اهمیت شکل هندسی مقاطع فولادی

[rkiahoseyni]

مقدمه:
چقدر به شکل هندسی مقاطع فولادی مورد استفاده در ساخت و ساز توجه می کنیم و به اهمیت شکل پی می بریم؟ تمام کدهای طراحی و ساخت فولاد در سرتاسر جهان چند شکل رایج را برای استفاده به عنوان یک عضو فولادی شناسایی می کنند. این مقاطع با مشخصات شکل مقطع آنها مشخص می شوند. در زیر به چند بخش متداول اشاره شده است.

چرا به انواع مختلف مقطع نیاز داریم؟
پس از مرور لیست مقاطع فولادی، ممکن است تعجب کنید که چرا باید مقاطع فولادی را به اشکال مختلف قالب گیری کنیم و از اشکال مختلف (مستطیل، مربع، دایره یا چند ضلعی های دیگر) استفاده کنیم؟ برای اینکه دلیل آن را بدانیم، باید کمی در مورد کاربردهای بار، پدیده‌های ساختاری تحت تأثیر اعضا، پارامترهایی که ظرفیت سازه‌ای یک عضو را کنترل می‌کنند، بدانیم.
متداول ترین کاربردهای بارهای مکانیکی که در ساخت و ساز با آنها مواجه می شوند شامل یکی یا ترکیبی از موارد زیر است:
-    بارهای نقطه ای
-    بارهای توزیع شده یکنواخت
-    خمش مستقیم
-    چرخش
بسته به نوع و نحوه اعمال بار، یک عضو در معرض یک یا ترکیبی از پدیده های ساختاری مانند موارد ذیل قرار می گیرد:
-    فشرده سازی
-    تنش
-    برش
-    خمش
-    پیچ خوردگی
به منظور ارزیابی یک عضو در برابر پدیده های ذکر شده در بالا، پارامترهای کمی وجود دارد که نشان دهنده مقاومت ارائه شده است مانند:
-    سطح مقطع
-    عمق کل
-    ضخامت وب، فلنج ها و پاها
-    ممان اینرسی و یا مدول مقطع
-    ثابت پیچشی
بر اساس بار ترکیبی چندگانه اعمال شده، پدیده‌های سازه‌ای تحت تأثیر و پارامتر مقاومت مورد نیاز، مقاطع جامد قالب‌گیری و به شکل‌های مختلف پروفیل پیکربندی می‌شوند. قالب گیری یک بخش جامد به شکل پروفیل به دستیابی به نسبت مواد به ظرفیت بالا کمک می کند.
در اینجا به طور خلاصه هر نوع بخش را مرور می کنیم. ما هر نوع بخش را بر اساس معیارهای طراحی سازه، قابلیت استفاده و مزایای نمایه شکل تجزیه و تحلیل می کنیم.

I Shape / W Shape / H Shape:
نمایه شکل این بخش شبیه به الفبای "I" یا "H" است. شکل W علامت رایجی است که در کتابچه راهنمای ساخت و ساز فولادی AISC برای این نوع بخش استفاده می شود. این بخش برای انواع ترکیب بار به جز چرخش خالص استفاده می شود. این بخش برای مقاومت در برابر خمش (به ترتیب) و فشرده سازی بسیار کارآمد است. رایج ترین موارد استفاده از این بخش، تیر و ستون در ساختمان ها و پل ها می باشد.

فواید:
-    حفاظت بالا از فولاد در مقایسه با مقطع مستطیلی یا مربعی جامد.
-    عضو جهانی - می تواند برای اکثر برنامه های کاربردی اعضای ساختاری استفاده شود.
-    طیف گسترده ای از در دسترس بودن بخش تعریف شده در کتابچه راهنمای طراحی فولاد، امکان طراحی سازه بهینه را فراهم می کند.
-    سازگاری خوبی برای اتصالات به سایر اعضای اصلی یا ثانویه فراهم می کند.
معایب:
-    نمی توان در جهت X-X بارگذاری کرد، زیرا بخش ظرفیت ساختاری بسیار کمی را در مقایسه با جهت Y-Y ارائه می دهد.
-    مقاومت پیچشی کمتری ارائه می دهد، زیرا یک بخش باز است.

شکل C / کانال ها:
مشخصات شکل این بخش شبیه به الفبای "C" به نظر می رسد. از این رو ما آنها را شکل C می نامیم. کانال علامت رایجی است که در راهنمای ساخت و ساز فولادی AISC برای این نوع بخش استفاده می شود. این بخش برای استفاده به عنوان یک عضو سازه ثانویه که در آن بارگذاری به سایر اعضای سازه اولیه منتقل می شود بسیار کارآمد است. رایج ترین موارد استفاده از C شکل/کانال به عنوان عضو سازه ثانویه عبارتند از تیرچه های عرضی پشتیبان کف، پرلین برای خرپاهای سقف، ناودانی در چارچوب دیوار، اعضای نگهدارنده برای مجموعه های سقف و غیره.

فواید:
-    جایگزینی ایده آل برای I شکل زمانی که خمش عامل مهمی نیست و تقریباً نیمی از فولاد را حفظ می کند.
-    هنگامی که از یک سیستم چند عضو استفاده می شود، ظرفیت ساختاری بالایی را فراهم می کند. 
-    می توان پشت به پشت قرار داد تا یک بخش I شکل مجازی ایجاد کند.
-    سازگاری خوبی برای اتصال به سایر اعضای فولادی و سطوح بتنی/آجری فراهم می کند.
معایب:
-    به دلیل هندسه نامتقارن در محور Y-Y، هنگام بارگیری بدون مهاربندی فلنج بالایی بسیار ناپایدار است.
-    برای کاربردهای بارهای سنگین مناسب نیست.

L شکل / زاویه:
مشخصات شکل این بخش شبیه به الفبای "L" است. از این رو ما آنها را L شکل می نامیم. این بخش همانطور که در کتابچه راهنمای ساخت و ساز فولادی AISC ذکر شده است و همچنین به دلیل امکان پذیری برای تطبیق اتصالات زاویه ای، "زاویه" نیز نامیده می شود. این بخش برای کاربردهای بار نقطه ای برای مقاومت در برابر برش، کشش و فشار بسیار استفاده می شود. این بخش برای استفاده به عنوان یک عضو اتصال، جزء اصلی یک عضو ساخته شده و غیره مناسب است. رایج ترین موارد استفاده از این بخش، اتصال بین I شکل ها و یا اشکال دیگر، مهاربندی در اعضای خرپا، آکوردها، بت ها است. همچنین در بندهای عضو داخلی، اعضای دیافراگم در سیستم تیر پل، عناصر سفت کننده شبکه برای مقاطع I شکل و غیره نیز استفاده می شود.

فواید:
-    ظرفیت ساختاری بالایی را در اتصالات برای مقاومت در برابر برش پیچ و جوش فراهم می کند.
-    استفاده به عنوان یک عضو مهاربندی برای خرپاها بسیار ترجیح داده می شود، زیرا آنها ترکیب خوبی از ظرفیت خمشی محوری (تنش / فشرده سازی) را ارائه می دهند.
-    می توان پشت به پشت قرار داد تا یک بخش T شکل مجازی ایجاد کند.
معایب:
-    هندسه نامتقارن در هر دو جهت X-X و Y-Y.
-    نسبت مواد بسیار کم: نسبت ظرفیت ساختاری ارائه شده، در مقایسه با سایر بخش های شکل

تی شکل / سه راهی ساختاری:
مشخصات شکل این بخش شبیه به الفبای "T" به نظر می رسد. از این رو ما آنها را شکل T می نامیم. سه راهی ساختاری یک نماد متداول است که در کتابچه راهنمای ساخت و ساز فولادی AISC برای این نوع بخش استفاده می شود. این بخش معمولاً با برداشتن فلنج پایینی از شکل های استاندارد I جدا می شود. این بخش را می توان برای همه برنامه های بارگذاری مشابه بخش I-shape استفاده کرد. این شکل ظرفیت خمشی قابل توجهی را در سمت فلنج در مقایسه با سمت غیر فلنج ارائه می دهد. متداول ترین موارد استفاده از این بخش عبارتند از عضو اتصال بین I شکل یا اشکال دیگر، اعضای تیر ثانویه (لنتل)، عضو آکورد در خرپاها و عضو اصلی عضو ساخته شده، اعضای دیافراگم انتهایی در سیستم تیر پل و غیره.

فواید:
-    جایگزینی ایده آل برای بخش های I شکل که در آن خمش یک طرف قابل توجه نیست یا برای کاهش عمق کلی عضو.
-    به دلیل عمق و تقارن شبکه، ظرفیت محوری - خمشی بالایی را در مقایسه با شکل L ارائه می دهد.
معایب:
-    نمی توان در جهت X-X بارگذاری کرد، زیرا بخش ظرفیت ساختاری بسیار کمی را در مقایسه با جهت Y-Y ارائه می دهد.
-    کاربردهای بسیار محدود به دلیل هندسه نامتقارن حول محور X-X.

بخش ساختاری توخالی مربع، مستطیل و گرد (HSS):
بخش ساختاری توخالی (HSS) با لوله های فولادی به شکل مربع، مستطیل و گرد یا دایره به دست می آید. این بخش در مقایسه با سایر بخش‌هایی که در بالا توضیح داده شد، یک کلاس بسته است. این بخش برای بارهای نقطه ای و چرخش بسیار کاربردی است. این بخش ظرفیت سازه ای بالایی در برابر فشار و پیچش ایجاد می کند. رایج ترین موارد استفاده از این بخش ستون سازه، شفت و غیره است.

فواید:
-    مقاومت پیچشی بالایی را در مقایسه با اشکال I، C، L و T ارائه می دهد.
-    ظرفیت ساختاری بالایی را در هر دو جهت (X-X و Y-Y) در مقایسه با اشکال I، C، L و T ارائه می دهد.
-    می تواند به عنوان ژاکت برای ستون بتنی برای افزایش ظرفیت محوری استفاده شود.
-    نسبت وزن نسبتاً مفید و ظرفیت (محوری) خوبی دارد.

گردآورنده: سیدرحیم کیاحسینی