بخشی از مقاله
خلاصه
در آیین نامههای موجود طراحی سازههای سرد نورد شده فولادی، برای تعیین ظرفیت مقاطع فولادی سرد نورد شده دو روش: طول موثر3 و مقاومت مستقیم4 ارائه شده است. در این مطالعه از روشهای توصیه شده آیین نامه طراحی سازههای فولادی آمریکا، [1] AISI، استفاده شده است؛ و ضمن مطالعه موردی یک مقطع نبشی ساخته شده از فولاد سرد نورد، به بررسی نتایج حاصل از دو روش طول موثر و مقاومت مستقیم پرداخته شده است؛ و برای صحت سنجی با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد حالت کمانش غالب در نمونهها کمانش موضعی است. در حالیکه ظرفیت فشاری محاسبه شده از روش طول موثر با نتایج آزمایشگاهی مطابقت خوبی دارد، ظرفیت حاصل از روش مقاومت مستقیم با نتایج آزمایشگاهی همخوانی ندارد.
1. مقدمه
سیستم سازههای سبک فولادی - 5LSF - که از مقاطع سرد نورد شده فولادی - 6CFS - ساخته میشود در سالهای اخیر به شکل گسترده در تولید صنعتی انواع ساختمانهای اداری، تجاری و مسکونی به کار میرود و به عنوان جایگزین مناسبی برای روشهای سنتی ساخت، جایگاه ویژهای در صنعت ساخت و ساز کشورهای پیشرفته یافته است. نتایج بررسیها نشان می دهد استفاده از سیستم LSF علاوه بر این که سرعت اجرا را حداقل دو برابر مینماید، منجر به کاهش چهل درصدی در فولاد مصرفی خواهد شد. این سیستم به دلیل مزایای فراوان از جمله سرعت و کیفیت بالای ساخت و عملکرد لرزهای مناسب در سالهای اخیر در بسیاری از کشورهای دنیا رواج قابل توجهی یافته است. از این رو میتوان به صورت جدیتری از این سازهها در صنعت کشور از جمله سازههای پستهای فوق توزیع و انتقال برق استفاده نمود.
برای طراحی و ساخت مقاطع CFS در سطح دنیا آیین نامههای مختلفی وجود دارد که از معتبرترین آنها میتوان به آیین نامهی فولاد آمریکا AISI و همچنین آیین نامهی استرالیا [2] AS/NZS4600 اشاره نمود. آیین نامهی AISI برای تعیین ظرفیت فشاری مقاطع فولادی سرد نورد شده دو روش مقاومت مستقیم و طول موثر را پیشنهاد داده است. همچنین در خلال سالهای گذشته محققان زیادی به بررسی ظرفیتهای باربری مقاطع سرد نورد شده فولادی با استفاده از نمونههای آزمایشگاهی و مطالعات عددی پرداختند. دا7 و همکاران [3] آزمایشهایی بر روی 13 نمونه خرپای فولادی سرد نورد شده با مقطع C شکل و با مقیاس واقعی انجام دادند و نمونهها را با سه شیب در معرض بار متمرکز به منظور شبیهسازی بارگذاری واقعی خرپای سقف قرار دادند.
نتایج نشان دادند که غالب شکست نمونهها در اثر کمانش موضعی در کنار ورق پاشنهی اتصال آن بوده است. همچنین نشان دادند تقویت پاشنهی اتصال با یک ورق نازک فولاد سرد نورد شده باعث افزایش ظرفیت خرپا به میزان % 24 میشود. یانگ1 و همکاران [4] تحقیقی جامع از مطالعهی عددی و آزمایشگاهی بر روی رفتار چرخهای ستونهای سرد نورد شده با مقاطع مستطیلی انجام دادند. آنها در مطالعهی خود مقاومت بعد از کمانش، افت سختی، حالتهای تغییر شکل و شکست، انعطاف پذیری و ظرفیت پخش انرژی در ستونها را مورد بررسی قرار دادند. نتایج آزمایشها نشان داد که کمانش موضعی اصلیترین فاکتور محاسبه شدهی اتلاف انرژی در نمونهها است و همچنین کمانش موضعی بیشترین نقش را در اتلاف انرژی ایفا می کند. پادیلا2 و همکاران [5] در آزمایشهای خود پاسخ چرخهای بار محوری بر روی اعضای قاب فولادی سرد نورد شده C شکل تحت کمانش موضعی، اعوجاجی و کلی را مورد مطالعه قرار دادند.
آنها به منظور ارزیابی پاسخ چرخه ای بار-تغییر شکل، کاهش مقاومت و مشخصات اتلاف انرژی در اعضای محوری، 12 آزمایش چرخهای، 12 آزمایش بار یکنواخت در فشار و 2 آزمایش بار یکنواخت در کشش انجام دادند. آنها همچنین یک بارگذاری جدید به نام بارگذاری چرخهای شبه استاتیک که در آیین نامهی [6] FEMA461 آمده است را برای اعضای سازه اعمال نمودند. نتایج نشان داد میزان افت مقاومت در اثر فشار بدون در نظر گرفتن حالت کمانش برای همهی نمونهها یکسان است و سختی باربرداری از فشار برای حالتهای کمانش مختلف متفاوت است؛ همچنین مقدار باریک شدهگی چرخهای زمانی که باربرداری در کشش انجام می شود برای حالتهای کمانش مختلف متفاوت است.
کوین[7] 3 در سال 2008 پژوهشی بر روی ظرفیت فشاری یک ستونچهی CFS با مقطع خاص و با چهار طول مختلف انجام داد. ستونچهی تحت فشار در آزمایش توسط بادبند به ستونچهی دیگری متصل بوده در حالی که این ستونچه تحت بارگذاری قرار نداشت. نتایج آزمایش نشان داد که حالت کمانش برای دو طول 1350 mm و 1950 mm کمانش خمشی است و برای دو طول 2550 mm و 3150 mm کمانش خمشی-پیچشی است. همچنین به دلیل تعداد بادبند بیشتر در نمونههای با طول بیشتر و تاثیر آنها در ظرفیت نهایی، ستونچههای بلندتر دارای ظرفیت فشاری بیشتری هستند.
2. روش های محاسبهی ظرفیت فشاری طبق آیین نامه ی AISI
-1 روش عرض موثر: المانهای تحت فشار در مقاطع سرد نورد شده، از یکسو بدلیل جدار نازک بودن، معمولا دارای نقصهای هندسی اولیه می باشند و از سوی دیگر دارای تنشهای پسماند ناشی از فرآیند نورد سرد می باشند. از این رو مقاومت تجربی کمتر از مقاومت بدست آمده از روابط مقاومت مصالح است و باید کاهش یابد. در این روش برای بدست آوردن مقاومت واقعی به جای عرض مقطع تحت فشار از عرض موثر تحت فشار استفاده میشود - شکل . - 1 برای این کار مقطع باید به المانهایی تقسیم شود و عرض موثر هر المان بر اساس روابط مربوطه محاسبه شود و در نهایت عرضهای موثر المانها جمع شده تا عرض موثر کل مقطع بدست آید. لازم به ذکر است نتایج حاصل شده از بررسی محققان نشان می دهد اگرچه محاسبهی ظرفیت فشاری مقطع از این روش زمان بر است، ولی نتایج نسبتا دقیقی را ارائه می دهد.
-2 روش مقاومت مستقیم: در این روش روند به گونهای است که احتیاج به محاسبه عرض موثر و سعی و خطا نیست و به جای آن از مشخصات سطح مقطع کل و رفتار کمانش الاستیک مقطع برای پیش بینی مقاومت استفاده میشود. برای مقاطع CFS سه نوع کمانش وجود دارد: الف - کمانش موضعی: نوعی کمانش است که در آن راستای خطوط متصل کنندهی صفحات مقطع ثابت میماند و خود صفحه به تنهایی دچار کمانش میشود. این نوع کمانش در شکل -2الف قابل مشاهده است.
مدهای کمانش: الف - کمانش موضعی، ب - کمانش اعوجاجی، پ - کمانش کلی
ب - کمانش اعوجاجی: نوعی کمانش است که در آن نقاط اتصال تغییر مکان دارد ولی سطح مقطع تغییر مکانی ندارد.
پ - کمانش کلی: نوعی کمانش است که اعضای تحت فشار میتوانند بدون تغییر در شکل مقطع عرضی دچار خمش یا پیچش به صورت همزمان شوند.
در روش مقاومت مستقیم احتیاج به محاسبه ضریب بار این سه نوع کمانش است که برای آن می توان از نرم افزارهای نوار محدود موجود مانند نرم افزار [8] CUSFM استفاده نمود و با داشتن این ضرایب ظرفیت مقطع را محاسبه کرد. همانطور که قبلا نیز اشاره شد، به دلیل محاسن بالای مقاطع فولادی سرد نورد شده در حال حاضر از این مقاطع بطور گستردهای در صنعت ساختمان استفاده می شود؛ ولی بررسیهای انجام شده نشان میدهد از این مقاطع هنوز بطور جدی و گسترده در صنعت استفاده نمیشود. یکی از بخشهای صنعت که در حال حاضر درآنها از سازههای فولادی معمولی گرم نورد شده بطور گستردهای استفاده میشود، ایستگاههای فوق توزیع و انتقال برق است. در بخش بعد به معرفی این سازهها پرداخته شده است.
3. سازههای ایستگاه های فوق توزیع و انتقال برق
در پستهای فوق توزیع و انتقال برق برای نصب تجهیزات از سازههای خرپایی از جنس فولاد گرم نورد شده و غالبا با مقطع نبشی شکل استفاده میشود. این سازهها دارای وزن نسبتا قابل توجهی هستند؛ و از لحاظ اقتصادی نیز دارای هزینهی بالایی میباشند. به منظور معرفی بهتر این سازهها، یک نمونه از سازههای موجود در پستهای فوق توزیع و انتقال برق Bسازهی مربوط به مقرهی اتکایی _ - 1PI - که در آن نبشی فولادی گرم نورد شدهی L60×60×6 بکار رفته است.
