آموزش طراحی دستی و نرم افزاری تیر فولادی به صورت گام به گام

قطعاً همه ما حداقل یک بار واژه سازه را شنیده‌ایم. می‌دانیم که سازه، سیستمی است که وظیفه دارد بارهای جانبی و ثقلی را تحمل کرده و در نهایت به زمین منتقل کند. سازه‌های فولادی (به طور عمده) متشکل از تیرها، ستون‌ها و بعضا انواع مهاربندها هستند؛ و سقف‌ها و کف‌ها روی آن‌ها متّکی هستند. به مجموعة تیرها و ستون‌ها قاب می‌گویند. قاب‌ها سیستم باربر ساختمان را تشکیل می‌دهند. معمولاً کف‌ها و سقف‌ها بار خود را به تیرهای قاب، و تیرها به ستون‌ها، و هر ستون به ستون طبقة پایین خود، و در نهایت به فونداسیون ساختمان و زمین منتقل کنند. اگر با فونداسیون سازه آشنایی ندارین پیشنهاد می شود حتما مقاله فونداسیون چیست؟ را مطالعه کنین.

به طور کلی، به اعضایی که تحت اثر بارهای عرضی قرار می‌گیرند، تیر گفته می‌شود. تیر ممکن است افقی، قائم، یا شیبدار باشد، اما در اکثر سازه‌های رایج، به صورت افقی هستند و تحت تأثیر بارهای قائم بر محور طولی خود قرار می‌گیرند. اگر یک تیر، علاوه بر بارهای عرضی، تحت اثر نیروی محوری نیز قرار گیرد، تیر-ستون نامیده می‌شود. در این به مقاله به آموزش طراحی تیر به صورت دستی و نرم افزاری که یکی از مراحل طراحی سازه فولادی است می پردازیم. این آموزش برگرفته از دوره آموزش ایتبس پاراپلاس و سایر مراجعی که در انتها به تفکیک ذکر شده اند می باشد.

موضوع مورد بحث در این مقاله، طراحی دستی و نرم افزاری تیرها در سازه‌های فولادی هستند که در ادامه به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت. ابتدا به بررسی بعضی از مفاهیم و اصطلاحات پایه پرداخته و سپس در مورد طراحی سازه بحث می‌کنیم.

پیشنهاد دوره آموزشی: آموزش پروژه محور طراحی سازه فولادی و بتنی با ایتبس و سیف

سرفصل‌های این مقاله

1) بررسی مفاهیم پایه
2) طراحی دستی خمشی تیر فولادی (به روش حالات حدّی)
3) طراحی برشی تیر
4) کنترل افتادگی تیرها
5) طراحی تیر فولادی در نرم افزار ایتبس

بررسی مفاهیم پایه

تیر چیست؟

در اغلب سازه‌ها، تیرها عهده‌ دار وظیفه انتقال بارهای ثقلی وارد بر کف‌ها به ستون‌های سازه می‌باشند. در قاب‌های خمشی، تیرها به عنوان یکی از اعضای باربر جانبی سازه تحت اثر لنگرها و نیروهای برشی ناشی از بارهای جانبی نیز قرار می‌گیرند.

تیر ممکن است افقی، قائم، یا شیبدار باشد، امّا در اکثر سازه‌های رایج، به صورت افقی هستند و تحت تأثیر بارهای قائم بر محور طولی خود قرار می‌گیرند.

معمولاً مقاطع تیرها از نیمرخ‌های نورد شده I شکل هستند. در صورتی که برای دستیابی به مقاومت موردنیاز، دسترسی به نیمرخ موردنظر مقدور نباشد، آن‌ها را به صورت دوبل به کار می‌برند، یا ورق‌های تقویتی را به بال‌های نیمرخ جوش می‌دهند. هم‌چنین، در صورت عدم تمایل به استفاده از نیمرخ‌ها، و یا عدم تأمین انتظارات کیفی، اجرایی، یا مقاومتی، از طریق جوشکاری ورق‌ها با ضخامت و ابعاد معین، به مقطع با مشخّصات مورد نظر دست‌ می‌یابند.

بیشتر بخوانید: آموزش طراحی تیر بتنی

• معمولاً استفاده از تیرآهن‌های دوبل کارایی لازم را ندارند. زیرا استفاده از تیرآهن‌های دوبل ممکن است به یک طرح غیراقتصادی منجر شود (مخصوصا در مواقعی که خیز و ارتعاش حاکم بر طراحی باشند)؛ هم‌چنین شرایط مناسب برای اتصال گیردار به سختی فراهم می‌شود، یا عملکرد صحیح اتصال گیردار را مختل می‌کند. بنابراین، در موارد عملی، معمولاً از تیرهای ساخته شده از ورق استفاده می‌کنند. به این تیرهای ساخته شده از ورق، تیر-ورق گفته می‌شود.

انواع تیرها از نظر شرایط تکیه‌گاهی

می‌دانیم که سه نوع تکیه‌گاه متداول برای تیرها عبارتند از:

• تکیه‌ ‎گاه غلتکی مقاوم در برابر حرکت در جهت عمود بر محور خود می‌باشد.

• تکیه‌گاه مفصلی مقاوم در برابر حرکت تیر در هر جهت می‌باشد.

• تکیه‌ گاه گیردار از حرکت و دوران تیر در هر جهتی در محلّ تکیه‌گاه‌ جلوگیری می‌نماید.

بنابراین، بر اساس شرایط تکیه‌گاهی، می‌توان تیرها را به صورت زیر دسته‌ بندی نمود:

تیر ساده

تیری تک دهانه می‌باشد که تکیه‌گاه‌های آن در دو انتها، یکی به صورت غلتکی و دیگری به صورت مفصلی می‌باشد. در واقع در انتهای این تیرها، هیچ گونه گیرداری برای تحمل لنگر خمشی وجود ندارد.

• وظیفه اصلی این تیرها، علاوه بر تحمل بارهای وارده بر خود، انتقال آن‌ها از طریق تکیه‌گاه خود به سایر اجزای ساختمان می‌باشد.
• تیرچه‌ها، تیرهای فرعی، و تیرهای مورد استفاده در قاب‌های ساده را می‌توان به عنوان مثالی برای این نوع تیرها در نظر گرفت.

تیر پیش آمده

عبارت است از تیری با تکی ه‌گاه‌ های ساده که تکیه‌ گاه‌ های آن الزاما در انتهای تیر قرار نگرفته باشد.

تیر طره ای

عبارت است از تیری که یک انتهای آن، گیردار، و انتهای دیگر آن، آزاد باشد.

تیر دو سر گیردار

عبارت است از تیری که دو انتهای آن، گیردار و غیرآزاد باشد.

تیر ممتد (سراسری)

به تیری که دارای بیش‌ از دو تکیه‌گاه ساده باشد، تیر ممتد یا سراسری می‎‌گویند. این تیرها در محل تکیه‌گاه میانی، دارای لنگر خمشی خواهند بود، ولی با توجّه به نوع اتصال آن‌ها، هیچ گونه لنگری به ستون منتقل نمی‌شود.

• این اتّصال، به اتصال خورجینی معروف است.
• در تیرهای سراسری با اتصال خورجینی، عموماً تیرها به صورت دوبل استفاده می‌شوند.

انواع تیر در سازه فولادی

انواع تیر در سازه های فولادی از نظر نوع کاربری و استفاده به دسته بندی زیر تقسیم بندی می شود:

تیرچه ها

عبارت است از تیرهای فرعی که بار کف‌ها را به تیرهای اصلی منتقل می‌کنند. معمولاً در مسائل عملی، اتصال تیرچه‌ها به تیرهای اصلی، مفصلی (ساده) هستند.

به تیرچه‌هایی که از نیمرخ فولادی (نورد شده یا ساخته‌شده از ورق) و دال بتنی تشکیل شده باشند، و هم‌چنین برای تأمین عملکرد مشترک دال بتنی و نیمرخ فولادی، نیمرخ‌های فولادی را از طریق برشگیرهای مناسب به دال بتنی متّصل کرده باشند، تیرچه‌های مختلط می‎‌گویند.

تیرهای فرعی

عبارتند از تیرهایی که بارهای سقف ها به آن‌ها منتقل شده و آن‌ها نیز بارهای خود را به تیرهای اصلی منتقل می‌کنند. در ساختمان‌های رایج، در صورت نیاز به تیرهای فرعی، آن‌ها را به صورت دو سرمفصل مدل‌سازی می‌نمایند.

تیرهای های لانه زنبوری

دلیل نام‌ گذاری تیرهای لانه زنبوری ، شکل این تیرها بعد از ساخت آن‌ها می‌باشد. این تیرها دارای حفره‌های توخالی معمولاً شش ضلعی در طول جان خود هستند. هدف از ساخت این نوع تیرها، افزایش ممان اینرسی است. یعنی تیر بتواند ممان خمشی بیشتری را با افتادگی کم‌تر، و وزن کمتر (در مقایسه با تیر نوردشده با نمره مشابه) تحمل نماید.

مزایای استفاده از تیرهای های لانه زنبوری

استفاده از تیرهای لانه زنبوری دارای مزایا و معایبی می باشد که در ادامه به آن ها اشاره خواهیم کرد.

از جمله مزایای استفاده از تیرهای لانه زنبوری می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• امکان عبور دادن لوله های تاسیسات از حفرات موجود در جان تیرهای لانه زنبوری
• افزایش مقاومت خمشی تیر به دلیل ارتفاع بیشتر مقطع
• کاهش وزن تیر و سبک شدن مقاطع

هم چنین از جمله معایب استفاده از تیرهای لانه زنبوری نیز می توان به مورد زیر اشاره کرد:

• ضعف در تحمل برش به دلیل وجود سوراخ های دسترسی در جان تیر

برای رفع این نقص، بعضی حفره‌ها را با جوشکاری ورق فولادی پر می‌نمایند تا اتصال بعدی تیر به ستون یا تیر فرعی به تیر اصلی به درستی صورت گیرد.

هم چنین بنابر الزام مبحث دهم مقررات ملی ساختمان استفاده از تیرهای با جان سوراخ‌دار متوالی (لانه زنبوری) به عنوان اعضای باربر جانبی مجاز نیست. در صورت لزوم ایجاد سوراخ دسترسی در جان تیر، این سوراخ باید خارج از ناحیه حفاظت‌شده دو انتهای تیر و در نیمه میانی طولی دهانه تیر قرار گیرد. اطراف سوراخ باید به نحوی تقویت شود که مقاومت برشی و خمشی تیر به طور کامل فراهم گردد.

تیرهای اصلی

تیر اصلی، عضو باربر اصلی در سقف می‌باشد که بارهای وارده از طرف دیافراگم کف، تیرچه‌ها، و تیرهای فرعی (در صورت وجود) را تحمّل کرده و به ستون‌ها منتقل می‌نماید. با توجّه به شرایط طرح، اتصال تیر اصلی به ستون می‌تواند مفصلی یا گیردار منظور شود.  در برخی موارد، برخی تیرهای اصلی ممکن است وظیفه سنگین‌تر و مهم‌تری نسبت به سایر تیرهای اصلی داشته باشند ( مثلاً دارای دهانه بزرگ‌تر بوده یا بار چندین تیر فرعی و اصلی را تحمل کنند)؛ به این تیرهای اصلی، شاه‌تیر گویند.

تیرهای شمشیری

تیرهای مورّبی که در راه‌پلّه به کار می‌روند، تیرهای شمشیری نام دارند. این تیرها می‌توانند به تیرهای فرعی، تیرهای اصلی، تیرهای نیم‌طبقه یا ستون متّصل شوند. معمولاً در ساختمان‌های متعارف، اتصال دو انتهای تیرهای شمشیری مفصلی منظور می‌‎شوند.

لاپه ها

تیرچه‌هایی که در سقف‌های شیبدار و معمولاً با پوشش سبک کاربرد دارند، لاپه (پرلین) می‌نامند. مقاطع لاپه‌ها عموماً از نیمرخ‌های Z شکل (نورد شده یا ساخته شده از ورق)  یا ناودانی شکل UNP انتخاب می‌شود. استفاده از مقاطع I شکل نیز برای لاپه‌ها بلامانع است، امّا از آن‌جا که استفاده از آن‌ها معمولاً به طرح غیر اقتصادی می‌انجامد، لذا به ندرت مورد استفاده قرار می‌گیرند.

لاپه‌ها معمولاً تحت تآثیر لنگر خمشی دو محوره قرار می‌گیرند، و چنان‌چه نحوه قرارگیری آن‌ها روی تیرهای اصلی به صورت مناسبی انتخاب نشده باشد، ممکن است علاوه بر لنگرهای خمشی دو محوره، در معرض لنگر پیچشی نیز قرار گیرند

خمش الاستیک و پلاستیک تیرها

از درس مقاومت مصالح به خاطر داریم که اگر تیری تحت اثر بارهای عرضی قرار گیرد، به گونه‌ای تغییرشکل می‌یابد که صفحات عمود بر محور طولی تیر پس از تغییرشکل، به صورت مسطّح و عمود بر محور طولی تیر باقی می‌مانند و اندکی دوران می‌نمایند. به تیرهایی که دارای این ویژگی باشند، تیرهای برنولی گویند. اکثر تیرهایی که در سازه‌های فولادی رایج با آن‌ها سر و کار داریم، به عنوان تیرهای برنولی طبقه‌ بندی می‌گردند.

در صورتی که فرض شود که صفحات عمود بر محور طولی تیر، به صورت مسطّح باقی می‌مانند، معادل این است که تغییرات کرنش در ارتفاع مقطع خطی خواهد بود. از طرفی اگر رفتار مصالح تیر، الاستیک و تغییرشکل‌های آن کوچک فرض شوند، قانون هوک صادق خواهد بود و در نتیجه، تغییرات تنش در ارتفاع مقطع تیر نیز خطی می‌باشد. بنابراین، مقدار تنش عمودی در ارتفاع مقطع تیر (ناشی از لنگر خمشی) به صورت زیر محاسبه می‌گردد:

که در آن؛

f_b: تنش عمودی در ارتفاع مقطع تیر

M= لنگر خمشی حول محوری که خمش حول آن محور مورد نظر است (معمولاً محور قوی)

y= فاصله محور خنثی مقطع تیر تا نقطه‌ای از تیر که محاسبه تنش عمودی در آن نقطه، مورد نظر است.

I= ممان اینرسی حول محوری که خمش حول آن محور موردنظر است (معمولاً محور قوی)

با توجه به توضیحات فوق، نیاز به محاسبه محل محور خنثی احساس می‌شود. در خمش الاستیک، محور خنثی دقیقاً بر محور مرکز هندسی سطح منطبق است. بنابراین؛ اگر فاصله محور خنثی تا پایین‌ترین تار مقطع را با  نمایش دهیم، آن‌گاه محل محور خنثی ȳ به صورت زیر محاسبه می‌شود: