تیرآهن لانه زنبوری چیست؟ مزایا، معایب و روشهای تولید
تاریخ به روز رسانی: ۲۹ اردیبهشت ۱۴۰۴
نویسنده: تیم محتوای مدیران آهن
استفاده گسترده از تیرآهن لانهزنبوری در سازههای ایران، بررسی دقیق رفتار این مقاطع را ضروری ساخته است. اهمیت شناخت تیرآهنلانهزنبوری نیز از آن جهت است که به بهینهسازی کاربرد آن کمک شایانی میکند.
این نوآوری ابتدا توسط آقای هورتون از شرکت آهن شیکاگو معرفی شد. او نشان داد که میتوان مقاومت مقطع را بدون افزودن به وزن افزایش داد. تیرهای مذکور سابقهای طولانی در سازههای اروپایی و آمریکایی دارند و تولیدشان به ۱۹۴۰ میلادی میرسد.
فلسفه اصلی این تیرها، افزایش ارتفاع و در نتیجه مقاومت خمشی (ممان اینرسی) بدون مصرف فولاد اضافی است؛ لذا کاربردشان به عنوان تیر بسیار مؤثر ارزیابی شده و در سازههای متنوعی اهمیت مییابد.
تولید تیرآهنلانهزنبوری با برش زیگزاگ پروفیلهای نوردشده فولادی توسط پانچ یا شعله (ترکیب اکسیژن و متان) صورت میپذیرد. سپس نیمی از بخش بریدهشده با جابجایی روی نیمه دیگر قرار گرفته و در طول خطوط تماس جوشکاری میشود. این روش ضمن ثابت نگهداشتن وزن، ممان اینرسی تیر را به شکل چشمگیری بهبود میبخشد؛ بدین ترتیب، در مصرف مصالح صرفهجویی قابلتوجهی شده و دیگر نیازی به پروفیلهای سنگینوزن نوردشده نیست.
برای آشنایی بیشتر با تعریف و کاربردهای عمومی تیرآهن، مطالعه مقاله«تیرآهن چیست؟» را به شما پیشنهاد میکنیم.
تیرآهن لانه زنبوری یا CPE چیست؟
پروفیل فولادی موسوم به تیرآهن لانهزنبوری که با نام «تیرآهن مشبک» نیز شناخته میشود، مقطعی پرکاربرد در صنعت سازه بهشمار میآید. ظاهر خاص این تیرآهنها با حفرههای منظمِ یادآورِ کندوی عسل، دلیل این نامگذاری است.
اما پرسش متداول این است که چرا چنین ساختاری برای تیرها ایجاد میکنند؟ هدف از تولید تیرآهنلانهزنبوری، دستیابی به مقاومت خمشی بیشتر با کمترین تغییر شکلِ ممکن برای تیر عنوان میشود.
تاریخچه تیرآهن لانه زنبوری
پیشینه ساخت تیرآهن لانهزنبوری به سال ۱۹۱۰ میلادی بازمیگردد؛ در همان دوران فردی به نام هورتن این نام را برای محصول انتخاب کرد. ظاهر این تیرآهنلانهزنبوری، با حفرههای پنجضلعی منظم در جان خود، یادآور خانه زنبور و دلیل این نامگذاری است.
هدف استفاده از تیرآهن لانه زنبوری چیست؟
تیرآهنهای لانهزنبوری با ساختار مشبک و متمایز خود جایگاه ویژهای در مهندسی سازههای نوین یافتهاند. این مقاطع فولادی به دلیل طراحی خاص و کارایی بالا، به گزینهای محبوب در صنعت ساختمان تبدیل شدهاند. توسعه این نوع تیرآهن به دهه ۱۹۴۰ میلادی بازمیگردد؛ هدف اصلی آن دستیابی به ارتفاع بیشتر و در نتیجه مقاومت افزونتر بدون افزایش حجم مصالح مصرفی بود.
این تیرها که با حفرههایی منظم اغلب ششضلعی یا دایرهای در جان خود شناخته میشوند، وزن کلی سازه را کاهش میدهند. همزمان ظرفیت تحمل بار خمشی و سختی آن را بهبود بخشیده و به ارتقای عملکرد سازه منجر میشوند. از سولههای صنعتی عظیم گرفته تا بناهای چندطبقه و پروژههای گوناگون، تیرآهنلانهزنبوری کاربرد فراوانی دارد. استفاده از آنها به مدیریت بهتر هزینههای فولاد پروژه کمک کرده و در کیفیت نهایی و پایداری سازه نقش مؤثری ایفا میکند.
با این وجود گزینش تیرآهن لانهزنبوری نباید تنها بر پایه ظاهر یا مشخصات فنی آن صورت گیرد. درک عمیق از رفتار این مقاطع فولادی تحت تنشهای وارده، عامل تعیینکنندهای در موفقیت پروژههای ساختمانی است.
اهمیت بهکارگیری تیرآهنلانهزنبوری زمانی آشکار میشود که به مزایایی چون کاهش قابلتوجه وزن اسکلت فلزی و افزایش همزمان ظرفیت خمشی آن توجه کنیم. برای متخصصان عرصه ساخت، این تیرها نمادی از همسویی با فناوریهای نوین برای ایجاد سازههایی پایدار و کارآمد هستند.
بنابراین، آگاهی کامل از خصوصیات و دامنه کاربرد این اعضای سازهای نخستین گام برای انتخابی هوشمندانه و بهرهبرداری حداکثری از تواناییهای آنها محسوب میشود.
این مقاطع فولادی که طراحیشان از ساختار هوشمند کندوهای عسل الهام گرفته شده، نه تنها به زیبایی بصری سازه میافزایند بلکه کارایی آن را نیز به طور قابلملاحظهای ارتقا میدهند. کاهش وزن آنها که گاه تا سی درصد نسبت به تیرهای معمولی میرسد بار وارد بر پی ساختمان را سبکتر کرده و به صرفهجویی در هزینههای اجرایی میانجامد.
افزون بر این، ساختار شبکهای تیرآهنلانهزنبوری مقاومت بسیار بالایی در برابر نیروهای خمشی و برشی ایجاد میکند. این ویژگی امکان پوشش دهانههای وسیعتر بدون نیاز به ستونهای میانی متعدد را فراهم میآورد. چنین مزایایی این تیرها را به گزینهای ایدهآل برای مهندسان و معماران در طراحی برجها و سازههای با معماری خاص تبدیل کرده است.
به عنوان نمونه، در یک پروژه برج مسکونی شهری استفاده از این نوع تیرآهن امکان طراحی واحدهایی با فضای داخلی بازتر و نورگیری بهتر را میسر ساخت. این امر در نهایت به افزایش ارزش افزوده ملک و رضایت بیشتر ساکنان منجر گردید.
روش ساخت تیرآهن لانه زنبوری
تیرآهن لانهزنبوری به دلیل ماهیت سوراخدار خود، چُنین نامی را گرفته و کاربردهای فراوانی در صنعت و ساختمانسازی دارد. نظریههای متعددی در مورد استفاده یا عدم استفاده از این محصول، بین مهندسین ساختوساز وجود دارد.
نامگذاری تیرآهنلانهزنبوری از ساختار مشبک آن نشأت میگیرد. این مقاطع کاربرد وسیعی در حوزههای صنعتی و سازندگی دارند هرچند دیدگاههای متفاوتی میان متخصصان سازه در خصوص مزایا و معایب بهرهگیری از آنها مطرح است.
جدول مشخصات تیرآهن لانه زنبوری
علائم اختصاری رایجی برای نمایش مشخصات فنی تیرآهن لانهزنبوری در استانداردها بهکار میرود. این نمادهای انگلیسی عبارتاند از:
- h: نشانگر ارتفاع بال
- ts: معرف ضخامت جان
- b: بیانگر عرض بال
- tg: نشاندهنده ضخامت بال
- A: نماد سطح مقطع
- G: شاخص وزن هر متر طول
انواع تیرهای لانه زنبوری از نظر هندسه.
انواع تیرآهنهای لانهزنبوری بر پایه طرح برش و هندسه حفره ها در دو شکل متفاوت عرضه میشوند:
تیر لانه زنبوری حاصل از روش پانیر
برش پانیر روشی پرکاربرد برای ساخت تیرآهن لانهزنبوری است. این شیوه، ارتفاع مقطع I شکل اولیه را ۱.۵ برابر میکند و از جمله متداولترین الگوهای تولید این نوع تیرها به حساب میآید.
تیر لانه زنبوری حاصل از روش لیتسکا
برای تقویت بیشتر تیرآهنهای لانهزنبوری و افزایش مقاومت خمشی آنها میتوان ورقهای فلزی مربع یا مستطیلشکل را بر روی برجستگیهای تیر جوش داد. کیفیت جوشکاری در این فرآیند برای عملکرد مطلوب سازه اهمیت بسیار زیادی دارد.
همچنین شایان ذکر است چنانچه خطوط برش در این تیرها مایل باشند، تیرآهن لانهزنبوری با ارتفاع متغیر تولید خواهد شد.
تیرهای لانه زنبوری با سوراخ های دایره ای
برای تولید تیرآهنهای لانهزنبوری با حفره های دایره ای، ابتدا پروفیل فولادی در امتداد محور طولی خود با الگویی متشکل از نیمدایرهها برش میخورد. سپس یکی از دو نیمه حاصله جابهجا شده بر روی نیمه دیگر منطبق و جوشکاری میشود. این فرآیند منجر به شکلگیری تیرهایی با سوراخهای کاملاً دایرهای میگردد.
تیرهای لانه زنبوری با سوراخ های شش ضلعی
ساخت تیرآهنهای لانهزنبوری با حفره های ششضلعی فرآیندی دقیق دارد. این فرآیند با ایجاد یک برش طولی به شکل الگوی زیگزاگ در جان تیر فولادی اولیه آغاز میشود.
پس از برش، نیمه بالایی حاصل از این جداسازی با یک جابجایی حسابشده بر روی نیمه پایینی قرار میگیرد. سپس این دو بخش در امتداد خطوط تماس به یکدیگر متصل و جوشکاری میشوند.
نتیجه این عملیات، شکلگیری یک تیرآهنلانهزنبوری با حفرههای پیوسته ششضلعی در جان آن است. ارتفاع نهایی تیر به میزان ارتفاع الگوی برش زیگزاگی افزایش یافته بدون آنکه نیاز به افزودن ماده اولیهای باشد.
انواع برشکاری جان تیرآهن
برش شعلهای (دستی یا نیمهخودکار) به سبب دسترسی آسان در بیشتر کارگاهها کاربرد دارد. این روش اما اعوجاج زیادی ایجاد میکند و لبههای برش برای جوشکاری به آمادهسازی نیاز خواهند داشت.
برای پانچ تیرآهنهای لانهزنبوری دو شیوه متداول است. شیوه اول شامل برش تدریجی جان تیر توسط دو غلتک دوار است. شیوه دوم از قالبهای پانچ بهره میبرد که در هر ضربه یک حفره کامل ایجاد میکنند؛ این روش اعوجاج لبه بسیار کمتری دارد.
حفرات تیرآهن لانهزنبوری در اشکال متنوعی مانند ششضلعی یا دایرهای نیز تولید و استفاده میشوند.
هدف از ساخت تیرهای لانه زنبوری
هدف اصلی آن است که تیر بتواند ممان خمشی بیشتری تحمل کرده و در عین حال خیز کمتر و وزن پایینتری نسبت به تیر نورد شده مشابه داشته باشد. برای نمونه یک پروفیل IPE18 با ارتفاع ۱۸ سانتیمتر طبق جداول تیرآهن میتواند تا ارتفاع ۲۷ سانتیمتر افزایش یابد.
هدف اصلی ساخت تیرآهن لانهزنبوری چیست؟
محل های استفاده تیرهای لانه زنبوری
تیرآهن لانهزنبوری با کاربردهای گسترده در صنعت و عمران مقطعی پرمصرف است. انتخاب دقیق این تیرآهنلانهزنبوری بر اساس نیاز پروژه اهمیت دارد؛ لذا مشاوره با کارشناسان فنی پیش از خرید توصیه میشود.
برخی از موارد شاخص کاربرد این مقاطع عبارتاند از:
- اجزا در قابهای لنگرگیر و سازههای مهاربندیشده.
- تیرها در قابهای صفحهای (با تیرهای شیبدار) با مقاطع یکنواخت یا متغیر.
- عناصر شبکههای فضاکار تکلایه.
- تیرچهها و تیرهای مختلط بتنی.
- تیرهای طولی یا عرضی عرشه پلها.
- اعضای فشاری (ستونها) و اعضای فشاری-خمشی (تیرستونها).
- تیرها در ماشینآلات ساختوساز.
کاربردهای تیرآهن لانه زنبوری در صنعت ساختمان چیست؟
سبکی وزن و مقاومت خمشی مطلوب تیرآهن لانهزنبوری کاربرد آن را در بناهای چندینطبقه فراگیر کرده است. همچنین در سولههای صنعتی امکان عبور دادن تأسیسات از فضاهای خالی تیرآهنلانهزنبوری، این مقاطع را به گزینهای ممتاز بدل ساخته است. مهندسان با بهکارگیری این تیرها وزن کلی سازه را کاهش داده و به این ترتیب در مخارج پروژه صرفهجویی میکنند.
افزون بر این، برای سازههایی که نیازمند پایداری بسیار بالا هستند، تیرآهنلانهزنبوری راهکاری ایدهآل جهت بهبود ممان اینرسی به شمار میرود. این مقاطع در صورت تقویت اصولی، قادر به تحمل فشارهای وزنی بیشتر بوده و از این رو در احداث پلها و سایر سازههای نوین نیز نقش مهمی ایفا مینمایند.
چرا تیر را لانه زنبوری میکنند؟
بسیاری کنجکاوند که دلیل ساخت تیرها به شیوه لانهزنبوری چیست. تیرآهنلانهزنبوری مزایای قابلتوجهی همچون دوام بیشتر، انعطافپذیری بالا، صرفه اقتصادی و سبکی وزن ارائه میدهد که در ادامه به بررسی هر یک خواهیم پرداخت:
افزایش استحکام و پایداری
یکی از برجستهترین خصوصیات تیرآهن لانهزنبوری افزایش قابلملاحظه سختی آن بدون هیچگونه افزایش در وزن مصالح است. این ویژگی مقاومت و پایداری محصول را در مقابل تنشهای گوناگون و ارتعاشات معمول بالا برده و به طولانیتر شدن عمر مفید آن در سازههای گوناگون کمک میکند.
انعطافپذیری کاربردی
این نوع تیرآهن سازگاری بسیار خوبی با انواع مختلف سازهها نشان میدهد. تولید تیرآهنلانهزنبوری در فرمهای متنوع، امکان استفاده گسترده از آن را در طرحهای عمرانی متعدد نظیر پارکینگهای طبقاتی یا ساخت پلها فراهم میآورد.
سبکی قابلتوجه
وزن کم تیرآهن لانهزنبوری یکی از دلایل اصلی استقبال گسترده از آن به شمار میرود. تمایل شرکتهای ساختمانی به کاهش مصرف فولاد، اهمیت این تیرها را دوچندان میکند؛ چرا که ساختار ویژه تیر لانهزنبوری و میزان بهینه فولاد بهکاررفته در آن ضمن ایجاد سبکی، استحکام و پایداری مطلوبی نیز به ارمغان میآورد.
صرفه اقتصادی
بهکارگیری تیرآهنلانهزنبوری در بسیاری از پروژهها، اغلب منجر به کاهش هزینههای اجرایی در مقایسه با سایر مقاطع فولادی میشود.
مزایا و معایب تیرآهن لانه زنبوری چیست؟
طراحی منحصربهفرد تیرآهنلانهزنبوری الهامگرفته از الگوی طبیعی کندوی عسل، جایگاه ویژهای در ساختوساز مدرن یافته است. این الگو به بهبود چشمگیر ظرفیت تحمل خمش و باربری منجر شده.
این ویژگی، تیرآهن لانهزنبوری را برای پروژههای عظیم سازهای چون پلها و ساختمانهای مرتفع مناسب ساخته است. آگاهی از مزیتهای آن به شناخت بهتر کاربردهای گستردهاش در سازههای پیچیده کمک میکند.
مزایای تیرآهن لانهزنبوری
سبکی و کاهش وزن نهایی این مقاطع از مزایای کلیدی آنهاست که به صرفهجویی اقتصادی در پروژهها میانجامد. همچنین حفره های موجود در جان تیر، مسیر مناسبی برای عبور لولهها و کابلهای تأسیساتی فراهم میکنند.
این قابلیت، اجرای تأسیسات را سادهتر کرده و از فضاهای خالی به شکلی عملی بهره میبرد. البته باید توجه داشت این حفره ها ممکن است مقاومت برشی تیر را خصوصاً در نواحی حساس اتکاء تا حدی کاهش دهند.
بهطور کلی، از مزایای اصلی تیرآهنلانهزنبوری میتوان به کاهش وزن و در نتیجه قیمت تمامشده پایینتر اشاره کرد. سهولت در نصب و امکان عبور آسان تأسیسات نیز از دیگر برتریهای آن است.
افزایش مقاومت خمشی و توانایی تحمل بار سنگین، همراه با سازگاری بالا با انواع چارچوبهای سازهای و توزیع بهینه تنشها از دیگر نقاط قوت مهم این مقاطع به شمار میرود.
معایب تیرآهن لانهزنبوری
با این حال، معایب تیرآهن لانهزنبوری را نباید نادیده گرفت؛ بهویژه در بخشهای حساس سازه. برای رفع این ضعفها، مقاومسازی موضعی تیر و پیروی از ضوابط فنی دقیق ضروری است.
عدم رعایت این استانداردها میتواند تیر را برابر بارهای زیاد آسیبپذیر سازد. کاهش احتمالی مقاومت بر اثر جوشکاری نیز از چالشهاست که تدابیر تقویتی ویژه میطلبد.
همچنین در مقایسه با برخی مقاطع فولادی دیگر، ممکن است ضریب اطمینان پایینتری از خود نشان دهند که باید در محاسبات طراحی مد نظر قرار گیرد.
راهکارهای تقویت تیرآهن لانه زنبوری
پس از بررسی ویژگیهای تیرآهن لانهزنبوری توجه به نقاط ضعف آن نیز ضروری است. گرچه حفرههای موجود در جان این نوع تیرآهنلانهزنبوری به کاهش وزن و سهولت عبور تأسیسات کمک میکنند اما میتوانند استحکام برشی و خمشی مقطع را تضعیف نمایند؛ این مسئله، اهمیت شناخت روشهای مقاومسازی را برای بهرهبرداری کارآمد از این پروفیلهای فولادی دوچندان میسازد.
تقویت تیرآهن زنبوری با استفاده از بتن و فولاد
در نقاط اتکای تیرآهن زنبوری تمرکز نیروی برش و گشتاور خمشی بسیار بالاست که موجب افزایش شدید فشارهای خمشی در این نوع تیرآهنزنبوری میشود. یک راهکار اقتصادی برای مقابله با این تنشها، پُرکردن نواحی تحت فشار با بتن است.
این اقدام، صلبیت و استحکام تیر را بهبود بخشیده و از دیدگاه هزینه نیز کاملاً بهینه خواهد بود. برای مشاهده اشکال گوناگون این محصول، به تصاویر پیوست مراجعه فرمایید.
تقویت تیرآهن زنبوری با استفاده از ورق
به منظور افزایش استحکام تیرآهنهای لانهزنبوری در برابر نیروهای خمشی، پرکردن حفرههای جانبی درگیر با این نیروها به وسیله ورق فلزی راهکاری مؤثر است. این اقدام، هم بازده و هم ظرفیت باربری این نوع تیرآهنلانهزنبوری را بهبود میبخشد. اهمیت این نوع مقاومسازی بهویژه در تیرهای یکپارچه نمایان میشود چرا که از افت توان تیر هنگام بارگذاریهای سنگین جلوگیری میکند.
استانداردهای تیرآهن لانه زنبوری
پروفیلهای لانهزنبوری در سازههایی که نیاز به مقاومت خمشی بالا دارند کارایی مؤثری از خود نشان میدهند. کیفیت این مقاطع فولادی به میزان انطباق دقیق مشخصات ابعادی و وزنی آنها با استانداردهای معتبر صنعتی وابسته است. جدول اشتال به عنوان یک مرجع شناختهشده بینالمللی، وزن های استاندارد برای این محصولات را ارائه میدهد. تولید این تیرآهنها با رعایت دقیق چنین معیارهایی، ضامن دستیابی به محصولی با کیفیت و دوام مطلوب است. کارخانجات پیشرو در این عرصه، همچون مجتمع ذوبآهن اصفهان و گروه صنعتی شاهین بناب، محصولات خود را بر پایهی همین اصول و ضوابط فنی مشخص به بازار عرضه میکنند.
جمع بندی:
تیرآهن لانهزنبوری که با نام تیرآهن مشبک نیز شناخته میشود مقطعی مهندسیشده با حفرههای منظم در جان تیر است؛ این نامگذاری از شباهت ظاهری آن به کندوی عسل الهام گرفته شده. هدف اصلی از این طراحی هوشمندانه، افزایش مقاومت خمشی و بهرهوری سازه بدون افزودن به وزن فولاد مصرفی است.
مزیت برجسته این نوع تیرآهنلانهزنبوری دستیابی به ارتفاع سازهای بیشتر و در نتیجه افزایش چشمگیر ممان اینرسی و ظرفیت تحمل بار خمشی است. این ویژگیها به کاهش وزن کلی اسکلت فلزی، صرفهجویی در هزینهها و ایجاد فضایی مناسب برای عبور آسان تأسیسات مکانیکی و الکتریکی کمک شایانی میکند. انعطافپذیری در طراحی و امکان پوشش دهانههای وسیعتر، از دیگر نقاط قوت کلیدی تیرآهن لانهزنبوری به شمار میرود.
تولید تیرآهن لانهزنبوری عموماً از طریق برش الگوهای خاص، مانند زیگزاگ برای ایجاد حفرات ششضلعی یا الگوهای نیمدایره برای حفرات دایرهای، بر روی جان پروفیلهای نوردشده و سپس مونتاژ و جوشکاری دقیق دو نیمه صورت میگیرد. هر یک از این اشکال حفره، مزایا و ملاحظات کاربردی ویژهای در پروژههای ساختمانی و صنعتی متنوع ارائه میدهند.
با وجود مزایای فراوان، استفاده از تیرآهنلانهزنبوری نیازمند دقت فنی و محاسبات دقیق مهندسی است. متخصصین باید به رفتار این مقاطع تحت بارهای وارده بهویژه در نواحی برشگیر و اتصالات توجه ویژهای مبذول دارند. در برخی موارد، اجرای راهکارهای مقاومسازی موضعی تیر، مانند استفاده از ورقهای تقویتی یا پرکردن برخی حفرات با بتن، برای اطمینان از عملکرد ایمن و پایدار سازه ضروری خواهد بود. رعایت ضوابط و استانداردهای فنی، ضامن بهرهبرداری حداکثری از تواناییهای این پروفیلهاست.
مدیران آهن همواره بر انتخاب آگاهانه و کاربرد صحیح انواع پروفیلهای فولادی از جمله تیرآهنلانهزنبوری برای دستیابی به سازههایی ایمن، پایدار و اقتصادی تأکید میورزد.