بررسی 2 فرمول محاسبه ستون فلزی
دسترسی سریع به محتوای این مطلب
ستون ها بخش هایی از سازه هستند که بیشتر وظیفه تحمل بارهای فشاری را بر عهده دارند. به همین دلیل، آن ها را با عنوان « Compression Member» یا عضو فشاری می شناسند. ساخت ستون ها بر اساس آیین نامه های مختلفی انجام می شود تا بتواند بار وارد را تحمل کند. همچنین باید در برابر زلزله پایداری خود را حفظ کند تا بخش های مختلف ساختمان از جمله سقف ها به صورت آوار تخریب نشوند. به همین دلیل، از فرمول محاسبه ستون فلزی استفاده می شود.
برای ساخت ستون های فلزی، از مقاطع فولادی مختلف، همچون تیرآهن، ورق و … استفاده می شود. به همین دلیل، قیمت تیرآهن و مقاطع فولادی مورد استفاده، نقش تعیین کننده ای در هزینه تمام شده پروژه دارد. اگر شما قصد احداث سازه ای را دارید و برای محاسبه ستون فلزی، به اطلاعات بیشتری نیاز دارید، ادامه مطلب را از دست ندهید.
آیین نامه های ساخت ستون فلزی
برای احداث ستون فلزی در سازه های مختلف، آیین نامه های داخلی و بین المللی مختلفی وجود دارد. یکی از مهم ترین آیین نامه های داخلی، «مبحث ششم مقررات ملی ساختمان» است که بارهای وارد بر ساختمان را مورد بررسی قرار می دهد. هر چه بار و نیروی بیشتری به سازه وارد شود، طراحی ستون هم تغییر می کند. آیین نامه دیگری که در این باره وجود دارد، «مبحث دهم مقررات ملی ساختمان» که به اجرای سازه های فولادی اشاره دارد.
اما آیین نامه ای که بیشتر روی مباحث مربوط به زلزله تاکید دارد، استاندارد 2800 است. ساختمان در حالت عادی، باید در برابر بارهای وارده مقاوم باشد. اما در زمان زلزله، نیروهای اضافه تری به سازه وارد می شود. به همین دلیل، باید تمهیدات لازم برای مقاومت ساختمان در برابر زلزله اعمال شود.
علاوه بر استانداردهای داخلی، آیین نامه های بین المللی هم برای طراحی و اجرای ستون استفاده می شود. از جمله این آیین نامه ها، می توان به استاندارد اروپا Eurocode 3 – EN1993، استاندارد بریتانیا BS5950 و استاندارد آمریکا ANSI/AISC-360 اشاره کرد.
رعایت تمام این استانداردها برای این است که ستون در برابر بار فشاری و کمانش مقاوم باشد. در این صورت، ستون ها دچار شکست یا کمانش نخواهند شد. اما قبل از بررسی شیوه های مختلف طراحی ستون و فرمول محاسبه ستون فلزی، بیایید تا با انواع کمانش در ستون ها آشنا شویم. این موضوع، به شما کمک می کند تا با نتیجه طراحی نامناسب ستون آشنا شوید و با رفع آن ها، به بهترین ستون برای سازه خود برسید.
ناپایداری ستون ها یا پدیده کمانش
منظور از کمانش ستون (Buckling)، زمانی است که بارهای وارد بر آن به حدی می رسد که آن را نمی شکند؛ اما آن را خم می کند. در واقع، این حالت قبل از شکستگی ستون رخ می دهد. دلیل ایجاد کمانش، بارگذاری اضافی روی مقطع است.
معمولا در ساخت ستون ها، از تیرآهن استفاده می شود. زمانی که طول تیرآهن بیش از حد بلند باشد؛ یا سطح مقطع آن کوچک تر از مقدار لازم باشد، در اصطلاح، به آن تیرآهن، لاغر می گویند. هر چه نسبت لاغری تیر در برابر فشار و بار وارد بیشتر باشد، احتمال کمانش بالا می رود.
اگر بخواهیم برای این موضوع مثال بزنیم، می توانیم به سازه های ماکارونی اشاره کنیم. فرض کنید یک وزنه 100 گرمی را روی سه رشته ماکارونی با طول های 5، 10 و 20 سانتی متر قرار دهیم. قاعدتا رشته ای که طول بیشتری دارد، بیشتر دچار کمانش می شود و در معرض شکستگی قرار می گیرد. حالا اگر در این مثال، رشته های ماکارونی کنار هم قرار بگیرند تا سطح مقطع افزایش یابد، مقدار کمانش به طور چشمگیری کم می شود. این مثال، تاثیر طول و اندازه سطح مقطع ستون را بیشتر مشخص می کند.
کمانش به سه صورت کلی رخ می دهد. این سه حالت عبارتند از: کمانش موضعی، جانبی و واپیچشی. در کمانش جانبی، بدون آن که مقاطع مورد استفاده در ستون ها تغییر شکل پیدا کنند، سازه دچار تغییر مکان می گردد. اما در کمانش موضعی، خود مقطع تغییر شکل و حالت می دهد و گاهی به صورت «شکم دار» دیده می شود. سومین حالت، کمانش واپیچشی است که ترکیبی از دو حالت قبل است.
شیوه های مختلف طراحی ستون
برای طراحی ستون ها، دو شیوه اصلی استفاده می شود. یکی از آن ها، که بیشتر توسط افراد حرفه ای و خبره انجام می شود، طراحی ستون به شیوه تجربی است. در این حالت، بر اساس نوع سازه، تعداد طبقات و مصالح مورد استفاده، ستون طراحی می شود.
اما روش دوم، به عنوان طراحی دستی ستون شناخته می شود. در این حالت، از فرمول محاسبه ستون فلزی استفاده می شود. این روش، دقت بالاتری دارد و نتیجه کار، مطمئن تر خواهد بود. در ادامه، این فرمول ها را مورد بررسی قرار می دهیم.
فرمول محاسبه ستون فلزی پایدار
اولین فرمول محاسبه ستون فلزی، برای به دست آوردن مقاومت فشاری مورد استفاده قرار می گیرد. در این فرمول، دو معیار فشار و سطح مقطع استفاده می شوند. نتیجه حاصل، عددی است که مقاومت فشاری اعمال شده بر سطح مقطع را نشان می دهد. زمانی که این عدد به دست آمد، آن را با مقاومت فشاری فلز مورد نظر (فلزی که ستون از آن ساخته شده) مقایسه می کنیم. در نتیجه، می توان فهمید که آیا نیروی وارد، می تواند ستون را با مشکل مواجه کند یا خیر.
فرمول محاسبه مقاومت فشاری به صورت زیر است:
در این فرمول، P نشان دهنده نیروی وارد بر ستون (برحسب کیلو نیوتون) و A مساحت مقطع (بر حسب متر مربع) آن است. از آن جایی که ستون ها به صورت تو خالی هم طراحی می شوند، بنابراین باید مساحت بخش داخلی آن را از قسمت خارجی کم کرد.
مثلا اگر بخش داخلی ستون فولادی مربعی با ارتفاع 5 متر و طول 100 میلی متر و بخش خارجی آن، مربعی با اضلاع 120 میلی متری باشد، عدد A در این فرمول، برابر با 0.0044 متر مربع خواهد بود. اگر بر این ستون، نیرویی معادل 250 کیلو نیوتون وارد شود، σ نهایی حدود 56819 کیلو نیوتون بر متر مربع خواهد بود. حالا با مقایسه این عدد با مقاومت فشاری فولاد که 250 هزار کیلو نیوتون بر متر مربع است، می توان فهمید که ستون پایداری خود را حفظ می کند و نمی شکند.
اما مسئله بعد، کمانش ستون است. برای فهمیدن این موضوع که ستون مورد نظر در برابر همان نیرو دچار کمانش می شود یا خیر، سراغ فرمول محاسبه بار بحرانی می رویم:
در این فرمول، π مقدار ثابتی است. منظور از E، مدول الاستیسیته فلزات است که برای فولاد، معادل با 200 ضرب در 10 به توان 6 کیلو نیوتون بر متر مربع است. I نشان دهنده ممان اینرسی سطح مقطع ستون است. قسمت آخر این فرمول، L است که نشان دهنده ارتفاع ستون است.
زمانی که اعداد را در این فرمول جایگذاری کنیم, عددی به دست می آید. این مورد را با نیروی وارد بر ستون مقایسه می کنیم. از این طریق، می توان فهمید که آیا ستون با این نیرو، دچار کمانش می شود یا نه.
نتیجه گیری
ستون ها نقش مهمی در مقاومت و پایداری سازه در برابر نیروهای وارد بر ساختمان دارند. به همین دلیل، طراحی آن ها باید با دقت خاصی انجام شود. در این مسیر، از فرمول محاسبه ستون فلزی استفاده می شود.
در این مطلب، به بررسی این فرمول ها پرداختیم. همچنین نکاتی در مورد کمانش ستون ها بیان کردیم. امیدواریم بتوانید با استفاده از نکات گفته شده، سازه خود را طبق استانداردهای موجود بسازید. اگر در این فرایند، به مقاطع فولادی مختلف همچون تیرآهن نیاز دارید، می توانید سفارش خود را از طریق سایت اصفهان آهن ثبت کنید.