خمش چیست؟ هنگامی که عضوی میان دو نقطه از دهانه واقع شود، بارهای وارد شده با سازوکار کشش و فشار در تارهای افقی عضو، آر روی دهانه به تکیه گاه‌ها انتقال می‌یابد. این پدیده نقشی اساسی در باربری اعضای سازه‌ای دارد و اصطلاحاً به آن خمش می گویند.
فرض کنیم مانند شکل زیر یک قطعه الوار روی دو سنگ قرار گرفته است.
اگر یک پسر بچه در وسط الوار بایستد، دو انتهای الوار به طرف بالا جابه جا می‌شود، در عین حال قسمتی از الوار که بین دو سنگ قرار گرفته به طرف پایین حرک می‌کند. منحنی حاصل از الوار میان دو سنگ قسمتی از کمان یک دایره است. پس از ترسیم خط‌های عمودی به فواصل یکسان a بر کناره الوار صاف و تقسیم آن به n قسمت مساوی، مشاهده می‌گردد که در حین خم شدن الوار چوبی، فاصله‌های خطوط در پایین بیشتر و در بالا کمتر خواهد بود.
می‌توان فرض کرد که هریک از تیرها، از تارهایی به موازات محور طولی تشکیل شده است که در ارتفاع نیز روی یکدیگر واقع شده‌اند. با مشاهده‌ی کاهش فاصله‌های خطوط عمودی در بالا و افزایش آن در پایین، می‌توان دریافت که تارهای بالایی کوتاه‌تر و تارهای پایینی بلندتر شده‌اند. در عین حال اندازه‌ی تار میانی نسبت به اندازه-ی قبلی خود هیچ تغییری نداشته است که این تار به تار خنثی مشهور می‌باشد
شکل بعدی میزان تغییر شکل اجزا تیر تحت تأثیر خمش را نشان می‌دهد.
با توجه به مطالب گفته شده می‌توان نتیجه گرفت که در حین خمش که تغییر شکل تیر به طرف پائین است، تارهای پایین تحت کشش و تارهای بالا تحت فشار قرار می‌گیرند و به تار میانی که در اثر خمش تغییر طولی ندارد، تار خنثی می گویند. شکل زیر تغییر شکل تارهای تیر را در اثر خمش نمایش می‌دهد.
وزن پسر بچه به دلیل تغییرشکل های ایجاد شده در تارهای تیر که ناشی از تنش‌های خمشی است، به دو سنگی که الوار روی آنها تکیه داده، انتقال می‌یابد.
با در نظر گرفتن مقاومت فشاری اغلب مصالح ساختمانی، انتقال عمودی بارها به زمین تقریباً راحت‌تر است اما ایراد اساسی در عملکرد سازه‌ای، انتقال افقی بارهای عمودی جهت پوشاندن دهانه میان دو تکیه گاه می‌باشد. لذا خمش به عنوان یک سازوکار سازه‌ای دارای اهمیت بالایی است.
حتما ببینید: درب ورودی اپارتمان
در صورت یکسان بودن مقاومت فشاری و کششی در یک مصالح ساختمانی، آن مصالح از نظر خمش مناسب است. این موضوع، برتری چوب در میان مصالح سازه‌ای و نقش بی بدیل و دائم فولاد در سازه‌های جدید را بیان می‌کند.
بتن مسلح، ماده ساختمانی می‌باشد که توسط بشر ساخته شده است و ویژگی‌های خمشی در حد مقایسه با فولاد دارد. در این مصالح از مقاومت فشاری بتن در تارهای فشاری و از مقاومت کششی فولاد در تارهای کششی یک عضو سازه‌ای استفاده می‌گردد.
تعریف تیر
قطعات سازه‌ای را که غالباً در سازه به شکل اعضای افقی یا شیبدار قرار گرفته و بارهای قائم بر محور خود را به تکیه گاه‌ها که عموماً ستون‌ها می‌باشند، انتقال می‌دهند، تیر می گویند. در لایه‌های مختلف تیر تحت تأثیر این بارها، تنش کششی و فشاری ایجاد می‌گردد.
انواع تیرها در سازه‌های فولادی
در سازه ساختمان، یک تیر بر اساس نقشی که عهده دار است به صورت‌های زیر نامگذاری می‌شود:
الف) شاه تیر یا تیر اصلی (Girder): عضو باربر اصلی در سقف است که بارهای اعمال شده از تیرچه‌ها را به ستون‌ها منتقل می‌کند.
ب) تیرچه یا تیر فرعی (Joist): یک تیر سبک است که بار سقف را به شاه تیرها منتقل می‌کند.
ج) نعل درگاهی (Lintel): این تیر در بالای بازشوهای ساختمان مانند در و یا پنجره، واقع می‌شود.
د) تیرهای لبه‌ای یا کناری (Spandrel): این تیرها در اطراف ساختمان قرار دارند و افزون بر بار سقف، بار دیوارهای حول ساختمان را نیز متحمل می‌شوند و همچنین نقش ملاف بندی ساختمان را هم عهده دار هستند.
ه) لاپه (Purlin): تیر سبکی است که از پروفیل Z یا I ساخته شده و به منظور حمل بار پوشش‌های سبک در ساختمان‌های صنعتی استفاده می‌گردد.
در تصاویر بعدی انواع تیرهای مذکور نشان داده شده است.
تیر از نظر شرایط تکیه گاهی
رایج‌ترین تکیه گاه‌ها برای تیرها، سه مدل هستند که عبارتند از: تکیه گاه غلتکی، تکیه گاه پینی (مفصلی) و تکیه-گاه ثابت.
تکیه گاه غلتکی با حرکت در راستای عمود بر محورش مقابله می‌کند، در حالی که تکیه گاه پینی در برابر جابه-جایی تیر به هر جهتی مقاومت می‌کند. هر دو تکیه گاه پینی و غلتکی در برابر چرخش و دوران تیر در محل تکیه گاه، آزاد هستند. تکیه گاه ثابت نیز از جابه جایی و چرخش تیر در هر سمتی در محل تکیه گاه جلوگیری می‌کند. با توجه به این موارد، تیرها را می‌توان برپایه ی شرایط تکیه گاهی به حالت‌های زیر تقسیم کرد:
تیر ساده: تیر تک دهانه‌ای که تکیه گاه‌های آن در دو انتها به حالت غلتکی و پینی است را تیر ساده می گویند. تیر پیش آمده: اگر تیری دارای تکیه گاه‌های ساده بوده که لزوماً در انتهای تیر قرار نگرفته باشند، آن تیر را تیر پیش آمده می‌نامند.
تیر طره‌ای: تیری است که در یک انتها آزاد و در انتهای دیگر گیردار باشد.
تیر دو سر گیردار: به تیری که در هر دو انتهای خود گیردار و غیرآزاد باشد، تیر دو سر گیردار اطلاق می‌شود.
تیر ممتد: تیر دارای بیش از دو تکیه گاه ساده را تیر ممتد یا سراسری می گویند.
شکل زیر تیرهای مذکور را نمایش می‌دهد.
بارهای وارد بر تیر
تیرها با توجه به محل کاربردشان، تحت بارهای گوناگونی قرار می‌گیرند که این بارها می‌توانند به شکل متمرکز، گسترده‌ی یکنواخت و غیریکنواخت (خطی) و یا ترکیبی از آنها باشد.
در جدول بعد، بارهای مختلفی که بر تیرها وارد می‌شود، نشان داده شده است.
سطح بارگیر تیرها
مقدار باری که در سطح بارگیر به تیر وارد می‌شود، سهم آن تیر از بار سقف است. چنانچه نسبت طول به عرض دال سقف، از 2 بیشتر باشد دال مدنظر را دال یکطرفه می‌نامند در غیر این صورات دال را دال دوطرفه می گویند.
در شاه تیر براساس اینکه شاه تیر بار را از دال یکطرفه یا دوطرفه دریافت می‌کند، وضعیت متفاوت است. اگر شاه-تیر بار را از دال یکطفه بگیرد، عرض بارگیر آن وسط به وسط دو مجاور می‌باشد و در صورتی که شاه تیرها بار را از دال دو طرفه دریافت کند، سطح بارگیر آنها با رسم نیمساز گوشه‌ها حاصل می‌گردد. بنابراین بار اعمال شده بر شاه تیر شکل مثلث یا ذوزنقه خواهد داشت. اشکال زیر سطح بارگیر تیرها را نمایش می‌دهد.
همچنین دال‌هایی مانند تیرچه بلوک، کامپوزیت (مرکب) و طاق ضربی رفتاری یکطرفه داشته و دال‌های بتن مسلح غالباً رفتار دوطرفه دارند.
سقف تیرچه بلوک و سقف دال کامپوزیت به عنوان نمونه‌ای از این دال‌ها در دو شکل زیر آورده شده است.
افتادگی (تغییر شکل)
تغییر شکل یا افتادگی، پدیده‌ای است که در تیرها تحت تأثیر بارهای وارده مانند شکل زیر رخ داده و تیر به صورت شکم درمی آیند.
چنانچه بار از یک حدی تجاوز نکند، تیر پس از باربرداری به وضعیت اولیه‌ی خود برمی گردد. این رفتار تیرها را رفتار ارتجاعی می گویند.
نیمرخ‌های مناسب برای تیرها
طبیعتاً مقاطعی از نظر خمشی، اقتصادی‌اند که به ازای ظرفیت خمشی یکسان، سطح مقطع و متعاقب آن وزن واحد کمتری را دارا باشند. نیمرخ‌های نورد شده از نوع IPB، INP، IPE و حتی UNP از جمله پرکاربردترین نیمرخ‌ها برای خمش هستند که در شکل زیر نشان داده شده‌اند.
اگر لنگر خمشی موجود در برابر مقاومت مقاطع نورد شده کمتر باشد، می‌توان آنها را با افزودن اجزای بیشتر مانند تسمه یا ورق روی بال‌ها، تقویت کرد. شکل زیر نمونه‌ای از نیمرخ تقویت شده با ورق را نمایش می‌دهد.
در صورتی که مقاطع تقویت شده برای بار و دهانه مدنظر، کافی نباشند، می‌توان از تیر ورق استفاده کرد که از دو ورق بال و جان که با استفاده از جوش به یکدیگر اتصال می‌یابند، تشکیل می‌گردد و مانند شکل زیر به صورت نیمرخ I تبدیل می‌شود.
نمره تیرهای ساخته شده از نیمرخ‌های نورد شده، ارتفاع مقطع تیر را برحسب میلی متر بیان می‌کند. به عنوان مثال 200IPE، نیمرخ IPE با ارتفاع 200 میلی متر است. جدول‌های اشتال مشخصات هندسی نیمرخ‌ها را در اختیار می‌گذارد که نمونه‌ای از آن در شکل بعدی آورده شده است.
جداول اشتال شامل مشخصات مهم هندسی و ابعادی مقطع مانند سطح مقطع، اساس مقطع، ممان اینرسی، شعاع ژیراسیون و وزن واحد طول نیمرخ برای هر مقطع فولاد نورد شده در اندازه‌های گوناگون، می‌باشد.
هم چنین بخوانید: تخلیه چاه
شاه تیرها یا تیرهای اصلی (Girder)
شاه تیرها اعضای فلزی افقی اصلی هستند که با اتصالات لازم به ستون‌ها اتصال می‌یابند و توسط آنها بار طبقات به ستون‌ها منتقل می‌شود. شاه تیرهای فلزی می‌توانند به حالات زیر مورد استفاده قرار گیرند:
- الف) تیرآهن معمولی به صورت تک یا جفت
- ب) تیرآهن بال پهن
- ج) تیرآهن معمولی با ورق تقویتی روی بال‌ها و یا جان
تیرآهن معمولی همراه با ورق تقویتی روی بال، تیری است که از تقویت نیمرخ نورد شده استاندارد با ورق به شیوه جوشی یا پیچی ساخته می‌شود. علاوه بر این می‌توان با برش نیمرخ‌های متداول (IPE) از وسط جان تیر و اتصال صفحه و ورق به دو قسمت برش خورده، تیر را تقویت نمود. این شیوه برای نیمرخ‌های با نمره 20 به بالا از نظر اقتصادی، مقرون به صرفه است. تصویر زیر انواع تیرهای تقویت شده با ورق را نمایش می‌دهد.
د) تیرورق (Plate Girder)
امکان تبدیل ورق‌های ضخیم به شکل نیمرخ با استفاده از تغییر شکل وجود ندارد. در این مواقع ورق‌های بال و جان را در عرض‌های مدنظر برش داده و با استفاده از جوش به هم اتصال می‌دهند تا نیمرخ‌های دلخواه بدست آیند. این مقاطع را، تیرورق می‌نامند. در شکل بعد، نمونه‌ای از شاه تیرهای ساخته شده با تیرورق آورده شده است.
تیرچه‌ها یا تیرهای فرعی (Joists)
تیرچه‌ها اعضای افقی فرعی می‌باشند که به شاه تیرها اتصال یافته و بار سقف را به شاه تیرها انتقال می‌دهند. چنانچه سقف ساختمان از مدل طاق ضربی و یا کامپوزیت باشد، باید تیرچه‌ها به فاصله‌های 1 تا 5/1 متر در حد فاصل شاه تیرها انداخته شود. شکل زیر طریقه استقرار تیرچه‌ها در طاق ضربی را نشان می‌دهد.
تیرچه‌ها غالباً از نیمرخ‌های نورد شده‌ی سبک IPE یا INP و یا شکل لانه زنبوری تولید می‌گردند.
تیرچه‌های نعل درگاهی (Lintel)
اگر بازشو در دیوار موجود باشد، جهت تعبیه در و پنجره، بایستی به منظور حفظ ایستایی دیوار آجری فوقانی، تیری در بالای بازشو قرار داده شود. این تیر را که تصویر آن در شکل زیر آمده، تیر نعل درگاهی (Lintel) می‌نامند.
اتکای تیر نعل درگاهی (Lintel) در تکیه گاه جانبی حداقل 20 سانتی متر است و باید بالشتک بتنی هم در نقاط تکیه گاهی جای داده شود. از شاخک‌های انسجام دهنده تیر نعل درگاهی به دیوار نیز جهت حفظ انسجام دیوار در زمان زلزله استفاده می‌گردد.
در شکل بعدی جزییات اتکا و انسجام تیر نعل درگاهی به تصویر کشیده شده است.
تیرهای لبه‌ای با کناری (Spandrel)
این دسته از تیرها در اطراف ساختمان واقع شده و افزون بر بار سقف، بار دیوارهای اطراف ساختمان را نیز تحمل می‌کنند.
لاپه (Purlin)
تیر سبکی است که از نیمرخ Z یا UNP ساخته شده و جهت انتقال بار پوشش‌های سبک در ساختمان‌های صنعتی (سقف‌های شیبدار) به کار می‌رود. شکل زیر طریقه استقرار لاپه در یک سازه صنعتی را به تصویر می‌کشد.
تیرهای لانه زنبوری
دلیل گذاشتن نام لانه زنبوری روی این تیرها، شکل آنها پس از پروسه ساخت است. این مدل تیرها در طول خود دارای حفره‌های توخالی (درجان) هستند که به لانه‌ی زنبور شباهت دارند. لذا به آنها تیرهای لانه زبوری اطلاق می‌شود. شکل زیرتعدای از این تیرها را نشان می‌دهد.
هدف از ساخت تیرهای لانه زنبوری
هدف اصلی ساخت تیرهای لانه زنبوری آن است که این تیرها بتوانند ممان خمشی بیشتری را همراه خیز (تغییر شکل) نسبتاً کم و وزن کمتر در مقایسه با تیر نورد شده‌ی مشابه تحمل کنند. به عنوان مثال، می‌توان ارتفاع نیمرخ 180IPE را که 18 سانتی متر بوده، به میزان 27 سانتی متر بالا برد.
مزایا و معایب تیرهای لانه زنبوری
مقاومت خمشی مقطع تیر با تبدیل تیرآهن معمولی به تیر لانه زنبوری، افزایش پیدا می‌کند. بنابراین تیر بدست آمده قوی‌تر، مرتفع‌تر و هم وزن تیر اصلی خواهد بود. علاوه بر این به دلیل کاهش وزن مصالح و سبک شدن تیر، از منظر اقتصادی نیز مناسب است. همچنین مانند تصویر بعد، امکان عبور لوله‌های تأسیساتی و برق از حفره‌های ایجاد شده در جان تیر نیز وجود دارد.
یکی از مهمترین معایب تیرهای لانه زنبوری، همان حفره‌های آن است زیرا این حفره‌ها قادر به تحمل تنش‌های برشی در محل تکیه گاه تیر به ستون و یا اتصال تیرآهن تودلی (تیر فرعی) نمی‌باشند. البته راه حلی هم برای این مشکل ارائه شده که در آن به پر کردن برخی حفرات با ورق فلزی و جوش مبادرت ورزیده می‌شود تا اتصال بعدی تیر به ستون یا تیر فرعی به پل به شکل مناسبی انجام گیرد. سه تصویر بعد، دستگاه برش، طریقه برش آهن و جوشکاری کامل دو طرفه تیر لانه زنبوری را نمایش می‌دهند.
روش‌های مختلف برش تیر آهن
الف) برش به روش کوپال: در این روش از دستگاه قطع کن سنگین مجهز به گیوتین مخصوص استفاده گردیده که در آن تیرآهن به حالت سرد در امتداد خط منکسر بریده می‌شود.
ب) برش به روش برنول: برش در روش برنول در حالت گرم صورت می‌گیرد؛ بدین ترتیب که یک کارگر با مهارت بالا برش را با استفاده از شعله بنفش رنگ پر قدرت حاصل از گاز استیلن و اکسیژن، توسط لوله برنول، انجام می‌دهد. اصولاً برش تیرهای سبک توسط ماشین‌های برش اکسیژن دار، کار تقریباً راحتی است. تیرهای لانه زنبوری در ایران نیز غالباً با دست تولید می‌شوند.
شیوه ساخت تیرهای لانه زنبوری و تقویت آن
به منظور تهیه تیرهای لانه زنبوری، ابتدا در جان تیرآهن نورد شده با بهره گیری از الگو که به شکل نصف شش ضلعی از ورق آهن یک میلی متری (شابلون) با توجه به استاندارد ساخته شده، نشانه گذاری می‌شود. در ادامه در نقاط مختلف تیرآهن جهت مقابله با تاب برداشتن جوشکاری انجام می‌گیرد. سپس با استفاده از دستگاه برش گرمایی (برنول) در امتداد خط منکسر برش را انجام می‌دهند تا به دو قسمت تقسیم گردد.
اکنون باید قسمت اول را به اندازه یک دندانه حرکت داده و دندانه‌های دو قسمت را با تمرکز و دقت بالا در برابر یکدیگر قرار دهیم و یک کارگر ماهران را از دو طرف جوشکاری کند.
یکی از مناسب‌ترین، سریع‌ترین و بی نقص ترین روش‌های جوشکاری برای اتصال دو نیمه‌ی بریده شده استفاده از جوش قوسی نیمه اتوماتیک است. همانگونه که بیان شد، تیر ساخته شده به دلیل وجود حفره‌های خالی آن در محل تکیه گاه در برابر تنش‌های برشی، تضعیف می‌شوند. برای حل این مشکل با توجه به منحنی نمایش نیروی برشی لازم است در محل ضعف، حفره‌ها با ورق‌های تقویتی پر گردند.
تصاویر زیر به طور کامل مراحل ساخت تیر لانه زنبوری را به صورت شماتیک نشان می‌دهند.
ذکر این نکته نیز نباید فراموش گردد که حداقل باید یک حفره در تکیه گاه با ورق توسط جوش، کامل پر شود. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد.
دال‌های کامپوزیت
پوشش‌های بتنی را می‌توان با استفاده از اتصالات برشی مناسب به بال فوقانی تیرها و شاه تیرهای فلزی یکپارچه کرد. این کار باعث تشکیل تیر مرکبی از پوشش بتنی و تیر فولادی می‌گردد که مقاومت و سختی بالاتری نسبت به تیر اولیه دارا است. پوشش‌های بتنی در سقف‌های کامپوزیت، قسمتی از بال فشاری تیر شده و لذا تار خنثی مقطع به سمت بالا رفته و ظرفیت کششی در زیر تار خنثی افزایش می‌یابد. این مدل طرح، موجب کاهش سطح مقطع تیر فولادی و وزن واحد طول آن می‌گردد و از آنجایی که پوشش بتنی همانند سقف ساختمان عمل می-کند، لذا تنها اتصالات برشی که برای برقراری اتصال بتن و بال فوقانی تیر مورد استفاده قرار می‌گیرد، مقداری مخارج اضافه را به وجود می‌آورد.
امروزه اتصالات برشی مختلفی به کار می‌رود که برخی از آنها در شکل بعد نمایش داده شده است.
ساختمان 115 » مرجع شیشه نشکن و نقاشی ساختمان
عالیییییییییییییییییییییییییییییییییییییییییییییییییییییی
سلام ممنون از مطالب خوب و مفیدتون