تیرآهن CPE چیست یا لانه زنبوری چیست ؟
دلیل نامگذاری تیرهای لانه زنبوری, شکل گیری این تیرها پس ازعملیات بریدن, دوباره جوش دادن و تکمیل پروفیل است. این گونه تیرها در طول خود دارای حفره های توخالی در جان هستند که به لانه زنبور شبیه است. به همین سبب به این گونه تیرها لانه زنبوری می گویند. هدف از ساخت تیرهای لانه زنبوری این است که تیر بتواند ممان خمشی بیشتری را با خیز نسبتا کم , همچنین وزن کمتر در مقایسه با تیر نورد شده مشابه , تحمل کند.
مزایا تیر لانه زنبوری
• با تبدیل تیرآهن معمولی به تیراهن لانه زنبوری , مدول مقطع و ممان اینرسی مقطع تیر افزایش می یابد. مقاومت خمشی تیر نیز افزوده می شود. در نتیجه تیری با ارتفاع بیشتر , قوی تیر و هم وزن تیر اصلی حاصل می شود.
• با کم شدن وزن مصالح و سبک بودن تیر از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر خواهد بود.
• از فضاهای ایجاد شده (حفره ها) در جان تیر می توان لوله های تاسیساتی و برق را عبور داد.
• در ساختن تیر لانه زنبوری, منجر به افزایش ارتفاع تیر می شود. 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 بال ها از محور خنثی و افزایش ارتفاع تیر است. بنابراین مقاومت خمشی تیر افزایش یافته , همچنین سختی آن نیز بیشتر می شود.
• از آنجایی که جان این گونه تیرها در قسمت های توخالی است, در نتیجه باعث خواهد شد که وزن سازه به میزان قابل توجهی کم شود. در اثر کاهش وزن سازه, مولفه های نیروی زلزله که ارتباط مستقیم با وزن سازه دارد نیز کم می شوند. در نتیجه ساختمان ایمن تر خواهد بود و عملکرد مناسب تری 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 ستون ها وارد خواهد شد.
• از سوی دیگر بهینه ترین وضعیت در طراحی سازه ها, اقتصادی بودن آن است که در تیر شبکه به دلیل آن که مقطع هر تیر به صورت زاویه دار (زیگ زاگ), توسط دستگاه برش بریده می شود, 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 می گیرند. زیرا که می توان از فضاهای خالی در جان تیر برای عبور لوله های تاسیسات یا کابل های 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 می کاهند. خصوصاً در مواقعی که طرح های معماری, محدودیت زیادی را در ساختمان و در ناحیه سقف به طراحان سازه تحمیل می کنند, 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 سازه های صنعتی مورد استفاده در تیر ریزی بام, با تغییر برش, تیر مورد نظر را بسیار ساده و ارزان می توان آماده نمود. که این کار تنها با برش مورب زیگ زاگ ها در جان تیر ممکن خواهد شد.
• مزایای فوق الذکر باعث ترغیب طراحان در استفاده از تیرهای لانه زنبوری می شود و به عنوان گزینه مطلوبی مورد استفاده همه جانبه قرار می گیرد. با وجود داشتن محاسن , مهندسان سعی می کنند که هیچ گاه از تیرهای لانه زنبوری استفاده نکنند.
معایب تیر لانه زنبوری
• از جمله معایب تیر لانه زنبوری وجود حفره های آن است که می تواند تنش های برشی را در محل تکیه گاه های 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 حفره ها با ورق فلزی و جوش می کنند تا اتصال بعدی پل به ستون یا تیر فرعی به پل به درستی انجام شود.
• تیر لانه زنبوری در ساختمان اسکلت فلزی می تواند به صورت پل, فقط در یک دهانه یا به صورت پل ممتد به کار رود.
• اتصالات نقش کلیدی و تعیین کننده ای 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 سازه ای 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 گاه ها , کنترل لهیدگی جان نباید مورد توجه بیشتری قرار گیرد. زیرا در این نواحی مقاطع, حالت بحرانی تری نسبت به سایر قسمت ها دارند. البته قسمت اعظم این کاستی ها را می توان با استفاده صحیح و بهینه ورق های تقویتی بر طرف نمود. بعضاً در مواردی که اساس مقطع لازم به دست نیامده باشد, از تیرهای لانه زنبوری دو بل می توان 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 تیر ها 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 شکل های ثانوی برشی, که اغلب قابل ملاحظه اند به وقوع پیوسته و تغییر مکان جانبی سازه تحت اثر اعمال نیروهای جانبی ناشی از زلزله در جهت عدم اطمینان می شود.
• اثرات این تغییر شکل ها 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 می شود.
• بروز تمرکز تنش و شدت زیاد حوضه تنشی در گوشه سوراخ ها, ملاحظاتی را در طراحی این تیرها در مقابل اثرات ناشی از پدیده خستگی کم تواتر در اثر وقوع زلزله, ایجاب می نماید.
• گونه های 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 سازه ای 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 می شوند. ضرورت تدوین ضوابط منطقی جهت ایجاد امکانات رفتار شکل پذیر در قاب های متشکل از تیرهای لانه زنبوری محرز می شود.
• 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, تنش های پس ماند, بروز پلاستی سیته موضعی و گسترده , مکانیسم های 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 سوراخ ها 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 آزمایش های 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.
برای ساختن تیر لانه زنبوری دو شیوه موجود است
روش ترسیم تیرلانه زنبوری به روش پانیر در یک مرحله
نمای طولی تیرآهن CPE را ترسیم نمایید, به صورتی که ارتفاع آن ۵/ ۱ برابر ارتفاع تیرآهن اولیه باشد ( تیرآهن اولیه IPE200 )در نظر گرفته شده است.
خط آکس و دو خط کمکی افقی دیگر به فاصله از لبه خارجی بال بالایی و پایینی و خطوط عمودی را نیز به تناوب به فاصله و ترسیم نمایید و بقیه مراحل را مطابق شکل ادامه دهید.
روش ترسیم تیر لانه زنبوری به روش لیتسکا در یک مرحله
می خواهیم تیرآهن IPE200 را با شرط e=36 و v=7 در یک مرحله لانه زنبوری کنیم.
از فرمول H2=2h-v ارتفاع تیر لانه زنبوری را محاسبه نمایید.
نمای طولی تیرآهن CPE با ارتفاع محاسبه شده, خط آکس, دو خط کمکی به فاصله ی v از لبه ی خارجی بال بالایی و پایینی و خطوط عمودی را به تناوب به فاصله و ترسیم نمایید.
از نقطه b خط افقی به طول ترسیم و بقیه ی مراحل را مطابق شکل ادامه دهید.
استفاده از ورق واسطه در تیرهای لانه زنبوری برای افزایش بیشتر ارتفاع
درتیرهای لانه زنبوری می توان بین دو نیمه ی لانه زنبوری شده ی تیرآهن, از ورق واسطه استفاده نمود و ارتفاع کل تیرآهن CPE را تا دو برابر ارتفاع تیر نورد شده ی اولیه افزایش داد. لازم به ذکر می باشد که در ساخت و جوش کاری این تیرها باید دقت کافی به عمل آید و جوش تمام لبه ها به صورت نفوذی کامل و از دو طرف انجام گیرد.
روش های برش تیرهای لانه زنبوری
برای ساخت تیرهای لانه زنبوری از دو روش زیر استفاده می شود
روش سرد (کوپال):
در این روش با استفاده از قطع کن سنگین که به گیوتین مخصوص مجهز است, تیرآهن در امتداد خط منکسر بریده می شود.
روش گرم (برنول):
در این روش ابتدا با استفاده از شابلون نصف شش ضلعی, خط منکسر را روی جان تیرآهن CPE و در امتداد طولی آن ترسیم کرده, سپس برای جلوگیری از تاب برداشتن تیرآهن آن را روی یک شاسی افقی مستقر و در چند نقطه با خال جوش زدن مهار نموده, آنگاه با استفاده از شعله ی بنفش رنگ قوی حاصل از احتراق گاز استیلن و اکسیژن اقدام به برش تیرآهن CPE در امتداد خط منکسر می نمایند.
روش ساختن تیر های لانه زنبوری و تقویت آن :
روش تهیه تیر های لانه زنبوری از این قرار است که ابتدا در روی جان تیر آهن نورد شده با استفاده از الگو که به صورت شش ضلعی از ورق آهن سفید یک میلی متری (شابلون) با توجه به استاندارد ساخته شده خط می گردد سپس تیر آهن را روی یک شاسی افقی با زدن تک خال جوش در نقاط مختلف برای جلوگیری از تاب برداشتن قرار می دهند .
آنگاه با استفاده از دستگاه برش (برنول) در امتداد خط منکسر اقدام به برش می کنند تا پروفیل به دو قسمت بالا و پایین تقسیم شود . حال اگر قسمت بالا را اندازه یک دندانه جابجا کنیم و دندانه های قسمت بالا و پایین را به دقت مقابل هم قرار دهیم و از دو طرف کارگر ماهر آن را جوشکاری کنند با استفاده از جوش قوسی نیمه اتوماتیک برای اتصال دو نیمه بریده شده یک جوش خوب بی عیب سریع و مقرون به صرفه خواهد بود . تیر ساخته شده در محل تکیه گاه ها با توجه به حفره های خالی آن در مقابل تنش های برشی ضعیف می شود .برای جبران این نقیصه با توجه به منحنی نیروی برشی نیز به پر کردن حفره ها با ورق های تقویتی اقدام می کنیم . لازم به ذکر است که حداقل باید یک حفره با ورق در تکیه گاه به وسیله جوش کامل پر شود .
در پایان یاد آور می شوم که یک نوع دیگر از پروفیل های لانه زنبوری را برای بریدن قطعات بالا و پایین ورق واسطه اضافه می کنند که این ورق واسطه بین دندانه ها جوش می شود . در نتیجه تیر حاصل به مراتب قوی تر از تیری است که بدون ورق واسطه ساخته می شود.
تقویت تیر های لانه زنبوری به کمک رفتار مرکب بتن و فولاد :
در تیر های لانه زنبوری علاوه بر تنش های خمشی اصلی در محل حلقه ها تنش های خمشی ثانویه حاصل از برش در مقطع ایجاد می گردد که گاهی این تنش از تنش های اصلی در تیر بزرگ ترند . این تنش ها از کارایی تیر می کاهند و برای مقابله با آن ها باید حلقه های کناری را با ورق پر کرد خصوصاً هنگامی که از این نوع تیرها به صورت یکسره استفاده می شود در محل تکیه گاه ها که هم نیروی برشی و هم لنگر خمشی زیاد باشد تنش های خمشی به شدت افزایش می گردد . ونیاز به تقویت تیر در این محل ها می باشد که از لحاظ اقتصادی قابل توجیه نمی باشد . در این پروژه برای مقابله با ضعف در تیر های لانه زنبوری رفتار مرکب بتن و فولاد توصیه شده است . به این ترتیب که داخل تیر فلزی در نقاطی که تنش های ثانویه قابل ملاحظه می باشند از بتن پر می شود و کشش حلقه های خالی را به عمل تغییر می دهد و این امر سختی و مقاومت تیر را افزایش می دهد و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می باشد .
طراحی تیرهای لانه زنبوری یا تیرآهن CPE
در ایران تیرهای لانه زنبوری را بیشتر با دست تهیه می کنند. تقویت تیرهای لانه زنبوری علاوه بر تنش های خمشی اصلی در محل حلقه ها تنش های خمشی ثانویه حاصل از برش در مقطع ایجاد می شود که گاهی این تنش از تنش های خمشی اصلی در تیر بزرگترند. این تنش ها از کارایی تیر می کاهند. و برای مقابله با آنها باید حلقه های کناری را با ورق پر کرد. خصوصاً هنگامی که از این نوع تیرها به صورت یکسره استفاده می شود در محل تکیه گاه ها که هم نیروی برشی و هم لنگر خمشی زیاد است. تنش های خمشی به شدت افزایش می یابد. و نیاز به تقویت تیر در این محل ها 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 تنش های ثانویه قابل ملاحظه هستند از بتن پر می شوند و این امر سختی و مقاومت تیر را افزایش می دهد و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.
حتی المقدور طراحی این تیرها به صورت مرکب با عملکرد توام با بتن کف انجام می شود. 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 قاب های 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 می توان در جهات تیر های خورجینی با استفاده از ورق های اتصال که در بالا و پایین به بال تیرهای خورجینی و به ستون و در عین حال به کناره نبشی های اتصال فوقانی و تختانی جوش شده اند, 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 لچکی هایی جهت جلوگیری از تغییر شکل نبشی های 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 تیرهای لانه زنبوری یا تیرآهن CPE
ساختمان های فولادی بخش قابل توجهی از ساخت و ساز در ایران را تشکیل می دهد. معایب و ضعف های ساختمان های فولادی ضعف عمده ساختمان های فولادی با توجه به نحوه طراحی و اجرای آنها در پی ها, ستون ها, تیرها , اتصالات تیرها به ستون ها, اتصال تیر به تیر اصلی , سیستم باربر جانبی, اعضای مهاربندی, اتصالات باد بندها , سیستم دیافراگم, کف دیوارها و تیغه های داخلی و راه پله ها است. تیرها د ر اکثر موارد از تیرهای لانه زنبوری در ساختمان های فولادی استفاده می شود.
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 تیر ها در سیستم قاب خمشی کاربرد تیر لانه زنبوری برای ساختمان های فلزی در مناطق زلزله خیز در راستای بدون بادبند مناسب نیست. خیلی از تیرها در سیستم قاب صلب از مقاطع زوج با ورق های تقویتی بال ها در دو انتها تشکیل می شود. منتها این ورق ها با جوش منقطع و معمولاً با ساق ضعیف به بال های تیر وصل می شوند. از آنجا که نیروهای کششی بزرگی در بال ها ناشی از خمش تیر در دو انتهای تیر توسط این ورق ها بایستی به ستون منتقل شوند. در طول و بعد جوش این ناحیه دقت خاصی نیاز است و غالباً ورق های تقویتی بال ها باید به صورت ممتد به بال ها جوش شوند.
مشکل متداول دیگر در تیرهای ساختمان های فولادی طول نامناسب آنها است. رواداری ها مجاز در انتهای تیر و در محل اتصال به ستون معمولاً حدود 1 سانتیمتر است. اما در خیلی از ساختمان ها به علت ضعف کیفیت اجرایی این فاصله حتی به ۵ سانتیمتر می رسد. که خروج از محوریت زیاد و در نتیجه لنگز خمشی بزرگی را به نبشی نشیمن زیر تیر اعمال می نماید.
مهندسین ناظر بایستی مراقب باشند که این فاصله ها 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 مشکل ترین 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 ستون های قوطی ساخته شده از ورق استفاده شود, بایستی به نصب ورق های پیوستگی در داخل ستون قوطی و در تراز ورق های زیر و روی تیر توجه خاصی شود. غالباً اجرای این ورق ها فراموش شده یا در تراز صحیح خود صورت نمی گیرد. مطلب مهم دیگر جوش صحیح آن به داخل 4 وجه ستون است. متاسفانه در عمل سه طرف جوش شده و در وجه چهارم به ورق های پیوستگی متصل نمی شود.
برای اطلاع از قیمت تیرآهن لانه زنبوری یا تیرآهن شبکه روی این قسمت کلیک فرمایید.
