چکیده

در نیم قرن اخیر جستجو برای یافتن راه حلی مناسب و اقتصادی برای پوشش دهانه های بزرگ مورد توجه مهندسان بوده و تقاضای روز افزون برای این نوع سازه ها مطالعه و تحقیق در این زمینه شدت بخشیده است. کابلهای فولادی یکی از مصالح ساختمانی است که امروزه برای پوشش فضاهای وسیع از آنها استفاده می شود و به شکل کنونی پدیده ای نسبتا جدید به شمار می آید.

سازه های کششی سازه هایی هستند که در آنها اعضای اصلی باربر، بارهای وارد را به شکل تنشهای کششی و بدون اعمال فشار یا خمش به پی یا تکیه گاهها انتقال می دهند. ابعاد سطح مقطع و طرز ساخت قطعات تشکیل دهنده این گونه سازه ها چنان است که صلابت برشی و خمشی و مقاومت کمانش آنها قابل اغماض است.بنابراین مکانیزم به کار رفته در مهار سازه های کششی باید با این خاصیت مطابقت داشته باشد.

سازه های کششی به سبب سختی اندکی خود در مقابل تغییر مکان های بزرگ تحت اثر بارهای متمرکز و تاثیرات دینامیکی از خود ضعف نشان می دهند. پاسخ آن ها ،بدون توجه به خطی بودن بارها و یا رفتار مواد،در مقابل نیروهای پیش تنیدگی و یا بارهای زنده وارده همواره غیرخطی است و به دلیل غیرخطی بودن پاسخ سازه جمع آثار نیروهای مختلف سرویس معتبر نیست. نیروهای پیش تنیدگی یکی از عوامل اصلی در تعادل استاتیکی سازه بوده و باعث تثبیت سازه و موجب سختی آن در مقابل خیز بیشتر می شوند.

در این مقاله سعی برآن است که روش تحلیل استاتیکی سازه های کششی –به ویژه سازه های کابلی- مورد بررسی قرار گرفته و فرمولهای خلاصه شده و گویا و نمودارهای تقریبی حاصل از فرض های ممکن تهیه شود. و به صورت خلاصه رفتار کابل ابتدا در مقابل بارهای متمرکز و سپس در مقابل بارهای متمرکز و سپس در مقابل بارهای گسترده مورد بررسی قرار گیرد.

کلمات کلیدی:سازه های کابلی-تغییر مکان – بارهای متمرکز – بارهای گسترده

1-    مقدمه:

سازه های کششی سازه هایی هستند که در آنها اصلی باربر بارهای وارده را به شکل تنشهای کششی و بدون اعمال فشار یا خمش به پی یا تکیه گاه انتقال می دهند. ابعاد سطح مقطع و طرز ساخت قطعات تشکیل دهنده این گونه سازه ها چنان است که صلابت برش و خمش و مقاومت کمانش آنها قابل اغماض است. این نوع سازه ها تحت اثر بارهای وارد تغییر شکل داده و بدین ترتیب از افزایش میزان تنش جلوگیری می کنند. سازه های کششی برای تحمل بارهای گسترده بسیار مناسبند و به همین سبب تعادل آنها تحت اثر بارهای مرده و زنده مطالعه می شود. چون سختی سازه های کششی کم است در مقابل بارهای متمرکز و تاثیرات دینامیکی حساسیت زیادی از خود نشان می دهند و در نتیجه تاثیرات بارهای دینامیکی مختلف را باید مطالعه کنیم.

2-کاربرد سازه های کششی:

این نوع سازه ها برای حمل بارهای مرده و زنده گسترده از قبیل باد،جریان های دریایی و نیروی رانشی ناشی از امواج به کار می روند.برخی از مزایای عضوهای کششی برای کاربرد به منزله قطعات سازه ای از این قرار است:

v    این نوع سازه ها معمولا سبک وزن بوده و به آسانی می توان آنها را حمل،نصب و تخریب کرد.

v    می توان آنها را در کارخانه در مقیاس انبوه ساخت،هزینه نصب آنها اندک است و می توان آنها را از جایی به جای دیگر انتقال داد.

v    در سازه های متکی به هوا،مکانیزم اصلی محل بار،همان محیط اطراف یعنی مخلوطی از گازهای تحت فشار است.

v    بارهای محیطی به وسیله تنش مستقیم و بدون خمش حمل می شوند.

v    عضوهای این نوع سازه ها تحت اثر بارهای وارد تغییر می دهند تا تاثیرات مقدار و الگوی بار را بهتر پذیرا باشند.

از کاربردهای زمینی این نوع سازه ها می توان به پناهگاه ها و انبارهای موقتی ،چادرهای صحرایی،سقف های آویزان و سیستم های معلق اشاره کرد.و از کاربردهای دریایی به شناور و سایر تجهیزات پشتیبانی،موج شکنها،مخرن های ذخیره شناورت یا غوطه ور وسکوهای شناور می توان اشاره نمود.

سازه های کششی به دو دسته عمده پوسته ها و کابل ها تقسیم می شوند که در این مقاله بر روی مقوله کابلها بحث خواهیم نمود.

3-رفتارسازه های کابلی:

کابل ها به سبب سختی اندک خود در مقابل تغییر مکان های بزرگ تحت اثر متمرکز و تاثیرات دینامیکی از خود ضعف نشان می دهند و پاسخ آنها بدون توجه به خطی بودن بارها و یا رفتار مواد در مقابل نیروهای پیش تنیدگی و یا بارهای کاری همواره غیرخطی است . نیروهای پیش تنیدگی به صورت عامل اصلی در تعادل استاتیکی سازه ایفای نقش کرده و باعث تثبیت سازه می شوند و موجبات سختی آن را در مقابل خیز بیشتر فراهم می سازند.

رفتار فیزیکی هر سازه کششی در حین اعمال بار را می توان به سه مرحله اصلی تقسیم نمود.

• مرحله گسترش
• مرحله پیش تنیدگی
• مرحله سرویس دهی

مرحله گسترش که در آن سیستم کابل از حالت فشرده اولیه باز شده و به وضعیت شروع کرنش می رسد.در مرحله پیش تنیدگی سیستم کابل تحت اثر نیروهایی از قبیل بار مرده ،فشار هوا و یا دیگر بارهای ثابت به حالت تعادل اولیه می رسد.و در مرحله سرویس دهی سیستم کابل کاملا پیش تنیده در معرض بارهای زنده مختلف ویا بارهای دینامیک نیز قرار می گیرد.

4- مصالح ساخت کابل:

کابلها عموما از فولاد، کولار(Kevlar)، فایبر گلاس و پولیستر ساخته می شوند. طناب و رشته های سازه ای عموما به عنوان کابل به کار می روند. هر رشته از سیم های فولادی تشکیل می شود که به شکل مارپیچ در اطراف یک سیم نسبتا ضخیم به صورت لایه های متقارن بافته شده اند. طناب از چندین رشته تشکیل می شود که در اطراف یک هسته مرکزی به صورت مارپیچ پیچیده شده اند.(شکل 1)

از خواص طناب سیمی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• استحکام کششی بالا
• عمر خستگی طولانی
• مقاومت در برابر خوردگی و سایش
• انعطاف پذیری زیاد
• رفتار کششی و چرخش خوب

البته این خواص به شیوه تولید طناب و کنترل رشته های سیم بستگی دارد.

مواد اولیه کابلها به تنها در بخشی از استحکام قابل استفاده خود رابطه تنش – کرنش خطی از خود نشان می دهند. و بعد از این مرحله یعنی پس از حد کشسانی رابطه تنش – کرنش از حالت خطی بودن خارج می شود.(نمودار1)

بازده استجکام گسیختگی، نسبت استحکام کابل به مجموع استحکام تک تک رشته هاست و این نسبت برای طنابها و برخی از کابل های رشته ای بزرگتر است.البته با افزایش تعداد سیم ها در هر رشته بازده استحکام گسیختگی کابل کاهش می یابد.

تهیه کننده:امین قنادی

مقایسه ای بین استحکام یک رشته و یک طناب کابلی در حدود یک آمده است.