چگونگی طراحی سازه‌های سرد ساخت (فصل دوم)

خصوصیات فولاد سردساخت

1.استانداردهاي فولاد سردساخت:

بر اساس آیین نامه طراحی اعضاي فولادي سردساخت آمریکا، انواع مختلفی از فولادهاي استاندارد ASTM مـیتوانـد در شکلدهی و ساخت مقاطع فولادي سردساخت بکار رود.

2.منحنی‌هاي نوعی تنش – کرنش

در حالت کلی دو نوع منحنی تنش– کرنش براي ورق هاي فولادي وجود دارد:

• • • منحنی با تسلیم بارز
    •  منحنی تسلیم تدریجی

ورقهاي فولادي که با نورد گرم تولید می شوند معمولا داراي منحنی تنش-کرنش با تسلیم بارز می باشند. در مقابل، غلتک زنی سرد در تولید ورق فولادي کاهش ضخامت ورق تا ضخامت موردنظر، غالبا منحنی تنش-کرنش با تسلیم تدریجی را به دنبال دارد. در این نوع منحنی ها، روش معمول در محاسبه تنش تسلیم، روش افست با کرنش افست ./2 درصد می باشد.

خصوصیات فولادهاي مورد استفاده در اعضاي سردساخت براساس استاندارد

3.افزایش تنش تسلیم متأثر از شکل دهی سرد

فرایند شکل دادن سردورق فولادي و تبدیل آن به مقاطع سردساخت، باعث ایجاد سـخت شـدگی کـرنش در نوارهـاي فولادي شکل داده شده و در محل گوشهها میشود. این سخت شدگی محلی موجب افزایش تـنش تسـلیم و مقاومـت نهایی کنارهها میشود. به دلیل افزایش تنش تسلیم، مقاومت تسلیم میانگین مقاطع شکل داده شده میتواند بیش از 25 درصد بزرگتر از مقاومت تسلیم نوارهاي فلزي قبل از شکلدهی باشد. این افزایش مقاومت باعـث ایجـاد یـک ظرفیـت باربري اضافی شده که از این ظرفیت میتوان در ارزیابی مقاومت طراحی، بهره برد.

روش‌هاي طراحی

1.طراحی بر اساس تنش مجاز(ASD)

در این روش (ASD)، مقاومت مورد نیاز (نیروي محوري، لنگر خمشی، نیروي برشی و …) در طراحی اعضا و اتصالات از تحلیل سازه تحت بارهاي اسمی و واقعی و با ترکیبات بارگذاري بدون ضریب بدست میآید. از طرفی مقاومت طراحی مجاز با استفاده از مقاومت اسمی عضو تقسیم بر یک ضریب اطمینان معین، بدست میآید. در طراحی به روش تنش مجاز، مقاومت مورد نیاز، R، نباید از مقاومت طراحی مجازR_a، ، بیشتر باشد یعنی:

R ≤ R_a

که در آن تنش طراحی مجاز، R_a ، از رابطه‌ي زیر بدست میآید:
 

دررابطه فوق،  R_n مقاومت اسمی و W ضریب اطمینان میباشند. مقاومت اسمی، مقاومت یا ظرفیت جزء یا عضو مورد نظر در یک حالت حدي و یا مد شکست میباشد. این مقاومـت را میتوان با معادلات طراحی آیین نامه اي که با استفاده از مشخصات مقطع (سطح مقطع، ممان اینرسی، اساس مقطـع، شعاع ژیراسیون و …) و مقاومت مصالح بدست میآید، محاسبه کرد. در صورت استفاده از روش تنش مجاز در طراحی، ترکیبات بارگذاري زیر پیشنهاد می گردد:

D

D + L

D + (Lr  یاS)

D + 0.75L + 0.75 (Lr  یاS)

D + (W یا E )

D + 0.75L + 0.75 (Lr  یاS) + 0.75 (W یا E )

0.6D + (W یا E )

در ترکیبات بارگذاري فوق، D بار مرده، E بار زلزله (محاسبه شده از آیین نامه زلزله مبتنی بر تنش مجاز همانند آیـین نامه زلزله ایران(، L بار زنده، Lr بار زندهي سقف، S بار برف و W بار باد (محاسبه شده از آیین نامه بـاد مبتنـی بـر تنش مجاز) میباشند.

2.طراحی به روش ضرایب بار و مقاومت (LRFD)

طی سالهاي اخیر، در طراحی سازههاي فولادي از روش LRFD یا حالات حدي (LSD)  که روش هـاي طراحـی مبتنی بر مقاومت نهایی6محسوب می شوند، در کشورهاي مختلفبه طور گسترده استفاده میشود. در طراحـی بـه روش مقاومت نهایی:

• • با استفاده از ضرایب متفاوت، درجات مختلفتغییر پذیري در بارهاي وارده و مقاومتهادر نظر گرفته می شود.
  • با استفاده از نظریهي احتمال، تمامی طراحیها میتواند به صورت ایدهال، داراي یک اعتبار پایدار باشد. بنابراین روش ضرائب بار و مقاومت در مقایسه با روش تنش مجاز بستري را براي دستیابی به یک طراحی منطقی تر و بهینه تر فراهم میکند.

براي اعضاي فولادي سردساخت، حالات حدي اصلی عبارتاند از: تنش تسلیم، کمـانش و مقاومـت پـس از کمـانش، لهیدگی جان و تغییر شکل بیش از حد. این حدود از طریق آزمایشات انجام شده در آزمایشگاه تعیین شده و به وسیلهي تحقیقات عملی و تحلیلی، سنجش شدهاند.برخلاف طراحی به روش تنش مجـاز، در روش مقاومـت نهـایی از چنـدین ضریب بار و مقاومت براي دستیابی به یک طراحی بهینه استفاده میشود. در این نوع طراحی درجات مختلفـی از عـدم قطعیت و تغییر پذیري براي تحلیل، بارگذاري و خصوصیات مصالح لحاظ گردیده است. در این روش براي دستیابی بـه میزان اطمینان مورد نظر در سازه از رابطهي زیر استفاده میشود:

که در رابطه فوق، R_n مقاومت اسمی، Q_i اث بار در عضو، f ضریب مقاومت مربوط به R_n، Q_i ضریب بار مربـوط به Q_i، R_n مقاومت طراحی و Y_i.Q_i∑ مقاومت مورد نیاز عضو تحت بارهاي ضریب دار می باشند.

مقاومت اسمی R_n (همانند روش ASD) مقاومت نهایی یک جز یا عضو در یـک حالـت حـدي مشـخص مـیباشـد. ضریب مقاومت f براي در نظر گرفتن موارد عدم قطعیت و تغییر پذیري در تعیین R_n در روابـط قـرار مـیگیـرد. ایـن ضریب (در اکثر موارد) عددي کمتر از واحد میباشد. اثر بار Q_i، نیروهاي (محـوري، لنگرخمشـی، برشـی و …) وارد بـر ضریب (در اکثر موارد) عددي کمتر از واحد میباشد. اثر بار کـ غالبـاً ضـرایبی ه مقطع عرضی هستند که بوسیلهي تحلیل سازه تحت بارهاي وارده بدست میآید. ضـرایب بـار Y_i بزرگتر از واحد هستند، به منظور در نظر گرفتن موارد عدم قطعیت در بارهاي وارده اعمال میشود.

با عنایت به چاپ سوم آئین نامه 2800 و مباحث نهم و دهم مقررات ملی ساختمان،در روش مقاومت نهایی، ضرایب بار و ترکیبات بار گذاري زیر جهت طراحی اعضاي سازهاي فولادي سردساخت و اتصالات پیشنهاد میشود:

1.4D

1.25D + 1.5L + 0.5 (Lr یا S) + (0.5L یا 0.6W)

1.25D + 1.5 (Lr یا S) + (0.5L یا 0.6W)

1.25D +1.2W + 0.5L + 0.5(Lr یا S)

1.25D + 1.2E + 0.5L + 0.2S

0.85D + (1.2W یا 1.2E)

بر اساس آیین نامه بارگذاري آمریکا (07ASCE)، ضریب 0/5 براي بـار زنـده در ترکیبـات فـوق در مـواردي بـه 1/0 افزایش می یابد. در ترکیبات بارگذاري فوق، E بار زلزله (محاسبه شده از آیین نامه زلزله مبتنی بر تنش مجـاز هماننـد آیین نامه زلزله ایران)، و W بار باد (محاسبه شده از آیین نامه باد مبتنی بر تنش مجاز) میباشند. باید توجه نمود که براي وجود سازگاري بیشتر، معادلات یکسانی جهت تعیین مقاومت اسمی براي هـر دو روش ASD و LRFD در آیین نامه طراحی اعضاي فولادي سرد ساخت آمریکا به کار برده شده است.