ارتباط ضخامت جان تیرآهن با رفتار پیچشی تیر + بررسی کامل

وقتی صحبت از طراحی تیرآهن در سازه های فولادی می شود، همه اول سراغ مقاومت خمشی و برشی می روند، اما یکی از چیزهایی که خیلی وقت ها نادیده گرفته می شود، ضخامت جان تیرآهن است. این پارامتر کوچک، در ظاهر شاید خیلی مهم به نظر نرسد، اما در عملکرد واقعی تیر، مخصوصا در شرایط بارگذاری پیچیده، تاثیر قابل توجهی دارد.
تیرها در خیلی از پروژه ها فقط خمش یا برش ساده را تجربه نمی کنند. خیلی اتفاق می افتد که بار خارج از مرکز وارد می شود، یا تیر به دلیل شرایط تکیه گاهی، دچار پیچش می شود. در چنین شرایطی کیفیت رفتار پیچشی تیر کاملا به ضخامت جان وابسته است؛ چون همین جان است که وظیفه تحمل تنش های برشی پیچشی و مقاومت در برابر کمانش جانبی پیچشی را بر عهده دارد.

«اگر قصد خرید تیرآهن دارید، اولین قدم آگاهی از قیمت روز تیرآهن است. ما در آهن اینجا قیمت‌ها را به‌صورت لحظه‌ای، معتبر و شفاف در اختیار شما قرار داده‌ایم، بنابراین پیشنهاد می‌کنیم سری به صفحه قیمت تیرآهن بزنید.»

در این مقاله، با نگاه فنی می رویم سراغ اینکه ضخامت جان تیرآهن دقیقا چه اثری روی رفتار پیچشی تیر دارد و چرا انتخاب درست آن، می تواند پایداری سازه را تضمین کند، پس در ادامه با اهن اینجا همراه باشید.

ضخامت جان تیرآهن چیست و چرا اهمیت دارد؟

وقتی درباره ضخامت جان تیرآهن صحبت می کنیم، منظور همان بخشی است که بین دو بال تیر قرار دارد و مثل یک ستون عمودی نازک، وظیفه اصلی انتقال نیروهای برشی و بخشی از تنش های پیچشی را بر عهده دارد. جان تیر دقیقا همان جایی است که وقتی نیروها در سازه جریان پیدا می کنند، بیشترین میزان تنش برشی از آن عبور می کند. برای همین حتی چند میلیمتر تغییر در ضخامت جان می تواند رفتار تیر را کاملا عوض کند.

برای اینکه موضوع را مهندسی تر و در عین حال قابل لمس کنیم، کافی است تصور کنیم تیرآهن مثل یک ستون افقی است که بار را از نقطه ای به نقطه دیگر منتقل می کند. در این مسیر، جان تیر مثل یک «کانال انتقال نیرو» عمل می کند. هر چقدر این کانال ضخیم تر باشد، انرژی بیشتری را بدون تغییر شکل یا کمانش عبور می دهد. اگر خیلی نازک باشد، اولین جایی که تسلیم می شود همین جان است.

در تحلیل فنی، ضخامت جان مستقیما روی چند پارامتر کلیدی تاثیر دارد:

1. ظرفیت برشی تیر
   جان بخش اصلی تحمل کننده برش است. اگر ضخامت کم باشد، احتمال کمانش برشی یا چروکیدگی جان بالا می رود. اما جان ضخیم تر به تیر اجازه می دهد تنش های برشی را یکنواخت تر پخش کند.
2. پایداری پیچشی و رفتار در برابر لنگر پیچشی
   پیچش تیر زمانی رخ می دهد که بار از مرکز تیر رد نشود یا نیرو نامتقارن باشد. جان تیر در این حالت وارد تنش های ترکیبی برشی پیچشی می شود.
   ضخامت بیشتر یعنی ممان قطبی بالاتر و همین موضوع باعث می شود تیر در برابر پیچش مقاومت بیشتری نشان دهد و زاویه پیچش کاهش پیدا کند.
3. افزایش مقاومت در برابر کمانش جانبی پیچشی (LTB)
   یکی از حالت های خطرناک شکست تیر، کمانش همزمان جانبی و پیچشی است. جان ضخیم تر به افزایش سختی پیچشی کمک می کند و جلوی این نوع ناپایداری را می گیرد.
4. توزیع یکنواخت تنش در جان و جلوگیری از تمرکز تنش
   جان نازک خیلی زود دچار تغییر شکل های موضعی می شود، چون تنش در بخش کوچکی جمع می شود. اما وقتی ضخامت بیشتر است، تنش ها بهتر پخش می شوند و تیر رفتاری نرم تر و قابل پیش بینی تر پیدا می کند.

از سمت تجربه کارگاهی هم این موضوع کاملا قابل لمس است. مهندسان اجرا بارها دیده اند که در تیرهای با جان نازک، به محض اینکه بار کمی از مرکز خارج می شود یا حتی در هنگام جابجایی، تیر شروع به پیچیدن یا خمش موضعی جان می کند. اما تیرهای جان ضخیم، حتی با بارگذاری بد یا موقعیت تکیه گاهی ضعیف، باز هم رفتار پایدار و محکمی نشان می دهند.

در نهایت، ضخامت جان تیرآهن یکی از اولین پارامترهایی است که باید در طراحی، انتخاب و خرید تیرآهن بررسی شود. چون این پارامتر هم روی ایمنی سازه اثر دارد، هم روی رفتار هنگام نصب، و هم روی دوام و کارایی تیر در طول بهره برداری.

تیرآهن چیست و چه نقش در سازه ها دارد؟

تیرآهن به عنوان مقطع فولادی اصلی در اسکلت فلزی شناخته می شود و وظیفه انتقال بارهای خمشی و برشی از تیرهای فرعی به تیرهای اصلی و نهایتا ستون و فونداسیون را بر عهده دارد، در این مقاله به تیرآهن، انواع آن، مشخصات فنی و ویژگی های مهم آن می پردازیم:

بیشتر بخوانید

تاثیر ضخامت جان تیرآهن بر سختی پیچشی تیر

درک رفتار پیچشی تیر بدون توجه به ضخامت جان تیرآهن تقریبا غیرممکن است. وقتی تیر تحت پیچش قرار می گیرد، بیشترین تنش های برشی پیچشی دقیقا در جان جمع می شوند و این یعنی جان مقطع اصلی ترین عضو کنترل کننده سختی پیچشی است. هرچقدر ضخامت جان بیشتر باشد، تیر پایداری بالاتری در برابر پیچش دارد و تغییر شکل پیچشی به شکل واضحی کاهش پیدا می کند. در ادامه، اثر ضخامت جان بر سختی پیچشی تیر را بررسی می کنیم:

• افزایش ظرفیت تحمل تنش های برشی پیچشی
  وقتی تیر دچار پیچش می شود، تنش های برشی پیچشی در جان مقطع متمرکز می شوند. اگر ضخامت جان کم باشد، این تنش ها روی سطح کوچکی پخش می شوند و جان خیلی سریع دچار تغییر شکل یا حتی کمانش موضعی می شود. اما با افزایش ضخامت جان، سطح تحمل کننده تنش بیشتر می شود، تنش ها یکنواخت تر پخش می شوند و تیر رفتار بسیار مقاوم تری از خود نشان می دهد. این موضوع دقیقا همان چیزی است که در کارگاه هم مشاهده می شود؛ تیرهای جان ضخیم دیرتر دچار پیچش یا موج دار شدن جان می شوند.
• افزایش ممان قطبی (J) و سخت شدن تیر در برابر پیچش
  در تحلیل پیچشی، پارامتر ممان قطبی سطح (J) تعیین کننده اصلی سختی پیچشی است. ضخامت جان هرچقدر بیشتر باشد، مقدار J نیز بیشتر می شود و تیر در برابر پیچش مقاوم تر می گردد. در نتیجه زاویه پیچش تحت بار کاهش پیدا می کند. تفاوت رفتاری بین یک تیر IPE با جان نسبتا نازک و یک تیر IPB با جان ضخیم کاملا قابل مشاهده است؛ IPB به لطف J بالا، چند برابر بهتر پیچش را مهار می کند.
• کاهش تغییر شکل پیچشی و کنترل بهتر رفتار تیر
  یکی از مشکلات اصلی تیر با جان نازک، افزایش سریع زاویه پیچش است. جان نازک نمی تواند تنش های برشی پیچشی را به خوبی جذب و پخش کند و تیر به سرعت واکنش نشان می دهد. اما ضخامت بیشتر جان باعث کاهش محسوس زاویه پیچش می شود و تیر رفتار قابل پیش بینی، کنترل شده و پایدارتری دارد. این موضوع در دهانه های بزرگ و سازه های صنعتی ارزش بسیار زیادی دارد.
• جلوگیری از کمانش پیچشی موضعی جان
  تحت بارهای پیچشی شدید، جان مقطع ممکن است دچار کمانش موضعی شود؛ یعنی موج دار شدن یا خمیدگی های ناگهانی در ناحیه جان. این پدیده در جان های نازک بسیار رایج است. اما جان ضخیم به دلیل سختی صفحه ای بالاتر، در برابر این نوع تغییر شکل بسیار مقاوم است و اجازه نمی دهد تحت تنش پیچشی موضعی فروبری ایجاد شود.
• افزایش پایداری پیچشی و کاهش خطر کمانش جانبی پیچشی (LTB)
  یکی از خطرناک ترین نوع ناپایداری در تیرهای بارگذاری شده، کمانش جانبی پیچشی (LTB) است. وقتی ضخامت جان کم باشد، سختی پیچشی کاهش می یابد و تیر آمادگی بیشتری برای پیچش ناگهانی دارد. اما در تیرهای با جان ضخیم، انرژی پیچشی بهتر پخش می شود و تیر مقاومت بیشتری در برابر LTB نشان می دهد. به همین دلیل تیرهای IPB در دهانه های طولانی انتخاب اول مهندسان هستند.
• بهبود توزیع تنش و کاهش تمرکز تنش های پیچشی
  در پیچش، معمولا تنش ها تمایل دارند در نزدیکی لبه های جان جمع شوند. در جان های نازک، این تمرکز تنش خطر ایجاد ترک، خستگی یا فروریزش موضعی را افزایش می دهد. اما ضخامت جان بیشتر باعث می شود تنش ها در سطح بزرگ تری پخش شوند و مقطع بدون نقاط ضعف خطرناک رفتار کند. این موضوع در دوام و طول عمر سازه نیز تاثیر مستقیم دارد.
• عملکرد بهتر تیر در بارگذاری های خارج از مرکز و ناهمگون
  بارگذاری خارج از مرکز یکی از رایج ترین دلایل ایجاد پیچش است. اگر تیر جان نازک داشته باشد، توان تحمل تنش های ترکیبی برشی پیچشی را ندارد و خیلی سریع دچار تغییر شکل می شود. اما تیرهای با جان ضخیم تحت همین شرایط عملکرد بسیار پایدارتری دارند و پیچش را بهتر کنترل می کنند. به همین دلیل در سازه های صنعتی، سوله ها و پروفیل های تحت بار نامتقارن، انتخاب تیر با جان ضخیم یک اصل مهندسی محسوب می شود.

تاثیر ضخامت جان در رفتار تیر هنگام بارگذاری خارج از مرکز

بارگذاری خارج از مرکز یکی از حالت های بسیار رایج و در عین حال بسیار خطرناک در سازه های فولادی است. وقتی بار دقیقا روی محور خنثی تیر اعمال نشود، تیر علاوه بر خمش، وارد پیچش نیز می شود. این پیچش ایجاد شده می تواند رفتار تیر را کاملا تغییر دهد و اگر ضخامت جان تیرآهن مناسب نباشد، تیر در زمان کوتاهی دچار تغییر شکل، ناپایداری یا حتی کمانش موضعی می شود. در شرایط بارگذاری نامتقارن، نقش جان تیر چند برابر می شود، زیرا جان اصلی ترین عضو تحمل کننده تنش های برشی پیچشی است و ضخامت آن مستقیما تعیین می کند تیر چطور به پیچش واکنش نشان دهد. در ادامه، تاثیر ضخامت جان در رفتار تیر تحت بارگذاری خارج از مرکز را به صورت کاملا تخصصی و مهندسی بررسی می کنیم:

1. افزایش توان تحمل تنش های ترکیبی خمش و پیچش
   در بارگذاری خارج از مرکز، تیر همزمان دچار خمش و پیچش می شود. این ترکیب تنش ها فشار زیادی به جان تیر وارد می کند. اگر ضخامت جان کم باشد، جان در برابر این تنش های ترکیبی توان کمی دارد و خیلی سریع دچار تغییر شکل می شود. اما در تیرهای جان ضخیم، توزیع تنش بهتر انجام می شود و تیر توان تحمل بارهای ترکیبی بیشتری پیدا می کند. این موضوع در تیرهای طویل و دهانه های بزرگ اهمیت بسیار زیادی دارد.
2. کاهش زاویه پیچش و جلوگیری از پیچش ناگهانی تیر
   بارگذاری خارج از مرکز همیشه باعث ایجاد لنگر پیچشی می شود. اگر جان نازک باشد، تیر با کوچک ترین مقدار لنگر پیچشی دچار پیچش قابل مشاهده می شود و زاویه پیچش به سرعت افزایش پیدا می کند. اما جان ضخیم به دلیل سختی پیچشی بالاتر، جلوی پیچش ناگهانی تیر را می گیرد و اجازه نمی دهد تیر از کنترل خارج شود. این یعنی رفتار تیر تحت بارگذاری نامتقارن قابل پیش بینی تر و پایدارتر خواهد بود.
3. جلوگیری از کمانش موضعی جان در برابر تنش های پیچشی
   یکی از اولین نقاطی که در بارگذاری خارج از مرکز آسیب می بیند، جان تیر است. جان نازک نمی تواند تنش های پیچشی را به خوبی تحمل کند و در اثر لنگر پیچشی ایجاد شده ممکن است دچار کمانش موضعی شود. این کمانش به شکل خمیدگی یا موج دار شدن ناحیه جان دیده می شود. اما در تیرهای با جان ضخیم، سختی صفحه ای جان بالاتر است و اجازه نمی دهد این کمانش به راحتی اتفاق بیفتد. این یعنی تیر حتی تحت بارهای نامتقارن سنگین، پایداری سازه ای خود را از دست نمی دهد.
4. افزایش پایداری پیچشی کلی تیر در شرایط نامتقارن
   تیرهایی که تحت بارگذاری خارج از مرکز قرار می گیرند، همیشه در معرض خطر پیچش تدریجی هستند. ضخامت کم جان باعث کاهش مقاومت پیچشی تیر می شود و تیر به سرعت وارد مرحله ناپایداری می گردد. اما در تیرهای با جان ضخیم، سختی پیچشی بالا باعث می شود تیر در برابر این پیچش های تدریجی مقاومت کند و پایداری کلی سازه حفظ شود. این موضوع در سازه هایی مثل جرثقیل سقفی، سوله ها، پل ها و سازه های صنعتی اهمیت ویژه دارد.
5. توزیع بهتر تنش های برشی پیچشی در بارگذاری های نامتقارن
   در بارهای خارج از مرکز، تنش های پیچشی معمولا در جهت های مختلف و با شدت های متفاوت در جان پخش می شوند. اگر جان نازک باشد، این تنش ها در بخش های کوچک متمرکز می شوند و احتمال ایجاد ترک و خستگی سازه ای افزایش پیدا می کند. اما در جان ضخیم، توزیع تنش یکنواخت تر است و تیر می تواند بدون ضعف موضعی، بار را تحمل کند. این تفاوت رفتار در کارگاه کاملا قابل مشاهده است.
6. افزایش مقاومت تیر در برابر لنگر پیچشی ثانویه ناشی از جابجایی بار
   زمانی که بار از مرکز تیر جابجا شود، علاوه بر لنگر اصلی ایجاد شده، یک لنگر پیچشی ثانویه نیز به وجود می آید. این لنگر ثانویه مخصوصا در تیرهایی با تکیه گاه های غیرمتقارن بسیار خطرناک است. جان نازک در برابر این لنگر پیچشی ثانویه مقاومت کمی دارد و به سرعت دچار تغییر شکل می شود. اما جان ضخیم تیر را قادر می سازد که این لنگرهای ثانویه را نیز به شکل ایمن تحمل کند.
7. کاهش حساسیت تیر به بارگذاری های ناگهانی یا غیر استاندارد
   در خیلی از پروژه های اجرایی، بارگذاری ها همیشه مطابق طراحی نیستند. گاهی بار به طور تصادفی روی تیر خارج از مرکز قرار می گیرد. تیر با جان نازک در این مواقع به شدت آسیب پذیر است و ممکن است دچار پیچش شدید یا کمانش موضعی شود. اما تیر با جان ضخیم در برابر خطاهای اجرایی یا بارگذاری غیر استاندارد مقاوم تر است و سازه رفتار مطمئن تری نشان می دهد.
8. ایجاد رفتار پایدارتر در سیستم تیر – ستون
   در سیستم های قاب فولادی، تیر و ستون در برابر بارگذاری خارج از مرکز واکنش مشترک دارند. اگر جان تیر نازک باشد، تیر تحت لنگر پیچشی دچار ضعف می شود و این ضعف به ستون منتقل می گردد. اما در تیرهای جان ضخیم، تیر رفتار پیچشی بسیار بهتری دارد و این باعث ایجاد توزیع تنش پایدارتر در کل سیستم تیر – ستون می شود. به همین دلیل در پروژه های صنعتی معمولا از تیرهای جان ضخیم استفاده می شود تا کل سیستم پایداری بیشتری داشته باشد.

اجزای تشکیل دهنده تیرآهن

تیرآهن از مهم‌ترین و پرکاربردترین مقاطع فولادی در ساخت سازه‌های فلزی است که وظیفه انتقال بارهای خمشی و برشی را بر عهده دارد، شناخت دقیق اجزای تشکیل دهنده تیرآهن و آگاهی از نحوه نام‌گذاری استاندارد آن، برای مهندسان عمران، مجریان پروژه‌ها و خریداران فولاد اهمیت زیادی دارد، در این مقاله به اجزای تشکیل دهنده تیرآهن می پردازیم:

بیشتر بخوانید

بررسی رفتار پیچشی تیر در ضخامت های مختلف جان

وقتی ضخامت جان تیرآهن تغییر می کند، واکنش تیر در برابر پیچش هم کاملا متفاوت می شود. جان نازک تیر را به عضوی حساس و زودپیچش تبدیل می کند، در حالی که جان ضخیم سختی پیچشی را بالا می برد و تیر با ثبات بیشتری رفتار می کند. هر میلیمتر تغییر در ضخامت جان می تواند زاویه پیچش، میزان کمانش و حتی نحوه توزیع تنش را عوض کند. همین تفاوت ها باعث می شود انتخاب ضخامت مناسب جان یکی از مهم ترین تصمیم های طراحی باشد. در ادامه، رفتار پیچشی تیر در ضخامت های مختلف جان را کامل و دقیق بررسی می کنیم:

ضخامت کم

وقتی ضخامت جان تیرآهن کم باشد، تیر در برابر پیچش رفتاری کاملا حساس و ناپایدار از خود نشان می دهد. دلیل اصلی این موضوع این است که جان نازک نمی تواند تنش های برشی پیچشی را به اندازه کافی در سطح خود پخش کند و همین محدودیت باعث می شود تیر با کوچک ترین بار خارج از مرکز یا کوچک ترین لنگر پیچشی، واکنش شدیدی نشان دهد. در چنین مقاطعی، تمرکز تنش خیلی سریع بالا می رود و جان وارد مرحله تغییر شکل های موضعی مثل موج دار شدن، خمیدگی یا حتی کمانش موضعی می شود.

در تیرهای با ضخامت کم، زاویه پیچش تحت بار بسیار بیشتر از حد معمول است. این یعنی تیر خیلی سریع می پیچد و کنترل رفتار آن سخت تر می شود. در پروژه هایی که بارگذاری به صورت نامتقارن یا نقطه ای انجام می شود، جان نازک عملا یک نقطه ضعف بزرگ به حساب می آید. حتی در شرایط بارگذاری ساده، اگر طول دهانه زیاد باشد یا تیر به صورت کامل مهار نشده باشد، ضخامت کم جان می تواند احتمال بروز کمانش جانبی پیچشی (LTB) را به شدت افزایش دهد.

همچنین در ضخامت های کم، تنش ها در لبه های جان تجمع پیدا می کنند و این نواحی تبدیل به نقاط شروع ترک و خستگی می شوند. نتیجه این است که تیر نه تنها مقاومت پیچشی کمتری دارد، بلکه دوام و طول عمر آن نیز کاهش پیدا می کند. در کارگاه هم این موضوع کاملا قابل مشاهده است؛ تیرهای با جان نازک حتی هنگام جابجایی یا بارگذاری موقت به سرعت تغییر شکل می دهند و سطح جان آنها دچار فرو رفتگی یا تابیدگی می شود.

در مجموع، ضخامت کم جان مناسب سازه های سبک، دهانه های کوتاه و بارگذاری های کاملا متعادل است. اما در هر شرایطی که پیچش محتمل باشد، استفاده از تیر با جان نازک ریسک بزرگی به حساب می آید.

ضخامت متوسط

وقتی تیرآهن دارای ضخامت جان متوسط باشد، رفتار پیچشی آن در یک سطح میانی و متعادل قرار می گیرد؛ نه حساس و شکننده مانند جان نازک، و نه کاملا سخت و مقاوم مانند جان ضخیم. این ضخامت برای بسیاری از سازه های معمول، دهانه های استاندارد و بارگذاری های رایج، یک انتخاب منطقی و اقتصادی به حساب می آید.

در ضخامت های متوسط، جان تیر ظرفیت قابل قبولی برای تحمل تنش های برشی پیچشی دارد و می تواند این تنش ها را با توزیع نسبتا یکنواختی پخش کند. هرچند هنوز در شرایط بارگذاری شدید یا خارج از مرکز، جان به اندازه تیرهای جان ضخیم مقاوم نیست، اما به شکل محسوسی رفتار قابل پیش بینی تری نسبت به جان های نازک نشان می دهد. زاویه پیچش در این تیرها متعادل است و تیر در برابر تغییر شکل های پیچشی، تا حد خوبی کنترل می شود.

یکی از مزیت های مهم ضخامت متوسط این است که تیر در برابر کمانش موضعی مقاوم تر از مقاطع سبک است، اما وزن و هزینه آن نیز کمتر از تیرهای جان ضخیم باقی می ماند. به همین دلیل در پروژه هایی که بارگذاری ها شدید نیست یا پیچش نقش اصلی ندارد، استفاده از تیر با جان متوسط می تواند یک انتخاب کاملا هوشمندانه باشد.

در کارگاه نیز این تیرها رفتاری پایدار و مناسب دارند. هنگام جابجایی، نصب یا بارگذاری موقت، جان آنها کمتر دچار موج دار شدن یا آسیب موضعی می شود و تیر شکل اولیه خود را بهتر حفظ می کند. همین ویژگی باعث شده تیرهای با ضخامت متوسط، پرکاربردترین گروه در پروژه های ساختمانی و عمرانی باشند.

در کل می توان گفت ضخامت متوسط جان، یک تعادل بین پایداری پیچشی، کنترل تنش، وزن مناسب و هزینه منطقی ایجاد می کند و برای بسیاری از سازه های غیر صنعتی، گزینه ای استاندارد و قابل اعتماد است.

ضخامت زیاد

وقتی ضخامت جان تیرآهن زیاد باشد، تیر وارد یک سطح کاملا متفاوت از نظر مقاومت پیچشی، پایداری سازه ای و کنترل تغییر شکل می شود. در این حالت جان نه فقط یک عضو انتقال دهنده برش است، بلکه به یک عنصر سخت و قدرتمند تبدیل می شود که می تواند تنش های پیچشی را بدون کمترین ضعف تحمل کند. هرچه ضخامت جان بیشتر باشد، تیر در برابر پیچش مثل یک مقطع صلب تر رفتار می کند و زاویه پیچش تحت بارگذاری به شکل چشمگیری کاهش پیدا می کند.

در ضخامت های زیاد، جان تیر ظرفیت بسیار بالایی برای تحمل تنش های برشی پیچشی دارد. تنش ها در سطح وسیع تری پخش می شوند و هیچ ناحیه ای دچار تمرکز تنش نمی شود. این یعنی تیر حتی تحت بارهای نامتقارن، ضربه ای یا ناگهانی هم پایداری خود را از دست نمی دهد. علاوه بر این، افزایش ضخامت جان باعث بالا رفتن ممان قطبی (J) می شود و این مستقیما سختی پیچشی تیر را افزایش می دهد. در نتیجه تیر دیرتر می پیچد و تغییر شکل آن تحت بارگذاری سنگین بسیار کمتر است.

یکی از مهم ترین مزایای ضخامت زیاد جان، جلوگیری از کمانش موضعی و کمانش جانبی پیچشی (LTB) است. جان ضخیم سختی صفحه ای بسیار بالایی دارد و حتی در شرایط بارگذاری شدید هم موج دار نمی شود. همین موضوع باعث شده تیرهای با جان ضخیم انتخاب اول مهندسان در سازه هایی باشد که بارگذاری خارج از مرکز، دهانه های بلند یا شرایط پایداری پیچشی سخت دارند.

در کاربردهای صنعتی مثل سوله ها، جرثقیل های سقفی، پل های فولادی، قاب های سنگین و سازه های تحت بارهای دینامیکی، ضخامت زیاد جان نه یک مزیت، بلکه یک ضرورت واقعی است. چنین تیرهایی در کارگاه نیز رفتار ممتاز دارند؛ هنگام جابجایی یا بارگذاری اولیه، جان آنها به هیچ وجه دچار تابیدگی یا ضعف موضعی نمی شود و تیر شکل اولیه خود را کاملا حفظ می کند.

در نهایت می توان گفت ضخامت زیاد جان تیرآهن اوج پایداری پیچشی و عملکرد سازه ای را فراهم می کند. این ضخامت برای پروژه هایی که پیچش، بارگذاری شدید یا شرایط نامتقارن وجود دارد، بهترین و ایمن ترین انتخاب است؛ حتی اگر وزن و هزینه کمی بیشتر شود، در مقابل پایداری و امنیتی که فراهم می کند کاملا مقرون به صرفه است.

جدول تاثیر ضخامت جان بر رفتار پیچشی تیرآهن

درک تفاوت رفتاری تیرآهن در ضخامت های مختلف جان، یکی از مهم ترین بخش های تحلیل پیچشی است. این جدول یک جمع بندی سریع، دقیق و مهندسی از تاثیر ضخامت کم، متوسط و زیاد جان تیرآهن بر رفتار پیچشی، پایداری و کاربرد سازه ای آن ارائه می کند:

نقش ضخامت جان در جلوگیری از کمانش جانبی پیچشی

کمانش جانبی پیچشی یکی از خطرناک ترین حالت های ناپایداری تیر است؛ حالتی که تیر همزمان دچار خمش، پیچش و جابجایی جانبی می شود. این پدیده معمولا در تیرهای بلند، تیرهایی با مهار جانبی ناکافی یا تیرهای تحت بارگذاری خارج از مرکز رخ می دهد. نکته مهم اینجاست که ضخامت جان تیرآهن یکی از اصلی ترین عوامل کنترل کننده این نوع ناپایداری است.

وقتی جان تیر نازک باشد، سختی پیچشی تیر به شدت کاهش پیدا می کند. این یعنی تیر در برابر کوچک ترین لنگر پیچشی مقاومت کمی دارد و خیلی سریع دچار چرخش و جابجایی جانبی می شود. جان نازک نمی تواند تنش های پیچشی را به خوبی جذب و پخش کند و همین ضعف باعث می شود تیر به شکل ناگهانی وارد حالت کمانش جانبی پیچشی شود. این رفتار مخصوصا در دهانه های بلند یا زمانی که بارگذاری روی بال فشاری قرار دارد بسیار خطرناک است.

در مقابل، وقتی ضخامت جان زیاد باشد، سختی پیچشی تیر به صورت چشمگیری افزایش پیدا می کند. جان ضخیم توان تحمل تنش های پیچشی را دارد و می تواند این تنش ها را بدون تغییر شکل قابل توجه در سطح خود توزیع کند. افزایش ضخامت جان باعث بالا رفتن ممان قطبی می شود و این موضوع مقاومت تیر در برابر چرخش را به شکل قابل توجهی افزایش می دهد. در نتیجه تیر تمایل کمتری به پیچیدن دارد و مسیر ورود به کمانش جانبی پیچشی تقریبا بسته می شود.

جان ضخیم همچنین باعث می شود تیر در برابر کمانش موضعی بال فشاری نیز مقاومت بیشتری داشته باشد. چون وقتی تیر وارد فاز پیچش می شود، بال فشاری تحت تنش های فشاری و پیچشی همزمان قرار می گیرد و اگر جان نتواند این نیروها را کنترل کند، بال دچار کمانش و تیر دچار ناپایداری کامل می شود. ضخامت جان بالا این مسیر خرابی را مسدود می کند و اجازه نمی دهد تنش های ترکیبی کنترل تار فشاری را از دست خارج کنند.

در عمل، تیرهایی با جان ضخیم در پروژه های صنعتی، سوله ها، جرثقیل های سقفی، پل های فلزی و سازه هایی که بارگذاری جانبی یا پیچشی در آنها محتمل است، بهترین عملکرد را ارائه می دهند. این تیرها حتی در شرایط سخت و بارهای ناهمگون نیز شکل اولیه خود را حفظ می کنند و مقاومت بسیار بالایی در برابر پیچش تدریجی یا ناگهانی دارند.

در مجموع، ضخامت مناسب جان تیرآهن نقشی تعیین کننده در جلوگیری از کمانش جانبی پیچشی دارد. هرچه ضخامت جان بیشتر باشد، سختی پیچشی، پایداری جانبی و کنترل رفتار تحت بارگذاری پیچیده بهتر خواهد بود و تیر با اطمینان بیشتری در سازه عمل می کند.

مقایسه عملکرد پیچشی تیر های IPE، INP و IPB

تفاوت شکل مقطع، ضخامت جان و عرض بال در تیرهای IPE، INP و IPB باعث می شود رفتار پیچشی آنها کاملا متفاوت باشد. این تفاوت ها در پروژه هایی که حتی مقدار کمی پیچش وجود دارد، اهمیت بسیار زیادی پیدا می کند. در ادامه، عملکرد پیچشی این سه مقطع را کاملا مهندسی و دقیق بررسی می کنیم:

1. تیرآهن IPE؛ جان نسبتا نازک و مقاومت پیچشی متوسط
   تیرهای IPE به دلیل جان نازک تر و بال های باریک تر نسبت به مقاطع دیگر، سختی پیچشی متوسطی دارند. در شرایطی که بارگذاری خارج از مرکز یا پیچشی قابل توجه وجود داشته باشد، این تیرها نسبت به پیچش حساس تر هستند و زاویه پیچش بیشتری نشان می دهند. در دهانه های بلند نیز احتمال افزایش تغییر شکل پیچشی وجود دارد. با این حال در سازه های معمولی، ساختمان های متعارف و بارگذاری های متعادل، IPE عملکرد قابل قبولی دارد.
2. تیرآهن INP؛ مشابه IPE اما با رفتار پیچشی ضعیف تر در بسیاری از موارد
   تیرهای INP نیز مانند IPE دارای جان نسبتا نازک هستند، اما تفاوت اصلی آنها در باریک شدن بال ها به سمت انتهاست. همین ویژگی باعث می شود بال های INP مقاومت پیچشی کمتری برای مقابله با لنگر پیچشی ایجاد کنند. بنابراین در بارگذاری خارج از مرکز، INP رفتار پیچشی ضعیف تری نسبت به IPE نشان می دهد و بیشتر مستعد تغییر شکل پیچشی و کمانش جانبی پیچشی است. استفاده از INP در پروژه هایی که پیچش حتی به صورت محدود وجود دارد، توصیه نمی شود.
3. تیرآهن IPB؛ بهترین و پایدارترین عملکرد پیچشی به دلیل جان ضخیم و بال پهن
   IPB یا تیرهای بال پهن (HEB و HEA) به دلیل داشتن جان بسیار ضخیم و بال های پهن و قوی، بهترین رفتار پیچشی را در میان تمام تیرهای استاندارد ارائه می دهند. ممان قطبی بالاتر، سختی پیچشی افزایش یافته و پایداری فوق العاده بالای این مقطع باعث می شود IPB حتی در شرایط بارگذاری خارج از مرکز، دهانه های بلند و نیروهای ترکیبی نیز عملکردی بسیار پایدار داشته باشد. این تیرها در پروژه های صنعتی، سازه های سنگین، سوله ها، پل ها و جاهایی که پیچش عامل مهمی است، انتخاب اول مهندسان هستند.

تفاوت تیرآهن های IPE، IPB(H) و INP

در پروژه‌های ساختمانی و صنعتی، انتخاب نوع تیرآهن مناسب تأثیر چشمگیری بر استحکام، پایداری و ایمنی سازه دارد، سه نوع پرکاربرد تیرآهن در بازار ایران شامل تیرآهن IPE، تیرآهن INP و تیرآهن IPB (هاش) هستند که هر یک ویژگی‌ها، استانداردها و کاربردهای خاص خود را دارند، در این مقاله به تفاوت این تیرآهن ها می پردازیم:

بیشتر بخوانید

جمع بندی

در این مقاله دیدیم که ضخامت جان تیرآهن چطور می تواند رفتار پیچشی تیر را تغییر دهد. از سختی پیچشی گرفته تا مقاومت در برابر کمانش و پایداری تحت بارهای خارج از مرکز، همه و همه به ضخامت جان وابسته اند. انتخاب جان ضخیم تر، تیر را مقاوم تر و پایدارتر می کند، اما وزن و هزینه را هم کمی بالا می برد. بنابراین تصمیم گیری باید بر اساس نوع بارگذاری، طول دهانه، شرایط پروژه و نیاز سازه انجام شود.

برای داشتن خریدی آگاهانه و انتخاب مقطع فولادی متناسب با نیاز پروژه، بهره‌مندی از مشاوره تخصصی امری ضروری است، کارشناسان مجرب و حرفه‌ای ما در آهن اینجا با تسلط کامل بر بازار آهن و شناخت دقیق نیازهای فنی، آماده‌اند تا مشاوره‌ای سودمند و کاربردی به شما ارائه دهند. این مشاوره به شما کمک می‌کند تا با اطمینان بیشتر، انتخابی دقیق‌تر و اقتصادی‌تر داشته باشید.