در این نوشته از بخش وبلاگ مهندس یار قصد داریم به موضوع مهم تیر I شکل و نقش آن در ساختمان سازی بپردازیم. ممکن است فکر کنید این نوشته فقط مناسب رشته مهندسی عمران است، اما باید بدانید که تیر ها در سایر رشته های مهندسی مانند مهندسی مکانیک نیز موضوع مهمی به شمار رفته و مورد مطالعه قرار می گیرند.
نقش تیر ها و ستون ها در ساختمان سازی
در دنیای سازه ها دو گروه اساسی از اعضا وجود دارد : اعضای خمشی و اعضای محوری. اعضایی که تحت اثر نیروی خمش قرار می گیرند به عنوان تیر شناخته می شوند و اعضایی که تحت اثر نیروی محوری قرار می گیرند بسته به اینکه تحت فشار باشند یا کشش به چند دسته تقسیم می شوند (کابل ها، ستون ها، میله ها و غیره). در مهندسی سازه ها، متداول ترین عضوی که تحت اثر نیروی محوری قرار می گیرد عضو فشاری است که ستون نامیده میشود. میله های کششی و کابل ها در پل ها رایج هستند اما به ندرت در جاهای دیگر استفاده می شوند. بنابراین، بسیاری از اعضا در طراحی سازه ها یا به عنوان تیر عمل می کنند یا ستون و یا عملکرد ترکیبی تیر-ستون دارند.
موضوع مرتبط: آموزش Etabs و Safe بتنی و فولادی
تیر I شکل
بازگردیم به تیرها : شکل I ایده آل ترین شکل برای تیرها است که در برابر نیروی خمشی مقاومت می کنند.
در تصویر بالا نمونه ای از چند تیر I شکل ساخته شده از چوب نشان داده شده است.
این شکل، شکل بسیار کارآمدی برای مقاومت در برابر خمش می باشد. به بیانی دیگر این شکل در ازای مقدار کمی از مواد اولیه و هزینه، مقاومت بسیار زیادی دارد. همانطور که دیگران نیز اشاره کرده اند، هنگامی که یک تیر تحت اثر خمش قرار می گیرد، قسمت بالایی تیر تحت فشار و پایین تیر تحت کشش قرار می گیرد.
این موضوع از قانون نیوتن پیروی می کند: برای این که تیر در حالت تعادل باقی بماند میبایست جمع نیروها صفر شود، و به همین ترتیب یک لنگر داخلی در تیر ایجاد میشود که نیمه بالایی تیر را تحت فشار قرار می دهد و قسمت پایین تیر نیز تحت کشش قرار خواهد گرفت. در مقطعی در وسط تیر نقاط انتقالی وجود دارد که در این نقاط هیچ نیرویی وجود ندارد. معمولاً این نقاط تحت عنوان محور خنثی شناخته می شوند.
مقاومت تیر I شکل
در مجاورت محور خنثی نیروها ضعیف هستند اما هرچه به سمت قسمت بیرونی تیر حرکت کنیم نیروها بزرگ و بزرگتر می شوند. با این توضیح، منطقی به نظر می رسد که تمامی مصالح را در بالا و پایین تیر قرار گیرد، جایی که این مصالح بیشترین کار مفید را انجام می دهند و دو بال تیر، صرفاً با یک جان نازک به هم متصل شوند، چرا که مصالح در مرکز تیر کار زیادی انجام نخواهند داد. به علاوه، انتقال بالهای تیر به مکانی دور و دورتر از مرکز هندسی تیر، بازوی ممان اینرسی تیر را افزایش می دهد و در نتیجه مقاومت تیر در برابر خمش به صورت چشمگیری افزایش خواهد یافت. بنابراین شکل I، بهینه ترین هندسه برای مقاومت در برابر تنش های خمشی را دارا است.
خصوصیات فیزیکی تیر I شکل
اگر کمی دقیق تر به موضوع بپردازیم، سختی یک عضو توسط دو خصوصیت متفاوت تعریف می شود. خاصیت اول، مقاومت ذاتی خود مصالح یا همان مدول الاستیسیته (E) میباشد. خاصیت دوم به هندسه مقطع عرضی عضو مربوط میباشد و ممان اینرسی (I) نامیده میشود.
با ترکیب این دو با یکدیگر، EI یا همان سختی عضو که مقاومت در برابر خمش و شکم دادن عضو میباشد، تعریف میشود. کاری که تیر I شکل به خوبی انجام میدهد حداکثر کردن ممان اینرسی یا همان I است، بنابراین دو عضو با مصالح یکسان که مدول الاستیسیته (E) یکسان دارند، اما ممان اینرسی (I) متفاوتی دارند، سختیهای متفاوتی خواهند داشت.
در تصویر بالا شکل های گوناگونی از اعضا که همگی به ظاهر از مصالح پایه یکسان یعنی چوب هستند وجود دارد و در نتیجه همگی آنها E یکسان دارند. اما در مورد ممان اینرسی وضعیت چگونه است؟ ممان اینرسی با توان چهارم فاصله از مرکز هندسی متناسب است، بنابراین ممان اینرسی تیر I شکل عمیقتر چندین برابر بیشتر از تیر I شکل کوتاه خواهد بود. از این رو به نظر می رسد برای خمش یکطرفه حول محور اصلی، تیر عمیق لاغر مناسبترین گزینه برای تحمل بارهای وارده است. به هرحال بعضی مواقع یک تیر، بارگذاری دو محوره را تجربه خواهد کرد، هم حول محور قوی و هم حول محور ضعیف. این حالت از بارگذاری، لنگر دو محوره نامیده می شود.
مقاومت تیر ها بر اساس شکل آن ها
تیر I شکل برای خمش حول محور اصلی فوق العاده است، اما برای خمش حول محور ضعیف چندان مناسب نیست. این موضوع به این دلیل است که ممان اینرسی حول محور ضعیف برای تیر I شکل بسیار کمتر از ممان اینرسی حول محور قوی است.
از میان تیرهای بالا، تیر کوچک چاق سمت چپ تصویر، نسبت عملکرد محور قوی به محور ضعیف بهتری خواهد داشت، چون که عرض این تیر، ممان اینرسی بزرگتری را حول محور ضعیف ایجاد میکند. در طراحی سازه های فولادی، تیر I شکل بلند لاغر تیر S نامیده می شود، تیرهای متداول که آن را همه جا میبینیم W یا WF نامیده می شود که به معنی بال پهن میباشد، و بعضی از تیرها که به شکل H می باشند تیر H نامیده میشوند. تیرهای S شکل بسیار کارامد هستند اما ناپایدار، تیرهای H شکل ناکارامد اما پایدار هستند و تیرهای بال پهن توازنی بین کارامدی و پایداری هستند. این آرایش از تیرهای I شکل به طراحان سازه این امکان را می دهد تا برای رسیدن به یک طرح کارامد، شکل تیر را مطابق بارگذاری اعمال شده انتخاب کنند.
خمش یک طرفه
کارامدی موضوع بسیار با اهمیتی است. چیزی که در یک کاربرد خاص کارامد است، لزوماً در جای دیگری کارامد نیست. موضوعات دیگری مانند پیچش و انواع مکانیزم های خرابی کمانش
می تواند انتخاب هر یک از انواع تیرهای I شکل را به مسال های پیچیده تبدیل کند. صرف نظر از این مسائل، این اشکال دستهای از اشکال مفید هستند که همیشه محبوب خواهند بود. اگر در حالی که یک تیر تحت اثر خمش باشد، یک بار فشاری بر روی آن اعمال شود، به صورت یک تیر-ستون رفتار خواهد کرد، برای تحمل این نوع بار نیز تیر I شکل به خوبی عمل میکند به ویژه شکل های عریض تر پایدارتر.
یک شکل حتی کارامدتر برای خمش یکطرفه، شکلی است که تیرچه فولادی با جان باز یا تیرچه نامیده میشود. این شکل در واقع تقریبی از یک خرپا است که در آن به جای یک جان با ورق توپر، از کمترین مقدار فولاد مورد نیاز برای نگه داشتن بالها با یکدیگر و داخل صفحه استفاده شده است. این شکل از تیر در برابر خمش دو طرفه نسبت به تیر I شکل، عملکرد مناسبی ندارند اما برای هدف مورد نظر خودشان یعنی همان کارامدی برای دهانههای با طول زیاد عالی هستند.
در این تصویر مثالی از تیرچه فولادی با جان باز (OWSJ) که بین شاه تیرهای بال پهن (WF) قرار دارند نشان داده شده است.
اطلاعات بیشتر در مورد تیر ها و ستون ها
اگر می خواهید اطلاعات بیشتری در مورد تیر I شکل و همچنین ستون ها داشته باشید، باید به درس مقاومت مصالح مراجعه کنید. این درس یکی از دروس پایه و اصلی برای مهندسی عمران و همچنین مهندسی مکانیک به شمار می رود و در اکثر دانشگاه ها به صورت دو درس مقاومت مصالح 1 و مقاومت مصالح 2 تدریس می شود. بحث مقاومت تیر ها در برابر خمش و برش و نمودار های مربوط به آن ها در این درس آموزش داده می شود.
همچنین مبحث بسیار مهمی به نام کمانش ستون ها در این درس وجود دارد که جزء مهم ترین مباحثی است که هر مهندس عمران و یا مکانیک باید به خوبی به آن مسلط باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه توصیه می کنیم حتماً از صفحه آموزش مقاومت مصالح دیدن فرمایید.
هیچ دیدگاهی نوشته نشده است.