پیچش در اعضای بتن آرمه

در فصل های گذشته با برخی از نیروهای تاثیر گذار در طراحی مقاطع بتن آرمه از جمله خمش و برش آشنا شدیم و ضوابط طراحی آنها را مطابق آیین نامه بررسی نمودیم.

در این فصل می خواهیم در خصوص یکی دیگر از عوامل مهم در طراحی اعضای بتن آرمه، یعنی لنگر پیچشی با شما عزیزان صحبت کنیم.

لنگر پیچشی می تواند به صورت مجزا و یا به صورت همزمان با سایر عوامل از قبیل خمش و برش بر اعضای بتن آرمه اعمال شود.

در صورتی که اثر پیچشی به طور صحیح در طراحی مقطع در نظر گرفته نشود، بروز گسیختگی های پیش بینی نشده و ناگهانی در عضو بتن آرمه بسیار محتمل خواهد بود.

در اثر اعمال لنگر پیچشی در مقاطع، یک جریان برش در وجوه خارجی مقاطع ایجاد می شود که باعث ایجاد تنش برشی در جداره های خارجی مقطع می گردد.

این تنش های برشی می تواند باعث ایجاد ترک های مورب با زوایای تقریبا 45 درجه بر روی سطوح خارجی یعنی قسمت هایی که تحت تنش های برشی قرار دارند، گیرد.

در واقع ماهیت تنش های ایجاد شده تحت اثر پیچش مشابه تنش های برشی ناشی از برش بوده، اما جهت تنش ها و سطحی از مقطع که تحت تاثیر این تش ها واقع می شود، در این دو حالت با هم متفاوت است.

نکته مهمی که مطابق توضیحات فوق در تئوری پیچش وجود دارد، این است که به لحاظ پیچشی تفاوت چندانی بین مقاطع توپر و مقاطع توخالی (قوطی شکل) وجود ندارد، زیرا جریان برش ناشی از پیچش فقط در وجه خارجی مقطع به صورت موثر در نظر گرفته می شود.

این نکته یکی از مباحث مهم طراحی پیچشی در آیین نامه بوده که با نحوه کاربرد در بخش های بعدی آشنا خواهید شد.

شکل زیر جریان برش ناشی از لنگر پیچشی را در مقطع توپر و توخالی بتن آرمه نمایش می دهد:

انواع لنگر پیچشی ایجاد شده در اعضای بتن آرمه

حال که با مفهوم پیچش و چگونگی اثر آن بر اعضای بتن آرمه آشنا شدید، ممکن است این سوال در ذهن شما ایجاد شده باشد که لنگر پیچشی چگونه در اعضای یک ساختمان اتفاق می افتد؟

به عبارتی با توجه به اینکه اعمال پیچش به صورت یک لنگر مستقیم معمولا رخ نمی دهد، چگونه می توان نقاط مستعد ایجاد لنگر پیچشی را تحت اثر سایر عوامل در اعضای بتن آرمه مشخص نمود؟

در این قسمت با بررسی انواع لنگر پیچشی ایجاد شده در سازه، به شرح این سوال می پردازیم.

1)لنگر پیچشی تعادلی: هنگامی که یک بار عمود بر محور طولی عضو و به همراه خروج از محوریت نسبت به این محور بر عضو اعمال گردد، باعث ایجاد لنگر پیچشی در آن می شود.

برای درک بهتر به شکل زیر که پلان یک ساختمان بتن آرمه را نمایش می دهد توجه کنید.

همانطور که مشاهده می کنیم، این پلان در محور C دارای یک پیش آمدگی به صورت بالکن است.

هنگامی که بالکن، تحت اثر بارهای قائم( ناشی از بارهای مرده، زنده و زلزله قائم) قرار می گیرد، یک لنگر پیچشی در تیر تکیه گاهی واقع بر محور C در حد فاصل محورهای 2 و 3 ایجاد می شود.

در واقع در این حالت نیروهای قائمی که بر بالکن اعمال می شوند، نسبت به محور مرکزی تیر واقع بر محور C دارای خروج از مرکزیت بوده و مقدار لنگر پیچشی ایجاد شده را می توان با توجه به مقدار بارهای اعمالی و استاتیک به راحتی محاسبه نمود.

در واقع نکته مهم در این حالت این است که لنگر پیچشی در سازه معین و یا در بخش های معین از سازه نامعین (مانند تیر مورد بررسی) اتفاق افتاده و مقدار آن را به راحتی و با استفاده از معادلات استاتیک می توان تعیین نمود.

با توجه به توضیحات گفته شده، این نوع پیچش که مقدار آن با استفاده از معادلات تعادل قابل محاسبه است، پیچش تعادلی نامیده می شود.

لازم به ذکر است هنگامی که مقاطع تحت اثر لنگر پیچشی تعادلی قرار می گیرند، به دلیل عدم امکان باز توزیع لنگر در المان ها، طراحی پیچشی باید برای کل لنگر پیچشی اعمال شده در آنها انجام شود.

المان های تکیه گاهی برای طره ها مطابق شکل های زیر، از جمله مثال های متداول در این نوع لنگر پیچشی محسوب می شوند.

2)لنگر پیچشی همسازی: بر خلاف حالت قبل، این لنگر در سازه های نامعین رخ می دهد و به همین دلیل مقدار آن به سادگی قابل محاسبه نمی باشد.

مثال رایج لنگر پیچشی همسازی در تیرهای تکیه گاهی پیرامونی که سیستم کف از نوع دال و خصوصا به همراه تیرهای فرعی میانی است، اتفاق می افتد. برای درک بهتر شکل زیر که پلان یک ساختمان دارای بازشو است را مشاهده کنید.

مطابق شکل، هنگامی که ناحیه هاشور زده شده تحت اثر بارهای ثقلی قرار می گیرد، در تیر فرعی a لنگر خمشی ایجاد شده که این لنگر خمشی باعث ایجاد لنگر پیچشی در تیرهای تکیه گاهی تیر a واقع بر محورهای B و C در حد فاصل محورهای 2 و 3 می گردد.

در این حالت مقدار دقیق لنگر ایجاد شده را نمی توان با استفاده از معادلات تعادل استاتیکی به تنهایی تعیین نمود.

در این شرایط با استفاده از معادلات سازگاری و به نسبت سختی این تیرها، پیچش در آنها تعیین می شود.

البته برای راحتی کار، در عمل تحلیل توسط نرم افزار انجام شده و با استفاده از منوی نتایج تحلیل و یا رسم دیاگرام نیروهای عضو، مقدار لنگر پیچشی این تیرها تعیین می شود.

در شکل زیر نیز در اثر بارگذاری قائم بر روی تیر فرعی BD، در تیرهای تکیه گاهی آن نظیر AC، پیچش همسازی ایجاد شده است.

هنگامی که اعضای بتن آرمه تحت اثر لنگر پیچشی همسازی قرار می گیرند، سختی پیچشی اعضا تحت اثر ترک خوردگی کاهش یافته و امکان باز توزیع لنگر پیچشی در آنها به وجود می آید.

در این حالت می توان المان ها را تحت اثر لنگرهای پیچشی کمتری نسبت به مقادیر اولیه طراحی نمود. این موضوع را در قسمت سوم بررسی خواهیم کرد.

مثال: در صورت اتصال یک تیر کنسولی تحت بار قائم به وسط دهانه یک تیر دیگر، می توان گفت که لنگر پیچشی ایجاد شده در عضو دوم، …………………..

1)اکثرا قابل اغماض است. 2)مانند لنگرهای پیچشی تعادلی محسوب می شود.

3)به دلیل امکان باز توزیع لنگرها، کاهش می یابد.

4) به دلیل امکان باز توزیع لنگرها، افزایش می یابد.

حل: پیچش ایجاد شده در عضو AB در اثر وجود تیر کنسول است و مقدار پیچش ایجاد شده در آن به سادگی از معادلات استاتیک بدست آمده و برابر PL است (L فاصله نیروی P از محور عضو AB است).

با توجه به این موضوع، پیچش عضو AB از نوع پیچش تعادلی محسوب می شود و می دانیم که پیچش تعادلی قابل کاهش یا افزایش نیست و در نتیجه باز توزیع نمی شود. بنابراین گزینه 2 صحیح است.