ترکیب رده های مختلف فولاد در ساخت بهینه سوله و اجزای تیرورق ها

مقدمه

امروزه افزایش روز افزون جمعیت و تقاضا برای مواد اولیه و کاهش منابع طبیعی اهمیت بهینه سازی در صنعت سوله را دو چندان می کند. یکی از راه حل های این مشکل استفاده از ترکیب رده های مختلف فولاد با مقاومت بالا در ساخت بهینه سوله های صنعتی، ساختمانی و غیره است.

فولاد پر مقاومت و کم آلیاژ با افزودن مقادیر ناچیزی کرم، مس، منگنز و غیره به فولاد های کم کربن ساخته می شود. ریز شدن دانه ها و رسوب سختی ناشی از عناصر میکرو آلیاژی در پایان فرآیند نورد گرم استحکام افزایش سبب فولادهای پرمقاومت می شود، بطوری که تنش تسلیم فولاد با گرید ST52 حدود یک و نیم برابر ST37خواهد شد. لذا استفاده از فولاد های پر مقاومت در بخش های کلیدی اجزای سازه تحول شگرفی در کاهش وزن، اقتصادی شدن ساخت و افزایش کارایی اجزای سازه ای ایجاد می نماید. در این تحقیق تغییرات وزن و هزینه های ساخت پل و سوله با استفاده از فولاد ST52 ، ST37و ترکیب آن ها مورد بررسی قرار میگیرد.

معرفی مصالح مصرفی

یکی از مصالح ساختمانی با کاربرد فراوان ترکیب رده های مختلف فولاد در بهینه سازی ساخت، در انواع سوله ها است. در این تحقیق تیرورقهای پل و سوله با استفاده از ترکیب رده های مختلف از فولاد (فولاد نرمه و فولاد پرمقامت) در بهینه سازی ساخت سوله استفاده شده است. تفاوت اصلی این دو رده از فولاد در استحکام کششی آن ها می باشد. استحکام کششی مهم ترین پارامتر فولاد است که مقدار آن برای طراحان حائز اهمیت است.

فولاد نرمه: فولاد های کربن دار ساختمانی در رده کربن ملایم قرار دارند و به آن ها فولاد نرمه می گویند. حداکثر کربن فولاد نرمه ST37بسته به ضخامت ، مابین 3/20الی 3/27درصد می باشد. فولادهای ST37در رده فولاد نرمه (کربن دار) با تنش تسلیم بین 2233تا 2033کیلوگرم بر سانتی متر مربع و تنش نهایی بین 3433تا 3133کیلوگرم بر سانتی مترمربع قرار دارند.

فولادهای پرمقاومت کم آلیاژ: این فولادها با افزایش مقادیر ناچیزی آلیاژ نظیر کرم، کلمبیم، مس، منگنز، مولیبدن، نیکل، فسفر، وانادیم و زیرکنیم، نسبت به فولادهای کربن دار ، به دست می آیند. افزایش آلیاژهای فوق باعث ریزتر شدن ساختمان بلوری آهن و در نتیجه افزایش مقاومت آن می شود. فولادهای ST52در رده فولادهای پرمقاومت کم آلیاژ قرار گرفته، تنش تسلیم آن ها بین 3233تا 3133 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و مقاومت گسیختگی 4600 تا 5400 کیلوگرم بر سانتی مترمربع را داراست.

روند انجام پژوهش

در این تحقیق یک پل چهار دهانه و دو سوله تک دهانه و دو دهانه در نرم افزارSAP2000- v15.1 مدل سازی شده اند، اعضای اصلی سازه ها از تیرورق ساخته شده اند. مهم ترین فاکتور طراحی، اساس مقطع خمشی اعضا است و رابطه ی اساس مقطع خمش یک تیرورق مطابق با رابطه ی 1است، در این رابطه عوامل تعیین کننده مساحت بال ها و فاصله ی آن ها از مرکز سطح مقطع تیرورق هستند که با افزایش فاصله بال ها از مرکز سطح سبب بزرگ تر شدن مقدار اساس مقطع خمش می شوند، لذا با افزایش مقاومت بال ها نسبت به جان تیرورق می توان وزن عضو را کاهش داده و به اساس مقطع خمش مورد نظر دست یافت.

که در آن Aو dبه ترتیب مساحت مقطع بال و فاصله از مرکز سطح مقطع بال تا مرکز سطح تیرورق است. مشخصات سازه های مدل سازی شده به شرح جدول1 می باشد.

شکل1: نمای کلی مدل سازی پل فولادی 4دهانه

فرضیات تحلیل و طراحی

جهت از مبحث ششم مقررات ملی ساختمان استفاده شده است.[1] به منظور بررسی، بر اساس مباحث ششم و دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1311 که مربوط به ضوابط بارهای وارد بر ساختمان بوده و طرح و اجرای ساختمان های فولادی ویرایش 1310 جهت آنالیز و طراحی سوله ها[2] و نیز آیین نامه بارگذاری پلها–نشریه شماره137 جهت انجام محاسبات بارگذاری[3] و آیین نامه طرح پلهای راه و راه آهن در برابر زلزله–نشریه 403جهت طراحی عرشه پل فولادی استفاده شده است.[4] در این تحقیق در تنظیمات آیین نامه ای نرم افزار، جهت طراحی از روش تنش مجاز، آیین نامه [5] AISC-ASD89 استفاده گردیده است. آیین نامه های مذکور تطابق قابل قبولی با روش موجود در مبحث دهم مقررات ملی دارد.

بررسی نتایج تحلیل و طراحی

به منظور بررسی میزان تغییرات وزن سازه ها، المان های اصلی پل و سوله ها از تیرورق هایی با مشخصات یک بار از نوع فولاد ST37و بار دیگر از نوع فولاد ST52و نهایتا یک بار با استفاده از ترکیب فولادهای ST37 و ST52 با استفاده از فرضیات و مشخصات بند 3طراحی شدند و وزن مصالح فولادی در هر یک از مدل ها محاسبه شدکه نتایج آن در ادامه بصورت جداول و نمودارها نشان داده شده است.

نتایج پل فولادی چهار دهانه:

احداث شبکه راه های ارتباطی و توسعه صنعت حمل و نقل، از مهم ترین عوامل پیشرفت اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی هر کشور می باشد. معمولا در مسیر هر قطعه راه یا راه آهن، متناسب با شرایط منطقه تعدادی پل ساخته می شود که هزینه هر واحد طول آن ها ده ها برابر طول مشابه راه و یا راه آهن متصل به آن هاست. از این رو احداث پل ها از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. نظر به اینکه وسایل نقلیه عبوری از پل ها متنوع و مطالعه این سازه ها در مقابل تمامی بارهای واقعی پیچیده و حجیم می باشد، در کشورهای مختلف با پاره ای مطالعات تحلیلی و به کارگیری قواعد آمار و احتمالات، مجموعه ای از بارهای استاندارد که اثر آن ها معادل بحرانی ترین حالت های ترافیک واقعی باشد تعیین و پل های مختلف برای این بارها طراحی می شوند. دستورالعمل فنی شماره 11 اولین آیین نامه کشور بود که در سال 1330توسط هیئتی متشکل از نمایندگان وزارت راه و سازمان برنامه و بودجه با بررسی آیین نامه های کشورهای مختلف تدوین گردید. در سال های 1303و 1303آیین نامه مذکور با بررسی اوضاع ترافیکی موجود راه های کشور مورد بررسی مجدد و ویرایش قرار گرفت.
پس از اعمال انواع بارهای دایمی و بارهای بهره برداری، ضرایب دینامیکی، نیروی ترمز و شتاب، نیروهای گریز از مرکز، اثر باد، دما و زمین لغزش بر137 اساس نشریه – آیین نامه بارگذاری پل ها تحلیل و سپس با استفاده از سه تیپ مختلف با استفاده از فقط فولاد مصرفی ST37فقط فولاد مصرفی ST52 و استفاده از ترکیب فولادهای مصرفی ST37و ST52بر اساس آیین نامه طراحی پل ها –نشریه شماره403– طراحی و پس از آن ترکیب رده های مختلف بهینه سازی مدل ها در ساخت سوله، برآورد اوزان فولادهای استفاده شده بر اساس جدول 2 و نمودار شکل 4 بدست آمد.

جدول2 اوزان فولادهای مصرفی ST37و ( ST52تن)

شکل4 مقادیر فولادهای مصرفی تیپ های مختلف پل عرشه فولادی

نتایج سوله تک دهانه:

اگرچه ها راه ها اهمیت حیاتی فراوانی در تشکیل زیرساخت های کشور دارند، بعد از ایجاد راه ها و نیروگاه ها در کشور، از نیازهای اساسی سوله های انبار و سرد خانه ها اشاره کرد.که در مقطع کنونی ساخت آنها برای کشورمان یک نیاز حیاتی است. به دلیل وسعت جغرافیایی کشور از حجم بالای تجارت داخلی نیز برخوردار است، از این حجم کالا نیاز به سوله ها و انبار ها و سرد خانه های بسیاری است. ازجهت دیگر تنظیم این بازار بزرگ از سوی تولید کنندگان عمده یا دولت در بازارهایی که عرضه های فصلی و تقاضاهای دائمی دارند برای تمامی عاملین مهم است.

سوله به دلیل کاربرد عمدتا صنعتی از نظر طراحی با سایر سازه ها متفاوت می باشد خصوصا آنکه قابها در این نوع سازه کاملا متفاوت بوده و دارای شیب می باشد و دهانه ها نیز نسبت به سایر سازه ها بزرگتر است.به دلیل بزرگتر بودن ابعاد تیرها و ستونها، جهت ساخت سوله نمی توان از پروفیل های موجود در بازار استفاده نمود و باید اقدام به خرید ورق و ساخت سوله کرد که اصطلاحا به نوع ساخت آن تیر ورق می گویند. در سال های قبل سیستم های خرپاسازی در ایران بسیار متداول بوده اما هم اکنون سوله یا سازه فلزی به علت مزایای فراوان جایگزین آن گشته است. هم اکنون سوله و سازه های فلزی اهمیت و جایگاه ویژه ای از نظر مهندسی مدرن کسب نموده است.

سوله ها می توانند در یک دهانه یا چند دهانه طراحی و احداث شوند. در این بخش یک سوله تک دهانه با ارتفاع تاج8.5 متر و دهانه12 به متر طول مجموع 50 متر مشتمل بر 5 دهانه ی متری بر اساس آیین نامه های تحلیل و طراحی ذکر شده در بند 4بر مبنای سه تیپ مختلف استفاده از فولادهای ST52 ،ST37و ترکیب این دو رده مختلف فولاد در ساخت طراحی دهانه ها و پس از بهینه سازی مقاطع و برآورد اوزان اسکلت ، جدول 3و نمودار شکل 5 بدست آمد.

جدول3 اوزان فولادهای مصرفی ST37و ( ST52تن)

شکل5 – نمودار مقادیر فولادهای مصرفی تیپ های مختلف سوله تک دهانه

نتایج سوله دو دهانه:

در هر سوله معمولاً یا تنشهای بالا و معیار مقاومت در تعیین مقاطع سوله (مانند سوله های با دهانه بزرگ یا ارتفاع زیاد یا سوله های دارای جرثقیل سنگین) و یا جابجایی قاب تحت بار باد و معیار بهره برداری تعیین کننده می شود. بنابراین ممکن است مثلاً در سوله ای که در آن عامل جابجایی غالب بوده است تغییر جرثقیل از 2تن به 10تن یا افزایش بار برف یا ضریب زلزله یا استفاده از فولاد پرمقاومت هیچگونه تغییری در مقاطع سوله حاصل نکند و بالعکس در سوله ای که تنش ها عامل تعیین کننده بوده تغییر ارتفاع یا افزایش بار باد تاثیری در مقاطع سوله نداشته باشد. همچنین ممکن است در سوله ای تنش ناشی از بار برف(معیار مقاومت) غالب باشد و افزایش بار زلزله تاثیری بر مقاطع نداشته باشد. هرچند عوامل سلیقه ای زیادی در طراحی سوله های صنعتی وجود دارند که با انتخاب صحیح توسط طراح در بهبود و اقتصادی تر شدن طرح موثرند اما عوامل محدود کننده دیگری هم هستند که باعث میشوند طرح از سایر طرحهای مشابه متمایز گردد. یکی از مهم ترین پارامترها در طراحی اقتصادی سوله ها تعیین بهینه عرض دهانه می باشد. از آنجایی که در دهانه های عریض با افزایش دهانه و ازدیاد لنگرهای خمشی، بالاجبار مقاطع سنگین تری برای رفترها و ستون های سوله انتخاب خواهد شد، در صورت عدم وجود محدودیت های معماری، یکی از کاربردی ترین راهکارهای ممکن احداث سوله های به صورت دو یا چند دهانه خواهد بود. در این بخش یک سوله دو دهانه با ارتفاع تاج 7متر و دهانه های 10متر به مجموع طول 03متر مشتمل بر 13دهانه ی5 متری بر اساس آیین نامه های تحلیل و طراحی ذکر شده در بند 4بر مبنای سه تیپ مختلف استفاده از فولادهای ST52 ،ST37و ترکیب این دو رده طراحی و پس از بهینه
سازی مقاطع و برآورد اوزان اسکلت ، جدول 4 و نمودار شکل 5 بدست آمد.

جدول4 اوزان فولادهای مصرفی ST37و ( ST52تن)

شکل6 دیر فولادهای مصرفی تیپ های مختلف سوله دو دهانه

بحث و نتیجه گیری (کلیدواژه:ترکیب رده های مختلف فولاد در ساخت بهینه سوله)

بدیهی است که همیشه سبکترین وزن برای سوله بهترین حالت نیست، بلکه عامل دیگری هم در طرح خوب ملاک است و آن اینکه دورریز ورق برای ساخت سوله به حداقل ممکن کاهش یابد. در واقع ممکن است یک سوله خیلی سبک طرح شود ولی ابعاد آن به گونه ای باشد که با توجه به عرض ورقهای موجود در بازار دورریز زیادی داشته باشد و عملاً ساخت سوله را پر هزینه نماید. پس باید عامل کاهش پرت به عنوان یک هدف در کنار کاهش وزن سوله در ذهن طراح مورد بررسی قرار گیرد. لذا طراح خوب طراحی است که همزمان طرح بهینه و کارا ، اقتصادی و سبک ، ایمن ، زیبا، بدون دورریز ورق و با کمترین ایجاد محدودیت برای استفاده کنندگان را ارائه نماید. با این حال با فرض کنترل مقدار پرت یکسان در حالت های مختلف و با در نظر گرفتن عامل مقدار فولاد مصرفی در تیپ های متفاوت مورد بحث، نتایج حاصل از درصد نسبی مقایسه ای فولاد مصرفی در سازه های مختلف به شرح نمودار شکل 5 ارائه می گردد. از آنجا که هدف مقایسه وزن های حاصله از طراحی مدل های مختلف تحقیق می باشد، در استخراج نمودار 5به این منوال عمل شده است که برای سنگین ترین تیپ، وزن محاسبه شده با عدد 133تعریف شده و با عنوان تیپ مرجع نامگذاری شده است. سپس اوزان متناظر با سایر تیپ ها به صورت درصدی از عدد 133به عنوان تیپ مرجع تعریف شده است. برای مثال در شکل4، برای پل عرشه فولادی چهار دهانه با استناد به نتایج جدول ،2بیشترین وزن فولاد مصرفی مربوط به سازه تیپ 1است که 311/21 تن برآورد شده است.
لذا اگر وزن فولاد مصرفی در تیپ1- رده فولاد مصرفی ST37 را به عنوان تیپ مرجع و با عدد 133در نظر بگیریم، وزن فولاد مصرفی تیپ های 2و 3به استناد همین جدول 203/00تن و 240/03تن برآورد شده اند که به ترتیب 10/70و 00/21 درصد متناظر با سازه تیپ 1میباشند. این کار برای تمامی مدل های تحلیلی صورت پذیرفته و در نمودار شکل 5 نمایش داده شده است.

شکل7 – نمودار درصد نسبی مقدار فولاد مصرفی در سازه ها

از برآیند شکل ها 4 و 5 و 6، با توجه به نمودار شکل7 در صورت استفاده از ترکیب فولاد های ST52و ST37، وزن فولاد مصرفی در پل های عرشه فولادی، سوله های تک دهانه و دو دهانه در مقایسه با فولاد های نرمه به ترتیب 22.79،22.53 و 18.11 درصد و در مقایسه با فولاد های پر استحکام به ترتیب 10.12، 10.03 و 9.12 درصد صرفه جویی داشته است. با استناد به این مقادیر که جدول5 آورده شده است، از دیدگاه کیفی می توان ادعا نمود که ترکیب رده های فولاد مصرفی ST37و ST52در مقایسه با استفاده از یک رده ثابت، باعث شده است تا وزن فولاد مصرفی کاهش یابد لیکن تاثیر این صرفه جویی بر استفاده از ST37نسبت به ST52محسوس تر است. به عبارت ساده تر ترکیب دو رده فولاد ST37و ST52 بجای استفاده از ،ST37موجب کاهش 22/07درصدی در فولاد مصرفی در ساخت پل عرشه فولادیف 22/03 درصدی در احداث سوله تک دهانه و 11/11درصدی در سوله های دو دهانه می شود. این در حالی است که این میزان در صورت استفاده از ترکیب رده های فولاد بجای ST52در پل عرشه فولادی به ، 13/12در سوله ی تک دهانه 13/33و در سوله دودهانه به /7 12درصد کاهش می یابد. البته صرفه جویی کمتر ST52نسبت به ST37 از این جهت قابل توجیه است که در ساخت اعضای خمشی Iشکل پل ها و ساختمان های صنعتی از آنجایی که بر اساسپ رابطه ،1افزایش d موجب افزایش اساس مقطع خمشی مقطع شده و سهم این اثر در بال ها نسبت به جان بسیار بیشتر است، اثر جایگزینی استفاده از فولادهای پر استحکام در جهت کاستن نیاز خمشی بال ها کمرنگ تر خواهد شد. از سوی دیگر به نظر می رسد که با افزایش تعداد دهانه های سوله از تاثیر کاهشی ترکیب رده های فولاد بر مقدار وزن کل فولاد مصرفی کاسته می شود. اگر چه این موضوع مستقیما تابع وجود المان های مشترک بین دهانه های سوله ها می باشد، با این حال نتایج مندرج در جدول 5 نشان می دهد که در تمامی مدل های تحلیلی مورد بحث در این پژوهش، استفاده از ترکیب رده های فولاد منجر به کاهش قابل ملاحظه وزن کل فولاد مصرفی سازه می گردد. همچنین هرچند نتایج مذکور تابع نوع سیستم مقاوم لرزه ای جانبی نیز می باشد، لیکن استدلال مذکور در حوزه مدل های تحلیلی پژوهش حاضر قابل استناد می باشد.

جدول5 میزان کاهش وزن اسکلت در صورت ترکیب ST52و ST37در مقایسه با یک رده ثابت

پیشنهادات (کلیدواژه:ترکیب رده های مختلف فولاد در ساخت بهینه سوله)

با توجه به ارزیابی صورت گرفته، استفاده از ترکیب فولادهای نرمه و استحکام بالای کم آلیاژ در طراحی و اجرای پل های عرشه فولادی و سوله های صنعتی در جهت کاهش وزن کل فولاد مصرفی به طراحان توصیه می گردد.

نویسندگان اصلی این مقاله: سیدعبدالنبی رضوی، سید افشین محبی، روح الله افشارپور | سوله ساز مقاله حاضر را فقط بازنشر داده است

منابع و مراجع (کلیدواژه:ترکیب رده های مختلف فولاد در ساخت بهینه سوله)

1.وزارت مسکن و شهرسازی، مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، بارهای وارد بر ساختمان، 1311
2.وزارت مسکن و شهرسازی، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، طرح و اجرای ساختمان های فولادی، 1310
3.سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور، نشریه شماره ،137آیین نامه بارگذاری پل ها
4.معاونت برنامه ریزی و نظارت راهبردی رییس جمهور، نشریه شماره ،403آیین نامه طرح پل های راه و راه آهن در برابر زلزله

5.American Institute of Steel Constructions, AISC 335-89, Specification for Structural Steel Buildings -Allowable Stress Design, Plastic Design, USA, 1989.