تجهیزصنعت تامین و تجهیز صنایع
تیرآهن لانه زنبوری چیست؟
دلیل نامگذاری تیرهای لانه زنبوری، شکل گیری این تیرها پس از عملیات بریدن، دوباره جوش دادن و تکمیل پروفیل است.
این گونه تیرها در طول خود دارای حفره‌های توخالی در جان هستند که به لانه زنبور شبیه است.
به همین سبب به این گونه تیرها لانه زنبوری می‌گویند.
هدف از ساخت تیرهای لانه زنبوری این است که تیر بتواند ممان خمشی بیشتری را با خیز نسبتاً کم، همچنین وزن کمتر در مقایسه با تیر نورد شده مشابه، تحمل کند.
مزایا تیرآهن لانه زنبوری
- با تبدیلپ تیرآهن معمولی به تیر آهن لانه زنبوری، مدول مقطع و ممان اینرسی مقطع تیر افزایش می‌یابد. مقاومت خمشی تیر نیز افزوده می‌شود. در نتیجه تیری با ارتفاع بیشتر، قوی‌تیر و هم وزن تیر اصلی حاصل می‌شود.
- با کم شدن وزن مصالح و سبک بودن تیر از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌تر خواهد بود.
- از فضاهای ایجاد شده (حفره‌ها) در جان تیر می‌توان لوله‌های تاسیساتی و برق را عبور داد.
- در ساختن تیر لانه زنبوری، منجر به افزایش ارتفاع تیر می‌شود. باید استاندارد کاملاً رعایت شود. در غیر این صورت خطر خراب شدن تیر زیر بار وارده شده حتمی است.
- بیشترین مزیت تیرهای لانه زنبوری که در حقیقت مقطعی غیر فشرده است، در مقایسه با سایر مقاطع استاندارد (فشرده)، ایجاد ممان اینرسی نسبتاً خوب آن حول محور قوی تیر (X) است که به سبب ایجاد فاصله بال‌ها از محور خنثی و افزایش ارتفاع تیر است. بنابراین مقاومت خمشی تیر افزایش یافته، همچنین سختی آن نیز بیشتر می‌شود.
- از آنجایی که جان این گونه تیرها در قسمت‌های توخالی است، در نتیجه باعث خواهد شد که وزن سازه به میزان قابل توجهی کم شود. در اثر کاهش وزن سازه، مولفه‌های نیروی زلزله که ارتباط مستقیم با وزن سازه دارد نیز کم می‌شوند. در نتیجه ساختمان ایمن‌تر خواهد بود و عملکرد مناسبتری را توام با انعطاف پذیر بیشتر در بر خواهد داشت.
- حتی این کاهش وزن در تیرها، باعث کاهش وزن مرده ساختمان خواهد شد. در نتیجه آن، بار کمتری به عناصر اصلی سازه، خصوصاً ستون‌ها وارد خواهد شد.
- از سوی دیگر بهینه‌ترین وضعیت در طراحی سازه‌ها، اقتصادی بودن آن است که در تیرهای لانه زنبوری به دلیل آن که مقطع هر تیر به صورت زاویه دار (زیگ زاگ)، توسط دستگاه برش بریده می‌شود، با جابجایی دو قسمت آن، نسبت به هم، تیر به صورت لانه زنبوری در خواهد آمد.
- صرفه جویی نسبی در مصرف فولاد صورت خواهد گرفت. از لحاظ تاسیسات ساختمان نیز، این گونه تیرها مورد استقبال قرار می‌گیرند. زیرا که می‌توان از فضاهای خالی در جان تیر برای عبور لوله‌های تاسیسات یا کابل‌های برق استفاده نمود. این موضوع یکی از نقاط قوت منحصر به فرد این گونه تیرها است.
- تیرهای لانه زنبوری به میزان چشمگیری از ارتفاع سقف می‌کاهند. خصوصاً در مواقعی که طرح‌های معماری، محدودیت زیادی را در ساختمان و در ناحیه سقف به طراحان سازه تحمیل می‌کنند، به هیچ عنوان افزایش ضخامت سقف ممکن و میسر نباشد، تیرهای لانه زنبوری بهتر از سایر مقاطع نورد شده نقش انتقال بار را به سایر عناصر بازی خواهند کرد. حتی در مواردی که تیر با ارتفاع متغییر مورد نیاز است، مانند بعضی از سازه‌های صنعتی مورد استفاده در تیر ریزی بام، با تغییر برش، تیر مورد نظر را بسیار ساده و ارزان می‌توان آماده نمود. که این کار تنها با برش مورب زیگ زاگ‌ها در جان تیر ممکن خواهد شد.
- مزایای فوق الذکر باعث ترغیب طراحان در استفاده از تیرهای لانه زنبوری می‌شود و به عنوان گزینه مطلوبی مورد استفاده همه جانبه قرار می‌گیرد. با وجود داشتن محاسن، مهندسان سعی می‌کنند که هیچ گاه از تیرهای لانه زنبوری استفاده نکنند.
معایب تیرآهن لانه زنبوری
- از جمله معایب تیر لانه زنبوری وجود حفره‌های آن است که می‌تواند تنش‌های برشی را در محل تکیه‌گاه‌های پل به ستون یا اتصال تیر آهن تودلی (تیر فرعی) به پل لانه زنبوری تحمل کند. بنابراین برای رفع این عیب اقدام به پر کردن بعضی حفره‌ها با ورق فلزی و جوش می‌کنند تا اتصال بعدی پل به ستون یا تیر فرعی به پل به درستی انجام شود.
- تیر لانه زنبوری در ساختمان اسکلت فلزی می‌تواند به صورت پل، فقط در یک دهانه یا به صورت پل ممتد به کار رود.
- اتصالات نقش کلیدی و تعیین کننده‌ای را در انتقال بار از یک عضو به عضو یا اعضای دیگر دارند. در صورت اجرای نامطلوب آن به میزان زیادی از باربری یا مقاومت المان سازه‌ای کاسته خواهد شد. در نیتجه مساله نظارت موثر بر اجرای عملیات جوشکاری، اهمیت بسزایی در کیفیت کلی سازه خواهد داشت. همچنین ضعفی که در ناحیه جان تیر در اثر کاهش مساخت آن وجود دارد از نقاط ضعف این تیرها است.
- مساله لهیدگی جان (web crippling) نیز در قسمت اتصال مقطع برش شده وجود دارد، که بسیار حائز اهمیت است. در نواحی که بار متمرکز وجود دارد یا نزدیکی تکیه گاه‌ها، کنترل لهیدگی جان نباید مورد توجه بیشتری قرار گیرد. زیرا در این نواحی مقاطع، حالت بحرانی‌تری نسبت به سایر قسمت‌ها دارند. البته قسمت اعظم این کاستی‌ها را می‌توان با استفاده صحیح و بهینه ورق‌های تقویتی بر طرف نمود. بعضاً در مواردی که اساس مقطع لازم به دست نیامده باشد، از تیرهای لانه زنبوری دو‌بل می‌توان استفاده نمود.
- استفاده از تیرهای لانه زنبوری از ضریب اطمینان یا ایمنی (safety factor) کمتری نسبت به سایر مقاطع برخورد دارند. اما استفاده گسترده از این نوع تیرها به سبب مزایایی که دارد، هنوز هم در مقیاس وسیعی از کارهای ساختمانی متداول است.
- خصوصیات هندسی تیرهای لانه زنبوری به نحوی است که تحت اثر تغییرات لنگر خمشی، تغییر شکل‌های ثانوی برشی، که اغلب قابل ملاحظه‌اند به وقوع پیوسته و تغییر مکان جانبی سازه تحت اثر اعمال نیروهای جانبی ناشی از زلزله در جهت عدم اطمینان می‌شود.
- اثرات این تغییر شکل‌ها در تیرهای لانه زنبوری در مقایسه با تیرهای دارای جان توپر با سختی خمشی معادل، منجر به بروز تغییر مکان جانبی بیشتر و نتیجتاً افزایش اثر بار P، به ویژه در حطیه رفتار ماوراء الاستیک در این قاب می‌شود.
- بروز تمرکز تنش و شدت زیاد حوضه تنشی در گوشه سوراخ‌ها، ملاحظاتی را در طراحی این تیرها در مقابل اثرات ناشی از پدیده خستگی کم تواتر در اثر وقوع زلزله، ایجاب می‌نماید.
- گونه‌های مختلف گسیختگی تیرهای لانه زنبوری، شامل انحناء مختل کمانش کلی، موضعی، مکانیسم محتمل پلاستیک و شکست است.
- با توجه به آن که شکل پذیری و توانایی جذب انرژی، تابع میزان قابلیت رفتار عضو سازه‌ای در حیطه پاسخ غیر خطی ماوراء الاستیک است، معیارهای مناسبی از دیدگاه ظرفیت مقاومت و کیفیت رفتار در مقابل نیروهای ناشی از زلزله شدید، تلقی می‌شوند. ضرورت تدوین ضوابط منطقی جهت ایجاد امکانات رفتار شکل پذیر در قاب‌های متشکل از تیرهای لانه زنبوری محرز می‌شود.
- بر اساس مطالعات آنالیتیک عددی و آزمایشگاهی، رفتار خمیری و حدی این تیرها مورد بررسی قرار داده شده است. نکاتی در مورد اثرات تمرکز تنش، تنش‌های پس ماند، بروز پلاستی سیته موضعی و گسترده، مکانیسم‌های گسیختگی پلاستیک مورد بحث قرار داده شده است. رفتار غیر خطی تیر لانه زنبوری از نظر عملکرد غیر خطی مصالح، با در نظر گرفتن اثرات سخت شدگی جنبشی به روش اجزا محدود مطالعه شده و با در نظر داشتن اثرات گسترش ترک در گوشه سوراخ‌ها در کاهش ظرفیت باربری حد نهایی تیر، رفتار غیر خطی تیر به صورت روابط بار تغییر مکان و لنگر ارائه شده است.
- همچنین از طریق طرح ریزی آزمایش‌های ویژه رفتار غیر خطی اجزا تشکیل دهنده تیر لانه زنبوری، مطالعه آزمایشگاهی چندی بر تیرهای لانه زنبوری اصلاح شده به منظور بهبود رفتار خمیری و افزایش شکل پذیری گزارش شده است.
نحوه ساخت تیرآهن لانه زنبوری
در ایران تیرهای لانه زنبوری را بیشتر با دست تهیه می‌کنند.
تقویت تیرهای لانه زنبوری علاوه بر تنش‌های خمشی اصلی در محل حلقه‌‌ها تنش‌های خمشی ثانویه حاصل از برش در مقطع ایجاد می‌شود که گاهی این تنش از تنش‌های خمشی اصلی در تیر بزرگترند.
این تنش‌ها از کارایی تیر می‌کاهند و برای مقابله با آنها باید حلقه‌های کناری را با ورق پر کرد.
خصوصاً هنگامی که از این نوع تیرها به صورت یکسره استفاده می‌شود در محل تکیه گاه‌ها که هم نیروی برشی و هم لنگر خمشی زیاد است.
تنش‌های خمشی به شدت افزایش می‌یابد. و نیاز به تقویت تیر در این محل‌ها است که از لحاظ اقتصادی قابل توجیه نیست.
تقویت تیرهای لانه زنبوری به کمک رفتار مرکب بتن و فولاد برای مقابله با این ضعف در تیرهای لانه زنبوری رفتار مرکب بتن و فولاد تهیه شده است.
به این ترتیب که داخل تیر فلزی در نقاطی که تنش‌های ثانویه قابل ملاحظه هستند از بتن پر می‌شوند و این امر سختی و مقاومت تیر را افزایش می‌دهد و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.
حتی المقدور طراحی این تیرها به صورت مرکب با عملکرد توام با بتن کف انجام می‌شود.
قبل از آن که بتوان در مورد اتصالات موسوم به خورجینی و نحوه عملکرد اتصالات خورجینی، از دیدگاه رابطه بین لنگر و چرخش اتصال، همچنین شکل پذیری اتصال و در نتیجه میزان مطلوب بودن این اتصالات به عنوان اتصالات قاب‌های فضایی شکل پذیر یا بدون مهاربندی اظهار نظر قطعی نمود.
لازم است تحقیقات دامنه داری در مورد رفتار استاتیکی و دینامیکی این گونه اتصالات انجام شود.
مطالعاتی که در حیطه الاستیک روی رفتار تیرهای خورجینی انجام گرفته حاکی از آن است که میزان گیرداری این اتصالات را می‌توان در جهات تیرهای خورجینی با استفاده از ورق‌های اتصال که در بالا و پایین به بال تیرهای خورجینی و به ستون و در عین حال به کناره نبشی‌های اتصال فوقانی و تختانی جوش شده‌اند، بهبود بخشید.
تمایل به پیچش ناشی از برون محوری را در ناحیه اتصال خنثی نمود و در عین حال از نظر میزان تمرکز تنش نیز، شرایطی مناسبی را ایجاد کرد.
استفاده از لچکی‌هایی جهت جلوگیری از تغییر شکل نبشی‌های اتصال فوقانی نه تنها از نظر ایجاد محدودیت و قیود بیشتر در تغییر مکان جانبی پیچشی تیرهای خورجینی بلکه از نظر افزایش میزان گیرداری اتصال تیر فرعی به مجموعه نیز خورجینی و ستون نیز موثر است.
کاربرد تیرآهن لانه زنبوری
ساختمان‌های فولادی بخش قابل توجهی از ساخت و ساز در ایران را تشکیل می‌دهد.
معایب و ضعف‌های ساختمان‌های فولادی ضعف عمده ساختمان‌های فولادی با توجه به نحوه طراحی و اجرای آنها در پی‌ها، ستون‌ها، تیرها، اتصالات تیرها به ستون‌ها، اتصال تیر به تیر اصلی، سیستم باربر جانبی، اعضای مهاربندی، اتصالات باد بندها، سیستم دیافراگم، کف دیوارها و تیغه‌های داخلی و راه پله‌ها است.
تیرها در اکثر موارد از تیرهای لانه زنبوری در ساختمان‌های فولادی استفاده می‌شود.
این تیرها در مقابل برش ضعیف هستند و در محل اعمال بارهای متمرکز مثل دو انتهای تیر بایستی جان را با ورق تقویتی پر نمود.
لیکن با توجه به ایجاد نیروی برشی در تمام طول تیرها در سیستم قاب خمشی کاربرد تیرهای لانه زنبوری برای ساختمان‌های فلزی در مناطق زلزله خیز در راستای بدون بادبند مناسب نیست.
خیلی از تیرها در سیستم قاب صلب از مقاطع زوج با ورق‌های تقویتی بال‌ها در دو انتها تشکیل می‌شود.
منتها این ورق‌ها با جوش منقطع و معمولاً با ساق ضعیف به بال‌های تیر وصل می‌شوند.
از آنجا که نیروهای کششی بزرگی در بال‌ها ناشی از خمش تیر در دو انتهای تیر توسط این ورق‌ها بایستی به ستون منتقل شوند.
در طول و بعد جوش این ناحیه دقت خاصی نیاز است و غالباً ورق‌های تقویتی بال‌ها باید به صورت ممتد به بال‌ها جوش شوند.
مشکل متداول دیگر در تیرهای ساختمان‌های فولادی طول نامناسب آنها است.
رواداری‌ها مجاز در انتهای تیر و در محل اتصال به ستون معمولاً حدود ۱ سانتیمتر است.
اما در خیلی از ساختمان‌ها به علت ضعف کیفیت اجرایی این فاصله حتی به ۵ سانتیمتر می‌رسد. که خروج از محوریت زیاد و در نتیجه لنگز خمشی بزرگی را به نبشی نشیمن زیر تیر اعمال می‌نماید.
مهندسین ناظر بایستی مراقب باشند که این فاصله‌ها در حد مجاز باقی بماند و در صورت لزوم در خواست تغییر تیر یا حداقل از نشیمن تقویت شده (در صورتی که رواداری چندان از مقدار مجاز تجاوز نکرده باشد) استفاده بنمایند.
اتصال تیر به ستون و تیر به تیر شاید مشکل‌ترین قسمت از وظایف مهندس ناظر در کنترل کیفیت اجرایی یک ساختمان فولادی اطمینان از درستی اتصال تیر به ستون باشد به ویژه در امتدادی که سیستم مهاربندی وجود ندارد و صرفاً قاب خمشی قرار است در مقابل بارهای جانبی زلزله مقاومت نماید.
در چنین حالتی اگر ستون‌های قوطی ساخته شده از ورق استفاده شود، بایستی به نصب ورق‌های پیوستگی در داخل ستون قوطی و در تراز ورق‌های زیر و روی تیر توجه خاصی شود.
غالباً اجرای این ورق‌ها فراموش شده یا در تراز صحیح خود صورت نمی‌گیرد.
مطلب مهم دیگر جوش صحیح آن به داخل ۴ وجه ستون است.
متاسفانه در عمل سه طرف جوش شده و در وجه چهارم به ورق‌های پیوستگی متصل نمی‌شود.
