مقاله تحلیلی: تأثیر صلب بودن اتصالات بر طراحی استاتیکی

از آنجا که قبلاً راجع به این که مفصل واقعاً چیست و چگونه می‌توان صلبیت اتصال را محاسبه کرد بحث شده است، اکنون قصد داریم در مورد چگونگی قرارگیری آن‌ها در طراحی استاتیکی و همچنین تأثیر صلبیت اتصالات بر نتایج حاصل از طراحی استاتیکی بحث کنیم.

معرفی

محاسبه صلبیت اتصال یک موضوع جداگانه است، اما امروز قصد دارم به بررسی چگونگی تأثیر صلبیت اتصالات بر نتایج حاصل از محاسبات استاتیکی بپردازم. امیدوارم که این مطلب بتواند اهمیت تأثیر این موضوع را نشان دهد.

اگر ما در مورد صلبیت دورانی اتصال صحبت کنیم، انتظار خواهیم داشت که نتایج حاصل از طراحی استاتیکی مابین نتایج حاصل از طراحی اتصال مفصلی و نتایج حاصل از زمانی که هیچ اتصالی نداریم، باشد.

اگر ما در مورد صلبیت انتقالی اتصال صحبت کنیم، انتظار خواهیم داشت که نتایج حاصل از طراحی استاتیکی مابین نتایج حاصل از طراحی اتصال صلب و نتایج حاصل از یک اتصال صلب باشد.

اگر یک ثانیه در مورد آن فکر کنیم می‌توانیم به نقطه‌ای برسیم که متوجه شویم صلبیت اتصال تنها موضوعی برای توزیع نیرو و لنگر در مدل نیست (همان چیزی که من امروز می‌خواهم در موردش بحث کنم)، بلکه بر تعادل المان یا سازه نیز اثر خواهد داشت.

تأثیر صلبیت اتصال بر توزیع لنگر در مدل

ساده‌ترین مثال یک تیر تکیه گاهی ساده است. در این مثال ما از یک مقطع HEB 300 بین 2 دیوار بتنی استفاده می‌کنیم. از آنجا که ما در طراحی فرض کردیم که اتصالات ما صلب خواهد بود (و تیر را این‌گونه طراحی کردیم) می‌خواهیم یک اتصال با ورق که صلبیت کافی دارد، بسازیم. اجازه دهید گزینه‌های ممکن را بررسی کنیم:

راه حل A: ورق معمول – باید این موضوع بررسی شود که آیا پیچ‌ها باید در داخل و یا در خارج از سطح مقطع باشند. تغییر شکل‌ها برای نیروی متمرکز 10KN در پایان نشان داده شده است. طول طره: 1 متر.

راه حل B: ورق امتداد یافته – این مورد به احتمال زیاد در اینجا بهتر عمل می‌کند، ما از هر دو مورد برای مقایسه استفاده می‌کنیم. البته بار و طول طره در هر دو مورد یکسان است.

در راه حل‌های بالا نیروی کششی در تکیه گاه توسط دایره‌های صلب که نشانگر پیچ‌ها هستند تحمل می‌شود، در حالی که توزیع فشار در تمام سطح ورق مجاز است. در هر دو مورد، ورق‌هایی با ضخامت مختلف (10، 15 و 20mm) استفاده شد. نتایج فوق مربوط به ضخامت 20 میلی متر است.

مدل‌های ارائه شده بسیار ساده هستند (تنها یک ورق، سطح مقطعی با المان‌های صلب و طره صلب). همیشه وسوسه اضافه کردن المان‌های مختلف برای اینکه مدل‌ها بهتر به نظر بیایند وجود دارد. در اینجا به عنوان مثال ما می‌توانیم چند سانتی متر از طول طره را به سادگی برای بهتر به نظر رسیدن نتایج اضافه کنیم؛ اما از آنجا که این موضوع به صورت قابل توجهی وقتی تغییر شکل‌ها کوچک هستند بر نتایج تأثیر می‌گذارد، من خلاف آن را توصیه می‌کنم (0.054 میلی متر به عنوان تغییر شکل حداکثر!).

همان‌طور که در بالا می‌بینید طول مشخصی از تیر با المان‌های سطحی (دقیقاً 100 میلی متر) مدل شد. توجه داشته باشید که حداکثر تغییر شکل تا حد زیادی افزایش یافته است -که این موضوع به دلیل تغییر شکل سطح مقطع اضافه شده (که جایگزین المان صلب شد) می‌باشد. از آنجا که در مدل نهایی ما سطح مقطع وجود خواهد داشت، ما نباید این تغییر شکل را همان‌طور که قبلاً گفتیم به حساب آوریم.

صلبیت اتصالات به همان صورتی که در پست قبل مطرح کردم محاسبه می‌شود –اما این بار لغزش وجود نخواهد داشت. نتایج برای شکل های مختلف و ضخامت های متفاوت ورق در زیر آورده شده است:

همان‌طور که در بالا نوشتم ما انتظار داریم نتایج حاصل از اتصالات مفصلی و اتصالات صلب باشد، بنابراین اجازه دهید آن را امتحان کنیم. در راه حل A، کل صلبیت به مدل اضافه شد: 5 تیر مختلف 300 HEB به طول 10 متر با تکیه گاه¬هایی با سختی مختلف مدل سازی شد. از اتصال مفصلی (در پایین سمت چپ) حرکت آغاز شد و به سمت بالا تا یک اتصال کاملاً صلب (در سمت راست بالا) ادامه پیدا کرد.

همان‌طور که دیده می‌شود، مدل همراه با صفحه‌ای به ضخامت 10 میلی متر، در وسط دهانه لنگر خمشی به اندازه 150 درصد بیشتر از مدلی که صلبیت کامل داشت، دیده شد. این لنگر در حالتی که صفحه ضخامتی برابر با 20 میلی متر داشت نیز حدود 13 درصد تفاوت 13 داشت. گاهی اوقات چنین تفاوتی زیاد و گاهی اوقات ناچیز است.

البته مقایسه مشابهی را می‌توان برای راه حل B انجام داد:

در اینجا تفاوت‌ها کوچک‌تر هستند اما هنوز هم در موارد خاص بسیار بالاست (تا 142٪ برای صفحه T = 10 میلی متر).

البته می‌توانیم به سادگی راه حل B را با ورق‌های اضافی در جان گسترش یافته تیر و... سخت‌تر کرد. همه این‌ها درست است؛ اما من نمی‌خواهم بهینه سازی یک اتصال ساده را انجام دهم، بلکه می‌خواهم بزرگی تأثیر اتصال صلب بر روی نتایج حاصل از طراحی استاتیکی را به شما نشان دهم. من به طور کامل درک می‌کنم که چنین تأثیری همیشه مهم نیست و این که در چند مورد مختلف نمی‌تواند اثرات مطلوب تولید کند.

با این حال، اجازه دهید نگاهی به یک مثال دیگر داشته باشیم. همان تیر اما از دیدگاه‌های مختلف. اجازه دهید فرض کنیم که ما می‌خواهیم یک اتصال مفصلی به دیوار بتنی داشته باشیم. البته که من راه حل ورق انتهایی را مانند آنچه در زیر آمده انتخاب می‌کنم اما اجازه دهید برای اطلاعات بیشتر راه حل c را معرفی کنم:

با چنین هندسه‌ای، صلبیت واقعی اتصال بدین صورت است:

البته صلبیت به طور قابل توجهی کوچک‌تر از موارد راه حل‌های A و B است، اما اجازه دهید ببینیم که چگونه این موضوع در نتایج طراحی استاتیکی در یک روش مشابه قبل اثر می‌گذارد:

شما به راحتی می‌توانید ببینید که صرف نظر از ضخامت ورق، لنگر خمشی در وسط دهانه به شدت کاهش می‌یابد (حتی تا 50٪). البته این موضوع به تنهایی یک مشکل نیست، اما:

در طراحی استاتیکی همیشه به این صورت است: اگر شرایط برای برخی از المان‌ها بهبود یافت، قطعاً برخی از المان‌های دیگر شرایطی بدتر از قبل خواهند داشت! هیچ چیز در طراحی استاتیکی راحت به دست نمی‌آید!

در این مثال «شرایط بهتر» در المان به وضوح برای تیر هم صدق می‌کند (لنگر کمتر در طول دهانه)، اما شرایط برای اتصالات بدتر شده است! یک لنگر خمشی در تکیه گاه وجود دارد که با فرض ما مبنی بر اتصال مفصلی، همخوانی ندارد و تجربه نشان می‌دهد که اگر لنگر غیرمنتظره در اتصال پدیدار شود ما دچار مشکل می‌شویم!

خلاصه

همان‌طور که در اینجا نشان دادم صلبیت اتصالات تنها یک مشکل در زمانی که شما سعی می‌کنید لنگر خمشی را انتقال دهید نیست...حتی زمانی که شما سعی می‌کنید آن را انتقال ندهید نیز این یک مشکل وجود دارد. این واقعیت تا حد زیادی به نظر من نادیده گرفته شده است. ما باید آگاه باشیم که در طراحی استاتیکی «هیچ چیز راحت به دست نمی‌آید» - اگر چیزی جایی کاهش می‌یابد، حتماً عواقبی دارد و چیز دیگری باید در جایی دیگر افزایش یابد.

هیچ راهی وجود ندارد که ما مطمئن شویم یک اتصال فولادی آیا کاملاً صلب و یا کاملاً مفصلی است و ما اغلب از روی عادت یکی از آن‌ها را در نظر می‌گیریم. در بسیاری از موارد این به طور کامل قابل درک و قابل قبول است، اما در برخی موارد دیگر ممکن است به مشکلات جدی منجر شود.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.