مقاطع نبشی فولادی در خمش: طراحی و گزینه‌های ایمن‌تر

مقاطع نبشی به دلیل اقتصادی بودن و سهولت ساخت، به طور گسترده در مهندسی سازه مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، وقتی صحبت از استفاده از نبشی‌ها در ... می‌شود، خم شدن، به ویژه خم شدن بدون محدودیت، چالش‌های قابل توجهی پدیدار می‌شوند. اگرچه آنها اغلب برای تحمل بارهای روی بازشوها انتخاب می‌شوند - مانند نعل درگاه‌های آجری - ناپایداری پیچشی و پاسخ پیچیده به استرس آنها را به انتخابی پرخطر تبدیل کند.

این مقاله مروری دقیق بر نحوه رفتار مقاطع زاویه‌دار در خمش، محدودیت‌های راهنمای طراحی تحت هر دو مورد ارائه می‌دهد. کارشناسی ۵۹۵۰ و یوروکد ۳ (EN 1993-1-1)و اینکه چرا پروفیل‌های جایگزین اغلب راه‌حل‌های قابل اعتمادتر و از نظر ساختاری صحیح‌تری هستند.

1.0کاربردهای رایج: زاویه‌ها در خم شدن روی بازشوها

مقاطع زاویه‌دار در خمش معمولاً در ساخت و سازهای خانگی برای پشتیبانی از مصالح بنایی بالای بازشوهای در و پنجره استفاده می‌شوند. اگرچه جزئیات ممکن است ساده به نظر برسد، اما ... بارگذاری خارج از مرکز و رفتار پیچشی که می‌تواند منجر به مشکلات مربوط به قابلیت سرویس‌دهی، مانند ترک خوردگی نما، شود.

چالش ساختاری کلیدی در این واقعیت نهفته است که وقتی در معرض خمش قرار می‌گیرد، به خصوص بدون مهار جانبی کامل، ساق فشرده شده زاویه تمایل به انحراف از صفحه دارد، باعث می‌شود که عضو پیچ و تاباین پدیده با موارد معمول تشدید می‌شود اعمال خارج از مرکز بار عمودیکه گشتاوری حول هر دو محور عمودی و افقی ایجاد می‌کند.

2.0اثرات پیچشی: چرا مقاطع توخالی ارجحیت دارند

هر عضو سازه‌ای که بار خارج از مرکز را تحمل کند، دچار پیچش می‌شود. این موضوع منحصر به نبشی‌ها نیست، اما سختی پیچشی پایین مقاطع زاویه دار آنها را به ویژه مستعد می‌کند. در چنین مواردی، استفاده از بخش توخالی بسته (مانند یک HSS مربع یا مستطیل شکل) جایگزین بهتری ارائه می‌دهد. اگرچه این مقاطع ممکن است گران‌تر باشند و جزئیات پیچیده‌تری در اتصالات داشته باشند، کاهش تغییر شکل پیچشی اغلب ارزش معاوضه را دارد.

در کاربردهای عملی مانند الحاقات داخلی یا سردر، مقاطع بسته می‌توانند دوام را تا حد زیادی افزایش داده و نقص‌های قابل مشاهده در سازه نهایی را به حداقل برسانند.

3.0مقاطع زاویه‌ای در فشار: رفتاری قابل پیش‌بینی‌تر

وقتی مقاطع زاویه‌دار در فشار استفاده می‌شوند (مثلاً به عنوان بخشی از یک خرپا)، رفتار آنها به خوبی قابل درک است. برخلاف کمانش حول محورهای مستطیلی اصلی یا فرعی، نبشی‌ها حول محور خود کمانش می‌کنند. محورهای اصلی: یو–یو و وی–وی محورها. این منجر به این می‌شود که هر ساق زاویه سعی کند در جهت خارج از صفحه خود خم شود و یک حالت کمانش پیچشی.

کدهای طراحی مانند بند ۴.۷.۱۰ استاندارد BS ۵۹۵۰ و EN 1993-1-1 بخش BB.1.2 فرمول‌هایی برای محاسبه‌ی لاغری بر اساس این حالت ارائه می‌دهند. این محاسبه اثرات پیچشی را تنظیم می‌کند و در نظر می‌گیرد که آیا زاویه پایان دادن به محدودیت‌هاکه به طور قابل توجهی بر ظرفیت کمانش تأثیر می‌گذارند.

4.0مقاطع زاویه‌ای در خمش: محدودیت‌های موجود در آیین‌نامه

راهنمای طراحی BS 5950 برای خمش

بند ۴.۳.۸ در BS 5950 هر دو مورد را ارائه می‌دهد: اساسی و یک روش ساده شده برای محاسبه گشتاور مقاومت کمانشی (Mb) برای مقاطع زاویه‌دار. روش ساده‌شده محدود به زاویه‌های مساوی که حول محور x-x خم شده‌اند، معمولاً تحت بارهای عمودی در دهانه‌هایی مانند بازشوهای پنجره.

محاسبه نمونه با استفاده از روش ساده شده BS 5950:

داده شده:

بخش: ۱۵۰×۱۵۰×۱۲ میلی‌متر

دهانه: ۴ متر

گرید فولاد: S275

ε = ۱.۰ (بر اساس استحکام تسلیم فولاد)

شعاع گردش (rv) = 29.5 میلی‌متر

مدول مقطع Zx = 67.7×10³ میلی‌متر³

فرمول ساده شده به صورت زیر است:

این نتیجه مقاومت نسبتاً کمی را نشان می‌دهد و بر اهمیت درک محدودیت‌های این رویکرد تأکید می‌کند.

رویکرد EN 1993-1-1 (یورو کد ۳): پیچیده‌تر، کمتر مستقیم

یوروکد روش مستقیمی برای ارزیابی مقاومت خمشی نبشی‌ها ارائه نمی‌دهد. در عوض، توصیه می‌کند که گشتاور خمشی اعمال شده را به ... تجزیه کنید. محورهای اصلی (u-u و v-v) و تأیید عضو با استفاده از معادله برهمکنشاین امر، به خصوص برای زوایای نابرابر، پیچیدگی را افزایش می‌دهد.

مرحله کلیدی، محاسبه باریکی نسبی:

lambda_LT = (0.72 × v_a × f_y) / (E × phi_a × lambda_v)

کجا:

• lambda_LT نسبت لاغری جانبی-پیچشی است
• وی_ا ضریب تصحیح برشی است
• ف_ی استحکام تسلیم ماده است
• ای مدول الاستیک است
• فی_آ ضریب لاغری (معمولاً ۳.۷۷) است.
• lambda_v نسبت لاغری برشی است (مثلاً L / r_v)

کجا:

φₐ ضریب لاغری است (معمولاً ۳.۷۷)

vₐ با استفاده از فرمولی مبتنی بر λᵥ و شاخص تک‌تقارنی ψₐ بدست می‌آید.

λᵥ = L / rᵥ = 4000 / 29.5 = 135.6

برای یک زاویه مساوی (ψₐ = ۱)، نتیجه می‌شود:

vₐ ≈ 0.984 → λ_LT = 0.580 → χ_LT = 0.724

با استفاده از گشتاور دوم سطح و مدول الاستیک:

واحد بین‌المللی واحد بین‌المللی = ۱۱۷۰ سانتی‌متر مربع
فاصله فیبر نهایی = 106 میلی‌متر

Wu = (1170 × 104) / 106 = 110 × 10 ³ mm³

Mb = 0.724 × 275 × 110 × 10³ = 21.9 کیلونیوتن متر

5.0بررسی‌های تعامل: مقایسه بین BS 5950 و Eurocode

فرض کنید گشتاور اعمالی ۱۴ کیلونیوتن‌متر باشد که به طور مساوی در محورهای اصلی تجزیه شده است:

داده شده:

مو = ام‌وی = ۹.۹ کیلونیوتن‌متر
Wv = 52 × 10³ میلی‌متر³
وو = ۱۱۰ × ۱۰³ میلی‌متر³

بررسی تعامل یوروکد:

بررسی تعامل BS 5950:

با استفاده از مقاومت کمانش Mb = 26 kNm:

تعامل = ۱.۰۷ ✓ قابل قبول، اما در مرز

با استفاده از روش ساده شده (Mb = 13.9 kNm):

تعامل = ۱.۰۱ ✘ از حد مجاز فراتر می‌رود

6.0مقاطع زاویه نابرابر: پیچیدگی و محدودیت‌های بیشتر

ملاحظات ساخت برای مقاطع زاویه‌دار

علاوه بر پیچیدگی ساختاری استفاده از مقاطع زاویه‌دار در خمکاری، ساخت نیز چالش‌هایی را به همراه دارد - به ویژه هنگامی که نیاز به جایگذاری دقیق سوراخ، آماده‌سازی انتهایی یا ایجاد شیار باشد. برای دستیابی به اصلاحات دقیق، به ویژه برای مقاطع زاویه‌دار نابرابر یا اتصالات پیچیده، سازندگان اغلب به یک دستگاه آهنگری متکی هستند. این دستگاه‌ها امکان برش، پانچ و جفت کردن کارآمد نبشی‌های فولادی را در یک مرحله فراهم می‌کنند و در عین حال که تکرارپذیری را تضمین می‌کنند، در زمان نیز صرفه‌جویی می‌کنند.

برای کاربردهایی که شامل جزئیات دقیق یا برش‌های گوشه داخلی هستند - مانند هنگام تهیه زاویه برای اتصالات تمیز به صفحات یا صفحات اتصال - اغلب از یک دستگاه برش گوشه ورق فلزی استفاده می‌شود. این ابزار امکان برش دقیق گوشه‌ها را فراهم می‌کند و امکان تنظیم و ترازبندی بهتر در حین مونتاژ را فراهم می‌کند. استفاده از تجهیزات ساخت صحیح نه تنها کارایی را بهبود می‌بخشد، بلکه تضمین می‌کند که عملکرد ساختاری پیش‌بینی شده در طراحی تا زمان نصب حفظ شود.

کارشناسی ۵۹۵۰ روش ساده شده را مجاز نمی‌داند برای زوایای نابرابر. طراحان باید از روش پایه استفاده کنند و گشتاورها را به ... تبدیل کنند. محورهای اصلیاگرچه ویژگی‌هایی مانند موقعیت مرکز جرم، I _u و I _v را می‌توان در جداول منتشر شده یافت، اما به اطلاعات بیشتری نیاز است. مثلثات, محاسبه شاخص تک‌تقارنی، و تعیین مدول‌های مقطع مؤثر.

برای پاهای باریک، طبقه‌بندی بخش‌ها بسیار مهم می‌شود:

محدودیت کلاس ۳ استاندارد BS 5950: ۱۵ε

محدودیت کلاس ۳ یوروکد: 14ε (بر اساس c/t)

برای مثال، یک پایه ۱۵۰×۱۰ میلی‌متری با c ≈ ۱۲۸ میلی‌متر، به صورت زیر است:

c/t = 12.8 < 14ε = 12.9 → قابل قبول

پیوند طراحی سازه و ساخت کارگاهی

اجرای موفقیت‌آمیز مقاطع زاویه‌دار - به‌ویژه در کاربردهای حساس به بار - نه تنها به طراحی نظری، بلکه به دقت ساخت عملی نیز بستگی دارد. هنگامی که اعضای سازه‌ای نیاز به برش، برش یا پانچ دقیق دارند، به‌ویژه در کاربردهای سفارشی یا دهانه‌های کوتاه، استفاده از تجهیزات مناسب ضروری است. ابزارهایی مانند دستگاه آهنگری و دستگاه برش گوشه ورق فلزی معمولاً برای آماده‌سازی مؤثر و دقیق فولاد نبشی استفاده می‌شوند، که باعث کاهش اصلاح در محل و تضمین انطباق بهتر با هدف طراحی می‌شود.

اگر بخش کلاس ۴، پیچیدگی بیشتری ایجاد می‌شود:

استفاده از خواص مقطع مؤثر (یوروکد)، یا

کاربرد کاهش استحکام طراحی (BS 5950)

برای ترکیب خمش و بار محوری، این می‌تواند به طور غیرعملی پیچیده شود.

7.0نتیجه‌گیری: در خم کردن، فقط با احتیاط از زاویه‌ها استفاده کنید

این بررسی فنی دو اصل طراحی حیاتی را برجسته می‌کند:

• زاویه‌ها برای تحمل گشتاورهای قابل توجه ایده‌آل نیستند—به‌خصوص اگر مهار نشده باشد. رفتار پیچشی تحت بارگذاری خارج از مرکز یا جانبی می‌تواند عملکرد را به‌شدت محدود کند و منجر به خرابی‌های مربوط به قابلیت بهره‌برداری مانند ترک‌خوردگی نما شود.
• طراحی زوایای نابرابر، کاری طاقت‌فرسا و مستعد خطا است.به خصوص هنگام برخورد با مقاطع کلاس ۴ یا سناریوهای بارگذاری ترکیبی.

تمرین توصیه شده:

استفاده کنید مقاطع با زاویه مساوی از حداقل کلاس ۳ مقطع عرضی.

برای موقعیت‌های خمش بدون محدودیت، جایگزینی با a را در نظر بگیرید مقطع با سختی پیچشی، مانند یک بخش توخالی یا پرتو I.