شناخت کمانش موضعی برای انتخاب صحیح تیرآهن و طراحی ایمن سازههای فولادی اهمیت زیادی دارد. در طراحی مقاطع فولادی، بال و جان از نظر لاغری بهصورت جداگانه بررسی میشوند، هرچند رفتار این دو بخش کاملاً مستقل از یکدیگر نیست.
کمانش موضعی چیست؟
کمانش موضعی زمانی اتفاق میافتد که بخشی از مقطع فولادی، به جای اینکه کل تیر بهصورت یک عضو کمانش کند، به شکل موضعی تغییر شکل داده و از حالت صاف خارج شود.
در تیرآهنهای I شکل، دو بخش اصلی که باید از نظر کمانش موضعی بررسی شوند عبارتاند از:
- بال تیرآهن
- جان تیرآهن
این نوع کمانش با کمانش کلی تیر یا کمانش پیچشی-جانبی متفاوت است و بیشتر به هندسه و لاغری اجزای مقطع مربوط میشود. AISC نیز طبقهبندی بال و جان را بر اساس نسبتهای لاغری آنها انجام میدهد.
کمانش موضعی بال تیرآهن چیست؟
بال تیرآهن، بهخصوص بالی که تحت فشار قرار دارد، میتواند در صورت نازک بودن نسبت به عرض خود دچار کمانش موضعی شود.
به زبان ساده، اگر عرض قسمت فشاری بال زیاد و ضخامت آن کم باشد، این بخش ممکن است پیش از آنکه کل ظرفیت خمشی مقطع مورد استفاده قرار گیرد، دچار تغییر شکل موضعی شود.
یکی از پارامترهای مهم در این بررسی، نسبت عرض به ضخامت بال است. هرچه این نسبت بیشتر باشد، احتمال رفتار لاغر و کمانش موضعی افزایش پیدا میکند.
کمانش موضعی جان تیرآهن چیست؟
جان تیرآهن بخش عمودی بین دو بال است. این قسمت نیز بسته به ارتفاع و ضخامت خود میتواند مستعد کمانش موضعی باشد.
در بررسی جان، یکی از نسبتهای مهم، ارتفاع مؤثر جان به ضخامت آن است. برای مثال، در نمونههای طراحی AISC از نسبت (h/t_w) برای بررسی لاغری جان استفاده میشود. اگر این نسبت از حدود مشخصشده در ضوابط طراحی عبور کند، رفتار جان میتواند از حالت فشرده به غیر فشرده یا لاغر تغییر کند.
جان علاوه بر کمانش ناشی از خمش، در شرایطی مانند اعمال نیروهای متمرکز یا نیروهای فشاری در محل اتصال نیز ممکن است دچار کمانش یا خردشدگی موضعی شود.
چه عواملی باعث کمانش موضعی میشوند؟
چند عامل اصلی در احتمال وقوع کمانش موضعی نقش دارند:
- ضخامت بال یا جان
- عرض آزاد بال
- ارتفاع آزاد جان
- نسبت عرض به ضخامت بال
- نسبت ارتفاع به ضخامت جان
- مقاومت تسلیم فولاد
- نوع و مقدار بارگذاری
- وجود نیروهای متمرکز
- شرایط اتصال و مهاربندی
- تنشهای پسماند و نقصهای اولیه مقطع
در واقع، تنها ضخامت تیرآهن تعیینکننده نیست؛ هندسه کلی مقطع و نسبت ابعاد آن اهمیت زیادی دارد.
مقاطع فشرده، غیر فشرده و لاغر چه تفاوتی دارند؟
در طراحی فولاد، عناصر مقطع از نظر نسبت عرض یا ارتفاع به ضخامت میتوانند در دستههای فشرده، غیر فشرده و لاغر قرار بگیرند.
مقطع فشرده معمولاً ظرفیت بیشتری برای رسیدن به مقاومت خمشی مورد انتظار پیش از وقوع کمانش موضعی دارد. در مقاطع غیر فشرده، کمانش موضعی میتواند قبل از توسعه کامل ظرفیت پلاستیک رخ دهد و در مقاطع لاغر، اثر کمانش موضعی اهمیت بیشتری پیدا میکند.
AISC برای بال و جان، حدود مشخصی برای این طبقهبندی ارائه میکند و در طراحی مقاطع لاغر، کاهش ظرفیت یا استفاده از روشهایی مانند عرض مؤثر مطرح میشود.
کمانش بال و جان چه تأثیری بر ظرفیت تیرآهن دارد؟
کمانش موضعی میتواند باعث شود تیرآهن نتواند به ظرفیت تئوری خود دست پیدا کند. به همین دلیل، در طراحی تیرهای فولادی تنها بررسی مقاومت مصالح کافی نیست و پایداری اجزای مقطع نیز باید بررسی شود.
در مقاطع دارای بال یا جان لاغر، ضوابط طراحی ممکن است ظرفیت خمشی عضو را با در نظر گرفتن کمانش موضعی کاهش دهند. در برخی روشها، بهجای استفاده از تمام عرض عضو، از عرض مؤثر برای محاسبه ظرفیت استفاده میشود.
تفاوت کمانش موضعی با کمانش کلی تیر
این دو پدیده نباید با یکدیگر اشتباه گرفته شوند.
| نوع کمانش | محل یا شکل تغییر شکل | عامل مهم |
|---|---|---|
| کمانش موضعی بال | تغییر شکل موضعی بال | نسبت عرض به ضخامت |
| کمانش موضعی جان | تغییر شکل موضعی جان | نسبت ارتفاع به ضخامت |
| کمانش کلی | تغییر شکل کل عضو | طول، شرایط تکیهگاهی و لاغری عضو |
| کمانش پیچشی-جانبی | جابهجایی جانبی و پیچش تیر | طول مهارنشده، سختی و شرایط بارگذاری |
بنابراین ممکن است یک تیر از نظر کمانش کلی وضعیت مناسبی داشته باشد، اما یکی از اجزای مقطع آن به دلیل لاغری زیاد مستعد کمانش موضعی باشد.
چگونه از کمانش موضعی جلوگیری میشود؟
کنترل کمانش موضعی معمولاً از مرحله طراحی مقطع آغاز میشود. انتخاب مقطعی با نسبت مناسب عرض یا ارتفاع به ضخامت یکی از روشهای اصلی است.
در شرایط خاص نیز میتوان از راهکارهایی مانند:
- افزایش ضخامت بال یا جان
- استفاده از سختکنندهها
- کاهش نسبت لاغری اجزای مقطع
- اصلاح نحوه انتقال بار
- بهبود جزئیات اتصال
- انتخاب مقطع مناسبتر
استفاده کرد.
البته نوع راهکار به محل کمانش، نوع بارگذاری و الزامات طراحی بستگی دارد. در برخی سازهها، سختکنندههای طولی یا عرضی برای افزایش پایداری جان به کار میروند.
هنگام خرید تیرآهن به چه نکاتی توجه کنیم؟
برای خرید تیرآهن مناسب پروژه، تنها توجه به سایز اسمی تیرآهن کافی نیست. بهتر است مشخصات زیر نیز بررسی شوند:
- ابعاد واقعی بال و جان
- ضخامت بال و جان
- وزن واقعی تیرآهن
- استاندارد تولید
- گرید فولاد
- تلرانس ابعادی و وزنی
- شرایط پروژه و نوع بارگذاری
بهخصوص در پروژههای حساس، انتخاب مقطع باید بر اساس محاسبات مهندسی انجام شود و نمیتوان صرفاً با مقایسه ظاهری ضخامت تیرآهن درباره ظرفیت آن تصمیم گرفت.
در مجموع، کمانش موضعی بال و جان یکی از مهمترین مسائل پایداری در طراحی تیرآهنهای فولادی است. نسبت عرض به ضخامت بال و نسبت ارتفاع به ضخامت جان، در کنار مقاومت فولاد و شرایط بارگذاری، نقش مهمی در تعیین رفتار مقطع دارند. به همین دلیل، انتخاب تیرآهن مناسب باید علاوه بر سایز و وزن، بر اساس استاندارد، هندسه مقطع و محاسبات مهندسی سازه انجام شود.
برای مشاهده جدیدترین اخبار و مقالات بازار ورق سیاه، به وبسایت رسمی آهن برکت سر بزنید.
