خرپا و انواع آن در ساختمان چه نقشی دارد؟ سازه همواره یکی از اجزاء ضروری معماری بوده و هست. چه هنگام ساخت سرپناه ساده برای یک خانواده و چه هنگام ایجاد فضای بزرگی که صدها نفر بتوانند در آنجا اعمال عبادی، تجاری و مذاکرات سیاسی و فرهنگی و علمی خود را انجام دهند و یا اوقات فراغت خود را بگذرانند. ساختارهای دهانه بلند با وزن سبک دلیل اصلی افزایش تقاضای خرپا در صنعت ساختمان است. از آنجا که استفاده از فولاد به عنوان مصالح ساختمانی به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا رواج پیدا کرده است، پروفیل خرپا همراه با پیشرفت صنعت فولاد نقش اصلی را در ساختارهای ساختمانی داشته است. در طول سال‌های گذشته و حتی در حال حاضر با توجه به ویژگی زیبایی شناختی، این خرپاها با تخته های چوب ساخته می‌شوند. از انواع میلگرد بکار رفته در این سازه میتوان در سقف، پل‌ها، برج‌های برق و مخابرات و حتی قاب‌های سازه‌ای از خرپا به عنوان اشکال ساختاری بی نقص استفاده می‌کنند.
*** پروفیل خرپا چیست؟
برای آشنایی با خرپاها بایستی ابتدا تعریف آن را بدانید. خرپا یا میلگرد زیگزاگ ساختاری است که از اعضای متشکل در مثلث‌های متصل به هم تشکیل شده است به طوری که مجموع کلی مانند یک شی واحد رفتار می‌کند. مثلث از نظر ریاضی دارای پیکربندی پایداری میباشد. به طورکلی، یک خرپا دارای اعضایی است که به عنوان وتر بالا، وتر پایین، وتر عمودی و وتر مورب شناخته می‌شوند. بنابرای، از آنجائیکه قیمت خرپا وابسته به قیمت اجزای سانده آن یعنی قیمت میلگرد است، بهتر است برای محاسبه هزینه به قیمت این محصول فولادی مراجعه کنید.
عملکرد اصلی خرپاها براساس دو قاعده میباشد.
- به حداقل رساندن وزن وارد شده به اسکلت سازه
- ایجاد ثبات جانبی مناسب برای کل ساختار
*** انواع خرپا و مشخصات آنها
خرپاها از نظر قاب بندی و شکل ظاهری به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. از نظر قاب بندی سه نوع خرپا وجود دارد.
- خرپا ساده
- مسطح
- خرپا فضایی
*** خرپای ساده
این پروفیل یک مثلث منفرد است که ممکن است در یک سقف قاب‌دار متشکل از تیرچه و یک تیرچه سقف مشاهده شود. این خرپا نشانگر یک خرپای مثلثی است. این خرپاها اغلب به عنوان خرپاهای سقفی استفاده می‌شوند. در مورد سقف تیرچه بلوک و مشخصات آن اینجا بخوانید.
*** خرپای مسطح یا خرپا سقف
همانطور که از نام آن پیداست یک خرپای دو بعدی است. اگر همه اعضا و گره‌ها در یک سطح مسطح قرار داشته باشند، این خرپا یک خرپای مسطح است. این نوع خرپا به طور معمول به صورت سری استفاده می‌شود، با اینکه خرپاها به صورت موازی برای ایجاد سقف، پل و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند.
*** خرپای فضایی
برخلاف خرپای مسطح، اعضا و گره‌ها در فضای سه بعدی قرار دارند. برج‌های برق و مخابرات یکی از ساده‌ترین نمونه‌هایی است که در زندگی روزمره شاهد آن هستیم. خرپاهای فضایی معمولا از جنس آهن، فولاد و یا آلومینیوم بوده و اتصالات آنها معمولاً از نوع لولایی میباشد. برای مقاومت و استحکام بیشتر، در بعضی از پروژه‌‌ها از خرپاهای فضایی دو لایه استفاده می‌شود. قیمت خرپاهای دو لایه قاعدتاً بیشتر از نوع تک لایه خواهد بود.
اما مهم‌ترین بخش تقسیم بندی خرپاها، از نظر شکل ظاهری آنها میباشد. خرپاها یک گزینه بسیار عالی، کاملاً پذیرفته و مقرون به صرفه برای ساخت سازه‌های مختلف هستند. برای به حداکثر رساندن کارایی سازه (که اغلب در مواد استفاده شده یا نیروی کار اندازه‌گیری شده میباشد)، باید نوع خرپایی مناسب برای طراحی انتخاب شود. اکنون می‌خواهیم بررسی کنیم که چند نوع خرپا وجود دارد و چگونه می توانند برای طراحی شما مفید باشند. طیف گسترده ای از اشکال خرپا وجود دارد که می‌تواند ایجاد شود که از نظر مواد، هندسه کلی و دهانه متفاوت میباشد. برخی از رایج‌ترین اشکال در زیر شرح داده شده است.
*** خرپا پرات (Pratt)
این فرم که به خرپای”N” نیز معروف است، اغلب در ساختمان‌هایی با طول طولانی استفاده می‌شود و دهانه‌های آن بین ۲۰-۱۰۰ متر است و در جایی که ممکن است بارهای بالا رفتن غالب باشد، مانند آویزهای هواپیما کاربرد دارد. در دو قرن گذشته استفاده از خرپاهای پرات به عنوان یک روش موثر در ساخت و ساز بکار گرفته شده است.
خرپای پرات از اعضای عمودی برای فشرده سازی و از اعضای افقی برای کشش استفاده می‌کند. این نوع از خرپاها برای دهانه‌های افقی، جایی که نیرو عمدتا در جهت عمودی باشد، مناسب‌ترین است. پیکربندی اعضا به این معنی است که اعضای مورب طولانی تر فقط برای اثرات بار گرانشی کشش دارند که به آنها امکان می دهد تا با کارآیی بیشتری استفاده شوند.
مزایا
- با آگاهی از رفتار اعضا، اعضای مورب در کشش و اعضای عمودی در فشار هستند
- این خرپا می‌تواند برای طراحی سازه‌ای مقرون به صرفه مورد استفاده قرار گیرد
- دارای طراحی ساده
- طراحی قابل قبول و کاربردی
معایب
- اگر بار عمودی نباشد به همان اندازه سودمند نیست
کاربردها
- در مواردی که به طراحی مقرون به صرفه نیاز است
- در جایی که ترکیبی از بارها اعمال می‌شود
- جایی که یک ساختار ساده مورد نیاز است
*** خرپا وارن (Warren)
خرپا وارن یکی دیگر از سیستم‌های سازه خرپایی بسیار محبوب است که به راحتی با ساخت آن از مثلث متساوی الاضلاع بوجود می‌آید. خرپای وارن اعضای کمتری نسبت به خرپای پرات دارند و دارای اعضای مورب هستند که به طور متناوب در کشش و فشار هستند.
مزایا
- بار را به طور مساوی بین اعضا پخش می‌کند
- طراحی نسبتاً ساده
معایب
- عملکرد ضعیف‌تر تحت بارهای متمرکز
- افزایش قابلیت ساخت و ساز به دلیل اعضای اضافی
کابردها
- در ساختارهایی دارای دهانه‌های بزرگ
- جایی که قرار است از یک بار توزیع شده به طور مساوی پشتیبانی شود
- جایی که یک ساختار ساده مورد نیاز است
*** خرپای K
خرپای K نسخه کمی پیچیده‌تری از خرپای پرات است. تفاوت اصلی آن این است که اعضای عمودی کوتاه شده‌اند که این امر مقاومت آن در برابر کمانش را بهبود می بخشد. با این حال، مزایا و معایب مشابه خرپای پرات را دارد و اگرچه زیاد مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، اما طراحی آن قوی است.
یکی از معایب اصلی خرپای K این است که اعضا همیشه رفتار مطابق انتظار را ندارند. در این مدل یک عضو ممکن است تحت یک بار در حالت فشرده سازی و تحت بار دیگر در تنش باشد. این می تواند به این معنی باشد که ساختار ممکن است نتواند بهینه طراحی شود. نمونه ای از وضعیت خرپای K و واکنش آن در زیر بار اعمال شده در زیر نشان داده شده است. اعضای فشاری به رنگ سبز و تنشی به رنگ قرمز نشان داده می‌شوند.
مزایا
- فشرده سازی در اعضای عمودی کاهش می یابد
- در صورت کارآمد بودن طراحی، احتمال کاهش فولاد مصرفی و هزینه ها وجود دارد
معایب
- دارای طراحی کمی پیچیده تر
- افزایش قابلیت ساخت و ساز به دلیل وجود اعضای اضافی
*** خرپا نور شمالی (North light)
این فرم خرپا معمولاً برای دهانه‌های کوتاه در ساختمان‌های صنعتی استفاده می‌شود. به این دلیل اصطلاحاً خرپا نور شمالی نامیده می‌شود که اجازه می‌دهد حداکثر سود حاصل از روشنایی طبیعی با استفاده از لعاب در شیب تندتر رو به شمال (که گاهی اوقات به آن سقف دندانه اره‌ای گفته می‌شود) بدست آید. در قسمت شیب دارتر خرپا متداول است که یک خرپای دوم عمود بر صفحه خرپای سبک شمال قرار دارد و فضای عاری از ستون را فراهم می‌کند.
*** خرپا هاو (Howe)
خرپاهای هاو از نظر هندسی در واقع در مقابل خرپاهای پرات قرار دارند. در حقیقت، نگاهی وارونه به خرپای پرات، یک خرپا از نوع هاو را تجسم می‌کند. کل ساختار مشابه خرپای پرات میباشد، اما مهاربندهای مورب در نقطه مقابل گره‌های اشغال نشده را اشغال کرده‌اند.
*** خرپا ویرندیل (Vierendeel)
یک نوع خاص از خرپا که با سایر مدل‌های معرفی‌شده تا اینجا به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای تفاوت دارد، خرپا ویرندیل نام دارد. تفاوت اساس این مدل از خرپا در نحوه انتقال نیروها است. یکی از ویژگی‌های مشترک خرپاهایی که دارای گره‌های لولایی هستند این است که از اشکال مثلثی تشکیل می‌شوند. قاعدتاً این مفاصل لولایی هیچ‌گونه مقاومتی در برابر چرخش و نیروهای چرخشی ندارند.
اما یک خرپای ویرندیل دارای دهانه‌های مستطیلی یا مربعی شکل است. درنتیجه، اعضای تشکیل‌دهنده این مدل خرپا هم نیروهای محوری و هم گشتاور خمشی را تحمل می‌کنند. خرپای ویرندیل در برابر تنش‌ها نرمال و در برابر تنش‌های محوری ایجاد شده در اثر خمش بسیار مقاوم هست و از این لحاظ یک نوع سازه اساسی در نظر گرفته می‌شود. مزیت اصلی خرپای ویرندیل این است که در ساختمان‌هایی که خرپاهای مثلثی شکل منجر به انسداد در و پنجره می‌شوند این نوع خرپا می‌تواند یک گزینه ایده‌آل باشد؛ چراکه از فضاهای هالی مستطیلی شکل تشکیل شده است.
*** آنچه که باید درباره فرآیند طراحی خرپاها بدانید
برخی فرضیات اساسی در فرآیند طراحی وجود دارد. باید مشخص شود که ساخت خرپاها باید با فرضیات طراحی مطابقت داشته باشد تا از خرابی‌های ناخواسته ناشی از پراکندگی نیروها و بارها جلوگیری شود. در ادامه فرضیاتی در طراحی خرپا آورده شده است.
- اعضای خرپا فقط نیروهای محوری را تحمل خواهند کرد
- گره ها یعنی اتصالات اعضا به عنوان اتصالات پین شده طراحی شده‌اند تا نیروها در لحظه به اعضای خرپا منتقل نشوند
- تمام بارهای خارجی و واکنش ها فقط روی گره‌ها عمل می‌کنند
- به طور کلی، خرپاها باید در یک صفحه واقع شوند
به طور معمول اعضای خرپاها به صورت مقاطع I، زاویه ها، مقاطع T، مقاطع لوله، مقاطع مربع و مقاطع کانال ساخته می‌شوند. مقطع I از نظر نیروهای ساختاری بیشتر به عنوان یک بخش بهینه ترجیح داده می‌شود.
*** مهاربندی خرپاها چگونه است؟
اعضای خرپا لنگر خمشی را تحمل نمی‌کنند و پایداری اعضا در صفحه خرپا توسط گره‌ها تامین می‌گردد به همین دلیل میتوان اعضا خرپا را از پروفیل‌های نازک‌تری ساخت که این موضوع باعث ایجاد مسئله پایداری ارتجاعی می شود که برای پایداری خرپاها در جهت جانبی از مهاربند استفاده می‌کنند.
*** معینی و نامعینی خرپاها چیست؟
اگر تعداد گره‌های خرپا را با حرف J نشان دهیم، تعداد اعضا خرپا را M و R تعداد مولفه‌های واکنش تکیه گاهی مستقل موجود باشد روابط زیر بر قرار میباشد:
- اگر M+2R=J باشد خرپا نامعین ایستایی است ولی پایداری هندسی و ایستایی خرپا باید بررسی شود.
- خرپایی که کمتر از ۲J-R عضو داشته باشد حتما ناپایدار میباشد.
*** اتصالات خرپاها
پس از تعیین حداقل سطح مقطع اعضا، طراحی اتصالات خرپا آخرین گام در طراحی خرپا میباشد. اعضای خرپاها به وسیله جوش، پیچ و مهره و یا پرچ به یکدیگر متصل می‌شوند. با توجه به نیازهای مطرح شده در پروژه‌های مربوطه، اتصالات داخلی (مفاصل) می‌تواند به شکل سفت و سخت، نیمه سفت و سخت، یا لولا طراحی شود.
امیدواریم تا با مطالعه این مقاله پاسخ سوال‌های خود را درباره انواع خرپا، طراحی و کاربردهای آن بدست آورده باشید.
این مطلب بدون برچسب می باشد.
ثبت دیدگاه