دلایل ایجاد کمانش در تیرآهن و نحوه جلوگیری از آن
دسترسی سریع به محتوای مقاله
هر سازه‌ای اگر تحت نیروها و تنش‌هایی بیش از میزان مقاومت خود قرار بگیرد، تغییر شکل داده یا بهتر بگوییم دچار کمانش یا خمیدگی می‌شود. از تیرآهن معمولاً برای ساخت تیر و ستون در سازه‌ها استفاده می‌شود. به همین دلیل هر گونه ایجاد کمانش یا خمیدگی در تیرآهن از اهمیت بسیار بالایی در امنیت و استحکام سازه برخوردار است چرا که در دراز مدت می‌تواند باعث تخریب سازه شود.
به همین دلیل به مهندسان سازه تأکید می‌شود که دقت بالایی در طراحی ابعاد تیرآهن‌ها داشته باشند و هم چنین در هنگام خرید تیرآهن از استاندارد بودن مشحصات فنی آن مطمئن شوند. از این رو عدم دقت به مشخصات فنی و توجه به قیمت تیرآهن ارزان‌تر می‌تواند از دلایل اصلی کمانش تیرآهن باشد. در صورت نیاز به اطلاع از قیمت روز تیرآهن می‌توانید به لیست قیمت مراجعه کنید.
در ادامه به دلایل ایجاد کمانش در تیرآهن و روش‌های جلوگیری از آن می‌پردازیم.
خمیدگی و کمانش تیرآهن چیست؟
مقاومت اعضای فلزی سازه تحت نیروهای فشاری در مرز بین محدوده الاستیک و پلاستیک فلز مشخص می‌شود. کمانش (Buckling) تیرآهن زمانی رخ می‌دهد که این سازه تحت فشارها و تنش‌هایی بیش از میزان مقاومت خود و بیرون از این محدوده قرار گیرد. به این ترتیب بنا بر علم سازه وقتی یک تیرآهن به حداکثر مقاومت فشاری خود برسد (تنش تسلیم)، پیش از شکستن دچار پدیده کمانش (خم یا انحنا) می‌شود.
تنش تسلیم به حداکثر تنشی گفته می‌شود که تیرآهن با عبور از آن با تغییر شکل پلاستیک و دائمی مواجه می‌شود. به این ترتیب چنانچه تیرآهن در کمانش مقاومت خود را از دست بدهد می‌تواند دچار تخریب و شکست شود.
دلایل بروز کمانش یا خمیدگی تیرآهن
به صورت دلیل اصلی بروز کمانش تیرآهن اعمال بارهای اضافی بر مقطع سازه است. این بارهای اضافی عامل کمانش می‌تواند به دلایل زیر رخ دهد:
- لاغری تیرآهن نسبت به طول (هر چه سطح مقطع تیرآهن بزرگ‌تر احتمال کمانش نیز کمتر)
- انعطاف پذیری مقاطع فولادی باز و ایجاد کمانش پیچشی جانبی
- بارهای فشاری محوری بیش از حد
- عدم استفاده از مهاربندها و اعلام بارهای اضافی به تیرها
- عدم محاسبات صحیح در محل و نقطه اعمال نیرو بر روی تیرآهن
- استفاده از تیرآهن با مشخصات غیراستاندارد و وزن سبک
- قرار گرفتن در معرض عوامل محیطی از جمله رطوبت و تابش مستقیم
- ضعف در جوشکاری یا جوشکاری بیش از حد
- عوامل طبیعی مانند زلزله، طوفان یا سیل
نقش مهندسان سازه در پیشگیری از رخ دادن کمانش
یکی از مهم‌ترین دلایل کمانش تیرآهن عدم انتخاب درست در ابعاد آن و لاغری تیرآهن نسبت به طولان است. مهندسان سازه می‌توانند با محاسبات دقیق بهترین انتخاب تیرآهن را از نظر ابعاد و مشخصات فنی ارائه دهند. از این رو کاهش نسبت لاغری تیرآهن در محاسبات و بارگذاری در امتداد محور اصلی برشی نقش مهمی در پایداری سازه و جلوگیری از کمانش تیرآهن دارد.
هرچند خرید تیرآهن با مشخصات فنی استاندارد تکمیل‌کننده این محاسبات است. هم چنین ارائه روش های تقویت سازه نیز از دیگر کارهایی است که مهندسان می‌توانند برای پیشگیری از رخ دادن کمانش پیشنهاد دهند.
مهم‌ترین روش‌های تقویت سازه برای جلوگیری از کمانش شامل موارد زیر است:
- استفاده از مهاربندی‌ها موضعی و مهاربندها در طول تیر و ستون فلزی
- استفاده از ورق‌های فولادی برای تقویت بال تیرآهن
- استفاده از ژاکت بتنی برای تقویت تیرآهن
- استفاده از نبشی و رکابی، الیاف پلیمری و انواع سخت کننده‌ها برای تقویت سازه
- تقویت تیرآهن با پیش تنیدگی خارجی
- استفاده از میراگر برای تقویت تیرآهن
نکته: تیرآهن‌های IPE از پرکاربردترین انواع تیرآهن در بازار ایران بوده که به دلیل داشتن بال و جان نازک، بسیار مستعد کمانش هستند.
مراحل کمانش تیرآهن
مراحل کمانش در تیرها به صورت زیر رخ می‌دهد:
1. ایجاد تنش‌های فشاری 2. حرکت بارهای فشاری به سمت بال تیر 3. ناپایداری تیر در نقاط بحرانی و خارج شدن از محور خود 4. ایجاد کمانش نقطه‌ای یا طولی 5. کاهش ظرفیت باربری تیر به دلیل ایجاد کمانش 6. افزایش سرعت کمانش در صورت نبود مهاربندی درست و کافی 7. رخ دادن شکست به دلیل ناپایداری بیش از حد در تیر
روش های جلوگیری از کمانش تیرآهن
کمانش باعث کاهش استحکام و ایمنی سازه شده و می‌تواند در دراز مدت باعث تخریب سازه شود. از این رو پیشگیری از کمانش تیرآهن در تیر و ستون‌های فلزی می‌تواند باعث افزایش ایمنی ساختمان شود. روش‌های جلوگیری از کمانش تیرآهن در تیر و ستون فلزی شامل موارد زیر می‌شود:
- طراحی دقیق و رعایت مقررات مهندسی
- استفاده از تیرآهن‌های با وزن و مشخصات تولید استاندارد
- محاسبات دقیق و کنترل بارگذاری با استفاده از حسگرها
- استفاده از مهاربندها و تقویت کننده‌ها در نقاطی با خمش و کمانش بالا
- تغییر شکل ظاهر تیرآهن مانند تیرآهن لانه زنبوری
- استفاده از فناوری‌های پیشرفته و روز
آشنایی با انواع خمیدگی تیرآهن
میزان مقاومت تیرآهن در برابر کمانش به عوامل گوناگونی نظیر طول، سطح مقطع، شکل، میزان انعطاف پذیری و صلبیت، شرایط تکیه‌گاهی و… بستگی دارد. هرچه طول تیرآهن بیشتر و سطح مقطع آن باریک‌تر باشد، عضو مقاومت کمتری در برابر بارهای فشاری و پدیده کمانش دارد. هم چنین هرچه خاصیت کشسانی تیرآهن کمتر و صلبیت آن بیشتر باشد، احتمال شکست آن در برابر بار بحرانی کمانش بیشتر می‌شود. نکته: بار بحرانی کمانش بیشترین مقدار باری است که تیرآهن بدون کمانش می‌تواند آن را تحمل کند.
کمانش یا خمیدگی در تیرآهن به دو نوع زیر تقسیم می‌شود:
- کمانش کلی به معنای انحراف و تغییر شکل یکپارچه با نسبت‌های مشخص در کل طول تیرآهن
- کمانش موضعی به معنای خمیدگی در برخی نقاط خاص مقطع مانند نقاط اعمال نیروها
هم چنین خود کمانش نیز به انواع زیر تقسیم می‌شود:
- کمانش خمشی به عنوان رایج‌ترین حالت کمانش
- کمانش پیچشی
- کمانش پیچشی- خمشی
سخن پایانی
در این مقاله مفهوم کلی کمانش، عوامل مهم و راه‌ها پیشگیری از آن معرفی و بررسی شدند. کمانش یکی از پدیده‌های مخرب در مهندسی عمران و سازه است که در صورت عدم مهار آن می‌تواند باعث تخریب سازه شود. استفاده از متریال مناسب و تیرآهن استاندارد، طراحی دقیق، تقویت تیرآهن و ... از جمله مواردی هستند که می‌توانند مانع از ایجاد کمانش در سازه شوند.
به صورت کلی استفاده از تیرآهن مرغوب یکی از مهم‌ترین روش‌ها برای افزایش ایمنی سازه و جلوگیری از کمانش به شمار می‌رود. تیرآهن‌ها در ایران با مشخصات فنی مختلفی تولید می‌شوند که باعث تفاوت در وزن و مقاومت هر یک از انواع تیرآهن‌ها می‌شود.
برای کسب اطلاعات بیشتر می‌توانید با کارشناسان فولاد ایرانیان تماس گرفته و از مشاوره رایگان برای خرید تیرآهن مناسب استفاده کنید.