بخشی از مقاله
چکیده
تیر-ستونها تحت اثر توام خمش و فشار هستند، با توجه به اینکه کمانش در این اعضا در یکی از اشکال جانبی - خمشی - ، پیچشی و پیچشی-جانبی رخ میدهد، نسبت لنگر خمشی و نیروی محوری فشاری تاثیر چشمگیری بر رفتار کمانشی میگذارد. در این پژوهش عملکرد تیر-ستونهای جعبهای جدار نازک بسته فولادی، با مقاطع مستطیل تحت شرایط بارگذاری مختلف، شامل لنگر خالص، بار محوری خالص، بار متمرکز در وسط دهانه و بار گسترده خطی با روش اجزای محدود و با شرایط تکیه گاهی دو سر مفصل در محدوده رفتار رتجاعی مورد بررسی قرار گرفته است.
مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، به علت بزرگ بودن لنگر حد کمانشی از لنگر حد تسلیم برای مقاطع جعبه¬ای تحت خمش، هیچ نوع کمانش کلی را قابل وقوع نمیداند . نتایج پژوهشهای پیشین نشان میدهند که این مقاطع در حضور بارهای خمشی مستعد پیچش هستند، مبحث دهم نیز به احتمال وقوع کمانش پیچشی -جانبی در محدوده تغییر شکلهای فرا ارتجاعی برای تیرهای لرزهای اشاره میکند.
نتایج این مطالعه نیز نشان میدهد در حضور بارهای خمشی، مد کمانشی مقاطع مورد مطالعه از کمانش جانبی به پیچشی-جانبی تغییر میکند و هرچه نسبت بارهای خمشی به بارهای محوری بیشتر شود تغییر شکلهای پیچشی بیشتر خواهد شد و باید تغییر شکلهای پیچشی کنترل شود.
-1 مقدمه
اعضای جدار نازک بطور گسترده ای در سازه های ساختمانی مورد استفاده قرار میگیرند که نمونه بارز این اعضا، اعضای جعبهای جدار نازک بسته میباشد. سازههای جدارنازک به سازههایی نسبت داده میشوند که اجزای تشکیل دهنده آن دارای ضخامت بسیار کمتری نسبت به ابعاد دیگرشان باشند
کمانش در علم مقاومت مصالح، به رفتاری گفته میشودکه معمولاً از عضو تحت فشار سر میزند. اجزا تحت فشار یک سازه، پیش از رسیدن به حداکثر مقاومت فشاری، تحت اثر پدیده کمانش دچار شکست خواهند گردید. ستون لاغر - ستون بلندتر و سطح مقطع کوچکتری - زودتر تحت اثر پدیده کمانش تسلیم میگردد .کمانش به دوصورت ممکن است رخ دهد؛ الف: کمانش کلی عضو، ب: کمانش موضعی . در کمانش موضعی یکی از اجزا تشکیل دهنده یک عضو - بال یا جان تیر و... - در صفحه خود، دچار تغییرشکل کمانشی میشوند.
مهمترین عوامل موثر در کمانش کلی یک تیر-ستون، عبارتند از: هندسه و ابعاد سطح مقطع عضو، طول بدون مهاربندی جانبی عضو، شرایط تکیهگاهی و بارگذاری، مشخصات مصالح مصرفی .کمانش کلی معمولا در سازه های جدار نازکی که سطح مقطع آنها نسبت به طولشان بسیار کوچکتر باشد رخ میدهد.
کمانش کلی به سه نوع تقسیم میشوند: کمانش خمشی - یا جانبی - ، کمانش پیچشی ، کمانش پیچشی-خمشی - یا پیچشی-جانبی - تیر -ستونها به عنوان اعضای در معرض بارهایی که ترکیبی از نیروهای محوری و نیروهای خمشی هستند تعریف میشوند. این نیروها با توجه به نسبت ترکیبشان رفتار و تغییر شکل اعضا را تحت تاثیر قرار میدهند. در کمانش کلی هندسه و ابعاد سطح مقطع عضو، طول مهارنشده به لحاظ جانبی عضو، شرایط تکیهگاهی، بارگذاری، مشخصات مصالح مصرفی و نسبت ترکیبی لنگر خمشی و نیروی محوری مؤثرند. با ثابت در نظر گرفتن پارامترهای هندسی و مشخصات مصالح، میتوان دریافت که نسبت ترکیبی لنگر خمشی و نیروی محوری تاثیر چشمگیری بر رفتار عضو دارد
مقاطع جعبهای در کشورهای پیشرفته به شیوه نورد سرد تولید میشوند که H.S.S نام دارند ولی در ایران با استفاده از چهار ورق و استفاده از جوش سرتاسری، مربعی یا مستطیلی شکل ساخته میشوند.. امروزه استفاده از این نوع مقاطع به دلیل مقاومت مناسب و وزن کم مورد توجه قرار گرفته است تا جایی که در برخی کشورها آن را به صورت نورد سرد تولید میکنند.
باید تیرستونهای جعبه ای در مقابل پدیده ی کمانش مقاومت لازم را داشته باشند. نوع کمانش با توجه به پارامترهای هندسی عضو، شرایط تکیهگاهی و بارگذاری متفاوت است و تنش وارده در هتگام وقوع کمانش نیز بالطبع مقادیر متفاوتی خواهد داشت.
-2 مدلسازی و بررسی عددی
-1-2 مدلسازی
در این پژوهش عملکرد تیر-ستونهای جعبهای جدار نازک بسته فولادی، با مقاطع مستطیل تحت شرایط بارگذاری مختلف، شامل لنگر خالص، بار محوری خالص، بار متمرکز در وسط دهانه و بار گسترده خطی با روش اجزای محدود و با شرایط تکیه گاهی دو سر مفصل مورد بررسی قرار گرفته است. روش عددی مورد استفاده در این مطالعه، روش تحلیلی براساس روشهای ریتز و کالرکین میباشد. مدل انتخاب شده به وسیله روش اجزاء محدود، تحلیل شده است. روش اجزای محدود، یکی از روشهای عددی میباشد که برای حل مسائل پیچیده مهندسی استفاده میشود. با توجه به پیچیدگی حل اکثر مسائل مهندسی و همچنین هزینه بالای ساخت نمونههای آزمایشگاهی با مقیاس واقعی، استفاده از روشی سریع و دقیق در مخاسبه و پیش بینی رفتار سازهها میتواند کمک بهسزایی در پیشرفت علوم مهندسی کند.
در این پژوهش از روش Buckle که زیر مجموعه تحلیلگر Abaqus/ Standard میباشد، استفاده شده است. در تحلیل Buckle، نرمافزار از روش مقادیر ویژه استفاده میکند . در این روش نیرویی که باعث صفر شدن سختی سازه میشود، محاسبه میگردد. برای این کار، نرمافزار اقدام به حل دترمینان زیر مینماید:
که در آن K ماتریس سختی که از انرژی کرنشی بهدست میآید؛ [G] ماتریس هندسی که از انرژی پتانسیل بارهای خارجی بدست میآید؛ L مقدار ویژه مد iام؛ L ضریبی است که در صورت اعمال به بار مرده، سیستم را دچار کمانش میکند.
نمونه مورد استفاده از المان پوستهای شل مدلسازی شده است. برای مش بندی، از المان پوستهای هشت گرهای با پنج درجه آزادی در هر گره - S8R5 - استفاده شده است.
شکل :1 المان پوستهای هشت گرهای S8R5
-2-2 روابط
طبق جدول 1-4-2-10 مبحث دهم، برای مقاطع توخالی مستطیلی شکل تحت اثر نیروی فشاری، تنها کمانش خمشی حاکم خواهد بود. مقاومت فشاری - Pu - ، با مقطع بدون اجزای لاغر بر اساس کمانش خمشی با استفاده از رابطه زیر تعیین می شود.
طبق جدول 1-5-2-10 مبحث دهم، برای مقاطع توخالی مستطیلی شکل تحت اثر لنگر خمشی، هیچگونه کمانش کلی رخ نمیدهد. به دلیل یکسان بودن مقاومت درون صفحهای و برون صفحهای این مقاطع، امکان وقوع کمانش کلی وجود ندارد. مبحث دهم برای تعیین مقاومت خمشی این مقاطع تنها حدود تسلیم و کمانش موضعی را در نظر میگیرد.
