کاهش وزن سوله و تاثیر عملکرد تنش پوسته ها

مقدمه

عملکرد تنش پوسته ها برای اولین بار در سال 1592با آزمایشاتی که بر روی سوله با ابعاد بزرگ انجام گرفت، کشف شد. در طول این آزمایشها، مشاهده شد که تغییر شکل ها و تنش ها کوچکتر از مقادیر محاسبه شده است و توضیح داده شد که ورقهای فولادی پوشش، سبب کاهش تنش و افزایش مقاومت میشوند [1]. دیوید و برایان به طور کامل و گسترده عملکرد تنش پوستهای را مطالعه کردند و اصولی را برای طراحی تنش پوستهای فراهم کردند. اصل اساسی در طراحی تنش پوستهای، این است که ورقها در برابر جابجایی درون صفحه مقاومت کنند به دلیل آنکه قابها، تحت بار افقی تمایل به نوسان در صفحه اعمال بار دارند و این نوسان بدون ایجاد جابجایی در صفحه ورق سقف امکان پذیر نیست[2]. در این نوع طراحی، ورقهای در ارتباط با پرلینها به صورت یک تیر عمیق عمل خواهند کرد به طوریکه پرلینها به صورت بال در فشار و ورقها مانند جان در مقابل برش عمل میکنند. فرانسن نیز در سال
1591یک سازه کاربردی را یک بار بدون در نظر گرفتن عملکرد تنش پوستهها و بار دیگر با استفاده از این عملکرد طراحی کرد و نتیجه گرفت که تفاوت این دو طراحی در تاثیر نیروی عمودی، تغییر و تبدیل نیروهای محوری در ستون، نیروی برشی و انتقال به تیرهای لبه بام میباشد. این آنالیز در حقیقت منجر به کاهش ماکزیمم بار برشی در پانل برشی و کاهش نیروی محوری در ستونها میشود که این کاهش نیرو منجر به طراحی سبکتر سازه میگردد [3]. در کل با مطالعات اقتصادی که در اروپا توسط سازمانهایی مانند انجمن سازه های فولادی اروپا (ECCS) و یا سازمان توسعه و تحقیقات فولاد انجام شد نشان میدهد که با در نظر گرفتن اثر دیافراگم میتوان بیش از 12درصد هزینه کل ساخت سازه فولادی را کاهش داد[1]. اما این نوع عملکرد شاید به دلیل سختی طراحی هنوز به یک اصل طراحی تبدیل نشده است. در این پژوهش برای کاهش هزینه ساخت سوله ها و کاهش مصرف مواد خام به جهت حفظ محیط زیست از عملکرد تنش پوسته ها در طراحی سوله های قوسی استفاده گردید. با توجه به تعریف تنش پوستهای که سختی و مقاومت کششی ذاتی در روکش فلزی قابها، به عنوان یک دیافراگم برشی عمل میکند، انتظار میرود به قابها مقدار نیروی کمتری انتقال یابد و به همین دلیل سازه سبکتر ساخته شود. (کلیدواژه: کاهش وزن سوله)

فرضیات سازهای مدل

در این تحقیق برای بررسی تاثیر عملکرد تنش پوسته ها سوله قوسی با روش معمول و با در نظر گرفتن اثر تنش پوسته ها طراحی شدند، ابعاد سوله ها مطابق با جدول (1) سازه میباشد.سازه ها از ورق فولادی با مدول الاسیسیته 210 کیلونیوتن بر میلیمتر مربع، مدول برشی 81 کیلونیوتن بر میلیمتر مربع، ضریب پواسون 3/2 ، ضریب انبساط حرارتی 10× 12و چگالی 7850 کیلوگرم بر مترمکعب ساخته میشوند. سازه یک طبقه فولادی با سقف شیبدار و قوسی دارای تیر وستون با مقاطع غیر منشوری، ستونهای با تکیه گاه مفصلی مطابق با نکات آیین نامه مقررات ملی مبحث دهم ، مبحث ششم و توصیه اروپا طراحی گردید[6-5]. این سوله ها در منطقه خارج از شهر با برف زیاد و با فشار مبنای باد 49/5 کیلوگرم بر متر مربع در نظر گرفته شد. این منطقه از نظر زلزله خیزی، در پهنای با خطر نسبی زیاد و شتاب مبنای باد 0/3 نوع خاک III قرار دارد. با توجه به آیین نامه و نداشتن اطلاعات موثق از تغییرات دمای سالیانه شهرها، تغییرات دما برابر با 30 تا 40 درجه سانتی گراد در نظر گرفته شد.

بارگذاری

با توجه با اینکه سازه بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان 1395و به روش تنش مجاز طراحی میشود [5] ،لازم است تا ترکیبات بارگذاری لازم، مطابق با مبحث ششم مقررات ملی ساختمان و روابط (1)تا (15)به نرم افزار معرفی شود[6]:

DEAD بارمرده، SNOW بار برف،EY EX بار زلزله،WIBD-X وWIND-Y بار باد، TEMP-POSو TEMP-NEGF بار حرارتی، Q نیروئی ناشی از وزن ارابه، وزن پل و طرفیت اسمی جرثقیل است که راستای اثر آن در صفحه جان تیر حمال جرثقیل است، H نیروی ناشی از حرکت ارابه که در راستای عمود بر جان تیر حمال جرثقیل میباشد، نیروی N ناشی از حرکت طولی پل بر روی تیر حمال که راستای آن در امتداد محور طولی تیر حمال جرثقیل است. در صورتی که نیاز به کنترل جابجایی سازه برای بارهای ثقلی و باد به صورت همزمان باشد، در نظر گرفتن 80 درصد نیروی باد کفایت میکند. بنابراین لازم است دو ترکیب بار جدید ایجاد نمود و جابجایی سازه در راستای عرضی در برابر این ترکیبات بار را نیز کنترل کرد[6].

نکته دیگر حائز اهمیت اینست که برای بارگذاری باد حتما بر اساس اینکه جهش باد به کدام سمت است، سازه حداقل دوبار برای باد بارگذاری می شود. ظرفیت اسمی جرثقیل در این سازه ها برابر با 5تن میباشد که مطابق با جدول (2) و ابعاد دهانه سوله، مقدار بار وارد بر سازه تعیین میشود [6]. بارگذاری کامل مطابق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان و آیین نامه زلزله 2800 انجام می گیرد.

روش تحلیل و طراحی

در حال حاضر دو روش ساده، تئوری فنر معادل و تئوری خرپای معادل برای مدل سازی عملکرد تنش پوستهای، جهت طراحی در برنامههای تحلیلی ساده وجود دارد. در این پژوهش از تئوری فنر معادل استفاده میشود. در این روش، با جایگزینی پانل برشی با فنر، با انعطاف پذیری معادلc انجام می شود. طبق شکل (1) فنر، قابهای مجاور را از اتصال صلب به تیر پیش آمدگی لبه بام (eaves) متصل میکند. اکثر برنامه های تحلیل سازه، قابلیت برای استفاده از فنر، با انعطاف پذیری مشخص ندارند به همین علت میتوان از یک عضو منشوری با مساحت سطح مقطع Aاستفاده کرد [7].

C₁ به دلیل انعطاف پذیری ورق، C₂ به دلیل اتصال ورق، C انعطاف پذیری ورق، C_1.1 انعطاف پذیری پروفیل ورق، C_1.2 کرنش برشی در ورق، C_1.3 کرنش محوری پرلین، C_2.1 انعطاف پذیری اتصال پرلین و ورق، C_2.2 انعطاف پذیری درز اتصال، C_2.3 انعطاف پذیری ورق و اتصال، C₃ انعطاف پذیری اتصال پرلین به رفتر این انعطاف پذیری مطابق با فرمولهای (17) تا (24) محاسبه میشود. فرمولهای ارائه شده برای حالتی است که طول ورق عمود بر طول سازه باشد [4].
? فاصله بین قابها، ? عرض دهانه سوله، ? طول هر موج ورق پوشش، ? ضخامت ورق پوشش، ضرایب ?3, ?2, ?1با توجه به تعداد پرلینها از جداول آیین نامه اروپا تعیین میشود. در این پژوهش فاصله بین پرلینها یک متر فرض شد. در نتیجه برای هر سوله با هر اندازه دهانه تعداد پرلین ها متفاوت خواهد بود. ?? تعداد پرلین ها، lنصف طول هر موج، ′ ℎ ارتفاع هر موج، Kضریبی است که به نسبتهای ?/′ ℎو ?/? و زاویه خم شدن موج پوشش وابسته است و از جداول آیین نامه تعیین میشود، Eمدول الاسیسیته، ϑضریب پواسون، S_SC = S_p = 0.35 با توجه به استفاده از اتصالات پیچی با واشر، انتخاب شد، p شیب ورق به اتصال دهنده های لاپه، n_f تعداد اتصال دهندههای ورقها در عرض، ?1ضریبی است که با توجه به n_f از جداول آیین نامه تعیین میشود. n_s تعداد اتصالات درزها در محیط سوله، n_shتعداد عرض ورق در پانل برشی، n_sc تعداد اتصالات ورق به اتصالات برشی رفتر خارجی، n_s’c تعداد اتصالات ورق به اتصالات برشی رفترهای داخلی[4]. همه ابعاد در فرمولها بر حسب mm و نیروها بر حسب kN/mm2 می باشد.
فرمول های تعیین انعطاف پذیری دیافراگم با توجه به فرض عمود بودن طول ورق بر طول سازه مطابق شکل (2) طراحی شده است.

پارامترهای تنش پوسته ها

ابعاد و اندازه ورق پوشش و تعداد اتصالات و متغیرهای لازم برای محاسبه انعطاف پذیری فنر مطابق با جداول(3) و (4) در نظر گرفته شد. المانهای مربوط به ورق پوشش در شکل (3) معرفی گردیده است. 0/2ضخامت ورق میلی متر در نظر گرفته شد. بیان این نکته ضروری است که مفاد آیین نامه اروپا برای عملکرد تنش پوسته ها بر ورقهای با ضخامت کمتر از میلی 9/1 متر اعمال میشود، اگر چه استفاده از ضخامت بیش های تر ممانعتی ندارد و ممکن است ملاحظات خاص طراحی اعمال شود.

مدل سازی

جهت مدلسازی از نرم افزار SAP2000که توانایی طراحی فنر با انعطاف پذیری مشخص را دارد، استفاده گردید. نمای کلی سوله ها مطابق با شکل (4) میباشد. قوس سوله ها مطابق معادله سهمی و شکل (5) طراحی شد.

جهت اطمینان از صحت نتایج کنترلهای جابجایی، واژگونی، بلندشدگی، کفایت موضعی مقاطع و کفایت اعضا انجام شد. باید توجه داشت که رسیدن به سبکترین سازه ممکن، تا حدی با استفاده از قطعات گونه بندی شده و قطعات موجود در بازار در تعارض است. از آنجا که برای اقتصادی شدن تولید قطعات سازه ساختمانهای صنعتی، لازم است که تا حد امکان از تنوع بی رویه قطعات کاسته شود و تعداد تولیدی از هر نوع قطعه افزایش یابد. بنابراین رسیدن به حداقل وزن سازه ای یک عدد نظری است و غیر ممکن میشود. به هر حال در انتخاب نهایی مقاطع سازهای و هم چنین سیستم سازهای مناسب، عوامل مختلفی مانند ایمنی، اقتصاد تولید و اقتصاد نصب دخیل هستند که برآیند تمامی آنها تعیین کننده است.(کلید واژه: کاهش وزن سوله)

نتایج طراحی (کلیدواژه: کاهش وزن سوله)

نتایج حاصل از طراحی در جداول (5)تا (7) و نمودار (1) آورده شده است.

با مقایسه جداول (5) تا (7) مشاهده که استفاده از روش عملکرد تنش پوسته ها بیش از 20درصد در کاهش وزن سازه موثر خواهد بود.
با کنترل جابجایی، واژگونی، بلندشدگی، کفایت موضعی مقاطع و کفایت اعضا نتیجه قابل توجه آن است که همواره در طراحی به روش معمول قید کنترل کننده طراحی، جابجایی سازه میباشد این در حالی است که در طراحی به روش عملکرد تنش پوسته ها قید کنترل کننده، کنترل کفایت اعضا (نسبت تنشها) میباشد. این موضوع افزایش مقاومت در برابر حرکت جانبی با در نظر گرفتن عملکرد تنش پوسته ها را به خوبی نشان میدهد.

نتیجه گیری (کلیدواژه: کاهش وزن سوله)

با ظهور اصل طراحی مقرون به صرفه، مهندسین سازه همواره با تجزیه و تحلیل بیشتر اجزای سازه برای رسیدن به این تلاش میاصل کنند. عملکرد تنش پوسته ها یکی از روشهایی است که منجر به طراحی بهینه سازههای فولادی از جمله ها میسوله گردد. با پیشرفت تکنولوژی و نرم افزارهای طراحی سازه، امکان طراحی به روش عملکرد تنش پوسته ها با مدل کردن پوشش سقف به یک فنر با انعطاف پذیری c فراهم شده است. طبق این عملکرد پوشش فلزی سازه یک مقاومت جانبی در صفحه روکش فراهم میکند که سبب کاهش بار انتقال یافته به قابهای سازه میگردد و همین امر سبب میشود تا سازه سبکتر طراحی شود. در این پژوهش 1سوله قوسی با ابعاد متفاوت و ضخامت پوشش 2/0 میلی متر هم به روش تنش مجاز و هم به روش عملکرد تنش پوستهها طراحی و با یک دیگر مقایسه گردید. طبق نتایج بدست آمده طراحی سوله قوسی به روش عملکرد تنش پوسته ها، با کاهش بیش از 22درصد وزن همراه است که البته با تغییر در انعطاف پذیری سازه میزان تاثیر گذاری تغییر خواهد کرد. ارائه این نکته ضروری است که این نوع طراحی نیاز به دید مهندسی و تجربه اجرایی دارد تا با انتخاب صحیح ویژگیهای سازه و انتخاب مناسب پارامترهای تنش پوستهها، حداکثر بهینه سازی در طراحی انجام پذیرد. امید میرود در آیندهای نزدیک با بررسی بیشتر و تعیین اصول مشخص طراحی، این روش به عنوان یک اصل به آئین نامه ها اضافه گردد.

نویسندگان: افسانه شاهپوری ارانی ،بهروز احمدی ندوشن ،حسینعلی رحیمی بندرآبادی

مراجع (کلیدواژه: کاهش وزن سوله)

[1] Darcy, Greg, (2005), Structural Behavioar of an Innovative Cold-formed Steel Building System, A thesis submitted to the school of the school of civil engineering queensland university of technology inpartial fulfilment of requirments for the degree of doctor Philosophy
[2] Davies J.M, Brayan E.R, (1982), Manual of stressed skin diaphragm design, Granda, london
[3] Franssen, J.M , (1984), Particular point of elastic analysis of clad pitch roof portal frame structures, Thin-Walled Structures, Vol.2, pp.165-174
[4] ECCS, Europen Recommendation for the application of metal sheeting acting as a diaphragmstress skin design, European convention for construction steel work, (1995)
[5]مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمانهای فولادی) ، وزارت مسکن و شهرسازی، چاپ هفتم، تهران: نشر توسعه ایران , ()1395
[6]مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (بارهای وارد بر ساختمان)، چاپ هفتم، تهران : نشر توسعه ایران, (1389)
[7] Davies, J.Michael, (2006), Development stressed skin design, Thin-Walled Structures, Vol.24, pp.1250-1260]
[8]نشریه -61طرح و محاسبه قاب قوسی فلزی های شیبدار – سازمان برنامه بودجه