طراحی بهینه ناودانی (C)

طراحی بهینه مقاطع ناودانی (C) سرد نورد شده فولادی تحت نیروی محوری فشاری

فروش فولاد نورد سرد-فروش فولاد نورد گرم-فروش فولاد نسوز-فروش فولاد ضد خوردگی-فروش فولاد کربنی -فروش فولاد زنگ نزن-فروش انواع استیل-(فروشگاه فولاد رسول دلاکان) ((ارتباط با واحد فروش 09122136675-02128423820))

در سال‌های اخیر مقاطع سرد نورد فولادی چه به صورت سازه‌ای و غیر سازه‌ای رو به گسترش می‌باشد. از پر کاربردترین این اعضا می‌توان به مقاطع ناودانی که به صورت سازه‌ای در ساختار LSF و غیر سازه‌ای. در سیستم ساختار خشک به عنوان قسمتی از دیوارهای جدا کننده، پوششی و سقف کاذب… اشاره کرد. از آنجا که ظرفیت باربری این مقاطع وابسته به مشخصه مکانیکی (خواص فولاد مصرفی، تنش تسلیم و…) و مشخصه هندسی (منظور ابعاد متغیر یک مقطع با عرض ورق ثابت) می‌باشد.

در این مقاله به بررسی نقش این دو پارامتر در عضو فشاری مقطع ناودانی سرد نورد فولادی می‌پردازد. و نتیجه حاصل نشان می‌دهد که تغییر در خصوصیت مکانیکی فولاد مصرفی جهت بالا روی ظرفیت باربری عضو فشاری. از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نبوده و موجب بالا بردن قیمت نهایی مقطع می‌شود. در حالی که تغییر در ابعاد هندسی مقطع با عرض ورق ثابت، افزایش بسیار چشمگیری در ظرفیت باربری عضو از خود نشان خواهد داد.

از این رو طراحی بهینه مقاطع ناودانی سرد نورد تحت نیروی فشاری اهمیت خاصی پیدا می‌کند. در این مقاله همچنین نقش مؤثر سخت کننده‌ها در ظرفیت باربری این مقاطع بیان و نتایج حاکی از آن است. که مقطع با سخت کننده میانی بال و جان و لبه‌ای ظرفیت باربری بسیار بالایی نسبت به مقطع بدون سخت کننده از خود نشان می‌دهد.

مقدمه

دو گروه عمده از اعضای سازه‌ای، مقاطع گرم نورد و سرد نورد می‌باشد. که اولی شناخته شده و رایج می‌باشد و دومی که ا رشد بسیار بالایی در سال‌های اخیر می‌باشد. و از شکل دهی توسط پرس و غلتک انجام می‌شود که ورق‌های صاف و نواری می‌باشد. که از پوشش‌های روی یا ترکیب روی و آلومینیوم به عنوان محافظ در برابر خوردگی‌ها و عوامل مخرب می‌باشد.

از مزایای مقاطع فولادی سرد نورد CFS- Cold Formed Steel نسبت مقاومت به وزن بسیار بالایی آنها می‌باشد. که این مقاومت بالا منجر به انعطاف‌پذیری بیشتر در طراحی می‌شود و امکان ارائه دهانه‌های پهن‌تر و استفاده بهینه از مصالح را فراهم می‌کند.

این اعضا با توجه به نسبت عرض به ضخامت زیاد در برابر بارهای وارده شامل مدهای کمانشی موضعیLocal Buckling، خمشیFlexural Buckling، پیچشی-خمشیFlexural-Torsional Buckling، می باشند. بررسی تأثیر هندسه مقطع شامل ضخامت، سخت کننده لبه‌ای، عرض بال و جان، نقش سخت کننده میانی. واقع بر جان و بال بر ظرفیت عضو می‌تواند شناخت و درک بیشتری از رفتار مقطع نشان دهد.

مسئله اصلی در طراحی، دستیابی به طرحی است که ضمن تأمین الزامات طراحی، کمترین هزینه در ساخت را ایجاد نماید. یکی از شرایط مورد نیاز برای بدست آوری هزینه کم در اجرای سازه استفاده از وزن حداقل مصالح است. که همراه با بیشترین کارایی سازه باشد.

در هر شرایط هدف اساسی بایستی بهره گیری از پتانسیل مقاومتی کامل فولاد باشد. که قابل استفاده در ساخت، توسط طراحی جزئیات مقطع برای کارایی حداکثر سازه باشد.

طراحی مقاطع ناودانی شکل با توجه به رویکرد صنعتی سازی در سازه‌های نوین LSF-Light Weight Steel Frame. و دیگر ساختارهای ساختمان‌سازی به سرعت رو به افزایش می‌باشد. لذا بایستی به این اعضا توجه بیشتری نمود.

در این راستا آزمایش‌ها و تحقیقات زیادی توسط محققین انجام گردید. در این مطالعات اثرات مدهای کمانشی، سخت کننده لبه‌ای و میانی بر روی مقاطع ناودانی شکل مورد بررسی قرار گرفت. از جمله این تحقیقات می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

(Rogers and Schuster,1996) اثر سخت کننده لبه‌ای را بر رفتار مقاطع سرد نورد. با استفاده از روش عرض مؤثر بیان کرد (Schafer,1998) روش مقاومت مستقیم DSM-Direct Strength Method را ارائه داد.

(Kesti,1998) رفتار اعوجاجی و موضعی اعضای فشاری بال و جان سخت شده را مورد بررسی قرار داد.

انجمن آهن و فولاد آمریکا در سال 2006 کمانش پیچشی ستون‌های مقاطع ناودانی شکل سرد نورد شده. با انواع سخت کننده لبه‌ای بررسی کرد. و کاهش مقاومت نهایی ستون‌ها بر حسب لاغری در کمانش پیچشی مورد آزمایش قرار گرفت.

(Schafer,B.W. and Pekoz,1998) رفتار سخت کننده میانی و مشخصات هندسی مقطع را مورد بررسی قرار دادند.

(Bernard et all,1996) تحقیقاتی بر روی تأثیر سخت کننده میانی بر روی رفتار کمانشی انجام داد.

با توجه به مطالعات، تحقیقات انجامی و همچنین روند رو به رشد مقاطع سرد نورد در دهه‌های اخیر. به صورت سازه‌ای لازم و ضروری می‌باشد که نسبت به این مقاطع توجه ویژه‌ای داشته باشیم.

روش تحقیق

بر خلاف مقاطع فولادی گرم نورد که شکل‌گیری آنها در کارخانجات عظیم و طی فرآیند مشخص صورت می‌گیرد. و محاسبات و طراحی حین ساخت طبق قوانین خاص و مربوط به مهندسان محاسب آن کارخانه می‌باشد. مقاطع سرد نورد با توجه به اینکه روند فرم دهی آن جز در تعدادی کارخانه محدود. که شکل دهی مقاطع با اصول طراحی خاص همراه بوده، در دیگر کارگاه‌ها که تعداد آنها قابل توجه می‌باشد.

این اصول بدون در نظرگیری رفتار و عدم شناخت قوانین حاکم بر آنها رعایت نمی‌شود. حال اگر این اعضا به صورت سازه‌ای مورد استفاده قرار گیرند. اهمیت این موضوع دو چندان خواهد شد. چرا که اگر این مهم مورد توجه قرار نگیرد خسارات جبران ناپذیری در پی خواهد داشت.

در این بخش جهت بدست آوری خصوصیت مکانیکی آزمایش کشش بر روی ورق‌ها انجام می‌پذیرد. و در ادامه تأثیر هندسه مقطع بر ظرفیت عضو فشاری با توجه به روند محاسبات انجامی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. و در پایان تأثیر خصوصیت مکانیکی و هندسی بطور جداگانه بر روی ظرفیت مقطع مورد بررسی و مقایسه‌ای بین این دو پارامتر صورت خواهد گرفت.

1- شرح آزمایش

جهت بدست آوری خصوصیت مکانیکی ورق و به کارگیری آن لازم است، آزمایش‌هایی بر روی آن صورت گیرد. لذا ورق‌هایی به اندازه 4×40 سانتی‌متر با ضخامت‌های 2,1/5,1/25,1,0/7,0/6,0/7 میلی‌متر در شکل 1 انتخاب گردید.

طراحی بهینه ناودانی (C)

یافته‌ها

۲- طراحی اقتصادی

بهترین طرح از نظر مهندسان طرحی است که در آن اعضای سازه هم زمان دچار شکست شوند. نیل به چنین حالتی معمولاْ مشکل و در اغلب موارد امکان‌پذیر نیست.

در موارد مربوط به مقاطع سرد نورد پدیده حاکم از نوع کمانش می‌باشد. انتخاب فلز با مقاومت بالا جهت مقابله این پدیده بی‌فایده است. و بی سبب باعث بالا رفتن هزینه می٬شود. چون کمانش به مقاومت بستگی ندارد. بلکه جزء مشخصه‌های هندسی است.

3-هندسه مقطع ناودانی در تعیین ظرفیت باربری

در طراحی اعضای سازه‌ای سرد نورد بدست آوری مقطع بهینه به جزء خصوصیات مکانیکی، تابع مقادیر هندسی مقطع مانند شکل 4 می‌باشد.

طراحی بهینه ناودانی (C)

1-3-ضخامت t

ضخامت استفاده شده در محاسبه خواص مقطع و طراحی مقاطع سرد نورد شده باید برابر ضخامت واقعی فولاد باشد. همانطور که از نمودار 1 استناد می‌شود. رابطه بین ضخامت و بار مجاز فشاری تقریباً بصورت خطی می‌باشد. این موضوع بیانگر این است که علاوه بر این که سطح مقطع عضو افزایش یافته است.

عرض مؤثر به علت افزایش یافتن سختی عضو افزایش یافت. باید به این مسئله نیز توجه داشت که جهت انجام کار سرد محدودیت ضخامت نیز حائز اهمیت است. یعنی اینکه ضخامت‌های زیاد در دستگاه‌های شکل دهنده مقاطع مشکلاتی را ایجاد خواهد کرد. با بررسی شکل 4 می‌توان نشان داد که با 2 برابر شدن ضخامت، میزان ظرفیت عضو به بیش از 2/5 برابر گردید.

2-3-سخت کننده لبه‌ای d

سخت کننده لبه‌ای نقش مؤثری در ارتقاء ظرفیت عضو دارد. در شکل 5 سه مقطع دارای مساحت و ارتفاع یکسان می‌باشند. از سمت چپ، مقطع مورد نظر بدون سخت کننده لبه‌ای می‌باشد که فقدان این عضو میزان غیر مؤثر بودن بال را افزایش می‌دهد. مقطع میانی با افزودن سخت کننده لبه‌ای میزان مؤثر بودن کل مقطع به 2 برابر حالت قبل رسیده است.

و در شکل سوم با افزایش سخت کننده مقدار عرض مؤثر افزایش یافت. همچنین با مقایسه مقطع با و بدون سخت کننده مشخص شد که میزان بار محوری اسمی به 2 برابر افزایش یافت. و این نکته قابل تأمل است که بدون تغییر در میزان مساحت یک مقطع. ظرفیت آن فقط با تغییر در سخت کننده لبه‌ای به مقدار قابل ملاحظه‌ای افزایش یابد.

طراحی بهینه ناودانی (C)

همانطور که در نمودار 2 مشاهده می‌شود با افزایش عمق سخت کننده بار مجاز فشاری به دو برابر مقدار اولیه خود می‌رسد. پس از آن که این مقدار به بالاترین حد خود می‌رسد افت آن آغاز می‌شود. این نشان دهنده آن است که عمق سخت کننده از یک مقدار معین مؤثرتر نخواهد بود. و اضافه شدن عمق با سطح مقطع ثابت در حقیقت کسر شدن از مقدار عرض دیگر اعضا (بال، جان) می‌باشد.

3-3-بال مقطع b

در شکل 6 مقدار عرض مؤثر بال برای یک مقطع با جان و سخت کننده ثابت و بال متغیر نمایان و مشخص است. میزان مؤثر بودن بال به شرایط تکیه‌گاهی نیز در قسمت سخت کننده لبه‌ای بستگی دارد. چرا که اگر این مقدار، ناکافی باشد یعنی مقدار k به حد معینی نرسد عرض مؤثر بال را به مقدار قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهد.

همانطور که در نمودار 3 مشخص می‌باشد با افزایش عرض بال مقدار عرض غیر مؤثر افزایش پیدا کرده است. وقتی که بال یک مقطع با مساحت ثابت افزایش می‌یابد. ظرفیت عضو نیز افزایش می‌یابد. این روند تا جایی ادامه پیدا می‌کند سپس با افزایش بال شاهد کاهش این رویه خواهیم بود.

4-3-جان مقطع h

جان یک جزء فشاری سخت شده می‌باشد با توجه به این که عمق جان بخش زیادی از مقطع ناودانی شکل. را به خود اختصاص می‌دهد. لذا میزان مؤثر و غیر مؤثر بودن آن در تعیین ظرفیت عضو ملموس خواهد بود. اگر ارتفاع مقطع از حد خاصی مانند شکل 7 بیشتر شود به مقدار غیر مؤثر بودن آن اضافه خواهد شد. که دلیل این موضوع به h/t و دیگر پارامترها مربوط می‌شود.

با افزایش عمق جان می‌توان در نمودار 4 نشان داد که ظرفیت فشاری عضو افزایش می‌یابد. و مانند وضعیت‌های سخت کننده لبه‌ای و بال این تنزل ظرفیت با افزایش جان بعد از حد خاصی کاملاً در نمودار زیر مشهود می‌باشد.

5-3-سحت کننده میانی

در طراحی مقاطع سرد نود تحت نیروی محوری، وقتی نسبت عرض به ضخامت نسبتاً زیاد باشد. کارایی عضو را می‌توان با اضافه کردن سخت کننده میانی ارتقاء داد. و در شکل 8 از سمت چپ به راست مقطع ناودانی با بال و جان متناسب. مقطع میانی دارای نسبت جان بزرگ و دیگری یک مقطع با بال پهن قرار گرفته است. در این قسمت به بررسی اثر سخت کننده میانی بر ظرفیت مقطع ناودانی شکل می‌پردازیم.

طراحی بهینه ناودانی (C)

6-3-بررسی ظرفیت مقطع ناودانی با سخت کننده میانی بال و جان

در نمودار 5 ظرفیت مربوط به یک مقطع ناودانی شکل بدون سخت کننده میانی (A) با افزایش مقدار در جان نمایان و مشخص است. حال اگر دو سخت کننده در جان (B) مقطع قرار دهیم افزایش ظرفیت قابل توجهی مشاهده خواهد شد. با اضافه کردن یک سخت کننده با بال (C) باز هم شاهد افزایش ظرفیت باربری مقطع خواهیم بود. این نکته را نیز بایستی متذکر شد که اگر ممان اینرسی سخت کننده میانی از ممان اینرسی لازم برای سخت کننده بیشتر باشد. در افزایش ظرفیت عضو نقش قابل ملاحظه‌ای خواهد داست. در غیر اینصورت در طراحی بایستی از اثر سخت کننده صرف‌نظر کرد.

4-مقایسه ظرفیت مقطع ناودانی با سخت کننده میانی، جان و بال با مقطع بدون سخت کننده میانی

در نمودار 6 میزان افزایش ظرفیت مقطع نسبت به حالت وجود (B,C) و عدم وجود سخت کننده (A) مورد ارزیابی قرار گرفت. مقایسه بین تأثیر سخت کننده در جان (B)، بال و جان (C) نشان می‌دهد. که عمق جان در یک مقطع وقتی که مساحت مقدار ثابت است. رو به افزایش است سخت کننده میانی جان و وقتی بال مقطع بزرگ می‌باشد.

طراحی بهینه ناودانی (C)

(جان کوچک است) سخت کننده بال نقش بسزایی در تعیین ظرفیت مقطع دارد. کاهش فاصله بین حالت Bو حالت C وقتی که عمق جان افزایش یافته است دیده می‌شود. دلیل این موضوع کاملاً روشن است. چون وقتی جان رو به افزایش می‌باشد. بال کاهش می‌یابد، عرض غیر مؤثر بال نیز کمتر می‌شود و دیگر وجود سخت کننده بال تأثیر زیادی نخواهد داشت.

5- مقایسه بین تنش تسلیم و هندسه مقطع

تنش‌های تسلیم رایج معمولاً از 200 تا 600 متغییر می‌باشد. در این قسمت مقادیر ظرفیت محوری یک مقطع ناودانی ثابت با خصوصیات مکانیکی متغییر که از نمودار 7 استخراج. و در جدول 3-2 آورده شده و یک مقطع ناودانی با عرض ورق ثابت و هندسه متغییر با خصوصیت مکانیکی ثابت. در جدول 3-2 مربوط به نمودار 5 با سه وضعیت مقطع با و بدون سخت کننده جان. و مقطع با سخت کننده لبه‌ای جان و بال، تعیین شده است.

با مقایسه این دو جدول در می‌یابیم که نیل به ظرفیت مطلوب باربری عضو ناودانی. با بالا بری مقدار در تنش تسلیم (مشخصه مکانیکی) از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نخواهد بود. و تغییر در تنش تسلیم بسیار هزینه بر خواهد بود. و در مورد هندسه مقطع ظرفیت باربری مشخص می‌شود که با تغییر در ابعاد و بهینه کردن مقطع می‌توان به ظرفیت مطلوب رسید.

6- نتیجه‌گیری

نتیجه‌ای که از این تحقیق به عنوان عوامل و پارامترهای تأثیرگذار از نوع هندسی برداشت شد به صورت زیر گزارش شد.

اثر ضخامت بر ظرفیت وقتی ضخامت دو برابر اولیه شد مقدار مساحت مؤثر 1/68 و ظرفیت باربری به 1/7 برابر نسبت به حالت قبل رسید. و اثر سخت کننده لبه‌ای ناکافی و کافی نسبت به حالت بدون سخت کننده لبه‌ای. در مقطع ناودانی مربوط به مساحت مؤثر و ظرفیت باربری مورد بررسی قرار گرفت. و 38% اثر سخت کننده لبه‌ای ناکافی و 77% اثر سخت کننده لبه‌ای کافی نسبت به حالت بدون سخت کننده گزارش شد.

اثر بال و جان با مقدار عرض ثابت ورق بررسی شد و حداقل و حداکثر ظرفیت محوری. که یک مقطع می‌تواند داشته باشد به 61% ارتقاء یافت.

نتایج مربوط به تأثیر سخت کننده میانی بال، بال و جان نسبت به مقطع بدون سخت کننده میانی بر ظرفیت عضو. در حالت بهینه به ترتیب 30% و 40% حاصل شد. که این موضوع حاکی از نقش بسیار تأثیرگذار سخت کننده‌ها بود.

مقایسه بین تعیین ظرفیت براساس مشخصه مکانیکی و هندسی صورت گرفت. و معلوم گردید بالا بردن ظرفیت مقطع از طریق بهبود خصوصیت فولاد. و تغییر در ترکیب آلیاژ مقرون به صرفه نبوده در حالی که تغییر در خصوصیت هندسی علاوه بر نیل به ظرفیت مطلوب. همچنین مناسب از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه خواهد بود.

حبیب شریف : کارشناسی ارشد عمران گرایش سازه

محمدرضا جواهری

حمیدرضا رونق