درباره خرپا و انواع خرپا

خرپا چیست؟

خرپا سازه‌ای فلزی با چهارچوبی مثلثی چند عضوی است که تمامی بخش‌های آن به یکدیگر پین شده‌اند. معنی پین این است که در هیچ مفصلی گشتاوری وجود ندارد؛ اعضای چهارچوب سازه به دلیل بار خارجی اعمال شده در معرض نیروهای اصلی محوری قرار می‌گیرند. بنابراین در خرپا فقط نیرو وجود دارد.

Truss

A truss is an assembly of beams or other elements that creates a rigid structure. In engineering, a truss is a structure that “consists of two-force members only, where the members are organized so that the assemblage as a whole behaves as a single object”

آن‌ها ممکن است خرپای مسطح و ساده باشند ، که در آن بار خارجی به اعضا در همان سطح اعمال شود یا خرپاهای فضایی که در آن اعضا در سه بعد از فضا جهت دهی می‌شوند و پارها نیز ممکن است از هر جهت اعمال شوند.

خرپاها معمولاً برای طول دهانه مشابه با جان تیرآهن استفاده می‌شود و از این قبیل خرپاها به‌عنوان تیرهای توخالی مشبک نیز یاد می‌شوند.

اعضای سازه فولادی که در معرض نیروهای محوری قرار دارند عموماً از اعضای انعطاف پذیر کارآمدتر هستند زیرا سطح مقطع تقریباً یکنواخت در آن‌ها تأکید شده است. خرپاها، متشکل از اعضای دارای محور اصلی هستند، بنابراین جهت مقاومت در برابر بارهای خارجی بسیار مفید هستند.

آن‌ها به‌طور گسترده، به‌خصوص برای پوشش دهانه‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آنجا که سیستم‌های خرپایی نسبت به سایر سیستم‌ها، مواد نسبتاً کمتری را مصرف می‌کنند و برای ساخت آن نیروی کار کمتری نیاز دارند، درزمینهٔ ساخت سازه‌های فضایی از این نظر بسیار مناسب هستند.

خرپاها در سقف ساختمان‌های صنعتی یک طبقه، سقف‌هایی با ارتفاع بلند و سقف‌های ساختمان‌های چند طبقه، برای مقاومت در برابر بارهای گرانشی استفاده می‌شوند خرپاها همچنین در ساختمان‌ها و دیوارهای چند طبقه و تیرهای بلند افقی ساختمان‌های صنعتی برای مقاومت در برابر بارهای جانبی و ایجاد ثبات جانبی استفاده می‌شود .

خرپاها در پل‌هایی با طول بلند برای حمل بارهای سنگین و بارهای جانبی نیز استفاده می‌شوند .

خرپاها معمولاً در انتقال بار سنگین از دهانه بزرگ‌تر عمل شاه تیر را انجام می‌دهند و به آن‌ها نیز تیر مشبک گفته می‌شود. چنین کمربندهای مشبک معمولاً طویل‌تر و سبک‌تر از کمربندهای معمولی هستند و از این رو اقتصادی هستند، به‌خصوص هنگامی که از مزایای تولید تکراری آن‌ها استفاده می‌شود. این‌ها به‌عنوان سیستم پشتیبانی کف در ساختمان‌های چند طبقه مورد استفاده قرار می‌گیرند که در طی آن عمق کلیه دهانه‌های مشبک درون خرپا بدون افزایش عمق سقف به‌راحتی صورت بگیرند.

خرپای های فولادی همچنین می‌توانند با عملکرد کامپوزیت بین سازه فولادی و بتن به‌طور کارآمد در کنار صفحات بتونی در ساختمان‌ها و پل‌ها مورد استفاده قرار گیرند. در این فصل، در ابتدا، جزئیات خرپاهای سازه‌های فلزی بحث شده است. پس از آن، رفتار و طراحی خرپای کامپوزیت فولادی – بتنی مورد بحث قرار گرفته است.

 

۲ –انواع نیروهای اعمال شده به خرپا

بارهای وارد شده به خرپا به برنامه کاربردی برای استفاده از خرپا بستگی دارد.

پارها ممکن است مانند موارد مربوط به ساختمان‌ها، ساکن یا متغیر باشند.

این نیروها ها به‌طور خلاصه در زیر مرور می‌شود:

۲٫۱ ساختمان‌های صنعتی

بار اعمال شده به خرپا سقف در ساختمان‌های صنعتی به دو دسته زیر قرار می‌گیرد:

۲٫۱٫۱ بار مرده

بار مرده روی خرپاهای سقف در ساختمان‌های صنعتی یک طبقه شامل بار مرده روکش‌ها و بار مرده تیرک‌ها، وزن خود خرپا علاوه بر وزن بست‌ها و غیره است.، مجاری مخصوص تهویه مطبوع و وزن هواکش و غیره می‌تواند به بارهای مرده خرپا سقف اضافه شود. با افزایش طول دهانه مشخص (طول دهانه بدون ستون)، نیروی گشتاوری که در برابر قاب معلق مقاومت می‌کند به شدت افزایش می‌یابد. در چنین مواردی خرپاهای سقف اقتصادی‌تر هستند.

۲٫۱٫۲ بار زنده

بار زنده در خرپاهای سقف شامل وزن گرانشی به دلیل نصب و سرویس دهی و عبور و مرور کاربران و تجهیزات متحرک همچنین گرد و غبار و تجهیزات، اسباب و اثاثیه و غیره است و شدت آن طبق استاندارد IS: 875-1987 گرفته شده است (تأیید مجدد ۱۹۹۲). بارهای ویژه اضافی مانند بار برف در آب و هوای بسیار سرد، بارهای زنده جرثقیل در خرپاها که از مونوریل پشتیبانی می‌کنند نیز در موارد خاص باید در نظر گرفته شود.

۲٫۱٫۳ نیروی باد

نیروی باد در خرپاهای سقف، به دلیل اثر وزش باد در پشت بام، معمولاً نیروی صعودی بلند کننده عمود بر سقف خواهد بود، مگر اینکه شیب سقف خیلی زیاد باشد. از این رو نیروی باد در خرپایی سقف معمولاً خلاف بار گرانش عمل می‌کند و بزرگی آن می‌تواند بزرگ‌تر از بارهای جاذبه باشد و باعث بازگشت نیرو در اعضای خرپا می‌شود.

پشت بندهای افقی و عمودی بکار رفته در ساختمان‌های یک و چند طبقه نیز خرپا هستند ، که در درجه اول برای مقاومت در برابر باد و سایر بارهای جانبی استفاده می‌شود. این پشت بندها- بریس ها- به دلیل افزایش نیروی ثقلی در ساختمان‌های صنعتی، از خمش تغییر بین چهار چوب‌های مختلف می‌کاهد. آن‌ها همچنین از ستون‌های موجود در ساختمان‌های کوچک و یا سازه‌های بلند پشتیبانی می‌کنند و به این ترتیب استحکام خمشی را افزایش می‌دهند.

۲٫۱٫۴ بار ناشی از زلزله

از آنجا که بار زلزله در یک ساختمان به وزن ساختمان بستگی دارد، معمولاً بارهای زلزله در طراحی ساختمان‌های فولادی سبک صنعتی مد نظر نیست. نیروی ناشی از باد معمولاً حاکم است. ولیکن، در مورد ساختمان‌های صنعتی که دارای وزن زیادی در پشت بام هستند، ممکن است بار زلزله بر طراحی حاکم باشد. این پارها مطابق ب استاندارد IS محاسبه شده است: ۱۸۹۳-۱۹۸۵٫

۲٫۲ ساختمان‌های چند طبقه

بار جانبی در اثر باد یا زلزله ممکن است در برابر مهاربندهای عمودی که به‌عنوان خرپا عمل می‌کنند، مقاومت کند. این پست‌های بریس ها، با طراحی مناسب، این ساختمان‌ها را در برابر بارهای جانبی بسیار مقاوم می‌کند. از این رو در ساختمان‌های با دامنه متوسط، اقتصادی هستند. در صورت بارگیری در برابر زلزله، ساختمان‌های مقاوم ممکن است نیروی اینرسی بیشتری را به خود جذب کنند و از این رو استفاده از پشت بندها بریس ها ممکن است مطلوب نباشد.

۲٫۳ پل‌های خرپا

خرپاها در پل‌ها برای انتقال فشار گرانشی وسایل نقلیه در حال حرکت به اسکله‌های پشتیبانی استفاده می‌شوند. بسته به شرایط محیط و طول دهانه پل، خرپا ممکن است از نوع میانی یا نوع عرشه باشد. در نوع میانی مسیر عبور پایین خرپاها لحاظ می‌شود. در پل نوع عرشه، راه حمل در بالای خرپاها پشتیبانی می‌شود. معمولاً فریم ساختاری که از مسیر عبور پشتیبانی می‌کند به‌گونه‌ای طراحی شده است که بار اعمال شده از راه حمل به نقاط گره شده از خرپای پل عمودی منتقل شوند.

به‌طور کلی در اعضای خرپا فرض بر این است که فقط نیروهای محوری – نه گشتاور و نیروی برشی- وارده بر هر یک از اعضاء به عضو مجاور منتقل می‌شوند (آن‌ها به‌عنوان اتصالات پرچ شده تلقی می‌شوند). فرض بر این است که پارها فقط در گره خرپاها عمل می‌کنند.

خرپاها ممکن است برای یک دهانه ارائه شوند که در آن دو نقطه اتکا پایانی وجود دارد، که در این حالت معمولاً از نظر آماری مشخص می‌شوند. چنین خرپایی‌ها می‌توانند به روش دستی و یا با استفاده از روش مقاطع مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرند. برنامه‌های رایانه‌ای نیز برای تجزیه و تحلیل خرپاها در دسترس هستند. این برنامه‌ها در مورد خرپای های نامعین چند دهانه‌ای، و همچنین در مورد خرپایی که در آن باید مقاومت مفصل در نظر گرفته شود، مفیدتر هستند.

از تجزیه و تحلیل مبتنی بر این فرض که اتصالات پرچ شده، فقط نیروهای محوری را در اعضای مختلف خرپا تحمل می‌کنند، این عملکرد خرپا به اثبات رسیده است. با این حال، در طراحی واقعی، اعضای خرپاها با بیش از یک پیچ و یا با جوش، مستقیم یا از طریق اتصال انتهایی خرپا به یکدیگر وصل می‌شوند.علاوه بر این، برخی از اعضا، به‌ویژه اعضای وتر خرپا، ممکن است در بسیاری از گره‌ها مداوم باشند.

به‌طور کلی چنین اتصالات نه تنها سازگاری به انتقال نیرو بلکه سازگاری به چرخش اعضای متصل به هم در این مفصل را نیز به همراه دارند. در نتیجه، اعضای خرپا علاوه بر نیروی محوری، لحظه خم شدن را نیز تجربه می‌کنند. این حالت ممکن است ناچیز باشد، مخصوصاً در نقاط استوانه‌ای از خرپاهای سقف زیر شیروانی، جایی که پهنای آن کوچک است و در خرپاهایی که اعضای آن دارای نسبت ضخامت کمتری هستند (یعنی اعضای کوتاه).

علاوه بر این، ممکن است پارهایی بین گره خرپاها اعمال شود و باعث خم شدن اعضا شود. به چنین فشارهایی استرس‌های ثانویه گفته می‌شود. تنش‌های خمشی ثانویه نیز می‌تواند ناشی از اتصال غیرعادی اعضای در اتصالات باشد. تجزیه و تحلیل خرپا برای گشتاور ثانویه و از طرف دیگر برای فشار های ثانویه می‌تواند با یک تحلیل ساختاری نامشخص انجام شود و این فرآیند معمولاً با استفاده از نرم افزار رایانه‌ای انجام می‌شود.

بزرگی استرس‌های ثانویه به دلیل مقاومت مفصل بستگی به‌سختی مفصل و سختی اعضای خرپا در محل اتصال دارد. به‌طور معمول، فشار های ثانویه در خرپاهای سقف ممکن است نادیده گرفته شود، در صورتی که نسبت باریک بودن اعضای وتر از ۵۰ و اعضای جان خرپا از ۱۰۰ بیشتر باشد.

استرس‌های ثانویه را نمی‌توان مورد غفلت قرار داد به‌خصوص هنگامی که به دلیل اعمال بار بر روی اعضای در بین گره‌ها و هنگامی که اعضا به‌طور غیرعادی متصل می‌شوند حداکثر نیرو به آن‌ها اعمال می‌شود.

علاوه بر این، استرس‌های ثانویه به دلیل مقاومت اتصالات نمی‌تواند در مورد خرپاهای پل به دلیل مقاومت بیشتر اعضا و تأثیر تنش‌های ثانویه بر استحکام در مقابل خستگی اعضا مورد غفلت واقع شود. در خرپاهای پل، غالباً در ساخت اتصالات ناسازگاری ایجاد می‌شود تا در حین ساختن برعکس تنش‌های ثانویه پیش کشیدگی ایجاد شود و بنابراین به بهبود عملکرد خستگی اعضای خرپا در اتصالات آن‌ها کمک می‌کند.

۳٫۱ خرپای شیروانی

متداول‌ترین انواع خرپاهای سقف، خرپای بام است که در آن وتر بالا با شیب به‌منظور تسهیل زهکشی طبیعی آب باران و تمیز کردن گرد و غبار / و جلوگیری از تجمع برف فراهم شده است. این خرپاها ارتفاع بیشتری در واسط دهانه خود دارند.

با توجه به این حتی اگر اثر نیروی خمشی کلی در اواسط دهانه بزرگ‌تر باشد، استرس عضو وتر و عضو جان میانی خرپا نسبت به وسط دهانه کوچک‌تر و به تکیه گاه‌ها بزرگ‌تر هستند. نسبت رایج حداکثر عمق خرپاهای سقف در محدوده ۴ تا ۸ است، نسبت بزرگ‌تر در طول‌های طولانی‌تر اقتصادی است. خرپاهای سقفی ممکن است تنظیمات متفاوتی داشته باشد.

 

در خرپاهای پرات  اعضای جان خرپا به‌گونه‌ای ترتیب داده شده‌اند که تحت بار گرانش، اعضای مورب طولانی‌تر تحت فشار قرار بگیرند و اعضای عمودی کوتاه‌تر فشار را تجربه می‌کنند. این امر امکان طراحی کارآمد را فراهم می‌آورد، زیرا اعضای کوتاه تحت فشار قرار دارند.

با این حال، افزایش باد ممکن است باعث برگشت معکوس استرس در این اعضا شود و این فایده را خنثی کند. برعکس خرپای پرات، خرپای Howe است. این معمولاً در بام‌های سبک استفاده می‌شود به‌طوری که گوشه‌های بلندتر تحت برگشت فشار های ناشی از نیروی باد، تنش را تجربه می‌کنند.

خرپای FINK برای طول بیشتر که دارای سقف با شیب زیاد هستند استفاده می‌شود، زیرا اعضای وب در چنین خرپایی برای به دست آوردن اعضای کوتاه‌تر، تقسیم می‌شوند.

شکل ۲ – انواع خرپای شیروانی

خرپاهای FAN هنگامی مورد استفاده قرار می‌گیرد که اعضای خرپای سقف باید به تعداد پانل‌های فرد تقسیم شوند. ترکیبی از fan & fink در برخی از موقعیت‌های خاص که به تعداد خاصی از پانل احتیاج دارند، می‌تواند به دلیل برخی از مزایای استفاده شود.

خرپا –mansard–شیروانی نوع متنوع خرپاهای fink است که برخلاف خرپاهای fink- fan، در نوع خرپاهای طویل دارای گوشه‌های ابتدایی کوتاه‌تر است.

طول دهانه خرپاهای پشت بام به‌استثنای خرپای mansard–شیروانی از ۶ متر تا ۱۲ متر تغییر است. خرپاهای mansard در محدوده دهانه ۱۲ تا ۳۰ متر قابل استفاده است.

۳٫۲ خرپا وتر موازی

خرپاهای وتر موازی برای پشتیبانی از خرپای سقف North Light در ساختمان‌های صنعتی و همچنین در پل‌های دهانه متوسط استفاده می‌شود. خرپاهای وتر موازی نیز به‌عنوان تیرهای پیش ساخته، تیرها و شاه تیر در ساختمان‌های چند طبقه استفاده می‌شوند. پیکربندی warren اغلب در مورد خرپا وتر موازی استفاده می‌شود. مزیت خرپاهای وتر موازی این است که از آن‌ها در شبکه‌های با طول یکسان استفاده می‌کنند و بنابراین هزینه‌های ساخت را برای دهانه‌های بسیار طولانی کاهش می‌یابد.

نوع warren اصلاح شده با پشت بندهای عمودی اضافی است، که به‌منظور کاهش طول پشتیبانی نشده از اعضای وتر فشرده سازی به کار گرفته شده است. سیستم‌های دندانه‌ای در سقف north light از تیرک‌های با زاویه قائم نسبت به هم به‌طور موازی استفاده می‌کنند تا پشتیبانی از خرپاهای north light و انتقال بار به ستون‌های انتهایی صورت گیرد.

نسبت دهانه مناسب به ارتفاع خرپای وترهای موازی در محدوده ۱۲ تا ۲۴ است. طول کل به تعداد پنل ها تقسیم می‌شود به‌طوری که طول مناسب پنل های جداگانه برای تیرهای فرعی (۶ متر تا ۹ متر) است. میزان انتقال بار به گره خرپاها و تمایل اعضای جان خرپا حدود ۴۵ درجه است. در مورد خرپای بسیار بلند و بسیار کم ارتفاع ممکن است استفاده از الگوهای K و طرح الماسی برای اعضای جان خرپا برای دستیابی به تمایل مناسب اعضای وب ضروری باشد.

۳٫۳ خرپای ذوزنقه‌ای

در صورت داشتن پشت بام بسیار طولانی، خرپاهایی که دارای پیکربندی ذوزنقه‌ای هستند، با ارتفاع بیشتر در انتهای آن‌ها، استفاده می‌شوند این پیکربندی باعث کاهش نیروهای محوری در اعضای وتر در مجاورت تکیه گاه‌ها می‌شود. اثرات خم ثانویه در این اعضا نیز کاهش می‌یابد.

اشکال ذوزنقه‌ای و داشتن وتر پایین شیب دار می‌تواند در خرپای دهانه بسیار طولانی (دهانه> 30 متر) اقتصادی باشد، زیرا آن‌ها تمایل به کاهش طول عضو جان خرپا دارند و اعضای وتر تمایل به داشتن نیروهای تقریباً ثابت در طول دهانه دارند. مشخص شده است که شیب وتر پایین تقریباً نیمی از آن است البته تا حدی که شیب تیر عرضی تمایل دارد به طراحی مطلوب نزدیک شود.

۴٫۰ –

اعضای خرپا

اعضای خرپا از قطعات فلزی نورد شده یا قطعات ساخته شده بسته به طول دهانه خرپا هستند که با توجه به‌شدت بارگیری و غیره ساخته می‌شوند به‌خصوص ساختمان‌های صنعتی. در خرپاهای سقف بلند و پل‌های دهانه کوتاه از بخش‌های فولادی نورد سنگین‌تر، مانند ناودانی‌ها یا از مقاطع I استفاده می‌شود اعضا ساخته شده با استفاده از مقاطع I، ناودانی‌ها، نبشی‌ها و صفحه‌ها در مورد خرپاهای طولی استفاده می‌شوند

دسترسی به سطح، برای بازرسی، تمیز کردن و دوباره رنگ کردن مجدد در حین سرویس، ملاحظات مهمی در انتخاب پیکربندی عضو ساخته شده هستند. سطوحی که در معرض محیط قرار دارند اما برای نگهداری در دسترس نیستند در برابر خوردگی شدید در طول زندگی آسیب پذیر هستند و در نتیجه از دوام سازه کاسته می‌شود. در محیط‌های بسیار خورنده مقاطع قوطی جوش داده شده کاملاً بسته و از بخش‌های توخالی دایره‌ای برای کاهش هزینه نگهداری و بهبود دوام سازه استفاده می‌شود.

۵٫۰ اتصالات

اعضای خرپا را می‌توان با پرچ کردن، پیچ و مهره یا جوش به هم متصل کرد. به دلیل رویه اجرای کار و نیاز به نیروی کار ماهر، پرچ این روزها مرسوم نیست، مگر در بعضی از پل‌های راه آهن در کشور هند. در پل‌های راه‌آهن ممکن است به دلیل ملاحظات خستگی از پرچ استفاده شود. حتی در چنین پل‌هایی، به دلیل تحولات جدید، پیچ و جوش با مقاومت بالا با کمک فرایند اصطکاکی (HSFG) متداول‌تر شده است.

خرپاهای کوتاه‌تر معمولاً در محل اجرا ساخته می‌شوند و می‌توانند به‌طور کامل جوش داده شده و سپس به سایت منتقل شوند. خرپاها با طول بیشتر می‌توانند در بخش‌ها با جوشکاری در کارگاه ساخته شوند. این بخش‌ها را می‌توان با پیچ یا جوش در محل مونتاژ کرد. این منجر به کیفیت بسیار بهتر ساختار ساخته شده می‌شود. با این حال، هزینه بالاتر تولید در کارگاه بر خلاف هزینه کمتر نیروی کار میدانی اغلب مورد توجه است.

۶٫۰

خرپای کامپوزیت

خرپاها سیستم‌های سازه‌ای کارآمدی هستند، زیرا اعضا اساساً نیروهای محوری را تحمل می‌کنند و از این رو مواد فولادی کاملاً مورد استفاده قرار می‌گیرند. فولاد به‌عنوان یک متریال مورد استفاده در سازه در برابر تنش و فشرده سازی مقاوم است و از این رو خرپای های فلزی کارایی بیشتری دارند.

آن‌ها تمایل دارند که وزن زیادی را در طول بیشتر تحمل کنند. با این حال، اعضای وتر در برابر فشار قبل از رسیدن تنش به نقطه دوام متریال ممکن است دچار خمیدگی شوند. در این زمینه، اسلب بتونی که به‌صورت کامپوزیت با وتر فشاری خرپا عمل می‌کند، برای این منظور مفید هست (شکل ۷).

در ساختمان‌های چند طبقه، سیستم‌های خرپایی کامپوزیتی نیز با قرار دادن تأسیسات (گرمایش، تهویه، روشنایی و مجاری ارتباطی) در ارتفاع به وجود آمده از کاربری خرپا در سقف، از ارتفاع کلی ساختمان نیز می‌کاهد، بنابراین اجرای سیستم‌های ساختاری، مکانیکی و برقی در داخل این فضا فاصله بین طبقه را به حداقل می‌رساند. با توجه به کار آیی و ساختار، صرفاً طبیعی است که خرپاهای بتونی فولادی کامپوزیتی یک انتخاب محبوب برای ساخت و سازهای بلند مرتبه می‌باشند.

انواع خرپاهای سقفی با مصالح سبک نبشی و سپری و پروفیل را در زیر مشاهده می‌کنید

برگرفته از سایت اصفهان آهن