خرپا چیست و چرا استفاده از آن در سازه اهمیت زیادی دارد؟

خرپا‌ها سازه‌های فلزی مثلثی‌ شکل هستند که کاربرد بسیار زیادی در ساخت سازه‌های مختلف دارند. اعضای چهار چوب سازه‌ها وزن اعمال خارجی را متحمل شده و در معرض نیروهای اصلی محوری قرار می‌یابند. خرپا‌ها دارای انواع مختلفی هستند که از جمله آنها می‌توان به خرپاهای مسطح و ساده و خرپا‌های فضایی اشاره نمود. در خرپا های مسطح و ساده بار خارجی به اعضا در همان سطح اعمال می‌شود، اما در خرپاهای فضایی، اعضا در سه بعد از فضا جهت دهی می‌شوند.

 

 

خرپا چیست؟

اعضا‌ی سازه فولادی در معرض نیروهای محوری قرار دارند و معمولاً کارایی بیشتری از اعضای انعطاف‌ پذیر دارا می‌باشند؛ چرا که سطح مقطع آن‌ها تقریباً یکنواخت است. خرپا‌ها از اعضای مختلفی که دارای محور اصلی هستند متشکل می‌شوند و معمولاً برای ایجاد مقاومت در برابر بارهای خارجی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین در بسیاری از مواقع جهت پوشاندن دهانه‌های بزرگ به کار گرفته می‌شوند. همان گونه که می‌دانید سیستم‌های خرپایی در مقایسه با سایر سیستم‌ها، مواد نسبتاً کمتری مصرف نموده و برای ساختن آن‌ها نیروی کار کمتری نیاز است، به همین سبب خرپا در زمینه ساخت سازه‌های فضایی کاملاً مناسب و کارآمد میباشد.

خرپا در قسمت‌های مختلفی کاربرد دارد که از جمله آن‌ها می ‌توان به سقف ساختمان‌های صنعتی یک طبقه، سقف‌های بلند، سقف ساختمان‌های چند طبقه اشاره نمود. خرپاها در بخش های گفته شده با هدف ایجاد استحکام در مقابل بار‌های گرانشی مورد استفاده قرار می‌گیرند. ناگفته نماند که خرپاها در قسمت‌های دیگری با هدف ایجاد مقاومت در برابر بارهای جانبی و ایجاد ثبات جانبی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این قسمت‌ها شامل ساختمان‌ها، دیوارهای چند طبقه، تیر‌های بلند افقی ساختمان‌های صنعتی می‌شود.

معمولاً خرپاها در انتقال بار سنگین از دهانه بزرگ تر عمل شاهی را انجام می‌دهند که به آنها مشبک نیز گفته می‌شود. همچنین کمربندهای مشبک معمولاً طبیعی تر و سبک تر از کمربند‌های معمولی بوده و به همین سبب کاملا اقتصادی و به صرفه هستند. این شبکه‌ها به عنوان سیستم پشتیبانی کف در ساختمان‌های چند طبقه به کار گرفته می‌شوند. با انجام این کار عمق همه‌ی دهانه‌های مشبک درون خرپا‌ها بدون افزایش عمق سقف به راحتی صورت می‌گیرند.

خرپاهای فولادی نیز معمولا در ساختمان‌ها و پل‌ها مورد استفاده قرار گیرند. همان گونه که می‌دانید در قسمت‌های بالایی این مقاله در مورد جزئیات خرپای‌های سازه‌های فلزی مطالبی ارائه داده شد. در ادامه  رفتار و طراحی خرپا‌های کامپوزیت فولادی و بتنی مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

2 –انواع نیروهای اعمال شده به خرپا

نیروهای وارد شده به خرپا‌ها یکسان نبوده و در سازهای مختلف با یکدیگر تفاوت دارند. بار وارد شده به خرپا، به چگونگی استفاده از خرپا بستگی دارد. برخی اوقات ممکن است بار وارد شده به سازه ساکن و برخی اوقات ممکن است متغیر باشد. در این قسمت از مقاله نیروهای مختلف وارد شده به سازه را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

ساختمان‌های صنعتی

بار اعمال شده به خرپا در ساختما‌ن‌های صنعتی به دو شکل می‌باشد:

 بار مرده

بار مرده بر روی خرپاهای سقف ساختمان های صنعتی شامل بار مرده روکش‌ها، بار مرده تیرک‌ها، وزن خود خرپا و وزن بست‌ها است. مجاری مخصوص تهویه مطبوع و وزن هواکش ممکن است به بارهای مرده خرپای سقف اضافه شوند. با افزایش طول دهانه مشخص، نیروی گشتاوری که در برابر قاب معلق مقاومت می‌کند نیز به شدت افزایش می‌یابد. در چنین مواردی استفاده از خرپاهای سقف اقتصادی تر می‌باشند.

 بار زنده

بار زنده در خرپاهای سقف شامل وزن گرانشی به دلیل سرویس دهی، عبور و مرور کاربران، انتقال اسباب و اثاثیه و … است. شدت بار زنده بر طبق استاندارد IS: 875 – 1987 است. همچنین بار های ویژه اضافی مانند بار برف در آب و هوای بسیار سرد، بارهای زنده جرثقیل در خرپاها نیز در موارد خاص باید لحاظ شوند.

نیروی باد

نیروی باد در خرپاهای سقف به علت تاثیرات وزش باد، معمولا نیروی صعودی بلند کننده عمود بر سقف ایجاد خواهد کرد، مگر اینکه سقف دارای شیب زیادی باشد. به همین سبب نیروی باد در خرپای سگ خلاف بار گرانشی عمل می‌کند و برخی مواقع می‌تواند بزرگتر از بارهای جاذبه بوده و سبب بازگشت نیرو و اعضای خرپا شود.

پشت بندهای افقی و عمودی موجود در ساختمان‌های یک یا چند طبقه نیز خرپا به حساب می‌آیند. این پشت بند‌ها برای ایجاد مقاومت در برابر باد و دیگر بار های جانبی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنبن این پشت بند‌ها به علت افزایش نیروی ثقلی در ساختمان‌های صنعتی، از خمش بین چهار چوب‌های مختلف می‌کاهد. علاوه بر آن از ستون‌های موجود در ساختمان‌های مختلف پشتیبانی کرده و به این شکل استحکام خمش را افزایش می‌دهند.

بار ناشی از زلزله

بدیهی است که بار زلزله در یک ساختمان به صورت مستقیم بستگی به وزن ساختمان دارد. معمولاً بارهای زلزله در طراحی ساختمان‌های فولادی سبک صنعتی لحاظ نمی‌شوند و اکثرا نیروی ناشی از باد حاکم است. ولیکن بار زلزله بر طراحی ساختمان‌های صنعتی که وزن زیادی در پشت بام متحمل می‌شوند حاکم است. این بارها مطابق استاندارد IS محاسبه شده است.

 ساختمان های چند طبقه

بارهای جانبی به وجود آمده در اثر باد یا زلزله ممکن است در مقابل مهاربندهای عمودی که به عنوان خرپا عمل می‌نمایند، مقاومت کنند. این طراحی مناسب سبب می‌شود ساختمان‌ها در برابر بارهای جانبی مقاومت بسیار بالایی از خود به جای بگذارند. از این رو ساختمان‌های دارای دامنه متوسط اقتصادی تر نسبت به سایر ساختمان‌ها هستند. در صورت بارگیری در برابر زلزله، ممکن است ساختمان‌های مقاوم نیروی اینرسی بیشتری را به خود جذب کنند. این امر سبب می‌شود شرایط استفاده از پشت بندها مطلوب نباشد.

 پل‌های خرپا

خرپاها در پل‌ها جهت انتقال فشار گرانشی وسایل نقلیه در حال حرکت مورد استفاده قرار می‌گیرند. ممکن است خرپای استفاده شده از نوع میانی یا از نوع عرشه باشد که این امر بستگی به شرایط محیط و طول دهانه پل دارد. در پل‌های نوع میانی مسیر عبور پایین خرپاها و در پل‌های نوع عرشه، راه حمل در بالای خرپاها لحاظ می‌شوند. در اغلب مواقع فریم ساختاری که از مسیر عبور پشتیبانی می‌نماید، به نوعی طراحی می‌شود که بار اعمال شده از راه حمل به نقاط گره شده از خرپای پل عمودی منتقل شود.

برخی اوقات ممکن است خرپاها برای دهانه‌ای ارائه شوند که در آن دو نقطه اتکا پایانی وجود دارد. در این حالت خرپا‌ها می‌توانند به دو روش دستی یا مقاطع، مورد قضیه و تحلیل قرار گیرند. برخی از برنامه‌های رایانه‌ای نیز وجود دارند که با استفاده از آنها می‌توان به تجزیه و تحلیل خرپا ها پرداخت. این نوع برنامه‌ها در مورد خرپا‌های نامعین چند دهانه‌ای و علاوه بر آن‌ها، در مورد خرپاهایی مقاومت مفصلی هم لحاظ می‌شود، مناسب تر هستند.

این عملکرد خرپا از تجزیه و تحلیل مبتنی بر این فرض که اتصالات پرچ شده هستند و فقط نیروهای محوری را در اعضای مختلف خود تحمل می‌کنند، به اثبات رسیده است. با این حال، اعضای خرپا با جوش و یا با استفاده از چند پیچ، به صورت مستقیم به یکدیگر متصل می‌شوند. برخی از اعضای خرپا به ویژه وتر آن، ممکن است در گره‌ها به صورت یکپارچه قرار داده شوند.

این اتصالات همچنان که سازگاری به انتقال نیرو دارند، در کنار آن سازگاری به چرخش اعضای متصل را نیز به همراه دارند. این سازگاری سبب می‌شود تا خرپا علاوه بر نیروی محوری، لحظه خم شدن را نیز تجربه کند. این حالت ممکن است در نقاط استوانه‌ای این خرپاها بسیار ناچیز باشد. در این نقاط پهنا بسیار کوچک است. همچنین همین مسئله در خرپاهایی که اعضای آن دارای نسبت ضخامت کمتری دارند نیز وجود دارد.

گاهی ممکن است به دلیل وجود پارها در بین گره‌های خرپا، اعضای خرپا خم شوند. به چنین فشارهایی استرس‌های ثانویه می‌گویند. تنش های خمشی ثانویه نیز می تواند ناشی از اتصال غیر عادی اعضای خرپا در اتصالات آنها باشد. تجزیه و تحلیل خرپا برای گشتاور ثانویه و همچنین فشارهای ثانویه با یک تحلیل ساختاری نامشخص انجام می‌شود. این فرآیند معمولا با استفاده از نرم افزارهای رایانه‌ای انجام می‌گردد.

بزرگی استرس‌های ثانویه به سختی مفصل و سختی اعضای خرپا در محل اتصال بستگی دارد. در مواقع زیادی فشار های ثانویه در خرپاهای سقف نادیده گرفته می شود. این در صورتی است که نسبت باریک بودن اعضای وتر از ۵۰ و نسبت باریک بودن اعضای جان خرپا از ۱۰۰ بیشتر باشد.

استرس‌های ثانویه را نباید دست کم گرفت و باید همواره به آنها توجه داشت. به خصوص هنگامی که حداکثر نیرو بر روی اعضای بین گره‌ها اعمال شود و همینطور در اتصالات غیر عادی نیز استرس‌های ثانویه بسیار مهم هستند.

3.1 خرپای شیروانی

متداول‌ترین انواع خرپاها، خرپای شیروانی است که مشخصات متفاوتی دارد. از ویژگی‌های خاص این خرپاها می‌توان به وتر بزرگتری که در آن در نظر می‌گیرند، اشاره کرد. این کار به منظور تسهیل زهکشی طبیعی آب باران، تمیز کردن گرد و غبار و جلوگیری از تجمع برف انجام می‌شود. این خرپاها ارتفاع بیشتری در اواسط دهانه خود دارند.

با این اوصاف حتی اگر نیروی خمشی بزرگی به اواسط دهانه خرما وارد شود، خرپا می‌تواند در شیروانی این نیرو را متحمل شود. دلیل این امر آن است که استرس عضو وتر و استرس عضو جان میانی نسبت به وسط دهانه کمتر است. حداکثر عمقی که برای خرپاهای سقفی در نظر گرفته می‌شود در محدوده ۴ تا ۸ است. این را در نظر داشته باشید که نسبت بزرگتر در طول‌های طولانی اقتصادی‌تر است. خرپاهای شیروانی با توجه به نوع، تنظیمات متفاوتی دارند.

از انواع خرپاهای شیروانی می‌توان به خرپای پرات، خرپای Howe، خرپای FINK، خرپای FAN، خرپای FINK FAN و خرپای MANSARD اشاره کرد.

طراحی خرپاهای پرات به گونه‌ای است که اعضای مورب طولانی‌تر تحت فشار قرار نگیرند و در عوض فشار را اعضای عمودی کوتاه‌تر تحمل کنند. با تحمل فشار توسط اعضای کوتاه، طراحی کارآمدی می‌توان در نظر گرفت. افزایش نیروی باد می‌تواتد باعث برگشت معکوس استرس در این اعضا شود و مزایای خرپا را خنثی کند. خرپای Howe بر عکس خرپای پرات عمل می‌کند. در این خرپاها هملنطور که متوجه شده‌اید، اعضای بلندتر فشار ناشی از نیروها را متحمل می‌شوند.

خرپای FINK در سقف‌هایی با طول زیاد و همچنین شیب زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. نیرو در چنین خرپاهایی بین اعضای کوتاه‌تر تقسیم می‌شود.

در پروژه‌هایی که نیاز است اعضای خرپای سقف به تعدتد پانل‌های فرد تقسیم شود، از خرپای FAN بهره گرفته می‌شود. در برخی از پروژه‌ها این خرپاها را می‌توان با یکدیگر ترکیب کرد که مزایای فوق‌العاده‌ای دارد. لازم به ذکر است که ترکیب خرپای FAN و FINK همواره لازم نیست و در برخی از پروژه‌ها کارایی مثبتی دارد.

خرپا MANSARD نوع متنوعی از خرپای FINK است. در این نوع خرپاها برخلاف FINK-FAN گوشه‌های ابتدایی کوتاهتری در نظر گرفته می‌شود.

به غیر از خرپای MANSARD طول دهانه خرپاهای دیگر در شیروانی بین ۶ متر تا ۱۲ متر متغیر است. در خرپای MANSARD این طول در محدوده ۱۲ تا ۳۰ متر قرار دارد و به همین دلیل کاربرد متفاوتی از این خرپاها به کار گرفته می‌شود.

شکل 2 – انواع خرپای شیروانی

خرپاهای FAN [شکل. 2 D]- هنگامی مورد استفاده قرار می‌گیرد که اعضای خرپای سقف باید به تعداد پانل‌های فرد تقسیم شوند. ترکیبی از fan & fink [شکل. 2- E] در برخی از موقعیت‌های خاص که به تعداد خاصی از پانل احتیاج دارند، می‌تواند به دلیل برخی از مزایای استفاده شود.

خرپا –mansard–شیروانی [شکل. 2- f] 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 6 متر تا 12 متر تغییر است. خرپاهای mansard در محدوده دهانه 12 تا 30 متر قابل استفاده است.

3.2 خرپا وتر موازی

خرپاهای وتر موازی برای پشتیبانی از خرپای سقف North Light در ساختمان‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین از این خرپاها در پل‌های دهانه متوسط نیز استفاده می‌شود. از خرپاهای وتر موازی می‌توان به عنوان تیرهای پیش ساخته، تیر و شاه تیر در ساختمان‌های چند طبقه استفاده کرد. پیکربندی warren اغلب در خرپاهای وتر موازی به کار گرفته می‌شود. مزیت خرپاهای وتر موازی این است که از آنها می‌توان در شبکه‌هایی با طول یکسان استفاده کرد. همین مورد می‌تواند هزینه ساخت را برای دهانه‌های طولانی کاهش دهد.

از پشت بندهای عمودی اضافی در نوع warren اصلاح شده استفاده می‌شود. این کار به منظور کاهش طول پشتیبانی نشده در اعضای وتر انجام می‌گردد. از تیرک‌هایی با زاویه قائم نسبت به هم به طور موازی به عنوان سیستم‌های دندانه دار در سقف north light استفاده می‌شود. این کار نیز به منظور پشتیبانی از خرپاهای north light و انتقال بار به ستون‌های انتهایی انجام می‌گیرد.

نسبت دهانه مناسب به ارتفاع خرپای وترهای موازی در محدوده ۱۲ تا ۲۴ است. در این خرپاها طول کل به تعداد پنل ها تقسیم می شود.  مناسب‌ترین طول برای پنل‌های جداگانه در تیرهای فرعی ۶ متر تا ۹ متر است. میزان انتقال بار به گره خرپا و تمایل اعضای جان خرپا حدود ۴۵ درجه است.  در مورد خرپاهای بسیار بلند و یا خرپاهای کم ارتفاع، استفاده از الگوهای k و طرح الماسی ضروری است.

3.3 خرپای ذوزنقه‌ای

معمولاً خرپاهایی که پیکربندی ذوزنقه‌ای دارند در بام‌های بسیار طولانی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع پیکربندی سبب می‌شود نیروهای محوری در اعضای وتر و اثرات خم ثانویه در این اعضا کاهش یابد. استفاده از اشکال ذوزنقه ای و داشتن وتر پایین شیب دار می‌تواند در خرپای دهانه بسیار طولانی اقتصادی و به صرفه باشد، چرا که آنها تمایل به کاهش دادن طول عضو جان خرپا دارند.

4.0 –اعضای خرپا

اعضای خرپا از قطعات فلزی نورد شده و با در نظر داشتن شدت بارگیری و … ساخته می‌شوند. دسترسی به سطح جهت بازرسی، تمیز کردن و مجدد رنگ کردن هنگام سرویس از جمله ملاحظات بسیار مهمی به حساب می‌آیند که باید به آن‌ها توجه داشت. سطوح مختلف سازه که در دسترس نیستند ممکن است در اثر خوردگی شدید آسیب سختی دیده و در نتیجه از دوام سازه کم شود. در چنین محیط هایی از مقاطع قوطی جوش داده شده استفاده شده و برای کاهش هزینه نگهداری و بهبود دوام سازه از بخش‌های توخالی استفادهه می‌شود.

شکل 5- انواع مقاطع مورد استفاده در تولید خرپا

5.0 اتصالات

اعضای مختلف خرپا را می توان با پرچ کردن، پیچ و مهره و یا با استفاده نمودن از روش جوش به یکدیگر متصل کرد. همانگونه که می‌دانید برای انجام روش پرس نیاز به نیروی کار خبرهای است و به همین سبب این روش بسیار کم مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله رایج ترین قسمت‌هایی که در آن از روش پرچ استفاده می شود می توان پل‌های راه آهن در کشور هند شاعر نمود. البته این روزها در پل‌های راه آهن کشور هند نیز معمولاً از پیچ و جوش مقاوم استفاده می‌شود.

بدیهی است که خرپاهای کوتاه‌تر در محل اجرا ساخته شوند. این غرفه ها قادر هستند به طور کامل جوش داده شده و سپس به سایت منتقل شوند. از طرف دیگر خرپاهای طولانی معمولاً در بخش‌ها با جوشکاری در کارگاه ساخته می‌شوند. این بخش‌ها را می‌توان به آسانی با استفاده نمودن از پیچ یا جوش در محل مونتاژ کرد. با انجام این کار می‌توان کیفیت ساختار سازه را به مقدار قابل توجهی بالا برد.

شکل 6- اتصالات رایج خرپایی

6.0 خرپای کامپوزیت

خرپاها سیستم‌های سازه‌ای کارآمدی هستند که معمولاً نیروهای محوری را متحمل می‌شوند. و از این رو در چنین ساختارهایی از مواد فولادی استفاده می‌شود. همان‌گونه که می‌دانید فولاد به عنوان یک متریالی است که در سازه برای ایجاد تنش و فشرده سازی استفاده می‌شود. چنین سازه‌هایی می‌توانند وزن زیادی را در طول بیشتر متحمل شوند.

در ساختمان‌های چند طبقه که از خرپاهای کامپوزیتی استفاده می‌شود، تاسیسات گرمایشی، تهویه، روشنایی و… بر روی آنها قرار داده می‌شود. این امر می‌تواند دلیلی باشد تا از ارتفاع کلی ساختمان کاسته شود. به همین دلیل اجرای سیستم‌های ساختاری، مکانیکی و برقی در این قسمت، فاصله طبقات را به حداقل می‌رساند.  طبیعی است که با توجه به کارایی و ساختار مناسب خرپاهای بتنی، فولادی و کامپوزیتی بهترین انتخاب برای ساخت و سازهای بلند مرتبه باشد.

شکل 7- خرپای کامپوزیتی

مهمترین کاربرد خرپا چیست؟

همانگونه که می‌دانید خرپاها از جمله سازه‌های مستحکم و پرکاربردی هستند که معمولاً برای طول دهانه مشابه با جان تیرآهن مورد استفاده قرار می‌گیرند. از این رو از خرپاها به عنوان تیرهای تو‌خالی مشبک نیز یاد می‌شود.

خرپا چند نوع دارد؟

خرپا ها معمولاً به سه دسته خرپاهای ساده، مرکب و خرپاهای پیچیده تقسیم می‌شود.

 مهمترین معایب خرپا چیست؟

خرپا از نظر طراحی بزرگ است و فضای زیادی را اشغال می کند. از طرفی دیگر هزینه تعمیر و نگهداری آن زیاد است. همچنین خرپا وزن زیادی به ساختمان اضافه می‌کند.