آشنایی با خرپا و انواع آن در ساخت سازه ها

امنیت سازه همواره ازجمله مهم ترین المان ها در فرایند ساخت یک ساختمان می باشد چراکه عدم توجه به آن می تواند سازه را در برابر تنش ها و فشارهای مختلفی قرارداده و فرد یا افرادی را متحمل خسارت های مالی و جانی نماید. در همین راستا نیز خرپاها پا به عرصه صنعت ساخت وساز گذاشته و با توجه به طراحی خاص خود می توانند اغلب فشارها و تنش های وارده به یک ساختمان را کنترل نمایند؛ بنابراین همین اهمیت نیز ما را به این سمت سوق داد که این بار در وبلاگ سازه افزار به سراغ خرپا این سازه فولادی پرکاربرد برویم و شمارا بیشتر از قبل با آن آشنا کنیم. پس با ما همراه باشید.

خرپا چیست؟

احتمالاً شما نیز نام خرپا به گوشتان خورده است. سازه ای که تحمل نیروی فشاری بالایی از طرف اجزای یک سازه را دارد. خرپا به انگلیسی Truss سازه ای صلب از واحدهای مثلثی شکل است که از اتصال اجزای باریک و بلند ساخته شده است و همان طور که در اول این مبحث نیز اشاره کردیم، اعضای خرپا توانایی تحمل نیروهای کششی و فشاری رادارند. درواقع ازآنجایی که خرپاها فرض می شود که اعضا در انتهای خود به اعضای دیگر لولا شده اند بنابراین شکل مثلثی تنها شکل پایدار خواهد بود. به طورکلی خرپاها ازجملهٔ ساده ترین سازه های باربر هستند که در کل به عنوان سازه خمشی عمل نموده و در سقف ها، پل ها و سازه های هوایی مورداستفاده قرار می گیرند. در این گونه سازه ها به علت عدم وجود نیروی برشی و لنگر خمشی در تک تک اعضاء متشکله خرپا، اتصالات باید به صورت مفصلی مدل شود. همچنین در پایان این بخش لازم است بدانید که برای ساخت خرپا با توجه به کاربرد آن، انواع مقاطع فولادی به کار می روند که شامل موارد زیر می باشد:

• انواع تیرآهن های هاش و معمولی

• انواع قوطی پروفیل توخالی با اشکال مربع و مستطیل

• انواع نبشی و سپری فولادی

• انواع لوله

چرا به خرپا، خرپا میگویند؟

اول ازهمه به سراغ دلیل نام گذاری این سازه فولادی می رویم و سپس بحث های تخصصی تر را در آن دنبال می کنیم. در باب نام گذاری این نوع از سازه محافظ بحث ها و گمانه زنی های مختلفی وجود دارد. بعض از افراد ادعا می کنند که این نوع سازه محافظ را خرپا می نامند چراکه این نوع از سازه ها می توانند با صرف کمترین مصالح نیروهای بزرگی را تحمل کنند به مانند الاغ بارکش هستند که بار زیاد حمل کرده و کمترین مراقبت را نیز نیاز دارد. فرضیه دیگر در این باب به این مسئله برمی گردد که به زعم اکثر مهندسین عمران ازآنجایی که الاغ بارکش سمبل بزرگی است لذا یک وجه مشترک این حیوان با این سازه در بزرگ بودن جثه و اسکلت خرپاها می باشد که حتی قابلیت این را نیز دارند که تا نیروی ناشی از پانزده متر سازه را بدون ستون تحمل نمایند. همچنین می توان مدعی شد که از دیدگاه برخی از متخصصین نام گذاری خرپا به شکل پای این حیوان برمی گردد. چراکه اگر به دست و پای یک حیوان چهارپا در هنگام راه رفتن دقت نمایید متوجه خواهید شد که درآن واحد یکدست و پای او روی زمین قرار دارد و هم زمان یکدست و پای مخالف رو به هوا سات. در چنین حالتی شکل پاها و دست های حیوان از آرنج تشکیل یک مثلث را می دهد؛ بنابراین با توجه به چنین تصویرسازی خواهید دید که این شکل آنی حرکت الاغ بارکش بی شباهت به شکل خرپا نمی باشد.

 

آشنایی با انواع خرپاهای مورداستفاده در ساخت سازه های مختلف

در یک نگاه کلی می توان انواع مختلفی از این سازه ها را دسته بندی زیر قرارداد که در انواع مختلف خرپای دوبعدی، خرپای سه بعدی، خرپای چندگانه، خرپای پرات، خرپای وارن و خرپای کی تقسیم بندی می شوند. با توجه به همین تنوع در دسته بندی نیز در ادامه به بیان توضیحات تکمیلی در مورد تک تک این خرپاها می پردازیم.

۱. آشنایی با خرپای ساده یا دوبعدی

به طورکلی بااتصال سه عضو در دو گره به صورت مفصلی با یکدیگر یک مثلث تشکیل شده که به آن مثلث بنیادی خرپا گفته می شود. طی این فرایند و توسعه خرپا هر بار با اضافه نمودن دو عضو به شکل سازه، یک گره (محل تقاطع دو یا چند عضو را گره می گویند) صورت می گیرد. درواقع می توان مطرح کرد که اعضای جدید در گره جدید به یکدیگر مفصل شده و انتهای دیگر آن ها به گره های موجود مفصل می گردند. خرپاهایی که بدین نحو ایجاد می گردند به خرپاهای ساده موسوم می باشند و ازجمله پرکاربردترین انواع خرپاهای موجود در عملیات های ساخت وساز می باشند.

۲. آشنایی با خرپای سه گانه

خرپای سه گانه ازجمله سازه هایی می باشد که مجموعه ای از اجزا و اتصالات هستند و طبیعتاً با توجه به صورت بندی که دارند تحمل بار فشاری بیشتری را نیز دارند. درواقع این مسئله از مزایای استفاده از خرپاهای سه بعدی به حساب می آید و از طرفی همین ویژگی عاملی برای حجیم شدن سازه ها می باشد.

۳. آشنایی با خرپای چندگانه

جالب است بدانید که از این نوع از خرپاها در جهت برطرف نمودن نقاط ضعف و تقویت نقاط قوت سازه استفاده می شود. به طورکلی طراحی خرپای چندگانه به گونه ای است که لینک ها یا اتصالات میانی به صورت تکی و لینک ها و یا اتصالات بالا و پایین به شکل دوگانه و چندگانه در سازه قرار می گیرند. در همین راستا در باب مزایا و ویژگی های خرپاهای چندگانه می توان به توان ظرفیتی بالای آن ها در تحمل بارهای صفحه ای و همچنین مقاومت خمشی و کمانشی مناسب در جهت های مختلف، اشاره کرد. البته لازم به ذکر است که این ویژگی با حفظ ابعاد متناسب در خرپا صورت می گیرد.

۴. آشنایی با خرپای کی شکل (K)

خرپای کی که به شکل حرف انگلیسی کی می باشد نسبت به خرپای پرات که در بخش آخر به آن اشاره می کنیم از پیچیدگی بیش تری در ساخت برخوردار می باشد. درواقع در یک نگاه کلی می توان اذعان نمود که تفاوت این دو خرپا در اجزای عمودی آن ها می باشد. این تفاوت به گونه ای است که اجزای عمودی خرپای کی کوتاه تر از اجزای عمودی خرپای پرات می باشد. این ویژگی سبب می شود سازه در برابر تنش های خمشی مقاومت بیش تری داشته باشند. همچنین لازم به ذکر است که از عمده ترین نقاط ضعف این خرپای کی شکل می توان به غیرقابل پیش بینی بودن رفتار اجزای خرپا اشاره کرد. از مزایای خرپای کی می توان به کاهش تنش کششی در اجزای عمودی و کاهش هزینه های بنا و در کنار آن افزایش راندمان آن اشاره کرد. در حالت کلی می توان گفت که بسیاری از افراد حرفه ای در صنعت درزمینهٔ پیچیدگی ساختاری این خرپا و استفاده از مصالح و متریال زیاد در ساخت و طبیعتاً هزینه های ساختاری بیشتر را از نقاط ضعف این نوع از خرپاها می دانند.

۵. آشنایی با خرپای وارن

به طورکلی می توان مطرح کرد که خرپا وارن طراحی بسیار متداول به منظور ساخت پل های واقعی و همچنین مدل پل ها است. جالب است بدانید که برای اولین بار فردی بنام جیمز وارن در سال ۱۸۴۸ در انگلستان نقشه و طرحی را ثبت کرد که بسیاری از آن ها اسم  خرپا وارن» را به آن نسبت می دهند. البته لازم به ذکر است که حق ثبت اختراع او بیشتر در مورد روش کار ساختن این نوع از خرپا در مقایسه با یک طراحی بود. صرف نظر از این تاریخچه کوتاه، خرپا وارن از زمان طراحی تا به امروز بسیار محبوب بوده است و نمونه هایی از آن را می توان در همه جای دنیا یافت. چراکه این خرپا از مثلث های دوطرفه برای پخش بارهای روی این پل استفاده می کند و همان طور که میدانید این مخالف با خرپای نویل است که از مثلث های ایزوکلس استفاده می کند. از نقاط ضعف خرپای وارن نیز می توان به عدم امکان پذیری استفاده از آن ها در سازه هایی که بارهای متمرکز تنها بر یک نقطه وارد می شوند، اشاره کرد. از دیگر نقاط ضعف این گونه خرپاها می توان به پیچیدگی ساخت و استفاده از مواد و مصالح بیش تر در ساخت آن ها اشاره کرد.

۵. خرپای شیروانی

خرپای شیروانی یکی از اشکال مختلف خرپا بوده که معمولاً برای سقف استفاده می شود. همچنین لازم است بدانید که ارتفاع خرپای شیروانی در وسط دهانه بیشتر است.

۶. خرپا وتر موازی

خرپاهای وتر موازی نیز یکی دیگر از شکل های مختلف خرپا هستند که برای پشتیبانی از خرپای سقف در ساختمان های صنعتی و در پل های دهانه متوسط به کار می روند. از این نوع خرپا در شبکه های با طول یکسان استفاده می شود که از این طریق می توان هزینه های ساخت را برای دهانه های بسیار طولانی کاهش داد.

 

۸. آشنایی با خرپای پرات

خرپای پرات ازجمله نمونه هایی از این نوع سازه می باشد که با توجه به شکل خاصی که دارد در ساخت پل و سازه های طاق مانند استفاده می شود. به طورکلی در این نوع از سازه ها بیشترین فشار اعمالی در راستای عمودی صورت می گیرد و بنابراین ایجاد گره های بیشتر در راستای عمود از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. ازجمله مزایا و ویژگی های این گونه خرپاها می توان به طراحی ساده، وزن کم خرپا، تسهیل در ساخت سازه، کاهش هزینه های ساخت و ساخت در کنار عملیاتی سازی آن به صورت مقرون به صرفه اشاره کرد.

۹. خرپای هاو

به طورکلی می توان اذعان نمود که خرپای هاو یکی دیگر از شکل های مختلف خرپاها بوده که معمولاً برای سقف استفاده می شود و برای دهانه ای حداکثر تا ۳۰ متر مناسب است.

۱۰. خرپای فینک

این نوع خرپا نیز بیشتر در سقف به کاررفته و برای دهانه های ۲۰ متری مناسب است. خرپای فینک اغلب به صورت فولادی ساخته می شود.

۱۱. خرپای قوسی

از این خرپا معمولاً برای سقف انبارها و گاراژها استفاده می شود که قطر دهانه آن ها می تواند به ۳۰ متر نیز برسد.

۱۲. خرپای پارکر

جالب است بدانید که از شکل های دیگر خرپا، نوع پارکر بوده که معمولاً برای ساخت پل از آن استفاده شده و می توان آن را برای دهانه های حدود ۵۰ تا ۱۰۰ متر به کاربرد.

۱۳. خرپای نردبانی

به طورکلی این نوع از خرپاها یک خرپای صاف است و به صورت دو خط یا دو تیر موازی ساخته می شود و داخل آن را بااتصالت محکم می کنند و از آن معمولاً برای استفاده بهینه از زیر سقف خرپا استفاده می شود؛ یعنی خرپای نردبانی را به صورت شیب دار روی ستون ها نصب می کنند تا از سقف محافظت نماید.

۱۴. خرپای بالتیمور

خرپای بالتیمور نیز یکی دیگر از اشکال خرپا است که برای ساخت پل هایی با دهانه های بیش از ۱۰۰ متر مناسب خواهد بود.

 

آشنایی با مزایای خرپاها

همان طور که تا بدین جای این مقاله از سازه متوجه شدید، خرپاها بخشی جدایی ناپذیر از معماری مدرن بوده و به دلیل اینکه خرپا وزن زیادی را تحمل می کند این امکان را برای سازندگان به وجود می آورد که هزینه ها را تا حد امکان کاهش داده، به راحتی فواصل زیاد را با خرپاها پوشش دهند، به طور مساوی بار را روی سازه منتقل کنند. همچنین استفاده از انواع خرپا و متناسب با نوع کار یا پروژه مصرف مصالح اضافی را کم می کند و سازه هایی را ارائه می دهد که تعمیر و نگهداری آن به خوبی میسر می باشد؛ بنابراین در یک نگاه کلی تمام مزایای استفاده از خرپا این سازه ضروری را می توان به شرح زیر ارائه نمود که شامل:

• به یاد داشته باشید که در هنگام طراحی صحیح، خرپا روشی کارآمد برای مسافت های طولانی و درعین حال کم ترین میزان استفاده از مواد می باشد. با توجه به این امر بارهای داخلی اعضا به صورت محوری، فشرده سازی یا تنشی القا می شوند.

• طی چنین رویه ای و با استفاده از انواع خرپا می توان از مواد و مصالح کمتری در طول ساخت وساز استفاده نمود و درعین حال از یک سیستم کلی کارآمد بهره برد.

• خرپاها برای بیشتر سازه ها در مناطق شهری مناسب است و اجرای آن در هر شرایطی انعطاف بسیاری دارد.

• با استفاده از خرپا می توانید نیروی حاصل برسازه را در طول کل ساختار سازه پخش نمایید¸از فشار اضافی ناشی از بار سازه بر روی ساختار اصلی جلوگیری کنید.

• جالب است بدانید که می توان خرپاها را تا دوباره مورداستفاده قرارداد و همچنین قابل ذکر است که اجرای خرپا ساده بوده و نیاز به دستگاه تخصصی به منظور اجرا در پروژه ندارد.

آشنایی با معایب استفاده از خرپا

همان طور که هر ابزار یا سازه ای مزایایی را به همراه دارد طبیعتاً با معایبی نیز گلاویز است که خرپا نیز در این میان مستثنا نبوده و معایب آن شامل:

• ازآنجایی که ساخت خرپا نیاز به مکان گسترده دارد درنتیجه تا حدودی جاگیر محسوب می شوند و باید فضای بزرگی با ساخت آن اختصاص داد.

• به طورکلی ساخت این نوع تیرچه به دقت بالایی نیاز دارد و طبیعتاً اعمال چنین دقتی باعث کاهش سرعت در فرآیند تولید نیز می شود؛ بنابراین می توان مطرح کرد که طی فرایند ساخت آن زمان اجرا و هزینه ها افزایش میابد. اما لازم به ذکر است که اگر اصولی مانند زمان بندی ساختمان سازی را پیشه کنیم می توانیم تا حدودی از این مشکل جلوگیری کرد.

• هزینه های تعمیر و نگهداری خرپا بالا است چراکه از اعضای بسیاری تشکیل شده است. همچنین لازم به ذکر است که خرپاها قابلیت اعمال وزن زیادی را به ساختمان ها دارند.

 

بررسی نیروهای اعمال شده به خرپا در انواع سازه ها

به طورکلی می توان مطرح کرد که نیروهای اعمال شده به خرپا در سازه های مختلف به کاربرد خرپا بستگی دارد و می تواند از سازه ای به سازه دیگر متفاوت باشد؛ بنابراین در ادامه این نوشتار از سازه افزار سعی داریم تا به طور خلاصه به نیروهای اعمال شده به خرپا در سازه های مختلف بپردازیم و به شما دیدگاهی کامل و جامع در باب اهمیت استفاده از این نوع از سازه ها ارائه نماییم.

۱. ساختمان های صنعتی

جالب است بدانید که بار یا نیروهای اعمال شده به خرپا در ساختمان های صنعتی به چهار دسته تقسیم می شوند:

• بار مرده ساختمان

بار مرده اعمال شده به خرپاهای سقفی در ساختمان های صنعتی یک طبقه شامل بار مرده روکش ها، بار مرده تیرک ها، وزن خود خرپا، وزن بست ها، مجاری مخصوص تهویه مطبوع و وزن هواکش می باشد و ازجمله اصلی ترین عوامل اعمال فشار و نیرو در اکثر این نوع از سازه به حساب می آیند.

• بار زنده ساختمان

بار زنده اعمال شده به خرپاهای سقفی ساختمان های صنعتی شامل وزن گرانشی ناشی از عبور و مرور کاربران و تجهیزات متحرک، گردوغبار، اسباب و اثاثیه خواهد بود.

• نیروی باد

به طورکلی با وزش باد در پشت بام نیز نیرویی به خرپاهای سقفی اعمال می شود که اغلب به صورت نیروی صعودی بلند کننده عمود بر سقف است و خلاف بار گرانش عمل می کند.

• بار ناشی از زلزله

جالب است بدانید که همواره نیروی اعمال شده به سازه در اثر زلزله به وزن ساختمان وابسته است و در مورد ساختمان های صنعتی که وزن زیادی در پشت بام دارند، بار زلزله در طراحی مهم خواهد بود.

۲. نقش خرپا در ساختمان های چندطبقه

نیروهای اعمال شده به خرپا در ساختمان های چندطبقه در اثر بار جانبی، باد و یا زلزله است. درواقع همان طور که در انواع سازه های تک طبقه نیز ذکر شد این خرپاها هستند که در برابر این بارها مقاومت می کنند و امنیت و آرامش را برای ساکنین رقم می زنند.

۳. پل ها و نقش خرپا

همان طور که احتمالاً برای شما نیز قابل حدس است، نیروهای اعمال شده به خرپاها در پل ها ناشی از انتقال فشار گرانشی وسایل نقلیه در حال حرکت است. درواقع باید اذعان نمود که خرپاهایی که در پل ها استفاده می شوند بسته به شرایط محیط و طول دهانه پل می توانند از نوع میانی یا نوع عرشه می باشند که مسلماً هر یک کارایی های مخصوص به خود را دارا است.

 

در باب تفاوت خرپا با قاب

انواع خرپا با انواع قاب ازنظر شکل هندسی و ساختاری و همچنین کاربردهایی که دارند تفاوت هایی با یکدیگر دارند. شاید بتوان نحوه اتصالات اجزای مختلف در این دو سازه را یکی از مهم ترین تفاوت ها دانست. به طورکلی اعضای قاب مانند تیرآهن بوده که عمدتاً برای حمل بارهای عرضی یا جانبی در طول خود طراحی شده اند. این بارهای خارجی باعث ایجاد نیروهای داخلی مانند برش و گشتاور خمش می شوند. برخی از اعضای قاب (مانند ستون ها) حتی می توانند برای تحمل بارهای محوری (طولی) زیاد طراحی شوند. این نوع اعضا به دلیل نحوه اتصال آن ها به یکدیگر یا با دیگر سازه ها می توانند این بارها را تحمل می کنند. قاب ها از طریق اتصالات کاملاً سفت وسخت مانند جوش یا پیچ و مهره به یکدیگر اتصال داده می شوند که امکان انتقال برش و گشتاور را فراهم می کند. از سوی دیگر در خصوص تفاوت خرپا با قاب می توان عنوان داشت که وقتی که یک خرپا را متصور می شویم، معمولاً میله هایی که توسط اتصالات پین به یکدیگر متصل شده اند به ذهن ما می آید. اعضای خرپا با استفاده از اتصالات پین می توانند حرکاتی آزاد داشته باشند. این بدان معنی است که گشتاورهای برش و خم شدن به عضو منتقل نمی شوند. درواقع می توان اذعان نمود که تنها نوع باری که یک خرپا می تواند تحمل کند، بارهای محوری است.

خرپا چگونه لرزش های ناشی از زمین لرزه را حذف می کند؟

در باب پاسخ سیستم سازه ای خرپای متناوب به بارهای لرزه ای باید اذعان نمود که عملکرد لرزه ای قابل قبول برای سیستم های سازه ای خرپای متناوب به خصوصیات زیر وابسته است که این موارد شامل:

• سیستم های باربر جانبی و ثقلی ساختمان یکی بوده و یکسان باشد.

• همه خرپاها و ستون های باربر ثقلی به سیستم باربر جانبی یکپارچه شده باشد.

در چنین حالتی دهانه های عرضی با طول زیاد به هنگام رخداد شکست ستون ها، توانایی باز توزیع بارهای ثقلی سیستم را محدود می کند و ازآنجایی که طبقه زیرین ساختمان، معمولاً از طبقات بالاتر انعطاف پذیرتر است. معمولاً قاب خمشی در طبقه زیرین با قاب خرپایی متناوب جابه جا می شود. همان طور که میدانید دیافراگم ها با توزیع نیروی تقریباً زیادی بین المان های عمودی، برای مسیر بارهای جانبی حیاتی هستند و این مسئله در طبقات زیرین کاملاً مشهود است. به طوری که اتصالات دیافراگم به خرپا می بایست تقریباً تمامی برش پایه را از یک طبقه به طبقه دیگر انتقال دهند. طی چنین رویه ای این لرزش های ناشی از زمین لرزه توسط خرپا انتقال یافته و سپس خارج و میرا می شود و طبیعتاً ساختمان از هر نوع ریزشی در امان خواهد ماند.

آشنایی با رویه ساخت و نصب خرپا

در این بخش از سازه افزار به ارائه اطلاعاتی در باب رویه ساخت و نصب خرپا می پردازیم که به شرح زیر می باشد:

اجزای سازنده خرپا:

اولین نکته بااهمیت در طراحی، ساخت و نصب خرپاها آشنایی با اجزای سازنده آن می باشد. خرپاها از اجزای مختلفی ساخته می شوند که این اجزای خرپا شامل یال تحتانی، یال فوقانی، اجزای قائم و اجزای قطری می باشد.

اتصالات در خرپاها:

برای متصل کردن اجزای خرپا به هم از اتصالاتی مانند پیچ، مهره و پرچ استفاده می شود، این نوع اتصالات گاهی به صورت مستقیم و گاهی به شکل غیرمستقیم انجام می شوند. همچنین با توجه کاربردی که از سازه انتظار داریم می توان از ورق اتصال برای متصل کردن آن ها استفاده کرد. همچنین زمان استفاده از اتصالات باید نهایت دقت را داشت به این دلیل که یکی از مهم ترین دلایلی که باعث خرابی خرپاها می شود باز شدن یا شکستن اتصالات است.

اجرای خرپا:

از طرفی در نحوه اجرای خرپای سقف زمان ساخت خرپاهای سقف سعی می شود که طراحی به شکلی انجام شود که حداکثر روشنایی طبیعی از سقف دریافت شود. زمانی که همه اعضای خرپا در یک صفحه قرار نداشته باشند به آن خرپای فضا کار یا فضایی گفته می شود که با به هم متصل کردن اجزای مثلثی شکل به وجود می آیند و استحکام فوق العاده بالایی دارند، به همین دلیل آن ها در ساخت سقف های کارخانه ها، استخرها و نمایشگاه ها استفاده می شود.

 

سخن پایانی

همان طور که در این مقاله از پرشین سازه همراه ما بودید، ما به این دست از اطلاعات رسیدیم که خرپا سازه های فلزی و حتی گاهی چوبی بوده که اعضای سازنده آن ها مثلث به هم پیوسته هستند و این مجموعه مثلث به عنوان یک جسم واحد عمل می کند. وظیفه خرپا توزیع یکنواخت وزن، کنترل تنش و فشرده سازی بدون خم شدن و برش است. همچنین همان طور که قبلاً نیز اشاره شد ازنظر هندسی، یک مثلث از شکل چهارضلعی یا چندضلعی پایدارتر است، بنابراین زاویه های این اشکال چهارضلعی یا چندضلعی باید محکم ثابت شود تا از برش و اعمال فشار اضافی به ساختمان جلوگیری شود. خرپا ازجمله کاربردی ترین سازه های فلزی در صنعت ساختمان بوده که با توجه به مزایای برشمرده شده برای آن استفاده و اعمال آن به سازه ها همواره از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. در پایان نیز لازم به ذکر است که ما همواره آماده شنیدن نظرات شما عزیزان در وبلاگ سازه افزار خواهیم بود.