تصميم الهياكل الفضائية لجمالونات الأنابيب الفولاذية

فى السنوات الاخيرة, مع النمو المستمر لإنتاج الصلب في الصين, يتم استخدام الهياكل الفولاذية بشكل متزايد في المباني نظرًا لمزاياها الفريدة. حققت هياكل الأنابيب الفولاذية أيضًا اختراقات كبيرة. أكبر ميزة لهياكل الأنابيب الفولاذية هي قدرتها على تلبية الوظائف, جمالي, والمتطلبات الاقتصادية للمباني. تُفضل هياكل الجمالون المصنوعة من الأنابيب الفولاذية بشكل خاص لفوائدها الفريدة.

تصميم جمالونات الأنابيب الفولاذية

1. الخصائص الميكانيكية لهياكل الجمالون الأنابيب

لقد تطورت هياكل الجمالون الأنابيب من هياكل الشبكة. بالمقارنة مع هياكل الجمالون الفضائية, تتمتع هياكل الجمالون الأنابيب بمزايا فريدة وعملية, مع استخدام الفولاذ اقتصاديًا نسبيًا. إنها تلغي الحاجة إلى أعضاء الوتر السفلي والمفاصل الكروية الموجودة في هياكل الجمالون الفضائية, مما يجعلها مناسبة لمختلف الأشكال المعمارية, وخاصة الأقواس الدائرية والأشكال المنحنية التعسفية, وهي أكثر فائدة من هياكل الجمالون الفضائية. إنها مستقرة من جميع الجوانب وتوفر استهلاك المواد.

بالمقارنة مع القسم المفتوح التقليدي دعامات فولاذية (فولاذ على شكل H وعلى شكل I), يتم توزيع المواد المستعرضة لدعامات الأنابيب بالتساوي حول المحور المحايد, توفير قدرة تحمل ضغط والالتوائية ممتازة وصلابة أكبر, دون الحاجة إلى لوحات العقدة, جعل الهيكل بسيطًا.

الأهم من ذلك, هياكل الجمالون الأنابيب ممتعة من الناحية الجمالية, من السهل تشكيلها, ولها تأثير زخرفي. لديهم أداء عام جيد, صلابة الالتوائية العالية, وهي سهلة التصنيع نسبيًا, ثَبَّتَ, استدارة, ورافعة. رقيقة الجدران مشكلة على البارد دعامات السقف الصلب خفيفة الوزن, قاسٍ, حفظ الصلب, والاستفادة الكاملة من القوة المادية. إنها اقتصادية بشكل خاص في أعضاء الضغط وأنظمة الدعم التي يتم التحكم فيها بنسبة النحافة الطويلة. حالياً, المباني التي تستخدم هذا الهيكل هي في المقام الأول المباني العامة. هذا الهيكل ممتع من الناحية الجمالية (يمكن أن تكون مسطحة, مقوس, أو في أي شكل منحني), سهلة التصنيع والتركيب, مستقرة هيكليا, لديه صلابة سقف كبيرة, وفوائد اقتصادية جيدة.

2. الحساب الهيكلي لهياكل الجمالون الأنابيب

2.1 قواعد التصميم الأساسية

يمكن أن يكون ارتفاع الجمالون ثلاثي الأبعاد 1/12 ل 1/16 من المدى. يمكن أن يكون سمك القوس لقوس ثلاثي الأبعاد 1/20 ل 1/30 من المدى, ويمكن أن يكون ارتفاع القوس 1/3 ل 1/6 من المدى. الزاوية بين الوتر (الأنبوب الرئيسي) والويب (أنبوب الدعم), وبين الشبكتين (أنابيب الدعم), لا ينبغي أن يكون أقل من 30 درجات. للجمالونات الكبيرة ثلاثية الأبعاد (بشكل عام لا يقل عن 30 مترًا في الهياكل الفولاذية), يمكن اعتبار الحدبة, مع عدم تجاوز قيمة الحدبة 1/300 من مدى الجمالون (عمومًا 1/500). في هذا الوقت, تتغير القوة الداخلية للأعضاء قليلاً, ولا يمكن حساب التصميم باستخدام القوس. تحت الأحمال الميتة القياسية والأحمال الحية, يجب ألا يتجاوز الحد الأقصى لانحراف هياكل الجمالون الأنابيب 1/250 من المدى القصير, ويجب ألا تتجاوز الكابولي 1/125 من المدى. يجب ألا يتجاوز الحد الأقصى لانحراف هياكل السقف مع معدات الرفع المعلقة 1/400 من المدى الهيكلي. عند تحسين المظهر فقط, يمكن اعتبار الحد الأقصى للانحراف تحت الأحمال الميتة القياسية والأحمال الحية على أنه الانحراف مطروحًا منه قيمة الانتفاخ.

2.2 المبادئ العامة للحساب

حساب القوى الداخلية والإزاحات لهياكل الجمالون الأنابيب تحت أحمال الجاذبية وأحمال الرياح, وحساب الإزاحات والقوى الداخلية تحت الزلزالية, التغيرات في درجات الحرارة, دعم التسوية, وأحمال التركيب الإنشائي وفق شروط محددة. استخدام النظرية المرنة لأنظمة القضبان الفضائية وطريقة العناصر المحدودة, يمكن حساب القوى الداخلية والإزاحات لأنظمة القضبان الفضائية. يجب أن يحسب التصميم غير الزلزالي تأثيرات الحركة ومجموعات الحركة وفقًا للمعايير الوطنية الحالية “رمز تحميل هيكل المبنى” وتحديد قيم تصميم القوة الداخلية وفقًا لتأثيرات المجموعة الأساسية لأقسام الأعضاء وتصميمات العقد. للتصميم الزلزالي, ينبغي حساب التأثيرات المركبة الزلزالية وفقًا للمعايير الوطنية الحالية “كود التصميم الزلزالي للمباني”. في حسابات النزوح, يجب تحديد الانحراف بناءً على التأثير القياسي للوظيفة المدمجة (دون ضرب معامل الحمل الجزئي). عند تحليل دعامات الأنابيب, إذا كانت نسبة طول قطعة العضو إلى ارتفاع القسم (أو القطر) اقل من 12 (الأنبوب الرئيسي) و 24 (أنبوب الدعم), يمكن افتراض أن العقد مفصلية. وفقا لمبدأ التكافؤ الثابت, يمكن أن تتركز الأحمال الخارجية على العقد الموجودة داخل منطقة التحكم بالعقدة. عندما يتحمل العضو الأحمال المحلية, ينبغي النظر في إجهاد الانحناء المحلي بشكل منفصل. في التحليل الهيكلي, ينبغي النظر في التفاعل بين هيكل شبكة الفضاء العلوي وهيكل الدعم السفلي.

2.3 حساب ثابت

يجب تصميم هياكل الجمالون الأنابيب مع أعضاء القسم من خلال حسابات الإزاحة والقوة الداخلية. إذا كانت أقسام الأعضاء بحاجة إلى التعديل, وينبغي إعادة تصميمها لتلبية متطلبات التصميم. بعد الانتهاء من التصميم, لا ينبغي استبدال التعزيز. إذا كان الاستبدال ضروريًا بسبب الصعوبات المادية, يجب إعادة حسابها وتلبية متطلبات التصميم. يجب تجنب إجراء تغييرات على أقسام الأعضاء بعد اكتمال التصميم ما لم يكن ذلك ضروريًا للغاية بسبب مشكلات توفر المواد. إذا حدثت تغييرات, يجب إعادة حساب الهيكل لضمان الامتثال لمتطلبات التصميم.

3. اعتبارات التصميم لهياكل الجمالون الأنابيب

3.1 اختيار المواد والمقاطع العرضية

• اختيار المواد: يجب أن يفي الفولاذ المستخدم في هياكل الجمالون بالأنابيب بمتطلبات المعايير ذات الصلة. عادة, الصلب الكربوني, سبائك الصلب منخفض, ويتم استخدام الفولاذ عالي القوة. يجب أن يأخذ الاختيار في الاعتبار عوامل مثل المتطلبات الهيكلية, الظروف البيئية, والجدوى الاقتصادية.
• اختيار المقطع العرضي: تُستخدم المقاطع المجوفة الدائرية والمستطيلة بشكل شائع في دعامات الأنابيب نظرًا لقدرتها الفعالة على حمل الأحمال وجاذبيتها الجمالية. يعتمد الاختيار بين المقاطع الدائرية والمستطيلة على المتطلبات المحددة للمشروع, بما في ذلك ظروف التحميل والاعتبارات المعمارية.

3.2 التوصيلات والمفاصل

• لحام: اللحام هو الطريقة الأكثر شيوعا لربط الأعضاء في هياكل الجمالون الأنابيب. يجب أن تضمن عملية اللحام وصلات عالية الجودة لتجنب نقاط الضعف المحتملة.
• اتصالات انسحب: بينما أقل شيوعاً في دعامات الأنابيب, يمكن استخدام التوصيلات المثبتة بمسامير في ظروف معينة, خاصة لسهولة التجميع والصيانة.
• تصميم العقدة: تصميم العقد (المفاصل التي تتقاطع فيها الأعضاء) أمر بالغ الأهمية في هياكل الجمالون الأنابيب. يجب أن تكون العقد مصممة لنقل القوى بكفاءة دون التسبب في تركيزات إجهاد لا لزوم لها.

3.3 النظر في الأحمال الديناميكية

• أحمال الرياح: ينبغي أن تؤخذ أحمال الرياح في الاعتبار عند تصميم هياكل الجمالون الأنابيب, وخاصة بالنسبة للهياكل ذات الامتداد الكبير وتلك المعرضة لسرعات الرياح العالية.
• الأحمال الزلزالية: في المناطق النشطة زلزاليا, يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار الأحمال الزلزالية, التأكد من أن الهيكل يمكن أن يتحمل القوى الناجمة عن الزلازل.
• اهتزاز: للهياكل المعرضة للأحمال الديناميكية مثل الآلات أو النشاط البشري, قد يكون تحليل الاهتزاز ضروريًا لضمان الراحة والسلامة الهيكلية.

4. البناء والتشييد

4.1 تلفيق

• التصنيع الدقيق: يتطلب تصنيع مكونات الجمالون الأنابيب دقة عالية لضمان توافق جميع الأعضاء معًا بشكل صحيح أثناء التجميع.
• رقابة جودة: يجب اتخاذ تدابير صارمة لمراقبة الجودة أثناء التصنيع للتأكد من أن جميع المكونات تلبي مواصفات ومعايير التصميم.

4.2 النقل والمناولة

• مواصلات: يجب التخطيط لنقل مكونات الجمالون الكبيرة للأنابيب بعناية لتجنب الضرر وضمان التسليم الآمن إلى موقع البناء.
• معالجة: يجب اتباع إجراءات المناولة المناسبة أثناء التفريغ وتحديد المواقع لمنع الأضرار الهيكلية وضمان سلامة العمال.

4.3 التجميع والتركيب

• خطة الانتصاب: ينبغي وضع خطة تركيب مفصلة, تحديد تسلسل التجميع وطرق رفع المكونات وتحديد موضعها.
• اجراءات السلامة: يجب تنفيذ تدابير السلامة لحماية العمال أثناء عملية التركيب, بما في ذلك استخدام السقالات, يسخر السلامة, وغيرها من معدات الحماية.
• المحاذاة والتسوية: يعد التأكد من محاذاة جميع المكونات وتسويتها بشكل صحيح أثناء التجميع أمرًا بالغ الأهمية للسلامة الهيكلية للجمالون.

5. الصيانة والتفتيش

5.1 عمليات التفتيش المنتظمة

• التفتيش البصري: يجب إجراء عمليات فحص بصرية منتظمة للتحقق من وجود علامات التآكل, تآكل, أو الضرر.
• اختبار غير مدمر: يمكن استخدام طرق مثل الاختبار بالموجات فوق الصوتية أو التصوير الشعاعي للكشف عن العيوب الداخلية في الأعضاء أو المفاصل.

5.2 صيانة

• الحماية من التآكل: تعد الصيانة المنتظمة للطبقات الواقية وغيرها من تدابير الوقاية من التآكل أمرًا ضروريًا, وخاصة بالنسبة للهياكل المعرضة لظروف بيئية قاسية.
• إصلاح وتعزيز: وينبغي إصلاح أي ضرر تم اكتشافه على الفور, وينبغي إضافة التعزيز إذا لزم الأمر للحفاظ على السلامة الهيكلية.

خاتمة

توفر هياكل الجمالون للأنابيب الفولاذية مزايا كبيرة من حيث الجمال, الأداء الهيكلي, والكفاءة المادية. التصميم المناسب, تلفيق, الانتصاب, والصيانة ضرورية لتحقيق هذه الفوائد بشكل كامل. من خلال الالتزام بمبادئ التصميم الراسخة وأفضل الممارسات, يمكن للمهندسين إنشاء دائم, اقتصادية, وهياكل الجمالون الأنابيب الجذابة بصريًا والتي تلبي متطلبات الهندسة المعمارية والبناء الحديث.