجزا تحلیل شده است.
در دو حالت اول و دوم به ترتیب از فولاد معمولی 50W و فولاد HPS 70W در ساخت کلیهی اجزای تیرورقها به صورت هموژن و در حالت سوم از فولاد HPS 70W در ساخت بالها و فولاد معمولی 50W در ساخت جان و سختکنندهها به
صورت هیبریدی استفاده میشود. جهت جلوگیری از تسلیم قابهای عرضی در هر سه حالت، جنس آنها از فولاد M270M ردهی 690 با فرض رفتار الاستو – پلاستیک کامل در نظر گرفته شده است.
شکل :1 شرایط تکیهگاهی و بارگذاری مدل اجزاء محدود
شرایط تکیهگاهی و نحوهی بارگذاری پل نیز در شکل (1) نشان داده شده است. مطابق این شکل، هشت بار متمرکز با بزرگی
یکسان در فاصله یکدهم طول دهانه از محور وسط تیرورقها (شکل(2 اعمال شده و در همهی مدلها ثابت میباشد. این بارگذاری به نحوی است که منجر به شکست خمشی تیرورق G1 (تیرورق خارجی) میشود. تکیهگاه سمت چپ از نوع ثابت
و تکیهگاه سمت راست از نوع انبساطی در نظر گرفته شده و به منظور حذف تنشهای حرارتی، راستای آزادی تکیهگاه انبساطی در جهت Y انتخاب شده است.
بال و جان تیرورق G1 فشرده و لاغری آنها به ترتیب میباشد. همچنین با توجه به ابعاد هندسی
تیرورق، نسبت جانبی مقطع آن و نسبت طول به عمق آن خواهد بود.
