مصالح ساختمانی | اهمیت استفاده از خرپا در سازه

خرپا چیست؟

اعضا‌ی سازه فولادی در معرض نیروهای محوری قرار دارند و معمولاً کارایی بیشتری از اعضای انعطاف‌ پذیر دارا می‌ باشند؛ 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 دهانه‌ های بزرگ به کار گرفته می‌شوند. همان گونه که می‌دانید سیستم‌ های خرپایی در مقایسه با سایر سیستم‌ ها، مواد نسبتاً کمتری مصرف نموده و برای ساختن آن‌ها نیروی کار کمتری نیاز است، به همین سبب خرپا در زمینه ساخت سازه ‌های فضایی کاملاً مناسب و کارآمد می باشد.

انواع نیروهای اعمال شده به خرپا

نیروهای وارد شده به خرپا‌ها یکسان نبوده و در سازه های 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 ساختما‌ن ‌های صنعتی به دو شکل بارمرده و بارزنده می‌باشد. بار مرده و بار زنده دو مشخصه فیزیکی هستند، که در علوم مهندسی و سایر علوم کاربرد دارند. مقدار بار زنده، متغییری است که به یک سازه اعمال شده و در طول زمان تغییر می کند اما بار مرده میزان ثابتی است که به سازه وارد می شود.

بار مرده

بار مرده بر روی خرپا های سقف ساختمان های صنعتی شامل بار مرده روکش‌ ها، بار مرده تیرک‌ ها، وزن خود خرپا و وزن بست‌ ها است. مجاری مخصوص تهویه مطبوع و وزن هواکش ممکن است به بارهای مرده خرپا 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 می ‌باشند.

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 ساختمان‌ های 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. همچنین این پشت بند‌ها به علت افزایش نیروی ثقلی در ساختمان‌های صنعتی، از خمش بین چهارچوب‌ های مختلف می‌ کاهد. علاوه بر آن از ستون‌های موجود در ساختمان‌ های 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 ساختمان‌ های فولادی سبک صنعتی لحاظ نمی‌شوند و اکثرا نیروی ناشی از باد حاکم است. ولیکن بار زلزله بر طراحی ساختمان‌ های 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 ساختمان‌ ها در برابر بارهای جانبی مقاومت بسیار بالایی از خود به جای بگذارند. از این رو ساختمان‌ های دارای دامنه متوسط اقتصادی تر هستند. در صورت بارگیری در برابر زلزله، ممکن است ساختمان‌ های مقاوم نیروی اینرسی بیشتری را به خود جذب کنند. این امر سبب می‌شود شرایط استفاده از پشت بندها، مطلوب نباشد.

پل‌های خرپا

خرپاها در پل‌ ها 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 پل‌ های نوع میانی مسیر عبور پایین خرپاها و در پل‌ های 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 دهانه‌ ای 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 برنامه‌ های رایانه‌ای نیز وجود دارند که با استفاده از آنها می‌توان به تجزیه و تحلیل خرپا ها پرداخت. این نوع برنامه‌ ها در مورد خرپا‌های نامعین چند دهانه‌ای و علاوه بر آن‌ها، در مورد خرپاهایی مقاومت مفصلی نیز 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.

خرپای شیروانی

یکی از متداول‌ ترین خرپاها، خرپای شیروانی است، که مشخصات متفاوتی دارد. از ویژگی خاص این خرپاها می‌توان به وتر بزرگی 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 خرپا وارد شود، این مقطع 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. در نظر داشته باشید که نسبت بزرگتر در طول ‌های طولانی اقتصادی‌ تر است. خرپاهای شیروانی با توجه به نوع، تنظیمات متفاوتی دارند.

خرپا وتر موازی

خرپاهای وتر موازی برای پشتیبانی از خرپای سقف North Light در ساختمان‌ های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین از این خرپاها در پل‌ های دهانه متوسط نیز استفاده می‌شود. از خرپاهای وتر موازی می‌توان به عنوان تیرهای پیش ساخته، تیر و شاه تیر در ساختمان‌ های 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 شبکه‌ هایی با طول یکسان استفاده کرد. همین مورد می‌تواند هزینه ساخت را برای دهانه‌ های طولانی کاهش دهد.

از پشت بندهای عمودی اضافی در نوع warren اصلاح شده استفاده می‌ شود. این کار به منظور کاهش طول پشتیبانی نشده در اعضای وتر انجام می‌ گردد. از تیرک‌ هایی با زاویه قائم نسبت به هم به طور موازی به عنوان سیستم‌ های دندانه دار در سقف north light استفاده می‌ شود. این کار نیز به منظور پشتیبانی از خرپاهای north light و انتقال بار به ستون‌ های انتهایی انجام می‌ گیرد.

خرپای ذوزنقه‌ای

معمولاً خرپاهایی که پیکربندی ذوزنقه‌ ای دارند در بام‌ های 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 شیبدار می‌ تواند در خرپای دهانه بسیار طولانی اقتصادی و به صرفه باشد، چرا که آنها تمایل به کاهش دادن طول عضو جان خرپا دارند.