جدول تحمل بار نبشی چیست؟
دسترسی سریع به محتوای این مطلب
جدول تحمل بار نبشی یکی از ابزارهای اولیه مهندسی برای ارزیابی ظرفیت یک مقطع نبشی در برابر بارهای وارد شده است و به طراح کمک می کند با توجه به سایز، ضخامت، طول آزاد، نحوه تکیه گاه و نوع بارگذاری، مقطع مناسب را انتخاب کند. با این حال، میزان تحمل بار نبشی فقط از روی اندازه ظاهری آن مشخص نمی شود؛ زیرا پارامترهایی مانند ممان اینرسی، مدول مقطع، تنش تسلیم فولاد، کمانش پیچشی جانبی و حتی محل اعمال نیرو در ظرفیت واقعی آن موثر هستند.
به همین دلیل جدول تحمل بار نبشی باید همراه با اطلاعات هندسی و شرایط طراحی خوانده شود، نه اینکه یک عدد ثابت برای هر سایز در نظر گرفته شود. از طرف دیگر، هنگام برآورد اقتصادی سازه نیز بررسی وزن مقطع و قیمت آهن اهمیت دارد، زیرا افزایش سایز و ضخامت مستقیما مصرف فولاد را افزایش می دهد. در ادامه، جدول تحمل بار نبشی بر اساس سایز و ضخامت، روش خواندن جدول، نحوه محاسبه تحمل بار نبشی و مهم ترین عوامل موثر بر ظرفیت آن را بررسی می کنیم.
جدول تحمل بار نبشی
پیش از بررسی جدول باید به یک نکته مهم مهندسی توجه کرد: برای یک نبشی مشخص نمی توان بدون تعیین طول دهانه، نوع تکیه گاه، جهت قرارگیری مقطع و نوع بارگذاری یک ظرفیت بار ثابت اعلام کرد. حتی استاندارد AISC برای Single Angle Member ظرفیت خمشی را بر اساس تسلیم، کمانش پیچشی جانبی و کمانش موضعی بررسی می کند و تاکید دارد که در اعضای بلند، محدودیت تغییر شکل نیز می تواند پیش از مقاومت نهایی کنترل کننده باشد.
خواص هندسی نبشی نیز نقش اساسی دارند. جداول مقاطع معتبر برای نبشی های بال مساوی، پارامترهایی مانند ابعاد بال، ضخامت، سطح مقطع، وزن نبشی، محل مرکز سطح و مشخصات محورهای اصلی را ارائه می کنند. برای مثال ArcelorMittal جداول ابعادی نبشی های بال مساوی را مطابق استاندارد EN 10056 منتشر می کند.
جدول زیر برای درک عملی موضوع تنظیم شده است. اعداد ظرفیت بار، مقادیر تقریبی مقایسه ای برای نبشی بال مساوی فولادی هستند و نباید جایگزین محاسبات سازه ای پروژه شوند.
فرضیات جدول:
- فولاد با تنش تسلیم تقریبی Fy = 235 MPa
- مدول الاستیسیته E = 200 GPa
- تیر با دو تکیه گاه ساده
- بار به صورت Uniformly Distributed Load یا بار گسترده یکنواخت
- مهار جانبی کامل عضو
- معیار تغییر شکل تقریبی L/250
- بار از مسیر مناسب به مقطع وارد شده و اثر پیچش اضافی لحاظ نشده است
- مقادیر ظرفیت بر حسب مجموع بار گسترده روی کل دهانه و با واحد kN هستند
جدول تحمل بار نبشی
| سایز نبشی بال مساوی | وزن تقریبی kg/m | دهانه 0.5 متر | دهانه 1 متر | دهانه 1.5 متر | دهانه 2 متر |
|---|---|---|---|---|---|
| 30×30×3 | 1.34 | 1.54 kN | 0.77 kN | 0.40 kN | 0.22 kN |
| 40×40×4 | 2.39 | 3.64 kN | 1.82 kN | 1.21 kN | 0.71 kN |
| 50×50×5 | 3.73 | 7.12 kN | 3.56 kN | 2.37 kN | 1.73 kN |
| 60×60×6 | 5.37 | 12.30 kN | 6.15 kN | 4.10 kN | 3.07 kN |
| 70×70×7 | 7.31 | 19.53 kN | 9.77 kN | 6.51 kN | 4.88 kN |
| 80×80×8 | 9.55 | 29.15 kN | 14.58 kN | 9.72 kN | 7.29 kN |
| 90×90×9 | 12.08 | 41.51 kN | 20.76 kN | 13.84 kN | 10.38 kN |
| 100×100×10 | 14.91 | 56.94 kN | 28.47 kN | 18.98 kN | 14.24 kN |
| 120×120×12 | 21.48 | 98.40 kN | 49.20 kN | 32.80 kN | 24.60 kN |
| 150×150×15 | 33.56 | 192.18 kN | 96.09 kN | 64.06 kN | 48.05 kN |
نکته بسیار مهم این است که این جدول تحمل بار نبشی برای مقایسه اولیه سایزها تنظیم شده است. اگر نبشی بدون مهار جانبی باشد، بار روی یکی از بال ها اعمال شود، اتصال خارج از مرکز باشد یا عضو تحت نیروی محوری نیز قرار گیرد، ظرفیت واقعی ممکن است به شکل قابل توجهی کاهش پیدا کند. AISC برای نبشی های منفرد حتی اثر Lateral-Torsional Buckling را به صورت جداگانه در محاسبات مقاومت خمشی وارد می کند.
از مقایسه ستون ها مشخص است که افزایش طول دهانه اثر بسیار شدیدی بر ظرفیت دارد. برای مثال یک مقطع مشخص که در طول نیم متر ظرفیت قابل توجهی دارد، در دهانه دو متری ممکن است به دلیل محدودیت خمش یا خیز تنها بخشی از همان بار را تحمل کند. بنابراین اطلاعات درج شده در جدول تحمل بار نبشی همیشه باید در کنار طول موثر عضو تحلیل شوند.
نحوه خواندن جدول تحمل بار نبشی
برای استفاده درست از جدول بالا ابتدا باید سایز مقطع را مشخص کنید. برای مثال عبارت 60×60×6 یعنی هر دو بال نبشی 60 میلی متر عرض دارند و ضخامت اسمی آن حدود 6 میلی متر است. سپس باید طول آزاد بین تکیه گاه ها یا Unbraced Length را تعیین کنید. اگر دهانه واقعی یک متر باشد، ستون مربوط به یک متر خوانده می شود.
برای نبشی 60×60×6 در دهانه یک متر، مقدار تقریبی درج شده در جدول برابر 6.15 kN است. این مقدار مجموع بار گسترده روی کل عضو است، نه بار در هر متر. بنابراین برای تبدیل آن به بار گسترده خطی می توان مقدار کل را بر طول دهانه تقسیم کرد:
w = W / L
در این مثال:
w = 6.15 / 1 = 6.15 kN/m
اگر همین نبشی روی دهانه دو متری استفاده شود، مقدار جدول به حدود 3.07 kN کاهش پیدا می کند. در این حالت:
w = 3.07 / 2 = 1.535 kN/m
همین مقایسه نشان می دهد چرا اعلام یک عدد ثابت به عنوان تحمل بار نبشی از نظر مهندسی صحیح نیست.
ستون وزن نیز برای انتخاب اقتصادی مقطع اهمیت دارد. مثلا افزایش ضخامت باعث افزایش سطح مقطع، ممان اینرسی و ظرفیت بار می شود، اما همزمان وزن فولاد مصرفی را بالا می برد. در نتیجه هنگام مقایسه فنی و قیمت نبشی باید ظرفیت سازه ای و جرم مقطع به صورت همزمان بررسی شوند.
همچنین باید نوع بار را تشخیص داد. جدول بالا برای Uniform Load است. اگر نیروی متمرکز در وسط دهانه وارد شود، رابطه لنگر متفاوت خواهد بود و نباید همان مقدار جدول مستقیما مورد استفاده قرار گیرد. در طراحی حرفه ای، ابتدا Load Case تعریف و سپس ظرفیت مقطع با همان الگوی بارگذاری کنترل می شود.
نحوه محاسبه تحمل بار نبشی
نحوه محاسبه تحمل بار نبشی به نوع عملکرد عضو بستگی دارد. یک نبشی ممکن است مانند تیر تحت خمش، مانند بادبند تحت کشش یا فشار، یا تحت ترکیب نیروی محوری و لنگر کار کند. بنابراین اولین مرحله تعیین Internal Forces شامل نیروی محوری، برش و Moment است.
اگر نبشی را به صورت یک تیر ساده تحت بار گسترده در نظر بگیریم، حداکثر لنگر خمشی از رابطه زیر به دست می آید:
Mmax = wL² / 8
در این رابطه:
- Mmax حداکثر لنگر خمشی است.
- w بار گسترده خطی است.
- L طول دهانه است.
برای بار متمرکز P در وسط تیر ساده نیز داریم:
Mmax = PL / 4
پس از تعیین لنگر، ظرفیت خمشی مقطع باید محاسبه شود. در ساده ترین تحلیل الاستیک:
σ = M / S
در این رابطه S یا Section Modulus مدول مقطع است. هرچه مدول مقطع بیشتر باشد، برای یک لنگر یکسان تنش کمتری در فولاد ایجاد می شود.
برای یک تحلیل مقدماتی می توان ظرفیت خمشی را از رابطه زیر تخمین زد:
Mallow = Fallow × S
اما در طراحی واقعی نبشی، این رابطه به تنهایی کافی نیست. مقطع L شکل نسبت به تیرآهن دارای تقارن کمتری است و محورهای اصلی آن با محورهای هندسی معمول منطبق نیستند. به همین دلیل اگر بار از مرکز برش Shear Center عبور نکند، علاوه بر خمش، پیچش نیز ایجاد خواهد شد.
AISC برای نبشی های منفرد علاوه بر تسلیم، اثر Lateral-Torsional Buckling و Local Buckling را نیز بررسی می کند. در نبشی های بدون مهار جانبی، ظرفیت خمشی ممکن است پیش از رسیدن تنش به Fy توسط ناپایداری کنترل شود.
کنترل بعدی، خیز یا Deflection است. برای تیر ساده تحت بار گسترده:
δmax = 5wL⁴ / 384EI
که در آن:
- E مدول الاستیسیته فولاد است.
- I ممان اینرسی مقطع است.
- L طول دهانه است.
- w بار گسترده است.
وجود توان چهارم طول در این رابطه نکته بسیار مهمی است. اگر طول تیر دو برابر شود و سایر پارامترها ثابت بمانند، خیز می تواند تا 16 برابر افزایش پیدا کند. به همین دلیل در نبشی های بلند ممکن است Serviceability پیش از مقاومت فولاد تعیین کننده باشد.
در محاسبه تحمل بار نبشی فشاری، موضوع متفاوت است. در این حالت باید نسبت لاغری، شعاع ژیراسیون Radius of Gyration، طول موثر و کمانش عضو کنترل شوند. نبشی های منفرد به دلیل اتصال معمولا خارج از مرکز می توانند تحت ترکیبی از فشار و خمش قرار گیرند. AISC نیز طراحی Single Angle Compression Member را وابسته به شرایط اتصال، خروج از مرکزیت و لاغری بال معرفی می کند.
بنابراین محاسبه تحمل بار نبشی حرفه ای شامل کنترل حداقل این موارد است:
Load → Internal Force → Section Properties → Yielding → Buckling → Deflection → Connection
هر مرحله می تواند ظرفیت نهایی را محدود کند.
عوامل موثر بر تحمل بار نبشی
تحمل بار نبشی حاصل اثر همزمان ویژگی های مقطع، جنس فولاد، طول عضو، شرایط مهاربندی و نحوه انتقال نیرو است. به همین دلیل دو نبشی با ابعاد کاملا مشابه نیز اگر در دو سازه با طول آزاد یا سیستم اتصال متفاوت قرار بگیرند، الزاما ظرفیت یکسانی ندارند. در ادامه به شما خواهیم گفت عوامل موثر بر تحمل بار نبشی چیست:
سایز بال نبشی: افزایش عرض بال معمولا باعث افزایش سطح مقطع، ممان اینرسی و مدول مقطع می شود؛ بنابراین مقاومت خمشی و سختی عضو افزایش پیدا می کند.
ضخامت نبشی: افزایش ضخامت باعث افزایش سطح موثر فولاد و خواص هندسی مقطع می شود. با این حال رابطه ظرفیت و ضخامت کاملا خطی نیست، زیرا نوع شکست ممکن است از تسلیم به کمانش یا محدودیت اتصال تغییر کند.
طول آزاد عضو: افزایش Unbraced Length معمولا ظرفیت را کاهش می دهد. در اعضای خمشی احتمال کمانش پیچشی جانبی و در اعضای فشاری احتمال Buckling با افزایش طول بیشتر می شود.
مقاومت فولاد: افزایش Yield Strength می تواند ظرفیت تسلیم را افزایش دهد، اما تاثیری مستقیم بر سختی الاستیک ندارد؛ زیرا مقدار E برای فولادهای ساختمانی معمول تقریبا در یک محدوده است.
ممان اینرسی: Moment of Inertia مقاومت مقطع در برابر تغییر شکل خمشی را مشخص می کند. مقطعی با I بزرگ تر در شرایط یکسان خیز کمتری خواهد داشت.
مدول مقطع: Section Modulus یکی از پارامترهای اصلی محاسبه تنش خمشی است و مستقیما در تعیین Moment Capacity نقش دارد.
جهت قرارگیری نبشی: قرار گرفتن بال عمودی یا افقی، جهت اعمال نیرو و موقعیت محور خمش می تواند خواص موثر مقطع را تغییر دهد.
محل اعمال بار: در مقاطع نامتقارن مانند نبشی، وارد شدن نیرو خارج از مرکز برش می تواند Torsion ایجاد کند و ظرفیت موثر عضو را کاهش دهد.
شرایط تکیه گاهی: تیر ساده، گیردار، یک سر گیردار یا عضو پیوسته تحت یک بار مشخص لنگرهای متفاوتی ایجاد می کنند. بنابراین جدول یک نوع تکیه گاه را نمی توان برای تمام شرایط استفاده کرد.
نوع بارگذاری: بار متمرکز، بار گسترده، نیروی محوری و بار دینامیکی هر یک توزیع تنش متفاوتی در نبشی ایجاد می کنند.
مهار جانبی: Lateral Restraint مناسب می تواند احتمال کمانش جانبی و پیچشی را کاهش دهد و اجازه دهد ظرفیت بیشتری از مقطع مورد استفاده قرار گیرد.
نوع اتصال: پیچ، جوش، تعداد پیچ ها، فاصله سوراخ ها و طول جوش می توانند ظرفیت اتصال را محدود کنند؛ حتی اگر خود نبشی از نظر مقاومت مقطع ظرفیت کافی داشته باشد.
سوراخ کاری: ایجاد سوراخ پیچ سطح خالص Net Area را کاهش می دهد و در اعضای کششی باید شکست سطح خالص و Block Shear کنترل شود.
خوردگی و کاهش ضخامت: کاهش ضخامت واقعی در اثر Corrosion می تواند سطح مقطع و ممان اینرسی را کمتر کند و ظرفیت عضو قدیمی را نسبت به مقدار اولیه کاهش دهد.
دمای کاری: در دماهای بالا خواص مکانیکی فولاد کاهش پیدا می کنند و استفاده مستقیم از ظرفیت های شرایط عادی صحیح نیست.
بارهای ضربه ای و متناوب: در سازه هایی که تحت Impact یا Cyclic Loading هستند، بررسی خستگی و ضریب دینامیکی نیز ضروری است.
جدول تحمل بار نبشی ابزار مناسبی برای مقایسه اولیه مقاطع است، اما ظرفیت واقعی نبشی تنها به سایز و ضخامت محدود نمی شود. طول دهانه، نحوه قرارگیری مقطع، نوع بار، ممان اینرسی، مدول مقطع، مهار جانبی، نوع اتصال و مقاومت فولاد همگی در تعیین میزان تحمل بار نبشی نقش دارند. مهم ترین نکته هنگام استفاده از جدول تحمل بار نبشی بر اساس سایز و ضخامت این است که شرایط فرض شده برای جدول با شرایط واقعی سازه مطابقت داشته باشد. برای طراحی نهایی نیز باید علاوه بر مقاومت خمشی، کمانش، خیز، برش، پیچش و اتصال کنترل شوند؛ بنابراین اعداد جدول بالا برای انتخاب مقدماتی مناسب هستند و طراحی اجرایی باید بر اساس آیین نامه و محاسبات مهندسی انجام شود.
سوالات متداول
به سایز، ضخامت، جنس فولاد، طول آزاد، نوع بارگذاری، مهار جانبی، جهت قرارگیری و نحوه اتصال نبشی بستگی دارد.
در شرایط یکسان معمولا بله، اما افزایش ضخامت به تنهایی تضمین کننده ظرفیت بیشتر نیست و کمانش، طول و نحوه اتصال نیز باید بررسی شوند.
ابتدا سایز و ضخامت نبشی و سپس طول دهانه را مشخص کنید و مقدار ظرفیت متناظر را با توجه به نوع بارگذاری و فرضیات جدول بخوانید.
بله، افزایش طول آزاد معمولا خیز و احتمال کمانش را افزایش داده و ظرفیت قابل استفاده عضو را کاهش می دهد.
نبشی سنگین معمولا ضخامت و سطح مقطع بیشتری دارد و در سایز مشابه می تواند ظرفیت و سختی بالاتری نسبت به نبشی سبک داشته باشد.
جداول خواص هندسی برای بسیاری از سایزهای استاندارد وجود دارند، اما ظرفیت بار باید با توجه به شرایط واقعی عضو محاسبه شود.
با تعیین بار و لنگر، استخراج خواص مقطع و سپس کنترل تسلیم، خیز، کمانش، پیچش و ظرفیت اتصال می توان تحمل بار نبشی را محاسبه کرد.
- ارسال شده توسط :مسعود محمدی4 ماه پیشسلام و خسته نباشید نبشی مناسب واسه سرطان پنچره با دهانه ۴ الی ۵ متر چه سایزی هستش با پایه دیواری ۲۰ سانتیمتر 🙏
- ارسال شده توسط :کارشناس مرکزآهن4 ماه پیشسلام، وقت بخیر. برای ساخت سردر یا سایه بان پنجره با دهانه ۴ تا ۵ متر و پایه دیواری ۲۰ سانتی متر، انتخاب سایز نبشی به عواملی مثل وزن پوشش، میزان بار برف و باد، نحوه مهاربندی و فاصله تکیه گاه ها بستگی دارد و بدون نقشه سازه نمی توان سایز قطعی اعلام کرد. اما به صورت تجربی برای چنین دهانه ای معمولا از نبشی‌های سنگین‌تر مثل نبشی ۶ یا ۸ (مثلا نبشی ۶×۶ یا بالاتر) استفاده می شود و برای دهانه ۵ متر بهتر است حتما از تقویت با قوطی، تیرک یا مهاربند استفاده شود تا خمش ایجاد نشود. برای اعلام سایز دقیق‌تر باید بدانیم پوشش سقف یا سایه بان چیست (ورق، شیشه، سفال و...) و اینکه بارگذاری منطقه پروژه (برف و باد) چقدر است.