آیا تا به حال به این فکر کرده‌اید که چگونه پل‌هایی که از رودخانه‌های خروشان عبور می‌کنند یا اسکلت‌های فولادی که از آسمان‌خراش‌ها پشتیبانی می‌کنند، در برابر باد و هوا ثابت می‌مانند؟ پاسخ اغلب در یک طراحی سازه‌ای به نام «قاب صلب» نهفته است. این مقاله به بررسی تعریف، ویژگی‌ها، کاربردها و اهمیت حیاتی قاب‌های صلب در مهندسی می‌پردازد.
تعریف و اصول اساسی
یک قاب صلب، همانطور که از نامش پیداست، یک سیستم سازه‌ای است که در آن تیرها و ستون‌ها از طریق اتصالات صلب به هم متصل می‌شوند تا یک کل یکپارچه را تشکیل دهند. اصل کلیدی مستلزم آن است که سازه دهانه و زیرساخت پشتیبان، سفتی قابل مقایسه داشته باشند تا یک قاب صلب واقعی ایجاد شود. در سازه‌های فولادی، این معمولاً به عنوان اتصالات کاملاً جوش داده شده بین تیرهای صفحه و ستون‌های پشتیبان ظاهر می‌شود، در حالی که سازه‌های بتنی از طریق ریخته‌گری یکپارچه دال‌های سازه‌ای با دیوارهای تکیه‌گاه به یکپارچگی می‌رسند.
قابل توجه است که وقتی سفتی سازه بالایی به طور قابل توجهی از سازه پایینی بیشتر باشد، اتصال را نمی‌توان یک قاب صلب واقعی در نظر گرفت - حتی زمانی که از نظر فیزیکی به هم متصل شده باشند. به عنوان مثال، در سازه‌های دال قوسی بتن مسلح که در آن دال به طور یکپارچه با تیرهای پایه و ستون‌ها متصل می‌شود، اگر سفتی ستون حداقل بر عملکرد دال تأثیر بگذارد، این سیستم به عنوان یک سازه قاب واجد شرایط نیست.
خواص مکانیکی و تحلیل پایداری
در تحلیل مکانیکی، هر گره در یک قاب صلب باید سه معادله تعادل را برآورده کند: مجموع نیروهای افقی برابر با صفر (∑H=0)، نیروهای عمودی برابر با صفر (∑V=0) و گشتاورها برابر با صفر (∑M=0). در نتیجه، هر جزء قاب نیروهای محوری، نیروهای برشی و لنگرهای خمشی ناشناخته‌ای را حمل می‌کند.
برای یک قاب صلب با
−1) آزاد می‌شود. یک قاب صلب با اتصالات لولایی زمانی معین می‌شود که 3
اعضا و
+
محدودیت‌های خارجی، تعداد مجهولات برابر است با (3
−1) آزاد می‌شود. یک قاب صلب با اتصالات لولایی زمانی معین می‌شود که 3
j
+
). سازه زمانی از نظر استاتیکی معین می‌شود که مجهولات با معادلات تعادل مطابقت داشته باشند (3
−1) آزاد می‌شود. یک قاب صلب با اتصالات لولایی زمانی معین می‌شود که 3
j
+
r
=3
c
=3
نشان دهنده گره‌ها از جمله تکیه‌گاه‌ها است)، زمانی که مجهولات از معادلات بیشتر شوند (3
−1) آزاد می‌شود. یک قاب صلب با اتصالات لولایی زمانی معین می‌شود که 3
j
+
>3
=3
)، و زمانی که معادلات از مجهولات بیشتر شوند (3
−1) آزاد می‌شود. یک قاب صلب با اتصالات لولایی زمانی معین می‌شود که 3
j
+
<3
=3
j
).
کاربردهای ایمنی
اصول طراحی قاب صلب برای سیستم‌های ایمنی اقتباس شده است. برخی از شرکت‌ها از سبدهای قاب صلب استفاده می‌کنند که پرسنل را در سازه‌هایی شبیه قفس محصور می‌کنند. در حالی که خطر سقوط را کاهش می‌دهند، نگرانی‌هایی در مورد سناریوهای غوطه‌وری در آب وجود دارد که در آن فرار ممکن است مختل شود. دو نوع وجود دارد: نوع
Esvagt
با حلقه‌های شناوری و سپر برای سرنشینان ایستاده، و کپسول‌های انتقال با صفحات شناوری که در آن پرسنل نشسته مهار می‌شوند.
پل‌های قاب صلب: راه‌حل‌های اقتصادی میان‌دهانه
پل‌های قاب صلب (یا پل‌های قاب پورتال) دارای روساخت‌هایی هستند که توسط ستون‌های عمودی یا مایل یکپارچه پشتیبانی می‌شوند. اتصال صلب بین سازه‌های بالایی و پایینی یک سیستم یکپارچه ایجاد می‌کند که از نظر اقتصادی برای دهانه‌های متوسط کارآمد است. این پل‌ها که در اوایل قرن بیستم در آلمان منشأ گرفته‌اند، مزایای سازه‌ای از جمله کاهش لنگرهای میان‌دهانه (که امکان مقاطع کم‌عمق‌تر را فراهم می‌کند)، به حداقل رساندن ردپای ساخت و ساز و حذف جزئیات پشتیبانی تکیه‌گاه را ارائه می‌دهند.
نمونه‌های قابل توجه عبارتند از پل قاب صلب پیش‌تنیده پیوسته دو خطه شینبانپو چونگ‌کینگ که از رودخانه یانگ تسه با دهانه اصلی 330 متری رکورددار عبور می‌کند و پل هیگاشی-اوهشی توکیو. با این حال، به عنوان سازه‌های نامعین استاتیکی، طراحی و تحلیل آن‌ها از پل‌های ساده یا پیوسته فراتر می‌رود.
طراحی لولا در قاب‌های صلب
اعضا در یک اتصال ایجاد می‌کند
i
−1) آزاد می‌شود. یک قاب صلب با اتصالات لولایی زمانی معین می‌شود که 3
n
اعضا در یک اتصال ایجاد می‌کند
i
−1) آزاد می‌شود. یک قاب صلب با اتصالات لولایی زمانی معین می‌شود که 3
n
−1) آزاد می‌شود. یک قاب صلب با اتصالات لولایی زمانی معین می‌شود که 3
n
−1) آزاد می‌شود. یک قاب صلب با اتصالات لولایی زمانی معین می‌شود که 3
j
+
r
=3
j
را برآورده کند، که در آن
c
را برآورده کند، که در آن
c
نشان دهنده آزاد شده‌های معرفی شده است.
کاربردهای تخصصی
فناوری پیل سوختی
سازه های آب بندی قاب محافظ صلب در مجموعه‌های الکترود غشایی (MEA) از قاب‌هایی ساخته شده از موادی مانند PEN یا PTFE استفاده می‌کنند. پس از فشرده‌سازی حرارتی با درزگیرهای ترموپلاستیک، این قاب‌ها نسبت‌های فشرده‌سازی MEA را در پشته‌های پیل سوختی تعیین می‌کنند - اطمینان از مقاومت تماسی بهینه با صفحات دوقطبی و در عین حال جلوگیری از فشرده‌سازی بیش از حد که می‌تواند باعث مشکلات انتقال جرم یا آسیب عملیاتی شود.
قاب‌های مقاوم در برابر گشتاور (MRF)
سیستم‌های MRF از قاب‌های متصل به گشتاور به عنوان سیستم‌های پایداری جانبی اولیه در ساختمان‌ها استفاده می‌کنند. MRFها که به تیرها، ستون‌ها و اتصالات با طراحی ویژه برای مقاومت در برابر لنگرهای خمشی ناشی از بارهای جانبی نیاز دارند - چه فولادی و چه بتنی - به جزئیات اتصال گران قیمت نیاز دارند. چالش‌ها شامل کنترل اثرات P-Delta است که باعث افزایش نوسان ساختمان و ایجاد خمش اضافی می‌شود. در نتیجه، MRFها به ندرت به عنوان مقاومت جانبی انحصاری در ساختمان‌های مرتفع عمل می‌کنند، معمولاً با دیوارهای هسته‌ای یا سیستم‌های مهاربندی ترکیب می‌شوند - که نمونه آن مرکز تجارت جهانی یک نیویورک است که دارای یک هسته بتنی است که توسط قاب‌های گشتاور فولادی احاطه شده است.
مهندسی هوانوردی
کشتی‌های هوایی صلب پیچیدگی ساختاری خود را تنها در طول‌های قابل توجه توجیه می‌کنند. بورگس
طراحی کشتی هوایی
اشاره می‌کند که قاب‌های صلب در حجم‌های کمتر از یک میلیون فوت مکعب غیرعملی می‌شوند - اکثر آن‌ها از دو میلیون تجاوز می‌کنند. در حالی که کشتی‌های هوایی غیر صلب بر استفاده فعلی غالب هستند، بدنه های صلب مزایایی را برای کشتی‌های بزرگ با از بین بردن محدودیت‌های استحکام پارچه و ارائه یکپارچگی ساختاری برتر نشان می‌دهند. آن‌ها از فروریختن دماغه در سرعت‌های بالا جلوگیری می‌کنند و بازرسی‌های داخلی را مجاز می‌دانند، اگرچه ملاحظات وزن و فرآیندهای تولید پیچیده چالش‌های مهمی را ایجاد می‌کنند.
روش طراحی پلاستیک
در رویکردهای طراحی پلاستیک، مهندسان مدول‌های مقطع پلاستیکی مورد نیاز را برای قاب‌های صلب تعیین می‌کنند تا به عوامل بار فروپاشی مشخص شده دست یابند. به عنوان مثال، یک قاب صلب دو دهانه با مقاطع یکنواخت (ضریب شکل 1.15، تنش تسلیم 50 کیلو پوند بر اینچ مربع) که بارهای محوری را نادیده می‌گیرد، نیاز به محاسبه دارد تا از یک عامل بار فروپاشی اطمینان حاصل شود
N
=1.75.
راه‌حل‌های سازه‌ای همه‌جا
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!