همه چیز درباره تیرآهن های لانه زنبوری

زمان مطالعه : ۱۰ دقیقه

همه چیز درباره تیرآهن های لانه زنبوری

در ایران سابقه استفاده از سازه های فولادی و تیرآهن لانه زنبوری به چند سال قبل بر می گردد. سازه های فولادی دستخوش تغییرات زیادی شده اند، از جمله این تغییرات، تولید تیرآهن های لانه زنبوری است. تیر آهن لانه زنبوری یکی از رایج ترین عناصر کاربردی در سازه است که غالب استفاده از آنها نیز در سازه های فولادی می باشد.

شاه تیرها (پل ها)

شاه تیرها اعضای فلزی افقی اصلی هستند كه با اتصالات لازم به ستونها متصل می شوند که به وسیله آنها بار طبقات به ستونها انتقال می یابد. شاه تیرهای فلزی ممكن است به اشکال زیر به كار روند :
الف) تیرهای معمولی بصورت تك یا دوبله
ب) تیرآهن معمولی با ورق تقویتی روی بالها و یا بال و جان
ج) تیرآهن بال پهن
د) تیر ورق (گیردار) تركیب تیرآهن معمولی با ورق یا تیرآهن بال پهن با ورق و یا از تركیب ورقها درست می شود.
ه) پل های لانه زنبوری از تیرآهن معمولی یا تیرهای بال پهن 
و) خرپاها.

تعریف تیرآهن های لانه زنبوری

تیر آهن لانه زنبوری

دلیل نامگذاری تیرآهن های لانه زنبوری این است که این نوع از تیرها در امتداد طولی خود حفره های تو خالی شبیه به لانه زنبور دارند که این شکل گیری نتیجه انجام عملیاتی همچون بریدن و دوباره جوش دادن و تکمیل پروفیل است. بر همین اساس به تیرآهن های لانه زنبوری معروف هستند و کاربرد آن ها در سازه های سبک است.
هدف از ساخت تیرهای لانه زنبوری
هدف از ساخت تیرهای لانه زنبوری این است كه تیر بتواند ممان خمشی بیشتری را با خیز (تغییر شكل) نسبتآ كم و همچنین وزن كمتر در مقایسه با تیر نورد شده مشابه تحمل كند؛ برای مثال ارتفاع پروفیل IPE 18 را که ۱۸ سانتی متر ارتفاع دارد، می توان تا ۲۷ سانتی متر افزایش داد.
 برای ساختن تیر لانه زنبوری دو روش موجود است:
 الف) شیوه برش پانیر
ب) شیوه برش لتیسکا

روشهای مختلف برش تیرآهن

برش تیر آهن

1.برش به روش كوپال (روش سرد)

 در این روش تیرآهن به شکل سرد در امتداد خط منکسر، قطع می شود. این کار با استفاده از دستگاه قطع كن سنگین كه به گیوتین مخصوص مجهز است انجام می گیرد.

2.برش به روش برنول (روش گرم)

برش در این روش به صورت گرم انجام می گیرد؛ به این شکل كه كارگر ماهر، برش را به وسیله لوله برنول، با شعله بنفش رنگ قوی حاصل از گاز استیلن و اكسیژن، انجام می دهد.
عمل بریدن تیرهای سبك توسط ماشین های برش اكسیژن شابلن دار، نسبتآ ساده است. در ایران تیر های لانه زنبوری را بیشتر با دست تهیه می كنند.

روش های ساختن تیر لانه زنبوری و تقویت آن

روش تهیه تیرهای لانه زنبوری به این شکل است كه ابتدا با توجه به استاندارد، بر روی جان تیرآهن نورد شده، با استفاده از اگو كه بصورت شش ضلعی از ورق آهن سفید نیم میلی متری (شابلن) است، خط می گردد؛ سپس تیرآهن را با زدن تك خال جوش روی یك شاسی افقی در نقاط مختلف، جهت ممانعت از تاب برداشتن قرار می دهند. آن گاه در امتداد خط منكسر، با استفاده از دستگاه برش (برنول)، اقدام به برش می كنند تا پروفیل به دو قسمت بالا و پایین تقسیم شود. حال اگر قسمت بالا به اندازه یك دندانه جابجا شود و دندانه های دو قسمت بالا و پایین به دقت مقابل هم قرار گیرند و كارگر ماهر از دو طرف آن را جوشكاری كند با استفاده از جوش قوسی نیمه اتوماتیك برای اتصال دو نیمه بریده شده، یك جوش خوب، بی عیب، سریع و مقرون به صرفه به دست خواهد آمد.

قیمت تیرآهن

تقویت تیر های لانه زنبوری به كمك رفتار مركب بتن و فولاد

در تیرهای لانه زنبوری، در محل حلقه ها علاوه بر تنش های خمشی اصلی، تنش های خمشی ثانویه ای حاصل از برش در مقطع، ایجاد می گردد كه گاهی این تنش ثانویه از تنش های خمشی اصلی در تیر بزرگترند. این تنش ها از كارایی تیر می كاهند. به بدین منظور برای مقابله با آنها باید حلقه های كناری را با ورق پر كرد. خصوصآ زمانی كه از این نوع تیر ها بصورت یكسره در محل تكیه گاه ها كه هم نیروی برشی و هم لنگر خمشی زیاد می باشد استفاده می شود، تنش های خمشی بشدت بالا می رود و نیاز به تقویت تیر در این محل ها می باشد كه از لحاظ اقتصادی قابل توجیه نمی باشد. برای مقابله با این ضعف در تیرهای لانه زنبوری، برای بتن و فولاد رفتار مركب تهیه شده است. به این ترتیب كه در نقاطی كه تنش های ثانویه محسوس می باشند، داخل تیر فلزی از بتن پر می شود و كشش حلقه های خالی را تغییر می دهد و این امر سختی و مقاومت تیر را افزایش می دهد و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می باشد .

تیر لانه زنبوری مدفون در بتن چیست؟

طراحی و اجرای تیرآهن فولادی مدفون در بتن به طور معمول از اوایل سال های ۱۹۰۰ میلادی آغاز شد. در ابتدا این بتن پوشش دهنده، جهت رفع یکی از نقاط ضعف سازه های فولادی یعنی مقاومت کم این سازه ها در برابر آتش سوزی، انجام می شد. بدین طریق که بتن به شکل پوشش ضخیمی عضو  فولادی را پوشانده و آن را از صدمات ناشی از حرارت زیاد آتش محافظت می نمود. بر همین اساس، این بتن تنها نقش پوششی را داشته و از اثرات متقابل بتن و فولاد بر یکدیگر (عمل مرکب) صرف نظر می گردید.
اولین مطالعات بر روی عملکرد توام بتن و فولاد شامل دو پانل بتنی که در آن یک جفت تیر فولاد I شکل مدفون گردیده بود، انجام می شد. در طی این مطالعات مشخص شد که تیر آهن فولادی ذکر شده رفتار سازگاری با بتن دال خود داشته و نیروی چسبندگی بتن و فولاد در جهت عملکرد توام آن به کار می افتاد. 
تیرآهن لانه زنبوری مدفون در بتن، در سقف هایی با سیستم تیرچه و بلوک جهت پوشش در ساختمان استفاده می شود. تحقیقات و پروژه های انجام شده بر روی این تیرها به علت استفاده بسیار کم در سایر کشور ها خصوصآ کشور های صنعتی، بسیار کم و انگشت شمار می باشد.

تاثیر بتن بر تغییر شکل های برشی در تیرآهن لانه زنبوری

تغییر شکل های برشی در تیرآهن لانه زنبوری بدون پوشش بتنی از ترکیب تغییر شکل های برشی و خمشی در محل سوراخ محاسبه می گردد. اما میزان تغییر شکل های برشی در هنگام مدفون شدن کاملآ تغییر می کند.
با توجه به تحقیقات بسیار کم در مورد اثرات بتن محصور کننده بر روی تیرهای لانه زنبوری، اکثر طراحان، عملکرد توام بتن و تیرلانه زنبوری را در نظر نمی گیرند و به طراحی این تیر ها بدون پوشش بتنی می پردازند، و یا بدون داشتن هیچگونه توجیه علمی، درصدی به مقاومت تیر بدون پوشش می افزایند.
نتایج پژوهش های صورت گرفته بر روی رفتار ارتجاعی و غیر ارتجاعی تیر های لانه زنبوری مدفون در بتن نشانگر این است که طراحی تیرهای بدون پوشش بتنی، باعث ایجاد طراحی های دست بالا می گردد. به طوری که در برخی موارد ظرفیت باربری محاسبه شده به کمک این روش ها نسبت به روش های عملکرد توام، در حدود نصف مقدار محاسبه شده می باشد.

تیرهای لانه زنبوری بدون پوشش بتنی

برای ساخت تیرهای لانه زنبوری بدون پوشش بتنی، ابتدا تیرآهن نورد شده از وسط جان به صورت زیگزاگ بریده می شود. امروزه این کار توسط دستگاه گیوتین یا به وسیله حرکت تیرآهن از میان فک های مخصوص برش انجام می گیرد. در حالیکه در گذشته از دستگاه های برش هوا استفاده می شد. در نهایت با ساخت این نوع از تیرها، تیری به وجود می آید که دارای ارتفاع بیشتر، قوی تر و سخت تر از تیر اصلی است. بدین صورت سبب افزایش ممان اینرسی در حدود ۵/۲-۲ برابر و نیز افزایش ۵/۱ برابری اساس مقطع، بدون به هدر رفتن هیچ گونه مصالح می گردد.

هندسه و ابعاد تیرآهن های لانه زنبوری به چه شکل است؟

هندسه تیر آهن لانه زنبوری

برش ‌های طولی زیگزاگی، مهمترین تفاوت تیرآهن های لانه زنبوری با سایر تیرآهن هاست. همچنین، حمل و نقل این تیر آهن ها به خاطر وجود سوراخ های لانه زنبوری بسیار راحت‌ تر است. زاویه سوراخ های لانه زنبوری روی این تیرآهن ها 45 تا 60 درجه بوده و انتخاب این زاویه باید طوری باشد که از تجاوز تنش برش افقی در تار خنثی جلوگیری کند.
بر اساس پیشنهاد آیین نامه فولاد ایران، زاویه سوراخ های روی تیر آهن لانه زنبوری باید 63 درجه باشد. همچنین، هنگام جوش کردن تیرآهن های لانه زنبوری باید نهایت دقت را به کار گرفت. بر اساس قوانین و مقررات ملی ساختمان ایران، استفاده از تیرآهن های لانه زنبوری در ساخت و ساز ها مجاز بوده و باید در انتخاب زاویه سوراخ های این تیرآهن ها احتیاط نمود.

طراحی تیرهای لانه زنبوری

تیر آهن لانه زنبوری

تیر یکی از اعضاء اصلی در مجموعه المان های کاربردی در سازه های ساختمانی است. در ایران تیرهای لانه زنبوری را بیشتر با دست تهیه می کنند. در صورت امکان طراحی این تیرها به صورت مرکب با عملکرد توام با بتن کف انجام می شود. 
قبل از آن که بتوان در مورد اتصالات خورجینی و نحوه عملکرد و شکل پذیری اتصال و در آخر میزان مطلوبیت این اتصالات به عنوان اتصالات قاب های فضایی شکل پذیر، از دیدگاه رابطه بین لنگر و چرخش اتصال، اظهار نظر قطعی نمود، لازم است تحقیقات دامنه داری در مورد رفتار استاتیکی و دینامیکی این گونه اتصالات انجام شود. مطالعاتی که در حیطه الاستیک روی رفتار تیرهای خورجینی انجام گرفته حاکی از آن است که میزان گیرداری این اتصالات را با استفاده از ورق های اتصال که در بالا و پایین به بال تیر های خورجینی و به ستون و در عین حال به کناره نبشی های اتصال فوقانی و تحتانی جوش شده اند، می توان در جهات تیرهای خورجینی بهبود بخشید.
بنابراین می توان تمایل به پیچش ناشی از برون محوری را در ناحیه اتصال خنثی نمود و در عین حال از نظر میزان تمرکز تنش نیز، شرایطی مناسبی را ایجاد کرد. استفاده از لچکی هایی جهت جلوگیری از تغییر شکل نبشی های اتصال فوقانی نه تنها از نظر ایجاد محدودیت و قیود بیشتر در تغییر مکان جانبی پیچشی تیر های خورجینی بلکه از نظر افزایش میزان گیرداری اتصال تیر فرعی به مجموعه نیز خورجینی و ستون نیز موثر است.

مزایا و معایب تیراهن لانه زنبوری

1. مهمترین مزیت تیرآهن های لانه زنبوری، مقطع غیر فشرده آن است. از آنجایی که تیرآهن ها از قسمت جان توخالی روی هم قرار می گیرند، وزن سازه کاهش می یابد. کاهش وزن سازه باعث ایمن تر شدن ساختمان و انعطاف پذیری بیشتر آن در مقابل بارهای ناشی از زلزله می گردد.
2. مقاطع تیرآهن ها به شکل زیگزاگ و یا زاویه دار برش می خورد و همین امر موجب صرفه جویی و استفاده بهینه از فولاد و آهن می گردد. لذا استفاده از تیرآهن های لانه زنبوری مقرون به صرفه خواهد بود.
3. حفره های موجود در جان تیرآهن های لانه زنبوری موجب تسهیل عبور تاسیسات ساختمانی و کابل های برق شده و همین امر استفاده آنها را دو چندان می کند.
4. نقش تیرآهن، انتقال بار به سایر عناصر سازه می باشد و تیرآهن های لانه زنبوری بهتر از سایر تیرآهن ها این نقش را ایفا می کنند.
5. مدل مقطع و ممال اینرسی مقطع تیر افزایش می یابد.
معایب:
1. از جمله معایب  تیر لانه زنبوری وجود حفره های آن است که می تواند تنش های برشی را در محل تکیه گاه های پل به ستون یا  اتصال تیر آهن تو دلی ( تیر فرعی ) به پل لانه زنبوری تحمل کند. بنابراین برای رفع این عیب اقدام به پر کردن بعضی حفره ها با ورق فلزی و جوش می کنند تا اتصال بعدی پل به ستون یا تیر فرعی به پل، به درستی انجام شود.
2. اتصالات نقش کلیدی و تعیین کننده ای را در انتقال بار از یک عضو به عضو یا اعضای دیگر دارند. در صورت اجرای نا مطلوب، آن به میزان زیادی از باربری یا مقاومت المان سازه ای کاسته خواهد شد. در نتیجه مسئله نظارت موثر بر اجرای عملیات جوشکاری اهمیت بسزایی در کیفیت کلی سازه خواهد داشت. همچنین ضعفی که در ناحیه جان تیر در اثر کاهش مساحت آن وجود دارد از نقاط ضعف این تیرها است.
3. تیرهای لانه زنبوری از ضریب اطمینان یا ایمنی (safety factor) کمتری نسبت به سایر مقاطع برخوردارند. اما استفاده گسترده از این نوع تیر ها به سبب مزایایی که دارند، هنوز هم در مقیاس وسیعی از کارهای ساختمانی متداول است. 

کاربرد تیرهای لانه زنبوری

تیرآهن های لانه زنبوری به علت طرز  اجرای خاص سقف های تیرچه و بلوک که کاربرد فراوانی در ایران دارند، در بتن مدفون می گردند. این بتن می تواند اثرات کمکی زیادی روی تیر آهن داشته و بسیاری از عیوب ایجاد شده در تیرهای لانه زنبوری بدون پوشش بتنی از قبیل کاهش مقاومت برشی، ایجاد خمش ثانویه، ناپایداری پیچشی جانبی (که یکی از صورت های اصلی کمانش تیر های بدون پوشش می باشد)، اثرات تغییر شکل های ثانویه در تیرآهن لانه زنبوری، کمانش های موضع بال و نیز کمانش های موضعی جان را تا حد زیادی برطرف نماید.

استفاده ی تیرآهن لانه زنبوری در ساختمان سازی

تیر آهن لانه زنبوری

ساخت سازه های فولادی از سال ها پیش در ایران شروع گردیده و در طی سالیان متمادی دچار تغییرات فراوانی در نحوه محاسبه و اجرا شده است. از جمله مهمترین این تغییرات استفاده روز افزون از تیر آهن لانه زنبوری به عنوان تیر های فرعی سقف و نیز تیر های اصلی که صرفآ وظیفه حمل بار های ثقلی را دارند، می باشد. همچنین به دلیل عدم وجود اطلاعات کافی در زمینه قاب های برش گیر شده در تیرهای لانه زنبوری، تعداد قابل توجهی از قاب های خمشی با استفاده از این تیر ها ساخته می شوند.
 از جمله مهمترین علل استفاده از تیرآهن لانه زنبوری عدم وجود تنوع کافی در نیم رخ های نورد شده و نیز اقتصادی بودن این تیر ها می باشد، بطوریکه هزینه ساخت این تیرها شامل هزینه برش، مونتاژ و جوشکاری است که از ارزش فولاد مصرفی کمتر می باشد.

جمع بندی

در سال های اخیر، با توجه به تحقیقات انجام شده بر روی تیر آهن های لانه زنبوری، مقاومت بسیار بالای این نوع از تیر آهن ها و شکل پذیری آسان و مزیت اقتصادی آن نسبت به سایر تیرآهن ها مدنظر است. بر این اساس یکی از متداول ترین عناصر مورد استفاده در سازه، تیرآهن لانه زنبوری می باشد که غالبآ در سازه های فولادی کاربرد دارند. 
در ایران ساخت و تهیه تیرهای لانه زنبوری در بیشتر موارد و طبق اصول و قوانین از پیش تعیین شده مهندسین سازه، توسط کارگران ماهر و با دست انجام می شود. مقدار و نحوه ی ساخت تیرهای لانه زنبوری با پوشش بتنی با توجه به میزان و نوع استفاده آن ها در ساختمان سازی تعیین و محاسبه می شوند. به طوریکه میزان تغییر شکل در تیر آهن های لانه زنبوری هنگام استفاده از بتن بسیار پایین می آید. اما متاسفانه برخی از طراحان، تیرآهن های لانه زنبوری را بدون استفاده از بتن به کار می گیرند.

۰۰