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

اثرات پیش تنیدگی سازه های فضاکار کش بستی

بررسی اثرات پیش تنیدگی در خرابی اعضاء کششی سازه های فضاکار کش بستی

چکیده

سازه های فضاکار کش بستی نوع جدیدی از سازه های فضاکار میباشند که درآنها از کابلها بعنوان اعضاء کششی استفاده میشود.بعبارت دیگر وجه تمایز این سازه ها باسیستمهای خرپای فضائی معمولی جایگزینی کابلها بامیله های مورداستفاده درسیستمهای معمول است.از مزایای این سازه ها میتوان وزن کم،راحتی حمل ونقل،شکل معماری زیبا وراحتی نصب آنها رانام برد.باتوجه به اینکه سختی این سازه ها تابعی ازمیزان پیش تنیدگی اعضاء کششی میباشد،لذا مطالعه تاثیرمقادیر مختلف پیش تنیدگی روی رفتار این سازه ها ازاهمیت زیادی برخوردار میباشد.دراین تحقیق،تاثیر مقادیرمختلف پیش تنیدگی کابلها برای بافتار ناپیوسته عضوفشاری درحالت خرابی ناشی از گسیختگی کابلها بررسی شده است.در بررسی رفتار سازه اثرات غیرخطی های هندسی ومصالح درنظر گرفته شده است.تاثیرمقادیرمختلف پیش تنیدگی روی رفتارسازه به ازاء پارامترهای متغیر لاغری اعضاء فشاری،ناکاملی اعضاء فشاری وسطح مقطع اعضاء کششی بررسی شده است.درنهایت تاثیر پیش تنیدگی روی مکانیزم خرابی،ظرفیت باربری وسختی موردمطالعه قرارگرفته است.

کلید واژه : کش بستی، پیش تنیدگی، کابل، ناکاملی

  • مقدمه

سازه های فضاکار را می توان بعنوان برگی برگرفته از طبیعت دانست. الکساندر گراهام بل، مخترع تلفن، یکی از اولین کسانی بود که زیبائی های سازه های فضاکار را شناخت و آنها را در طراحی سازه ها به کار برد.از آنجا که کاهش وزن در سازه های فضاکار بسیار مهمتر از ساختمان ها است، جای تعجب نیست که اولین تلاش ها برای بهره گیری از مزیت سبکی سازه های فضاکار،که از کارایی سازه ای آنها ناشی می شد،در ساختن هواپیما انجام گرفت.

سازه های کش بستی نوع جدیدی از سازه های فضاکار می باشند که در آنها از کابل ها به عنوان اعضاء کششی استفاده می شود. در واقع سیستم های کش بستی نوعی از سازه های فضاکار مشبک پیش تنیده می باشند که تمام اعضا آنها مستقیم می باشند و اعضا کششی  هیچ سختی در فشار ندارند و نیز بصورت پیوسته به همدیگر اتصال دارند در حالیکه اعضاء فشاری بصورت ناپیوسته می باشد.

تعریفی کهFullerازاین سازه داردبدین صورت است:مجموعه ای ازجزایرکوچک فشاری دردریای کششی هرگره دست کم یک عضوفشاری وسه کابل راشامل میشود.

سازه های کش بستی به خاطر تعداد نسبتا کم عناصر فشاری،بصورت سازه های سبک می باشند. همچنین این سازه ها قابلیت تاشوندگی دارند.تاشوندگی ضمن کاهش حجم سیستم های کش بستی، انبار کردن و انتقال این سیستم ها را آسان می سازد.این قابلیت تاشوندگی برای سیستم های کش بستی، استفاده از آنها را بعنوان سازه های فضاکار با کاربردهای هوافضا میسر می سازد.سیستم های کش بستی بخاطر مزیت های قابل توجهی که دارند،در سالهای اخیر توجه زیادی را جلب کرده اند و لزوم گسترش تحقیق در زمینه ی رفتار سازه ای این سازه ها احساس می شود.

این سیستمها هم مانند سیستم های خرپای فضائی ازواحد های مجزای ازهم که به آن مدول گفته میشودتشکیل میشوند.
این مدول ها براساس اینکه خود دارای هندسه های مختلفی هستند،دارای انواع گوناگون می باشند.
بسته به انواع مختلف این مدولها و نیز نوع اتصال آنها، بافتارهای مختلفی از این سازه ها بدست می آید.

از زمان معرفی سازه های کش بستی توسط Emmerich, Fuller ,Snelson به سال 1948،سازه های کش بستی  موضوعی جذاب و جالب توجه برای محققان بوده است. توانایی این سازه ها برای حفظ تعادل خود بدون حضور نیروهای خارجی (خاصیت پیش تنیدگی)،خاصیت انعطاف پذیری آنها و نیز وزن کم این سازه ها انگیزه ای برای مطالعه ی بیشتر دانشمندان و مهندسان در زمینه ی سازه های کش بستی بوده است.

گرچه مبدا سازه های فضاکار کش بستی به سال1921برمیگردد،اما سازه های کش بستی ازنقطه نظرمهندسی برای اولین بارتوسطFullerبررسی شده اند واغلب تحقیقات هندسی که روی این سازه ها انجام گرفته توسط FullerوPugh گزارش شده اند.روش های استفاده از مکانیک بنیادی اخیراگسترش یافته وتحقیقات منظم و سیستماتیکی درروی سازه های کش بستی انجام گرفته است.بدین ترتیب امکان ارائه مبانی تئوریکی برای تحلیل وطراحی این سازه ها فراهم شده است.دربین محققین روی رفتار سازه ها کش بستیPellegrino ,Pellegrino[1990],[1992]Motro,Motro,[1986]Calladinوهمکارانش[1986] ,Kebiche,[1998]Liu,Wangو,[1996]Liang,Wang, [1994]Hanaor, [1986] وهمکارانش , Abedi ,[2002]Dong ,Yuan,[2001]Lu , [2005]Lazopoulos, [2004]Shekastehband,Kawaguchi ,[2000]KebicheBen Kahla,[1999] سهم مهمی دردانش ایستایی این سازه ها دارند.نتایج تحلیل دینامیکی خطی این سازه ها توسط[1992]Furuya,[1986]Motro و مطالعات دینامیکی غیرخطی وطراحی کنترل توسط ,[1997] Sultan,Skelton ,[1986]Motro,[2002]Pons , Moussa,Ben Kahla ,[2001]Nabil Ben Kahla,[1999]Sultanگزارش شده اند. با این همه وقتی که مامیخواهیم سازه های کش بستی را برای پروژه های عملی بکار ببریم،درمی یابیم که اطلاعات مادر مورد سازه های کش بستی اندک میباشد.

با توجه به تعریف ماهیت خاص سازه های فضاکار کش بستی، لزوم تحقیق در این زمینه احساس می شود. لذا در این تحقیق سعی بر این است که با معرفی این سازه ها،پایداری استاتیکی بافتارهای ناپیوسته عضو فشاری را با در نظر گرفتن حالت غیرخطی هندسی و مصالح،مورد مطالعه قرار گیرد.

  • مطالعه ی تحلیلی

بهترین روش برای تعیین رفتار واقعی سازه ها مطالعات آزمایشگاهی آنها می باشد.
چراکه درآزمایشگاه تمامی مراحل کاربه واقعیات نزدیک میباشد.
ولی بایدبه این نکته توجه داشت که انجام عملیات آزمایشگاهی،نیازبه امکانات متناسب باآزمایش موردنیازدارد.
البته ارائه مدل تحلیلی مناسب برای ارزیابی رفتارسازه،خود از ارزش فوق العاده ای ازنقطه نظر طراحی سازه برخوردار است.

سازه های کش بستی که در این مقاله مورد بررسی قرار خواهد گرفت نیز خارج از این قاعده نمی باشد.باید توجه داشت که انجام آزمایشگاهی چنین شبکه هایی با توجه به برخی عوامل از قبیل حجیم بودن سازه، تعدد زیاد المان ها،پرهزینه بودن طرح و نیاز به امکانات وسیع عملا امکان پذیر نمی باشد. لذا در این تحقیق از روش نرم افزاری عناصر محدود استفاده شده است.

2-1-  انتخاب بافتار

بافتاری که دراین تحقیق موردتحلیل قرارگرفته است،ازمدولهای چهارعضوفشاری تشکیل شداست.نحوه ی اتصال این مدولها ازنوع اتصال لب به لب میباشد.
بعبارت دیگرلبه ی کابل های لایه ی بالایی مدول به لبه ی کابل های لایه بالایی مدول مجاورمتصل می باشد.
به همین ترتیب لبه ی کابلهای لایه ی پایینی مدول به لبه ی کابلهای لایه پایینی مدول مجاور متصل میشوند.

ابعاد بافتار مورد استفاده در این تحلیل 4.4 متر می باشد. تصویر این بافتار در شکل 1 آورده شده است.
همچنین تصویرتک مدول این بافتاردرشکل2نشان داده شده است.دراین بافتاراعضاء فشاری هیچگونه اتصالی باهمدیگرندارندولذازیرمجموعه سازه های کش بستی ناپیوسته عضوفشاری میباشد.
این سیستم ازنوع بافتارهای انعطاف پذیرهندسی می باشد.این ویژگی امکان اعمال پیش تنیدگی به این سیستم را فراهم میکند.

سازه کش بستی

2-2- انجام تحلیل ها

دراین بخش ابتدا به مراحل مختلف مدل سازی عناصرمحدوداعضاء کششی وفشاری اشاره شده است وسپس تحلیلهای مختلف انجام شده برروی بافتارمورد بررسی آورده شده است.

2-2-1- مدل سازی عناصر محدود اعضاء کششی

کابل المانی منحصرا کششی می باشد که هیچگونه سختی در فشار ندارد.گزینه مناسب برای معرفی المانی با رفتار منحصرا  کششی و یا منحصرا فشاری  المان Link10 می باشد که یکی از المان های معرفی شده در نرم افزار عناصر محدود ANSYS می باشد به صورت ترکیبی با المان Link10 استفاده شده است.

ترکیب این دوالمان بدین صورت انجام گرفته شده است که95درصد المان Link8 و5درصد ازالمانLink10استفاده شده است.

همچنین برای اتصالLink8به Link10ازالمان چرخشی combin7 که یکی دیگرازالمانهای معرفی شده درنرم افزارعناصرمحدود ANSYSمیباشد،استفاده شده است.

رفتار تنش محوری-کرنش محوری اعضاء کششی باتوجه به نتیجه آزمایشی که توسطKebicheوBenkahlaانجام گرفته است،دراین تحقیق استفاده شده است.

رفتارتنش محوری- کرنش محوری اعضا کششی درشکل3آورده شده است.همچنین مشخصات کابلها رامیتوان درجدول 1 مشاهده کرد.

2-2-2- مدل سازی عناصر محدود اعضاء فشاری

برای اعضاء فشاری از المان Link180که یکی دیگر از المانهای معرفی شده درنرم افزارعناصر محدود  ANSYS است،استفاده شده است.

در اغلب روش های تحلیل ایستایی خرابی مورد استفاده در ارزیابی رفتار سازه های فضاکار که دارای گره های مفصلی می باشند، با در نظر گرفتن کمانش عضوی،ابتدا رفتار بار- تغییر مکان محوری اعضا فشاری تعیین می شود. پاسخ بار- تغییر مکان محوری عضو فشاری به صورت رابطه ی ایده آل تنش محوری- کرنش محوری عضو میله ای دو سر مفصلی مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین نمایش رفتار عضو نقش اساسی در تحلیل خرابی سازه های فضاکار دارد.پاسخ های تنش محوری- کرنش محوری که برای اعضاء فشاری با استفاده از نرم افزار عناصر محدود LUSAS برای دامنه های مختلف ناکاملی و لاغری اعضاء فشاری بدست آمده است،بعنوان رفتار مصالح اعضاء فشاری بکار گرفته شده است. بعنوان نمونه رفتار تنش محوری–کرنش محوری اعضاء فشاری به ازاء لاغری 100و ناکاملی های 0.005L_0.001L,0.0005 در شکل4 نمایش داده شده است.همچنین مشخصات اعضاء فشاری در جدول 2 آورده شده است.

لاغری های انتخاب شده برای اعضاء فشاری برابر با 100،160 می باشد.
ناکاملی های بکار رفته برای اعضاء فشاری برابر با 0.005L_0.001L,0.0005L می باشد.
لازم به توضیح میباشدکه سطح مقطع اعضافشاری درتمامی تحلیلهاثابت درنظرگرفته شده است وباتغییرممان اینرسی اعضافشاری،لاغری های مختلف انتخاب شده است.
پیش تنیدگی بکاررفته برای اعضاء کششی بصورت کرنش اولیه که درشکل بصورت isنشان داده شده است اعمال میشود.
ناکاملی اعضاء فشاری با e و سطح مقطع اعضاء کششی با A مشخص شده است.

در تحلیل های انجام گرفته بر روی این بافتار، دو عامل غیرخطی هندسی و مصالح اعمال شده است.
برای حل معادلات غیرخطی از روش تکراری نیوتن – رافسون و روش طول کمان استفاده شده است.

2-2-3- مطالعه ی تحلیلی به ازاء لاغری 100

دراین قسمت لاغری اعضاء فشاری برابربا100درنظرگرفته شده است.باربصورت قائم برگره های لایه ی فوقانی اعمال شده است.شرایط تکیه گاهی که اعمال شده است بدین صورت است که گره های مرزی تحتانی وفوقانی موازی محورY،بترتیب درراستاهایYوXو درراستای Xمقیدشده اند.همچنین گره های مرزی تحتانی وفوقانی موازی محور X،بترتیب درراستاهای YوZ ودرراستایY مقیدشده اند.همچنانکه درشکل5 دیده میشود،به ازاء ناکاملی های مختلف،رفتاربارتغییرمکان قائم نقطه مرکزی بافتاریکسان میباشد.بعبارتی هیچگونه تغییری درظرفیت باربری،سختی ومکانیزم خرابی بافتارنداشته است ولذا سازه غیره حساس به ناکاملی میباشد.باتوجه به اینکه مکانیزم غالب خرابی دراین تحقیق،مکانیزم خرابی اعضاء کششی است،لذا قبل ازاینکه اعضاء فشاری دچارخرابی شوند،اعضا کششی به بارگسیختگی خودرسیده وبدین ترتیب ناکاملی اعضاء فشاری تاثیری دررفتارخرابی بافتار ندارد.همانگونه که درشکل 6ملاحظه میشود،باافزایش سطح مقطع اعضاء کششی نیروهای بیشتری برای گسیختگی کابلهانیازمیباشد،لذاظرفیت باربری باافزایش سطح مقطع اعضاء کششی افزایش یافته است،درحالی که تاثیردرنوع مکانیزم خرابی بافتار مشاهده نمیشود.

بادقت درشکل6 دیده میشودکه بافتاربه ازاء کرنش اولیه0.012دارای مکانیزم خرابی ناشی ازشل شدگی اعضاء کششی میباشد

.درحالیکه به ازاء کرنش اولیه ی کمتر از0.012 بافتاردچارمکانیزم خرابی کلی شده است(شکل5)

همچنانکه درشکل7دیده میشود،افزایش پیش تنیدگی سبب کاهش ظرفیت باربری بافتار شده است.

باتوجه به اینکه افزایش پیش تنیدگی سبب افزایش نیروهای داخلی اعضاء میشود،لذااعضاء بافتارسریعتربه بارخرابی خودرسیده وظرفیت باربری بافتارکاهش میابد.

2-2-4- مطالعه ی تحلیلی به ازاء لاغری 160

در این قسمت لاغری اعضاء فشاری برابر با 160 در نظر گرفته شده است.با توجه به شکل 8 دیده می شود که افزایش پیش تنیدگی های 0.01،0.008 دچار خرابی کلی وبه ازاء پیش تنیدگی 0.012 دچار مکانیزم خرابی ناشی از شل شدگی اعضا کششی شده است.

همچنین درشکل9 نتایج تاثیر تغییرات سطح مقطع اعضاء کششی برروی رفتار بار- تغییر مکان بافتار مشاهده می شود.
همانگونه که دیده میشودافزایش سطح مقطع اعضاکششی سبب افزایش سختی وظرفیت باربافتارمیشودولی مکانیزم خرابی بافتارازمقادیرمختلف سطح مقطع اعضاکششی یکسان میباشد.

تغییردرلاغری اعضاء فشاری تغییری دررفتار بافتارمورد مطالعه دراین تحقیق ندارد.این موضوع درشکل 10 نشان داده شده است.

همانگونه که درشکل10دیده میشود،بافتاربه ازاء لاغری های مختلف رفتار کاملا یکسانی ازخود به نمایش میگذارد.

با توجه به اینکه درتحلیلهای انجام شده اولویت خرابی با اعضاء کششی میباشد،لذا عامل اساسی درتغییر رفتارخرابی بافتار مشخصات اعضاء کششی است وتغییر درمشخصات اعضاء فشاری تاثیری دررفتار خرابی بافتار ندارد.

  • نتیجه گیری

نتایج زیر منحصرا مربوط به بافتار مورد بررسی در این تحقیق می باشد که به قرار زیر می باشد:

  • افزایش پیش تنیدگی اعضاء کششی سبب افزایش سختی وکاهش ظرفیت باربری بافتار میشودونیزمکانیزم خرابی کلی رابه مکانیزم خرابی ناشی ازشل شدگی اعضاء کششی تبدیل میکند.
  • افزایش سطح مقطع اعضاء کششی سبب افزایش سختی و ظرفیت باربری بافتار میشود ولی تاثیری درمکانیزم خرابی بافتار ندارد.
  • افـزایش لاغری و ناکاملی اعضاء فشارشی تاثیری در رفتار خرابی بافتار ندارد.
  • بافتار مورد مطالعه در این تحقیق به ازاء مقادیر مختلف پیش تنیدگی اعضاء کششی،سطح مقطع اعضاء کششی، لاغری و ناکاملی اعضاء فشاری،نشان دهنده ی دو نوع مکانیزم خرابی کلی و مکانیزم خرابی ناشی از شل شدگی اعضاء کششی بوده است.

تهیه کنندگان:حجت محمدی ثانی آذر(دانشجوی کارشناسی ارشد سازه–دانشگاه ارومیه)،محمدرضا شیدایی(استادیار دانشکده فنی-دانشگاه ارومیه)،کریم عابدی(دانشیار دانشکده فنی- دانشگاه صنعتی سهند)

تمامی حقوق سایت محفوظ می باشد