برسی ساختار ورفتار پیونده گوی سان درسازه های فضا کار

چکیده

سازه فضاکار،در دهه های اخیر توسعه چشمگیری یافته و دامنه کاربردی وسیعی در زمینه های مختلف صنعت ساختمان پیداکرده اند.
این سازه ها علاوه براینکه قابلیت فراوانی برای پوشش فضاهای بزرگ دارنددارای مقاومت لحظه ای قابل توجهی هم میباشند.

اعضای خطی در آنها به گونه ای آرایش یافته اند که نیروها و تغییر شکل ها در سه بعد واقع میشوند. این سازه ها دارای سیستم اتصالات می باشد که به عنوان نمونه می توان سیستم پیونده گوی سان را نام برد و همچنین اعضای میله ای جزء دیگر آنها است . نتایج آزمایشگاهی خمشی، کششی، فشاری پیونده با نتایج تحلیلی مورد بررسی قرار گرفته و انطباق قابل قبولی را نشان میدهند.

وازه های کلیدی:سیستم اتصالات،پیونده گوی سان،سازه فضاکار

1- مقدمه

سازه فضاکار،یک سیستم سازه ای است که اعضای خطی درآن بگونه ای آرایش یافته اندکه نیروهابصورت سه بعدی منتقل میشوند.
در یک سازه فضاکار، ترتیب شکل، بارهای داخلی و جابجایی های سازه در یک صفحه قررا نمی گیرند.
درعمل سازه فضاکار بگروهی ازسازه ها که بشکل شبکه ها،چلیک ها، گنبدها،برج ها،شبکه های مخابراتی وسیستمهای پوسته ای اطلاق میشود.
این سازه ها بابکارگیری مصالح مختلف مانندفولاد،آلومینیوم،چوب،بتن،کامپوزیتهای تقویت شده بافیبر،شیشه و… ویاترکیبی ازاینها ساخته میشود.

اولین بار الکساندر گراهام بل در سال 1906 یک شبکه چند لایه برای کایت پرواز ساخت.
در این شبکه طول اعضاء یکسان اتصالات ساده و مدول آنها هرم مثلث القاعده بود.
اواولین مهندسی است که حدود90سال پیش نشان دادمیتوان باقراردادن صحیح اعضای سازه ای درکنار هم سازه ای مستحکم وسبک ساخت.

اولین سیستم صنعتی شبکهُ دولایه توسط ماکس منجرینگ هاوزن در سال 1942 به نام سیستم MERO ساخته شد. در این سیستم تعداد زیادی عضو به پیونده می توان متصل نمود.این سیستم تا کنون در حد وسیعی در سازه های فضاکار به کار برده شده است .

سازه های فضاکار از اجزای متناوب و هم اندازه تشکیل یافته اند که توسط پیونده ها مرتبط می شوند، پیونده ها (گره ها) در قابها مهم و ضروری هستند اما نقش آنها در سازه های فضاکار مهمتر است.
زیرامعمولااعضای بیشتری به آن متصل میشود وعلاوه بر این،اعضاء دریک فضای سه بعدی قرارگرفته اند وبنابراین مکانیزم انتقال نیروپیچیده تراست.
نقش پیوند ها درسازه های فضاکاربقدری مهم است که بیشترسیستم ها فضاکار تجاری موفق،سیستم های پیونده ای استاندارد رابکار میبرند.
بنابراین پیونده ها در سازه های فضاکار معمولی پیچیده تر از سازه های معمول مانند خرپاهای صفحه ای هستند .

2- طبیعت و سازه فضاکار 

طبیعت به ما اجزای لازم همهُ سازه ها را نشان داده است.نوع بشرتنها ازآنچه که ازپیش خلق شده است،تقلید میکند.
طبیعت بندرت منابع وامکانات را هدر میدهد مگردر جایی که بقای یک نسل وخلق نسل جدید درخطر باشد.

اقتصادیکی ازقواعد طبیعت است آنچه که مهم است ارتباط میان مصالح بکاررفته شده،فضایی که اشغال شده وظرفیت باربری میباشد.
این سیستم سازه ای سبک که ازقوانین طبیعت تقلیدمیکند،پایه ای است که سازه های فضاکارMERO FORMبرآن بنانهاده شده اند.

ساقه های بسیاری از گیاهان به شکل لوله با گره هایی می باشند که طول استاتیکی را کاهش می دهند.
این ساقه ها اجزای سازه ای هستندکه طرح شده اند تاتنش خمشی را بوسیله تغییر متناوب جهت نیرو تحمل نمایند.
طرح داخلی یک استخان، جدای از شکل لوله ای،شبکه ای از تکیه گاههای متداخل را هم نشان می دهد.

طرح وایستایی سیستمها برپایه قوانین سازه ای طبیعت است که طی میلیون هاسال درترکیب کریستالها واورگانیزم ها ثابت شده اند.

3- رفتار لرزه ای سازه های فضاکار

در دو دهه اخیر توجه زیادی به رفتار لرزه ای سازه های فضاکار در سطح جهان و به ویژه در کشور های چین و ژاپن شده است. به عنوان مثال ساکا، رفتار تعدا زیادی از سازه های فضاکار را در زلزله 2/7 ریشتری کوبه 1995 ژاپن گزارش نموده است .
نکته قابل توجه در گزارش ساکا این است که وی هیچ موردی از تخریب سازه های فضاکار را در این زلزله سنگین مشاهده نکرده است و این تاُکیدی بر استقامت و پایداری چشمگیر این نوع سازه ها در برابر زلزله است. تنها مواردی را که وی به عنوان حالت شکست ذکر کرده عبارت است از بروز خرابی در محل اتصال سازه به تکیه گچال بتونی، ترک در اتصال و کمانش خمیری برخی از اعضاء در مجاورت تکیه گاه. اتصالات هنگام زلزله می توانند هم کششی و هم فشاری باشند و در نتیجه طراحی آنها پیچیده گری بیشتری دارد .

4- سیستم پیونده گوی سان

اجرای سیستم پیونده گوی سان شامل پیونده گوی سان اعضاء لوله ای وقفسه اتصالی میباشند.برای مثال شکلهای3 و4 نماومقطع دوسیستم گوی سانMEROرانشان میدهد.شکل3دارای اتصالات پیچی هم مرکزمیباشدکه میتوانداثرات ممان راکاهش دهدوتنها با نیروهای محوری کارکند.از سوی دیگراتصال شکل4 که یک اتصال کلاسیکMEROنامیده میشود،میتواند مقداری ممان خمشی میان اعضاوپیونده انتقال دهد .

اعضای سیستم های گوی سان عموماًلوله ای هستندومحور اعضاء ازمرکز کره میگذرد.
نقش گره هادریک سازه فضاکارنگه داشتن اعضاوانتقال مطمئن نیروهامیان اعضاء میباشد.
نقش اعضاء ثابت نگه داشتن گره هادرجایگاه سه بعدی صحیح خودشان میباشدوهمچنین باید نیروهای داخلی راهم تحمل نمایند.

دلایل کاربرداعضای لوله ای عبارت است از:

1 – عضولوله ای پروفیل هم مرکزداردبنابراین لنگردوم سطح آن درتمام جهات یکسان است. پس تازمانی که کمانش مطرح باشد،عضو لوله ای دارای مقادیرحداقل وحداکثر لنگردوم سطح نمیباشد.

2-  قطرخارجی اعضای لوله ای میتوانند ثابت باشندوضخامت لوله براساس نیروهای داخلی طرح شود.بدین ترتیب از نظر ظاهری میتوان از لوله های باقطر مشابه ولی باتوانایی متفاوت درباربری استفاده کرد.این مسئله درمورد پروفیلهای استاندارد صحت ندارد زیرا مقدار لوله های استاندارد باقطر وضخامت مختلف محدود است .

دراینجا برای نمونه باساختارسیستم گوی سانKKآشنا میشویم.

این سیستم برای پوشش سقفهامانند شبکه دولایه یا شبکه های چندلایه برای ورزشگاهها،سالنهای چندمنظوره،سایبانها،آشیانه های هواپیما،سالن های شهرو… بکارمیرود.شکل5مقطع وشکل آن رانشان میدهد.

این سیستم شامل گوی فولادی توپرباگوشه های حدیده کاری شده واعضای لوله ای فولادی است.قطعات مخروطی شکل به دوانتهای لوله جوش میشوندکه تحت زاویه ای معین توسط مهره ماسوره هاوپیچ های حدیده کاری به گوی متصل میشوند.مخروط رادر تماس باگوی به نسبت شعاع گوی انحنا میدهند.جنس گوی ومخروطهای انتهای اعضا نسبت بخوداعضاء باید ازفولاد مقاوم تری باشد.پیچ درای یک مهره هرزگرد است.یک شیاردرداخل پیچ تعبیه شده ومیله نازکی ازآن عبور میکند.ازاین میله بجای دسته برای سقف کردن پیج استفاده میشود. بعلت تولید کامپیوتری هرقطروهر زاویه به آسانی وبادقت میتواندساخته شودکه البته برای سیستم های استانداردعملی نمی باشد.

5- مراحل تولید گره

1)         گره های گوی سان توپر به صورت گرم آهنگری می شوند .

2)         گره های خاص سوراخ میشوند،نورد میشوند ودرنهایت حدیده کاری میشوند.

3)          همه گره ها بدون استثناء درحمام اسید گالوانیک ضعیف گالوانیزه میشوند.

4)          سوراخهای زائد بوسیلهُ حدیده کاری یامواد پلاستیکی پوشیده میشوند تا ازخوردگی داخلی جلوگیری شود.

پیچ ها ازفولاد بامقاومت بالا ساخته میشوند وحدیده کاری میشود وبصورت الکترولیتی مانندگره های گالوانیزه میشوند.تمامی مهره ماسوره ها به صورت گرم گالوانیزه می شوند.در سانتریفوژها حدیده کاری میشوند تاضخامت حداقل لایه روی راتاُمین نمایند.

6- مراحل تولید اعضای لوله ای

1) لوله به اندازه صحیح بریده می شود.

2) قطعات مخروطی انتهایی به دو سر لوله جوش می شوند.

3) اعضاء با مخروط های انتهایی گالوانیزه می شوند.

4) پیچ ها از طریق سوراخ های نزدیک انتهای لوله وارد می شوند.

بنابراین برای وارد نمودن پیچ ها، لوله ها باید دارای یک سوراخ در نزدیکی هر انتها داشته باشند که این یکی از معایب سیستم های پیونده گوی سان است چرا که باعث ایجاد تمرکز تنش می شود و پیوستگی عضو از بین می رود. تا کنون مطالعات زیادی در این زمینه صورت گرفته است ولی نتایج نشان می دهد که علارغم وجود این مشکل در سیستم های گوی سان همچنان بهترین نوع سیستم می باشند.

پیونده گوی سان بر دو نوع توپر و توخالی می باشد. در حقیقت تنها گوی سان های کوچک، نسبتا توپر هستند. در یک سیستم توپر عضو از خارج به گوی با پیچ شدن در سوراخ وصل میشود. در یک سیستم تو خالی پیچ شدن از داخل گوی صورت می گیرد و این اصلی ترین وظیفه سازه توخالی است. تو خالی ها معمولا از تو پر ها بزرگتر هستند چرا که باید پیچ شدن اجزاء در آنها صورت گیرد. در مواردی که اعضای اتصالی انتهای مخروطی ندارند نیاز به گوی با اندازه بزرگتری می باشد.

7- مکانیزم انتقال نیرو

در این اتصال در فشار نیروی فشاری همراه لوله به مخروط و سپس به مهره هرزگرد و در انتها به گوی منتقل می شود و گوی تعادل نیروهای وارده را تامین می کند و در کشش نیرو به مخروط و سپس به سرپیچ و ساق آن و بالاخره به گوی منتثل می شود. از آنجا که پیچ در گرفتن و انتقال نیروی فشاری مشارکت نمی کند باید سطح مقطع کوچکی داشته باشد تا مخروط و مهره هرزگرد از سطح اتکای کافی برخوردار باشند و برعکس در کشش باید پیچ از سطح مقطع کافی برخوردار باشد و مهره نقش مهمی را ایفا نمی کند.

8- آزمایش کششی محوری اتصالات

پیونده با دو عضو در مقابل هم تحت کشش محوری آزمایش می شود. طرح شماتیک آن نشان داده شده است. موقعیت نیروهای کششی و جایی که مقدار کشیدگی اندازه گرفته می شود، در شکل نشان داده شده است. کشیدگی پیونده به وسیله یک جفت گیج که به طور قطری و در مقابل هم برای حذف نیروی گریز از مرکز قرار گرفته اند اندازه گیری می شوند. کشش های طولی در چهار موقعیت یکسان در اطراف لوله ها نیز اندازه گیری می شوند که نتایج آزمایش کشش برای همه نمونه های آزمایش شده به طور خلاصه در جدول 1 نشان داده شده است .

شکستگی یه طور معمول در دو قسمت صورت می گیرد:

1- شکستگی بولت

2- شکستگی جوش اتصال بین لوله و قسمتهای مخروطی آن

رفتار سیستم اتصالات تحت کشش در ابتدا تابع بولتها می باشد و در همهُ

موارد ارتباط بین نیروی بکار برده شده و کشیدگی سیستم تا زمان رسیدن

به حد جاری شدن بولتها خطی است .

با ایجاد شکستگی در بولتها یا با کمی شکستگی نابهنگام در جوش اتصال

لوله و قسمت مخروطی سیستم شکسته می شود. مقاومت کششی آزمایشی

اتصال کننده ها بخوبی باظرفیت تئوری بولتها که در جدول(1) آمده است،مقایسه می شود وتفاوت آنها کمتراز7% میباشد.

9- آزمایش خمشی اتصالات

اگر چه انتقال بار در یک سازه فضاکار به طور مستقیم از طریق عمل محوری اعضاء است، اثر خمش در پیونده ها به طورمعمول اجتناب ناپذیر است. رفتار سیستم اتصال تحت خمش با استفاده از آزمایشی که در شکل 9 نشان داده شده، مشخص می شود. این آزمایش مشخص کننده سختی دورانی و ظرفیت خمشی سیستم متصل کننده است. این دو پارامتر به یادگیری بهتر رفتار همه سازه و هدایت آن به سمت طرح اقتصادی و ایمن کمک می کند. در شکل(9) اعضای توپر به جای اعضای لوله ای در طرح عضو به منظور حذف دوران آن استفاده می شوند. نمونه ها تا مرحله شکستگی آزمایش می شوند. نتایج آزمایش خمشی بطور خلاصه در جدول 2 آمده است.

نمونه ها تحت گسیختگی عرضی یا خمشی بیش از اندازه بولتها شکسته می شوند. نتایج حاصله از همهُ آزمایشهای خمشی نشان می دهد که ارتباط بین ممان خمشی و دوران پیونده ها غیر خطی است. غیر خطی بودن بیانگر این واقعیت است که مقاومت خمشی ار رفتار مرکب بولتها و انتقال جزئی نیروی فشاری از طریق تماس سطح مقطع مهره ها به دست می آید.

10- آزمایش فشاری محوری اتصالات

امکان آزمایش کششی به راحتی وجود دارد. آزمایش فشاری از آرایش مثلثی از سه عضو که در شکل (10) نشان داده شده استفاده می شود که تحت یک نیروی رو به پایین عمودی که در بالای آن واقع می شود قرار می گیرد. در این مورد به رفتار کمانشی یک عضو با اندازه مربوطه و به سختی دورانی آن توجه می شود. موقعیت های انتخاب شده برای اندازه گیری دوران، تغییر مکان و کشش مشخص شده است. گیج ها یا اندازه گیری کرنش در اطراف مهره ها واقع شده اند و در هر انتها از اعضای لوله ای به طور قطری مقابل یکدیگر قرار می گیرند.

11- نتیجه گیری

یکی از مهمترین مزایای سازه فضاکار سبکی آنهاست.زیرا مصالح به گونه ای توزیع می شوند که مکانیزم انتقال نیرو محوری(کششی یا فشاری)است.بنابراین درهر عضو تمام مصالح به طور یکسان بکار گرفته می شوند.در پوشش های با دهانه بزرگ،وقتی که وزن خود سازه نقش مهمی دربار نهائی دارد.سبکی اجزاء ازاهمیت خاصی برخوردار است.سازه های فضاکار علاوه بر سبکی وزن،جزو صلب ترین سازه میباشندواین بعلت خاصیت سه بعدی بودن آنهاست وهمچنین اعضای تشکیل یافته بطور کامل در باربری شرکت می کنندوخودشان را تقریبا با هر نوع بارگذاری تنظیم می نمایند بنابراین اگر سازه فضاکار بدرستی طراحی شود،درمقابل زلزله بسیار مقاوم خواهد بود.اعضای تشکیل یافته بگونه ای آرایش می یابند که برای هم دیگر مهار باشند و بنابراین از کمانش اعضای منفرد در فشار جلوگیری کنند. سازه های فضاکار اغلب شکل بسیار جذابی از نظر معماری دارند نیاز به سقف کاذب ندارند.
تهیه کنندگان :نسترن جدبابایی،حدیثه بلخاری قهی