انواع سازه فلزی کدامند و ویژگی، مزایا و معایب هر یک چیست؟

سازه فلزی انواع مختلفی دارد و در کل به کلیه سازه‌های فولادی (آلیاژ آهن و کربن) اطلاق می‌شود. سازه‌های فلزی نه تنها در بخش ساختمان سازی و بلند مرتبه سازی بلکه در صنایع پتروشیمی، کشاورزی، حمل و نقل و گردشگری هم کاربردهای زیادی دارد. در این مقاله از وبلاگ ابرگان سازه به انواع سازه فلزی یا فولادی، ویژگی‌ها و کاربری‌های هر کدام پرداخته شده است. در ادامه با ما همراه باشید.

سازه فلزی چیست؟

به تمام دست سازهای مهندسی در ابعاد کوچک و بزرگ سازه فلزی گفته می‌شود. سازه‌های فلزی با ساخت پل‌های قوسی چدنی پا به عرصه صنعت گذاشتند و اکنون بسیاری از سازه‌های مشهور جهان مانند برج ایفل، گلدن گیت، برج خلیفه دبی و … با استفاده از سازه‌های فلزی ساخته شده‌اند. امروز سازه فلزی در ساخت خانه پیش ساخته هم کاربردهایی پیدا کرده اند. در ادامه به معرفی انواع سازه فولادی پرداخته شده است.

شرکت ابرگان سازه با تجربه چندساله و بهره گیری از جدیدترین تجهیزات و برخورداری از الزامات و استانداردهای بین‌المللی اجرای سازه فلزی آماده ارائه هرگونه خدمات در زمینه طراحی و ساخت سازه فولادی (فلزی) است.

انواع روش اجرای سازه فلزی

سازه‌های فلزی با توجه به نوع و شکل آن‌ها و همچنین محل استفاده و شرایط پروژه، با روش‌های مختلفی اجرا می‌شوند. در ادامه به برخی از روش‌های اجرای سازه فلزی اشاره می‌کنیم:

1- ساخت در کارخانه: در این روش، قطعات فلزی سازه در کارخانه تولید شده و سپس به محل پروژه منتقل می‌شوند و در آنجا به یکدیگر متصل می‌شوند. این روش اجرایی به دلیل اینکه قطعات در شرایط کارخانه ساخته می‌شوند، کیفیت بالاتری دارند و باعث سرعت بیشتری در اجرای پروژه می‌شوند.

2- ساخت در محل: در این روش، قطعات فلزی سازه در محل پروژه ساخته می‌شوند. این روش اجرایی برای پروژه‌هایی با شکل‌ها و ابعاد مختلف مناسب است و می‌تواند هزینه‌های ساخت را کاهش دهد.

3- نصب قطعات پیش‌ساخته: در این روش، قطعات فلزی سازه در کارخانه تولید شده و در محل پروژه به صورت پیش‌ساخته نصب می‌شوند. این روش اجرایی به دلیل سرعت بالای نصب و کاهش هزینه‌های ساخت، در پروژه‌های بزرگ و پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

4- روش بالابری: در این روش، سازه فلزی از طریق بالابری به محل قرارگیری آن منتقل می‌شود. این روش اجرایی در پروژه‌هایی که برای دسترسی به محل ساخت سختی وجود دارد، مناسب است.

5- روش اتصال جوشی: در این روش، قطعات فلزی سازه با استفاده از جوش، به یکدیگر متصل می‌ شوند. این روش اجرایی در پروژه‌هایی که نیاز به ایجاد اتصالات قوی و محکم بین قطعات دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

6- روش اتصال پیچ و مهره: در این روش، قطعات فلزی سازه با استفاده از پیچ و مهره به یکدیگر متصل می‌شوند. این روش اجرایی به دلیل سرعت بالای انجام کار و امکان تعویض و تعمیر قطعات سریع‌تر، در پروژه‌های کوچک و ساده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انواع سازه فلزی کدام است؟

انواع سازه فلزی یا فولادی را بسته به نوع تحمل نیروها وارده بر آن به چهار دسته کلی سازه‌های قابی یا قاب بندی شده، پوسته‌ای، معلق و خرپایی تقسیم می‌کنند. در ادامه به تفصیل به هر دسته از سازه‌های فلزی پرداخته شده است.

• سازه قابی یا قاب بندی شده (Framed structure)
• سازه پوسته‌ای (Shell structure)
• سازه معلق (Suspension structure)
• سازه خرپایی (Truss structure)

سازه فلزی قابی یا قاب بندی شده

سازه فلزی قابی (Framed structure) از رایج ترین انواع سازه فلزی است و آن را می‌تواند به تمام سازه‌هایی که اسکلت آنها با استفاده از پروفیل‌های آی (I) شکل فولادی ساخته شده است نسبت داد.

این نوع سازه فلزی برای ساخت سازه‌های مرتفع، برج‌ها، ساختمان‌های مسکونی، سازه های صنعتی، سازه‌های ورزشی و سوله‌ها کاربرد زیادی دارد. ساختمان اسکلت فلزی یک نوع متداول از سازه فلزی قابی است که می‌تواند به آن اشاره کرد.

همانطور که از نام سازه فلزی قابی برمی‌آید، این سازه تنها بخش اسکلت، قاب یا چارچوب سازه را تشکیل می‌دهد و بخش‌های دیگر آن مانند سقف و دیوارها از مصالح ساختمانی دیگر می‌تواند استفاده شود. البته گاهی از سقف‌های فولادی با نام تجاری سقف عرشه فولادی نیز برای سازه‌های فلزی قابی استفاده می‌شود که با توجه به بودجه و طراحی سازه انجام می‌گیرد.

در سازه فلزی قابی با استفاده از پروفیل‌های فولادی اقدام به ساخت تیرها و ستون‌های سازه با استفاده از روش پیچ و مهره می‌شود که در کارخانه یا در کارگاه انجام می‌شود. البته گاهاً نیز از روش جوشکاری هم برای اتصال تیرها و ستون‌ها استفاده می‌شود که منسوخ شده و مورد تأیید سازمان نظام مهندسی ساختمان نیست.

ناگفته نماند که برای اجرای سازه فلزی قابی گاهی هم از پروفیل‌های فولادی با سطح مقطع مربع یا دایره هم استفاده می‌شود که در مرحله طراحی سازه با توجه به وزن سازه و نیروهای وارده بر آن محاسبه شده و تعیین می‌شود.

بیشتر بخوانید: خانه پیش ساخته چیست و چه مزایا و معایبی دارد؟

مزایای سازه فلزی قابی نسبت به بتن

از مزایای سازه فلزی قابی نسبت به رقیب بتنی آن در ساختمان‌های کم طبقه می‌تواند به این موارد اشاره کرد. سازه فلزی قابی ازآنجایی‌که در کارخانه سرهم شده و در محل نسب می‌شود، نظارت بیشتری روی مراحل ساخت آن وجود دارد.

همچنین از دیگر برتری‌های سازه قابی می‌توان به تحمل بیشتر وزن و نیروهای جانبی و عمودی در آنها نسبت به سازه‌های بتنی اشاره کرد.

معایب سازه فلزی قابی نسبت به بتن

همانطور که می‌دانید آهن هنگامی‌که در معرض هوای مرطوب قرار می‌گیرد، پوسیده شده و زنگ می‌زند که باید بلافاصله پس از نصب سازه فلزی قابی اقدام به رنگ آمیزی آن با رنگ‌های ضد زنگ کرد.

از سوی دیگر مقاومت کم سازه‌های فلزی در برابر آتش سوزی نیز باید در نظر گرفته شود. با بالا رفتن دما آهن دچار تغییر شکل شده که موجب ریزش آوار می‌شود. خوشبختانه برای این شرایط نیز تمهیداتی پیش‌بینی شده است که اجرای پوشش‌های بتنی، گچی یا پلیمری ضد آتش از مهم‌ترین آنهاست.

در مقاله «تفاوت سازه بتنی و فلزی در چیست؟ اسکلت بتنی بهتر است یا فلزی؟» به طور مفصل به مقایسه دو سازه فلزی و بتنی پرداخته شده است.

انواع سازه اسکلت فولادی قابی

انواع سازه قاب‌های فلزی به دو دسته قاب ساده و قاب خمشی تقسیم می‌شوند که از آن ها برای مقابله با نیروهای جانبی وارد بر سازه هم چون نیروی حاصل از زلزله استفاده می‌شود. سیستم قاب ساده به سیستمی گفته می‌شود که کلیه اتصالات در آن به شکل مفصلی بوده و امکان مبادله لنگر وجود ندارد.

در این سیستم وظیفه قاب تنها انتقال بارهای مرده و زنده به فونداسیون است. از سوی دیگر وظیفه قاب خمشی مقاومت در برابر نیروهای جانبی بوده و به انواع گوناگون مانند قاب خمشی معمولی، متوسط و ویژه تقسیم می‌گردند.

سازه‌هایی که ساختار اسکلتی آنها از قاب‌های فولادی ساخته می‌شود، دسته بندی‌ها و انواع زیادی را شامل می‌شوند که در زیر به مهم‌ترین موارد کاربردی و همچنین انواع اتصالات آنها اشاره شده است.

ساختار سیستم قاب فولادی سوله‌ها و کارگاه‌های صنعتی

سوله‌ها و کارگاه‌های به کارگاه‌های با اسکلت فلزی سبک و سنگین تقسیم بندی می‌شوند. سیستم سازه ای این کارگاه‌ها عمدتاً از ستون‌های فولادی، تیرهای اصلی یا رفترها، استرات، لاپه یا زد (Z)، سینه بند و بادبندهای عمودی و سقفی و سایر اجزا تشکیل شده است.

ساختار اصلی قاب فولادی این سازه به شکلی است که می‌تواند تک دهانه، چند دهانه و یک طبقه یا چند طبقه بوده و طول اقتصادی آنها نیز حدود 24-30 متر است.

قاب خمشی یا قاب صلب

قاب صلب، قاب پیوسته یا قاب خمشی، یکی از انواع سیستم‌های مورد استفاده برای اجرای سازه های قاب فولادی است. در این سیستم، انتهای اعضای باربر سازه توسط اتصالات صلب به یکدیگر متصل می‌شوند. از این‌رو، امکان دوران نسبی اعضای سازه قاب خمشی فولادی در محل اتصالات وجود ندارد.

به این ترتیب، در صورت اعمال بار بر روی سازه، اجزای مختلف آن مانند یک جسم واحد در برابر تغییر شکل و لنگرهای خمشی مقاومت می‌کنند.

سازه فولادی قاب خمشی، از استحکام خوبی در برابر بارهای عمودی و جانبی بهره می‌برد. صلبیت این نوع سازه قابی توسط صلبیت یا سختی خمشی مجموعه تیرها و ستون‌ها تامین می‌شود.

سازه فولادی قاب خمشی معمولا دارای دهانه‌هایی بین 12 تا 30 متر، اتصالات پیچی یا جوشی و پروفیل‌های I شکل است. بر اساس تغییر شکل‌های غیر الاستیک مورد انتظار، نوع اتصالات مورد استفاده، سطح کنترل کیفیت و کاربری (میزان لرزه‌خیزی محدوده) به انواع زیر تقسیم می‌شود:

• قاب خمشی ساده یا OMF
• قاب خمشی متوسط یا IMF
• قاب خمشی ویژه یا SMF

از سیستم قاب صلب می‌توان برای ساخت سازه های فولادی با فضای آزاد بزرگ، ارتفاع زیاد و دهانه‌های بلند استفاده کرد.

سازه قاب فولاد نور سرد یا سازه قاب فولادی سبک

قاب فولادی سبک (Light Steel Frame) یا سیستم LFS یکی از سیستم‌های جدید ساختمان‌سازی با کاربری‌های مختلف است. طی فرآیند نورد سرد، ورق‌های نازک فولاد گالوانیزه به پروفیل‌های ساختمانی مورد نیاز برای اجرای المان‌های باربر و غیر باربر سازه تبدیل می‌شوند.

پروفیل‌های قاب فولادی سبک به منظور اجرای ساختمان‌های مسکونی، تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. وزن پایین و اجرای دیوار خشک، عملکرد دینامیک سازه در برابر بارهای لرزه‌ای را بهبود می‌بخشد.

سرعت اجرای بالا (قابلیت اجرا به صورت اسکلت پیش ساخته)، کیفیت خوب اتصالات و کاهش حجم بتن ریزی مورد نیاز برای فونداسیون نیز از دیگر مزایای سازه LSF است.

سازه فولادی پیش ساخته

انواع سازه فلزی یا فولادی پیش ساخته، سازه‌هایی هستند که اسکلت (اعضای اصلی و اتصالات) آن‌ها در کارخانه آماده می‌شود. این سازه‌ها اغلب برای اجرای سریع ساختمان‌های وسیع با دهانه بلند نظیر انبارها مورد استفاده قرار می‌گیرند. سیستم قاب پیش ساخته در اجرای ساختمان‌های مسکونی یک طبقه و کم ارتفاع نیز کاربرد دارد.

سازه قاب فولادی سبک، از محبوب‌ترین روش‌های اجرای این سیستم است. سازه فولادی پیش ساخته برای مقاومت در برابر بارهای سقف و باد طراحی می‌شود. کیفیت و صلبیت اتصالات این نوع سازه، تعیین کننده عملکرد آن است.

سازه فولادی با دیوار برشی و باربر

در مهندسی سازه، به المان‌های عمودی طراحی شده برای مقاومت در برابر بارهای جانبی نظیر باد و زلزله، دیوار برشی می‌گویند. در سازه های فولادی می‌توان از دیوارهای برشی آجری، بتنی یا فولادی استفاده کرد.

اتصالات در قاب‌های فولادی سوله‌ها

اتصالات خاص قاب فولادی شامل اتصال پای ستون به فونداسیون، تیر به تیر، ستون به تیر، اتصال پیچی مربوط به بادبندهای سقفی، ستون به مهاربند سقفی و براکت ناودانی یا لاپه به سقف است.

برای اطلاعات بیشتر در مورد اتصالات در سازه فلزی می توانید به مقاله «انواع اتصالات در سازه فولادی از جوشی تا پیچ و مهره» مراجعه کنید.

ساختار سیستم قاب فولادی در ساختمان‌های معمولی

در مورد ساختار قاب‌های فولادی باید گفت که با افزایش تعداد طبقات، ارتفاع و بار زنده، نیازهای سازه برای مقاومت در برابر بارهای جانبی (بار باد و زلزله) افزایش خواهد یافت.

این نیاز علاوه بر اینکه باید توسط پروفیل‌های قوی‌تر مرتفع گردد بلکه به اجزای کمکی مانند قاب‌های خمشی، ساختار مهاربندی مناسب و یا دیوار برشی و هم نیازمند خواهد بود.

ساختار قاب‌ها: قاب‌ها همانطور که از نامشان پیداست، از ستون‌ها و تیرها تشکیل شده اند و هدف آنها تحمل و انتقال نیروهای عمودی و جانبی به فونداسیون و سطح زمین است. ستون‌های فولادی عموماً به شکل پروفیل‌های H  شکل، ستون‌های فولادی باکس یا ستون‌های لوله‌ای شکل هستند.

ساختار مهاربندی (بادبندی) قاب: قابی که از ستون‌ها و تیرها تشکیل شده است به منظور تحمل نیروهای جانبی به مهاربندهایی مجهز می‌شود که عموماً به شکل ضربدری اجرا می‌شوند.

ساختار دیوار برشی: به لحاظ عملکردی مشابه ساختار مهاربندی قاب هستند، با این تفاوت که به جای مهاربند فلزی از دیوار بتنی یا دیوار فولادی استفاده می‌شود تا در برابر نیروهای جانبی مقاومت کنند.

دیوار برشی عموماً یک صفحه بتنی یا یک صفحه فولادی و یا یک ساختار کامپوزیت فولادی و بتنی است که معمولاً برای ساخت سازه‌های با ارتفاعات بالاتر به کار می‌رود.

اعضای مهاربند، بار را در یک انتها دریافت می‌کنند و آن را به قاب بعدی منتقل می‌کنند تا بار در سراسر قاب‌ها توزیع شود. همچنین مهاربندها (بادبندها) در مقابل کشش نیز مقاومت می‌کنند، زیرا در نقاط تلاقی خود با استفاده از پیچ و مهره یا جوش به محل مورد نظر دوخته شده اند.

به طور خلاصه باید گفت که سیستم بادبند یا مهاربندی، مجموعه‌ای از اعضاء است که جهت استحکام و پایداری سازه در برابر نیروهای عرضی ناشی از زلزله مورد استفاده قرار می‌گیرد. بادبندها، مهم‌ترین جنبه‌های طراحی سازه‌های فولادی برای نیروهای جانبی در جهت افزایش مقاومت ساختمان هستند.

اتصالات معمول اسکلت با قاب فولادی شامل اتصالات پای ستون، اتصالات تیر به ستون، اتصالات تیر به تیر، اتصالات ستون به ستون و اتصالات مهاربندی و غیره است.

سازه فلزی پوسته‌ای

سازه‌های فلزی پوسته‌ای (Shell structure) از دیگر انواع سازه فلزی یا فولادی است و به سازه‌هایی گفته می‌شود که در آنها با استفاده از ورق‌های فولادی به ساخت پوسته یا جداره یک سازه، اقدام شود

از مزایای این نوع سازه‌ها امکان پوشش مساحت‌های بزرگ بدون استفاده از ستون است. این در حالی است که بتن آرمه سال‌ها برای ساخت پوسته به کار می‌رفته است، لذا پیشرفت‌های اخیر امکان استفاده از فولاد را برای سقف‌های منحنی فراهم کرده است. پوسته‌های فولادی زیبا و از نظر شکل بسیار متنوع هستند. وزن آنها بسیار سبک بوده و به خوبی برای پیش مونتاژ قطعات مناسب است.

این نوع سازه نیازی به قالب و داربست در هنگام ساخت و ساز ندارد. البته این نوع سازه محدودیت‌های خاص خود را نیز دارد. از مهم‌ترین این ایرادات عدم امکان خم عرضی و طولی قطعات در کارگاه است. با این حال، می‌توان از مکمل‌های فرعی به عنوان اجزای پوسته‌های خمیده استفاده کرد. از این سازه‌ها در بیشتر در زمینه ساخت تانکرهای آب، سیلوهای گندم و مخازن سیالات در پتروشیمی‌ها استفاده می‌شود.

ویژگی های سازه فلزی پوسته‌ای

ویژگی‌های سازه فلزی پوسته‌ای عبارتند از:

1. وزن سبک: سازه فلزی پوسته‌ای به دلیل استفاده از قطعات فلزی بسیار سبک، وزن کمتری نسبت به سازه‌های معمولی دارد.
2. انعطاف پذیری: سازه فلزی پوسته‌ای بسیار انعطاف پذیر است و می‌تواند به شکل‌های مختلفی طراحی شود.
3. بیشترین بهره‌وری فضا: با استفاده از سازه فلزی پوسته‌ای، فضای بیشتری در داخل ساختمان بدون ستون و مانع وجود دارد.
4. مقاومت بالا در برابر بارهای خمشی: به دلیل شکل خمیده‌شده قطعات فلزی، سازه فلزی پوسته‌ای مقاومت بالایی در برابر بارهای خمشی دارد.
5. زیبایی و شکل ظاهری بی نظیر: سازه فلزی پوسته‌ای با شکل‌های خمیده‌ای که دارد، دارای زیبایی و شکل ظاهری بی‌نظیری است.
6. ساخت آسان و سریع: سازه فلزی پوسته‌ای به دلیل استفاده از قطعات استاندارد و آسان تراشیدن فلزات، ساخت آسان و سریعی دارد.
7. عدم نیاز به نصب ستون‌های بزرگ: به دلیل استفاده از پوسته به عنوان باربر، ستون‌های بزرگ در سازه فلزی پوسته‌ای نیاز نیست که در نتیجه فضای بیشتری برای استفاده در داخل ساختمان فراهم می‌شود.

سازه فلزی معلق

از دیگر انواع سازه فلزی یا فولادی است. با اشاره به نام سازه فلزی معلق (Suspension structure)، پل‌های معلق یادآور می‌شوند. بله یکی از سازه‌هایی که با استفاده از فولاد و با استفاده از نیروی کشش طناب ساخته می‌شود، پل معلق است. البته از این فناوری برای ساخت انواع سایبان‌های فلزی و مسقف کردن پارکینگ‌های روباز و خطوط لوله نیز استفاده می‌شود.

در سازه‌های فلزی معلق، عناصر اصلی تحمل کننده بار شامل سیم، کابل، زنجیر، دیافراگم ورقی شکل و غیره هستند که فقط تحت تأثیر نیروهای کششی قرار می‌گیرند.

سازه‌های معلق امکان استفاده کامل از خواص مکانیکی و مصالح را ممکن می‌سازند. وزن سبک آنها باعث می‌شود تا بتوان سازه‌هایی که دهانه بسیار بزرگی دارند را بسازیم.

نصب سازه‌های معلق نسبتاً ساده است. آنها بسیار ایمن هستند و معماری جالب و متمایزی دارند. از جمله کاستی‌های آنها شامل واکنش حرکتی بالا نسب به ورود نیرو و حساسیت زیاد به تغییر شکل تحت تنش‌های موضعی است.

البته این کاستی‌ها ممکن است با نصب عناصر تثبیت کننده ای مانند سیم‌های فلزی، تخته‌های متقاطع، تیرهای تقویتی و همچنین پیش تنیدگی سازه رفع شود.

ساختارهای معلق ممکن است به صورت صفحه ای یا فضایی ساخته شوند. ساده‌ترین شکل ساختار صفحه است که کابل‌ها متصل به تکیه گاه است و عناصر معلق روی آن وجود دارد که فشار موضعی را تحمل می‌کنند.

در مقاله «اجرای اسکلت فلزی» مراحل ساخت یک سازه فلزی تشریح شده است.

ویژگی های سازه فلزی معلق

سازه فلزی معلق یک سازه معماری است که برای نمایش زیبایی و جذابیت، از دیوارهای سنگی یا بلوکی جدا می‌شود و به صورت معلق در هوا قرار می‌گیرد. ویژگی‌های سازه فلزی معلق عبارتند از:

1. زیبایی و جذابیت: سازه فلزی معلق با داشتن شکل‌های خمیده و بی نظیر، زیبایی و جذابیت بیشتری را به محیط اطراف خود می‌بخشد.
2. سبک و وزن کم: به دلیل استفاده از قطعات فلزی سبک، سازه فلزی معلق وزن کمی دارد و باعث می‌شود تا برای نصب آن نیاز به سازه حمل و نقل قوی نباشد.
3. مقاومت بالا در برابر بارهای خمشی: به دلیل شکل خمیده‌شده قطعات فلزی، سازه فلزی معلق مقاومت بالایی در برابر بارهای خمشی دارد.
4. امکان تولید به صورت ماشینی: با توجه به این که سازه فلزی معلق از قطعات استاندارد تشکیل شده است، می‌توان آن را به صورت ماشینی و با سرعت بیشتری تولید کرد.
5. امکان تعمیر و نگهداری: سازه فلزی معلق، به دلیل اینکه در معرض باد و باران و نیز خوردگی است، به راحتی قابل تعمیر و نگهداری است.
6. میزان پیچیدگی کمتر: به دلیل ساختار ساده و استفاده از قطعات استاندارد، سازه فلزی معلق دارای پیچیدگی کمتری نسبت به سایر سازه‌های معماری است.

ساختار سازه‌های فضایی فولادی

این نوع سازه فلزی یک ساختار فضایی است که از اتصال چندین میله با گره‌های مختلف در یک شبکه خاص تشکیل شده است. انواع مختلفی از شبکه‌ها وجود دارد که بر اساس استانداردهای مختلف طبقه بندی می‌شوند.

روش‌های مختلف ترکیب این نوع اتصال به شبکه‌های سیستم خرپایی متقاطع، شبکه‌های سیستم مخروطی مثلثی، شبکه‌های سیستم مخروطی چهار ضلعی و شبکه‌های سیستم مخروطی شش ضلعی تقسیم بندی می‌شوند. شبکه تخت هم عمدتاً از آکورد، توری مورب، گره‌های میانی، گره‌های پشتیبانی و غیره تشکیل شده است.

سازه فلزی خرپایی

سازه فلزی خرپایی (Truss structure) از انواع سازه فلزی رایج در ساخمان سازی است و به سازه‌ای گفته می‌شود که در آن به وسیله تیرهای فولادی مثلثی شکل با اتصال مفصلی به تکیه‌گاه‌ها نیروهای وارده بر سازه را به زمین انتقال می‌دهد.

در نهایت تیرها، تکیه گاه‌ها و سایر اجزاء خرپا یک ساختار مشبک را تشکیل می‌دهند که معمولاً شامل 5 واحد مثلثی شکل یا بیشتر هستند. این واحدها دارای اجزاء مستقیم و صاف بوده که انتهای آن‌ها در مفصل‌ها (Node) به یکدیگر متصل شده‌اند.

در این سازه فلزی نیروهای خارجی و واکنش‌ها به این نیروها، فقط در ناحیه مفصل‌ها اعمال می‌شوند و منجر به ایجاد نیرو در اجزای کششی یا فشاری می‌شوند. در کل اجزابه‌گونه‌ایی کنار هم قرار گرفته‌اند که ترکیب کلی در عمل مانند یک شکل واحد عمل کند.

دسته بندی خرپاها

1. خرپای دو بعدی: در این خرپا تمامی اعضا را می‌توان در یک صفحه جا داد این یعنی از لحاظ هندسی اختلاف بعدی در نحوه قراگیری و جهت‌گیری اعضای خرپا نیست. توانایی تحمل تنش‌ها و بارهای صفحه‌ای از مزایای این نوع خرپاست.
2. خرپای سه بعدی: قرارگیری اعضای سازه در امتداد هر سه محور مختصات مشخصه این نوع خرپاست. قدرت تحمل بارها و تنش‌های سه بعدی از مزایای این گونه خرپا بوده که البته این مزایا باعث افزایش هزینه ساخت و ابعاد سازه نیز می‌شود.
3. خرپای چند گانه: این دسته از خرپاها با هدف کاهش ضعف‌ها و افزایش نقاط قوت دو خرپای قبل ساخته شده‌اند. قدرت تحمل بارهای صفحه‌ای و مقاومت خمشی و کمانشی مناسب در جهات گوناگون، در عین حفظ ابعاد متناسب از جمله نقاط قوت این دسته از خرپاهاست.
4. خرپای پرات (Pratt Truss) هم بیشتر برای ساخت پل و سازه‌های تاق مانند که بیشترین فشار اعمالی در آن‌ها در راستای عمودی است، مناسب هستند.
5. خرپای وارن (warren truss) یکی دیگر از انواع خرپا به شمار می‌رود که در ساخت پل ها بسیار متداول است. یکی از مزایای عمده این خرپا توانایی سازه در پخش کردن بارهایی ست که به اعضای مختلف آن وارد می‌شود. لذا زمانی که از تمامی جهات بار، به سازه اعمال می‌شود، استفاده از این نوع خرپا گزینه ایده مناسبی خواهد بود.
6. خرپای کی (K truss): این نوع خرپا، نسخه پیچیده‌تری از خرپای پرات است، با این تفاوت که اعضای عمودی این نوع خرپا کوتاه‌تر از نوع پرات بوده و این امر مقاومت بهتر سازه را در برابر تنش‌های خمشی در پی دارد.

مزایای سازه خرپایی

نصب سریع این سازه از مهم‌ترین مزایای آن است زیرا این سازه به صورت پیش ساخته در کارخانه ساخته شده و در کارگاه نصب می‌شود. مزیت دیگر این سازه امکان افزایش طول دهانه سازه هاست زیرا توزیع نیرو در آن به صورت مثلثی بوده و کاهش تمرکز نیروها را باعث می‌شود. فضاهای مثلثی در بین اعضای خرپا به خودی خود مسیرهای دسترسی را برای نصب تاسیسات برقی و مکانیکی ایجاد می‌کنند.

معایب سازه خرپایی

یکی از مهم‌ترین کاستی‌های سازه خرپایی این است که به فضای زیادی احتیاج دارد زیرا برای تحمل و توزیع بارهای سنگین، اجزای مثلثی به هم پیوسته باید بزرگ باشند.

علاوه بر این هزینه‌های بالای تعمیر و نگهداری آنها هم از معایب مهم به شمار می‌رود. البته اینها تنها معایب این سیستم سازه ای نیستند بلکه از آنجا که پل های خرپایی بسیار بزرگ هستند سنگین بودن آنها نیز غیر قابل اجتناب خواهد بود.

ساختار سیستم قاب فولادی در سازه فلزی خرپایی

همانطور که ذکر شد، خرپا مجموعه‌ای از میله‌های مستقیمی است که به طور مفصلی به هم متصل شده‌اند و شبکه‌های مثلثی را به وجود می‌آورند. اتصال اعضای خرپا به یکدیگر به وسیله جوش یا پرچ یا پیچ انجام می‌شود. سازه‌های خرپایی برای ساخت سقف‌ها، به ویژه سقف‌هایی با دهانه‌های زیاد و نیز پل‌ها کاربرد فراوانی دارد.

خرپاها ضمن داشتن مقاومت زیاد، از نظر وزن سبک هستند. اتصال اعضای یک خرپا گاهی به طور مستقیم و گاهی به وسیله ورقی موسوم به ورق اتصال صورت می‌گیرد.

بنابراین در عمل، نه تنها حالت اتصال مفصلی در انتهای اعضا وجود دارند، بلکه پیوند آن‌ها به یکدیگر و به ورق اتصال از گیرداری قابل ملاحظه ای نیز برخوردار است. توجه به نکاتی خاص موجب می‌شود که فرض اتصال مفصلی و نیروی محوری خالص در اعضای خرپاها واقعیت بیشتری پیدا کند.

از مهم‌ترین ملاحظات در این مورد آن است که در طراحی خرپا سعی می‌شود تا امتداد محور میله‌ها از نقطه مشترکی بگذرد. همچنین اعمال نیروهای خارجی به محل گره‌ها از شرایط دیگر این فرض است.

مقدار فولاد مورد استفاده برای خرپا کمتر از تیر H بوده و وزن کمتری داشته و دوام آن بیشتر است. به طور گسترده‌ای در ساختمان‌های بلند مرتبه، سازه‌های با دهانه بزرگ و پل‌ها نیز استفاده می‌شود.

مزایای سازه فولادی

همانطور که گفته شد کاربرد سازه‌های فولادی بسیار گسترش یافته است و علت آن نیز برتری و مصارف زیاد این سازه‌ها است. از جمله این مزایای این سازه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• خواص مکانیکی مناسب مانند استحکام بالا و مقاومت زیاد در مقابل کشش و فشار
• امکان کنترل کیفیت فولاد در کارخانه به هنگام تولید، نسبت به بتن و مصالح بنایی
• امکان توسعه سازه
• امکان پیش ساخته کردن قطعات
• سرعت نصب بالا
• اشغال فضای کمتر
• قابلیت استفاده در ارتفاع زیاد از سطح زمین
• قابلیت اتصال چند قطعه به یکدیگر توسط جوش یا پیچ و مهره

معایب سازه فولادی

همانطور که در بخش سازه فلزی قاب بندی شده گفته شد، فولاد در برابر رطوبت هوا و حرارت بالا حساس بوده و این به زنگ‌زدگی اسکلت فولادی می‌انجامد؛ لذا برای جلوگیری از این امر، باید از روش‌هایی مانند رنگ آمیزی با رنگ‌های ضدزنگ، پوشش ضد حریق، رنگ ضد حریق و دیگر روش‌های حفاظتی استفاده کرد.

همچنین از معایب این سازه‌ها می‌توان به احتمال اتصالات بد با کیفیت نامطلوب در جوشکاری و مقاومت کم در برابر حریق هم اشاره کرد. با این حال مهندسین سراسر جهان و در شرکت ابرگان سازه با ارائه راهکارهای مناسب اکثر این مشکلات را برطرف کرده‌اند.

برای اطلاعات بیشتر میتوانید به مقاله «مزایا و معایب سازه فلزی، ساختمان اسکلت فولادی خوب است یا بد؟» مراجعه کنید.

مهمترین استاندادرهای سازه های فلزی یا فولادی

مهمترین استانداردهای اجرایی سازه‌های فلزی یا فولادی عبارتند از:

1- استاندارد ASTM: این استاندارد شامل روش‌های آزمون و تست، خواص فیزیکی و شیمیایی مواد فلزی و تولید کننده‌های فلزی است. استانداردهای ASTM در ساخت و طراحی سازه‌های فلزی و فولادی به کار می‌روند.

2- استاندارد AISI: این استاندارد برای طراحی و ساخت سازه‌های فولادی استفاده می‌شود. این استاندارد شامل ضوابط و مقررات در مورد مشخصات فنی و ساخت فولادهای سازه‌ای، پروفیل‌ها، اتصالات، روش‌های نصب و سایر موارد مربوط به ساخت و طراحی سازه‌های فولادی است.

3- استاندارد AISC: این استاندارد برای طراحی و ساخت سازه‌های فولادی با استفاده از فولادهای سازه‌ای است. این استاندارد شامل ضوابط و مقررات در مورد محاسبات سازه، طراحی، اتصالات، انتخاب پروفیل‌ها و سایر موارد مربوط به ساخت و طراحی سازه‌های فولادی است.

4- استاندارد Eurocode: این استاندارد برای طراحی و ساخت سازه‌های فلزی و فولادی در اروپا استفاده می‌شود. این استاندارد شامل ضوابط و مقررات در مورد محاسبات سازه، طراحی، اتصالات، انتخاب پروفیل‌ها و سایر موارد مربوط به ساخت و طراحی سازه‌های فلزی و فولادی در اروپا است.

سخن آخر

انواع سازه فلزی و استفاده از آن به دلیل انعطاف پذیری آنها و تولید انواع طراح‌های پیچیده معماری مناسب است و از طرفی هم برخلاف بتن به راحتی بازیافت شده و نخاله ساختمانی و پسماند آسیب زننده به محیط ریست از خود به جای نمی‌گذارد. برای سفارش انواع سازه فلزی مهندسی به شرکت ابرگان سازه مراجعه کنید.