کمانش یا خمیدگی تیرآهن به نوعی یک واکنش مکانیکی مهم در مهندسی سازه است که تقریباً تمامی اعضای تحت فشار را دچار خمیدگی می کند. کمانش یا خمیدگی، معمولاً زمانی رخ می دهد که تنش های وارده به اعضای تیرآهن از میزان مقاومت آن ها بیشتر باشد. به نوعی که اعضای تحت فشار پیش از رسیدن به حداکثر مقاومت فشاری خود و پیش از شکسته شدن تحت اثر تنش تسلیم فشاری قرار گرفته و دچار پدیده کمانش می شوند.
خمیدگی یا کمانش تیرها هم معمولاً بنا به دلایل مختلفی مثل: مشخصات خصوصیات یک تیرآهن، ابعاد آن، شرایط محیطی، نقط اعمال نیرو و…، اتفاق می افتد. انواع خمیدگی تیرآهن نیز شامل دو نوع کلی و موضعی می باشند که برای آشنایی بیشتر در این موضوع در ادامه مطلب با ما باشید.
منظور از خمیدگی یا کمانش تیرآهن چیست؟
به زبان ساده خمیدگی یا کمانش تیرآهن هاش به وضعیتی گفته می شود که تیرآهن پابرجا نمی ماند و به شکل خم یا کمان شده تغییر حالت می دهد. کمانش یا خمیدگی درست در زمانی اتفاق می افتد که نیروها یا تنش های مختلف به تیرآهن اعمال شوند و با این کار باعث انحراف از شکل اصلی آن گردند. در واقع، زمانی که نیروها و تنش های اعمال شده به یک تیرآهن یا هر محصولی بیشتر از حد مقاومت آن ها باشد، کمانش رخ می دهد که باعث ضعیف شدن آن و کاهش ایمنی سازه می گردد. به همین خاطر خمیدگی یا کمانش تیرآهن در معماری و همچنین در اندازه گیری سازه ها از اهمیت ویژه برخوردار است. علاوه بر تیرآهن کمانش یا خمیدگی می تواند در هر محصول فولادی رخ داده و با اعمال فشار آن را دچار این مشکل نماید.
منظور از بار بحرانی به طور کلی بیشترین مقدار باری است که بدون توجه به این که ستون حالت ابتدایی و مستقیم خود را از دست بدهد، به آن وارد می شود. اولین بار تئوری رفتار با ستون ها و میزان تحمل بار آن ها توسط لئونارد اویلر در سال ۱۷۵۷ میلادی مورد توجه و بررسی قرار گرفت. وی توانست رابطه ای را برای ستون های بلند لاغر و ایده آل و حداکثر بار محوری آن ها بدون کمانش محاسبه کند. به طوری که بر اساس بررسی کند.
از نظر وی ستون ایده آل به ستونی گفته می شود که از مصالح همگن تشکیل شده و تنش اولیه ندارد. اما، در صورتی که این ستون به بار بحرانی برسد؛ در حالت نامتعادل خود قرار می گیرد. بر اساس بررسی هایی که اویلر به دست آورده، مقدار بار بحرانی برای یک ستون که از بتن فولاد و یا تیرآهن و…، تشکیل شده است و از طریق رابطه ای به دست می آید.
در این رابطه باید بار بحرانی یا همان بار فشاری در جهت طولی ستون ها را به دست آورد و آن را با حرف انگلیسی P نشان داد. همچنین، موارد دیگری مثل ممان اینسری، سطح مقطع تیرآهن طول آن، ضریب طول موثر در ستون، ضریب برای حالت های مختلف بر حسب نحوه اتصال ستون و…، نیز به دست آیند. به طور کلی به بار بحرانی برخی اوقات بار کمانش نیز می گویند که معنی آن یعنی بیشترین باری که یک ستون و یا یک محصول می تواند بدون این که از کار بیفتد یا دچار انحراف شود، تحمل نماید. بار بحرانی در ستون ها و در تیرآهن ها و به طور کلی در هر محصولی، در مقایسه با دیگری متفاوت هستند.
دلایل و علت های رخ دادن کمانش تیرآهن
تغییر شکل تیرآهن به شکل خم یا انحنا، تحت تاثیر عوامل مختلفی رخ می دهد و که از جمله مهم ترین آن ها عبارتند از:
1. بارگذاری: یکی از مهم ترین دلایل به وجود آمدن کمانش یا خمیدگی تیرآهن، بارگذاری نادرست آن است. در واقع، زمانی که به تیرآهن نیروهایی مثل فشار کشش یا خمش به طور بیش از حد وارد شوند، این نیروها می توانند شکل اصلی تیرآهن را تغییر داده و آن را به شکلی کمان شده تغییر وضعیت دهند. به طور مثال: یک تیرآهن معمولی در یک پل اگر به نادرستی بارگذاری شود، ممکن است به خاطر وزن خود و یا فشارهای وارده به شکل کمان شده پس از مدتی تغییر پیدا کند.
2. مشخصات تیرآهن: تیرآهن ها دارای مشخصات و ویژگی های متفاوتی هستند که این موضوع نیز می تواند تا حد زیادی در میزان خمیدگی و کمانش آن ها اثرگذار باشد. معمولا تیرآهن هایی که در دسته محصولات با استحکام و مقاومت بالا قرار می گیرند، در مقایسه با سایرین کمتر دچار کمانش می شوند.
3. نقطه اعمال نیرو: نقطه و محل اعمال نیرو بر روی تیرآهن های مختلف نیز تاثیر مستقیمی بر روی وقوع یا عدم وقوع پدیده خمیدگی یا کمانش آن ها می شوند. اگر نقطه اعمال نیرو در وسط تیرآهن باشد، موجب خمیدگی بیشتر آن می شود. اما، اگر نیروهای اعمال شده مثل نیروهای کششی و خمشی یا فشاری در اول یا آخر تیرآهن وارد شوند، میزان خمیدگی تیرآهن کمتر می گردد.
4. شرایط محیطی: یکی از مهم ترین عواملی که باعث خمیدگی یا کمانش انواع تیرآهن ها می شود، شرایط محیطی است. شرایط محیطی تاثیرگذار بر این موضوع شامل: دما و حرارت زیاد، رطوبت و یا نفوذ آب، انقباض تیرآهن و…، هستند که هر یک به نوبه خود تاثیر بسیار زیادی در کمانش تیرآهن ها می گذارند.
5. ابعاد و اشکال تیرآهن: معمولاً ابعاد و اندازه و شکل ظاهری تیرآهن ها بر وقوع یا عدم وقوع خمیدگی یا کمانش آن ها نیز اثرگذار هستند. زیرا، تیرآهن هایی که سایز بیشتری دارند و بلندتر و عریض تر هستند؛ کمتر دچار کمانش می شوند. اما، در سمت مقابل تیرآهن هایی که سطح مقطع آن ها کوچک بوده و طول بلندی دارند، در معرض این مشکل می باشند. زیرا، تیرآهن هایی که دارای سطح مقطع بزرگ تری هستند؛ از مقاومت بالاتری برخوردار بوده و در صورتی که تحت فشار قرار گیرند، دچار خمیدگی نمی شوند.
انواع خمیدگی تیرآهن کدامند؟
خمیدگی یا کمانش تیرآهن ها به صورت کلی و یا موضعی اتفاق می افتند. اگر کمانش تیرآهن به صورت یکپارچه و در طول کل آن رخ دهد، به این نوع کمانش کلی تیرآهن گفته می شود. در واقع، در این صورت تمامی بخش های تیرآهن تحت اثر نیروهای وارد و یا بارهای بحرانی قرار گرفته و به طور یکنواخت این محصول و به شکل متناسب دچار خمیدگی می شود. اما، اگر کمانش در یک بخش و در نقاط خاصی به صورت موضعی رخ دهد، به آن خمیدگی یا کمانش موضعی تیرآهن می گویند.
معمولاً منظور از نقاط خاص، بخش هایی است که در نزدیکی مناطق اعمال نیروها یا نقاط تماس با سایر اجزای سازه هستند و در این نقاط تنش های بیشتری نسبت به سایر بخش ها وجود دارد. به طور مثال: در تیرآهن های افقی که در یک پل قرار می گیرند، کمانش کلی رخ می دهد. اما، کمانش های موضعی در نقاط تماس با ستون ها یا در نقاطی که نیروهای برشی و فشاری بیشتر هستند، رخ می دهند.
چگونه می توان از کمانش تیرآهن پیشگیری کرد؟
برای پیشگیری از خمیدگی یا کمانش تیرآهن، روش های مختلفی وجود دارند که از جمله مهم ترین آن ها عبارتند از:
• انتخاب متریال مناسب: انتخاب متریال مورد استفاده در ساخت تیرآهن، تاثیر مستقیمی بر میزان مقاومت آن دارد و هر چه متریال مورد استفاده با کیفیت تر باشند، مقاومت تیرآهن نیز افزایش پیدا می کند. تیرآهنهایی که از مقاومت بالایی برخورد دارند؛ همواره میزان تحمل زیادی در برابر تنش ها و فشارهای وارده دارند و دچار خمیدگی یا کمانش نمی شوند.
• استفاده از تقویت کننده ها: می توان از طریق افزودن برخی از تقویت کننده ها یا اتصالات فلزی به تیرآهن ها، باعث افزایش مقاومت آن ها شده و در نتیجه در برابر و در نتیجه از کمانش و خمیدگی آن ها پیشگیری کرد. معمولاً این تقویت کننده ها یا اتصالات فلزی در نقاطی که خمش و کمانش بیشتری رخ می دهد، قرار می گیرند.
• اندازه گیری و کنترل دقیق: اندازه گیری تیرآهن ها و کنترل دقیق نحوه بارگذاری آن ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. لذا، برای پیشگیری از کمانش تیرآهن ها باید از سیستم های نظارتی و حسگرها برای اندازه گیری بارها و تنش ها و همچنین نحوه بارگذاری معقول و ایمن تیرآهن ها استفاده کرد. همواره استفاده از ابزارهای جدید و همچنین در محاسبات دقیق و طراحی مناسب به نوبه خود می توانند باعث افزایش مقاومت تیرآهن ها شده و به کنترل و یا کاهش میزان کمانش خمیدگی شود.
خلاصه مطلب
کمانش یا خمیدگی تیرآهن به نوع یک پدیده مکانیکی به شمار می آید و به تغییر شکل ظاهری تیرآهن به شکل خم یا کمان شده گفته می شود. این پدیده در مهندسی عمران و سازه اهمیت زیادی دارد و باعث ضعیف شدن سازه ها و در بلند مدت کاهش ایمنی آن ها می گردد. اگر در این حیطه سوالی دارید و یا می خواهید برای خرید انواع تیرآهن های مقاوم در سایزهای مختلف مثل: تیرآهن ۱۴ و یا سایر محصولات فولادی اقدام کنید، می توانید با همکاران ما در فولاد کو ارتباط برقرار کنید.