بخشی از مقاله
چکیده
به بررسی انواع کمانش هاي موجود در تیرهاي مرکب بتن- فولاد پرداخته می شود. در این راستا ساختار و رفتار این گونه تیرها در برابر نیروهاي خارجی، به تفصیل بیان می گردد. همچنین به تاثیر برشگیرها در انتقال نیروي برشی در سطح تماس بتن و فولاد، به عنوان یکی از اجزاي مهم به کار رفته در این تیرها، پرداخته می شود. سپس انواع کمانش هاي محتمل در جان و بال مقاطع فولادي، از جمله کمانش موضعی ، کمانش جانبی و ... مورد بحث قرار گرفته و همچنین رفتار ستون هاي مرکب فولادي پر شده با بتن - CFT - تحت اثر بار متمرکز محوري بستگی به فاکتورهایی از جمله طول کمانش - Le - حداقل بعد مقطع - B - و نیز خواص مکانیکی بتن و فولاد دارد.
با توجه به موارد فوق می توان لاغري - Le/B - با نسبت لاغري λ / را به دست آورد و از آنجا نتیجه گرفت که ستون کوتاه - چاق - یا متوسط یا بلند - لاغر - است. مکانیزم گسیختگی ستون هاي کوتاه بصورت جاري شدن فولاد و خرد شدن بتن است. ستون هاي مختلط با طول متوسط بصورت غیر الاستیک رفتار می کند و رفتار آنالیز آن ها نیز غیر الاستیک است و مکانیزم گسیختگی آن ها بصورت جاري شدن جزیی فولاد و خرد شدن بتن در فشار و ترك خوردن بتن در کشش است .
ستون هاي بلند بصورت الاستیک رفتار می کنند و روش آنالیز آن ها نیز الاستیک است و در این حالت از تغییر شکل هاي اولیه صرف نظر می شود و می توان رفتار ستون را طبق منحنی اویلر پیشنهاد نمود. در این تحقیق به بررسی رفتار غیر ارتجاعی کمانشی ستون هاي کوتاه و متوسط و بلند تحت بارگذاري یکنواخت با در نظر گرفتن سختی کمانشی متفاوت بصورت قید تکیه گاهی در راس ستون پرداخته است.
-1 مقدمه
مقاطعی که از فولاد و بتن ساخته می شود، به مقاطع مرکب معروف هستند. این نوع سیستم سازه اي از مقاومت فشاري بتن و مقاومت کششی فولاد به طور همزمان و در جهتی مقرون به صرفه استفاده می نماید.
کاربرد ستون هاي لوله اي پر شده با بتن - CFT - به اوایل سال 1900 باز می گردد. هنگامی که شماري از پل ها و ساختمان ها با بکار بردن ستون هاCFT ساخته شده اند. تعدادي از آن ها عبارتند از: تقاطع جهت دهنده بزرگراه آلموند بري - Almond bury - انگلستان، خطوط راه آهن چارلروي - Charleroi - بلژیک، اتحادیه کارگري بین المللی در ژنو و یک ورزشگاه درمایتنی- بوري - - Martegny- Boury در سوئیس، از انواع مقاطع مختلط پر شده می توان به مقاطع دایره اي، مستطیلی، مربعی اشاره نمود که از رایج ترین مقاطع هستند.
از جمله مزایاي ستون هاي مختلط پر شده با بتن می توان به ظرفیت تحمل بار محوري و خمشی عالی، مقاومت جذب انرژي، خاصیت نرمی - شکل پذیري زیاد - بار بحرانی در کمانش - سختی بیشتر - ، مقاومت برش بالاتر، نگه داشتن قالب براي هسته بتنی، حفاظت سطح بتن از آسیب، اقتصادي بودن نسبت به ستون هاي فولادي و بتنی اشاره نمود.
-2 مبانی تئوري کمانش در ستون ها
-2-1 پدیده ناپایداري یا کمانش در ستون ها
در طراحی اعضاي کششی، شکست یا انهدام در اثر افزایش نیروي کششی و در نتیجه ازدیاد تنش ها و تغییر شکل هاي کششی و ورود به ناحیه پلاستیک و عبور از ناحیه کار سختی و نهایتاْ نقطه گسیختگی به وقوع می پیوندد. هر چند لاغري یک عضو کششی به عنوان ضابطه اي در طراحی مور توجه است ولی معمولاْ معیار مقاومت به عنوان اصلی ترین ضابطه طراحی براي اعضاي کششی مطرح است.
در اعضاي باریک، لاغر و ظریف که تحت تاثیر نیروي محوري فشاري هستند ممکن است انهدام در سازه قبل از آنکه تنش ها در مقطع به حد تنش تسلیم یا برسند اتفاق بیفتد در این حال گفته می شود که عضو تحت فشار ناپایدار شده یا کمانش کرده است.
البته همان طور که خواهیم دید این ناپایداري یا کمانش در عضو تحت فشار به صورت کلی و موضعی یا ترکیبی از هر دو ممکن است به وجود آید. در یک عضو بلند و باریک هنگامی که به صورت محوري و فشاري بارگذاري می شود به جاي اینکه در اثر فشار مستقیم خراب شود، معمولاْ خمیده شده و تغییر شکل جانبی می دهد. با افزایش بار محوري تغییر شکل جانبی افزایش یافته و قبل از اینکه تنش ها در مقطع عضو به حد تنش تسلیم برسند ستون خراب شده و اصطلاحاْ گفته می شود ستون کمانش کرده و ناپایدار گشته است. براي بررسی پایداري و یا ناپایداري یک سیستم می توان آن را قدري از حالت تعادل اولیه خارج کرد اگر عضو یا سیستم به حالت اولیه برگشت یا به عبارت دیگر قبود داخل سیستم توانایی بازگشت دادن عضو یا سیستم را داشته باشند، آن گاه سیستم یا عضو را پایدار قلمداد می کنیم، در غیر این صورت عضو یا سیستم را ناپایدار می نامیم.
براي درك بهتر رفتار یک ستون واقعی تحت فشار در ابتدا یک ستون kون ایده آل صلب که در انتهایی خود در نقطه A توسط یک مفصل کامل و در سر دیگر خود توسط یک فنر با ضریب سختی k نگهداري شده و تحت بار محوري فشاري P است را در نظر میگیریم.
شکل 1-1 اثر کمانش ستون با بار محوري
چنانچه ستون را به اندازه زاویه کوچک θ از حالت تعادل اولیه خارج کنیم تا به وضعیت شکل 1 ب درآید. نیروي فشاري تولید شده در فنر با ضریب سختی k ستون را به وضعیت اولیه خود متمایل خواهد کرد. براي تغییر شکل کوچک، نیروي فنر معادل k θ L خواهد بود. در شکل 1 ب لنگر محرك P θL تمایل به واژگونی و ناپایدار کردن ستون داشته در حالتی که لنگر به عنوان یک لنگر مقاوم ستون را به حالت اولیه خود متمایل می کند و می توان روابط 1 مطابق زیر نوشت:
تعادل پایدار
تعادل ناپایدار
تعادل خنثی
رابطه سوم - 1 - در حقیقت مرز بین پایداري و ناپایداري را مشخص کرده و می توان این طور نتیجه گرفت که اگر بار اعمالی کوچکتر از kL باشد ستون در حالت تعادل پایدار و چنانچه بزرگتر از kL باشد. در وضعیت ناپایدار قرار خواهد گرفت. هنگامی که بار P به مقدار kL می رسد در واقع گذر از مرحله پایداري به مرحله ناپایداري بوده و باري که از این حالت به دست می آید را بار بحرانی - - cristical laod می نامند و آن را با نمایش می دهند.
به عبارتی بار بحرانی از تساوي نیروي مقاوم و نیروي محرك مطابق رابطه سوم - 1 - به دست می آید. شایان ذکر است عبارت سوم رابطه - 1 - یک معادله مقادیر ویژه است که در آن امکان تعیین انحراف اولیه θ وجود ندارد و تنها از آن می توان بار بحرانی را به دست آورد.
عبارت دیگر امکان تعقیب مسیر نیرو جابجایی - - P-θ از این رابطه وجود ندارد. چنانچه علاقه مند به تعیین رابطه نیرو – جابجایی باشیم بایستی معادلات تعادل را براي تغییر شکل هاي بزرگ نوشت هر چند این کار براي ستون صلب - شکل 1 الف - امکان پذیر بوده و چندان مشکل نیست ولی در حالات ستون هاي واقعی این امر پیچیده و بعضاْ غیر ضروري است. در هر حال معادله سوم - 1 - می تواند بیان کننده میزان باري باشد که اگر بیش از آن مقدار به ستون اعمال شود ستون دچار ناپایداري می شود.
-3 تئوري ورق
ورق ها اجزاء سازه اي مسطح دو بعدي هستند که در آن ها بعد ضخامت نسبت به سایر ابعاد بسیار کوچکتر است و از لحاظ هندسی توسط خطوط و یا منحنی هایی به نام مرز ورق محصور می شوند ورق ها نه تنها می توانند به عنوان عضوي از سازه به کار روند بلکه کل سازه می تواند توسط ورق ساخته شود.
به دلیل پیچیدگی هاي گوناگونی که بر رفتار واقعی سازه ها حاکم است. لازم است که در کلیه ي تحلیل هاي سازه اي سازه به شکل ساده تري مدل سازي شود به گونه اي که در مدل استفاده شده مهم ترین پارامترهاي تاثیر گذار بر رفتار استاتیکی و یا دینامیکی سازه در نظر گرفته شده باشد. در مسائل ورق این روند باید با توجه به عوامل زیر صورت گیرد:
-1هندسه ي ورق و نوع تکیه گاه هاي آن
-2 رفتار و ویژگی هاي ماده ي بکار رفته در مساحت ورق
-3 نوع بارهاي وارد به ورق و طریقه اعمال آن ها
