روش های محاسبه تحمل بار تیرآهن

در بسیاری از مشاغل عمدتا صنعت ساختمان, از تیرهای I , H استفاده می کنند. که این تیرها به دو قسمت تقسیم می شوند. که قسمت اصلی فلنج و بخش مرکزی آن وب نامیده می شود. وظیفه اصلی تیرها در ساخت و ساز تحمل و انتقال بار برروی سازه است. از این قسمت برای ایجاد ستون و خرپا استفاده می شود. مزایای استفاده از تیرآهن پس از اتمام ساخت این است که می توان با چندین مولفه نصب و ادغام کرد. آنها همچنین برای استفاده در ارتفاعات بالا مناسب هستند. استقامت تیر مقاومت تیر و ظرفیت تحمل بار آن است به عوامل مختلفی مرتبط است:  (جهت مطالعه بیشتر به اجرای راه پله با تیرآهن مراجعه نمایید)

1. اندازه
2. مشخصات
3. بخش
4. استاندارد
5. انواع آلیاژ

و همه به مقاطع برندها و شرکت های متعدد تولید و سطوح مقاومت آنها بستگی دارد. هرچه میزان کربن در فولاد مورد استفاده به عنوان ماده اولیه توسط کارخانه بیشتر باشد. سختی و مقاومت بیشتری دارد. از تیرها در سازه ها برای تنظیم بارهای متمرکز استفاده می شود. (جهت مطالعه بیشتر به وزن تیرآهن 14 کارخانه های مختلف مراجعه نمایید)

انواع تیرآهن

تیرآهن I در بازار با تیرآهن معمولی به فروش می رسند. ضخامت بال در کل ثابت است. و تیر با مشخصات اروپایی ساخته می شود.

با افزایش فاصله از تیر ضخامت بال تیر کاهش می یابد.

تیرهای لانه زنبوری تحمل فشار بالاتری دارند. (جهت مطالعه بیشتر به زنگ زدایی میلگرد و تیرآهن مراجعه نمایید)

محاسبه و تحمل بار تیرآهن

تیرهای باربر یکی از ضروری ترین و پرکاربردترین مصالح ساختمانی است و ظرفیت باربری آن به وزن آن بستگی دارد. (جهت مطالعه بیشتر به قیمت تیرآهن و عوامل موثر مراجعه نمایید)

هنگام استفاده از تیرهای فولادی برای ساخت یک سازه قوی و مستحکم باید مجموعه از اصول رعایت شود. ظرفیت باربری تیر یکی از مهم ترین متغییرهایی است که در ظرفیت باربری ساختمان باید در نظر گرفته شود و بهترین تیرها ظرفیت باربری لازم را دارند. تیرها ظرفیت بارگذاری و مقاومت خمشی بالایی دارند.

محاسبه بار تیرها عناصر سازه ای هستند که بارهای عمودی را به عنوان تکیه گاه در سازه های افقی و شیبدار به ستون منتقل می کنند.

(جهت مطالعه بیشتر به عیوب تیرهای فولادی چیست مراجعه نمایید)

انواع تیرهای سازه ای فولادی

تیرهای اصلی به ستون ها متصل می شوند و بارهای ورودی را از تیرها به ستون ها حمل می کنند. قسمت های باربر اصلی سقف هستند.

این تیرها سه کارکرد دارند: (جهت مطالعه بیشتر به تفاوت تیرآهن H وارداتی و ایرانی مراجعه نمایید)

• بالها و بدنه آن از آهن معمولی با ورقه های آهنی تقویت شده ساخته شده است.
• تیر مشترک تک یا دوتایی
• تیر پهن

پروفیل های نورد شده باید برای تقویت بالهای تیر با صفحات آلیاژی رزوه یا جوش شوند و تیرهای معمولی باید با صفحات بال تقویت شوند.

با برش تیر IPE به مدت ۲۰ دقیقه یا بیشتر از وسط تیر می توان تیر اتصال بین صفحات و ورق های فولادی تقویت کننده روی بال های تیر را نیز تقویت کرد. تیر فرعی دسته تیرهایی که بارهای سقف را به تیر اصلی که جزء اجزای افقی و فرعی متصل به تیر اصلی است. شامل تیرچه ها می شود. این تیرها را می توان در پروفیل های نورد شده سبک به IPE و INP تولید و لانه زنبوری یافت. (جهت مطالعه بیشتر به مقایسه تیرآهن اصفهان و اهواز مراجعه نمایید)

قسمت هایی از ساختمان مانند: درها و پنجره ها و سایر دهانه های مشابه توسط تیرهایی به نام لنگه پشتیبانی می شوند.

برای ثابت نگه داشتن دیوار آجری که درها و پنجره ها در آن قرار دارند. از آستانه استفاده می شود. نکته ای که باید در نظر گرفت این است که تیر کفشک های درب به اندازه ۲۰ سانتی متر بر روی تکیه گاه نگه می دارد که نیاز به قرار دادن یک لایه زیرین بتنی در تکیه گاه دارد.

تیر کناری یا تیر جانبی برای احاطه کردن ساختمان استفاده می شود و بار سقف و بار دیوار اطراف را تحمل می کند. تیرهایی که از پروفیل های I,Z هستند معمولا تحمل وزن پوشش های سبک در سازه های صنعتی را بر عهده دارند. (جهت خرید و بررسی به قیمت تیرآهن مراجعه نمایید)

فرآیند ارزیابی ظرفیت باربری شامل اندازگیری ابعاد موجود عضو بتنی و تخمین مساحت آرماتور و مقاومت بتن است. علاوه براین بار وارد بر عنصر سازه باید به طور دقیق محاسبه شود. (جهت توضیحات بیشتر به تیر ورق چیست مراجعه نمایید)

ظرفیت تیر را با استفاده از معادلات روش طراحی مقاومت و مشخصات توسط استاندارد قابل اجرا ACI 318 – 19 و IS 456 ارزیابی کنید. در نهایت طراح می تواند وضعیت ظرفیت باربری تیر را بر اساس انتخاب روش تعمیر مناسب بررسی کند.

چگونه می توان ظرفیت یک تیر موجود را محاسبه کرد؟

• دهانه دال را توسط یک تیر حمایت می شود اندازگیری کنید.
• دهانه تیر را اندازه گیری کنید.
• بار زنده روی دال را بر اساس عملکرد ساختمان تخمین بزنید.
• وزن خود دال را محاسبه کنید. آن را به بارهای مرده اضافی جمع کنید مانند بار کاشی و کارهای تکمیلی
• انتقال بارها از دال به تیر برای دال یک طرفه, نیمی از کل بار روی دال از یک طرف به یک طرف تیر و نیمی دیگر به طرف دیگر دال می رود.
• برای دال دو طرفه می توان از ناحیه انشعابی برای انتقال بار به تیرها در تمام طرف های دال استفاده کرد.
• بار روی تیر بتن مسلح را محاسبه کنید. بار مرده تیر با وزن خود و هر بار مرده دیگر از دال و کارهای تکمیلی برابر است.
• وزن خود برابر است با وزن واحد حجم تیر
• بار توزیع شده نهایی روی تیر را با استفاده از ترکیبات بار مناسب ارائه شده محاسبه کنید.
• لنگر نهایی یا اعمال شده بر روی تیر را با استفاده از یک معادله مناسب بر اساس شرایط تکیه گاه تیر محاسبه کنید یا از مدل سازی المان محدود استفاده کنید.
• عمق بلوک تنش مستطیلی را محاسبه کنید سپس ارتفاع محور خنثی
• در نهایت ممان طراحی تیر Md را محاسبه کنید. باید بزرگتر از لحظه اعمال شده Mu باشد در غیر اینصورت تیر باید بازسازی شود.

مثال بارگذاری تیر

سیستم یک کلاس درس شامل یک دال بتنی مسلح به ضخامت ۳ اینچ است که توسط تیرهای فولادی پشتیبانی می شود. اگر وزن هر تیر فولادی ۶۲ پوند بر فوت است بار مرده را بر حسب پوند بر فوت تحمل شده توسط هر تیر داخلی تعیین کنید.

بار مرده به دلیل وزن دال

بار مرده به دلیل وزن تیر= ۶۲ پوند بر فوت

بار زنده به دلیل اشغال یا استفاده از کلاس درس= ۴۰ پوند بر فوت ۲ و ۱۲ فوت = ۴۸۰ پوند بر فوت

مجموع بار یکنواخت روی تیر فولادی = ۱۱۴۲ پوند بر فوت = ۱.۱۴۲ k/ft

بارهای ضربه ای

بارهای ضربه ای بار ناگهانی یا سریعی هستند که بر روی سازه در مدت زمان نسبتا کوتاهی در مقایسه با سایر بارهای سازه اعمال می شود. آنها باعث ایجاد تنش های بزرگتر در اعضای سازه می شوند تا تنش هایی که توسط بارهای اعمال شده تدریجی با همان بزرگی ایجاد می شوند. (جهت مطالعه بیشتر به خرید و فروش آهن آلات اعتباری به روش LC مراجعه نمایید)

نمونه هایی از بارهای ضربه ای بارهای ناشی از وسایل نقلیه در حال حرکت ماشین های ارتعاشی یا وزنه های رها شده هستند. در عمل بارهای ضربه ای برابر با بارهای تحمیلی در نظر گرفته می شوند که درصدی افزایش می یابند که به آن ضریب ضربه می گویند. (جهت مطالعه بیشتر به مشهورترین سازه فلزی جهان مراجعه نمایید)

برخی از عوامل تاثیر بار

انجمن آمریکایی مقامات بزرگراه و حمل و نقل ایالتی عبارت زیر را برای محاسبه ضریب ضربه برای بار کامیون متحرک برای استفاده در طراحی پل بزرگراه مشخص می کند.

جایی که

I = ضریب تاثیر

L = طول بر حسب فوت یا متر قطعه بار دهانه برای ایجاد حداکثر تنش در عضو مورد نظر.

ضریب تاثیر بار زنده ساختمان

در حال بارگذاری مورد

تکیه گاه آسانسور و ماشین آلات ۱۰۰

پشتیبانی ماشین آلات سبک ۲۰

پشتیبانی از ماشین های رفت و برگشتی ۵۰

تیرها برای حمایت از کف و بالکن ۳۳

تیرهای نگهدارنده جرثقیل و اتصالات آنها ۲۵

بارهای محیطی باران

بارهای باران ناشی از توده آب انباشته شده بر روی پشت بام در طی یک طوفان بارن یا بارندگی شدید است.

این فرایند که از آن به عنوان حوضچه یاد می شود بیشتر در سقف های مسطح و سقف هایی با شیب کمتر از ۰.۲۵ اینچ در فوت رخ می دهد.

حوض در پشت بام ها زمانی اتفاق می افتد که آب پس از بارندگی کمتر از مقدار آب باقی مانده در پشت بام باشد.

آب انباشته شده بر روی یک سقف صاف یا کم شیب در طول طوفان باران می تواند یک بار ساختاری عمده ایجاد کند. بنابراین هنگام طراحی ساختمان باید به آن توجه کرد. (جهت مطالعه بیشتر به تفاوت تیرآهن و تیر ورق مراجعه نمایید)

شورای بین الملل ایجاب می کند که سقف ها دارای پاراپت شامل زهکش های اولیه و ثانویه باشند.

زهکش اولیه آب را از پشت بام جمع می کند و آن را به فاضلاب هدایت می کند. در حالی که تخلیه ثانیویه در صورت مسدود شدن زهکش اولیه به عنوان پشتیبان عمل می کند. (جهت مطالعه بیشتر به تحلیل قیمت آهن مراجعه نمایید)

معادله برای محاسبه بارهای باران روی سقف بدون انحراف در صورت مسدود شدن زهکش اولیه مشخص می کند:

R = بار باران روی سقف بدون انحراف بر حسب Psi

ds = عمق آب روی سقف بدون انحراف تا ورودی سیستم زهکشی ثانیویه یعنی سر استاتیک در اینچ یا میلی متر

dh = عمق اضافی آب در سقف بدون انحراف بالای ورودی سیستم زهکشی ثانویه یعنی سر هیدرولیک به اینچ یا میلی متر. این بستگی به سرعت جریان و اندازه زهکشی و منطقه تخیه شده توسط هر زهکشی دارد. (جهت مطالعه بیشتر به تیرآهن چیست مراجعه فرمایید)

نرخ جریان Q بر حسب گالن در دقیقه را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:
Q gpm = 0.0104

جایی که

A= مساحت سقف در فوت مربع که توسط سیستم زهکشی تخلیه می شود.

I = ۱۰۰ سال, ۱ ساعت. شدت بارندگی بر حسب اینچ در ساعات برای محل ساختمان مشخص شده

بارهای محیطی باد

بارهای باد فشارهایی هستند که توسط جریان باد بر سازه ها اعمال می شود. نیروهای باد عامل بسیاری از شکست های سازه ای در تاریخ به ویژه در مناطق ساحلی بوده اند. سرعت و جهت جریان باد به طور مداوم تغییر می کند و پیش بینی فشار دقیق اعمال شده توسط باد بر سازه های موجود را دشوار می کند. این دلیل تلاش های تحقیقاتی قابل توجه در مورد تاثیر و برآورد نیروهای باد را توضیح می دهد.

توزیع بار باد بر روی یک سازه بر اساس اصل برنولی هنگام تجسم جریان باد به صورت سیال رابطه بین فشار دینامیکی باد و سرعت باد را می توان به صورت زیر بیان کرد.(جهت مطالعه بیشتر به تیرآهن بلژیکی مراجعه نمایید)

جایی که

q= فشار باد دینامیک هوا بر حسب پوند بر فوت مربع

P= چگالی جرمی هوا

V= سرعت باد بر حسب مایل در ساعت

سرعت اولیه باد برای مکان های خاص در قاره ایالات متحده را می توان از نقشه خطوط سرعت پایه در ASCE7 – 16 به دست آورد.

با فرض اینکه وزن واحد هوا برای یک اتمسفر استاندارد ib/ ft3 0.07651 باشد و می توان از معادله زیر برای فشار باد ساکن استفاده کرد:

برای تعیین میزان سرعت باد و فشار آن در ارتفاعات مختلف از سطح زمین ASCE 7 – 16 برای محاسبه ارتفاع سازه از سطح زمین اهمیت سازه را می توان اصلاح کرد.

جایی که

Kzt= یک عامل توپوگرافی که باعث افزایش سرعت باد به دلیل تغییرات ناگهانی توپوگرافی در جاهایی که تپه ها و برآمدگی ها وجود دارد می باشد. این عامل وحدتی برابر برای ساختمان در زمین هموار است و با افزایش ارتفاع افزایش می یابد.

Kd= ضریب جهت باد. این به دلیل کاهش احتمال بیشینه بد از هر جهت معین و کاهش احتمال ایجاد حداکثر فشار در هر جهت باد که برای سازه نامطلوب است می باشد. برای سازه هایی که فقط تحت فشار در هر جهت باد برای سازه نامطلوب می باشد.

Kd=1 برای سازه های تحت بارهای دیگر علاوه بر بار باد مقادیر Kd آورده شده است.

Ke= ضریب ارتفاع زمین برای تمام ارتفاعات به صورت Ke=1 بیان می شود.

V= سرعت باد اندازه گیری شده در ارتفاع z‌ از سطح زمین است.

جهت مطالعه بیشتر به ویکی پدیا مراجعه فرمایید.