بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهینه سازی ساخت پل ها و سوله های صنعتی با استفاده از ترکیب رده های مختلف فولاد مصرفی در اجزای تیرورق ها
خلاصه
فولاد در انواع مختلف و با خواص و مقاومت های متنوع تولید می گردد. با توجه به اهمیت استحکام کششی فولاد، آن ها را بر اساس مقاومت تسلیم شان در کشش طبقه بندی می کنند. بر اساس آیین نامه DIN آلمان، فولاد های ST37 و ST52 که از رایج ترین انواع فولادها هستند، به ترتیب دارای مقاومت نهایی 3700 و 5200 کیلوگرم بر سانتی متر مربع می باشند. اگرچه متداول ترین و ساده ترین روش در ساخت سازه های فولادی، استفاده از پروفیل های نوردشده می باشد، ولی استفاده از مقاطع تیرورق بدلیل امکان انتخاب بهینه ابعاد اعضاء و نیز امکان ترکیب رده های مختلف فولاد در اجزای مختلف باربر می تواند اقتصادی تر باشد. در این پژوهش، یک سوله تک و یک سوله دوقلو با دهانه های 15 متری و یک پل فولادی 4 دهانه با استفاده از ترکیب رده های مختلف فولاد ST37 و ST52 در المان های مختلف باربر ، شامل بال، جان و اتصالات در نرم افزار SAP2000-v15.1 مدل سازی، تحلیل و طراحی شد. نتایح نشان می دهد که ترکیب فولادهای با مقاومت تسلیم کمتر در اجزای کمتر باربر و فولادهای با مقاومت تسلیم بالاتر در اجزای بیشتر باربر، وزن کل فولاد مصرفی در پل های عرشه فولادی، سوله های تک دهانه و سوله های دو دهانه را در مقایسه با استفاده از فقط فولادهای نرمه، به ترتیب 22/79، 22/53 و 18/11 درصد و در مقایسه با استفاده از فقط فولادهای پراستحکام به ترتیب 10/12، 10/03 و 9/12 کاهش می دهد.
کلمات کلیدی: تیرورق، استحکام کششی، بهینه سازی، سوله، پل عرشه فولادی
1. مقدمه
امروزه افزایش روز افزون جمعیت و تقاضا برای مواد اولیه و کاهش منابع طبیعی اهمیت بهینه سازی در صنعت سازه را دوچندان می کند. یکی از راه حل های این مشکل استفاده از فولاد با مقاومت بالا در ساخت سازه های صنعتی ، ساختمانی و غیره است.
فولاد پرمقاومت و کم آلیاژ با افزودن مقادیر ناچیزی کرم، مس، منگنز و غیره به فولاد های کم کربن ساخته می شود. ریز شدن دانه ها و رسوب سختی ناشی از عناصر میکروآلیاژی در پایان فرآیند نورد گرم سبب افزایش استحکام فولادهای پرمقاومت می شود، بطوری که تنش تسلیم فولاد با گرید ST52 حدود یک و نیم برابر ST37 خواهد شد. لذا استفاده از فولاد های پرمقاومت در بخش های کلیدی اجزای سازه تحول شگرفی در کاهش وزن، اقتصادی شدن ساخت و افزایش کارایی اجزای سازه ای ایجاد می نماید. در این تحقیق تغییرات وزن و هزینه های ساخت پل و سوله با استفاده از فولاد ST37 ، ST52 و ترکیب آن ها مورد بررسی قرار می گیرد.
2. معرفی مصالح مصرفی
فولاد یکی از مصالح ساختمانی با کاربرد فراوان در انواع سازه ها است. در این تحقیق تیرورق های پل و سوله با استفاده از فولاد نرمه ، فولاد پرمقامت و ترکیبی از این دو رده فولاد ساخته شده اند. تفاوت اصلی این دو رده از فولاد در استحکام کششی آن ها می باشد. استحکام کششی مهم ترین پارامتر فولاد است که مقدار آن برای طراحان حائز اهمیت است .
.1,2 فولاد نرمه :
فولاد های کربن دار ساختمانی در رده کربن ملایم قرار دارند و به آن ها فولاد نرمه می گویند. حداکثر کربن فولاد نرمه ST37 بسته به ضخامت ، مابین 0/25 الی 0/29 درصد می باشد. فولادهای ST37 در رده فولاد نرمه (کربن دار) با تنش تسلیم بین 2200 تا 2600 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و تنش نهایی بین 3400 تا 3800 کیلوگرم بر سانتی مترمربع قرار دارند.
. 2,2 فولادهای پرمقاومت کم آلیاژ :
این فولادها با افزایش مقادیر ناچیزی آلیاژ نظیر کرم، کلمبیم، مس، منگنز، مولیبدن، نیکل، فسفر، وانادیم و زیرکنیم، نسبت به فولادهای کربن دار ، به دست می آیند. افزایش آلیاژهای فوق باعث ریزتر شدن ساختمان بلوری آهن و در نتیجه افزایش مقاومت آن می شود. فولادهای ST52 در رده فولادهای پرمقاومت کم آلیاژ قرار گرفته، تنش تسلیم آن ها بین 3200 تا 3800 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و مقاومت گسیختگی 4600 تا 5400 کیلوگرم بر سانتی مترمربع را داراست.
3. روند انجام پژوهش
در این تحقیق یک پل چهار دهانه و دو سوله تک دهانه و دو دهانه در نرم افزار SAP2000- v15.1 مدل سازی شده اند، اعضای اصلی سازه ها از تیرورق ساخته شده اند. مهم ترین فاکتور طراحی، اساس مقطع خمشی اعضا است و رابطه ی اساس مقطع خمش یک تیرورق مطابق با رابطه ی 1 است، در این رابطه عوامل تعیین کننده مساحت بال ها و فاصله ی آن ها از مرکز سطح مقطع تیرورق هستند که با افزایش فاصله بال ها از مرکز سطح سبب بزرگ تر شدن مقدار اساس مقطع خمش می شوند، لذا با افزایش مقاومت بال ها نسبت به جان تیرورق می توان وزن عضو را کاهش داده و به اساس مقطع خمش مورد نظر دست یافت.
که در آن A و d به ترتیب مساحت مقطع بال و فاصله از مرکز سطح مقطع بال تا مرکز سطح تیرورق است. مشخصات سازه های مدل سازی شده به شرح جدول 1 می باشد.
نمای کلی سازه های مدل سازی شده در شکل های 1 تا 3 نشان داده شده است.
4. فرضیات تحلیل و طراحی :
جهت بارگذاری ثقلی و بار جانبی باد از مبحث ششم مقررات ملی ساختمان استفاده شده است.[1] به منظور بررسی، بر اساس مباحث ششم و دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1388 که مربوط به ضوابط بارهای وارد بر ساختمان بوده و طرح و اجرای ساختمان های فولادی ویرایش 1387 جهت آنالیز و طراحی سوله ها[2] و نیز آیین نامه بارگذاری پلها – نشریه شماره 139 جهت انجام محاسبات بارگذاری[3] و آیین نامه طرح پلهای راه و راهآهن در برابر زلزله – نشریه 463 جهت طراحی عرشه پل فولادی استفاده شده است.[4]
در این تحقیق در تنظیمات آیین نامه ای نرم افزار، جهت طراحی از روش تنش مجاز ، آیین نامه [5] AISC-ASD89 استفاده گردیده است. آیین نامه های مذکور تطابق قابل قبولی با روش موجود در مبحث دهم مقررات ملی دارد.
5. بررسی نتایج تحلیل و طراحی :
به منظور بررسی میزان تغییرات وزن سازه ها، المان های اصلی پل و سوله ها از تیرورق هایی با مشخصات یک بار از نوع فولاد ST37 و بار دیگر از نوع فولاد ST52 و نهایتا یک بار با استفاده از ترکیب فولادهای ST37 و ST52 با استفاده از فرضیات و مشخصات بند 3 طراحی شدند و وزن مصالح فولادی در هر یک از مدل ها محاسبه شدکه نتایج آن در ادامه بصورت جداول و نمودارها نشان داده شده است.
. 1,5 نتایج طراحی پل فولادی چهار دهانه :
احداث شبکه راه های ارتباطی و توسعه صنعت حمل و نقل، از مهم ترین عوامل پیشرفت اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی هر کشور می باشد. معمولا در مسیر هر قطعه راه یا راه آهن، متناسب با شرایط منطقه تعدادی پل ساخته می شود که هزینه هر واحد طول آن ها ده ها برابر طول مشابه راه و یا راه آهن متصل به آن هاست. از این رو احداث پل ها از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. نظر به اینکه وسایل نقلیه عبوری از پل ها متنوع و مطالعه این سازه ها در مقابل تمامی بارهای واقعی پیچیده و حجیم می باشد، در کشورهای مختلف با پاره ای مطالعات تحلیلی و به کارگیری قواعد آمار و احتمالات، مجموعه ای از بارهای استاندارد که اثر آن ها معادل بحرانی ترین حالت های ترافیک واقعی باشد تعیین و پل های مختلف برای این بارها طراحی می شوند. دستورالعمل فنی شماره 11 اولین آیین نامه کشور بود که در سال 1336 توسط هیئتی متشکل از نمایندگان وزارت راه و سازمان برنامه و بودجه با بررسی آیین نامه های کشورهای مختلف تدوین گردید. در سال های 1353 و 1370 آیین نامه مذکور با بررسی اوضاع ترافیکی موجود راه های کشور مورد بررسی مجدد و ویرایش قرار گرفت.
پس از اعمال انواع بارهای دایمی و بارهای بهره برداری، ضرایب دینامیکی، نیروی ترمز و شتاب، نیروهای گریز از مرکز، اثر باد، دما و زمین لغزش بر اساس نشریه – 139 آیین نامه بارگذاری پل ها تحلیل و سپس با استفاده از سه تیپ مختلف با استفاده از فقط فولاد مصرفی ST37، فقط فولاد مصرفی ST52 و استفاده از ترکیب فولادهای مصرفی ST37 و ST52 بر اساس آیین نامه طراحی پل ها – نشریه شماره – 463 طراحی و پس از بهینه سازی مدل ها، برآورد اوزان فولادهای استفاده شده بر اساس جدول 2 و نمودار شکل 4 بدست آمد.
