شکل پذیری و رفتار خرابی شبکه های دولایه فضاکار

مطالعه پارامترهای موثر در شکل پذیری و رفتار خرابی شبکه های دولایه فضاکار

چکیده

شبکه های دولایه فضاکار سازه هایی با سختی بالا و وزن کم می باشند که از آنها اغلب برای پوشش دهانه های وسیع استفاده می شود.این نوع از خرپاهای فضایی غالبا دارای رفتار خرابی تردند به طوریکه خرابی یک عضو و یا بخشی از سازه می تواند در کل سازه منتشر شده و باعث بروز خرابی پیشرونده شود.
درصورت تامین شکل پذیری کافی،خرابی های ایجاد شده بصورت موضعی باقی مانده واز انتشارخرابی درکل سازه جلوگیری بعمل می آید.
از این رو مطالعه ی رفتارخرابی وعوامل موثر بر شکل پذیری در این سازه ها از اهمیت بالایی برخوردار است.

پارامترهایی همچون لاغری اعضا، نسبت دهانه به عمق، شرایط تکیه گاهی ،تعداد چشمه و میزان ناکاملی اولیه ی اعضا از پارامترهای مهم موثر بر شکل پذیری شبکه های دولایه ی فضاکار بوده که در این تحقیق اثر آن ها بر رفتار خرابی مدل های نمونه ای از شبکه های دولایه ی فضاکار تحت عنوان شبکه های انحراف دار مورد مطالعه قرار گرفته است.
براساس نتایج حاصله پیشنهاداتی جهت دستیابی به رفتارخرابی شکل پذیروکاهش احتمال وقوع خرابی پیشرونده دراین سازه هاارائه شده است.

کلید واژه ها : شبکه های دولایه ی فضاکار،شکل پذیری، خرابی پیشرونده، پایداری، رفتار پس کمانشی،ناکاملی اولیه ی اعضا.

  • مقدمه

شبکه های دولایه فضاکار بنابه تعریف سیستم خاصی متشکل ازدوشبکه موازی بالایی وپایینی هستندکه اتصال این دوشبکه توسط اعضای مورب یاقائم جان انجام میگیرد.این سازه ها غالبا دارای رفتارخرابی ترند.
تردبودن رفتار خرابی این نوع ازخرپاهای فضایی خطروقوع خرابی پیشرونده دراین سازه هارا افزایش میدهد.
ادعای تردبودن رفتارخرابی این سازه هابعدازخرابی سقف سالن ورزشی هارتفورد درسال1978به تاییدرسید،زیرادرتحقیقات انجام شده معلوم شده که خرابی پیشرونده دراین سازه تنهادرچند ثانیه وبدون هیچ گونه هشدارقبلی اتفاق افتاد.در شبکه های دولایه ی فضاکار انتقال بارعمدتابه صورت نیروی محوری بوده وخرابی اعضا درآنها براثرتسلیم درکشش ویا کمانش درفشارصورت میگیرد.

با ارزیابی مشخصات پس بحرانی رفتاراعضای کششی وفشاری تعیین رفتار سازه پس از خرابی عضو ویا اعضایی ازآن امکان پذیر بوده ومیتوان به بررسی ومطالعه ی رفتارخرابی سازه وامکان وقوع خرابی پیشرونده دراین سازه ها پرداخت.

مطالعات انجام شده نشان میدهداعضای فشاری که دارای لاغریهای متوسط (حدود80)هستندپس ازکمانش دچارافت ظرفیت بسیارشدیدی میشوند ورفتار پس کمانشی تردی را ازخود نشان میدهند که این امردر پایداری سازه وگسترش خرابی درآن نقش مهمی را ایفا میکند.این مطالعات همچنین بیانگرآن است که دراعضای فشاری با دور شدن ازمحدوده لاغری های متوسط مسیر پس کمانشی آنهابه شکلی هموارو رفتاراین اعضا نرم وشکل پذیرخواهد شد.

باتوجه به ارتباط شکل پذیری و پدیده ی خرابی پیشرونده در شبکه های دو لایه فضاکار بررسی شکل پذیری وعوامل موثر بر آن دراین سازه ها ضروریست.بنابراین در این تحقیق به مطالعه ی رفتار خرابی وشکل پذیری در شبکه های دو لایه ی فضاکار پرداخته شده و برای این منظور چندین مدل از شبکه های دولایه ی فضاکار در نظرگرفته شده است وتاثیر پارامترهایی همچون لاغری اعضا،نسبت دهانه به عمق،شرایط تکیه گاهی،تعداد چشمه ومیزان ناکاملی اولیه ی اعضا بر رفتارخرابی آنها مورد مطالعه قرار گرفته وبنا به نتایج حاصله پیشنهاداتی جهت دستیابی به رفتار خرابی شکل پذیر در این سازه ها ارائه شده است.

  • مطالعه ی پارامتریک

2-1 . طراحی مدل های نمونه

برای تعیین رفتار خرابی شبکه های دولایه ی فضاکار و مطالعه ی شکل پذیری در آنها، 27 مدل از این سازه ها با پلان مربعی و از نوع شبکه های انحراف دار مورد بررسی قرار می گیرد. طراحی مدل های نمونه تحت بار مرده ی( پوشش+ اتصالات) 50 کیلوگرم بر مترمربع و بار زنده ی ( برف) 200کیلوگرم بر مترمربع صورت گرفته است.دراین مدل ها بار گسترده ی یکنواخت درمساحت بارگیرهر گره لایه ی بالایی ضرب ومقادیر متناظربصورت متمرکز برگره های لایه ی فوقانی اعمال شده است.
اعضای این مدلها ازمقاطع لوله ای انتخاب شده که تنش تسلیم،ضریب ارتجاعی مصالح وضریب پواسن بترتیب240N/mm2 و210000N/mm2و0.3فرض شده است.

مشخصات مدل های نمونه و نتایج تحلیل الاستیک آن ها در جدول 1 آمده است.

2-2. مدل سازی رفتار اعضا

برای انجام تحلیل خرابی برروی شبکه های دولایه فضاکار مدلهای نمونه چنان که اشاره شده ابتدا بایدرفتاراعضای سازه تعیین شود.
در تحقیق حاضر رفتار بار محوری- تغییر مکان محوری اعضا در کشش به صورت الاستو پلاستیک کامل در نظر گرفته شده است و بدین ترتیب از افزایش اندک ظرفیت عضو پس از رسیدن به حد تسلیم به دلیل سخت شدگی کرنش صرفنظر شده است.براساس واکنش بارمحوری- تغییر مکان محوری عضو فشاری( شکل 1- الف) و به کمک روش خطی سازی تکه ای –خطی( خطی سازی قطعه به قطعه) می توان رابطه ی ایده آلی تنش- کرنش محوری هر عضو را تعیین کرده  و در تحلیل خرابی سازه مورد استفاده قرار داد.
برای نمونه رابطه ی ایده آلی تنش –کرنش محوری اعضای مدل های GCi،GC2،GC3در شکل 1- ب نشان داده شده است.

همچنین مشخصه های باربرداری الاستیک پس ازکمانش فشاری وتسلیم کششی نیزدرشکل1-ب به صورت پیکان وباخط چین نمایش داده شده است.

2-3. تحلیل رفتار خرابی شبکه های دولایه ی فضاکار

تحلیل استاتیکی غیرخطی نموی (Incremental)برای تعیین شکل پذیری سازه ها انجام گرفته است.
روش کار بدین صورت است که بارهای یکنواخت متمرکز قائم وارده برگره های لایه ی بالایی شبکه ی دولایه ی فضاکار به مرور افزایش داده می شودتا اینکه تعدادی از اعضای سازه بر اثر کمانش در فشار و یا تسلیم در کشش خراب شوند،با ادامه ی بارگذاری و دنبال نمودن مسیر تعادل استاتیکی سازه،تعداد بیشتری از اعضای سازه خراب شده و این روند تا رسیدن کل سیستم به مکانیسم ادامه می یابد.
بعد ازتحلیل استاتیکی غیرخطی با ترسیم منحنی بار-تغییرمکان(مانند شکل فرضی 2) برای گره میانی لایه ی پایین در شبکه ی دولایه ی فضاکار واستخراج تغییر شکل نهایی(Du)وتغییرشکل متناظربا تسلیم(Dy)،ضریب شکل پذیری از رابطه ی زیر محاسبه می شود :

  • بررسی نتایج

3-1. نتایج تحلیل استاتیکی و ترتیب خرابی اعضا در مدل های نمونه

ترتیب و موقعیت خرابی اعضای سازه های GCIوGE28به ترتیب درشکل های 3-الف وب،به نمایش گذاشته شده اند.

شبکه های دولایه فضاکار

همچنین نتایج واکنش استاتیکی بار- تغییرمکان مدلهای نمونه در جدول 2 آورده شده است.
نتایج حاصله بیانگر آن است که درحالت تکیه گاه های گوشه ای مطابق شکل3-الف،شروع خرابی ازاعضای خارجی لایه ی بالایی بوده وانتشارخرابی به سوی اعضای داخلی شبکه است.
همچنین درحالت تکیه گاههای محیطی مطابق شکل3-ب ،خرابی ازقسمت میانی سازه شروع وبه تدریج به قسمت های خارجی انتشارمی یابد.

3-2. بررسی تاثیر لاغری

شبکه های GC2،GC11و GC20 با لاغری های مختلف اعضا در نظر گرفته شده اند.
واکنش استاتیکی بار- تغییرمکان وتغییرات شکل پذیری وظرفیت باربری این مدل ها در نمودارهای شکل4 نمایش داده شده است.

با مطالعه ی نتایج حاصله ملاحظه میگردد،با کاهش لاغری اعضا شکل پذیری سازه  ظرفیت باربری آن افزایش یافته است
ودلیل این امراین است که باکاهش لاغری اعضا مسیرپس کمانشی آنهابصورت نرم وشکل پذیردرمی آید ودرنتیجه شکل پذیری سازه بالامیرود.

3-3. بررسی تاثیر نسبت دهانه به عمق

شبکه های GC1،GC2و GC3 با نسبتهای دهانه به عمق مختلف در نظر گرفته شده اند.
واکنش استاتیکی بار- تغییرمکان و تغییرات شکل پذیری وظرفیت باربری این مدل ها درنمودارهای شکل5 نمایش داده شده است.

با مطالعه ی نتایج حاصله ملاحظه میگردد، با افزایش نسبت دهانه به عمق شکل پذیری سازه و ظرفیت باربری آن افزایش یافته است زیرا افزایش نسبت دهانه به عمق باعث کاهش لاغری اعضای سازه شده و در نتیجه لاغری اعضا از محدوده ی لاغریهای متوسط دور می شود و رفتار پس کمانشی اعضای فشاری نرم و یکنواخت گردیده و بنابراین شکل پذیری سازه بالا می رود.

3-4. بررسی تاثیر شرایط  تکیه گاهی

برای بررسی تاثیر شرایط تکیه گاهی بر رفتار خرابی شبکه های دولایه ی فضاکار، مدل های GC1( با شرایط تکیه گاهی گوشه ای)و GE28(با شرایط تکیه گاهی محیطی) که دارای نسبت دهانه به عمق 12 وتعداد چشمه ی 8*8 می باشند در نظر گرفته شده است.واکنش استاتیکی بار- تغییر مکان و تغییرات شکل پذیری و ظرفیت باربری این مدل ها در نمودارهای شکل 6 نمایش داده شده است.

با مطالعه ی نتایج حاصله ملاحظه می گردد، کاهش مقاومت ناشی از کمانش اعضا در حالت تکیه گاههای گوشه ای عموما شدیدتر از حالت تکیه گاههای محیطی است و بنابراین همچنانکه مشاهده می شود در شرایط یکسان، شبکه ی دولایه ی فضاکار با شرایط تکیه گاهی محیطی، شکل پذیری بالاتری را با وزن سازه ای کمتر، نسبت به سازه ی با شرایط تکیه گاهی گوشه ای می دهد
که علت این امر میتواند درجه ی نامعینی استاتیکی بالاترومسیرهای انتقال باربیشتری باشد که درشرایط تکیه گاهی محیطی فراهم میشود.

3-5. بررسی تاثیر ناکاملی اولیه

رفتار خرابی شبکه های دولایه فضاکار از حساسیت شدیدی نسبت به ناکاملی اولیه ی اعضا برخوردار است.
برای مطالعه ی تاثیر میزان ناکاملی اولیه ی اعضا برروی رفتار خرابی شبکه های دولایه ی فضاکار آنالیز استاتیکی غیرخطی مدلGE28بازای مقادیرناکاملی0.001L،0.005L،0.01L،0.02Lانجام گرفته است.
در نمودارهای شکل7واکنش استاتیکی بار- تغییر مکان وتغییرات شکل پذیری وظرفیت باربری این مدل ها نمایش داده شده است.

با مطالعه ی نتایج حاصله ملاحظه میگردد، با افزایش ناکاملی اولیه ی اعضای شبکه های دولایه فضاکار بار خرابی سازه کاهش یافته و رفتار خرابی سازه از شکل پذیری بیشتری برخوردار می شود که این امر ناشی از کاهش بار کمانشی و افزایش شکل پذیری رفتار پس کمانشی عضو فشاری با افزایش ناکاملی اولیه ی آن می باشد.

  • نتیجه گیری

اهم نتایج حاصل ازمطالعات انجام شده برروی رفتار خرابی نمونه های سازه ای مورد بررسی در این تحقیق عبارتنداز:

  • در شبکه های دولایه فضاکار با تکیه گاههای گوشه ای بحرانی ترین اعضاء اعضای ردیف های کناری می باشند، اما در شبکه های دولایه فضاکار با تکیه گاههای محیطی بحرانی ترین اعضاء اعضا میانی لایه ی بالایی می باشند.
  • با کاهش لاغری اعضا و دور شدن از محدوده ی لاغریهای متوسط به دلیل اینکه رفتار پس کمانشی این اعضا نرم می شود شکل پذیری سازه و ظرفیت باربری آن افزایش می یابد. بنابراین کنترل نسبت لاغری و احتراز از بکارگیری اعضای با لاغری متوسط جهت دستیابی به رفتار خرابی شکل پذیر در شبکه های دولایه فضاکار توصیه می شود.
  • افزایش تعداد چشمه باعث کاهش لاغری اعضا و افزایش شکل پذیری و ظرفیت باربری سازه می شود.
  • با تبدیل تکیه گاههای گوشه ای به محیطی در این سازه ها وزن سازه به شدت کاهش و شکل پذیری آن افزایش می یابد که علت این امر می تواند درجه ی نامعینی استاتیکی بالاتر و مسیرهای انتقال بار بیشتری باشد. که در حالت تکیه گاههای محیطی فراهم می شود.بنابراین در شبکه های دولایه فضاکاراستفاده ازشرایط تکیه گاههای محیطی جهت دستیابی به سازه ای باوزن کم وشکل پذیری بالا قابل توصیه است.
  • با افزایش ناکاملی اولیه ی اعضای این سازه ها، بارخرابی سازه کاهش یافته و رفتار خرابی آن از شکل پذیری بیشتری برخوردار می شود.بنابراین پیشنهاد می شود که در عمل، اعضای بکار رفته در شبکه های دولایه فضاکار را می توان با ناکاملی اولیه ساخت مشروط براینکه اثرات این ناکاملی ها را در طراحی سازه منظور نمود.

تهیه کنندگان : ابراهیم عباسی،محمدرضا شیدایی،سعید تاروردیلو

Copyright 2016