خرپا
خرپا از متداول‌ترین فرم‌های سازه‌ای است که در انواع ساختمان‌ها و ماشین‌ها به کار می‌روند. ساختمان‌های خرپایی، در مقابل نیروهای وارد آمده مقاومت بسیاری دارند و از لحاظ اقتصادی نیز ساخت آنها مقرون به صرفه است. خرپا مجموعه‌ای از میله‌های مستقیمی است که به طور مفصلی به هم متصل شده‌اند و شبکه‌های مثلثی را به وجود می‌آورند. اتصال اعضای خرپا به یکدیگر به وسیله جوش یا پرچ یا پیچ صورت می‌گیرد. خرپا را برای پوشاندن سقف‌ها، به ویژه سقفهایی با دهانه‌های زیاد و نیز پل‌ها بکار می‌برند. در بعضی از ماشین‌های سنگین، مثل جرثقیل‌ها نیز از خرپا استفاده میشود. خرپاها ضمن داشتن مقاومت زیاد، از نظر وزن سبک هستند.
انواع خرپا
انواع خرپاها را در یک تقسیم بندی ساده میتوان به گونه‌های زیر تقسیم نمود.
خرپای دو بعدی
در این دسته از خرپاها تمامی اعضای خرپا را میتوان در یک صفحه جای داد. این بدان جهت است که از لحاظ هندسی اختلاف بعدی در نحوه قراگیری و جهت‌گیری اعضا وجود ندارد. بسیاری از طرح‌های کلاسیک خرپا در این دسته جای می‌گیرند. توانایی تحمل تنش‌ها و بارهای صفحه‌ای و حجم و ابعاد متناسب از نقاط قوت این گونه برشمرده میشود.
خرپای سه بعدی
خرپای این دسته از خرپاها بر خلاف نمونه قبل شامل شبکه‌ای از اعضا و اتصالات‌اند که روی هم حجمی را در برگرفته و در امتداد هر سه محور مختصات امتداد یافته‌اند. قدرت تحمل بارها و تنش‌های سه بعدی از مزایای این گونه خرپا به شمار میرود که البته این مزایا باعث افزایش هزینه و حجیم شدن سازه میشوند.
خرپای چند گانه
این دسته از خرپاها با هدف حذف نقاط ضعف و حفظ نقاط قوت دو گونه قبل ابداع شده‌اند. در این گونه از خرپاها معمولاً لینک‌های وسط به صورت تکی و لینک‌های بالا و پایین به صورت دوگانه و یا چندگانه طراحی میشوند. قدرت تحمل بارهای صفحه‌ای و مقاومت خمشی و کمانشی مناسب در جهات گوناگون، در عین حفظ ابعاد متناسب از جمله نقاط قوت این گونه‌اند.
خرپای پرات
این نوع از انواع خرپا، برای ساخت پل و سازههای تاق مانند که بیشترین فشار اعمالی در آنها در راستای عمودی است، گزینه‌ای بسیار مناسب و ایده‌آل شمار میرود.
مزایای خرپای پرات
آگاهی و اطلاع کامل از رفتار اعضای سازه، اعضای قطری تحت تنش کششی و اعضای عمودی تحت تنش فشاری هستند.
- با استفاده از طرح‌های فوق می‌‌توانید یک سازه مقرون به صرفه و اقتصادی بسازید.
- طراحی ساده
- طراحی مورد قبول و جا افتاده در میان صنعتگران
- وزن خود خرپا کمتر خواهد شد.
- ساخت سازه را تسهیل می‌‌کند.
- هزینه‌های ساخت کاهش می‌‌یابد.
نقاط ضعف خرپای پرات
- اگر بار سازه در راستای عمود اعمال نشود به کارگیری این نوع از انواع خرپا مزیتی را در پی نخواهد داشت.
کاربرد
- مواقعی که به یک طراحی مقرون به صرفه و اقتصادی نیاز است.
- مواقعی که تلفیقی از چند نوع بار بر سازه وارد میشود.
- مواقعی که به یک سازه ساده احتیاج است
خرپای وارن
خرپای وارن یکی دیگر از انواع خرپا به شمار میرود که میتوان به راحتی و از روی ظاهرشان که به شکل مثلث متساوی الاضلاع است، آنها را تشخیص داد.
یکی از مزایای عمده این خرپا توانایی سازه در پخش کردن بارهایی ست که به اعضای مختلف آن وارد میشود. لذا زمانی که از تمامی جهات بار، بر دوش سازه گذاشته میشود، استفاده از این نوع خرپا گزینه ایده آلی خواهد بود. زمانی که فشار مشخصی بر روی یکی از بخش‌های خرپا متمرکز میشود، طراحی سازه به گونهای است که نمی‌‌تواند با موفقیت این فشار را در میان اعضای خود توزیع کند، لذا در مواردی که فشار و بار وارد شده به سازه در تمامی جهات پخش میشود، میتوان از خرپای وارن بهره برد. استفاده از آن در سازه‌هایی که بار بر روی یک نقطه متمرکز شده و در میان بخش‌های مختلف توزیع نشده، استفاده از این نوع خرپا منطقی نخواهد بود.
مزایای خرپای وارن
- توزیع نسبتاً متوازن بارها در میان اعضای سازه
- طراحی نسبتاً ساده
نقاط ضعف خرپای وارن
- عملکرد ضعیف سازه زیر بارهای متمرکز
- با توجه به اعضای اضافی به کار رفته در طراحی آن، ساخت چنین سازه‌ای پیچیده‌تر و مستلزم صرف مواد و مصالح بیشتر است.
کاربرد
- سازههای بلند و طویل
- مواردی که توزیع بار در تمام سازه یکنواخت است.
- مواردی که به سازه‌ای ساده و بی‌‌تکلف نیاز است.
خرپای کی
نسخه پیچیده‌تر خرپای پرات به شمار میرود. با این تفاوت که اعضای عمودی این نوع خرپا کوتاه‌تر از نوع پرات است و این امر مقاومت بهتر سازه را در برابر تنش‌های خمشی در پی دارد. مزایا و معایب این دو نوع از انواع خرپا کاملاً مشابه هم هستند اما استفاده از خرپای KK رونق و رواج چندانی نداشته و طراحی قوی و محکم این سازه نتوانسته این روند را معکوس کند. یکی از نقاط ضعف عمده این سازه غیر قابل پیش بینی بودن رفتار اعضای خرپاست. به عنوان مثال یکی از اعضای خرپا ممکن است زیر یک بار خاص به عنوان عضو کششی عمل کند و زمانی که بار دیگری به همان عضو اعمال شود، رفتارش تغییر کرده و به یک عضو فشاری تبدیل شود.
مزایای خرپای K
- کاهش تنش کششی در اعضای عمودی
- در صورتی که به درستی طراحی و اجرا شود، به فولاد کمتری برای ساخت آن نیاز است و در نتیجه هزینه‌های بنا کردن بنا کاهش و راندمان افزایش می‌‌یابد.
نقاط ضعف خرپای K
- طراحی نسبتاً پیچیده
- با توجه به اعضای اضافی به کار رفته در طراحی آن، ساخت چنین سازه‌ای پیچیده‌تر و مستلزم صرف مواد و مصالح بیشتر است.
شکل خرپا
خرپاهاى ساده از تعدادى شبكه مثلثى تشكيل می‌يابند و دليل استفاده از هندسه مثلثى در خرپاها، پايدارى هندسى مثلث نسبت به ساير اشكال هندسى است. چرا كه در مثلث تغيير زاويه مشروط به تغيير طول اضلاع آن بوده و اين تغيير در هندسه مثلثى خرپاها به سادگى اتفاق نمی‌افتد درحالى كه در يك هندسه چهارضلعى بدون تغيير طول اضلاع آنها تغییر شکل به راحتی صورت می‌گیرد.
انواع سازههای خرپایی
خرپا ساده simple truss
با اتصال سه عضو در دو گره به صورت مفصلی با یکدیگر یک مثلث تشکیل شده که به آن مثلث بنیادی خرپا گفته میشود. توسعه خرپا هر بار با اضافه نمودن دو عضو و یک گره صورت می‌گیرد. اعضای جدید در گره (محل تقاطع دو یا چند عضو را گره می‌گویند) جدید به یکدیگر مفصل شده و انتهای دیگر آنها به گره‌های موجود مفصل میشوند. خرپاهایی که بدین نحو ایجاد میشوند به خرپاهای ساده موسومند.
خرپای مرکب یا Compounded Trusses
خرپای مرکب خرپایی که از اتصال و ترکیب دو یا چند خرپای ساده ایجاد میشود.
خرپای پیچیده و مبهم
به خرپایی که شرایط خرپای ساده و مرکب را نداشته باشد خرپای مبهم گفته میشود.
مهاربندی خرپا
اعضای خرپا لنگر خمشی را تحمل نمی‌کنند و پایداری اعضا در صفحه‌ی خرپا توسط گره‌ها تامیین میشود به همین دلیل میتوان اعضا خرپا را از پروفیل‌های نازک‌تری ساخت که این موضوع باعث ایجاد مسئله پایداری ارتجاعی میشود که برای پایداری خرپا در جهت جانبی از مهاربند استفاده می‌کنند.
اتصالات خرپا
پس از تعیین حداقل سطح مقطع اعضا، طراحی اتصالات خرپا آخرین گام در طراحی خرپا است. اعضای خرپاها به وسیله جوش، پیچ و مهره و یا پرچ به یکدیگر متصل میشوند. بر اساس نیازهای پروژه، اتصالات خرپا داخلی (مفاصل) می‌تواند به شکل سفت و سخت، نیمه سفت و سخت، یا لولا طراحی شود.
اتصال اعضا گاهی به طور مستقیم و گاهی به وسیله ورقی موسوم به (ورق اتصال) صورت می‌گیرد. بنابراین در عمل، نه تنها حالت اتصال مفصلی در انتهای اعضا وجود دارند، بلکه پیوند آنها به یکدیگر و به ورق اتصال از گیرداری قابل ملاحظه‌ای نیز برخوردار است. توجه به نکاتی خاص موجب میشود که فرض اتصال مفصلی و نیروی محوری خالص در اعضای خرپاها واقعیت بیشتری پیدا کند. در طرح خرپا سعی میشود تا امتداد محور میله‌ها از نقطه مشترکی بگذرد. همچنین اعمال نیروهای خارجی به محل گره‌ها از شرایط دیگر این فرض است.
به طور کلی برای حل خرپا دو روش وجود دارد. روش اول تعادل مفصلی و روش دوم تعادل برشی است. روش تعادل مفصلی، روشی با قاعده و مراحل انجام آن مشخص است اما برای خرپاهای دو بعدی معمولاً محاسبات بیشتری را نسبت به روش تعادل برشی نیاز دارد. روش تعادل برشی کمی نیاز به ابتکار دارد اما برای خرپاهای دو بعدی معمولاً جواب را سریع تر نتیجه می‌دهد و برای حل تست‌های آزمون مناسب‌تر است. در روش تعادل مفصل ابتدا سعی میشود با استفاده از معاملات تعادل کل سیستم، نیروهای تکیه گاه‌های خرپا یا حداقل بعضی از آنها محاسبه شود. البته این مورد همیشه امکان پذیر نیست زیرا ممکن است تعداد قیود تکیه گاهی از تعداد معاملات تعادل بیشتر باشد، سپس تعادل هر یک از مفصل‌های خرپا در نظر گرفته شده و برای هر یک ۲ معادله تعدل افقی و عمودی نوشته میشود. به این ترتیب تعدادی معادله برای پیدا کردن مجهولات (نیروهای اعضا و نیروهای تکیه گاهی که هنوز مجهول هستند) به وجود میآید.
اصول ساخت خرپاها
چون در خرپاها فرض میشود که اعضا در انتهای خود به اعضای دیگر لولا شده‌اند، بنابراین (شکل مثلثی) تنها شکی پایدار خواهد بود. اگر شبکه در یک صفحه واقع باشد، خرپا را (خرپای صفحه‌ای) و اگر شبکه فضایی باشد، خرپای حاصل را (خرپای فضایی) می‌گویند. مطالعه خرپایی نشان می‌دهد که خرپای مثلثی تحت تاثیر نیروی وارد آمده تغییر شکل نمی‌دهد مگر این که یکی از اعضای آن خم شده یا بشکند. شبکه‌هایی که به صورت چهار عضو یا بیشتر باشند، پایدار نیستند و تحت تاثیر نیروهای موثر فرو می‌ریزند. این شکل‌ها بدون این که در طول و اندازه اعضای آنها تغییری رخ دهد، تغییر فرم می‌دهند.
سازههای خرپایی
سازههای خرپایی متشکل از اعضای کششی و اعضای فشاری هستند که به شکل مثلثی با اتصال مفصلی به یکدیگر متصل شده‌اند و نیروهای درونی آنها تماماً محوری‌اند (فشار و با کشش مستقیم بدون خمش و برش). انواع سازههای خرپایی شامل کابل، خرپا، قاب‌های فضایی و قاب‌های ژیودزیک میشود. هندسه مثلثی شکل دارای نقش و تأثیری اساسی در رفتار خرپاهاست. زیرا مثلث تنها چند ضلعی است که به طور ذاتی دارای پایداری هندسی است. معماران و احتمالاً بیش از آنان مهندسان، برای پوشش دهانه‌های مختلف به سازههای مسطح از قبیل تیرها، خرپاها و قاب‌های مسطح فکر می‌کنند. در بیشتر موارد در صورتی که طراحی به صورت سه بعدی انجام شود و برای دهانه‌های متوسط و دهانه‌های بلند از سازههای فضایی استفاده شود، مزایای بیشتری به دست میآید. در حقیقت همه سازه‌ها سه بعدی و دارای طول، ارتفاع و ضخامتند. اگر چه تیرها و خرپاهای مسطح اغلب رفتار سازه‌ای دو بعدی دارند، اما این عناصر سازه‌ای به طور کلی در یک صفحه در برابر بارهای وارده مقاومت می‌کنند. زمانی که دهانه سازه بیشتر از ۱۰ متر میشود، استفاده از اعضای تیر در شبکه تک لایه‌ای اقتصادی نیست و خرپاهای با جان باز با شبکه‌های ویرندیل ممکن است جایگزین تیرهای توپر شود.
مزایای سازههای خرپایی
- از آنجا که سازههای مرکب با عملکرد برداری در رابطه با وضعیت‌های بارگذاری متغیر بسیار کارآمد بوده و از آنجا که سازه‌ها متشکل از اجزای مستقیم و کوچک هستند جهت تشکیل سیستم‌های سازه‌ای قائم برای ساختمان‌های مرتفع مناسبت بارزی دارد.
- سیستم‌های با عملکرد برداری به عنوان سیستم‌های سازه‌ای قائم جهت ساختمان‌های مرتفع مزایای زیادی دارند. در صورتی که از آرایش مناسبی برخوردار باشند، می‌توانند عملکرد‌های سازه‌ای جمع آوری بارگذاری خطی، انتقال بار مستقیم و پایداری در مقابل بارهای جانبی را توأما انجام دهند.
- سیستم‌های سازه‌ای با عملکرد برداری، به دلیل اینکه جهت گسترش سه بعدی با عناصر استانداردشان در حداقل فضای ممکنه، امکان‌های نا محدود و گوناگونی را مهیا می‌سازد. فرم سازه مناسب برای شهر‌های متحول آتی به شمار می‌روند.
- سیستم‌های سازه‌ای با عملکرد برداری، در واقع پیش نیازهای سوق دادن همه جانبه طراحی شهری به سمت بعد سوم یعنی ارتفاع هستند. فقط به وسیله سازههای فضایی با عملکرد برداری میتوان تهاجم فنی فراگیر فضای سه بعدی و طراحی شهری را سامان داد.
معرفی سیستم سازه‌ای قاب خرپایی متناوب
سیستم سازه‌ای قاب خرپایی متناوب (Staggered Truss Framing System) یکی از انواع سیستم‌های مهاربندی جانبی در سازههای فولادی محسوب میشود. در این سیستم و در یک طبقه، دهانه مهاربندی در یک ردیف ستون و در ارتفاع به صورت یک در میان (متناوب) اجرا میشود و در طبقات دیگر، دهانه مهاربندی به ردیف ستون دیگر منتقل میشود.
عملکرد این سیستم مانند یک تیر طره‌ی قائم است که ستون‌ها مانند بال‌های تیر و دهانه‌های خرپایی مانند اعضای جان هستند. به دلیل فاصله زیاد بین ستون‌ها که باعث ایجاد فضای معماری بیشتر میشود و نیز به لحاظ اقتصادی بودن مخصوصاً در سازههای بلند مرتبه، این سیستم مورد توجه ویژه محققین قرار گرفته است. ( طبق یک تحقیق که توسط نگارندگان انجام شد، برای یک سازه ۲۰ طبقه به مساحت ۵۴۰۰۰ متر مربع، وزن فولاد مصرفی سیستم قاب خرپایی متناوب ۴۹۳ تن کمتر از سیستم قاب دوگانه خمشی ویژه بدست آمد. این اختلاف و صرفه جویی فاحش لزوم بررسی و تلاش برای بهبود عملکرد این سیستم سازه‌ای را ضروری می‌نمایاند تا بتوان به صورت وسیع از آن استفاده کرد).
سیستم قاب خرپایی متناوب یک ایده جدید در سازههای فلزی مخصوصاً سازههای بلند است. برای تامین شکل پذیری کافی این سیستم از یک قاب ویراندل با عملکرد خمشی در وسط دهانه قاب خرپایی استفاده میشود. فلسفه طراحی لرزه‌ای در این سیستم به گونهای است که تغییرشکل‌های غیر الاستیک و خرابی‌های احتمالی باید محدود باشد. تا هم پایداری کلی سازه حفظ شود و هم هزینه تعمیر و مقاوم سازی پس از وقوع زلزله به حداقل برسد. برای این منظور ابعاد مقاطع به گونهای انتخاب میشود که تحت بارهای جانبی مفاصل پلاستیک تنها در قاب ویراندل ایجاد شود و سایر اعضای خرپایی و ستون‌ها کاملاً الاستیک باقی بماند. که این امر سبب کنترل خرابی در ناحیه کم خطر شده و هزینه مقاوم سازی را نیز به حداقل می‌رساند.
مزایا
- کم بودن تعداد ستون‌ها و فاصله زیاد بین آنها
- افزایش انعطاف پذیری برای طرح معماری
- سرعت بالای اجرا بدون توجه به شرایط جوی
- قابلیت استفاده از کف‌های پیش ساخته تو خالی به عنوان دیافراگم کف
- کم بودن ارتفاع کف تا کف (حداقل نیاز به اجرای سقف‌های کاذب به علت تغییرات در ارتفاع مقاطع)
- افزایش مقاومت ساختمان در مقابل حریق به علت فاصله ی زیاد ستون ها
- عملکرد مناسب در برابر لنگرهای واژگونی ناشی از زلزله
- صرفه جویی اقتصادی در وزن فولاد مصرفی در سازه
- صرفه جویی اقتصادی در وزن فولاد و بتن مصرفی در فونداسیون
سازه نگهبان خرپایی (Guardian truss structures)
یکی از روش‌های پایدار سازی جداره گودبرداری است. سازه نگهبان خرپایی متداول‌ترین روش پایداری سازی در گودهای با عمق متوسط است. در این روش پروفیل‌های فولادی خرپایی، در فواصل معین به دیواره گود، تکیه داده میشود. خرپاها با تحمل فشار جانبی ناشی از سربار خاک، و انتقال آن به زمین، مانع از ریزش دیواره گود میشود.
شروع اجرای سازه نگهبان خرپایی، قبل از گودبرداری است. در بعضی از مواقع، ممکن است این کار حتی قبل از تخریب سازه قدیمی آغاز شود. شروع سازه نگهبان با حفر چاهک آغاز میشود. حُسنِ این کار این است که قبل از گودبرداری خاک از تراکم خوبی برخوردار است. به همین دلیل امکان ریزش دیواره چاهک کمتر است.
خرپای فضایی
یکی از مقاومترین و جالبترین سازههای شبکه فضایی یا خرپای فضایی است. از خرپاهای فضایی، به علت سختی و استحکام زیادی که دارند، برای پوشش فضاهای کارخانه‌ها، نمایشگاه‌ها، استخرها و … استفاده میشود. در عمل از این سیستم برای پوشاندن سقفهایی به مساحت ۹۰×۹۰ بدون بهره‌گیری از ستون استفاده می‌کنند. در طی سال‌های اخیر از شبکه‌های دو لایه‌ای که یک یا هر دو لایه آنها از شش ضلعی‌هایی تشکیل میشود، برای احداث بام استفاده شده است. جنس و نوع پروفیل‌های به کار رفته در خرپاهای فضایی ممکن است لوله فلزی، آلومینیومی ،نبشی و یا قوطی باشد که اتصالات به صورت مفصلی است.
