تیرآهن لانه زنبوری یکی از انواع مقاطع فولادی پرکاربرد در صنعت ساختمان‌سازی و مهندسی سازه است که به‌دلیل طراحی خاص و ویژگی‌های منحصر به‌فرد، در سال‌های اخیر در پروژه‌های زیادی مورد استفاده قرار گرفته است. این نوع تیرآهن با ایجاد حفره‌های ششضلعی یا دایره‌ای در جان تیرآهن، به شکل شبکه‌ای شبیه به لانه زنبور درمی‌آید. هدف اصلی از طراحی تیرآهن لانه زنبوری، افزایش ممان اینرسی و به‌تبع آن، افزایش مقاومت خمشی تیر بدون اضافه کردن وزن زیاد است. استفاده از این نوع تیرآهن در سازههایی که نیاز به دهانههای بلند و وزن کمتر دارند، باعث کاهش هزینه‌ها، صرفه‌جویی در مصالح و افزایش بهره‌وری سازهای میشود.
فهرست محتوا
تیرآهن لانه زنبوری چیست؟
تیرآهن لانه زنبوری (CPE) نوعی تیرآهن است که با ایجاد حفره‌هایی در جان آن (قسمت میانی تیرآهن) به شکل ششضلعی یا دایره‌ای، به شکل لانه زنبور درمی‌آید. این تیرآهن از برش و اتصال مجدد تیرآهن‌های معمولی (I شکل) به‌دست می‌آید.
هدف از تولید تیرآهن لانه زنبوری، افزایش مقاومت خمشی تیر بدون افزایش وزن آن است. وجود این حفره‌ها باعث میشود که ارتفاع مؤثر تیر بیشتر شده و ممان اینرسی آن افزایش یابد. این موضوع باعث میشود تیرآهن بتواند بار بیشتری را تحمل کند، در حالی‌که مقدار فولاد مصرفی افزایش چندانی پیدا نمی‌کند.
یکی از مهمترین مزایای تیرآهن لانه زنبوری، امکان عبور دادن تأسیسات مکانیکی و برقی از میان سوراخهای موجود در جان تیر است که در پروژه‌های ساختمانی و صنعتی اهمیت زیادی دارد. همچنین این تیرآهن به دلیل وزن نسبتاً کمتر و مقاومت بیشتر، در دهانههای بلند، سازه‌های صنعتی، پل‌ها، سالنهای بزرگ و سولهها کاربرد فراوانی دارد.
روش ساخت و برش تیرآهن لانه زنبوری
روش ساخت تیرآهن لانه زنبوری شامل مراحلی است که طی آن تیرآهن معمولی (معمولاً از نوع IPE) با انجام برش خاصی در ناحیه جان، به تیرآهنی با ارتفاع بیشتر و مقاومت خمشی بالاتر تبدیل میشود. در ادامه به صورت پاراگرافی، روش ساخت و برش این نوع تیرآهن را توضیح می‌دهم:
ساخت تیرآهن لانه زنبوری با انتخاب یک تیرآهن معمولی آغاز میشود. ابتدا سطح جان تیرآهن به‌صورت دقیق علامت‌گذاری میشود تا الگوی برش مشخص گردد. این الگو معمولاً به شکل زیگزاگی یا منحنی سینوسی است و طوری طراحی میشود که پس از برش و جابه‌جایی قسمت‌ها، سوراخهایی ششضلعی (یا در برخی موارد بیضی‌شکل یا دایره‌ای) در امتداد جان تیر ایجاد شود. پس از اعمال برش از مسیر علامت‌گذاری‌شده، تیرآهن به دو قسمت تقسیم میشود. سپس یکی از قسمت‌ها نسبت به دیگری جابه‌جا میشود تا حفره‌های ششضلعی در محل تقاطع دو بخش به‌وجود آید. در مرحله بعد، دو بخش بریده‌شده مجدداً به یکدیگر جوش داده می‌شوند. این جوشکاری باید دقیق و مقاوم باشد، زیرا تیر حاصل باید در برابر نیروهای خمشی و برشی عملکرد مناسبی داشته باشد.
در برخی موارد، برای افزایش مقاومت موضعی تیر، به‌ویژه در محل تکیه‌گاه‌ها یا نقاطی که بارهای متمرکز وارد میشود، از صفحات تقویتی (ورق پرکننده) استفاده می‌کنند تا تنش‌ها در اطراف سوراخ‌ها کاهش یابد. لازم به ذکر است که در طراحی برش و محل سوراخ‌ها، باید ضوابط مهندسی و استانداردهای مربوطه رعایت شود تا عملکرد سازهای تیر تضمین شود. در نهایت، تیرآهن لانه زنبوری به دلیل همین ویژگی‌های ساختاری، در پروژه‌هایی که به دهانههای بلند، عبور تأسیسات، یا کاهش وزن سازه نیاز دارند، گزینه‌ای بسیار مناسب و اقتصادی محسوب میشود.
بیشتر بخوانید: جوشکاری تیرآهن
روش گرم یا برنول
روش گرم یا نوبل یکی از رایج‌ترین شیوه‌های ساخت تیرآهن لانه زنبوری است که با استفاده از حرارت، دقت و کیفیت فرآیند برش و جوشکاری را افزایش می‌دهد. در این روش ابتدا تیرآهن معمولی، در ناحیه جان با الگوی زیگزاگی مشخصی علامت‌گذاری میشود. سپس با استفاده از حرارت، تیرآهن تا حدی گرم میشود تا برش‌پذیری آن بهتر شود و از ایجاد تنش‌های داخلی و ترک‌های احتمالی جلوگیری شود. پس از حرارت دادن، برش در امتداد خطوط علامت‌گذاری‌شده انجام میشود و تیرآهن به دو نیمه تقسیم میشود. سپس دو نیمه با دقت و به‌وسیله جوشکاری به یکدیگر متصل می‌شوند. این روش به دلیل مقاومت بالا، دقت زیاد و ایجاد سوراخهای منظم، در ساخت تیرآهن‌های لانه زنبوری با کیفیت و قابل اعتماد در پروژه‌های بزرگ ساختمانی و صنعتی کاربرد فراوانی دارد.
برش سرد یا کوپال
روش سرد یا کوپال یکی از شیوه‌های متداول ساخت تیرآهن لانه زنبوری است که بدون استفاده از حرارت انجام میشود. در این روش، تیرآهن معمولی به صورت مکانیکی و در دمای محیط برش می‌خورد. ابتدا جان تیرآهن با الگوی زیگزاگی مشخص علامت‌گذاری میشود، سپس با استفاده از دستگاه‌های برش سرد مانند گیوتین یا برش پلاسما (بدون پیش‌گرمایش)، عملیات برش انجام میشود.
مزیت اصلی روش کوپال این است که سرعت تولید بالاتر و هزینه‌ی کمتری نسبت به روش گرم دارد، چرا که نیازی به تجهیزات حرارتی یا کوره نیست. با این حال، نبود حرارت در فرآیند ممکن است باعث باقی‌ماندن تنش‌های داخلی در محل برش و جوش شود و در صورت عدم رعایت دقت در جوشکاری، کیفیت نهایی تیر کاهش یابد.
تقویت تیرآهن لانه زنبوری
یکی از روش‌های مؤثر برای تقویت تیرآهن لانه زنبوری، ترکیب آن با مصالحی مانند بتن و فولاد است که به افزایش ظرفیت باربری و بهبود عملکرد سازهای تیر کمک می‌کند. در این روش، با ایجاد یک اتصال مناسب بین تیر لانه‌زنبوری و بتن یا فولاد، یک مقطع مرکب به‌دست می‌آید که مزایای هر دو ماده را در بر می‌گیرد. رایج‌ترین شیوه، استفاده از دال بتنی مسلح روی تیرآهن لانه‌زنبوری است. در این حالت، تیر لانه‌زنبوری در پایین قرار می‌گیرد و یک دال بتنی با آرماتورهای مناسب روی آن اجرا میشود. برای انتقال صحیح نیرو بین بتن و فولاد، از برش‌گیرهایی مثل گل‌میخ استفاده میشود که به بال بالایی تیرآهن جوش داده می‌شوند. این سیستم، با تبدیل شدن به یک مقطع مرکب بتن–فولاد، مقاومت خمشی بسیار بالاتری نسبت به تیر تنها از جنس فولاد یا بتن خواهد داشت.
ترکیب بتن و فولاد در تقویت تیرآهن لانه‌زنبوری، ضمن افزایش مقاومت خمشی و برشی، باعث کاهش ارتعاش و تغییر شکل تیر نیز میشود و به‌ویژه در سازه‌های سنگین، ساختمانهای چندطبقه یا پل‌ها عملکرد بسیار بهتری از خود نشان می‌دهد. البته طراحی این نوع تقویت باید با دقت و بر اساس ضوابط مهندسی سازه انجام گیرد تا از عملکرد صحیح مقطع مرکب اطمینان حاصل شود.
کاربرد تیرآهن لانه‌زنبوری
تیرآهن لانه زنبوری به دلیل ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد خود مانند افزایش مقاومت خمشی، کاهش وزن نسبت به تیرآهن معمولی و امکان عبور تأسیسات از درون سوراخهای جان، در پروژه‌های مختلف ساختمانی و صنعتی کاربردهای فراوانی دارد. این تیرآهن بیشتر در سازههایی استفاده میشود که به دهانههای بلند و در عین حال سبک‌سازی نیاز دارند.
یکی از اصلی‌ترین کاربردهای تیرآهن لانه زنبوری در ساخت سولهها، سالنهای ورزشی، انبارهای صنعتی و فضاهای باز با دهانه بزرگ است، جایی که استفاده از تیرهای معمولی به‌دلیل وزن زیاد یا محدودیت در عبور تأسیسات، مقرون‌به‌صرفه یا اجرایی نیست. همچنین این تیرآهن در ساختمانهای اداری و تجاری چند طبقه برای پوشش دهانههای بزرگ بین ستون‌ها، بدون افزایش وزن سازه، به کار می‌رود. وجود سوراخهای ششضلعی در جان تیر امکان عبور کانال‌های تهویه، لوله‌های تأسیساتی و کابل‌های برق را فراهم می‌کند، به همین دلیل در طراحی‌های مدرن و تأسیسات سنگین، بسیار مورد توجه مهندسان قرار می‌گیرد.
از دیگر کاربردهای مهم آن میتوان به استفاده در پل‌های فلزی سبک، پارکینگ‌های طبقاتی و سازه‌های پیش‌ساختهاشاره کرد. در برخی موارد نیز تیرآهن‌های لانه زنبوری به‌صورت دوبل یا جفت در پروژه‌های خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند تا ظرفیت باربری بیشتری فراهم شود. با توجه به انعطاف‌پذیری بالا در طراحی، این نوع تیرآهن در سیستم‌های سازهای مختلط یا مرکب با بتن نیز کاربرد دارد و می‌تواند بخشی از یک مقطع مرکب بتن-فولاد باشد. به طور کلی، تیرآهن لانه زنبوری به‌عنوان یک گزینه بهینه و اقتصادی، در بسیاری از پروژه‌هایی که نیاز به سازهای مقاوم، سبک و دارای قابلیت عبور تأسیسات دارند، به‌کار گرفته میشود.
مزایا و معایب تیرآهن لانه زنبوری
تیرآهن لانه زنبوری به‌دلیل ویژگی‌هایی مانند افزایش ارتفاع مؤثر مقطع، کاهش وزن و امکان عبور تأسیسات، یکی از گزینه‌های محبوب در طراحی سازه‌های مدرن است. با این حال، همانند هر سیستم سازهای، استفاده از آن دارای مزایا و معایبی است که باید پیش از اجرا به‌دقت بررسی شود.
مزایا:
- افزایش مقاومت خمشی نسبت به تیرآهن معمولی
- کاهش وزن سازه به‌دلیل حذف بخشی از جان تیر
- امکان عبور تأسیسات (لوله‌ها، کابل‌ها، کانال‌ها)
- صرفه‌جویی در مصرف فولاد و کاهش هزینه‌های ساخت
- مناسب برای دهانههای بلند و فضاهای باز
- قابلیت ترکیب با بتن در سازه‌های مرکب
معایب:
- کاهش مقاومت برشی به دلیل وجود سوراخ‌ها در جان تیر
- نیاز به تقویت موضعی در محل‌های بارگذاری متمرکز
- محدودیت در استفاده در سازههایی با بارگذاری‌های سنگین یا دینامیکی
انواع تیرآهن لانه زنبوری از نظر برش
تیرآهن لانه زنبوری از نظر نوع برش به چند دسته تقسیم میشود که هر یک الگوی خاصی از سوراخ‌ها را در جان تیر ایجاد می‌کند. این دسته‌بندی بر اساس شکل هندسی مسیر برش انجام میشود و بر عملکرد سازهای و زیبایی تیر تأثیر می‌گذارد. در ادامه، انواع تیرآهن لانه زنبوری از نظر نوع برش آورده شده‌اند:
- برش زیگزاگی (ششضلعی):
رایج‌ترین نوع برش است که سوراخهایی به شکل ششضلعی در جان تیر ایجاد می‌کند. این نوع برش تعادل خوبی بین زیبایی، عملکرد سازهای و سهولت تولید دارد و در بیشتر پروژه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. - برش دایره‌ای:
در این روش، سوراخهای دایره‌ای با استفاده از برش CNC یا دستگاه‌های خاص در جان تیر ایجاد می‌شوند. تیرهای با سوراخ دایره‌ای معمولاً مقاومت بهتری در برابر تمرکز تنش دارند و ظاهر زیباتری دارند، اما تولید آن‌ها هزینه‌برتر است. - برش مربع یا مستطیلی:
این نوع برش‌ها کمتر رایج‌اند و معمولاً در کاربردهای خاص صنعتی یا با اهداف معماری انجام می‌شوند. سوراخ‌ها به شکل چهارگوش هستند و ممکن است در برابر تمرکز تنش عملکرد ضعیف‌تری داشته باشند. - برش منحنی یا موجی (سینوسی):
در این حالت مسیر برش به‌صورت منحنی یا موج‌دار انجام میشود و سوراخهایی با شکلهای منحنی در جان تیر ایجاد میشود. این نوع طراحی ظاهری متفاوت و جذاب دارد و گاهی در پروژه‌های معماری خاص استفاده میشود. - برش ترکیبی:
در برخی موارد، مهندسان ممکن است از ترکیب اشکال مختلف (مثلاً ششضلعی و دایره‌ای) استفاده کنند تا به تعادل بهتری بین عملکرد، عبور تأسیسات و زیبایی برسند.
انتخاب نوع برش بستگی به عوامل مختلفی از جمله نوع پروژه، میزان بارگذاری، هزینه، نیاز به عبور تأسیسات و زیبایی ظاهری دارد.
وزن تیرآهن لانه زنبوری
وزن تیرآهن لانه زنبوری نسبت به تیرآهن معمولی هم‌مقطع، معمولاً کمی کمتر است، زیرا در فرآیند تولید آن، بخشی از جان تیر با برش حذف میشود و سوراخهایی در آن ایجاد میگردد. این کاهش وزن گرچه زیاد نیست، اما در پروژه‌های بزرگ و سازه‌های گسترده می‌تواند در مجموع باعث کاهش وزن مرده ساختمان و در نتیجه صرفه‌جویی در هزینه‌های ساخت و فونداسیون شود.
البته این نکته مهم است که با وجود حذف بخشی از جان تیر، طول تیرآهن پس از برش و جوش افزایش پیدا می‌کند و ممکن است در برخی موارد، وزن نهایی تیرآهن لانه زنبوری به‌دلیل افزایش طول یا اضافه کردن ورق‌های تقویتی، چندان کمتر از تیر اولیه نباشد. همچنین اگر در فرآیند تقویت (مانند افزودن ورق جان، ورق بال یا پر کردن سوراخ‌ها با بتن) مصالح بیشتری استفاده شود، ممکن است وزن نهایی حتی از تیرآهن ساده بیشتر شود.
در جدول‌های مهندسی، وزن تیرآهن لانه زنبوری معمولاً به صورت تقریبی و بسته به نوع برش، اندازه سوراخ‌ها و روش ساخت محاسبه میشود. بنابراین، وزن آن یک مقدار ثابت نیست و بسته به طراحی دقیق، تقویت‌های مورد نیاز و شکل سوراخ‌ها متغیر خواهد بود. در مجموع، میتوان گفت تیرآهن لانه زنبوری به دلیل بهینه‌سازی شکل مقطع، نسبت به وزن خود عملکرد سازهای بسیار بهتری ارائه می‌دهد.
سخن پایانی
تیرآهن لانه زنبوری با تلفیق هوشمندانه‌ی طراحی مهندسی و صرفه‌جویی در مصالح، گزینه‌ای کارآمد برای ساخت سازههایی با دهانههای بلند و نیاز به عبور تأسیسات به شمار می‌رود. با افزایش ارتفاع مؤثر مقطع بدون افزودن قابل توجه به وزن، این تیرآهن می‌تواند عملکرد خمشی مناسبی ارائه دهد. البته برای استفاده بهینه از آن، شناخت دقیق نقاط ضعف مانند کاهش مقاومت برشی و لزوم تقویت در نواحی بحرانی ضروری است. انتخاب روش مناسب ساخت (گرم یا سرد)، نوع برش و نحوه تقویت، تأثیر مستقیمی بر کیفیت و دوام نهایی آن دارد. در نهایت، تیرآهن لانه زنبوری در صورتی یک انتخاب موفق خواهد بود که با تحلیل مهندسی دقیق، متناسب با شرایط سازه و الزامات پروژه طراحی و اجرا شود.
سوالات متداول
تیرآهن لانه زنبوری چیست؟
تیرآهن لانه زنبوری نوعی تیرآهن است که با برش و جوش دادن مجدد یک تیرآهن معمولی ساخته میشود تا سوراخهایی در جان آن به شکلهای هندسی (معمولاً ششضلعی) ایجاد شود. این طراحی باعث افزایش مقاومت خمشی و امکان عبور تأسیسات از جان تیر میگردد.
چرا به این نوع تیرآهن “لانه زنبوری” میگویند؟
به دلیل وجود سوراخهای ششضلعی در جان تیر، ظاهر آن شبیه به ساختار لانه زنبور میشود؛ از این رو به آن تیرآهن لانه زنبوری گفته میشود.
مزیت اصلی تیرآهن لانه زنبوری چیست؟
مهمترین مزیت آن افزایش مقاومت خمشی با استفاده از همان مقدار فولاد اولیه است، در حالی که وزن تیر کاهش مییابد یا ثابت میماند. همچنین امکان عبور آسان تأسیسات از درون تیر فراهم میشود.
آیا میتوان تیرآهن لانه زنبوری را در هر نوع سازهای استفاده کرد؟
خیر، استفاده از این نوع تیر در سازههایی با بارهای بسیار سنگین، ضربهای یا دینامیکی مناسب نیست مگر با طراحی و تقویت خاص. معمولاً در سولهها، سالنهای صنعتی، ساختمانهای سبک و دهانههای بلند کاربرد بیشتری دارد.
