تفسير معيار ISO 21657:2017 لتصميم الرافعات بطريقة الحالات الحدية

المبادئ الأساسية للتصميم بالحالات الحدية

تلتزم كيلود للصناعات الثقيلة بالمعايير الوطنية في إنتاجها بدقة. الفرق بين طريقة التصميم بالحالات الحدية (Limit States Design — LSD) التي يقدمها ISO 21657:2017 وطريقة الإجهاد المسموح (Allowable Stress Design — ASD) المعتمدة في مواصفة تصميم الرافعات GB/T 3811: طريقة ASD — يتم التحكم في أقصى إجهاد محسوب لمجموعات الأحمال المختلفة بحيث لا يتجاوز الإجهاد المسموح للمادة. الإجهاد المسموح = مقاومة الخضوع للمادة ÷ عامل الأمان. عامل الأمان ثابت (مثل 1.5). لا يتم التمييز بين الأوزان المختلفة للسلامة لأنواع الأحمال المختلفة (الحمل الدائم / الحمل المتغير). طريقة LSD — يتم التحكم في تأثيرات حمل التصميم (القوى الداخلية الهيكلية) في كل حالة حدية بحيث لا تتجاوز قدرة تحمل الهيكل. تُضرب أنواع الأحمال المختلفة (الوزن الذاتي، الحمولة المعلقة، حمل الرياح، قوة القصور الذاتي) بمعاملات أمان جزئية مختلفة (معاملات الأمان الجزئي للأحمال) — ويتم تحديدها وفقًا لدرجة تأثيرها وأهميتها للسلامة. كما تُضرب قدرة التحمل (المقاومة) بمعامل أمان جزئي للمقاومة (<1) — مما يعكس بشكل أكثر دقة الموثوقية الفعلية للمادة والهيكل. تقسم طريقة LSD الحالات الحدية إلى نوعين: الحالة الحدية القصوى (Ultimate Limit State — ULS) — عدم حدوث كسر أو فقدان استقرار أو انقلاب للهيكل تحت تأثير أقصى حمل تصميم — وتتطلب أعلى مستوى أمان. حالة الحدية للاستخدام العادي (Serviceability Limit State — SLS) — عدم حدوث تشوهات أو اهتزازات أو شروخ مفرطة في الهيكل تحت أحمال الاستخدام العادي — مما يؤثر على التشغيل العادي للمعدة دون التسبب في حوادث سلامة. يتطلب المعيار — أن يفي هيكل الرافعة بمتطلبات كل من ULS وSLS — مع التحقق من كل منهما على حدة — واعتماد الشرط الأكثر صرامة للتحكم في التصميم.

معاملات الأحمال الجزئية وتركيباتها

معاملات الأمان الجزئي للأحمال وتركيباتها التي يحددها المعيار: الحمل الدائم (G) — الوزن الذاتي للرافعة والثقل الموازن والملحقات الثابتة (معامل الأمان الجزئي γG=1.2). الحمل المتغير (Q) — حمولة الرفع (الحمولة المعلقة — بما في ذلك موزع الرفع والوزن الذاتي للمواد) — معامل الأمان الجزئي γQ=1.5 (لحمولة الرفع) أو γQ=1.35 (لحمل الرياح). الحمل العرضي (A) — مثل أحمال التصادم وأحمال الزلازل (معامل الأمان الجزئي γA=1.0). مبدأ تركيب الأحمال — اختيار التركيبة الأكثر خطورة (التركيبة التي تولد أقصى قوى داخلية في الهيكل). التركيبة الأساسية (حالة العمل) — تركيبة ULS = 1.2 × الحمل الدائم + 1.5 × حمولة الرفع + 1.35 × حمل الرياح × معامل التركيبة — معامل التركيبة Ψ (احتمال حدوث حمل الرياح وحمولة الرفع معًا × 0.6~0.7). التركيبة القصوى (حالة عدم العمل) — تركيبة ULS = 1.0 × الحمل الدائم + 1.25 × أقصى حمل رياح (ضغط الرياح في حالة عدم العمل) — لا تؤخذ حمولة الرفع في الاعتبار في حالة عدم العمل (خطاف بدون حمل). تركيبة حمل التعب — تُستخدم للتحقق من عمر الكلال — معامل الأمان الجزئي للحمل = 1.0 — باستخدام طيف حمل التعب (مستوى الحمل الأكثر تكرارًا في الاستخدام — وليس أقصى حمل). يقدم المعيار أيضًا "مؤشر الموثوقية" β — كلما ارتفعت قيمة β انخفضت احتمالية فشل الهيكل — الموثوقية المستهدفة β=3.0~4.5 (تقابل احتمالية فشل تبلغ حوالي 0.001~0.00003). تعتمد قيمة β على عواقب انهيار الهيكل (مستوى الأمان) — مستوى الأمان I (عواقب وخيمة — مثل رافعات صب المعادن المنصهرة والرافعات البرجية الكبيرة) — β≥4.0 — مستوى الأمان II (عواقب وخيمة بشكل عام — الرافعات العامة) — β≥3.5 — مستوى الأمان III (عواقب طفيفة نسبيًا — رافعات الصيانة الصغيرة) — β≥3.0.

التحقق من الحالة الحدية القصوى

بنود التحقق من الحالة الحدية القصوى التي يحددها المعيار: التحقق من القوة — الإجهاد العمودي للمقطع σ≤f_y/γM (f_y هي مقاومة خضوع الفولاذ — γM هو معامل الأمان الجزئي للمقاومة (1.0~1.15 — اعتمادًا على نوع المادة ونوع الكسر) — إجهاد القص τ≤f_y/(√3·γM)). التحقق من الاستقرار — الاستقرار الكلي (استقرار الأعضاء المضغوطة المنحنية داخل وخارج مستوى عزم الانحناء — وفقًا لمعادلة أويلر ومعامل عزم الانحناء المكافئ) — الاستقرار الموضعي (نسبة العرض إلى السمك للوح الويب ضمن الحدود المسموحة — عدم حدوث التواء موضعي في الجناح المضغوط ولوح الويب). التحقق من الكلال — فئة الكلال للتفاصيل — وفقًا لتصنيف تفاصيل الوصلات الملحومة (مثل اللحام التناكبي ولحام الزاوية وثقوب المسامير والمعدن الأساسي — كل نوع من التفاصيل يقابل منحنى S-N مختلف لمقاومة الكلال) — طيف حمل التعب (سعة الإجهاد Δσ لكل مستوى من مستويات حمل التعب وعدد دورات التحميل المقابل n — وفقًا لقاعدة بالمجيرن-ماينر للتلف التراكمي الخطي — التلف الكلي D≤1.0). التحقق من الصلابة (SLS) — أقصى انحراف في منتصف امتداد العارضة الرئيسية تحت الحمولة المقدرة ≤ L/700~L/1000 (وفقًا لفئة تشغيل الرافعة ومتطلبات دقة التموضع). التحقق بميكانيكا الكسر — للرافعات قيد التشغيل — عند اكتشاف شروخ في المواقع الحرجة — تُستخدم طرق ميكانيكا الكسر لحساب سرعة انتشار الشرخ والطول الحرج للشرخ تحت أحمال محددة — لتحديد عدد مرات أو مدة الاستخدام الآمن قبل الفحص التالي. يؤكد المعيار بشكل خاص — أن دقة حساب طريقة LSD تعتمد على التقدير الدقيق لمعاملات الأحمال ومعاملات المواد — ويجب أن يكون هناك تقدير كافٍ لعدم اليقين في المعاملات أثناء التصميم — ويجب استخدام معاملات أمان جزئية أكثر تحفظًا عند الضرورة.

مقارنة بين طريقة LSD وطريقة ASD

التحليل المقارن للمعيار بين طريقتي LSD وASD: اختلاف في توزيع هامش الأمان — تركز طريقة ASD عامل الأمان الكلي (1.5) بالكامل في جانب المقاومة (الإجهاد المسموح = مقاومة الخضوع / 1.5) — دون تمييز بين أنواع الأحمال — جميع الأحمال تعامل بالتساوي. توزع طريقة LSD هامش الأمان على جانب الأحمال (معاملات الأمان الجزئي للأحمال >1) وجانب المقاومة (معامل الأمان الجزئي للمقاومة <1) — كلما كان الحمل أقل قابلية للتنبؤ (مثل حمل الرياح) زاد معامل الأمان الجزئي — وكلما كان أكثر قابلية للتحكم (مثل الوزن الذاتي) قل المعامل — وهذا أكثر علمية. يمكن لطريقة LSD تحقيق تصميم أكثر اقتصادية تحت نفس الموثوقية المستهدفة — لأن احتمال وصول جميع الأحمال في التركيبة إلى قيمتها القصوى في نفس الوقت صغير جدًا — ويتم التعبير عن ذلك من خلال معامل التركيبة (Ψ) — حمولة التصميم أقرب إلى مستوى الحمل الفعلي من طريقة ASD — ويمكن تقليل وزن الهيكل بنسبة 5%~15%. اختلاف في طريقة التحقق من الكلال — تستخدم طريقة ASD معامل أمان كلي واحد في التحقق من الكلال — بينما تستخدم طريقة LSD طريقة التلف التراكمي القائمة على منحنى S-N — مما يحدد كمية التلف الكلالي بدقة أكبر. يرى المعيار — بالنسبة للرافعات الكبيرة والمهمة (ذات الحمولات الكبيرة وفئات التشغيل العالية) — فإن طريقة LSD أكثر دقة وأمانًا من طريقة ASD — ويوصى باستخدام طريقة LSD في تصميم الرافعات المهمة. بالنسبة للرافعات العامة الصغيرة والمتوسطة — توفر طريقة ASD حسابًا بسيطًا — وتفي بمتطلبات الاستخدام. يشير المعيار في الختام — أن التصميم الدولي للرافعات ينتقل حاليًا من طريقة ASD إلى طريقة LSD — ويوفر ISO 21657 الإطار الفني لتحديث المعايير الوطنية.

الأسئلة الشائعة