مثال طراحی دستی ستون فولادی

مثال طراحی دستی ستون فولادی:
به منظور آشنایی بهتر با نحوه به کارگیری اصول طراحی دستی ستون فولادی در بخش های قبلی، یک مثال ساده را برای شما تشریح می کنیم.

به این منظور، ستون فولادی زیر را در نظر بگیرید. این ستون دارای مقطع توخالی مستطیلی شکل است. مطابق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، احتمال رخ دادن کمانش خمشی در این نوع مقطع وجود دارد.

ستون بالا از جنس فولاد A36 با مقاومت فشاری اسمی 152 مگاپاسکال و دارای ارتفاع 5 متر، ابعاد خارجی مقطع 60*60 میلی متر و ابعاد داخلی مقطع 40*40 میلی متر است.

فرض کنید با بررسی بارهای مرده و زنده یا دیگر ترکیبات بارگذاری، مشخص شده است که این ستون در حین بهره برداری از سازه، تحت بار 200 کیلونیوتن قرار خواهد داشت.

به این ترتیب، باید مطمئن شویم که این ستون با ابعاد انتخاب شده، توانایی تحمل بارهای فشاری و کمانش خمشی احتمالی را دارد.

طراحی دستی ستون فولادی برای اطمینان از عدم شکست تحت فشار:
به منظور طراحی در حالت بارگذاری فشاری، ابتدا باید تنش اعمال شده بر روی سطح مقطع ستون (سطح تأثیر) را محاسبه کرد. رابطه تنش برابر است با:

در این رابطه، P، بیانگر بار اعمال شده و A، نشان دهنده سطح اعمال بار است. از فرضیات مسئله می دانیم که مقدار بار اعمال شده بر ستون 200 کیلو نیوتن است.

با توجه به شکل و ابعاد سطح مقطع نیز، سطح تأثیر از رابطه زیر به دست می آید:

به این ترتیب، تنش فشاری اعمال شده بر ستون فولادی برابر است با:

مقاومت فشاری اسمی فولاد به کار رفته در ستون مورد تحلیل (فولاد A36) برابر با 152 مگاپاسکال یا 152000 کیلونیوتن بر متر مربع است.

اگر ضریب ایمنی مورد نیاز برای طراحی ستون را 1.65 در نظر بگیریم، خواهیم داشت:

مقدار به دست آمده از رابطه بالا، تنش مجاز طراحی است. به عبارت دیگر، اگر تنش اعمال شده بر ستون بیشتر از این مقدار باشد، ستون در برابر بارهای فشاری خواهد شکست.

با توجه به کمتر بودن تنش فشاری اعمال شده نسبت به تنش مجاز، ایمنی ستون در حالت شکست فشاری تایید می شود. به این ترتیب، باید احتمال کمانش را مورد بررسی قرار دهیم.

طراحی دستی ستون فولادی برای اطمینان از عدم شکست تحت کمانش:
یکی دیگر از حالت های احتمال شکست ستون فولادی، رخ دادن کمانش در آن است. به منظور محاسبه کمانش در ستون فولادی مستطیلی شکل، ابتدا مقدار کمانش بحرانی را با توجه به رابطه زیر محاسبه می کنیم:

مقدار مدول الاستیسیته فولاد A36 برابر 200 گیگاپاسکال یا 106*200 کیلونیوتن بر متر مربع است. ممان اینرسی، تابعی از سطح مقطع ستون است. به منظور محاسبه این پارامتر برای مقطع توخالی مستطیلی شکل می توان از رابطه زیر استفاده کرد.

• bo: عرض خارجی.
• bi: عرض داخلی.

به این ترتیب، ممان اینرسی ستون برابر با 7-10*8.67 خواهد بود. با قرار دادن مقادیر به دست آمده در رابطه کمانش خواهیم داشت:

مقدار کمانش بحرانی محاسبه شده برابر 68 کیلو نیوتن است.

در نتیجه، به دلیل بیشتر بودن بار اعمال شده (200 کیلو نیوتن) از کمانش بحرانی (68 کیلو نیوتن)، ستون انتخاب شده با شکست ناشی از کمانش مواجه خواهد شد.

به این ترتیب، باید یک یا چند پارامتر موثر در طراحی (نوع فولاد، شکل مقطع، ابعاد مقطع و ارتفاع) را تغییر داد و محاسبات را دوباره تکرار کرد.