بخشی از مقاله
خلاصه
تیرهای لانهزنبوری یکی از مقاطع متداول در پوشش سقفها میباشند . در این مقاطع، با استفاده از برش زیگزاگ جان تیرهای I شکل نورد شده، همچنین بدون افزایش وزن مصالح مصرفی، میتوان تیری با مقاومت و سختی بیشتر به دست آورد. با استفاده از عملکرد مختلط این تیرها میتوان از وقوع کمانش پیچشی-جانبی جلوگیری کرد. در این مقاله با استفاده از تحلیل اجزای محدود، رفتار کمانش الاستیک تیرهای لانهزنبوری همراه با دال بتنی بررسی شده است. به طوری که طول و محل دال بتنی به عنوان یک متغیر در نظر گرفته شده و تغییرات مود و مقاومت کمانشی تیرها بررسی شده است. نتایج نشان میدهد که طول و محل قرار گیری دال بتنی نقش چشمگیری در مود و مقاومت کمانشی تیرهای لانهزنبوری مختلط ایفا میکند.
1. مقدمه
تیرهای لانهزنبوری یکی از مقاطع متداول در سازههای فولادی میباشند. این تیرها معمولا به عنوان تیرهای پوشش سقف مورد استفاده قرار میگیرند. برای ساخت این مقاطع، با توجه به الگوی زیگزاگ مورد نیاز، جان تیرهای I شکل نورد شده را بریده و پس از جابجایی، دو قسمت را با جوش به هم متصل میکنند. با انجام این فرایند، مقطعی با ارتفاع بیشتر و هموزن تیر اصلی به دست میآید که اساس مقطع بزرگتری دارد. به عبارت دیگر بدون افزایش وزن فولاد مصرفی، تیری با مقاومت و سختی بیشتر به دست خواهد آمد. از طرف دیگر، با توجه به مقاومت فشاری خوب بتن، مقاومت کششی خوب فولاد و همچنین عملکرد مختلط فولاد و بتن، میتوان مقطعی مقاوم و اقتصادی به دست آورد.
در سال Kerdal 1984 و [1] Nethercot به بررسی مودهای گسیختگی تیرهای لانهزنبوری پرداختند. آنها شش مود گسیختگی اصلی را برای تیرهای لانهزنبوری معرفی کردهاند. در این بین سه مود کمانشی به عنوان ناپایداریهای عمده تیرهای لانهزنبوری معرفی شده است: - 1 - کمانش پیچشی-جانبی؛ - 2 - کمانش موضعی جان و - 3 - کمانش برشی جان. در سال 1998، Redwood و [2] Demirdjian با استفاده از مطالعات آزمایشگاهی، کمانش برشی تیرهای لانه زنبوری را مورد بررسی قرار دادند. به طور کلی طبق نتایج ارائه شده میتوان گفت کمانش وجه مایل بازشوها به مقدار نیروی افقی منتجه، ابعاد بازشوها و سختی بال مقطع قابل بستگی دارد. با این توضیح، کمانش برشی در پانلهای نزدیک به محل بارگذاری متمرکز، یعنی در نزدیکی محل برش حداکثر، قابل وقوع است. در سال 2004، [3] Mohebkhah با انجام تحلیل اجزای محدود در تیرهای لانهزنبوری CPE140 با طولهای مختلف، ضریب یکنواختی لنگر را برای حالت کمانش غیرارتجاعی مورد بررسی قرار داد. نتایج نشان میدهند که ضریب یکنواختی لنگر برای تیرهای لانهزنبوری در حالت کمانش غیرارتجاعی مقدار ثابتی نبوده و با توجه به لاغری تیر تغییر میکند، یعنی هرچه لاغری تیر کوچکتر باشد، ضریب یکنواختی لنگر مقدار کوچکتری خواهد بود. در سال 2006 ، Zirakian و [4] Showkatiکمانش اعوجاجی تیرهای لانهزنبوری را مورد بررسی قرار دادند. نتایج ارائه شده نشان میدهند که تیرهای لانهزنبوری، با توجه به افزایش ارتفاع جان، مستعد اعوجاج جان هستند. همچنین مقایسه صورت گرفته بین روابط تحلیل کمانش پیچشی-جانبی و نتایج حاصل از آزمایشگاه نشان میدهد که این روابط قادر به پیشبینی مناسبی از نیروی حد کمانش هستند. در این مقاله تاثیر طول و محل دال بتنی بر مود و مقاومت کمانشی تیرهای لانهزنبوری مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی انجام شده به وسیله تحلیل اجزای محدود میباشد. نتایج نشان میدهد که طول و محل قرارگیری دال بتنی نقش بسیار چشمگیری در مود و مقاومت کمانشی تیرهای لانه زنبوری مختلط ایفا میکند.
2. ساخت و کاربرد تیرهای لانهزنبوری
برای ساخت تیرهای لانهزنبوری ابتدا جان تیرهای نورد شده با استفاده از دستگاه برش به صورت زیگزاگ بریده شده و سپس دو قسمت جابجا شده و وجوه مقابل به یکدیگر جوش می شوند. برای برش از دو روش »برش هوا گاز« و »روش گیوتین« استفاده میشود. در روش گیوتین به علت فشار فکهای دستگاه، ترکهای مویی در محل برش به وجود میآید که ظرفیت خمشی تیر را کاهش میدهد. طرح برش زیگزاگ بسته به عملکرد خواسته شده و طراحی صورت گرفته تعیین میگردد. امروزه تیرهای لانهزنبوری به عنوان تیرهای فرعی در پوشش سقفهای کامپوزیت و یا عرشه فولادی، مورد استفاده قرار میگیرند. با توجه به افزایش سختی این تیرها نسبت به وزنشان، میتوان حداقل خیز و حداکثر کارآیی را به دست آورد. هم چنین با توجه به وجود بازشوها در جان، امکان عبور تاسیسات از این قسمتها وجود دارد که به نحوی موجب کاهش ضخامت سقف میگردد. در سقفهای کامپوزیت با عملکرد مختلط، بال بالای تیر و دال بتنی با یکدیگر تشکیل یک المان فشاری مقاوم و پایدار میدهند که باعث ایجاد تیری با مقاومت و کارایی بیشتر میشود. برای رسیدن به عملکرد مختلط، از برشگیرهایی بر روی بال بالا در تیر فولادی استفاده میشود تا برش موجود در محل تماس بتن و فولاد، به دال بتنی منتقل شود و به این ترتیب مقطعی یکپارچه به دست آید.
3. مدل اجزای محدود
در این مقاله برای مدلسازی از نرمافزار Abaqus و روش مقادیر ویژه - Eigenvalue - استفاده شده است. این روش قادر است مود و مقاومت کمانش الاستیک را پیشبینی کند. برای این منظور با حل دترمینان سختی کاهش یافته سازه، باری که موجب صفر شدن این دترمینان میشود، به عنوان بار کمانش معرفی میشود. در این روش مود اول دارای کمترین مقدار بار بحرانی است و به عنوان مود غالب شناخته میشود. در این تحقیق تنها مود اول برای تعیین شکل مود و مقاومت کمانشی تیرها در نظر گرفته شده است.
4. راستیآزمایی
با استفاده از مقاله Al-Zuhairi و [5] Mansi مدل اجزای محدود راستیآزمایی شده است. در سال 2015، Al-Zuhairi و Mansi با استفاده از نمونههای آزمایشگاهی، رفتار تیرهای لانهزنبوری مختلط را مورد بررسی قرار دادهاند . نمونهها از مقطع نورد شده IPEAA-134 و با هندسههای مختلف بازشو میباشند. دال بتنی با مقاومت فشاری 45 مگاپاسکال، به ضخامت 6 سانتیمتر و عرض 45 سانتیمتر به تیر متصل شده است. کلیه تیرها دو سر ساده و تحت دو بار متمرکز در فواصل یک سوم دهانه هستند. طول این تیرها برابر 1/8 متر میباشد. شرایط بارگذاری در شکل 1 و مشخصات هندسی بازشوها و مقاطع در جدول 1 ارائه شده است. در این جدول، bf عرض بال، tf ضخامت بال، h ارتفاع بازشو، H ارتفاع تیر، tw ضخامت جان، L طول تیر، e طول بازشو، زاویه بازشو، MExp لنگر حد کمانشی حاصل از نمونه آزمایشگاهی و MFEM لنگر حد کمانش حاصل از تحلیل اجزای محدود میباشد. با مقایسه بین نتایج تحلیل اجزای محدود نمونهها با لنگر بحرانی حاصل از آزمایشگاه، دقت مدلسازی انجام گرفته بین 4/2 تا 6/4 درصد است. همچنین در هر سه مدل، شکل مود کمانشی حاصل از تحلیل اجزای محدود با شکل مود کمانشی نمونههای آزمایشگاهی یکسان میباشد. در نتیجه میتوان گفت که مدل اجزای محدود توانایی پیشبینی دقیق مقاومت و مود کمانشی تیرهای لانهزنبوری مختلط را دارد.
5. تحلیل اجزای محدود
برای بررسی تاثیر محل و طول دال بتنی بر مود و مقاومت کمانشی تیرهای لانهزنبوری، از تیر CPE-140 استفاده شده است. منظور از CPE-140، مقطعی است که از برش موسوم به برش پاینر بر روی مقطع نورد شده IPE-140 به دست میآید. این نوع برش دارای ویژگیهای زیر است:
· ارتفاع تیر لانهزنبوری 1/5 برابر ارتفاع مقطع نورد شده مورد استفاده است؛
· ارتفاع بازشوهای ایجاد شده در جان تیر برابر با ارتفاع مقطع نورد شده است؛
· فاصله مرکز به مرکز بازشوهای ایجاد شده برابر با ارتفاع تمام شده تیرلانهزنبوری است؛
· زاویه بریدن جان برابر با 63/5 درجه یا به عبارت دیگر تانژانت این زاویه برابر با 2 میباشد. مشخصات ابعادی این نمونه در شکل 2 و جدول 2 نمایش داده شده است.
دال بتنی به ضخامت 8 سانتیمتر و عرض 50 سانتیمتر به بال فوقانی تیر متصل شده است. این دال با استفاده از اینتراکشن Tie به تیر متصل شده است تا عملکرد مختلط به درستی تاثیر داده شود. تیرهای مورد بررسی همگی به صورت دوسر ساده و تحت اثر بار متمرکز در وسط دهانه بودهاند. شرایط بارگذاری در شکل 3 نمایش داده شده است.
