تیر چیست؟

تیر یک عضو سازه‌ای است که انواع مختلف بارهای وارده را تحمل کرده و آنها را به ستون‌ها منتقل می‌کنند. تمام نیروهای وارد بر تیر به صورت برشی و لنگر خمشی ظاهر می‌شوند که به باعت ایجاد تنش‌های داخلی، کرنش‌ها و انحراف تیر می شود. تیرها با نحوه تکیه گاه، شکل سطح مقطع، نوع بارگذاری، طول دهانه و متریال (بتنی یا فلزی) مشخص می‌شوند. برای شناخت بیشتر این عضو باربر با ما همراه باشید.

تعریف تیر

تیر یک عضو افقی باربر در ساختمان است که برای مقاومت در برابر بارهای وارده از سقف (بار مرده و زنده) و مشارکت در تحمل بارهای جانبی (زلزله و باد) طراحی می‌شود. بارها به صورت عرضی نسبت به محور طولی عمل می‌کنند که باعث ایجاد نیروهای برشی و لنگر خمشی می‌شوند. بار جانبی عامل اصلی خمش در تیرها است. تیر وظیفه انتقال بار از سقف به ستون را بر عهده دارد.

تیرها در دو حالت اجرا می‌شوند، یکسری از آنها به ستون‌ها متصل می‌شوند و به این اتصال تکیه گاه مستقیم می‌گویند، در حالی که برخی از تیرهای میانی به تیرهای اصلی (شاهتیرها) متصل می‌شوند که به آنها تکیه گاهی غیر مستقیم گفته می‌شود. تیرهای فرعی بار را به تیرهای اصلی منتقل می‌کنند. دلیل استفاده از تیرهای فرعی جهت توزیع یکنواخت بار و افزایش مقاومت کل ساختار است.

هدف از اجرای تیر

تیرها از فولاد یا بتن مسلح (RCC) ساخته می‌شوند و برای اهداف زیر مورد استفاده قرار می‌گیرند:

• انتقال بار سقف به ستون‌ها
• مقاومت دربرابر لنگر خمشی و نیروهای برشی
• ایجاد اسکلت سازه‌ای (تیر و ستون)
• توزیع یکنواخت بارها
• ایجاد تکیه گاه برای اجرای سقف

در تیرهای بتنی از آرماتورهای مختلف از جمله میلگردهای طولی و عرضی (خاموت) استفاده می‌شود. در تیرهای فلزی نیز در سازه‌های فولادی اجرا می‌شود، تیرآهن تک یا دوبل کاربرد دارد.

هدف استفاده از خاموت در تیرهای بتن عبارتند از:

• برای مقابله با نیروی برشی از خاموت استفاده می‌شود که به آن تقویت برشی نیز می‌گویند.
• نیروی برشی در نزدیک تکیه گاه‌ها حداکثر و در وسط دهانه صفر است. به همین دلیل است که فاصله خاموت‌ها در نزدیکی تکیه گاه‌ها بیشتر است و در وسط دهانه کمتر می‌باشد.
• خاموت‌ها به همراه میلگردهای طولی یک ساختار قوی و مستحکم را تشکیل می‌دهند.
• شکست برشی به صورت مورب رخ می‌دهد، به همین دلیل خاموت‌ها را گاهی اوقات به حالت متقارن با شکست برشی در تیرها قرار می‌دهند.

نکته: در تیرهای فلزی برای مقابله با نیروی برشی از تسمه به عنوان عامل تقویت کننده برای جان تیر استفاده می‌شود.

تعاریف پایه

• نیروی برشی: مجموع جبری تمام نیروهای عرضی وارده به دو طرف مقطع به عنوان نیروی برشی شناخته می‌شود.
• ممان خمشی: حاصلضرب نیرو در فاصله را لنگر، ممان یا گشتاور خمشی می‌گویند.

مکانیسم عملکرد تیرها

بارهای وارده بر تیرها تنش‌های فشاری، کششی و برشی را تجربه خواهند کرد. به طور معمول، تحت بارهای ثقلی، طول اولیه تیر کمی کاهش می‌یابد تا یک قوس با شعاع کوچک‌تر در تارهای بالایی تیر ایجاد شود که این منجر به تنش فشاری خواهد شد، در حالی که همان طول تیر در تارهای پایینی، تنش کششی را تحمل خواهند کرد.

حد فاصل بین تارهای بالای و پایین که تحت فشار و کشش نیست را محور خنثی می‌گویند. در نزدیکی تکیه گاه‌ها، تیر در معرض تنش برشی قرار دارد. برخی از تیرهای بتن مسلح وجود دارند که در آنها بتن به طور کامل با نیروهای کششی وارد شده توسط تاندون‌های فولادی، تحت فشار قرار می‌گیرند. این تیرها به عنوان «تیرهای پیش تنیده» شناخته می‌شوند و برای تحت فشار قرار دادن بتن استفاده می‌شوند.

تاندون‌های فولادی قبل بتن ریزی در قالب کشیده خواهند شد. سپس، هنگامی که بتن سخت شد، تاندون‌ها به آرامی آزاد می‌شوند و تیر بلافاصله تحت بارهای محوری خارج از مرکز قرار می‌گیرد. این بارگزاری خارج از مرکز یک تنش فشاری داخلی ایجاد می‌کند و به نوبه خود ظرفیت حمل ممان تیر را افزایش می‌دهد. این تیرها معمولا در پل‌های بزرگراه ها استفاده می‌شوند.

انواع تیر براساس شرایط تکیه گاهی

تیرها برحسب نوع تکیه گاه به انواع زیر تقسیم می‌شوند:

1- تیرهای ساده

 یک تیر در هر دو انتها صورت ساده و مفصلی پشتیبانی می‌شود. به این معنا که برای چرخش آزادانه در دو انتها آزادی وجود دارد و به تکیه گاه‌ها هیچگونه نیروی خمشی وارد نمی‌شود. این تیرها عمدتاً در ساخت و سازهای عمومی استفاده خواهند شد.

2- تیرهای ممتد

تیری که بیش از دو تکیه گاه در طول خود دارد تیر پیوسته نامیده می‌شود. بین این تیرها از دو یا چند تکیه گاه استفاده می‌شود و این تیرها شبیه تیرهای تکیه گاه ساده عمل می‌کنند. این حالت در بیشتر ساختمان‌های متعارف وجود دارد.

3- تیرهای صلب

تیری که در دو انتها خود نیروی ممان خمشی را انتقال می‌دهد را تیر صلب می‌گوید. تیرهای صلب اجازه حرکت عمودی یا چرخش تیر را نمی‌دهند. در این تیر هیچ لنگر خمشی تولید نخواهد شد. بیشتر ساختمان‌های امروزی دارای تکیه گاه صلب هستند.

4- تیرهای کنسولی

تیری که در یک انتها آزاد است و در انتهای دیگر دارای تکیه گاه می‌باشد را تیر کنسولی و طره‌ای می‌گویند. برای مثال، بالکن یا جلوآمدگی ساختمان نمونه ای از تیرهای کنسولی هستند. این تیرها تنش برشی و لنگر خمشی را حمل می‌کنند.

5- تیرهای معلق

تیری که توسط دو نقطه پشتیبانی می‌شود اما در نقطه سوم آزاد است را تیر معلق می‌گویند. این تیر ترکیبی از کنسول و تیر ساده است. دو نقطه پشتیبانی نیز اغلب به صورت مفصلی طراحی می‌شوند.

انواع بارهای وارد بر تیر

تیرهای ساختمانی را می‌توان برحسب نوع بار وارده به انواع زیر تقسیم کرد:

1- بار متمرکز (Concentrated Loa

بار متمرکز به عنوان بار اعمال شده بر روی یک مکان واحد از کل طول دهانه تعریف می‌شود. مشخصات این بار عبارتند از:

• به آن بار نقطه‌ای نیز می‌گویند.
• تنها در یک نقطه اعمال می‌شود.
• بار با P نشان داده می‌شود و فلش جهت بار را نشان می‌دهد.

2- بار گسترده (Distributed Load)

این بار به دو نوع اصلی زیر تقسیم می‌شود که عبارتند از:

بار توزیع شده یکنواخت (UDL)

مقدار بارگذاری در کل دهانه یکسان باقی می‌ماند که به آن بار توزیع یکنواخت می‌گویند. این بار با q یا w نشان داده می‌شود.

بار متغیر یکنواخت  (UVL)

باری که مقدار آن به طور مداوم در طول دهانه تغییر می‌کند که به آن یک بار توزیع شده غیر یکنواخت نیز می‌گویند. همچنین بار متغیر یکنواخت به دو نوع مختلف بار مثلثی یا ذوزنقه‌ای تقسیم می‌شود.

انواع تیر براساس آرایش آرماتورها

در تیرهای بتن مسلح می‌توان برحسب آرایش میلگردها آنها را به انواع زیر تقسیم کرد:

1- تقویت تکی

در این حالت تنها آرماتورها در ناحیه کششی قرار می‌گیرند و مسئول تحمل تنش‌های کششی هستند. تقویت تکی در مناطق زلزله خیز به هیچ عنوان نباید اجرا شود زیرا نیروهای خمشی به طور عکس نیز عمل می‌کنند و لایحه فشاری بتن را تحت کشش قرار می‌دهند.

2- تقویت دوبل

در این حالت آرماتورها در هر دو ناحیه فشاری و کششی تعبیه می‌شوند. کلیه تیرهای بتنی باید دارای تقویت دوبل باشند تا در برابر نیروهای معکوس زلزله مقاومت بالایی از خود نشان دهند. تعداد و نمره میلگردها تابع نیروهای وارده و الزامات طراحی است.

بیشتر تیرها در ساختمان‌های بتن مسلح دارای مقطع مستطیلی هستند، اما مقطع کارآمدتر برای تیر، مقطع I یا H است که معمولاً در ساختمان‌های فولادی دیده می‌شود. به دلیل قضیه محور موازی و دور بودن بیشتر مواد از محور خنثی، ممان دوم مساحت تیر افزایش می‌یابد که به نوبه خود باعث افزایش سفتی می‌شود.

سطح مقطع تیرها فلزی

یک تیر I کارآمدترین شکل در یک جهت خمش از بالا و پایین است. اگر تیر به طرفین خم شده باشد، در جایی که راندمان کاهش پیدا می‌کند به عنوان H عمل می‌کند. راندمان به این معناست که برای سطح مقطع یکسان و تحت شرایط بارگذاری یکسان، تغییر شکل تیر کمتر خواهد بود.

کارآمدترین شکل برای هر دو جهت در دو بعد مختلف سطح مقطع جعبه‌ای است. کارآمدترین شکل برای خم شدن در هر جهت، سطح مقطع استوانه‌ای است. مقاطع دیگر مانند L، C، T و T دوبل نیز در ساخت و سازهای خاص استفاده می‌شوند.

تحلیل و طراحی تیرها

ابزار اولیه برای آنالیز ساختاری تیرها معادله تیر اویلر – برنولی است. این معادله به طور دقیق رفتار ارتجاعی تیرهای باریک که در آن ابعاد مقطع در مقایسه با طول تیر کوچک است را توصیف می‌کند. برای تیرهایی که باریک نیستند، باید  نظریه متفاوتی برای توضیح تغییر شکل ناشی از نیروهای برشی و در موارد دینامیکی، اینرسی دورانی اتخاذ شود. فرمول تیر مورد استفاده در اینجا، همان فرمول «تیر تیموشنکو» است.

از دیگر روش‌های ریاضی برای تعیین تغییرشکل تیرها می‌توان به روش کار مجازی و روش شیب – افت اشاره کرد. روش‌های ریاضی تعیین نیروهای تیر (نیروهای داخلی تیر و نیروهایی که به تکیه گاه تیر وارد می‌شوند)، شامل روش توزیع ممان، روش نیرو یا انعطاف پذیری و روش سختی مستقیم هستند.

کلام آخر

تیرها عمدتاً حامل نیروهای عمودی هستند. آنها همچنین برای حمل بارهای افقی (مثلاً بارهای ناشی از زلزله یا باد) در ساخت و ساز استفاده می‌شوند. بارهای وارده شده توسط تیرها به ستون‌ها منتقل می‌شوند. نحوه انتقال بار در این حالت بسیار مهم است زیرا تیر قبل از تخریب باید بتواند بار خود را به ستون منتقل کند.

تحلیل و طراحی تیرهای بتنی و فلزی با استفاده از نرم افزارهای خاصی انجام می‌شوند. همچنین، الزمات مختلفی نیز در نحوه اجرای تیرها اعم از پوشش بتن، فاصله میلگردهای طول و عرضی و موارد دیگر وجود دارند. تیرهای باید در سیستم اسکلت سازه‌ای یک قالب صلب را تشکیل دهند. این مهم تضمین می‌کند تا سازه در برابر بارهای مختلف ثبات و پایداری خود را حفظ می‌کند.

منابع:

https://www.civilclick.com/what-is-beam/

https://structuralengineeringbasics.com/what-are-beams-and-columns-building-construction/