مقاله شماره ۱۲۹ | مهاربند گوشهای: مکانیک سازه، بهینهسازی مسیر بار و جلوگیری از خرابی
مقاله شماره ۱۲۹ | مهاربند گوشهای: مکانیک سازه، بهینهسازی مسیر بار و جلوگیری از خرابی
The بریس گوشه یکی از اجزای سازهای بسیار مهم اما اغلب نادیده گرفته شده در سختافزار معماری است. چه در ساخت قاب چوبی، ساخت پنجره آلومینیومی یا سیستمهای قاب فولادی به کار رود، مهاربند گوشهای عملکردی به ظاهر ساده دارد: یک اتصال قائمالزاویه را در برابر خمیدگی، برش و تغییر شکل پیچشی تقویت میکند. در پس این هدف ساده، تعامل پیچیدهای از مکانیک سازه، علم مواد و طراحی اتصال نهفته است. یک مهاربند گوشهای به درستی مشخص شده، یک اتصال ضعیف با اتصال پینی را به یک اتصال مقاوم در برابر خمش صلب تبدیل میکند. یک مهاربند گوشهای نامناسب، چیزی بیش از ارزش تزئینی ارائه نمیدهد و اتصال را در برابر تغییر شکل پیشرونده و در نهایت شکست سازهای آسیبپذیر میکند. درک اصول حاکم بر عملکرد مهاربند گوشهای برای مهندسان و سازندگانی که متعهد به تولید مجموعههای بادوام هستند، ضروری است.
اصل مثلث بندی
اصل اساسی پشت هر گوشه براکو مثلثبندی است - خاصیت هندسی که مثلث را به تنها چندضلعی ذاتاً پایدار تبدیل میکند. یک اتصال قائمالزاویه با یک بست تکی، یک اتصال پینی تشکیل میدهد که تحت بار آزادانه میچرخد و عملاً هیچ مقاومتی در برابر خم شدن ارائه نمیدهد. استفاده از مهاربند گوشهای، یک مسیر بار مثلثی ایجاد میکند که این مکانیزم ناپایدار را به یک سیستم سازهای پایدار تبدیل میکند. وتر، نیروی فشاری یا کششی را در برابر چرخش اتصال تحمل میکند. طول، زاویه و سطح مقطع مهاربند، اثربخشی را تعیین میکنند. جهتگیری ۴۵ درجه، سختی متعادلی را در هر دو محور فراهم میکند، اگرچه کاربردهای خاص ممکن است برای جهتهای بار غالب، زوایای تنظیمشدهای را طلب کنند. گشتاور دوم سطح مقطع مهاربند باید در برابر کمانش تحت فشار مقاومت کند - این نکته با افزایش طول نسبت به سطح مقطع، اهمیت بیشتری پیدا میکند. در کاربردهای پنجره که مهاربند باید در کانالهای پروفیل باریک قرار گیرد، محدودیتهای هندسی اغلب مواد با مقاومت بالاتر را دیکته میکنند.
انتخاب مواد
جنس یک بریس گوشه اساساً ظرفیت و دوام را تعیین میکند. مهاربندهای گوشهای فولادی نسبت استحکام به حجم بالایی با استحکام تسلیم از ۲۵۰ مگاپاسکال برای فولاد نرم تا بیش از ۶۰۰ مگاپاسکال برای انواع آلیاژ ارائه میدهند. فولاد ضد زنگ - درجه ۳۰۴ برای استفاده عمومی در فضای بیرونی، درجه ۳۱۶ برای محیطهای دریایی - مقاومت در برابر خوردگی را بدون پوششهای محافظ فراهم میکند. در ساخت پنجرههای آلومینیومی، مهاربندهای گوشهای معمولاً از آلیاژهای ۶۰۶۳-T5 یا ۶۰۶۱-T6 اکسترود میشوند و سازگاری گالوانیکی با قاب آلومینیومی ارائه میدهند. مدول الاستیک مستقیماً بر سختی اتصال تأثیر میگذارد؛ ۶۹ گیگاپاسکال آلومینیوم در مقابل ۲۰۰ گیگاپاسکال فولاد به این معنی است که مهاربندهای آلومینیومی به مقاطع عرضی به نسبت بزرگتری نیاز دارند. در جایی که هم سختی بالا و هم هندسه فشرده مورد نیاز است، مهاربندهای فولاد ضد زنگ با وجود هزینه بالاتر، به طور فزایندهای مورد استفاده قرار میگیرند.
مسیر بار و تفکیکپذیری نیرو
The بریس گوشه نیروها را از طریق یک مسیر بار دقیقاً تعریفشده منتقل میکند. تحت بارگذاری جانبی - فشار باد، شتاب لرزهای یا ضربه - یک گشتاور خمشی در اتصال گوشهای ایجاد میشود. مهاربند گوشهای از طریق یک کوپل نیروی محوری با بستها در برابر این نیرو مقاومت میکند و در یک لبه کشش و در لبه مقابل فشار ایجاد میکند. بزرگی تنش به هندسه مهاربند، گشتاور اعمال شده و بازوی اهرمی از عرض مهاربند بستگی دارد. اتصال نشاندهنده بحرانیترین اتصال است. بستها باید نیروی مهاربند را به ماده اصلی منتقل کنند و در عین حال در برابر گشتاور خارج از مرکز ناشی از عدم عبور خط نیروی مهاربند از مرکز گروه بست مقاومت کنند. گروههای تحت بارگذاری خارج از مرکز، برش و کشش ترکیبی را تجربه میکنند و بستهای بیرونی بارهای نامتناسب بیشتری را تحمل میکنند - پدیدهای که نیاز به محاسبه صریح برای جلوگیری از خرابی پیشرونده که از سنگینترین موقعیت بارگذاری شروع میشود، دارد.
مهندسی بست
اثربخشی اتصال به طور کلی حاکم است بریس گوشه عملکرد. در چوب، پیچهای سازهای با هندسههای رزوه اختصاصی به دلیل مقاومت کششی برتر، جایگزین بستهای سنتی شدهاند. مدل تسلیم اروپایی، که در Eurocode 5 تدوین شده است، پیشبینی سیستماتیک ظرفیت را برای اتصالات نوع داول ارائه میدهد و مقاومت خمشی، جایگذاری و اثرات رزوه را در نظر میگیرد. برای اتصالات فولادی، پیچهای با مقاومت بالا از پیش بارگذاری شده، اتصالات لغزشی بحرانی ایجاد میکنند که استحکام را تحت بارهای چرخهای حفظ میکنند، در حالی که جوشهای فیله با طراحی مناسب، مسیرهای بار پیوسته را فراهم میکنند. در قابهای آلومینیومی، پیچهای خودکار با پوششهای مقاوم در برابر خوردگی، بدون پیچهای داخلی که باعث شکستهای حرارتی میشوند، لنگرگاه ایجاد میکنند. مقدار بست باید ظرفیت کامل مهاربند را توسعه دهد. مهاربندی که قادر به تحمل بار محوری 10 کیلونیوتن است، اگر بستهای آن فقط 4 کیلونیوتن را منتقل کنند، بیاثر است.
تحلیل کمانش
برای بارگذاری فشرده سازی بریس گوشه در المانها، کمانش نشاندهنده حالت حدی حاکم است. یک مهاربند لاغر ممکن است قبل از تسلیم ماده، با کمانش خمشی دچار شکست شود. بار کمانش اویلر - که با مربع طول مؤثر نسبت معکوس و با صلبیت خمشی نسبت مستقیم دارد - چارچوب را فراهم میکند. مهاربندهای واقعی به دلیل بارگذاری خارج از مرکز، نقصهای اولیه و تنشهای پسماند از شرایط ایدهآل منحرف میشوند. استانداردهای طراحی این موضوع را از طریق منحنیهای ستونی که نسبت لاغری را به ضرایب کاهش کمانش مرتبط میکنند، مورد بررسی قرار میدهند. برای مهاربندهای قاب پنجره فولادی، نسبت لاغری زیر 80 معمولاً برای مقاومت تسلیم کامل مورد نیاز است. در مواردی که محدودیتها، پروفیلهای لاغر را ایجاب میکنند، طراحان ممکن است مواد با مقاومت بالاتر را مشخص کنند یا قیدهای جانبی میانی را برای کاهش طول مؤثر معرفی کنند.
