در ادامه می بینیم تیرآهن لانه زنبوری چه مقطع فولادی است، چرا ساخته شد، چگونه تولید می شود و کجا کاربرد دارد. بعد هم مزایا و معایب آن را مرور می کنیم تا روشن شود این نوع تیر در چه شرایطی می تواند انتخاب مناسبی باشد.
تیرآهن لانه زنبوری یا CPE چیست؟
تیرآهن لانه زنبوری نوعی تیر فولادی است که در قسمت جان آن، یعنی بخش عمودی و میانی تیر، ردیفی از بازشوها ایجاد شده است. بازشو به فضای خالی داخل جان تیر گفته می شود و شکل آنها در تیرهای لانه زنبوری معمولا شش ضلعی و شبیه خانه های کندوی زنبور است. به همین دلیل این تیرآهن را لانه زنبوری می نامند. در منابع انگلیسی به آن Castellated Beam یا Honeycomb Beam گفته می شود و در بازار ایران نیز با عنوان CPE (مخففCast IPE ) شناخته می شود. عبارت Cast IPE یعنی تیرآهن (IPE) تغییر شکل داده شده.
چرا اصلا تیر لانه زنبوری ساخته شد؟ فرض کنید قرار است یک تیر فولادی بین دو ستون قرار بگیرد و فاصله بین این دو ستون زیاد باشد. هرچه این فاصله، یا همان دهانه، بیشتر شود، ممکن است به تیری با ارتفاع بیشتر نیاز داشته باشیم. ارتفاع تیر همان فاصله بین دو بال آن است. یکی از راه ها این است که از ابتدا تیر بزرگ تر و سنگین تری انتخاب کنیم؛ اما ایده تیر لانه زنبوری راه دیگری پیش پای مهندسان گذاشت: یک تیرآهن معمولی را طوری تغییر دهند که ارتفاع نهایی آن بیشتر شود، بدون اینکه به همان اندازه فولاد بیشتری به آن اضافه شود.
برای این کار، در جان تیر، یعنی بخش عمودی بین دو بال، بازشو ایجاد می شود. در نتیجه دو بخش تیر از هم فاصله بیشتری پیدا می کنند و ارتفاع کلی مقطع بیشتر می شود. به همین دلیل، تیر لانه زنبوری برای بعضی دهانه های بزرگ تر می توانست گزینه مناسبی باشد. در این حالت وقتی بار روی تیر قرار می گیرد، تیر تمایل دارد به سمت پایین خم شود. هرچه فاصله بین دو بال تیر، یعنی ارتفاع مقطع، بیشتر باشد، دو بال از هم دورتر قرار می گیرند و تیر در برابر خم شدن محکم تر می شود. به همین دلیل افزایش ارتفاع تیر می تواند امکان استفاده از آن را برای بعضی دهانه های بزرگ تر فراهم کند.
ایده تیرآهن لانه زنبوری به اوایل قرن بیستم برمی گردد. نخستین استفاده های ثبت شده از تیرهای دارای بازشوهای تکرارشونده در جان، به حدود ۱۹۱۰ میلادی و شرکت Chicago Bridge and Iron Works در آمریکا نسبت داده می شود. چند دهه بعد، Geoffrey Murray Boyd در سال ۱۹۳۵ در آرژانتین این ایده را دوباره توسعه داد و در سال ۱۹۳۹ نیز روش ساخت آن در بریتانیا به ثبت رسید. بعدها با محدود بودن تنوع مقاطع فولادی آماده در بعضی بازارها و پیشرفت روشهای برش و جوشکاری، استفاده از این نوع تیرها بیشتر شد.
پس مسئله فقط ایجاد چند سوراخ در یک تیرآهن نبود. هدف این بود که از یک مقطع فولادی موجود، تیری با ارتفاع بیشتر به دست بیاید و به این ترتیب برای بعضی دهانه ها و شرایط سازه ای، گزینه ای کارآمدتر در اختیار مهندسان قرار گیرد. همچنین، بازشوهای جان فضای خالی ایجاد می کنند که این می تواند در برخی سازه ها برای عبور تاسیسات مانند لوله ها و مسیرهای خدماتی مفید باشد. البته اینکه چنین تیر آهنی برای یک پروژه مناسب است یا نه، به مهندسی و محاسبات سازه بستگی دارد.
درباره هزینه هم باید بگوییم، تیر لانه زنبوری را نمی توان صرفا با قیمت یک تیرآهن معمولی مقایسه کرد. چون این تیر ابتدا از یک تیرآهن IPE ساخته می شود و بعد هزینه برش، جابه جایی دو بخش و جوشکاری هم به آن اضافه می شود. از طرف دیگر، در یک طراحی مناسب ممکن است بتوان با استفاده از تیر لانه زنبوری، وزن فولاد مورد نیاز را نسبت به یک تیر توپر با عملکرد مشابه کمتر کرد. بنابراین اینکه استفاده از این تیر در نهایت ارزان تر تمام شود یا نه، به این عوامل بستگی دارد:
- دهانه
- مقدار بار
- تیر اولیه
- هزینه ساخت
به همین دلیل، هنگام بررسی قیمت لانه زنبوری باید قیمت تیرآهن اولیه و هزینه تبدیل آن به تیر لانه زنبوری را با هم در نظر گرفت و بعد آن را با گزینه مناسب سازه مقایسه کرد.
در ادامه، در بخش روش تولید تیرآهن لانه زنبوری، دقیق تر می بینیم که جان تیر چگونه برش می خورد، و دو قسمت چگونه جابجا می شوند و چطور دوباره به هم متصل می شوند تا این شکل لانه زنبوری به وجود بیاید.
روش تولید تیرآهن لانه زنبوری
تیرآهن لانه زنبوری از ابتدا با شکل لانه زنبوری از خط تولید کارخانه بیرون نمی آید. در بازار ما تیرآهن ذوب آهن اصفهان از تیرهای مورد استفاده برای ساخت تیر لانه زنبوری است. این تیر معمولا از یک تیرآهن I شکل معمولی ساخته می شود. برای تبدیل آن به مقطع لانه زنبوری، جان تیر را برش می دهند و دو بخش بریده شده را دوباره به هم متصل می کنند.
مراحل ساخت را می توان این طور دید:
- مشخص کردن الگوی برش: روی جان تیر، یعنی قسمت عمودی بین دو بال، یک الگوی رفت و برگشتی شبیه دندانه های اره مشخص می شود.
- برش جان تیر: تیر در امتداد همین الگو برش می خورد و جان آن به دو بخش جدا از هم تقسیم می شود.
- جابه جا کردن دو بخش: دو نیمه تیر نسبت به هم جابه جا می شوند تا قسمتهای برجسته الگوی برش روبه روی هم قرار بگیرند. با این جابه جایی، بین آنها بازشوهای شش ضلعی شکل می گیرد و ارتفاع تیر بیشتر می شود.
- جوشکاری: دو بخش در محلهای مشخص به هم جوش داده می شوند تا دوباره یک تیر یکپارچه شکل بگیرد.
در ساخت تیرآهن لانه زنبوری، کیفیت جوشکاری اهمیت زیادی دارد. دو نیمه تیر در این مرحله دوباره به یکدیگر متصل می شوند و نیرو باید از همین محلهای اتصال عبور کند. به همین دلیل، پیوستگی و سلامت جوش مهم است و وجود عیب در اتصال می تواند عملکرد تیر را تحت تأثیر قرار دهد. در طراحی تیرهای لانه زنبوری، خود ناحیه جوش و بخش های جان بین بازشوها از قسمت هایی هستند که باید از نظر انتقال نیرو بررسی شوند.
تیرآهن لانه زنبوری دوبل چیست؟
وقتی یک تیر لانه زنبوری به تنهایی برای تحمل بار مورد نیاز کافی نباشد، می توان دو تیر لانه زنبوری را در کنار هم و به صورت موازی قرار داد و آنها را به هم متصل کرد. نام این ترکیب، تیر لانه زنبوری دوبل است. در واقع به جای یک تیر، دو تیر در کنار هم کار می کنند تا مقطع مورد نیاز سازه فراهم شود.
یک نکته مهم در ساخت تیر دوبل این است که بازشوهای دو تیر نباید طوری قرار بگیرند که دقیقا روبروی هم باشند. بهتر است بازشوی یک تیر مقابل بخش بسته جان تیر دیگر قرار بگیرد. با این چیدمان، قسمتهای بسته جانِ دو تیر در کنار یکدیگر قرار می گیرند تا وضعیت مقطع از نظر انتقال نیرو مناسبتر باشد. انتخاب چنین ترکیبی باید بر اساس محاسبات دقیق بار وارد شده انجام شود.
کاربرد تیرآهن لانه زنبوری چیست؟
تیرآهن لانه زنبوری بیشتر در پروژه هایی به کار می رود که لازم است یک تیر، فاصله نسبتا زیادی را بین دو ستون یا تکیه گاه پوشش دهد و گاه در عین حال بتوان بخشی از لوله ها، کابل ها و کانال های تأسیسات را از داخل بازشوهای تیر عبور داد. به همین دلیل، این تیر را می توان در سالن های صنعتی، سوله ها، بعضی ساختمان های اداری و تجاری، پارکینگ ها و سازه های مربوط به کف طبقات دید. کاربرد آن البته به محاسبات سازه و نوع بار بستگی دارد و برای هر پروژه ای البته انتخاب نمی شود.
در سالن ها و سوله ها، فاصله بین ستون ها معمولا زیاد است و طراح به تیری نیاز دارد که این فاصله را پوشش دهد. تیر لانه زنبوری در بعضی از این سازه ها به عنوان تیر سقف یا تیرهای اصلی و فرعی به کار می رود تا فضای داخلی سالن بازتر بماند. در ساختمان های اداری و تجاری نیز می توان از آن در تیرهای کف استفاده کرد؛ مخصوصا وقتی ایجاد دهانه های بلند و سامان دادن مسیر تأسیسات اهمیت داشته باشد.
یکی دیگر از کاربردهای مهم آن، پارکینگ های طبقاتی است. در پارکینگ، فاصله مناسب بین ستون ها اهمیت زیادی دارد، چون ستونهای زیاد می توانند فضای حرکت و پارک خودروها را محدود کنند. تیرهای لانه زنبوری و دیگر تیرهای دارای بازشو در چنین سازه هایی برای ایجاد فاصله بیشتر بین تکیه گاه ها مورد استفاده قرار می گیرند.
در طبقات و کف ساختمان هم بازشوهای موجود در جان تیر می توانند کاربرد مهمی داشته باشند. منظور از تأسیسات در اینجا مسیرهایی مثل کانال تهویه، لوله ها، لوله های آتش نشانی و کابل های برق است. این مسیرها در بعضی طراحی ها می توانند از داخل بازشوهای تیر عبور کنند، به جای اینکه همه آنها از زیر تیر رد شوند. به این ترتیب، طراح می تواند فضای مربوط به سازه و تأسیسات را بهتر در کنار هم قرار دهد.
در ساختمان ها و مجموعه های صنعتی، نیم طبقه های صنعتی هم یکی از محل های استفاده از این تیرهاست. نیم طبقه صنعتی، طبقه ای است که برای ایجاد فضای اضافه داخل یک سالن یا کارخانه ساخته می شود و ممکن است برای استقرار تجهیزات، نوار نقاله، فضای اداری یا بخشهای کاری مورد استفاده قرار گیرد. تیرهای لانه زنبوری در چنین فضاهایی می توانند برای ساخت تیرهای نگهدارنده نیم طبقه به خوبی به کار بروند، به خصوص وقتی فاصله بین تکیه گاه ها زیاد باشد. موارد کاربرد این تیم را می توان به این صورت معرفی کرد:
- سالن ها و سوله ها: برای پوشش فاصله های نسبتا زیاد بین ستون ها و ایجاد فضای بازتر داخل سالن
- پارکینگ های طبقاتی: برای ایجاد فاصله بیشتر بین ستون ها و استفاده بهتر از فضای پارک و حرکت خودرو
- تیرهای کف ساختمان: برای بعضی دهانه های بلند و ایجاد امکان عبور بخشی از تأسیسات از داخل بازشوهای تیر
- ساختمان های اداری و تجاری: در سیستم کف و سقف، زمانی که دهانه بلند و سامان دادن مسیر تأسیسات مورد نیاز باشد
- نیم طبقه های صنعتی: برای نگهداری طبقه های میانی داخل سالن هایی که به فضای اضافه برای تجهیزات یا کار نیاز دارند
- بعضی سازه های صنعتی و سقفی: به عنوان تیر سقف، تیر فرعی یا اعضای سازه ای در پروژه هایی که استفاده از دهانه های بلند مورد نیاز است
پس طول فاصله بین تکیه گاه ها، و همچنین نیاز به فضای بازتر و امکان عبور تأسیسات از داخل تیر از مسائلی هستند که می توانند سازنده را به سمت این نوع تیر ببرند. البته وجود این ویژگی ها به تنهایی به معنی مناسب بودن تیر لانه زنبوری برای پروژه نیست و انتخاب نهایی باید با محاسبات مهندسی سازه انجام شود، چون بازشوهای جان، رفتار تیر را تغییر می دهند و برای آنها محدودیت های طراحی و مهندسی خاصی وجود دارد.
مزایا و معایب تیرآهن لانه زنبوری
با توجه به مطالبی که تا اینجا گفتیم، تیرآهن لانه زنبوری، هم ویژگیهایی دارد که باعث می شود در بعضی پروژه ها انتخاب مناسبی باشد و هم محدودیتهایی که باید قبل از استفاده در نظر گرفته شوند. بعضی از این نکات را در بخشهای قبلی توضیح دادیم، اما داشتن آنها در یک فهرست، جمع بندی بهتری برای شناخت و تصمیم گیری به دست می دهد.
مزایای تیرآهن لانه زنبوری
- افزایش ارتفاع تیر بدون افزایش متناسب وزن: تیر لانه زنبوری می تواند از یک تیرآهن با وزن مشخص، مقطعی با ارتفاع بیشتر ایجاد کند. بنابراین برای رسیدن به ارتفاع بیشتر، لازم نیست به همان نسبت فولاد بیشتری در تیر به کار برده شود.
- سختی بیشتر در برابر خم شدن: افزایش ارتفاع مقطع باعث افزایش سختی تیر در برابر خم شدن می شود. به زبان ساده، وقتی بار روی تیر قرار می گیرد، تیر در شرایط یکسان کمتر امکان تغییر شکل دارد. به همین دلیل، این نوع تیر می تواند در بعضی دهانه های بلند گزینه مناسبی باشد.
- امکان پوشش فاصله های بیشتر بین تکیه گاهها: در بعضی طراحی ها، ترکیب ارتفاع بیشتر و سختی بالاتر باعث می شود تیر لانه زنبوری برای فاصله های بیشتری بین دو ستون یا تکیه گاه قابل استفاده باشد. البته اندازه دهانه قابل استفاده به بار و طراحی سازه بستگی دارد.
- امکان عبور تأسیسات از داخل تیر: بازشوهای جان می توانند فضایی برای عبور لوله ها، کابلها و کانالهای تأسیسات ایجاد کنند. در بعضی ساختمان ها این کار باعث می شود سازه و تأسیسات بتوانند در یک محدوده قرار بگیرند و مسیر تأسیسات همیشه مجبور نباشد از زیر تیر عبور کند.
معایب تیرآهن لانه زنبوری
- کاهش توان جان تیر در برابر نیروی برشی: جان تیر همان قسمت عمودی بین دو بال است و بخشی از نیروی برشی را تحمل می کند. وقتی در این قسمت بازشو ایجاد می شود، سطح جان کمتر می شود و توان آن برای تحمل نیروی برشی هم کاهش پیدا می کند. این موضوع به ویژه در بخشهایی از تیر که نیروی برشی بیشتری دارند، اهمیت پیدا می کند.
- حساسیت قسمت های بین بازشوها: بین دو بازشو، بخشی از جان تیر باقی می ماند که باید نیرو را منتقل کند. اگر این قسمت تحت فشار زیادی قرار بگیرد، ممکن است از حالت صاف خارج شود و خم یا به اصطلاح کمانش کند. به این حالت کمانش جان بین بازشوها گفته می شود.
- حساسیت بیشتر در محل بارهای متمرکز: بار متمرکز یعنی نیروی زیادی که در یک نقطه مشخص به تیر وارد می شود؛ برای مثال وقتی تیر دیگری در یک محل خاص روی آن قرار می گیرد. اگر چنین باری نزدیک یک بازشو قرار داشته باشد، جان تیر در آن قسمت حساس تر می شود و باید محل بازشو با توجه به محل وارد شدن بار تعیین شود.
- ایجاد خمش موضعی در اطراف بازشوها: در اطراف بازشو، نیروها باید از بخشهای بالایی و پایینی جان عبور کنند. در نتیجه این قسمت ها می توانند علاوه بر نیروی اصلی وارد بر تیر، تحت خمش موضعی هم قرار بگیرند. این رفتار در طراحی تیرهای لانه زنبوری با عنوان خمش ویرندیل شناخته می شود و باید در محاسبات بررسی شود.
- نیاز به دقت بیشتر در ساخت: تیر لانه زنبوری بعد از تولید تیرآهن اولیه باید برش بخورد و دوباره جوشکاری شود. بنابراین دقت برش، قرارگیری درست دو بخش و کیفیت جوش روی شکل و عملکرد نهایی تیر اثر دارند و ساخت آن نسبت به یک تیرآهن نورد شده معمولی، مراحل بیشتری دارد.
- نیاز به کنترل دقیقتر تغییر شکل تیر: وجود بازشوها باعث می شود رفتار تیر با یک تیرآهن توپر یکسان نباشد و تغییر شکل آن فقط با محاسبه ساده خمش قابل ارزیابی نباشد. به همین دلیل، مقدار خم شدن تیر در زمان طراحی باید به طور جداگانه بررسی و کنترل شود.