شرکت فضا سازه
مقاله
کاربرد چدن آستمپرشده(ADI) در ساخت اتصالات نیامی سازه های فضاکار
شرح مقاله

کلید واژه ها:اتصال نیامی،سازه های فضاکار،روش عناصر محدود،شبکه دو لایه،آزمایش،چدن آستمپر شده(ADI)

چکیده

در سال های اخیر در صنعت ساختمان،سازه هایی موسوم به سازه های فضاکار با توجه به کاربرد وسیعشان از اهمیت ویژه ای برخوردار شده اند. امروزه،با ظهور کامپیوترها در عرصه محاسبات فنی،پیشرفت چشمگیری در زمینه های آنالیز،طراحی و ساخت این نوع سازه ها بوجود آمده است.چنانکه در راستای این پیشرفت،در سازه های فضاکار امکان استفاده از هر نوع مصالحی حاصل شده است:مصالحی از قبیل فولاد،آلومینیوم،چوب،بتن،شیشه و یا ترکیبی از آن ها.اما چنانکه می دانیم چدن ها با توجه به مقاومت و شکل پذیریشان،کاربرد چندانی در صنعت ساختمان بعنوان اعضای سازه ای نداشته اند.اما امروزه با پیشرفت تکنولوژی چدن هایی با مقاومت بسیار بالا و شکل پدیری مناسب تولید می گردند که با توجه به ارزان بودن آن ها، می توانند جایگرین فولادهای فورج شده با مقاومت بالا گردند. از جمله این چدن ها، چدن آستمپر شده(ADI) می باشد.در مطالعه حاضر،کاربرد این  چدن را در اتصالات نیامی سازه های فضاکار مورد بررسی قرار داده ایم.سیستم مذکور،نوع خاصی از سیستم اتصالات پیونده ای سازه های فضاکار است.با توجه به نیازی که در این نوع اتصالات ،به مصالحی با مقاومت بالا و شکل پذیری مناسب احساس می گردد،از اینرو استفاده از چدن آستمپر شده پیشنهاد می شود.در انتخاب یک نوع مصالح جدید برای ساخت یک قطعه نکات بسیاری باید در نظرگرفته شود که اولین گام،بررسی رفتار آن تحت بارگذاری های استاتیکی است.برای بررسی رفتار اتصال مورد نظر تحت بارگذاری های استاتیکی است.برای بررسی رفتار اتصال مورد نظر تحت بارگذاری های استاتیکی،باید اتصال ساخته می شد و تحت آزمایشات بارگذاری قرار می گرفت.اما با توجه به اینکه انجام آزمایشات بر روی اتصالات ساخته شده از ADI پرهزینه است،در مطالعه حاضر یک تحلیل غیرخطی هندسی و مصالح به روش عناصر محدود انجام شده است و برای تصدیق مدلسازی،از نتایج آزمایشگاهی اتصال فولادی استفاده شده است.با استفاده ازمدل ساخته شده،پیوند با مصالح چدنی تحت بارگذاری های مختلف آنالیز گردید.مقایسه نتایج اتصال فولادی و چدنی نشان می دهند که مقاومت اتصال چدنی تا حدود یک و نیم برابر،بیشتر از مقاومت اتصال فولادی است و از لحاظ شکل پذیری نیز،این چدن ها نسبت به فولادهای با مقاومت بالا از رفتار مناسبی برخوردار هستند.

مقدمه

در سال های اخیر در صنعت ساختمان،سازه هایی موسوم به سازه های فضاکار با توجه به کاربرد وسیعشان از اهمیت ویژه ای برخوردار شده اند.مهندسین از دیرباز به اهمیت این نوع سازه ها واقف بودند ولی بدلیل عدم وجود ابزارهای محاسباتی قوی،تحقیق و بررسی در مورد آن ها چندان امکان پذیر نبود.امروزه با ظهور کامپیوترها در عرصه محاسبات فنی،پیشرفت چشمگیری در زمینه های آنالیز،طراحی و ساخت این نوع سازه ها بوجود آمده است.از جمله عمده دلایلی که باعث پیشرفت این سازه ها شده اند.عبارتند از:پیدایش کامپیوترهای با قدرت پردازش بالا،پیشرفت تکنولوژی ساخت،عملکرد مناسب در مقابل بارها بویژه زلزله ،پوشش اقتصادی دهانه های بزرگ،کیفیت ظاهری و زیبایی و نصب سریع و آسان.در راستای این پیشرفت ها،در سازه های فضاکار امکان استفاده از هر نوع مصالحی حاصل شده است:مصالحی از قبیل فولاد،آلومینوم،چوب،بتن،شیشه و یا ترکیبی از آن ها. اما چنانکه می دانیم چدن ها با توجه به مقاومت بسیار بالا و شکل پذیرشان،کاربرد چندانی در صنعت ساختمان بعنوان اعضای سازه ای نداشته اند.امروزه با پیشرفت تکنولوژی،چدن هایی با مقاومت بسیار بالا و شکل پذیری مناسب تولید می گردند که با توجه به ارزان بودن آن ها،جایگزین مناسبی برای فولادهای فورج شده با مقاومت بالا می باشند که چدن آستمپر شده،یکی از این نوع چدن هاست.از جمله سیستم سازه های فضاکار،سیستم اتصالات نیامی می باشد.درسیستم اتصالات سازه های فضاکار از جمله سیستم هایی که از حساسیت بیشتری نسبت به تغییر شکل برخوردار هستند،سیستم اتصالات نیامی می باشد. در این سیستم با توجه به اینکه هزینه اتصالات درصد قابلا توجهی از هزینه کل سازه را در بر می گیرند،استفاده از این ماده ارزان قیمت،پیشنهاد گردید.برای بررسی رفتار اتصال نیامی چدنی،در مطالعه حاضر،یک مدل عناصر محدود در نرم افزار ANSYS ایجاد کردیم و با استفاده از تحلیل های غیرخطی هندسی و مصالح،رفتار آن را بدست آوردیم.البته برای اطمینان از صحت مدلسازی از نتایج آزمایشگاهی اتصال نیامی کاسان فولادی استفاده نمودیم.

معرفی سیستم اتصال نیامی سازه های فضاکار

عبارت"سازه های فضاکار" به سیستم های سازه ای سه بعدی اطلاق می شود.اما عموما سازه های فضاکار به خانواده ای از سازه ها از قبیل شبکه ها،چلیک ها،گنبدها،دکل ها،سازه های کابلی،سیستم غشایی،سازه های تاشو و سازه های کش بستی اطلاق می شود.سازه های فضاکار را می توان به سه دسته عمده تقسیم بندی کرد.

·         سازه های فضاکار مشبک:به سازه های فضاکاری اطلاق می شوند که از اعضای میله ای تشکیل یافته اند.

·         سازه های فضاکار پیوسته:به سازه های فضاکاری اطلاق می شوند که از دال ها،پوسته ها و بطور کلی از اعضای پیوسته تشکیل یافته اند.

·         سازه های فضاکار مختلط: به سازه های فضاکاری اطلاق می شوند که از ترکیب سازه های فضاکار مشبک و پیوسته حاصل می باشد.

با توجه به تعاریف فوق،شبکه ها،چلیک ها و گنبدها از جمله سازه های فضاکار مشبک می باشند.

سیستم اتصالات رایجی که در این نوع سازه ها بکار می روند عبارتند از :سیستم پیونده ای(Nodular System)،سیستم واحدی(Modular system) و سیستم ترکیبی(compositive System).

سیستم پیونده ای،به سیستمی اطلاق می شود که شامل یک پیونده به شکل های هندسی مختلف(گوی سان،نیامی،صفحه ای،شکافی و پوسته ای)و اعضای سازه ای است که پیونده ها بصورت حد واسطی بین اعضای سازه ای قرار می گیرند.سیستم واحدی،سیستمی است که از واحدهایی تشکیل یافته و از بهم پیوستن آن ها سیستم کامل می گردد.سیستم ترکیبی،به سیستمی اطلاق می شود که به صورت ترکیبی از دو سیستم فوق باشد.

سیستم پیونده نیامی از جمله سیستم های پیوندهای سازه های فضاکار است که شامل یک پیونده نیامی،اعضای لوله ای،پیچ و واشر می باشد.شکل(1)مقطعی ازاین سیستم را نشان می دهد.


 

سیستم پیونده نیامی که بیشتر در شبکه های با دهانه های بزرگ بکار می رود.دارای مزایایی نسبت به سایر پیونده های مشابه(پیونده های گوی سان)است.از آن جمله،با توجه به تو خالی بودن آن از وزن کمتری برخوردار بوده و همچنین از آنجا که به داخل پیونده دسترسی وجود دارد،سرپیچ اتصال دهنده در داخل پیونده قرار می گیرد و نیازی به رزوه کاری نمی باشد.مصالحی که اغلب برای پیونده این سیستم استفاده می شود،فولاد نرمه یا فولاد با مقاومت بالا می باشد.بطوریکه برای تولید آن،ورق های گرد فولادی را به روش فورج کاری به صورت مورد نظر در می آورند.در شکل (2)،نحوه فورج کاری پیوند نشان داده شده است.

 

پس از عملیات فورج کاری،عملیات سوراخ کاری صورت می گیرد و مرحله ساخت پیونده کامل می گردد.البته تولید پیونده به روش فورج کاری،مناسب برای مصالح فولادی است ولی اگر بخواهیم پیونده را از ADI بسازیم،کافی است پیونده را به شکل نهایی آن از چدن داکتیل ریخته گری کرده(و حتی محل سوراخ ها را نیز در نظر بگیریم)و سپس تحت عملیات حرارتی آستمپرینگ قرار دهیم.

معرفی چدن آستمپر شده(ADI)

چدن ها خانواده ای از آلیاژهای آهنی با خواص کاملا متنوعی هستند که اکثرا به روش ریخته گری شکل داده می شوند.برخلاف فولادها که حاوی کمتر از 2% کربن هستند،چدن ها معمولا دارای 2%تا 4% کربن و 1% تا 3% سیلیسیم می باشند.چدن ها انواع مختلفی دارند،اما با توجه به مقاومت و شکل پذیری کم آن ها،این چدن ها کاربرد چندانی در صنعت ساختمان بعنوان اعضای سازه ای نداشته اند. با پیشرفت تکنولوژی،امروزه می توان خواص این چدن ها را بنحو بسیار مطلوبی ارتقاء داد.از جمله روش هایی که برای بهبود خواص مکانیکی در چدن ها انجام می گیرد عبارتنداز: اضافه کردن عناصر آلیاژی و انجام عملیات حرارتی که این روش در اغلب موارد مقرون به صرفه است. عملیات حرارتی به روش های مختلفی انجام می شود که یکی از آن روش ها،عملیات حرارتی آستمپرینگ است که بر روی چدن داکتیل صورت می گیرد.سیکل عملیات حرارتی آستمپرینگ در شکل(3) نشان داده شده است.

 

مطابق شکل (3)،قطعه مورد نظر را تا دمای حدود 815 تا 930 درجه سانتی گراد حرارت داده و برای مدت زمان معینی آن را در این دما نگهداری می کنند.سپس دمای قطعه را به سرعت به دمای حدود 230 تا 400 سانتی گراد می رسانند و پس از گذشت زمان ماکزیمم 5/2 ساعت،دمای آن را به آرامی به دمای محیط می رسانند که بدین ترتیب، ADI حاصل می گردد.چنانکه ملاحظه می گردد با تغییر دادن دمای آستمپرینگ در محدوده دماهای ذکر شده،می توان ADI با خواص مختلفی را بدست آورد که استاندارد ASTM این نوع چدن ها را به پنج رده (Grade) تقسیم بندی می کند.در جدول(1)،این رده بندی آورده شده است.

 

چدن آستمپر شده Grade1،با مینیمم مقاومت تسلیم N/mm2   550،مینیمم مقاومت نهایی N/mm2   850 و مینیمم درصد کرنش نهایی 10%،از شکل پذیری مناسبی نسبت به سایرین برخوردار بوده و مقاومت نهایی آن بسیار بیشتر از مقاومت نهایی فولادهای با مقاومت بالا است.همچنین وزن مخصوص ADI حدود 10% کمتر از وزن مخصوص فولاد است.بنابراین با مقایسه نسبت وزن مخصوص به مقاومت تسلیم چدن آستمپر شده با آلومینیوم ها و فولادهای مختلف(مطابق شکل 4)،مزیت ADI آشکار می گردد.

 

برای نمونه،هزینه ADI،حداقل 20% کمتر از فولاد و نصف هزینه آلومینیوم برای واحد وزن آن ها می باشد.پس بنابراین اگر نسبت واحد هزینه به واحد مقاومت فلزات را مورد بررسی قرار دهیم،مزیت اقتصادی ADI آشکار خواهد شد(مطابق شکل 5)

 

بررسی رفتار اتصال نیامی از فولاد نرمه

چنانکه اشاره گردید،جهت بررسی رفتار اتصال نیامی از روش عناصر محدود استفاده گردیده است و از آنجا که روش های عددی از لحاظ دقت نتایج باید با آزمایشات عملی مورد ارزیابی قرار گیرند،از نتایج آزمایشگاهی این اتصال که قبلا انجام شده بود(توسط دکتر شاهرخ مالک)،بهره گرفته شده است.این آزمایشات بر روی دو گروه پیونده با مشخصات نشان داده شده در شکل 6 انجام گرفته بود.

 

جنس پیونده ها و مخروط های انتهایی آن ها از فولاد ST37 بوده و از دو نوع پیچ A325و Grade10.9(ISO0898) استفاده کرده اند روند آزمایشات بدین ترتیب بوده که با توجه به دستگاه آزمایش چهار محوره موجود،بارگذاری های تک محوری کششی و فشاری و بارگذاری های دو محوری فشاری-فشاری وکششی –فشاری بر روی پیونده ها انجام شده بود.درشکل 7،تصویر شماتیک حالات بارگذاری نمایش داده شده است.

 

چنانکه ملاحظه می گردد بارگذاری های انجام شده بر روی پیونده صرفا محوری است،چرا که با توجه به کاربرد آن ها در شبکه های دولایه و چند لایه ،عملا انتقال نیرو در این نوع شبکه ها،به صورت محوری می باشد.بنابراین برای چهار حالت بارگذاری فوق ،چهار مدل عناصر محدود با استفاده از نرم افزار ANSYS ایجاد شده است.این مدل ها در شکل 8 نشان داده شده اند.

 

مطابق شکل 8،در حالات بارگذاری کششی ،فقط پیچ و در حالات بارگذاری فشاری،فقط مخروط انتهایی مدلسازی شده است.چراکه عملا نیروی کششی عمدتا از طریق پیچ و نیروی فشاری عمدتا ازطریق مخروط انتهایی انتقال می یابد.همچنین برای کاهش زمان تحلیل،از تقارن هندسی و بارگذاری اتصال استفاده گردیده و در هر حالت یک چهارم پیونده به همراه یک دوم پیچ یا مخروط انتهایی مدلسازی شده است.در این مدل ها،از المان SOLID95 (المان مکعبی 20 گرهی با سه درجه آزادی در هر گره) استفاده شده و برای مصالح آن از گزینه MISO(مصالح با سخت شدگی ایزوتروپیک) استفاده گردیده است.در این گزینه از اثر بوشینگر(Bauschinger Effeect) صرف نظر گردیده و معیار تسلیم بکار رفته در آن،معیار تسلیم ون میزس(Von Mises Yield Criteria) می باشد.بر روی مدل های ساخته شده،یک تحلیل غیرخطی هندسی و مصالح انجام دادیم و نتایج حاصله را بصورت نمودارهایی ترسیم کردیم.با توجه به اینکه در آزمایشات انجام یافته،مقادیر بار و تغییر مکان در چند نقطه اندازه گیری شده بود،نتایج حاصل از مدلسازی را در همان نقاط مقایسه کردیم.نمودارهای شکل(9)،چند نمونه ازآن ها را برای حالات مختلف بارگذاری نشان می دهند.

 

در هر نمودار ،منحنی های بار-تغییر مکان حاصل از آزمایش و عناصر محدود مقایسه شده اند.مقایسه نتایج نشان می دهد که مدلسازی از دقت قابل قبولی برخوردار است.نتیجتا با استفاده از مدلسازی انجام شده،اتصال مذکور را با مصالح ADI،آنالیز کرده و رفتار آن را مورد بررسی قرار داده ایم.

بررسی رفتار اتصال نیامی از چدن آستمپر شده

با توجه به مباحث انجام شده و نیازی که در اتصالات سازه های فضاکار به مصالحی با مقاومت بالا و کم هزینه وجود دارد.چدن آستمپر شده را پیشنهاد کردیم.این چدن با مقاومت بسیار بالا،شکل پذیری مناسب و قیمت مناسب می تواند جایگزین فولادهای فورج شده در اتصالات نیامی سازه های فضاکار گردد.پر واضح است،در انتخاب یک نوع مصالح جدید برای ساخت یک قطعه ،نکات زیادی باید درنظر گرفته شود که ازجمله آنها عبارتند از:نوع و مقدار تنش هایی که به قطعه وارد می شوند و اینکه آیا تنش ها استاتیکی هستند یا دینامیکی؟ مقدار نیروی ضربه ای که به قطعه وارد می شوند و اینکه آیا تنش ها استاتیکی هستند یا دینامیکی؟ مقدار نیروی ضربه ای که به قطعه وارد می شود چقدر است؟چه قسمت هایی از قطعه ماشین کاری خواهد شد؟آیا قطعه در معرض سایش قرار خواهد داشت؟آیا احتمال خوردگی و زنگ زدگی وجود دارد؟با توجه به موارد فوق اولین گام،بررسی رفتار اتصال مورد نظر تحت بارگذاری های استاتیکی است.بدین منظور رفتار اتصال نیامی چدنی را تحت بارگذاری های استاتیکی به روش عناصر محدود مورد بررسی قرار دادیم .بطوریکه از همان مدل سازی انجام شده برای پیونده فولادی استفاده کردیم و مشخصات مصالح را با توجه به منحنی تنش-کرنش ADI،مطابق شکل(10)،اعمال نمودیم.برای بدست آوردن این منحنی،چدن ADIرا در آزمایشگاه تولید کردیم وپس از تهیه نمونه کششی،آزمایش کشش را بر روی آن انجام دادیم.

 

سایر فرضیات مدلسازی،مطابق حالت فولادی بود با این تفاوت که از پیچ ها ومخروط های انتهایی صلب استفاده نمودیم.همچنین جهت مقایسه،پیونده با مصالح ST52 را نیز مورد آنالیز قرار دادیم.نمودارهای شکل(11)منحنی بار-تغییرمکان را در هر حالت بارگذاری برای مصالح مختلف(ADI.ST52,ST37) نشان می دهند.

 

این منحنی ها،نشان می دهند که اتصال چدنی علاوه بر اینکه از مقاومت بسیار بالایی برخوردار است از شکل پذیری مناسبی نیز برخوردار بوده و می تواند جایگزین فولادهای فورج شده با مقاومت بالا گردد. برای مقایسه کمی شکل پذیری،انرژی جذب شده در پیونده،در هر حالت بارگذاری در جدول(2) آورده شده است.

 

با توجه به مقادیر جدول فوق انرژی جذب شده در حالات بارگذاری کششی و فشاری برای مصالح ST52 حدودا 10% بیشتر از ADI و برای حالت بارگذاری فشاری-فشاری انرژی جذب شده در پیوند با مصالح ADI،در حدود 5% بیشتر از ST52 می باشد. در حالت بارگذاری کششی –فشاری انرژی جذب شده در پیونده با مصالح ADI کمتر از پیوند با مصالح ST52 است ولی این انرژی بسیار بیشتر از انرژی جذب شده در پیونده با مصالح ST37 می باشد.

نتیجه گیری

در مطالعه حاضر،سیستم اتصال نیامی سازه های فضاکار مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به اینکه مصالحی که اغلب در این سیستم بکار می رود فولادهای با مقاومت بالا و گران قیمت می باشند،چدن آستمپر شده با در نظر گرفتن مقاومت بالا شکل پذیری مناسب و قیمت ارزان پیشنهاد گردید.اولین گام برای جایگزینی ADI به جای فولاد با مقاومت بالا،بررسی پیونده تحت بارگذاریهای استاتیکی است که به روش عناصر محدود صورت گرفت.نتایجی که از این تحقیق حاصل گردید به شرح زیر می باشد:

·         ADI دارای مقاومت بسیار بالا،شکل پذیری مناسب،وزن مخصوص کمتر نسبت به فولاد و هزینه کم می باشد.

·         مدل ساخته شده به روش عناصر محدود،تطابق مناسبی با نتایج آزمایشگاهی در پیونده فولادی دارد.

·         در حالت های بارگذاری فشاری،رسیدن تنش در پیونده به تنش نهایی خود،باعث خرابی اتصال می گردد.

·         در حالت های بارگذاری کششی،گسیختگی پیچ باعث خرابی اتصال می گردد.

·         مقاومت اتصال چدنی بیش از 5/1 برابر مقاومت اتصال فولادی (ST52) می باشد.

·         سختی اولیه اتصالات چدنی بمراتب کمتر از سختی اولیه اتصالات فولادی است.

·         ظرفیت باربری و سختی اولیه پیونده با مصالح فولادی و چدنی،بترتیب برای حالت های بارگذاری زیر کمتر می شود:حالت فشاری-فشاری،حالت کششی،حالن کششی-فشاری.

تهیه کنندگان:علیرضا بابائیان امینی،دکتر محمدرضا چناقلو،دکتر کریم عابدی،دکتر ساسان یزدانی

861 تعداد مرور
در سال های اخیر در صنعت ساختمان،سازه هایی موسوم به سازه های فضاکار با توجه به کاربرد وسیعشان از اهمیت ویژه ای برخوردار شده اند. خلاصه مقاله
پست الکترونيک نويسنده
نويسنده مقاله
فايل
منبع مقاله
1394/01/30 تاريخ
end
امتیازدهی
میانگین امتیازها:0 تعداد کل امتیازها:0
مشاهده نظرات تعداد نظرات : 0
ارسال نظرات
نام
آدرس پست الکترونیکی شما    
توضیحات  
تغییر کد امنیتی  
کد امنیت  
 
کلیه حقوق این وب سایت متعلق به شرکت فضا سازه نقش جهان می باشد.
Powered by DorsaPortal