انواع پروفیل ساختمانی و تیرآهن

پروفیل های ساختمانی:

انواع پروفیل های ساختمانی

الف) پروفیل های نورد گرم: از نورد گرم شمش فولادی ساخته می شود.

ب) پروفیل نورد سرد: از شکل دادن ورق های فولادی از طریق خم کردن و پرس ایجاد می شود.

ج) پروفیل های مرکب: از اتصال چند پروفیل گرم و سرد ایجاد می شود.

نکته1) از پروفیل های نورد سرد فقط در کارهای سبکساختمانی استفاده می شود.مانند: لاپه ها،ناودانی،تیرهای تکیه گاهی سقف کاذب و چارچوب درهای ساختمان.

  پروفیل های ساختمانی:

 انواع پروفیل های ساختمانی

 الف) پروفیل های نورد گرم: از نورد گرم شمش فولادی ساخته می شود.

ب) پروفیل نورد سرد: از شکل دادن ورق های فولادی از طریق خم کردن و پرس ایجاد می شود.

ج) پروفیل های مرکب: از اتصال چند پروفیل گرم و سرد ایجاد می شود.

 نکته1) از پروفیل های نورد سرد فقط در کارهای سبکساختمانی استفاده می شود.مانند: لاپه ها،ناودانی،تیرهای تکیه گاهی سقف کاذب و چارچوب درهای ساختمان.

 الف) پروفیل های گرم:

      لوله      قوطی   (I شکل معمولی)    (I شکل بال پهن )        ناودانی     سپری   تسمه ورق    میلگرد

  ب) پروفیل های سرد :

     ناودانی        Z شکل          نبشی            کلاهی (hat)      چارچوب در

 نکته2 :  مشخصات هندسی پروفیل های ساختمانی استاندارد، در جدولی به نام اشتال مندرج است.

نکته3 :  پروفیل  (IPE) شکل برای اعضا خمشی، مانند تیرهای ساختمانی  (IPB) شکل بال پهن برای اعضا فشاری مانند ستون ها، میلگرد برای اعضا مهاری کششی و نیمرخ سپری و ناودانی برای مهاربندی ها و بادبندی ها مناسب هستند.

 ج) پروفیل های مرکب:

 2IPE دوبل شده         نبشی دوبل                 ناودانی دوبل             I تقویت شده

    با ورق های متصل به بالها                      

  نکته4 :

 1) پروفیل های UNP (ناودانی)،IPE و IPB با ارتفاع کل مقطع معرفی می شود. مثلا:

   در مقطع IPE عرض بال نصف ارتفاع کل مقطع است.   

  درمقطع IPB عرض بال برابر با ارتفاع کل مقطع است.

 2) پروفیل نبشی با طول دو ساق و ضخامت آن معرفی می شود. (شکل5)

3) ورق ها و تسمه ها با عرض و ضخامت معرفی می شود. (شکل 6)

(توجه: عرض تسمه ها از cm20 کمتر است.)

4) مرکز سطح پروفیل های نبشی و ناودانی بیرون از پروفیل واقع هستند.(مجازی هستند) (شکل 7)

- مرکز سطح پروفیل های استاندارد محل برخورد محور های x-x و y-y  مندرج در جدول اشتال است

 - مرکز سطح اشکال دارای محور تقارن و مرکز تقارن بر روی محور تقارن یا مرکز تقارن (هر کدام که موجود باشد) واقع است.

- مرکز سطح اشکال مرکب هندسی از روابط زیر محاسبه می شود. (شکل 8)

 مزایای پروفیل های کامپوزیتی FRP در صنعت ساختمان:

بزرگترین سهم بازار مصرف مواد مرکب (کامپوزیت) در اختیار صنعت ساختمان است. در این میان پروفیلهای کامپوزیتی به میزان وسیعی در ساختمان سازی بویژه احداث بناهای ساحلی و یا سازه‌های مستقر شده در شرایط اقلیمی خورنده کاربرد یافته اند.

دلیل عمده استفاده از پروفیل های FRP در داخل بتن، جلوگیری از پدیده خوردگی و افزایش عمر سازه در برابر ارتعاش می باشد. هرچند که استفاده از پروفیل های FRP به جای نمونه های فلزی سبب کاهش وزن بنا نیز خواهد شد، اما در استفاده از این پروفیلها، مساله کاهش وزن اهمیت ناچیزی دارد. دلیل بالا بودن عمر کامپوزیت ها، خواص غیر کشسان آنهاست. بنابراین مواد کامپوزیتی در برابر ارتعاشات زلزله عملکرد بهتری خواهند داشت و بهترین گزینه جهت مقاومت سازه در برابر لرزه خواهند بود.

بکارگیری پروفیل های FRP به جای فلزی، بطور قابل ملاحظه ای از زیانهای ناشی از بروز خوردگی جلوگیری می کند. ظهور تخریب ناشی از پدیده خوردگی در بتن مسلح شده با پروفیل فلزی بدین گونه است که نخست میله های فلزی داخل بتن دچار زنگ زدگی شده و اکسید می شوند. سپس این اکسیدها به سمت سطح بیرونی بتن شروع به مهاجرت کرده و با انتشار در داخل بتن باعث از بین رفتن آن می شوند. بدین ترتیب با خورده شدن دو جزء فلزی و بتن سازه، زمینه تخریب کامل سازه بتنی فراهم می گردد. روشهای سنتی گذشته مانند چسباندن صفحات فلزی بر روی سازه یا اضافه کردن ضخامت بتن جهت مقابله با پدیده خوردگی ضمن آنکه مشکل خوردگی فلز را مرتفع نخواهد نمود، سبب افزایش وزن سازه و آسیب پذیرتر شدن آن در برابر زلزله نیز خواهد شد. جهت جلوگیری از این امر می توان با تقویت سطح خارجی سازه بتنی توسط مواد مرکب و استفاده از پروفیل های FRP در داخل بتن، هم مشکل خوردگی فلز داخل سازه را حل نمود و هم جلوی مختل شدن کارایی سازه در صورت خورده شدن بتن را گرفت که این بهترین روش مقابله با پدیده خوردگی در یک سازه بتنی می باشد.

کشور ما نیاز بسیار گسترده ای به استفاده از کامپوزیت ها در قالب پروفیلهای کامپوزیتی دارد. هم اکنون بسیاری از سازه های بنا شده در محیط های خورنده مناطق مختلف کشور همچون پل های دریاچه ارومیه و یا ساختمان های جنوب کشور دچار معضل خوردگی هستند که استفاده از کامپوزیت ها می تواند پاسخگوی مشکل این قبیل سازه ها باشد.

 نیمرخ های مرکب:

دلایل استفاده از مقاطع مرکب به شرح زیر میباشد .

1-   کافی بنودن مقاطع استاندارد برای نیروهای موجود

 2-   تنظیم ممان اینرسی و شعاع ژیراسیون با استفاده از مقاطع مرکب

 3-   همسان سازی مقاطع داده شده با استفاده از مقاطع مرکب و استفاده از ورق های تقویتی

4-   کاهش پرت اهن آلات با هماهنگ سازی مقا طع

 5-   تدارکات مناسبتر وراحتر در هماهنگ سازی مقاطع

 طرز ساخت نیمرخ های مرکب:

 شکل ستون ها

 شکل سطح مقطع ستون ها معمولا به مقدار و وضعیت بار وارد شده بستگی دارد.برای ساختن ستون های فلزی از انواع پروفیل ها و ورق ها استفاده می شود.عموما ستون ها از لحاظ شکل ظاهری به دو گروه تقسیم می شوند.

الف) نیمرخ (پروفیل) نورد شده شامل انواع تیرآهن ها و قوطی ها:

 بهترین پروفیل نورد شده برای ستون،تیرآهن بال پهن یا قوطیهای مربع شکل است، زیرا از نظر مقاومت بهتر از مقاطع دیگر عمل می کند .ضمن اینکه در بیشتر مواقع عمل اتصالات تیرها به راحتی روی آنها انجام می گیرد.

 ب) مقاطع مرکب:

 هرگاه سطح مقطع و مشخصات یک نیمرخ (پروفیل) به تنهایی برای ایستایی (تحمل بار وارد شده و لنگر احتمالی) یک ستون کافی نیاشد،از اتصال چند پروفیل به یکدیگر ستون مناسب آن  (مقطع مرکب) ساخته می شود.

 علل استفاده از نیمرخ های مرکب در ستون ها:

  در صورتی که سطح مقطع نیمرخ های نورد شده تکافوی (کفایت کردن) سطح لازم را برای ستون نکند، با ساختن مقطع مرکب سطح لازم ساخته می شود.

  نیاز اجباری به مقاطع با شکل های هندسی خاص از نظر اتصالات دیگر به ستون.

 چگونگی ساخت ستون (مقاطع مرکب) :

 ستون ها ممکن است بر حسب نیاز با ترکیب و اتصالات متنوع از انواع پروفیل های مختلف ساخته شوند،اما رایج ترین اتصالات برای ساخت ستون ها سه نوع است:

الف) اتصال دو پروفیل به یکدیگر به طریقه دوبله کردن.

ب) اتصال دو پروفیل با یک ورق سراسری روی بال ها.

ج)اتصال در پروفیل با بست های فلزی (تسمه)

الف) شیوه ساخت ستون نوع ( الف ) :  

ابتدا دو تیرآهن را در کنار یکدیگر و بر روی سطح صاف به هم چسبیده گردد، سپس دو سر و وسط ستون را جوش داده و ستون برگردانده می شود و مانند قبل جوشکاری صورت می گیرد، آن گاه ستون معکوس و در قسمت وسط جوشکاری می شود.همین کار را در سوی دیگر ستون انجام می دهند و به ترتیب جوشکاری ادامه می یابد تا جوش مورد نظر ستون تامین گردد. این شیوه جوشکاری برای جلوگیری از پیچش ستون در اثر حرارت زیاد جوشکاری ممتد می باشد. در صورتی که در سرتاسر ستون به جوش نیازی نباشد، دست کم طول جوش ها باید به این ترتیب اجرا گردد:

1) حداکثر فاصله بین طول های جوش در طول ستون به صورت غیر ممتد از 60 سانتی متر تجاوز نکند.

 2 ) طول جوش ابتدایی و انتهایی ستون باید برابر بزرگترین عرض مقطع باشد و به طور یکسره انجام گیرد.

 3 ) طول موثر هر قطعه از جوش نباید از 4 برابر بعد جوش یا 40 میلیمتر کمتر باشد.

4 ) تماس میان بدنه دو پروفیل نباید از از یک شکاف 1.5 میلیمتری تجاوز کند،اما اگر بیشتر شد، در صورتی که از 6 میلیمتر کمتر بود باید با مصالح پرکننده شامل تیغه های فولادی با ضخامت ثابت پر شود.

 ب) روش ساخت ستون نوع ( ب ) :

 در مقاطع مرکبی که ورق اتصال بر روی دو نیمرخ متصل می شود تا مقطع مرکب تشکیل بدهد،فاصله جوش های مقطع(غیر ممتد) که ورق را به نیمرخها متصل می کند،نباید از 30 سانتیمتر بیشتر شود. اندازه حداکثر فاصله فوق الذکر در مورد فولاد معمولی به صورت t22 در آید. ( برای اطلاعات بیشتر به آئین نامه مبحث 10 مراجعه شود )

 ضخامت ورق T=

ج) ساختن ستون به روش قید (بست اتصال) نوع( ج ) :

متداولترین نوع ستون در ایران ستون های مرکبی است که دو تیرآهن به فاصله معین از یکدیگر قرار می گیرد و قیدهای افقی یا چپ و راست این دو نیمرخ را به هم متصل می کند، البته بستهای چپ و راست که شکل های مثلثی را به وجود می آورند، دارای مقاومت بهتری نسبت به قیدهای موازی  می باشند . در مورد این گونه از ستون ها، بویژه ستون با قید موازی مسائل زیر بایستی رعایت گردد :

الف) ابعاد بست (وصله) افقی ستون کمتر از این مقادیر نباشد:

 L : طول وصله حداقل به فاصله مرکز تا مرکز دو نیمرخ باشند.

 b : عرض وصله از 50 درصد طول آن کمتر نباشد.

 t : ضخامت وصله از 40/1 طول آن کمتر نباشد.

 ب) در اطراف کلیه وصله ها و در سطح تماس با بال نیمرخها عمل جوشکاری انجام گیرد.(مجموع طول خط جوش در هر طرف صفحه نباید از طول صفحه کمتر شود.)

ج) فاصله قید ها و ابعاد آن براساس محاسبات فنی تعیین می شود.

 د) در قسمت انتهایی ستون، باید حتما از ورق با طول حداقل برابربا فاصله بین مراکز سطح نیمرخ های تشکیل دهنده عضو فشاری و جوش دورادور وبا بعد مساوی t 7/0 و یا بعد جوش حداقل هر کدام که بزرگتر ند و ضخامت b 40/1  استفاده کرد تا علاوه بر تقویت پایه، محل مناسبی برای اتصال با بندهای فلزی به ستون به وجود آید.

ه)در محل اتصال تیر یا پل به ستون لازم است قبلا ورق تقویتی به ابعاد کافی روی بال های ستون با  جوش دورادور  استفاده شود .

و ) حداکثر فاصله قیدهای افقی باید به اندازه ای باشد که ضریب لاغری تک نیمرخ عضو فشاری ( L1/r1 ) در قسمتی که بین دو بست ( قید ) قرار دارد از 40 و همچنین از 4/3 ضریب لاغری y  Y بیشترنشود.  

ز ) تعداد بست ها به گونه ای باشد که فاصله بین ورق های انتهایی به سه قسمت تقسیم شود .

ح) در مورد بستهای مورب لاغری تک نیمرخ به صورتی باشد که از 4/3 لاغری تعیین کننده عضو فشاری بیشتر نگردد .  

 ط ) نسبت L / r برای بستهای مورب تکی از 140 و برای بست های زوج ضربدری از 200 تجاوز نکند .

 ** تعریف تیرهای لانه زنبوری 

دلیل نامگذاری تیرهای لانه زنبوری ، شکل گیری این تیرها پس از عملیات ( بریدن و دوباره جوش دادن ) و تکمیل پروفیل است . اینگونه تیرها در طول خود دارای حفره های توخالی (در جان) هستند که به لانه زنبور شبثه است ؛ به همین سبب به اینگونه تیرها لانه زنبوری می گویند.

** هدف از ساخت تیرهای لانه زنبوری 

 هدف این است که تیر بتواند ممان خمشی بیشتری را با خیز (تغییر شکل ) نسبتا کم ، همچنین وزن کمتر در مقایسه با تیر نورد شده مشابه تحمل کند ؛ برای مثال ، با مراجعه به جدول تیرآهن ارتفاع پروفیل IPE-18  را که  18  سانتیمتر ارتفاع دارد ، می توان تا  27  سانتیمتر افزایش داد.

 ** محاسن و معایب تیر لانه زنبوری

 باتوجه به مثال گفته شده در بالا با تبدیل تیرآهن معمولی به تیرآهن لانه زنبوری ، اولا : مدول مقطع و ممان انرسی مقطع تیر افزایش می یابد . ثانیا : مقاومت خمشی تیر نیز افزوده می گردد . در نتیجه ف تیری حاصل می شود با ارتفاع بیشتر ، قویتر و هم وزن تیر اصلی . ثالثا : با کم شدن وزن مصالح و سبک بودن تیر ، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر خواهد بود. رابعا : از فضاهای ایجاد شده (حفره ها) در جان تیر می توان لوله های تاسیساتی و برق را عبور داد. در ساختن تیر لانه زنبوری مه منجر به افزایش ارتفاع تیر می شود ، باید استاندار کاملا رعایت گردد ؛ در غیر اینصورت ، خطر خراب شدن تیر زیر بار وارد شده حتمی است.

از جمله معایب تیر لانه زنبوری ، وجود حفرهای آن است که می تواند تنشهای برشی را در محل تکیه گاهها پل به شتون یا اتصال تیراهن 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 . برای ساختن تیر لانه زنبوری دو شیوه موجود است  :

 الف ) شیوه برش پانیر

  ب) شیوه برش لتیسکا

 ** روشهای مختلف برش تیر آهن

 1-  برش به روش کوپال : با استفاده از دستگاه قطع کن سنگین که به گیوتین مخصوص مجهز است  ، تیرآهن به شکل سرد در امتداد خط منکسر قطع می شود.

 2-  برش به روش برنول : برش در این حالت به صورت گرم انجام می گیرد ؛ به این صورت که کارگر ماهر برش را با شعله بنفش رنگ قوی حاصل از گاز استیلن و اکسیژن ، به وسیله لوله برنول ، انجام می دهد.

بریدن تیرهای سبک به وسیله ماشینهای برش اکسیژن شابلن دار نسبتا ساده است . در ایران تیرهای لانه زنبوری را بیشتر با دست تهیه می کنند.

**روشهای ساختن تیر لانه زنبوری و تقویت آن 

روش تهیه تیرهای لانه زنبوری از این قرار است که ابتدا در روی جان تیرآهن نورد شده با استفاده از اگو که بصورت 6 شش ضلعی از ورق آهن سفید یم میلیمتری (شابلن) با توجه به استاندارد ساخته شده خط می گردد ؛ سپس تیرآهن را روی یک شاسی افقی با زدن تک خال جوش در نقاط مختلف برای جلوگیری از تاب برداشتن قرار می دهند . آن گاه 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 به اندازه یک دندانه جابجا کنیم و دندانه های دو قسمت با و پایین را به دقت مقابل هم قرار دهیم و از دو طرف کارگر ماهر آنرا جوشکاری کند 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 . همان طور که در مطالب قبلی نیز گفتم ، تیر ساخته شده در محل تکیه گاهها با توجه به حفره های خالی آن در مقابل تنشهای برشی ضعیف می شود . برای جبران این نقیصه ، با توجه به منحنی نیروی برشی نیز به پر کردن حفره ها با ورقهای 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 یادآور می شوم که یک نوع دیگر از پروفیلهای لانه زنبوری را پس از بریدن قطعات بالا و پایین ورق واسطه اضافه می کنند که این ورق ورق واسطه بین دندانه ها جوش می شود . در نتیجه ، تیر حاصل به مراتب قویتر از تیری است که بدون ورق واسطه ساخته می شود .

 ** تقویت تیرهای لانه زنبوری به کمک رفتار مرکب بتن و فولاد

 در تیرهای لانه زنبوری علاوه بر تنشهای خمشی اصلی در محل حلقه ها تنشهای خمشی ثانویه حاصل از برش در مقطع ایجاد میگردد که گاهی این تنش از تنشهای خمشی اصلی در تیر بزرگترند. این تنشها از کارایی تیر می کاهند و برای مقابله با آنها باید حلقه های کناری را با ورق پر کرد خصوصا هنگامی که از این نوع تیرها بصورت یکسره استفاده می شود در محل تکیه گاهها که هم نیروی برشی و هم لنگر خمشی زیاد می باشد تنشهای خمشی بشدت افزایش میابد و نیاز به تقویت تیر در این محلها می باشد که از لحاظ اقتصادی قابل توجیه نمی باشد. در این پروژه برای مقابله با این ضعف در تیرهای لانه زنبوری رفتار مرکب بتن و فولاد تهیه شده هست . به این ترتیب که داخل تیر فلزی در نقاطی که تنشهای 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 .

 ** شاهتیرها ( پله ها)

 شاهتیرها عضوهای فلزی افقی اصلی هستند که با اتصالات لازم به ستونها متصل می شوند و به وسیله آنها بار طبقات به ستونها انتقال می یابد. شاهتیرهای فلزی ممکن است به صورتهای زیر به کار روند :

 الف) تیرهای معمولی بصورت تک یا دوبله

 ب ) تیرآهن بال پهن

 ج ) تیرآهن معمولی با ورق تقویتی روی بالها و یا بال و جان

 د ) پلهای لانه زنبوری از تیرآهن معمولی یا تیرهای بال پهن که بصورت مفصل در همین مجموعه توضیح خواهم داد.

 ه ) تیر ورق (گیردار) ترکیب تیرآهن معمولی با ورق یا تیرآهن بال پهن با ورق و یا از ترکیب ورقها درست می شود

 و ) خرپاها

** ساخت پلها و شاهتیرها  

  هرگاه در شاهتیرهای فلزی به جای تیر تکی از تیرهای دوبله استفاده شود ، باید دو تیر در محل بالها به یکدیگر به گونه ای مطلوب اتصال داشته باشند . چنانچه پلها (شاهتیرها ) برای لنگر خمشی موجود کفاف ندهد ، آنها را با اضافه کردن تسمه یا ورق تقویت می نمایند . در مورد ورق تقویتی در تیرهای معمولی باید نکات زیر را رعایت کرد :

 1)  حداکثر ضخامت ورق تقویتی  8/0  ضخامت بال تیر باشد .

 2)  ورقهای تقویتی به طول کامل با بالها تماس و اتصال داشته باشد.

 3)  ضخامت جوش  75/0  ضخامت ورق باشد.

 4)  ورق تقویتی از هر دو طرف و در قسمت عرض نیز جوش گردد.

 ** پلهای مرکب

 در بارهای سنگین و احتمالا دهانه زیاد که پروفیل استاندارد موجود در بازار کافی یا اقتصادی نباشد ، همچنین مقطع نیر لانه زنبوری که با تسمه یا ورق تقویت شده است ، برای بار وارد شده و دهانه خمش کافی نباشد ، از تیرهای مرکب استفاده می شود که تیر مرکب در چندین حالت استفاده می شود :

1)  تیر مرکبی که از بریدن پروفیلهای معمولی ایرانی از وسط جان تیر و اتصال صفحه و ورق مناسب به دو قسمت بریده شده ساخته می شود . این روش برای پروفیلهای نمره  20  به بالا اقتصادی خواهد بود .

 2) تیر مرکبی که از سه صفحه ( قطعات تقویتی ) تشکیل می شود. در این حالت ، در پروفیلهای معمولی از فولاد جان تیر نسبت به فولاد بالها برای مقابله با خمش چندان استفاده نمی شود ، بلکه سعی می گردد ، حتی المکان ، جان تیر را نازکتر و ارتفاع آن را زیاد کنند.