اعضای کششی سازه فولادی و اعضای فشاری دو نوع عنصر سازه ای هستند که ستون فقرات سازه فولادی هستند. آنها نیروهایی را در کشش یا فشار تجربه می کنند. این اصطلاحات معمولاً با موادی مانند فولاد مرتبط هستند که در ساخت انواع مختلف سازه ها مانند ساختمان ها، پل ها و برج ها استفاده می شوند.
مهندس میرزایی ۰۹۱۲۰۶۸۲۴۴۰
عضو تنش چیست؟
در مهندسی سازه، اعضای کششی عناصر سازه ای هستند که در درجه اول بارهای محوری را در کشش حمل می کنند. این اعضا به گونه ای طراحی شده اند که در برابر نیروهایی که برای کشیدن یا کشش مواد عمل می کنند و باعث کشیده شدن آن می شوند، مقاومت کنند. اعضای کششی اجزای حیاتی در انواع مختلف سازه ها هستند که پایداری و پشتیبانی را فراهم می کنند.
انواع اعضای تنش
اشکال مختلف اعضای کششی عبارتند از:
کابل، طناب و سیم
میله و میله
بشقاب ها و میله های تخت
اشکال تک سازه
بخش های ساخته شده
کابل، طناب و سیم
اینها شاید ساده ترین نمونه تنش در میان اعضا باشد. آنها اغلب در پل های معلق، پل های کابلی و سایر سازه هایی که توانایی حمل بارهای کششی در دهانه های طولانی ضروری است استفاده می شوند.
کابل ها و طناب ها اعضای کششی اساسی هستند که در کاربردهای مختلف نقش اساسی دارند. این عناصر برای حمل بارها عمدتاً در حالت کشش طراحی شده اند و در مقابل نیروهایی که سعی در کشیدن یا کشش مواد دارند، مقاومت می کنند. در اینجا توضیحی در مورد کابل ها و طناب ها در زمینه مهندسی سازه آورده شده است:
کابل‌ها: کابل‌ها معمولاً سیم‌ها یا رشته‌های فولادی با قطر بزرگ‌تر و با استحکام بالا هستند که به هم تابیده یا بافته شده‌اند تا ساختاری انعطاف‌پذیر با استحکام کششی بالا تشکیل دهند. معمولاً در سیستم‌های سازه‌ای که به دهانه‌های بلند و استحکام بالا نیاز است، مانند پل‌های معلق و پل‌های کابلی استفاده می‌شوند.
میله و میله
اینها برخی از ساده ترین اشکال اعضای کششی هستند. میله ها و میله ها اعضای ساختاری باریکی هستند که برای تثبیت و پشتیبانی سازه ها استفاده می شوند. آنها اغلب به عنوان اعضای کششی در سیستم های مهاربندی استفاده می شوند. به عنوان میله های آویزان برای حمایت از پرلین ها بین خرپاها، و برای حمایت از بند در ساختمان های صنعتی، که در آن ساختار سبک مطلوب است، به عنوان مثال دکل های برج و غیره.
میله ها با ایجاد مقاومت در برابر رانش قوس در قوس ها نقش دارند. با این حال، در حال حاضر به دلیل جابجایی جانبی قابل توجهی که در بادهای شدید ایجاد می کنند و صدای مخرب ناشی از ارتعاشات، توسط طراحان ترجیح داده نمی شوند. استفاده از میله های مستطیلی در حال کاهش است، اگرچه ممکن است همچنان به عنوان آویز در سازه های خاص مورد استفاده قرار گیرند. اعضای کششی میله چشمی در پل های خرپایی، زنجیر پل معلق و به عنوان آویز برای تیرهای کف هم در پل های معلق و هم در پل های قوسی کاربرد دارند.
بشقاب ها و میله های تخت
صفحات و میله های مسطح اغلب به عنوان اعضای کششی در سازه هایی مانند برج های انتقال و پل های عابر عمل می کنند. علاوه بر این، آنها نقش مهمی در ستون ها ایفا می کنند و از موقعیت مناسب اعضای جزء اطمینان می دهند. به عنوان مثال می توان به صفحات توری، صفحات چوبی، صفحات کراوات انتهایی و عناصر مشابه اشاره کرد.
اشکال تک سازه
یک صفحه منفرد، جهت عمودی یا افقی، می تواند به عنوان یک عضو کششی عمل کند. مشخصات، ملاحظات طراحی صفحات منفرد تحت نیروهای کششی را مشخص می کند.
بخش های ساخته شده
به طور کلی، اصطلاح بخش ساخته شده در سازه های فولادی به عنصری اطلاق می شود که از دو یا چند مقطع فولادی کوچکتر و استاندارد مانند صفحات، نبشی ها، کانال ها، تیرآهن یا سایر مقاطع استاندارد، مونتاژ شده و جوش داده شده یا پرچ شده تشکیل شده است. یا به یکدیگر پیچ می شوند تا به عنوان عضو ساختاری منفرد و پیچیده تر عمل کنند. هدف از ایجاد یک بخش ساخته شده دستیابی به اهداف طراحی خاص یا برآوردن منطقه مورد نیاز است که ممکن است به راحتی با بخش های تک نورد قابل دستیابی نباشد.
اعضای ساخته شده سخت‌تر هستند، زیرا برای همان اندازه، با داشتن ممان اینرسی بسیار بیشتر در مقایسه با بخش‌های تک نورد، می‌توانند در برابر خمش بهتر مقاومت کنند. مزیت دیگر این است که اعضای ساخته شده را می توان به اندازه کافی قوی ساخت که هم فشار و هم کشش را تحمل کنند و در هنگام تغییر جهت تنش ها مفید باشند.
بخش ساخته شده ممکن است به طور همزمان تحت کشش و سایر بارها قرار گیرد. به عنوان مثال، صفحه گوست مجهز به بخش های زاویه ای است که به هر یک از اضلاع آن چسبانده شده است. هنگامی که بخش‌های زاویه‌ای در یک سمت صفحه قرار میگیرند، صفحه گاست می‌تواند هم نیروهای کششی و هم نیروهای خمشی را تحمل کند.
طراحی اعضای کششی :
طراحی اعضای کششی در طراحی بسیاری از اعضای ساختمانی مثل اعضال یال کششی ، قطری کششی ، مهاربند ها , پل ها و… کاربرد اساسی دارد.مقاله که هم اکنون مطالعه میکنید قسمتی از پکیج آموزشی آمپول طراحی اعضای کششی میباشد.
اعضای کششی در اغلب سازه های فولادی به عنوان دو عضو متفاوت کاربرد دارد.
- اعضای اصلی و درجه یک
- اعضای درجه دوم ساختمانی
اعضای اصلی مثل اعضایی که جزیی از سیستم باربر سازه ای هستند و اعضای فرعی مثل مهاربند ها میباشند.در طراحی سازه های فولادی عضو هایی کششی ساده ترین و شاید حتی اساسی ترین رکن طراحی ساختمان باشد.
اصلی‌ترین قانون طراحی :
شاید در بسیاری از سخنرانی های خودم برای مهندسین عمران کشورم بار ها بیان کرده ام که اصلی‌ترین قانون طراحی پیدا کردن پارامترهای سرنوشت ساز در طراحی میباشد.
اگر کتاب ها را ورق بزنیم ، مقالات را مطالعه کنیم ، در کلاس های زیادی شرکت کنیم متوجه میشویم که شاید بیش از ۳۰۰ پارامتر مهم در طراحی سازه های فولادی وجود دارد. امام آیا واثعا تمامی این ها مهم میباشند و ما مهندسین باید تمامی این ها را در نظر بگیریم؟
در طراحی اعضای کششی هم دقیقا همین مسیله وجود دارد اما میتوانم به شما قول بدهم که در طراحی اعضای کششی نیازی به مطالعه ۳۰۰ پارامتر طراحی نیست و تنها اگر ۴ پارامتر را در نظر بگیرید در طراحی سازه های فولادی تقریبا از همه چیز بی نیاز میشوید.
- مقاومت
- پایداری
- تغییر مکان
- تغییر شکل
بسیاری از مهندسان و طراحان گزینه ۳ و ۴ را با هم در نظر میگیرند اما این موضوع کار اشتباهی است که بار ها در سخنرانی های خودم به مقالات دانشگاه برکلی اشاره کرده ام و آن هارا اثبات کرده ام.
اما در هر حال برای اعضای کششی تنها کافیست که ما معیار مقاومت و لاغری را در نظر بگیریم و از سایر موارد خود داری میکنیم.زیرا در طراحی اعضای کششی معیار هایی مثل پایداری اصلا مورد اهمیت نمیباشند.
نیمرخ های اعضای کششی :
در سازه های فولادی ,اعضای کششی به صورت نیمرخ های تک و یا ترکیبی ازآن ها مورد استفاده قرار میگیرند.بدون محاسبات دقیق و داشتن دید صحیح مهندسی نمیتوانیم بیان کنیم که آیا نیمرخ های تک اقتصلدی تر عمل میکنند و یا نیمرخ های ترکیبی.
به عنوان مثال در بسیاری از مسایل ما به صراحت دیده ایم که برای یک مقطه نبشی دوبل عملکرد بینظیری را دارد و همینطور اقتصادی تر نیز هعمل میکنم اما در همان سازه و همان پروژه با ازدیاد مقاطع استفاده شد متوجه میشویم که نبشی تک برای ما طراحان بهتر است.
ام به طور کلی میتوان بیان کرد که انواع نیمرخ ها و تکی وبا ترکیبی بودن آن ها از عوامل زیر پیروی میکند.
- مقاومت کششی نیمرخ ها
- ضریب لاغری
- ترکیب لنگر خمشی و نیروی برشی
- مسایل زیبا سازی
- اتصالات
- …
هنگامی که یک عضو کششی به عنوان عضو سازه ای با نیروی کم در یک سازه فولادی به کار میرود مقطع آن از میلگرد ، تسمه ، کابل با سطح مقطع کم و پروفیل های سبک تک و یا زوج نبشی یا ناودانی است.موارد مرکب ساخته شده از پروفیل های مختلف نظیر I ، نبشی و یا ناودانی برای تحمل نیرو های کششی بزرگ در مواردی که عضو کششی به صورت عضو اصلی در نظر است به کار میروند.
اعضای کششی در اغلب سازه های فولادی به عنوان دو عضو متفاوت کاربرد دارد.
- اعضای اصلی و درجه یک
- اعضای درجه دوم ساختمانی
اعضای اصلی مثل اعضایی که جزیی از سیستم باربر سازه ای هستند ونمیتوان آن ها را از سازه جدا کرد مثلا در خرپاهای فلزی یال های کششی و قطری های کششی از این دسته اند و اعضای فرعی مثل مهاربند ها میباشند.
در پل ها آویز های کششی ، در پل های کابلی ، کابل ها و در مخازن آب هوایی فولادی میل مهارها و …همه و همه ، عضو های کششی هستند که برای ما در سازه ها ایفای نقش میکنند.
اعضای کششی چه میزان قدرتمند هستند؟
شاید بد نباشد که مقاومت این عضو های تحت کشش را با پارامتر مقاومت آن ها بررسی کنیم.در قسمت بالا بیان کردیم که یکی از مهمترین معیار ها و پارامتر های طراحی اعضای کششی ، معیار مقاومت آن ها میباشد.
طراحی این عضو ها یکی از ساده ترین و ابتدایی ترین مسایل مهندسی سازه میباشد.در این حالت مسیله منجر به تعیین یک سطح مقطع مورد نیاز برای مقابله با نیرو های وارده با یک ضریب اطمینان کافی میباشد.
به طور کلی در مسایل مربوط بهع طراحی اعضای کششی ما ۴ توع مساحت سطح مقطع در مثال ها نیاز داریم که در اینجا نام میبریم و در ادامه کار هر کدام را کامل توضیح میدهیم.
- سطح مقطع کل (Ag)
- سطح مقطع خالص (An)
- سطح مقطع موثر (Ae)
- سطح مقطع خالص برشی (Anv) (در مسایل مربوط به برش قالبی کاربرد دارد)
هنگامی که ما طراحان در نظر داریم تا پارامتر مقاومت یک عضو کششی (Tension members ) را بررسی کنیم به سطح مقطع های بالا در حالت های متفاوت نیاز داریم.
ترس بزرگ طراحان عمران :
یکی از بزرگترین ترس های ما طراحان سازه‌ای مخصوصا در هنگام طراحی سازه های فولادی پدیدیه ناپایداری میباشد.حال اگر این ناپایداری به صورت کمانشی ایجاد شود مشکل ما مهندسان چندین برابر میشود.
خوشبختانه در اعضای کششی خبری از پدیده ناپایداری به صورت کمانش چه به صورت جزیی و چه به صورت کلی نیست.به همین دلیل است که انتقال نیرو در یک سازه فولادی به صورت کشش بهترین نوع انتقال نیروهاست.علاوه برآن فولادهای با مقاومت بالا و کابل های چند رشته ای که دارای مقاومت گسیختگی زیاد هستند قادراند بدون هیچگونه ناپایداری نیروهای کششی بسیار بزرگ را انتقال دهند.
طراحی اعضای کششی به روش Lrfd :
اجاره دهید تا طراحی اعضای کششی را با زبان بسیار ساده بیان کنیم و از هرگونه پیچیدگی به دور باشیم.به طور کلی برای طراحی این عضو های سازه ای تحت کشش ، ما باید چهار فرمول کلی را بررسی کنیم که سه فرمول از این چهار فرمول ارتباط نزدیکی به هم دارند و فرمول چهارم میباشد که تنها دادای تفاوت جزیی میباشد.
- زمانی که سطح مقطع کل سازه تحت تاثیر قرار میگیرد (مقطع مورد بررسی ما دارای سوراخ نمیباشد).در این حالت ما طراحان از فرمول زیر استفاده میکنیم.
زمانی که با An (و یا سطح مقطع خالص Net Area) سر و کار داریم (مقطع مورد بررسی ما دارای سوراخ میباشد). در این حالت از فرمول زیر استفاده میکنیم.
زمانی که با Ae (سطح مقطع موثر) باید کار کنیم.در این حالت از فرمول زیر کمک میگیریم.
برش قالبی و یا Shear Block که در این حالیت از فرمول زیر کمک میگیریم.
زمانی که سوراخ های درون اعضای کششی (Tension members ) ما به گونه ای میباشد که فاصله افقی سوراخ ها (S)بسیار کم باشد و یا سوراخ ها به هم نزدیک باشد حالت دیگری از گسیختگی نیز ممکن است رخ بدهد کخ به آن برش قالبی و شکست قالبی میگویند.
به تصویر زیر دقت کنید. خط قرمز رنگ نشانه یک شکست قالبی میباشد که در عضو کششی ما رخ داده است.
کنترل لاغری در عضو ها :
یکی دیگر از کنترل هایی که باید در هنگام طراحی اعضای کششی در نظر بگیریم ، کنترل لاغری مقطع مورد بررسی میباشد.درست است که ما در ابتدای کار گفتیم که نیازی نیست معیار پایداری را در اعضای کششی مورد بررسی قرار دهیم، اما باید مقطع ما به اندازه ای قوی باشد که دچار پدیده لاغری نشود.
در این حالت آیین نامه ها برای ما معیارهایی را در نظر گرفته اند که در هنگام طراحی باید به آن ها دقت کنیم. برای این منظور به فرمول زیر توجه کنید.
در این فرمول ” l ” برابر طول عضو و ” r ” برابر شعاع ژیراسیون میباشد.
به جرات میتوانیم قول دهیم که بعد از فراگیری این آموزش هیچ نکته و سوالی جای ابهام برای شما نمیگذارد و تمامی مسایل در حد طراحی مهار بندها ، پل های کابلی را به سادگی فرا میگیرد.
مهندس میرزایی ۰۹۱۲۰۶۸۲۴۴۰
موفق باشید بسیار عالی