بررسی و محاسبه اساس مقطع

در واقع اساس مقطع یا مدول مقطع  که یکی از مهم ترین مباحث در آزمون محاسبات می باشد در واقع یکی از مشخصات هندسی مقطع هست که در دو حالت الاستیک و پلاستیک معرفی و محاسبه می‌شود. از این پارامتر در طراحی تیرها و تیر-ستون ها استفاده می‌شود.

وقتی یک تیر را تحت اثر خمش قرار می دهیم، تنش هایی در مقطع این تیر ایجاد می شود. در صورتی که مقدار تنش در دورترین تار فشاری یا کششی این مقطع برابر تنش تسلیم باشد، به لنگری که به این مقطع اعمال می شود، لنگر تسلیم می گوییم، که با M_y نشان داده می شود. مقدار لنگر تسلیم با استفاده از روابط مقاومت مصالح و به شرح زیر تعیین می شود:

 

 

از این رو نسبت ممان اینرسی مقطع به فاصله تار خنثی تا دورترین تار فشاری یا کششی را اساس مقطع می­ گویند.

c : فاصله دورترین تار مقطع نسبت به تار خنثی

I : ممان اینرسی مقطع

  اساس مقطع الاستیک :S

کاربرد اساس مقطع

در ادامه مشخص می‌شود که اگر یک عضو سازه‌ای تحت اثر خمش قرار گیرد برای اینکه حداکثر تنش مجاز مقطع عضو را بتوانیم محاسبه کنیم می‌بایستی این پارامتر یعنی اساس مقطع را محاسبه کنیم. در ادامه چندین کاربرد اساس مقطع در علم عمران برای طراحی اعضای خمشی به‌ صورت شکل آورده‌ایم.

در واقع برای طراحی هر عضو تحت خمش باید اساس مقطع عضو را محاسبه کنیم؛ بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که یک مهندس عمران باید نحوه محاسبه اساس مقطع (چه در حالت الاستیک چه پلاستیک) را بلد باشد.

اثبات فرمول اساس مقطع الاستیک

تا زمانی که مقطع تحت خمش، در ناحیه الاستیک هست، طبق رابطه هوک بین تنش و کرنش رابطه خطی برقرار هست.

 

 

F_y = σ = Eε

چنانچه مقطعی تحت لنگر خمشی قرار گیرد و مقدار لنگر به‌ اندازه‌ ای باشد که تنش خمشی ایجاد شده در محدوده الاستیک باقی بماند مطابق شکل با فرض اینکه اولین تار کششی تحت خمش به حد تسلیم رسیده است خواهیم داشت:

 

σ_m: مقدار حداکثر تنش خمشی در دورترین تار مقطع تا محور خنثی

از تعادل استاتیکی نیروها در راستای x خواهیم داشت:

از رابطه خواهیم داشت:

میدانیم که ydA ∫ مرکز سطح مقطع را نشان می‌دهد بنابراین در مرکز سطح مقطع تنش خمشی برابر صفر هست. در واقع محوری که از مرکز سطح مقطع می‌گذرد محور خنثی گویند که در آن تنش خمشی صفر هست.

 

 

از تعادل لنگر محور z مطابق شکل 3 خواهیم داشت:

میدانیم که  I = ∫ y²dA  ممان اینرسی مقطع هست بنابراین:

همان‌ طور که از رابطه بالا مشخص شد تنش خمشی حداکثر رابطه مع با نسبت ممان اینرسی مقطع بر فاصله دور ترین تار تا محور خنثی دارد. اگر مقدار نسبت ممان اینرسی مقطع بر فاصله دور ترین تار تا محور خنثی  (I/C) را برابر S بگیریم به آن نسبت مدول مقطع کشسان یا اساس مقطع الاستیک گویند.

بسته به اینکه خمش حول چه محوری رخ دهد اساس مقطع تغییر می‌کند؛ بنابراین:

محاسبه اساس مقطع الاستیک به صورت گام به گام

گام اول: تعیین محور مبنا

برای مشخص کردن محل تار خنثی الاستیک ابتدا بایستی یک محور مبنا در نظر بگیریم. اصولا محور مبنای افقی را پایین ترین تار مقطع، و محور مبنای عمودی را نسبت به دور ترین تار افقی مقطع در نظر می گیریم. به عنوان مثال برای مقطع I-شکل مقابل محور مبنا با رنگ قرمز نشان داده شده است:

شکل 7 (نمایش خطوط مبنا بروی مقطع عضو)

گام دوم: مشخص کردن محل تار خنثی الاستیک

محل تار خنثی الاستیک افقی یک مقطع با استفاده از رابطه

و محل تار خنثی الاستیک عمودی مقطع با استفاده از رابطه

محاسبه می شود.

Y_i فاصله مرکز سطح مقطع با مساحت A_i نسبت به محور مبنای افقی

X_i فاصله مرکز سطح مقطع با مساحت A_i نسبت به محور مبنای عمودی

شکل 8

همانطور که می بینید محل تار خنثی الاستیک عمودی و افقی همان محل محور تقارن مقطع می باشد.

گام سوم: تعیین مقدار ممان اینرسی مقطع

گام چهارم: تعیین مقدار C

c فاصله دور ترین تار مقطع نسبت به محور خنثی می باشد، از جایی که مقطع متقارن است، فاصله دور ترین تار فشاری و کششی مقطع نیز برابر می باشد. بنابرین:

گام پنجم: محاسبه اساس مقطع الاستیک

منبع:

سبزسازه