لوگوسازه فضایی
شرکت فضاسازه نقش جهان
سقفی به اندازه یک جهان
 ایران پرچم
پرچم
پرچم

بررسی رفتار خرپاهای فضاکار تک یال تحت اثر بار قائم

بررسی رفتار خرپاهای فضاکار تک یال پس تنیده تحت اثر بار قائم

واژه های کلیدی: خرپاهای فضاکار تک یال پس تنیده،فرم دهی،شبکه های دو لایه چلیکی ،بارهای قائم.

چکیده:

کاربرد پیش تنیدگی و پس تنیدگی در سازه های فولادی در طی چندین دهه اخیر به صرفه جویی حدود 12 تا 13 درصد منجر شده و در عمل مقادیر صرفه جویی در فولاد تا 12 و در هزینه های نصب تا 19 درصد بوده است. درمیان سیستم های مختلف سازه های پس تنیده فولادی،خرپاهای فضاکار تک یال جزء سیستم های نوینی می باشند که از واحدهای هرمی که در لایه بالایی به یکدیگر متصل شده اند،تشکیل می شوند. در این سیستم سازه ای بدلیل عدم وجود یال های پایینی،با پس تنیدگی شبکه های مسطح،قابلیت تولید انواع فرم های سازه ای مانند چلیکی،گنبدی شکل و زین اسبی وجود دارد.هدف اصلی این مقاله،بررسی کارایی خرپاهای فضاکار تک یال تحت اثر بارهای قائم می باشد.مدل های مورد بررسی در این مقاله انواعی از شبکه های دو لایه چلیکی هستند که اثرات حذف اعضا در یال های پایینی و گاهی اعضای قطری در آن ها مورد بررسی قرار می گیرد.

تاریخچه :

پیش تنیدگی و پس تنیدگی همواره قرن ها مورد استفاده بشر قرار گرفته اند. از تسمه های فولادی در بشکه های چوبی تا چرخ های چوبی،و در دنیای امروز در سازه های بتنی و اعضا بتنی. از دیدگاه کلی پیش تنیدگی یا پس تنیدگی به معنای ایجاد تنش هایی دائمی به منظور مخالفت با تنش بارهای وارده بر سازه می باشد. به عنوان مثال در تیرهای بتنی،فولادهای پیش تنیده در خارج از محور عضو باعث افزایش تنش های فشاری و کاهش تنش های کششی می گردد. در سازه های فضاکار مفهموم پیش و پس تنیدگی همواره با سازه های کابلی همراه بوده است. سازه های کش بستی جزء اولین سیستم های پیش تنیده در سازه های فضاکار می باشند که توسط اسنلسون ابداع شد. در این سازه ها،پایداری توسط کابل های کششی و عضو فشاری بدست می آید . در ادامه نظریه فولر،گایگر با تغییردر مدل سه بعدی فولر،مدل او را ساده نموده و اولین سازه کش بستی را تولید نمود.

در سال های بعد، گنبد معلق با ترکیبی از گنبد تک لایه و اعضای کششی مورد استفاده قرار گرفتند. دراین گنبدها با ایجاد کشش در کابل،در سازه گنبد،تنش هایی ایجاد شده که در مقابل بارهای قائم،به مراتب مقاومت بیشتری نسبت به گنبدهای تک لایه مرسوم دارند. در این گنبدها میله ها به عنوان رابطی بین گنبد و کابل ها می باشند.با افزایش نیروهای پیش تنیدگی گنبد به سمت بالا حرکت خواهد نمود و از شدت تنش ناشی از بارهای خدمت کاسته می شود . در ادامه انواع روش های پس تنیدگی در سازه های فضاکار،در سال های گذشته نوعی از شبکه های دو لایه که با پس تنیدگی مسطح بوده و با توجه به حالت و جهت پس تنیدگی،قابلیت تولید فرم های مختلف سازه ای را دارا می باشد.

شکل دهی سازه های فولادی:

با توجه به تحقیقات انجام شده دو روش برای برپاسازی این سازه ها وجود دارد. در روش اول یال های بالایی حذف شده و بعد از شکل دهی سازه با جابجایی ایجاد شده در تکیه گاه ها،اعضای کششی بالایی که معمولا کابل هستند به کشش مورد نظر رسیده و سپس کابل های تکیه گاهی برای ایجاد شکلی پایدار اضافه می شوند.

در روش دوم یال های پایینی حذف شده و بعد از ایجاد شکل مورد نظر این یال ها به سازه اضافه می شوند و یا اینکه در مرحله اولیه از یک سمت به گره ها متصل بوده و بعد از ایجاد تغییر شکل مناسب و رسیدن سمت دیگر عضو کوتاه شده به گره بعدی،انتهای آزاد عضو به گره متصل می شود. از این روش برای شکل دهی به خرپاهای صفحه ای برای اولین بار استفاده شده است.(شکل 1)

شکل یال خرپاهای فضاکار

سازه های فضاکار تک یال:

استفاده از روش دوم در شکل دهی به خرپاهای صفحه ای باعث ظهور نمونه ای جدید از سازه های فضاکار با نام سازه های فضاکار تک (SCST) گردید که از جمله مزایای آن صرفه جویی اقتصادی در ساخت و مونتاژ می باشد(شکل 2).در سازه جدید که در قبل از پس تنیدگی به صورت مسطح می باشد،واحدهای هرمی در شبکه پایینی از یکدیگر مجزا بوده و با ایجاد سطح خمیده در شبکه بالایی ,واحدهای هرمی از یکدیگر فاصله گرفته یا به نزدیک می شوند،با توجه به اینکه فاصله هرم ها مانند روش دوم در شکل دهی یکسان هستند،با اضافه کردن یالهای هم طول در شبکه پایینی سازه پایدار گردیده و شکل مورد نظر را حفظ می کند. با توجه به شکل وجهت پس تنیدگی ،پروفسور L.C.Schmidt قابلیت تولید سه فرم نیم بشکه ای،گنبدی و زین اسبی را مطرح نموده است.

همان طور که ملاحظه می شود سه فرم یاد شده از نظر مونتاژ و نحوه انجام آن دارای مشکلاتی هستند که در روش ذکر شده تمامی این مشکلات حذف شده است. در این شبکه یال های زیرین یا وجود ندارند و یا فقط در گوشه ها دیده می شوند.یال های گوشه ای می توانند در قبل از شکل دهی با طولی کوتاه تر در شبکه قرار داشته و بعد از اینکه کابل های پس تنیدگی (که از درون آن ها می گذرد) به مقدار مورد نیاز کشیده شد،با رسیدن فاصله دو گره کناری به طول لوله کوتاه شده،میله به گره ها متصل می گردد.

شبکه تک یال

مدلسازی شبکه ها:

از آنجا که اتصالات استفاده شده در این شبکه ها معمولا به صورت خارج از مرکز می باشند،اما در نظر گرفتن و یا عدم آن در نتایج تحلیل تاثیر نداشته و به همین دلیل در مدلسازی شبکه از آن ها صرفه نظر می گردد. اتصالات از نظر شکل ظاهری در شبکه بالایی بسیار به اتصالات ترکیبی (Cartus sys.) نزدیک می باشند.مدل استفاده شده در این مدلسازی برابر با مدل آزمایشگاهی(Schmidt &Dehdashti,1995.)می باشد.ابعاد شبکه ها برابر 3060*3120 میلیمتر،3060*5200 میلمیتر و عمق شبکه ها برابر 360 میلیمتر می باشد،در مرحله شکل دهی،با نزدیک کردن تکیه گاه ها با نیروی پس تنیدگی،توسط تنیدگی در کابل ها،چلیک مورد نظر شکل گرفته و بعد از رسیدن به مقدار تغییر شکل هندسی لازم،عملیات پس تنیدگی متوقف می شود. در مدلسازی می توان شبکه مورد نظر را به دو صورت ساخت. در مدل اول از اعضای کوتاه تر در یال های پایینی استفاده نموده و بعد از شکل دهی شبکه و رسیدن انتهای آزاد عضو به گره،گره انتهای عضوو گره اتصال را با یکدیگر کوپل نمود،در این روش شکل ظاهری تولید شده کمی متفاوت بوده و کوپل کردن گره هابرای هر عضو در شبکه های بزرگ کاری دشوار می باشد. در روش دوم (Schmidt & Dehdashti) با استفاده از المان های کوتاه شده خرپا،که فقط قابلیت تحمل نیروهای فشاری را دارند،می توان شکل مورد نظر را تولید نمود، در این حالت فرم تغییر شکل یافته با نتایج آزمایشگاهی و هندسی یکسان بوده و مقادیر بسیار به هم نزدیک می باشند.نتایج فرم دهی شبکه با نتایج آزمایشگاهی در توافق کامل بوده است اما با توجه به اینکه در گره طراحی شده،اعضای یال های پایینی قابلیتت تحمل نیروی کششی بالای را ندارند(شکل 3)،در زمان بارگذاری بین نتایج عددی و آزمایشگاهی فاصله قابل ملاحظه ای می باشد. در مدلسازی جدید با در نظر گرفتن مواردی که در نمونه آزمایشگاهی رخ داده اند،نشان داده خواهد شد که نتایج مدلسازی به نمونه آزمایشگاهی بسیار نزدیک می باشد.

خرپاهای فضاکار

خرپای فضاکار

خرپاهای فضاکار پس تنیدگی

آنالیز شبکه ها:

برای رسیدن به اهداف مورد نظر در آنالیزها،باید از نرم افزاری استفاده می شدتا قابلیت بارگذاری در بازه های زمانی مختلف را داشته و همچنین بتواند اثرات پس تنیدگی را مدل کند. تمامی مدل های اولیه توسط نرم افزار Formian تولید شده (Nooshin & Disney) و برای تحلیل از نرم افزار ANSYS استفاده شده است. برای آنالیز مدل ها،هر دو حالت غیر خطی مواد و تغییر شکل های بزرگ در نظر گرفته می شوند. هر چند در مرحله ایجاد تغییر فرم،آنالیز تغییر شکل های بزرگ حاکم است ولی باید توجه داشت که در مرحله بارگذاری حالت غیرخطی مواد از اهمیت بالایی در نزدیک شدن جواب مدلسازی به نتایج آزمایشگاهی برخوردار است. برای در نظر گرفتن حالت غیرخطی مواد،از حالت چند خطی در حالت سخت شدگی ایزوتروپیک استفاده شده است.

نمودار غیرخطی

بارهای وارده به منظور ایجاد پس تنیدگی در مدلسازی به صورت نزدیک کردن دو تکیه گاه به مقدار آنچه در هندسه تغییر فرم یافته است،می باشد. در مرحله بعدی بارگذاری مطابق با مدل آزمایشگاهی صورت می گیرد. با توجه به آنچه در طول آزمایشات رخ داده است،در طول مرحله بارگذاری فقط دو تا سه یال کناری در باربری سازه شرکت داشته و کمانش نموده اند و از آنجا که گره طراحی شده قابلیت تحمل نیروی کششی را نداشته است،در نتیجه در طی آنالیز یال های مورد نظر را غیر فعال نموده و فقط المان های باربر فعال هستند. در تعدادی از آنالیزهای انجام شده،فرض شده است که گره طراحی شده بتواند به طوری عمل نماید که تمامی اعضا بتوانند فشار وارده را تحمل نمایند،سپس مقایسه ای نیز بین سازه تغییر فرم داده شده و یالهای فوقانی نیز به صورت پیوسته می باشند انجام پذیرفته است،تا اثر وجود تنش های پس ماند حاصل شده در فرآیند پس تنیدگی بر روی باربری نشان داده شود. در ادامه،تاثیر اعضای مورب در صورت حذف آن ها در پانل های میانی و همچنین تاثیر آرایش های مختلف اعضای مورب نشان داده می شود. کارایی بالای این سیستم در صورت توجه بیشتر در رابطه با تولید گره های جدید قابل ملاحظه خواهد بود.همچنین زمان و سادگی در مونتاژ نهایی سازه باید بسیار مورد توجه قرار بگیرد.

تسلیم یال بالا:

با توجه به مقدار شکل دهی خرپای تک یال باید در قبل از شکل دهی از مقادیر کرنش در مقطع آگاه شده و رسیدن و یا عدم رسیدن به کرنش تسلیم که برای فولاد آزمایش شده در حدود 002/0 می باشد را بررسی نمود. مقدار این کرنش که با استفاده از تئوری تیر اولر و کرنش صفر روی محور مرکزی یال بالا بدست می آِید،برابر=ԑ می باشد. در مدل چلیک با انحنای کم این مقدار با توجه به هندسه مدل برابر0.00125===ԑ بوده که نتایج آنالیز مقداری برابر 00142/0 تا 001/0 را نشان می دهد.با توجه به نتیجه بدست آمده،می توان از رابطه بالا برای کرنش نهایی استفاده نمود.همان طور که در شکل 8 نشان داده شده است با وارد نمودن بارهای خدمت در مرحله بعد از پس تنیدگی،از مقادیر کرنش ایجاد شده در مرحله پس تنیدگی کاسته شده و مقاومت سازه بالاتر می رود.

کرنش یال فوقانی

بارگذاری سازه:

در این قسمت به منظور آگاهی از دقت مدلسازی انجام شده در بارگذاری،یکی از شبکه های آزمایشگاهی مدلسازی و بارگذاری گردید.با توجه به رفتار نمونه آزمایشگاهی تمام شرایطی که رخ داده بودند در حد امکان در نظر گرفته شد. در این آنالیز از المان های تیر برای یال های شبکه بالا و از المان های خرپا با طول کوتاه شده که فقط نیروی فشاری را تحمل می کردند برای یال های شبکه پایین استفاده شده است. در این قسمت با توجه به گره طراحی شده،فقط دو المان کناری نیروهای فشاری را تحمل نموده و بدلیل کششی که در سایر یال های پایین ایجاد شده است،سایر یال ها در باربری سازه نقشی نداشته و در مدلسازی این المان ها غیرفعال هستند همان طور که در شکل 9 نشان داده شده است،مدلسازی انجام شده از دقت بالایی برخوردار است.

مقایسه نتایج خرپاهای فضاکار

در ادامه به منظور نشان دادن نقش واحد های هرمی،مقایسه ای بین چهار مدل انجام می شود. در این مدل ها به طور واضح دیده می شود با اینکه این واحد ها در قسمت پایینی مجزا هستند،اما در باربری سازه نقش بالایی را ایفا می نمایند. در مدل هایی که این واحدها فقط در یک جهت وجود دارند،سازه در جهت دیگر دارای سختی جانبی مناسب نبوده و به همین دلیل دچار پیچش می شود.پیچش ایجاد شده در افزایش خیزسازه نقش موثری بر عهده داشته و پیچش در مدل هایی که در دو جهت واحدهای هرمی وجود دارند،دیده نمی شود.

آرایش هرمی

در آنالیز بالا اثرات اعضای هرمی کاملا مشخص است . در این مدل ها فرض بر این است که یال های پایینی به طور کامل توانایی تحمل نیروهای فشاری و کششی را دارند.برای رسیدن به این امر با تغییراتی در گره اتصال در شبکه پایینی می توان به خواسته مورد نظر که همانا تحمل توام فشار و کشش در تمام اعضا است،رسید. در ادامه مقایسه ای بین دو شبکه که یکی از آن ها مدل GCBVST 1 ودیگری چلیک دو لایه که به صورت مرسوم ساخته می شود،انجام پذیرفته است (شکل 12).

نمودار شبکه سازه فضایی

در این آنالیزها نشان داده می شود که اگر به طراحی گرهی که قابلیت تحمل توام نیروهای کششی و فشاری را داشته باشد بپردازیم،شبکه پس تنیده شده دارای رفتاری کاملا مشابه با چلیک دو لایه در مقابل بارهای قائم بوده و همواره مقاومت شبکه پس تنیده بیشتر و یا برابر با مقاومت چلیک معادل آن می باشد.

نتیجه گیری:

1-      پس تنیدگی همواره کاهش در زمان و سادگی در مونتاژ چلیک ها را به دنبال دارد.

2-      همواره شبکه های پس تنیده،مقاومتی بالاتر و یا برابر با شبکه های مرسوم دارند.

3-      در مرحله بارگذاری از مقادیرکرنش و تنش های ایجاد شده در زمان پس تنیدگی کاسته می شود،به همین دلیل شبکه از مقاومت بالاتری نسبت به شبکه های معادل برخوردار است.

4-      با تغییر در گره های موجود و تولید گره هایی با قابلیت تحمل توام نیروهای کششی و فشاری،مقاومت این شبکه ها به مراتب نسبت به شبکه هایی با گره های موجود افزایش می یابد.

5-      تعداد واحدهای هرمی در صورت عدم استفاده از یال های پایینی،در مقامت سازه نقش بسیار مهمی برعهده دارند.

6-      در صورت استفاده از یال های بیشتر در شبکه پایین،می توان از تعداد واحدهای هرمی کاسته و مقدار سختی در مقابل بارهای قائم را حفظ نموده و حتی افزایش داد.

تهیه کننده: غلامرضا دهدشتی،محمد ابراهیم کرباسچی،امیر لقمانی کوشکی

تمامی حقوق سایت محفوظ می باشد