عمران فایل

بررسی مقاطع ساختمانی توخالی فولادی با مدلسازی آن در ایتبس

در مورد مقاطع ساختمانی توخالی یا همان مقاطع hss چه میدانید؟ و تا چه اندازه با ویژگی ها و کاربردهای آن آشنایی دارید؟ روش تولید مقاطع توخالی فولادی به چه صورتی است؟

در این مقاله قصد داریم به معرفی مقاطع توخالی فولادی در ایتبس به همراه بررسی مشخصات، معایب و روش های تولید مقاطع HSS بپردازیم. شما بعد از مطالعه مقاله قادر خواهید بود به کلیه سوالات مهم زیر پاسخ دهید.

  1. تاریخچه تولید مقاطع تو خالی چیست؟
  2. انواع پروفیل‌ها کدامند؟
  3. مقاطع تو خالی با چه روشی تولید می‌شوند؟
  4. ضوابط استفاده از این مقاطع چیست؟
  5. چگونه می توان این مقاطع را در ایتبس مدلسازی کرد؟
  6. کاربرد این مقاطع کجاست؟
  7. خصوصیات، مزایا و معایب و موانع استفاده از این مقاطع چیست؟
  8. مزیت‌های استفاده از این مقاطع نسبت به روش سنتی چیست؟
  9. دلیل عدم رواج این مقاطع در ایران چیست؟
  10. محدودیت استفاده از این مقاطع در ساختمان‌‌های چند طبقه چیست؟

تاریخچه میلگرد:

HSS مخفف Hollow structural section به معنای مقطع ساختمانی توخالی سازه‌ای است که در شکل مربعی و مستطیلی و یا گرد تولید می‌شود. اولین میلگردهای فولادی از نوع نبشی بود که در سال ۱۸۱۹ تولید شد و میلگردهای  Ι شکل در سال ۱۸۸۴ ساخته شدند. درسال‌های ابتدایی تولید، هر کارخانه پروفیل دلخواه خود را تولید می‌کرد و مشخصات آن را در کاتالوگ ارائه می کرد. اما پس از چند سال در سال ۱۸۹۶ لادی موسسه AISI، پروفیل‌ها را استاندارد کرد و پروفیل‌ های فولادی ساختمانی را با استاندارد مشخصی تولید کرد و به بازار عرضه کرد. استانداردهای مختلفی در دنیا وجود دارد مانند AISC و یا ASTM که بیشتر در آمریکا از این استانداردها استفاده می‌شود. در ایران از استاندارد DIN آلمان برای پروفیل‌های فولادی استفاده می‌شود. استفاده از مقاطع ساختمانی تو خالی فولادی از گذشته رواج داشت. برای مثال در پل قوسی«فُرس آو فِرس» اسکاتلند در سال ۱۸۹۰ استفاده شد. در سال ۱۸۹۰ برادرانمانسمن اولین کارخانه‌ی مقاطع توخالی دایره ای تاسیس کردند. آن‌ها از ورق‌های رولی که به هم پرچ شده اند استفاده می ‌کردند. بعد از آن شخصی به نام Pilger مقاطع توخالی را بدون درز و جوش توسعه داد و پس از آن Whitehouse جوش این مقاطع را بهبود بخشید. با گذشت زمان، شخصی به نام fretz مقاطعی را پیشنهاد داد که هیچ بدون هیچ درز جوشی به هم جوش می خورند. با مرور زمان ساخت این مقاطع افزایش یافت و تحول عظیمی را در صنعت ساختمان ایجاد کرد.

 

نمونه ای از مقاطع ساختمانی توخالی

تصویر شماره ۱: پل Forth of Bridge در اسکاتلند که با استفاده از مقاطع تو خالی ساخته شده است.

 

مقاطع ساختمانی توخالی

تصویر شماره ۲: نمونه‌ای از مقاطع توخالی

انواع میلگرد ها کدامند؟

میلگردها را بر اساس دسته بندی‌های مختلفی بررسی می‌کنیم.

الف) دسته بندی براساس جنس

۱- پروفیل گالوانیزه

این نوع پروفیل‌ها اکثرا برای مقاوم‌سازی استفاده می‌شوند از جمله برای مقاوم سازی در و پنجره‌ها و UPVC، و همچنین باعث جلوگیری از هرز شدن پیچ‌ها و افزایش مقاومت در و پنجره‌ها می‌شود. از دیگر مزایای آن می‌توان به مقاومت در ارتفاعات با وجود فشار نیروی باد اشاره کرد.

۲- پروفیل آلومینیومی

از این پروفیل‌ها برای ساخت در، پنجره و… استفاده می‌شود. استفاده از آلومینیوم به دلیل سبکی و رنگ روشنی که دارد نسبت به سال‌های اخیر به مراتب افزایش یافته است.

۳- پروفیل کامپوزیتی

این نوع پروفیل‌ها در مناطقی که اثرات خوردگی درآن بالاست استفاده می‌شود و همچنین به دلیل وزن کمی که دارد باعث کاهش وزن سازه می‌شود.

ب) دسته بندی براساس سطح مقطع

۱) پروفیل‌های بسته:

شامل:

لوله: این نوع پروفیل به صورت دایره تو خالی است.

مقاطع تو خالی: این مقاطع دارای سطح مقطع مستطیل و یا مربع تو خالی است که اصطلاحا به آن مقاطع قوطی شکل می‌‌گویند.

۲) پروفیل‌های باز:

تیرآهن: این پروفیل دارای مقطعی H مانند است که کاربرد اصلی آن در ساختمان‌های اسکلت فلزی است.

میلگرد: دارای سطح مقطع دایره ای توپر است, این مقاطع هم دارای انواع آجدار و بی آج هستند و کاربرد اصلی این مقاطع در سازه‌های بتنی است.

نبشی: این پروفیل دارای دو سطح عمود برهم است.

ناودانی: این پروفیل دارای سطح مقطع U شکل است.

پروفیل Z

روش‌های تولید مقاطع ساختمانی تو خالی فولادی

برای تولید مقاطع ساختمانی توخالی از سه روش مختلف استفاده می‌شود، تولید این مقاطع در سه فرآیند فرمینگ، جوش و سایزینگ است که در این فرایند مقاطع ورقه‌ای به مقاطع تو خالی تبدیل می‌شوند.

در ادامه سه روش مختلف برای تبدیل مقاطع ورقه‌ای به مقاطع تو خالی توضیح داده می‌شود.

۱– تبدیل لوله به ستون باکس

در روش اول ابتدا ورقه ای با عرض لازم وارد دروازه های فرمینگ می‌شود سپس، با چند مرحله فرم‌دهی به لوله تبدیل میشود. سپس درز میانی با روش ERW جوش می‌شود. بعد از خنک شدن آن از دروازه سایزینگ یه مقطع چهارگوش با سایز مورد نظر تبدیل می‌شود.

 

روش تولید مقاطع hss

تصویر شماره ۳: روش تبدیل لوله به ستون باکس

 

۲– روش مستقیم

در این روش ابتدا لبه های ورق ها را برش داده و از دروازه‌های مختلفی می گذارانند تا ورق در ۴ وجه خم شود و به فرم مستطیل یا مربع درآید. سپس با استفاده از روش ERW جوش می‌شود . پس از سرد شدن در دروازه سایزینگ، به فرم نهایی خود می‌رسد. یکی از مزیت‌های این روش این است که فقط چهارگوش ستون فرم دهی می‌ شود، برخلاف روش اول که تمامی سطوح فرم‌دهی می‌شود.

 

روش تولید مستقیم مقاطع ساختمانی توخالی فولادی

تصویر شماره ۴: روش تولید مستقیم

 

۳- تولید دو تکه

در این روش دو ورق همسان را با شیوه‌های مختلف خم می‌کنند و دو طرف مقطع تو خالی را می‌سازند. سپس با جوشکاری زیرپودری (SAW) در محل درز تشکیل یک مقطع تو خالی میدهد. این روش سرعت تولید پایین دارد و نسبت به روش‌های دیگر مقاوم نیست و از لحاط اقتصادی به صرفه نیست.

ضوابط مقاطع ساختمانی تو خالی

براساس آیین نامه مقررات ملی ساختمان مبحث دهم بند ۱۰-۲-۲-۲-۱ مقاطع فولادی از نظر کمانش موضعی به دو دسته لاغر و غیر لاغر تقسیم شده اند. طبق جدول میتوان با محاسبه نسبت پهنا به ضخامت مقاطع لاغر را شناسایی کرد. همچنین در بند بعدی، ۱۰-۲-۲-۲-۲ مقاطع فولادی از لحاظ کمانش موضعی به سه دسته فشرده، غیر فشرده و لاغر تقسیم می‌شوند.

 

ظوابط مقاطع توخالی

تصویر شماره ۵: بند آیین نامه

 

مثال مقاطع توخالی

تصویر شماره ۶: بند آیین نامه

 

انواع مقاطع ساختمانی توخالی فولادی

تصویر شماره ۷: بند آیین نامه

 

• درصورتی‌که مقاطع توخالی دایره‌ای شکل به‌ عنوان تیر یا ستون مورد استفاده قرار گیرند، نسبت قطر به ضخامت در اعضای با شکل‌پذیری متوسط می‌تواند به ۰٫۷ محدود شود.

نحوه مدلسازی مقاطع توخالی فولادی در ایتبس

در نرم افزار ایتبس مقاطع را می توان به دو روش مدلسازی کرد، روش اول از طریق import کردن مقاطعی که به عنوان پیش فرض در ایتبس وجود دارد و این مقاطع از جدول اشتال برگرفته شده است و روش دوم، روشی است که خود کاربرمقطع را از بخش SD Section می‌سازد، البته پیشنهاد می‌شود که از مقاطع موجود در نرم افزار استفاده نمایید، زیرا مقاطعی که توسط کاربرساخته می‌شود نرم افزارآن را به عنوان مقاطع غیرفشرده لرزه ای شناسایی می‌کند. در قسمت زیر نحوه فراخوانی مقطع HSS نشان داده شده است.

 

مقاطع توخالی درetabs

تصویر شماره ۸: مدلسازی مقاطع توخالی فولادی در ایتبس

 

برای استفاده از مقاطع موجود در نرم‌افزار از منوی زیر استفاده می‌شود:

 

مقاطع توخالی فولادی در نرم افزار ایتبس

تصویر شماره ۹: مدلسازی مقاطع توخالی فولادی در ایتبس

 

با انتخاب مقطع مورنظر ابعاد مقطع را انتخاب کرده و به مرحله بعد می‌رویم و وارد لیست مقاطع نرم افزار می‌شویم.

 

 مقاطع hss در ایتبس

تصویر شماره ۱۰: مدلسازی مقاطع توخالی فولادی در ایتبس

 

حال اگر بخواهیم خودمان یک مقطع توخالی فولادی با ابعاد مدنظر به کمک SD Section بسازیم، مراحل مطابق شکل‌های زیر طی می‌شوند. در ابتدا از منوی Define گزینه Frame Section انتخاب شده و پنجره‌ی Frame Properties باز می‌شود.

 

مقاطع ساختمانی توخالی در ایتبس

تصویر شماره ۱۱: مدلسازی مقاطع توخالی فولادی در ایتبس

 

در ادامه با طی کردن مراحل ۱ تا ۴ وارد محیط Section Designer خواهیم شد.

 

مدلسازی مقاطع hss در etabs

تصویر شماره ۱۲: مدلسازی مقاطع توخالی فولادی در ایتبس

 

سپس از قسمت Draw Steel Shape گزینه Tube یا Pipe را انتخاب می‌کنیم. مشخصات مقطع را وارد می‌کنیم. در این قسمت، مختصات مرکز مقطع و همچنین ابعاد مقطع (مانند طول، عرض و ضخامت) واردشده تا مقطع توخالی مدنظر ساخته شود.

 

طراحی مقاطع توخالی در ایتبس

تصویر شماره ۱۳: مدلسازی مقاطع توخالی فولادی در ایتبس

 

کاربرد مقاطع  hss

مقطع HSS و مقاطع باکس از نظر ظاهری جز مقاطع تو خالی هستند اما نحوه ی ساخت و همچنین عملکرد متفاوتی دارند. مقاطع باکس از جوش دادن حداقل ۴ ورق ساخته می‌شوند در حالی که ساخت HSS متفاوت است که در آینده توضیح داده می‌شود.

 

کاربرد مقاطع hss

تصویر شماره ۱۴: مقطع باکس

 

کاربرد مقاطع ساختمانی توخالی فولادی

تصویر شماره ۱۵: مقطع توخالی فولادی HSS

 

  • کاربرد اصلی این پروفیل‌ها، برای ساختن درب و پنجره است. همچنین برای کنار پله‌ها و نرده کشی اطراف کارخانه‌ها استفاده می‌شود.
  • و مقاطع بزرگ که ضخامت آن‌ها در حدود ۵٫۲ تا ۸ میلی متر است در ساختن ستون‌ها و اسکلت فلزی ساختمان‌ها استفاده می‌شود.
  • از پروفیل‌های توخالی مربع و مربع مستطیل در ساخت اتاقک خودرو‌های سنگین، یدک کش‌ها و تریلرها استفاده می‌شود.
  • از کاربردهای دیگر این مقاطع می‌توان به ساخت پارکینگ‌های هوشمند، سکوهای نفت و گاز، پل‌های عابرپیاده، سازه‌های شهربازی‌ها و… نام برد.

خصوصیات، مزایا و معایب و موانع استفاده از این مقاطع

مزایای استفاده از مقاطع تو خالی:

این مقاطع دارای مزایای مختلفی برای مصارف صنعتی و ساختمانی هستند، شکل این مقاطع به گونه ایست که از لحاظ زیبایی چشم نواز هستند و با رنگ کردن آن می‌توان زیبایی آن را دو چندان کرد.

با توجه به تو خالی بودن آن‌ها، استفاده از این مقاطع باعث کم شدن هزینه‌ها می‌شود.

آمار موجود نشان می‌دهد که این مقاطع نسبت به مقطع تیرآهنی بسیار سبک تر بوده و توانایی تحمل بار بیشتر است و حمل و نقل آن به سهولت انجام می‌گیرد.

شکل بدون گوشه و بسته آن باعث محافظت در برابر خوردگی می‌شود.

از فضای خالی آن می توان برای تهویه و سرمایش و گرمایش استفاده کرد و همچنین با توجه به فضای خالی مقاومت در برابر آتش سوزی افزایش می‌یابد.

استفاده از این مقاطع دارای انعطاف پذیری زیاد است، زیرا با تغییر ابعاد و یا کاهش و افزایش طول می توان آن را به محیط‌های دیگر انتقال داد.

جز مقاطع جدار نازک بسته محسوب می‌شوند؛ پس مقاومت خوبی در برابر پیچش دارند.

به دلیل اینکه برشکاری و جوشکاری این مقاطع در کارگاه ساختمانی انجام می‌شود، مزاحمت کمتری برای ساکنین ایجاد می‌کند.

مقاطع ساختمانی توخالی با توجه به اینکه در کارخانه ساخته می‌شوند دارای کیفیت بالاتری نسبت به ورق هستند. در این مقاطع از یک خط جوش مقاومت الکتریکی(ERW )

به جای جوش دستی استفاده می شود و باعث کاهش پسماند در مقاطع می گردد.

در کنار مزایایی که در بالا برشمردیم این مقاطع دارای موانع و معایبی نیز هستند.

معایب hss

این مقاطع به تکنولوژی ساخت بالا نیازمند است.

روش‌های سنتی و معمول، دارای پیچیدگی است واین پیچیدگی‌ها ممکن است باعث کاهش دقت در اتصالات شود.

 

مقایسه روش سنتی با HSS

حجم جوش در روش سنتی به علت وجود ۴ خط جوش، بیش از ۴ برابر روش HSS است.

هزینه تمام شده روش HSS کمتر از روش معمولی است که می‌تواند مزیت برتری این روش باشد و باعث کاهش هزینه تمام شده اسکلت های فلزی می‌شود.

کیفیت جوش در روش سنتی، بسیار پایین تر از جوش استفاده شده در مقاطع HSS است. دلیل آن را دستی بودن جوشکاری است.

سرعت تولید در روش سنتی بسیار پایین تر از روش HSS است.

در شیوه سنتی وجود چهار درز حوش طولی باعث ایجاد تنش در مقطع می‌شود. در حالیکه در مقاطع تو خالی وجود یک درز در وسط یکی از اضلاع کمترین تنش را در مقطع ایجاد می‌کند.

تاثیرات زیست محیطی روش HSS به دلیل کاهش حجم برشکاری و جوش بسیار کمتر از روش سنتی است.

با توجه به محدود بودن طول ورق‌ها به ۶ متر، تولید ستون با طول بیش از ۶ متر به برش و جوشکاری نیاز دارد و امکان تولید ستون‌های یکپارچه وجود ندارد، اما در روش HSS می توان ستون یکپارچه با طول دلخواه تولید کرد.

دلایل عدم رواج H.S.S در ایران

با وجود مزایایی که در بالا برشمردیم این روش هنوز در ایران رواج نیافته است. از مهترین دلایل آن عدم تولید داخل و فقدان تکنولوژی ساخت این نوع مقاطع است. با وجود هزینه بالای واردات و هچنین تحریم‌ها از نظر اقتصادی وارد نمودن این مقاطع از کشورهای پیشرفته مقدور نیست. از دیگر دلایل آن می توان گفت که روش‌های معمول اتصالات صلب مقطع HSS دشوار و پرهزینه است.

نحوه استفاده در ساختمان و بررسی محدودیت در ساختمان های بلند

مقاطع توخالی باکس یا قوطی یکی از بهترین مقاطع است. که فقط برای سازه‌های فلزی قابل اجراست. استفاده از مقاطع باکس در صورتی که بخواهیم ممان اینرسی بالایی نسبت به هردو محور داشته باشیم توصیه می‌شود. محاسبه ممان اینرسی I شکل به دلیل اینکه فقط در یک محور صورت می گیرد برای ستون‌ها مناسب نیست و نیاز به تقویت دارد اما مقطع باکس یا قوطی برای ستون‌ها مناسب است.

محدودیت استفاده از قوطی در ساختمان های چند طبقه

در ساختمان‌های چند طبقه نمی‌توان از پروفیل قوطی برای ستون استفاده کرد زیرا در محل اتصال تیر به ستون، باید مقطع ستون را تقویت کرد و این امر به دلیل عدم دسترسی به داخل مقطع میسر نخواهد بود. اما این مقاطع را می‌توان در سازه‌های یک طبقه استفاده کرد. در اینصورت این مقاطع باید تقویت شوند. برخی معتقدند بهتر است به عنوان کلاف رابط در سوله استفاده شود.

جمع بندی:

مقاطع تو خالی یا HSS مقاطعی هستند که از دیرباز برای مصارف مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند. این مقاطع دارای مزیت‌های فراوانی، از جمله سبکی، مقاومت بالاتر، مقرون به صرفه تر و … است. البته این مقاطع به دلیل پیچیدگی در جوش دارای معایبی هست. در ایران این صنعت به دلیل عدم وجود تولید داخلی و سختی و پیچیدگی جوش توسعه نیافته است.

 

منابع:

  1. راهنمای طراحی برای اتصالات ستون‌هایی با مقاطع ساختمانی توخالی
  2. طراحی سازه‌های فولادی به روش LRFD
  3. مقررات ملی ساختمان مبحث دهم

 

مهندس محیا نوراللهی

    نوشته‌های مرتبط

    قوانین ارسال دیدگاه

    • دیدگاه های فینگلیش تایید نخواهند شد.
    • دیدگاه های نامرتبط به مطلب تایید نخواهد شد.
    • از درج دیدگاه های تکراری پرهیز نمایید.
    دیدگاه‌ها

    *
    *

    0