در توضیح خرپا باید بگوییم که این سازه متشکل از چند عضو بوده که تحت نیروهای کششی و فشاری به هم وصل شدند. خرپا از نظر ظاهری سازه‌ای صلبی شکل و متشکل از واحدهای مثلثی بوده که هر عضو در انتهای خود به عضو بعدی لولا خواهد شد. لازم است بدانید که همه ی اعضای خرپا باید مستقیم و بدون انحنا باشند.
آنچه در این مقاله می‌خوانید
خرپاها جزو سازه‌های باربر به حساب می آیند که تحت عنوان یک ساختار خمشی عمل خواهند کرد. خرپاها به طور معمول در سقف ها، پل ها و سازه های هوا و فضا کاربرد دارند و اغلب برای طول دهانه مشابه با جان تیرآهن در نظر گرفته می‌شوند. به این خرپاها تیرهای توخالی مشبک نیز گفته می شود. همچنین می توان خرپاهای فولادی را همراه با کامپوزیت بین سازه فولادی و بتن به کار گرفت.
اعضای سازه فولادی در معرض نیروهای محوری قرار دارند و به طور معمول کارایی بیشتری از اعضای انعطاف پذیر دارند؛ چرا که سطح مقطع آن ها تقریباً یکنواخت می باشد. خرپاها از اعضای مختلفی که محور اصلی دارند متشکل است و معمولاً برای ایجاد مقاومت در مقابل بارهای خارجی مورد استفاده قرار خواهند گرفت. همچنین در بیشتر مواقع به منظور پوشاندن دهانه‌های بزرگ به کار می روند. همان طور که می دانید سیستم‌های خرپایی در مقایسه با سیستم‌های دیگر، مواد نسبتاً کمتری مصرف کرده و به منظور ساختن آن‌ها نیروی کار کمتری نیاز است، به همین منظور خرپا در زمینه ساخت سازه‌های فضایی کاملاً مناسب و کارآمد است.
خرپا در بخش‌های مختلفی به کار می رود که از جمله آن‌ها می توان به سقف ساختمان‌های صنعتی یک طبقه، سقف‌های بلند، سقف ساختمان‌های چند طبقه اشاره کرد. خرپاها در قسمت های گفته شده با هدف ایجاد استحکام در مقابل بارهای گرانشی مورد استفاده قرار خواهند گرفت. ناگفته نماند که خرپاها در بخش های دیگری با هدف ایجاد مقاومت در مقابل بارهای جانبی و ایجاد ثبات جانبی مورد استفاده قرار می گیرند. این بخش ها شامل ساختمان‌ها، دیوارهای چند طبقه، تیرهای بلند افقی ساختمان‌های صنعتی است.
به طور معمول خرپاها در انتقال بار سنگین از دهانه بزرگ تر عمل شاهی را انجام می‌دهند که به آن ها مشبک نیز می گویند. همچنین کمربندهای مشبک معمولاً طبیعی تر و سبک تر از کمربندهای معمولی می باشد و به همین جهت کاملا اقتصادی و به صرفه می باشند. این شبکه‌ها به عنوان سیستم پشتیبانی کف در ساختمان‌های چند طبقه به کار گرفته می شوند. با انجام این کار عمق تمام دهانه‌های مشبک داخل خرپاها بدون افزایش عمق سقف به راحتی انجام می شوند.
مهاربندی خرپا به چه صورت است؟
به طور معمول اعضای خرپا تحمل لنگرهای خمشی را نداشته و این پایداری به وسیله ی گره‌ها تامین می شود؛ در پی این امر می توان برای اعضای خرپا از پروفیل‌های کمی نازک استفاده نمود که سبب پایداری ارتجاعی گشته و برای این پایداری از مهاربند در جهات جانبی استفاده می شود.
نیروهای اعمال شده به خرپا در ساختمان:
نیروهای اعمال‌شده به خرپا در سازه‌های متفاوت به کاربرد خرپا وابسته است و می تواند از سازه‌ای به سازه دیگر متفاوت باشد. در ادامه ی این متن سعی می کنیم تا به صورت خلاصه به نیروهای اعمال شده به خرپا در سازه‌های مختلف بپردازیم.
ساختمان های صنعتی:
بار یا نیروهای اعمال شده به خرپا در ساختمان های صنعتی به چهار دسته طبقه بندی می شوند:
اول، بار مرده:
بار مرده اعمال شده به خرپا های سقفی در ساختمان های صنعتی یک طبقه از بار مرده روکش ها، بار مرده تیرک ها، وزن خود خرپا، وزن بست ها، مجاری مخصوص تهویه مطبوع و وزن هواکش تشکیل می شود.
دوم، بار زنده:
بار زنده اعمال شده به خرپاهای سقفی ساختمان های صنعتی شامل وزن گرانشی ناشی از عبور و مرور کاربران و تجهیزات متحرک، گرد و غبار، اسباب و اثاثیه خواهد بود.
سوم، نیروی باد:
با وزش باد در پشت بام نیز نیرویی به خرپاهای سقفی اعمال گشته که بیشتر به صورت نیروی صعودی بلند کننده عمود بر سقف می باشد و خلاف بار گرانش عمل خواهد نمود.
چهارم، بار ناشی از زلزله:
نیروی اعمال شده در اثر زلزله به وزن ساختمان بستگی دارد و درباره ی ساختمان های صنعتی که وزن زیادی در پشت بام دارند، بار زلزله در طراحی مهم است.
ساختمان های چند طبقه:
نیروهای اعمال شده به خرپا در ساختمان های چند طبقه در اثر بار جانبی در اثر باد یا زلزله می باشد. این خرپاها می باشند که در مقابل این بارها مقاومت خواهند کرد.
پل های خرپا:
نیروهای اعمال شده به خرپاها در پل‌ها ناشی از انتقال فشار گرانشی وسایل نقلیه در حال حرکت می باشد. خرپاهایی که در پل ها به کار می روند بسته به شرایط محیط و طول دهانه پل می توانند از نوع میانی یا نوع عرشه باشند.
بهترین روش های تحلیل نیرو در خرپاها:
دو روش برای تحلیل نیروهای موجود در یک خرپا وجود دارد که در ادامه به توضیح هر کدام خواهیم پرداخت:
اول، روش مفاصل (Joint):
در روش مفاصل هر مفصل به صورت تنها فرض شده و برآیند همه ی نیروهای وارد شده به آن را برابر صفر می گذارند. نیروهای وارد شده به یک مفصل می تواند از نوع کششی یا فشاری باشد.
دوم، روش مقاطع (Section):
در روش مقاطع قسمتی از خرپا به صورت جداگانه تحت عنوان یک سیستم فرض می شود و برآیند نیروها و گشتاورهای وارد شده به آن برابر با صفر در نظر گرفته می‌شود تا مقدار نیروهای مجهول در مسئله حاصل شود.
مهمترین اتصالات خرپا:
به طور معمول اتصالات خرپا به وسیله ی پرچ کردن، پیچ و مهره یا جوش انجام می گیرد. در حال حاضر روش پرچ آنچنان متداول نمی باشد؛ چرا که نیاز به نیروی ماهری دارد. البته در بعضی سازه‌ها مثل پل های راه آهن هنوز هم به علت ملاحظات خستگی از پرچ استفاده می کنند. بیشتر خرپاهای کوتاه در محل اجرا جوشکاری شده و سپس در محل نصب خواهند شد؛ اما خرپاهای طویل تر بعد از جوشکاری در کارگاه با پیچ یا جوش در محل مونتاژ می شوند.
مزایا و معایب خرپا:
مزایا و معایب خرپا بسیارند که در ادامه سعی می کنیم تا به بعضی از مزایا و معایب مهم خرپا اشاره نماییم.
مزایای روش خرپایی چیست؟
از مزایای این روش آن است که برای بیشتر سازه‌های مناطق شهری مناسب است.
اجرای خرپا در هر شرایطی انعطاف بسیار زیادی دارد.
می‌توان خرپاها را دوباره استفاده نمود.
اجرای خرپا ساده می باشد و نیاز به دستگاه تخصصی ندارد.
امکان استفاده برای مسافت های طولانی در این روش وجود دارد.
القای بارهای داخلی اعضا به صورت محوری (در جهت عضو)، فشرده سازی یا تنشی و کم ترین میزان استفاده از مواد.
معایب روش خرپایی:
اجرای خرپا، زمان نسبتاً طولانی‌تری نسبت به شیوه های پیشرفته تر دارد.
ساختار خرپا از نظر طراحی بزرگ می باشد و مکان زیادی را اشغال خواهد کرد.
هزینه‌های تعمیر و نگهداری خرپا زیاد می باشد؛ چرا که از اعضای بسیاری تشکیل خواهد شد.
خرپا وزن زیادی به ساختمان می افزاید.
چند نوع خرپا وجود دارد؟
انواع خرپا هم از نظر تعداد اعضا و هم ازنظر ابعاد تقسیم بندی می شوند.
انواع خرپا ازنظر تعداد اعضا و پیچیدگی:
- اول، خرپای ساده: از سه عضو تشکیل شده است.
- دوم، خرپای مرکب: ترکیبی از چند خرپای ساده می باشد.
- سوم، خرپاهای پیچیده و مبهم: به خرپایی که در دو دسته خرپای ساده و مرکب جای نگیرد می گویند.
انواع خرپا از نظر ابعاد:
- اول، خرپای دوبعدی: در این مدل همه ی اعضای خرپا در یک صفحه قرار خواهند گرفت.
- دوم، خرپای سه بعدی: خرپای سه بعدی از شبکه‌ای از اعضا و اتصالات تشکیل شده که به صورت حجمی بر روی هر سه محور مختصات امتداد داشته باشد.
- سوم، خرپای چند گانه: بیشتر در خرپای چند گانه اتصالات وسط به صورت تکی و اتصالات بالا و پایین به صورت دوگانه یا چندگانه طراحی می گردند. یک نوع دیگر خرپا نیز وجود داشته که اغلب با عنوان خرپای نور سبک و یا خرپا کوتاه شناخته می شود. به کمک این خرپا در زمین شمالی شیب دار، می توان از نور حداکثر استفاده را برد.
متداول ترین شکل های خرپا:
متداول ترین شکل های خرپا عبارتند از:
خرپای شیروانی:
خرپای شیروانی از اشکال مختلف خرپا می باشد که معمولاً برای سقف کاربرد دارد. ارتفاع خرپای شیروانی در وسط دهانه بیشتر است.
خرپا وتر موازی:
خرپاهای وتر موازی نیز از دیگر اشکال مختلف خرپا می باشند که برای پشتیبانی از خرپای سقف در ساختمان‌های صنعتی و در پل‌های دهانه متوسط کاربرد دارند. از این خرپا در شبکه های با طول یکسان استفاده می گردد که بدین وسیله می توان هزینه های ساخت را برای دهانه‌های بسیار طولانی کم کرد.
خرپای ذوزنقه ای:
در پشت بام های طویل از خرپای ذوزنقه‌ای استفاده می کنند که در انتهای خود ارتفاع بیشتری دارند.
خرپای پرات:
خرپای پرات در ساخت پل و سازه‌های طاق مانند کاربرد دارند. این خرپا در مقابل فشار اعمالی در راستای عمودی مقاومت خوبی از خود نشان می دهد. این شکل از خرپا برای دهانه‌های بین ۳۰ تا ۶۰ متر قابل استفاده خواهد بود.
خرپای وارن:
خرپای وارن از لحاظ ظاهری به شکل مثلث متساوی الاضلاع می باشد و می تواند بارهای وارد بر اجزای مختلف را پخش نماید. خرپای وارن برای دهانه‌هایی در حدود ۶۰ متر مناسب خواهد بود.
خرپای کی (k):
خرپای کی، سازه را در مقابل تنش های خمشی مقاوم می نماید. البته این نوع خرپا پیچیدگی ساختاری داشته و برای ساخت آن از مصالح و مواد زیادی استفاده می گردد. این خرپا را می‌توان برای دهانه‌های بزرگ‌تر از ۱۰۰ متر استفاده نمود.
خرپای هاو:
خرپای هاو از دیگر اشکال مختلف خرپاها می باشد که معمولاً برای سقف کاربرد دارد و برای دهانه‌ای حداکثر تا ۳۰ متر مناسب خواهد بود.
خرپای فینک:
این خرپا نیز اغلب در سقف به کار رفته و برای دهانه‌های ۲۰ متری مناسب می باشد. خرپای فینک بیشتر به صورت فولادی ساخته می شود.
خرپای قوسی:
به طور معمول از این خرپا برای سقف انبارها و گاراژها استفاده می شود که قطر دهانه آن‌ها می تواند به ۳۰ متر نیز برسد.
خرپای پارکر:
از اشکال دیگر خرپا، نوع پارکر می باشد که معمولاً به منظور ساخت پل از آن استفاده شده و می‌توان آن را برای دهانه های حدود ۵۰ تا ۱۰۰ متر به کار برد.
خرپای بالتیمور:
خرپای بالتیمور نیز از دیگر اشکال خرپاهاست که برای ساخت پل هایی با دهانه‌های بیش از ۱۰۰ متر مناسب می باشد.
روش های ساخت خرپا: اصول ساخت خرپا
به طور معمول روش های ساخت خرپا و یا اصول ساخت خرپا نسبت به کاربرد آن ها متفاوت بوده و به سه دسته تقسیم می شود:
اول، خرپای پُل (مسطح):
از روش های ساخت خرپا می توان به روش ساخت خرپای پل اشاره کرد که در آن خرپا به شکل ذوزنقه‌ای و مستطیلی تولید می شود. این نوع خرپا از اعضای تحتانی موازی و اعضای فوقانی تشکیل شده است.
دوم، خرپای صفحه‌ای:
از دیگر روش های ساخت خرپا شیوه ای است که در آن تمام اجزای تشکیل دهنده خرپا در یک صفحه قرار می گیرند. از خرپاهای تولید شده به این روش در ساخت سقف و پل استفاده می گرد.
سوم، خرپای سقف – شیب‌دار:
این نوع خرپا شیب دار بوده و برای ساخت سقف های شیروانی کاربرد دارد.
در روش های ساخت خرپا باید به این نکته توجه کرد که طول انواع آن‌ها بین ۱ تا ۱۵ متر و فاصله بین خرپاها نیز ۳ تا ۴ متر در نظر گرفته می شود.
با توجه به کاربرد خرپا، انواع مقاطع فولادی که به منظور تولید خرپا کاربرد دارند متفاوت خواهد بود؛ اما به صورت کلی می توان گفت که از مصالح زیر برای ساخت انواع خرپا استفاده می شود:
- اول، انواع تیرآهن‌های هاش و معمولی.
- دوم، انواع قوطی پروفیل توخالی با اشکال مربع و مستطیل.
- سوم، انواع نبشی و سپری فولادی.
- چهارم، انواع لوله.