همه چیز درباره تیرآهن لانه زنبوری | آشنایی با مزایا و معایب آن

در ایران سابقه استفاده از سازه‌های فولادی و تیرآهن به چند سال قبل بر می‌گردد. در طی این سالیان دراز، سازه‌های فولادی دستخوش تغییرات زیادی شده‌اند، از جمله این تغییرات، تولید تیرآهن لانه زنبوری است. تیر لانه زنبوری یکی از رایج‌ترین عناصر کاربردی در سازه است که بیشترین مصرف را در اسکلت فولادی دارد.

‌

برای آشنایی با این مقطع فولادی، کاربرد، مزایا و معایب آن مقالۀ زیر را آماده کرده‌ایم. لطفاً تا پایان مقاله همراه ما باشید. اگر سؤالی در این زمینه داشتید در انتهای مقاله از بخش «ارسال دیدگاه» با ما به اشتراک بگذارید.

آشنایی با شاه‌ تیر

شاه تیرها مقاطع فولادی افقی هستند که در ابعادی بزرگ‌تر از تیرآهن تولید می‌شوند. این مقاطع با اتصالات لازم به ستون‌ها متصل شده و بار طبقات را به ستون‌ها و در نهایت به زمین منتقل می‌کنند. 

‌

دلیل معرفی شاه تیر در ابتدای مقاله، این است که از شاه تیر در ساخت تیرآهن لانه زنبوری استفاده می‌شود. در کل این مقطع عظیم‌الجثه در اشکال مختلف به کار می‌روند:

• به‌عنوان تیر معمولی؛
• تیرآهن معمولی با ورق تقویتی روی بال‌ها و یا بال و جان؛
• تیر ورق (تركیب تیرآهن معمولی با ورق یا تیرآهن بال پهن با ورق و یا از تركیب ورق‌ها درست می‌شود)؛
• تیر لانه زنبوری؛
• خرپاها.

تیرآهن لانه زنبوری چیست؟

دلیل نام‌گذاری تیرآهن‌های لانه زنبوری این است که این نوع از تیرها در امتداد طولی خود حفره‌های تو خالی شبیه به لانه زنبور (مقطع 6 ضلعی یا 8 ضلعی) دارند. این شکل‌گیری نتیجۀ انجام عملیات بریدن و دوباره جوش دادن و تکمیل پروفیل است. 

‌

در واقع تیرآهن IPE را برش داده و به تیرآهن زنبوری تبدیل می‌کنند. این محصول در سبک‌تر کردن سازه‌ها تأثیر دارد.

‌

در ویدئوی زیر می‌توانید نحوۀ برش تیرآهن با دستگاه برش لانه زنبوری را مشاهده کنید.

روش‌های ساخت تیر لانه زنبوری و تقویت آن

برای ساخت تیرآهن لانه زنبوری از دو روش دستی یا مکانیکی استفاده می‌کنند. در روش دستی با استفاده از شابلون، قسمت‌هایی که قرار است برش خورده شود را مشخص می‌کنند. سپس ناحیه مشخص شده را با زدن تك خال جوش تقسیم کرده و ادامۀ برشکاری را انجام می‌دهند. 

‌

در روش دیگر که روشی متداول‌تر و دقیق‌تر است، تیرآهن را روی یک شاسی افقی قرار می‌دهند (این کار برای ممانعت از تاب برداشتن انجام می‌شود). سپس با استفاده از دستگاه برش (برنول)، عملیات برش‌کاری را انجام می‌دهند.

‌

بعد از برش، مقطع فولادی به دو قسمت بالا و پایین تقسیم شود. حال اگر قسمت بالا به اندازه یک دندانه جابه‌جا شود و دندانه‌های دو قسمت بالا و پایین به دقت مقابل هم قرار گیرند، مقطع لانه زنبوری تشکیل خواهد شد.

‌

جوشکاری از این نوع تیرآهن از دو طرف اجرا می‌شود و با استفاده از جوش قوسی نیمه اتوماتیك برای اتصال دو نیمه بریده شده، یک جوش خوب، بی عیب، سریع و مقرون‌به‌صرفه به دست خواهد آمد.

‌

در تصویر زیر مراحل برش تیرآهن زنبوری را مشاهده می‌کنید:

روش‌های مختلف برش تیرآهن

• برش به روش كوپال (روش سرد)

در این روش تیرآهن به شکل سرد قطع می‌شود. این کار با استفاده از دستگاه قطع كن سنگین كه به گیوتین مخصوص مجهز است انجام می‌گیرد.

• برش به روش برنول (روش گرم)

برش در این روش به صورت گرم انجام می‌گیرد؛ به این شکل كه كارگر، برش را به وسیلۀ لولۀ برنول، با شعلۀ بنفش رنگ، حاصل از گاز استیلن و اكسیژن، انجام می‌دهد.

‌

عمل بریدن تیرهای سبک توسط ماشین‌های برش اكسیژن شابلن دار، نسبت به روش‌های دیگر ساده‌تر است. در ایران تیرهای لانه زنبوری را اغلب به روش دستی تهیه می‌كنند.

بخوانید: آشنایی با تمامی روش‌های برش تیرآهن

هدف از ساخت تیرهای لانه زنبوری

برای ساخت تیرهای لانه زنبوری بدون پوشش بتنی، ابتدا تیرآهن نورد شده از وسط جان به صورت زیگزاگ بریده می‌شود. در نهایت با ساخت این نوع تیر، تیری به وجود می‌آید که دارای ارتفاع بیشتر، قوی‌تر و سخت‌تر از تیر اصلی است. 

‌

هدف از ساخت تیرهای لانه زنبوری این است كه تیر بتواند ممان خمشی بیشتری را با خیز (تغییر شكل) نسبتاً كم و وزن كمتر در مقایسه با تیر نورد شده، تحمل كند. برای مثال ارتفاع پروفیل IPE 18 را که ۱۸ سانتی‌متر ارتفاع دارد، می توان تا ۲۷ سانتی‌متر افزایش داد.

‌

تبدیل تیر معمولی به تیر لانه زنبوری سبب افزایش ممان اینرسی در حدود 2 الی 2.5 برابر و نیز افزایش 1.5 برابری ارتفاع مقطع، بدون به هدر رفتن مصالح می‌شود.

هندسه و ابعاد تیرآهن‌های لانه زنبوری به چه شکل است؟

برش‌‌های طولی زیگزاگی، مهم‌ترین تفاوت تیرآهن‌های لانه زنبوری با سایر تیرآهن ها است. در تصویر زیر هندسه و ابعاد تیرآهن زنبوری را مشاهده می‌کنید:

نکته: زاویه سوراخ‌های لانه زنبوری روی این تیرآهن‌ها 45 تا 60 درجه است و انتخاب این زاویه باید طوری باشد که از تجاوز تنش برش افقی در تار خنثی جلوگیری کند.

‌

بر اساس پیشنهاد آیین‌نامه فولاد ایران، زاویۀ سوراخ‌های روی تیرآهن لانه زنبوری باید 63 درجه باشد. همچنین، هنگام جوش کردن این تیرآهن‌ها باید نهایت دقت را به کار گرفت. 

‌

بر اساس قوانین و مقررات ملی ساختمان ایران، استفاده از تیرآهن‌های لانه زنبوری در ساخت‌وسازها مجاز است و باید در انتخاب زاویۀ سوراخ‌های این تیرآهن‌ها احتیاط کرد.

مزایای تیرآهن لانه زنبوری چیست؟

• مهم‌ترین مزیت تیرآهن‌های لانه زنبوری، مقطع غیر فشرده آن است. از آنجایی که تیرآهن‌ها از قسمت جانِ توخالی روی هم قرار می‌گیرند، وزن سازه کاهش می‌یابد. کاهش وزن سازه باعث ایمن‌تر شدن ساختمان و انعطاف‌پذیری بیشتر آن در مقابل بارهای ناشی از زلزله می‌شود؛
• مقاطع تیرآهن‌ها به شکل زیگزاگ و یا زاویه‌دار برش می‌خورد و همین امر موجب صرفه‌جویی و استفاده بهینه از فولاد و آهن می‌شود. به همین علت استفاده از تیرآهن‌های لانه زنبوری مقرون‌به‌صرفه است؛
• حفره‌های موجود در جان تیرآهن‌های لانه زنبوری موجب تسهیل عبور تأسیسات ساختمانی و کابل‌های برق شده و همین امر استفاده آن‌ها را دو چندان می‌کند؛
• نقش تیرآهن، انتقال بار به سایر عناصر سازه است و تیرآهن‌های لانه زنبوری بهتر از سایر تیرآهن‌ها این نقش را ایفا می‌کنند؛
• مدل مقطع و ممان اینرسی مقطع تیر افزایش می‌یابد؛
• حمل‌ونقل این تیرآهن‌ها به خاطر وجود سوراخ‌های لانه زنبوری بسیار راحت‌تر است. 

در ویدئوی زیر می‌توانید نحوۀ عبور لوله‌ها و تأسیسات ساختمانی از تیر لانه زنبوری را مشاهده کنید:

معایب تیرآهن لانه زنبوری چیست؟

اتصالات نقش کلیدی و تعیین‌کننده‌ای را در انتقال بار از یک عضو به عضو یا اعضای دیگر دارند. در صورت اجرای نامطلوب، به میزان زیادی از باربری یا مقاومت المان سازه‌ای 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.

‌

تیرهای لانه زنبوری از ضریب اطمینان یا ایمنی (safety factor) کمتری نسبت به سایر مقاطع برخوردارند. اما استفاده گسترده از این نوع تیر‌ها به سبب مزایایی که دارند، هنوز هم در مقیاس وسیعی از کارهای ساختمانی متداول است. 

کاربرد تیرآهن لانه زنبوری

تیرآهن‌های لانه زنبوری به علت طرز اجرای خاص سقف‌های تیرچه و بلوک (این سقف‌ها کاربرد فراوانی در ایران دارند) در بتن مدفون می‌شوند. از جمله کاربردهای این تیرها موارد زیر را شامل می‌شود: 

• از تیرآهن لانه زنبوری به‌عنوان تیرهای فرعی سقف و نیز تیرهای اصلی که صرفاً وظیفه حمل بارهای ثقلی را دارند، استفاده می‌شود
• تعداد قابل توجهی از قاب‌های خمشی با استفاده از این تیرها ساخته می‌شوند؛
•  از جمله مهم‌ترین علل استفاده از تیرآهن لانه زنبوری عدم وجود تنوع کافی در نیم رخ‌های نورد شده و نیز اقتصادی بودن این تیرها است. به‌طوری که هزینۀ ساخت این تیرها شامل هزینۀ برش، مونتاژ و جوشکاری بوده که از ارزش فولاد مصرفی کمتر است.

تقویت تیر‌های لانه زنبوری به كمك رفتار مركب بتن و فولاد

در تیرهای لانه زنبوری، در محل حلقه‌ها (شش ضلعی‌ها) علاوه بر تنش‌های خمشی اصلی، تنش‌های خمشی ثانویه‌ای حاصل از برش در مقطع، ایجاد می‌گردد. گاهی این تنش ثانویه از تنش‌های خمشی اصلی در تیر بزرگ‌تر است. 

‌

این تنش‌ها از كارایی تیر می‌كاهند. ازاین‌رو برای مقابله با آن‌ها باید حلقه‌های كناری را با ورق پر كرد. مخصوصاً زمانی که از این نوع تیرها به‌صورت یکسره در محل تكیه‌گاه‌ها كه هم نیروی برشی و هم لنگر خمشی زیاد باشد، استفاده می‌شود. 

‌

وقتی تنش‌های خمشی به شدت بالا بروندف نیاز به تقویت تیر در محل تنش است که این روش از لحاظ اقتصادی قابل توجیه نیست. ازاین‌رو برای مقابله با ضعف در تیرهای لانه زنبوری، برای بتن و فولاد رفتار مركب تعریف می‌شود. 

‌

یعنی در نقاطی كه تنش‌های ثانویه محسوس است، داخل تیر فلزی از بتن پر می‌شود و رفتار كششی حلقه‌های خالی را تغییر می‌دهد. این امر سختی و مقاومت تیر را افزایش داده و از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه است.

منظور از تیر لانه زنبوری مدفون در بتن چیست؟

طراحی و اجرای تیرآهن فولادی مدفون در بتن به‌طور معمول از اوایل سال ۱۹۰۰ میلادی آغاز شد. در ابتدا این بتن پوشش‌دهنده، جهت رفع یکی از نقاط ضعف سازۀ فولادی یعنی مقاومت کم این سازه‌ها در برابر آتش سوزی، استفاده می‌شد. 

‌

بتن به شکل پوشش ضخیمی، عضو  فولادی را پوشانده و آن را از صدمات ناشی از حرارت زیاد آتش محافظت می‌کند. این بتن فقط نقش پوششی داشته و اثرات متقابل بتن و فولاد بر یکدیگر (عمل مرکب) صرف نظر می‌شود.

‌

طی مطالعاتی که روی عملکرد بتن و فولاد (در حالت مرکب) انجام شد، مشخص شد که تیرآهن فولادی ذکر شده رفتار سازگاری با بتن داشته و نیروی چسبندگی بتن و فولاد قابل قبول است. 

‌

تیرآهن لانه زنبوری مدفون در بتن، در سقف‌هایی با سیستم تیرچه و بلوک استفاده می‌شود. استفاده از این سبک سازه در ایران بسیار کم و انگشت شمار است.

تأثیر بتن بر تغییرشکل‌های برشی در تیرآهن لانه زنبوری

تغییر شکل های برشی در تیرآهن لانه زنبوری بدون پوشش بتنی از ترکیب تغییر شکل‌های برشی و خمشی در محل سوراخ به‌دست می‌آید؛ اما میزان تغییرشکل‌های برشی در هنگام مدفون شدن متفاوت است.

‌

با توجه به تحقیقات بسیار کم در مورد اثرات بتن محصور کننده روی تیرهای لانه زنبوری، اکثر طراحان، عملکرد توام بتن و تیرلانه زنبوری را در نظر نمی‌گیرند و به طراحی این تیرها بدون پوشش بتنی می‌پردازند یا بدون داشتن هیچ‌گونه توجیه علمی، درصدی به مقاومت تیرِ بدون پوشش می‌افزایند.

‌

نتایج پژوهش‌های صورت گرفته روی رفتار ارتجاعی و غیر ارتجاعی تیرهای لانه زنبوری مدفون در بتن، نشانگر این است که طراحی تیرهای بدون پوشش بتنی، باعث ایجاد طراحی‌های دست بالا می‌گردد. 

‌

به‌طوری که در برخی موارد، ظرفیت باربری محاسبه شده به کمک این روش‌ها نسبت به روش‌های عملکرد توام، در حدود نصف مقدار محاسبه شده است.

بخوانید: راهنمای خرید تیرآهن | معرفی روشی مناسب برای خرید غیرحضوری آهن آلات

سخن آخر

در سال‌های اخیر، با توجه به تحقیقات انجام شده روی تیرآهن‌های لانه زنبوری، شکل‌پذیری آسان و مزیت اقتصادی این تیرآهن‌ها قابل توجه بسیاری از مهندسی و پیمانکاران بوده است.

‌

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 به روش دستی انجام می‌شود. 

‌

برای بررسی قیمت تیرآهن می‌توانید به وب‌سایت عصرآهن مراجعه کنید یا با شماره 0414180 با بخش فروش در تماس باشید.

سؤالات متداول