طراحی خرپا؛ انتخاب مقاطع فولادی و تأثیر آن بر عملکرد سازه
دسترسی سریع به محتوای مقاله
خرپا؛ نوعی سازه مهندسی متشکل از اعضای مثلثی شکل است که معمولا با استفاده از مقاطع فولادی و یا چوب ساخته می‌شود و نقش اصلی آن، افزایش استحکام و پایداری ساختمان در برابر نیروهای وارده است. در ساخت خرپا از مقاطع فولادی مختلفی استفاده می‌شود که از جمله آن‌ها می‌توان به قوطی پروفیل و تیرآهن اشاره کرد. اما استفاده از تیرآهن در کنار افزایش مقاومت ساختمان، به دلیل وزن زیاد خود بار مرده ساختمان را نیز افزایش می‌دهد که این موضوع ممکن است تأثیر منفی بر ایمنی و عملکرد کلی سازه داشته باشد. به همین دلیل، در بسیاری از موارد، قوطی پروفیل به عنوان گزینه‌ای مناسب‌تر برای ساخت خرپا انتخاب می‌شود، چون علاوه بر سبکی، مقاومت بالایی به سازه می‌بخشد و از بار مرده آن می‌کاهد. علاوه بر این، انتخاب نوع مقطع و جنس آن، بستگی به شرایط بارگذاری، نوع سازه و ملاحظات اقتصادی و اجرایی دارد که در طراحی خرپا باید به دقت بررسی شود.
کاربرد خرپای قوطی در سوله‌سازی
خرپاها به صورت گسترده در ساخت سوله‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. زیرا این سازه‌ها با بهره‌گیری از مقاطع فولادی نظیر قوطی پروفیل، وزن کلی سوله را به طور چشمگیری کاهش می‌دهند. بدین ترتیب، سوله‌هایی که در آن‌ها از خرپای قوطی استفاده می‌شود، معمولا به عنوان سوله‌های سبک یا HSS (Hollow Structural Section) شناخته می‌شوند. این سبک بودن علاوه بر کاهش بار مرده سازه، مزایای متعددی از قبیل سهولت در نصب، کاهش هزینه‌های حمل‌ونقل و کاهش فشار وارد بر فونداسیون را به همراه دارد.
کاربرد سوله‌هایی که با خرپای قوطی ساخته می‌شوند بسیار متنوع است که در زیر به برخی از آن‌ها اشاره شده است:
- سالن ورزشی
- سالن همایش و کنسرت
- کارخانه و کارگاه
- آشیانه هواپیما
- پارکینگ
- انواع انبار
مهم‌ترین قوطی پروفیل‌های مناسب برای ساخت خرپا
با توجه به آنچه تا اینجا ذکر شد، معمولا برای ساخت انواع خرپا از قوطی پروفیل استفاده می‌شود. بدین ترتیب، برخی از قوطی پروفیل‌هایی که برای ساخت خرپا به کار می‌روند، عبارت‌اند از:
- پروفیل‌های l برای خرپاهای سبک
- پروفیل‌های لوله‌ای شکل
- پروفیل‌های با مقاطع مربع یا مستطیل شکل
- پروفیل IPB
- پروفیل IPE
- پروفیل IPEL
- پروفیل lIPB
انواع خرپا از نظر ابعاد و اعضا
خرپاها بر اساس نوع ابعاد در دسته‌بندی‌های مختلفی قرار می‌گیرند که برخی از آن‌ها در زیر ارائه شده است.
-
خرپای ساده:
خرپای ساده؛ از یک مثلث بنیادی متشکل از سه عضو و دو گره مفصلی تشکیل می‌شود که معمولا در قاب‌بندی سقف‌ها کاربرد دارد. با اضافه کردن دو عضو و یک گره جدید، این مثلث گسترش یافته و ساختار بزرگ‌تری پدید می‌آید. سادگی طراحی و اجرای آن، دلیل نام‌گذاری خرپای ساده است. -
خرپای مرکب:
خرپای مرکب از اتصال دو یا چند خرپای ساده به‌وجود می‌آید و به دلیل مقاومت بیشتر و توانایی پوشش دهانه‌های بزرگ، برای سازه‌های با دهانه وسیع مناسب است. -
خرپای پیچیده:
خرپایی که ویژگی‌های خرپای ساده یا مرکب را نداشته باشد، تحت عنوان خرپای پیچیده یا مبهم شناخته می‌شود. دلیل این نام‌گذاری این است که ساختار خرپای پیچیده، غیر قابل پیش‌بینی بوده و در طراحی و اجرا، به دقت بیشتری نیاز دارد. -
خرپای مسطح:
تمامی اعضای یک خرپای مسطح، در یک صفحه دوبعدی قرار دارند. این نوع خرپا، غالبا برای ساخت سقف‌ها، سازه‌هایی با قابلیت باربری دوبعدی و پل‌ها، مورد استفاده قرار می‌گیرد. -
خرپای فضایی:
خرپای فضایی دارای یک ساختار سه‌بعدی از مثلث‌های متصل است که گزینه مناسبی برای ساختمان‌های بزرگ و پیچیده نظیر سوله‌ها و ساختمان‌های صنعتی، به شمار می‌رود.
انواع اشکال خرپا با تمرکز بر دهانه 6 متری
خرپا علاوه بر جنس، از نظر شکل ظاهری نیز به انواع مختلفی شامل: شیروانی، وتر موازی، شاه تیر، پرات، هاو، وارن، ذوزنقه‌ای، فینک، قوسی، بالتیمور، کی (K) و پارکر تقسیم می‌شود که هر یک، ساختار و ویژگی‌های منحصر‌به‌فردی داشته و در ساخت دهانه‌های مختلف به کار می‌روند. در خرپا با دهانه 6 متری، غالبا از خرپای شاه تیر، پرات و هاو استفاده می‌شود که در ادامه به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت.
- خرپای شاه تیر (king post): این نوع خرپا که معمولا برای دهانه‌هایی کمتر از 8 متر و به ویژه دهانه 6 متر کاربرد دارد، عمدتا از چوب یا ترکیبی از فلز و چوب ساخته می‌شود. خرپای شاه‌تیر شکلی مشابه مثلث ساده دارد که یک عضو عمودی بین رأس و وتر پایینی آن قرار گرفته است و معمولا در سقف خانه‌های کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- خرپای پرات (Pratt): خرپای پرات؛ به دلیل طراحی خاص خود، در برابر فشارهای عمودی مقاومت بسیار خوبی دارد و در سازه‌هایی که نیاز به تحمل بارهای سنگین دارند، کاربرد گسترده دارد. ازجمله این سازه‌ها عبارت‌اند از: پل‌ها و سازه‌های طاق مانند. از لحاظ قیمتی، خرپای پرات اقتصادی‌ترین نوع خرپا به شمار می‌رود.
- خرپای هاو (Howe): خرپای هاو یکی از انواع پرکاربرد خرپاها محسوب می‌شود که از نظر ساختاری؛ به نوع وارونه خرپای پرات شباهت دارد. در حالی که در خرپای پرات، اعضای عمودی تحت نیروهای فشاری و اعضای مورب تحت نیروهای کششی قرار دارند، در خرپای هاو این وضعیت معکوس است، به طوری که اعضای عمودی نیروهای کششی و اعضای مورب نیروهای فشاری را تحمل می‌کنند.
روش محاسبات ساخت خرپا برای دهانه 6 متر
اصلی‌ترین نکته در محاسبات ساخت خرپا با دهانه 6 متر، ارزیابی دقیق نیروهای وارد بر خرپا و کل سازه است. برای انجام این محاسبات عددی، از الزامات مندرج در مبحث 6 مقررات ملی ساختمان و آئین‌نامه ACI-ASD89 آمریکا بهره گرفته می‌شود. ازجمله روش‌های اصلی تحلیل نیرو در خرپاهای با دهانه 6 متر، می‌توان به روش مفاصل و مقاطع اشاره کرد که در ادامه به بررسی و توضیح هر یک از آن‌ها خواهیم پرداخت.
اصلی‌ترین مراحل محاسبات خرپا با دهانه 6 متر
بررسی تنش‌ها، نیروها و ابعاد اعضای سازه‌ای ازجمله مواردی هستند که در محاسبات خرپا، به آن‌ها پرداخته می‌شود. مراحل کلی محاسبات خرپا در زیر آمده است.
- تحلیل نیروهای وارده: در این مرحله بارهای وارد بر خرپا از قبیل: بار مرده، بار زنده و بار باد، مشخص می‌گردد.
- تعیین نیروهای داخلی: نیروی کششی و فشاری در هر عضو، با استفاده از روش‌های تعادل استاتیکی محاسبه می‌شود.
- محاسبه تنش‌های مجاز: در این مرحله، با توجه به مصالح و استانداردهای طراحی خرپا، تنش‌های وارده بر اعضا، با میزان تنش‌های مجاز مقایسه و کنترل می‌شوند.
- طراحی ابعاد اعضای خرپا: پس از محاسبه نیروها، مقاطع بهینه برای اعضای خرپا تعیین می‌شوند.
- بررسی پایداری و خیز سازه: مقاومت خرپا در برابر کمانش و تغییر شکل‌های غیرمجاز، پارامتری است که در این مرحله مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.
- کنترل اتصالات: در آخرین مرحله از محاسبات خرپا، مقاومت و روش‌های اتصال اعضای آن، از جمله جوش و یا پیچ و مهره، باید به دقت بررسی شوند.
کاربرد روش مفاصل در تحلیل نیروی خرپا با دهانه 6 متر
در این روش، هر یک از مفاصل به صورت جداگانه بررسی می‌شود و برآیند تمامی نیروهای واردشده بر آن، صفر در نظر گرفته می‌شود. سرانجام، تمامی نیروهای وارده بر مفصل به طور دقیق مشخص شده و مقدار آن‌ها در جهت محورهای x و y، محاسبه می‌گردد.
کاربرد روش مقاطع در تحلیل نیروی خرپا با دهانه 6 متر
در این روش، بخشی از خرپا جدا شده و به عنوان یک سیستم مستقل در نظر گرفته می‌شود. سپس برآیند نیروها و گشتاورهای وارد بر این بخش برابر صفر فرض شده و نیروهای مجهول در مسئله با متغیرهای x و y نمایش داده می‌شوند تا مقدار آن‌ها محاسبه گردد.
استفاده از دو روش ذکرشده برای محاسبه نیروهای وارده بر خرپا با دهانه 6 متر، به شما کمک می‌کند تا نوع اتصالات و ضخامت مناسب قوطی‌های مورد نیاز را تعیین کنید. هم‌چنین، برای محاسبه طول و تعداد قوطی‌های لازم، باید به تعداد شیب‌های اصلی خرپا توجه داشته باشید.
تحلیل نیروهای وارده بر خرپا در ساختمان‌های صنعتی
می‌توان چنین عنوان کرد که نیروهای اعمال‌شده به خرپا در سازه‌های مختلف به کاربرد آن بستگی دارد و ممکن است از سازه‌ای به سازه دیگر متفاوت باشد. در ادامه به بررسی نیروهای وارده بر خرپا در ساختمان‌های صنعتی خواهیم پرداخت.
- بار مرده ساختمان صنعتی: بار مرده وارده بر خرپا در ساختمان‌های صنعتی، مواردی مثل بار مرده روکش‌ها، وزن خرپا، وزن هواکش، بار مرده تیرک‌ها، وزن بست‌ها و مجاری مخصوص تهویه مطبوع را در بر می‌گیرد.
- بار زنده ساختمان صنعتی: گرد و غبار، اسباب و اثاثیه و وزن گرانشی ناشی از عبور و مرور کاربران و تجهیزات متحرک، از مواردی هستند که به عنوان بار زنده ساختمان صنعتی در نظر گرفته می‌شوند.
- نیروی باد: وزش باد به پشت‌بام، نیرویی رو به بالا و عمود بر سقف به خرپاها وارد می‌کند که خلاف نیروی گرانش عمل می‌کند.
- نیروی ناشی از زلزله: نیروی زلزله به وزن ساختمان بستگی دارد. در ساختمان‌های صنعتی با وزن زیاد در پشت‌بام، بار زلزله در طراحی اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند.
روش اجرای خرپا
برای اجرای خرپا، ابتدا بلندترین دهانه نصب می‌شود و سپس اعضای فرعی به آن متصل می‌گردند تا ساختار خرپا کامل شود. غالبا از پروفیل‌های فولادی 40×60 یا 80 × 40 در ساخت خرپا استفاده می‌شود که فاصله میان آن‌ها، براساس طول، شدت بار واردشونده و نوع پوشش سقف تعیین می‌گردد. توجه به شیب سقف در زمان اتصال اعضا، حائز اهمیت بسیار است.
خرپا می‌تواند به دو صورت چوبی یا فلزی اجرا شود. در خرپای فلزی، قدرت، دوام، ایمنی و انعطاف‌پذیری بالاتری وجود دارد، اما طبیعتا هزینه آن از خرپای چوبی بیشتر است.. برای محافظت از خرپای فلزی در برابر زنگ‌زدگی، توصیه می‌شود که قبل از نصب، قطعات را رنگ‌آمیزی کرده و در برابر دمای بسیار بالا نیز، تمهیدات لازم، مانند عایق حرارتی یا پوشش محافظ را در نظر بگیرید.
طراحی و انتخاب مقاطع خرپا؛ کلید عملکرد بهینه سازه
خرپا، به عنوان یک سازه مثلثی شکل مهندسی که از فولاد یا چوب ساخته می‌شود، نقش اساسی در افزایش استحکام و پایداری ساختمان ایفا می‌کند. انتخاب مقاطع فولادی مناسب، به ویژه قوطی پروفیل به جای تیرآهن، اهمیت زیادی دارد؛ چرا که قوطی پروفیل علاوه بر مقاومت بالا، وزن مرده سازه را کاهش می‌دهد که این امر به نوبه خود، به افزایش ایمنی و عملکرد کلی ساختمان کمک می‌کند. در نهایت، انتخاب نوع مقطع و جنس آن، باید با در نظر گرفتن شرایط بارگذاری، نوع سازه و ملاحظات اقتصادی و اجرایی صورت گیرد.
