نحوه و شکل گسیختگی یک سازه فولادی به چه صورت است؟

سازه های فلزی توسط اعضای فولادی جداگانه ساخته می شوند که با هم جوش داده شده و یا با پیچ به یکدیگر وصل می شوند تا سازه نهایی را شکل بدهد. اعضا و اتصالات لاغر از محل های بحرانی و مهم در سازه فولادی هستند که باید برای تنش های بحرانی با نهایت دقت طراحی شوند. هر گونه تغییر یا خطا می تواند منجر به خرابی سازه ای سازه فولادی شود ، که این نوع خرابی با نوع عملکرد بار بر روی سازه و نوع سازه متفاوت خواهد بود. در ادامه این مقاله با انواع خرابی (مودهای خرابی) و گسیختگی یک سازه فولادی  آشنا شوید.

انواع خرابی یا مودهای خرابی در سازه های فلزی

انواع خرابی در سازه های فلزی

عمده ترین نوع خرابی مشاهده شده در یک سازه فولادی یا شکل های گسیختگی یک سازه فولادی عبارتند از:

  1. خرابی فشاری یا  Compression Failure
  2. خرابی کششی یا  Tension Failure
  3. خرابی خمشی یا Flexure Failure
  4. خرابی برشی یا  Shear Failure

1- خرابی فشاری در سازه های فلزی

اگر بخواهیم یک سازه فولادی کامل را در نظر بگیریم، اعضایی که در معرض تنش های فشاری قرار گرفته اند ، ستون ها و مهاربند ها از اعضایی به شمار می روند که تنش های فشاری قابل توجهی را تحمل می کنند. هنگامی که بار فشاری که در محور عضو اعمال می شود زیاد باشد (بالاتر از بار موردنظری که برای آن طراحی شده است) ، منجر به خرابی تحت فشار یا کمانش عضو می شود.

طراحی سازه ای ستون بر اساس تعیین پارامتری به نام نسبت لاغری (Slenderness Ratio) انجام می گیرد و روابط طراحی بر اساس اینکه آیا المان لاغر است یا خیر و یا در حد وسط قرار دارد تغییر پیدا می کند. نسبت لاغری به عنوان نسبت سطح مقطع عضو سازه ای به طول عضو تعریف می شود. این پارامتر روی کمانش در سازه ها تأثیر دارد، هر چه ضریب لاغری بیشتر باشد احتمال شکست به صورت کمانش در عضو بیشتر می باشد.خرابی تحت کمانش اعضا ممکن است قبل از رسیدن عضو به ظرفیت فشاری آن رخ بدهد. معمولا در سازه های فولادی کمانش زودهنگام در اعضا (کمانش قبل از رسیدن عضو به ظرفیت فشاری آن) یک مود گسیختگی نامطلوب بوده و باید از آن جلوگیری نمود.

کدام ستون ها بیشتر مستعد خرابی تحت فشار یا کمانش هستند؟

ستون ها در برابر نیروهای فشاری به سه دسته کوتاه، متوسط و بلند تقسیم بندی می شوند. در ستون های کوتاه، تنش های مصالح فولادی موجود در عضو به حد نهایی گسیختگی خود می رسند و بار بحرانی کمانش بیشتر از مقدار ظرفیت فشاری مصالح می باشد. به همین در این نوع از ستون ها (ستون های کوتاه) بیشترین ظرفیت در برابر بارهای فشاری را شاهد هستیم. در نقظه مقابل ستون های کوتاه، ستون های بلند می باشد که قبل از اینکه مصالح تسلیم شوند و به مرحله غیرخطی خود برسند، ستون دچار کمانش شده و گسیخته می شود. این نوع از کمانش که به آن کمانش الاستیک می گویند، در اعضایی رخ می دهد که مصالح در حد الاستیک خود باقی مانده و بار بحرانی کمانش قبل از رسیدن به تسلیم ایجاد شده باشد. نوع دیگری از ستون ها تحت بار محوری فشاری وجود دارند که متوسط هستند، در این ستون ها بار بحرانی کمانش به حدی است که بخشی از مقطع را دچار تسلیم می کند و رفتار بینابینی ستون کوتاه و بلند خواهد داشت. در این نوع ستون ها کمانش از نوع الاستوپلاستیک تعریف شده است.

گسیختگی فشاری یک عضو فولادی
بارگذاری یک ستون کوتاه فلزی و شکست عضو به صورت فشاری

2- خرابی کششی در سازه های فلزی

شکست عضو یا سازه فلزی تحت تنش کششی در عضوی که تحت نیروهای کششی است، مانند مهاربندها و المان های خرپایی مشاهده می شود. بار کششی که بر روی عضو اعمال می شود ،در صورتی که از مقاومت کششی عضو بیشتر باشد، باعث ناپایداری و گسیختگی عضو تحت بارهای کششی خواهد شد.

شکست المان یا عضو تحت کشش در عناصر سازه فولادی در مراحل مختلف رخ می دهد. این پدیده با کاهش مقطعی مساحت المان که در اصطلاح به آن Necking گفته می شود خود را نشان می دهد و در نهایت گسیختگی مصالح فولادی تمام می شود. در شکل زیر یک نمونه فولادی تحت کشش را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود، با افزایش بار از صفر ابتدا نمونه در محدوده الاستیک خود قرار دارد. در این محدوده رفتار عضو خطی فرض شده و با باربرداری از روی عضو، کرنش های باقی مانده در المان صفر یا قابل چشم پوشی است. با اضافه شدن به نیروهای کششی مصالح فولادی به حد تسلیم رسیده و بعد از آن دیگر رفتار عضو و سازه یک رفتار خطی نخواهد داشت و تغییرشکل های پسماند در آن ایجاد خواهد شد. پدیده Necking هم در بیشترین مقدار نیروی کششی قابل تحمل در عضو تشکیل شده تا اینکه پس از آن از به دلیل کاهش سطح مقطع از مقاومت کششی کاسته می شود. و در نهایت المان تحت کشش در باری کمتر از بار متناظر با پدیده Necking گسیخته خواهد شد.

مراحل مختلف شکست یک عضو فولادی تحت کشش
مراحل مختلف شکست یک عضو فولادی تحت کشش

3- خرابی خمشی در سازه های فولادی

خرابی های خمشی در اعضای خمشی مانند تیرها و تیرستون ها اتفاق می افتد. اعضای خمشی ، هنگامی که در معرض لنگرهای خمشی زیاد قرار دارند ، خم می شوند که این عمل باعث خواهد شد تا بخشی از مقطع تحت فشار و بخش دیگر تحت کشش قرار بگیرد. معمولا مصالح فولادی مقاومت بالایی تحت کشش دارند ولی در مقابل فشار، به دلیل اینکه اکثر المان های فولادی به صورت ورق با ضخامت کم ساخته می شود، مقاومت نسبتا کمتری نسبت به نیروهای کششی داشته و همین باعث می شود تا قسمتی از مقطع دچار کمانش می شوند.  اعضای خمشی ضخیم نسبت به خرابی تحت خمش کمتر مستعد هستند.

خرابی خمشی (کمانش) یک تیر فولادی
خرابی خمشی (کمانش) یک تیر فولادی

اعضایی که در معرض بارهای خمشی قرار دارند، نیروهای فشاری و کششی به صورت همزمان در مقطع آنها ایجاد می شود. همیشه انتظار نمی رود که بارگذاری در مرکز عضو خمشی انجام شود. بنابراین ، یک خروج از مرکزیت در بارگذاری احتمال دارد که بال فشرده شده تیر فولادی را خراب کند. خروج از مرکزیت ایجاد شده در بارگذاری یک لنگر پیچشی را نیز ممکن است ایجاد کند ، و تیر تحت این لنگر در طول خود دچار پیچش و در نهایت منجر به کمانش در تیر می شود. به این حالت کمانش پیچشی جانبی گفته می شود.

برای جلوگیری از کمانش جانبی در المان های فلزی به دلیل بارهای خمشی وارده بر آنها ، تکیه گاه های جانبی در عضو در نظر گرفته می شود. استحکام خمشی بسیار وابسته به استحکام ماده است. اگر بار خمشی از مقاومت ماده بیشتر باشد ، عضو دچار شکست می شود.

4- خرابی برشی در سازه های فولادی

سازه های فولادی ترکیبی از اتصالات است ، به عنوان مثال ، اتصالات تیر به ستون ، اتصال تیرفرعی به اصلی و غیره. خرابی برشی به طور کلی در این مناطق اتصال رخ می دهد. هر اتصال در یک سازه فولادی دارای مقداری تنش برشی است. اگر در زمان طراحی اتصال مقدار برش حداکثر به وجود آمده در اتصال به درستی در نظر گرفته نشود ، خرابی رخ می دهد. سازه های فلزی یا با اتصال پیچ و مهره یا اتصال جوش داده شده یا ترکیبی از هر دو ساخته می شوند.

خرابی برشی در یک اتصال فولادی
خرابی برشی در یک اتصال فولادی

نظرات خود را در مورد این مقاله در قسمت کامنت ها با ما در میان بگذارید.

اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در google
اشتراک گذاری در skype
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در whatsapp

امیر جباری

دانشجوی دکتری مهندسی سازه دانشگاه ارومیه فارغ التحصیل کارشناسی ارشد مهندسی عمران سازه دانشگاه تربیت مدرس تهران محاسب سازه های صنعتی و خاص - علاقه مند به وبلاگ نویسی و شبکه های اجتماعی

View all posts by امیر جباری →

دیدگاهتان را بنویسید