بازگشت به لیست مقالات » | پنجشنبه 24 بهمن 1398 در ساعت 15 : 14 دقیقه | نظرات کاربران ( 0 )

اثرترکیب رده های مختلف فولاددربهینه سازی ساخت سوله وپل

  1. مقدمه

امروزه افزایش روز افزون جمعیت و تقاضا برای مواد اولیه و کاهش منابع طبیعی اهمیت بهینه سازی در صنعت سازه را دوچندان می کند. یکی از راه حل های این مشکل استفاده از فولاد با مقاومت بالا در ساخت سازه های صنعتی ، ساختمانی و غیره است.

فولاد پرمقاومت و کم آلیاژ با افزودن مقادیر ناچیزی کرم، مس، منگنز و غیره به فولاد های کم کربن ساخته می شود. ریز شدن دانه ها و رسوب سختی ناشی از عناصر میکروآلیاژی در پایان فرآیند نورد گرم سبب افزایش استحکام فولادهای پرمقاومت می شود، بطوری که تنش تسلیم فولاد با گرید ST52 حدود یک و نیم برابر ST37 خواهد شد. لذا استفاده از فولاد های پرمقاومت در بخش های کلیدی اجزای سازه تحول شگرفی در کاهش وزن، اقتصادی شدن ساخت و افزایش کارایی اجزای سازه ای ایجاد می نماید. در این تحقیق تغییرات وزن و هزینه های ساخت پل و سوله با استفاده از فولاد ST37 ، ST52 و ترکیب آن ها مورد بررسی قرار می گیرد.

  1. معرفی مصالح مصرفی

فولاد یکی از مصالح ساختمانی با کاربرد فراوان در انواع سازه ها است. در این تحقیق تیرورق های پل و سوله با استفاده از فولاد نرمه ، فولاد پرمقامت و ترکیبی از این دو رده فولاد ساخته شده اند. تفاوت اصلی این دو رده از فولاد در استحکام کششی آن ها می باشد. استحکام کششی مهم ترین پارامتر فولاد است که مقدار آن برای طراحی سازه حائز اهمیت است .

.1,2 فولاد نرمه :

فولاد های کربن دار ساختمانی در رده کربن ملایم قرار دارند و به آن ها فولاد نرمه می گویند. حداکثر کربن فولاد نرمه ST37 بسته به ضخامت ، مابین 0/25 الی 0/29 درصد می باشد. فولادهای ST37 در رده فولاد نرمه (کربن دار) با تنش تسلیم بین 2200 تا 2600 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و تنش نهایی بین 3400 تا 3800 کیلوگرم بر سانتی مترمربع قرار دارند.

. 2,2 فولادهای پرمقاومت کم آلیاژ :

این فولادها با افزایش مقادیر ناچیزی آلیاژ نظیر کرم، کلمبیم، مس، منگنز، مولیبدن، نیکل، فسفر، وانادیم و زیرکنیم، نسبت به فولادهای کربن دار ، به دست می آیند. افزایش آلیاژهای فوق باعث ریزتر شدن ساختمان بلوری آهن و در نتیجه افزایش مقاومت آن می شود. فولادهای ST52 در رده فولادهای پرمقاومت کم آلیاژ قرار گرفته، تنش تسلیم آن ها بین 3200 تا 3800 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و مقاومت گسیختگی 4600 تا 5400 کیلوگرم بر سانتی مترمربع را داراست.

  1. روند انجام پژوهش

در این تحقیق یک پل چهار دهانه و دو سوله تک دهانه و دو دهانه در نرم افزار SAP2000- v15.1 مدل سازی شده اند، اعضای اصلی سازه ها از تیرورق ساخته شده اند. مهم ترین فاکتور طراحی، اساس مقطع خمشی اعضا است و رابطه ی اساس مقطع خمش یک تیرورق مطابق با رابطه ی 1 است، در این رابطه عوامل تعیین کننده مساحت بال ها و فاصله ی آن ها از مرکز سطح مقطع تیرورق هستند که با افزایش فاصله بال ها از مرکز سطح سبب بزرگ تر شدن مقدار اساس مقطع خمش می شوند، لذا با افزایش مقاومت بال ها نسبت به جان تیرورق می توان وزن عضو را کاهش داده و به اساس مقطع خمش مورد نظر دست یافت.

که در آن A و d به ترتیب مساحت مقطع بال و فاصله از مرکز سطح مقطع بال تا مرکز سطح تیرورق است. مشخصات سازه های مدل سازی شده به شرح جدول 1 می باشد.

نمای کلی سازه های مدل سازی شده در شکل های 1 تا 3 نشان داده شده است.

  1. 4.             فرضیات تحلیل و طراحی سازه  :

جهت بارگذاری ثقلی و بار جانبی باد از مبحث ششم مقررات ملی ساختمان استفاده شده است.[1] به منظور بررسی، بر اساس مباحث ششم و دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1388 که مربوط به ضوابط بارهای وارد بر ساختمان بوده و طرح و اجرای ساختمان های فولادی ویرایش 1387 جهت آنالیز و طراحی سوله ها[2] و نیز آیین نامه بارگذاری پلها – نشریه شماره 139 جهت انجام محاسبات بارگذاری[3] و آیین نامه طرح پلهای راه و راهآهن در برابر زلزله – نشریه 463 جهت طراحی عرشه پل فولادی استفاده شده است.[4]

در این تحقیق در تنظیمات آیین نامه ای نرم افزار، جهت طراحی از روش تنش مجاز ، آیین نامه [5] AISC-ASD89 استفاده گردیده است. آیین نامه های مذکور تطابق قابل قبولی با روش موجود در مبحث دهم مقررات ملی دارد.

  1. بررسی نتایج تحلیل و طراحی :

به منظور بررسی میزان تغییرات وزن سازه ها، المان های اصلی پل و سوله ها از تیرورق هایی با مشخصات یک بار از نوع فولاد ST37 و بار دیگر از نوع فولاد ST52 و نهایتا یک بار با استفاده از ترکیب فولادهای ST37 و ST52 با استفاده از فرضیات و مشخصات بند 3 طراحی شدند و وزن مصالح فولادی در هر یک از مدل ها محاسبه شدکه نتایج آن در ادامه بصورت جداول و نمودارها نشان داده شده است.

. 1,5 نتایج طراحی پل فولادی چهار دهانه

احداث شبکه راه های ارتباطی و توسعه صنعت حمل و نقل، از مهم ترین عوامل پیشرفت اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی هر کشور می باشد. معمولا در مسیر هر قطعه راه یا راه آهن، متناسب با شرایط منطقه تعدادی پل ساخته می شود که هزینه هر واحد طول آن ها ده ها برابر طول مشابه راه و یا راه آهن متصل به آن هاست. از این رو احداث پل ها از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. نظر به اینکه وسایل نقلیه عبوری از پل ها متنوع و مطالعه این سازه ها در مقابل تمامی بارهای واقعی پیچیده و حجیم می باشد، در کشورهای مختلف با پاره ای مطالعات تحلیلی و به کارگیری قواعد آمار و احتمالات، مجموعه ای از بارهای استاندارد که اثر آن ها معادل بحرانی ترین حالت های ترافیک واقعی باشد تعیین و پل های مختلف برای این بارها طراحی می شوند. دستورالعمل فنی شماره 11 اولین آیین نامه کشور بود که در سال 1336 توسط هیئتی متشکل از نمایندگان وزارت راه و سازمان برنامه و بودجه با بررسی آیین نامه های کشورهای مختلف تدوین گردید. در سال های 1353 و 1370 آیین نامه مذکور با بررسی اوضاع ترافیکی موجود راه های کشور مورد بررسی مجدد و ویرایش قرار گرفت.

پس از اعمال انواع بارهای دایمی و بارهای بهره برداری، ضرایب دینامیکی، نیروی ترمز و شتاب، نیروهای گریز از مرکز، اثر باد، دما و زمین لغزش بر اساس نشریه – 139 آیین نامه بارگذاری پل ها تحلیل و سپس با استفاده از سه تیپ مختلف با استفاده از فقط فولاد مصرفی ST37، فقط فولاد مصرفی ST52 و استفاده از ترکیب فولادهای مصرفی ST37 و ST52 بر اساس آیین نامه طراحی پل ها – نشریه شماره – 463 طراحی و پس از بهینه سازی مدل ها، برآورد اوزان فولادهای استفاده شده بر اساس جدول 2 و نمودار شکل 4 بدست آمد.

. 2,5 نتایج طراحی سوله تک دهانه :

اگرچه راهها اهمیت حیاتی فراوانی در تشکیل زیرساخت های کشور دارند، بعد از ایجاد راهها و نیروگاهها در کشور، از نیازهای اساسی میتوان به سولههای انبار و سردخانهها اشاره کرد که در مقطع کنونی ساخت آنها برای کشورمان یک نیاز حیاتی است. بدلیل وسعت جغرافیایی کشور از حجم بالای تجارت داخلی نیز برخوردار است، جهت حفاظت از این حجم کالا نیاز به سوله ها و انبارها و سردخانههای بسیاری است. از جهت دیگر نیز تنظیم این بازار بزرگ از سوی تولیدکنندگان عمده یا دولت در بازارهایی که عرضه های فصلی و تقاضای دائمی دارند برای تمامی عاملین بسیار مهم است.

سوله به دلیل کاربرد عمدتا صنعتی از نظر طراحی با سایر سازه ها متفاوت می باشد خصوصا آنکه قابها در این نوع سازه کاملا متفاوت بوده و دارای شیب می باشد و دهانه ها نیز نسبت به سایر سازه ها بزرگتر است.به دلیل بزرگتر بودن ابعاد تیرها و ستونها، جهت ساخت سوله نمی توان از پروفیل های موجود در بازار استفاده نمود و باید اقدام به خرید ورق و ساخت سوله کرد که اصطلاحا به نوع ساخت آن تیر ورق می گویند. در سال های قبل سیستم های خرپاسازی در ایران بسیار متداول بوده اما هم اکنون سوله یا سازه فلزی به علت مزایای فراوان جایگزین آن گشته است. هم اکنون سوله و سازه های فلزی اهمیت و جایگاه ویژه ای از نظر مهندسی مدرن کسب نموده است .

سازه های شیب دار یا سوله در لاتین با عنوان Vents Gable یا Ridge Vents نامیده و معرفی می شوند. از این قاب ها در پوشش دهانه های بزرگ و در ساختمان های صنعتی و کشاورزی مانند کارخانه یا انبارمرغ داری ها ، آشیانه های هواپیما ، سالن های ورزشی ، تعمیرگاه ها ، پارکینگ ها ، دامداری ها، فروشگاه ها و موارد متعدد دیگر نیز استفاده می شود.

سوله ها می توانند در یک دهانه یا چند دهانه طراحی و احداث شوند. در این بخش یک سوله تک دهانه با ارتفاع تاج 8,5 متر و دهانه 12 متر به مجموع طول 50 متر مشتمل بر 10 دهانه ی 5 متری بر اساس آیین نامه های تحلیل و طراحی ذکر شده در بند 4 بر مبنای سه تیپ مختلف استفاده از فولادهای ST37، ST52 و ترکیب این دو رده طراحی و پس از بهینه سازی مقاطع و برآورد اوزان اسکلت ، جدول 3 و نمودار شکل 5 بدست آمد.

.3,5 نتایج طراحی سوله دو دهانه :

در هر سوله معمولاً یا تنشهای بالا و معیار مقاومت در تعیین مقاطع سوله (مانند سوله های با دهانه بزرگ یا ارتفاع زیاد یا سوله های دارای جرثقیل سنگین) و یا جابجایی قاب تحت بار باد و معیار بهره برداری تعیین کننده می شودبنابراین. ممکن است مثلاً در سوله ای که در آن عامل جابجایی غالب بوده است تغییر جرثقیل از 2 تن به 15 تن یا افزایش بار برف یا ضریب زلزله یا استفاده از فولاد پرمقاومت هیچگونه تغییری در مقاطع سوله حاصل نکند و بالعکس در سوله ای که تنش ها عامل تعیین کننده بوده تغییر ارتفاع یا افزایش بار باد تاثیری در مقاطع سوله نداشته باشد. همچنین ممکن است در سوله ای تنش ناشی از بار برف(معیار مقاومت) غالب باشد و افزایش بار زلزله تاثیری بر مقاطع نداشته باشد. هرچند عوامل سلیقه ای زیادی در طراحی سوله های صنعتی وجود دارند که با انتخاب صحیح توسط طراح در بهبود و اقتصادی تر شدن طرح موثرند اما عوامل محدود کننده دیگری هم هستند که باعث میشوند طرح از سایر طرحهای مشابه متمایز گردد. یکی از مهم ترین پارامترها در طراحی اقتصادی سوله ها تعیین بهینه عرض دهانه می باشد. از آنجایی که در دهانه های عریض با افزایش دهانه و ازدیاد لنگرهای خمشی، بالاجبار مقاطع سنگین تری برای رفترها و ستون های سوله انتخاب خواهد شد، در صورت عدم وجود محدودیت های معماری، یکی از کاربردی ترین راهکارهای ممکن احداث سوله های به صورت دو یا چند دهانه خواهد بود. در این بخش یک سوله دو دهانه با ارتفاع تاج 9 متر و دهانه های 15 متر به مجموع طول 50 متر مشتمل بر 10 دهانه ی 5 متری بر اساس آیین نامه های تحلیل و طراحی ذکر شده در بند 4 بر مبنای سه تیپ مختلف استفاده از فولادهای ST37، ST52 و ترکیب این دو رده طراحی و پس از بهینه سازی مقاطع و برآورد اوزان اسکلت ، جدول 4 و نمودار شکل 6 بدست آمد.تهیه نقشه فازدو هم بایستی براساس خروجی همین طرح باشد.

  1. بحث و نتیجه گیری

بدیهی است که همیشه سبکترین وزن برای سوله بهترین حالت نیست، بلکه عامل دیگری هم در طرح خوب ملاک است و آن اینکه دورریز ورق برای ساخت سوله به حداقل ممکن کاهش یابد. در واقع ممکن است یک سوله خیلی سبک طرح شود ولی ابعاد آن به گونه ای باشد که با توجه به عرض ورقهای موجود در بارز دورریز زیادی داشته باشد و عملاً ساخت سوله را پر هزینه نماید. پس باید عامل کاهش پرت به عنوان یک هدف در کنار کاهش وزن سوله در ذهن طراح مورد بررسی قرار گیرد . لذا طراح خوب طراحی است که همزمان طرح بهینه و کارا ، اقتصادی و سبک ، ایمن ، زیبا، بدون دورریز ورق و با کمترین ایجاد محدودیت برای استفاده کنندگان را ارائه نماید. با این حال با فرض کنترل مقدار پرت یکسان در حالت های مختلف و با در نظر گرفتن عامل مقدار فولاد مصرفی در تیپ های متفاوت مورد بحث، نتایج حاصل از درصد نسبی مقایسه ای فولاد مصرفی در سازه های مختلف به شرح نمودار شکل 7 ارائه می گردد. از آنجا که هدف مقایسه وزن های حاصله از طراحی مدل های مختلف تحقیق می باشد، در استخراج نمودار 7 به این منوال عمل شده است که برای سنگین ترین تیپ، وزن محاسبه شده با عدد 100 تعریف شده و با عنوان تیپ مرجع نامگذاری شده است. سپس اوزان متناظر با سایر تیپ ها به صورت درصدی از عدد 100 به عنوان تیپ مرجع تعریف شده است. برای مثال در شکل 4، برای پل عرشه فولادی چهار دهانه با استناد به نتایج جدول 2، بیشترین وزن فولاد مصرفی مربوط به سازه تیپ 1 است که 318/28 تن برآورد شده است. لذا اگر وزن فولاد مصرفی در تیپ – 1 رده فولاد مصرفی - ST37 را به عنوان تیپ مرجع و با عدد 100 در نظر بگیریم، وزن فولاد مصرفی تیپ های 2 و 3 به استناد همین جدول 273/65 تن و 245/73 تن برآورد شده اند که به ترتیب 85/97 و 77/21 درصد متناظر با سازه تیپ 1 می باشند. این کار برای تمامی مدل های تحلیلی صورت پذیرفته و در نمودار شکل 7 نمایش داده شده است.

از برآیند شکل های 4، 5و 6، با توجه به نمودار شکل 7 در صورت استفاده از ترکیب فولادهای ST37 و ST52 ، وزن فولاد مصرفی در پل های عرشه فولادی، سوله های تک دهانه و دو دهانه در مقایسه با فقط فولادهای نرمه به ترتیب 22/79، 22/53 و 18/11 درصد و در مقایسه با فقط فولادهای پراستحکام به ترتیب 10/12، 10/03 و 9/12 درصد صرفه جویی داشته است. با استناد به این مقادیر که جدول 5 آورده شده است، از دیدگاه کیفی می توان ادعا نمود که ترکیب رده های فولاد مصرفی ST37 و ST52 در مقایسه با استفاده از یک رده ثابت، باعث شده است تا وزن فولاد مصرفی کاهش یابد لیکن تاثیر این صرفه جویی بر استفاده از ST37 نسبت به ST52 محسوس تر است. به عبارت ساده تر ترکیب دو رده فولاد ST37 و ST52 بجای استفاده از ST37، موجب کاهش 22/79 درصدی در فولاد مصرفی در ساخت پل عرشه فولادی ، 22/53 درصدی در احداث سوله تک دهانه و 18/11 درصدی در سوله های دو دهانه می شود. این در حالی است که این میزان در صورت استفاده از ترکیب رده های فولاد بجای ST52 در پل عرشه فولادی به 10/12 ، در سوله ی تک دهانه 10/03 و در سوله دودهانه به 9/12 درصد کاهش می یابد. البته صرفه جویی کمتر ST52 نسبت به ST37 از این جهت قابل توجیه است که در ساخت اعضای خمشی I شکل پل ها و ساختمان های صنعتی از آنجایی که بر اساس رابطه 1، افزایش d موجب افزایش اساس مقطع خمشی مقطع شده و سهم این اثر در بال ها نسبت به جان بسیار بیشتر است، اثر جایگزینی استفاده از فولادهای پر استحکام در جهت کاستن نیاز خمشی بال ها کمرنگ تر خواهد شد. از سوی دیگر به نظر می رسد که با افزایش تعداد دهانه های سوله از تاثیر کاهشی ترکیب رده های فولاد بر مقدار وزن کل فولاد مصرفی کاسته می شود. اگر چه این موضوع مستقیما تابع وجود المان های مشترک بین دهانه های سوله ها می باشد، با این حال نتایج مندرج در جدول 5 نشان می دهد که در تمامی مدل های تحلیلی مورد بحث در این پژوهش، استفاده از ترکیب رده های فولاد منجر به کاهش قابل ملاحظه وزن کل فولاد مصرفی سازه می گردد. همچنین هرچند نتایج مذکور تابع نوع سیستم مقاوم لرزه ای جانبی نیز می باشد، لیکن استدلال مذکور در حوزه مدل های تحلیلی پژوهش حاضر قابل استناد می باشد.

  1. 7.  پیشنهادات

با توجه به ارزیابی صورت گرفته، استفاده از ترکیب فولادهای نرمه و استحکام بالای کم آلیاژ در طراحی و اجرای پل های عرشه فولادی و سوله های صنعتی در جهت کاهش وزن کل فولاد مصرفی به طراحان توصیه می گردد.

 جهت دریافت فایل ورد کامل به همراه تصاویر و جداول و نیز طراحی سازه و نقشه فاز دوبر اساس رده های مختلف فولاد با هلدینگ بنیادین سازه پویان تماس بگیرید.

عنوان نظر :
نام شما :
ایمیل :
10 / 10
از 1 کاربر