سبد خرید
صفحه اصلی  »  مقالات  »  طراحی سازه های فولادی  »  مقاطع توخالی فولادی؛ مدلسازی مقاطع hss در ایتبس به همراه بررسی 3 روش ساخت آن

مقاطع توخالی فولادی؛ مدلسازی مقاطع hss در ایتبس به همراه بررسی 3 روش ساخت آن

همانطور که شما هم می دانید مقاطع توخالی فولادی یا همان مقاطع hss یکی از شایع ترین و کارآمد ترین انواع مقاطع فولادی می باشد اما آیا شما دلیل استفاده از مقاطع توخالی فولادی در طراحی سازه را می دانید؟ چه تفاوتی بین مقاطع باکس و (Tube(hss وجود دارد؟

در این مقاله جامع ابتدا به بررسی کاربرد و مزایا و معایب مقاطع توخالی فولادی می پردازیم سپس 3 روش ساخت آن را بیان خواهیم کرد و سرانجام به مدلسازی مقاطع hss در ایتبس می پردازیم.

 

در این مقاله چه می آموزیم؟

تاریخچه مقاطع توخالی  فولادی (HSS)

بشر از زمان‌های دور به دلیل سبکی و به‌صرفه بودن از مقاطع توخالی جهت ساخت‌ و ساز استفاده کرده است، مانند ساختن خانه‌های جنگلی از چوب بامبو.

 

مقاطع توخالی

شکل 1- استفاده از مقاطع تو‌خالی در ساخت‌ و‌ ساز جنگلی

 

همچنین ایرانیان باستان نیز از این نوع مقاطع در سازه‌های خود استفاده می‌کردند و نمونه‌هایی از این مقاطع در موزه لوور پاریس نگهداری می‌شود.

 

استفاده از مقاطع توخالی

شکل 2- استفاده از مقاطع توخالی در ایران باستان

 

استفاده از مقاطع توخالی در گذشته

شکل 3- استفاده از مقاطع تو خالی در ایران باستان

 

در ابتدای قرن بیستم مهندسین نیز به علت به‌ صرفه بودن و ویژگی‌های مکانیکی از مقاطع HSS جهت ساخت‌ و سازهای سبک به‌ خصوص پل‌ها استفاده کردند. یکی از اولین و بزرگ‌ ترین سازه‌های ساخته‌ شده به کمک این مقاطع، پل قوسی در اسکاتلند می‌باشد که اعضای آن از مقاطع HSS و همچنین اتصالات پرچی می‌باشد.

 

ساخت پل قوسی با استفاده از مقاطع توخالی فولادی HSS

شکل4- پل قوسی در اسکاتلند با استفاده از مقاطع توخالی فولادی

 

در ابتدا مقاطع توخالی مدور ساخته شد اما این مقاطع به دلیل وجود درز جوش، کارایی کافی را نداشتند اما بعد از جنگ جهانی دوم با توسعه صنعت جوشکاری، جوش‌ها به‌ صورت ممتد اجرا شد و رول‌های ورق به‌ صورت مداوم در دستگاه نورد قرار می‌گرفت و تمام قسمت‌های آن به‌صورت ممتد جوشکاری می‌شدند، همچنین در این حالت جوشکاری لبه‌های آن نیز راحت‌تر و باکیفیت‌تر تولید می‌شد. پس از گذشت حدود 50 سال تولید مقاطع توخالی مستطیلی در اروپا آغاز گردید و در سال‌های اخیر در ساخت سازه‌های کوچک و بزرگ استفاده می‌شود.

مزایا و معایب استفاده از مقاطع HSS

مزایا استفاده از مقاطع توخالی فولادی

  • مقرون‌به‌صرفه بودن: به علت سرعت ‌بالای ساخت و مکانیزه بودن روند اجرای آن، پروژه در مدت کوتاهی به مرحله بهره‌ برداری می‌رسد. از طرفی چون مقدار کمتری فولاد مصرف می‌شود، همین موضوع به‌طور مستقیم باعث کاهش هزینه‌های ساخت می‌شود.
  • نسبت بالای مقاومت به وزن: فولاد نسبت به سایر مصالح نظیر چوب، بتن، لاستیک و…، نسبتِ مقاومت به وزن بالایی دارد. حال اگر همین فولاد را به‌ صورت مقطعی توخالی استفاده نماییم مجدداً وزن مقطع کم شده و نسبتِ مذکور افزایش بیشتری می‌یابد.
  • کاربرد در سبک‌سازی: این مقاطع به دلیل سبک بودن، نیروی زلزله کمتری را جذب می‌کند، لذا به کمک آن‌ها می‌توان سازه‌های سبک‌تری طراحی کرد. علاوه بر این به دلیل این‌که فاصله مصالح فولاد مقطع تا محورهای گذرنده از مرکز سطح بیشتر از سایر پروفیل‌های فولادی است، درنتیجه ممان اینرسی مقطع بالاتر بوده و عملکرد بهتری در مواجه با خمش دارد. با توجه به این ویژگی از این مقاطع می‌توان در دهانه‌های بلند استفاده کرد.
  • کیفیت ساخت و جوشکاری: ساخت مقاطع HSS در کارخانه انجام می‌پذیرد لذا برخلاف مقاطع ساخته‌شده با ورق، از کیفیت بالاتری برخوردار است. در این مقاطع به‌ جای جوش دستی، از یک خط جوش مقاومت الکتریکی (ERW) استفاده می‌شود و باعث کاهش تنش پسماند در مقطع می‌شود.
  • مناسب جهت ساخت ستون: با توجه به زیاد بودن شعاع ژیراسیون و وجود دو محور تقارن در مقطع مستطیلی و چند محور تقارن در مقطع مربعی و دایره‌ای، باعث می‌شود که این نوع مقاطع برای ساخت ستون اولویت داشته باشند.
  • استفاده از مقاطع HSS در سازه‌های کامپوزیت: در سازه‌های فولادی به‌جای استفاده از چندین سخت‌کننده (استیفنر) می‌توان داخل مقطع HSS را با بتن پر کرد تا هم مقاومت مورد نظر پاسخگو باشد و هم ازلحاظ هزینه، فولادِ کمتری استفاده شود که سبب مقرون‌ به‌ صرفه‌تر شدن طراحی می‌شود.
  • میزان آلودگی صوتی کمتر: به دلیل عدم برشکاری و جوشکاری این مقاطع در کارگاه ساختمانی و انتقال این فرایند به کارخانه، آلودگی صوتی که باعث مزاحمت برای ساکنینِ مجاور می‌شود، کاهش می‌یابد.
  • مقاوم در برابر پیچش: این دسته از مقاطع جزء مقاطع جدار نازک بسته می‌باشند؛ بنابراین از مقاومت خوبی در برابر پیچش برقرار هستند.

معایب و موانع استفاده از مقاطع توخالی فولادی

در کنار مزایای بسیار زیاد مقاطع HSS که تک‌تک آن‌ها را ذکر کردیم، موانعی جهت استفاده از این مقاطع وجود دارد. نیاز به تکنولوژی بالا جهت ساخت این مقاطع از اصلی‌ترین مانع استفاده از این مقاطع می‌باشد.

همچنین روش‌های معمول اتصال صلب مقطع HSS، بسیار پرهزینه بوده و پیچیدگی‌های موجود ممکن است سبب کاهش دقت این اتصالات در اجرا شود.

کاربردهای مقاطع HSS

همان‌طور که می‌دانید مقاطع HSS و مقاطع باکس هر دو جزء مقاطع توخالی به‌حساب می‌آیند اما در نحوه ساخت و درنتیجه عملکرد متفاوت‌اند. مقاطع باکس از جوش دادن حداقل 4 ورق ساخته می‌شوند اما نحوه ساخت مقاطع HSS کاملاً متفاوت است که در ادامه نحوه ساخت این مقاطع را شرح می‌دهیم.

مقطع باکس به عنوان یک مقطع توخالی

شکل5- مقطع باکس

مقطع توخالی hss

شکل6- مقطع توخالی فولادی HSS

 

مقاطع HSS کاربردهای صنعتی و ساختمانی فراوانی دارد. شکل هندسی این‌گونه مقاطع به‌گونه‌ای است که باعث می‌شود که درجاهای مختلف از این مقطع استفاده شود. همچنین در سازه‌هایی که سرعت ساخت از اهمیت بالایی برخوردار است استفاده از این مقاطع بسیار کاربرد دارد چرا که سرعت اجرای آن بالا می‌باشد. به‌ عنوان‌ مثال برای ساخت یک باکس، دو روز زمان و حداقل 5 کارگر نیاز است درصورتی‌که ساخت مقطع HSS در چند دقیقه و به‌ مراتب باکیفیت بیشتر انجام می‌شود.

با پیشرفت تکنولوژیِ تولید HSS، استفاده از این مقاطع روز به‌ روز گسترش پیدا کرده است و در کشورهای پیشرفته انتخاب اول مهندسین طراح، مقاطع HSS است. از این‌ رو از مقاطع HSS در ساختمان، استادیوم، جرثقیل، فرودگاه، پالایشگاه، شهربازی، تابلو اعلانات و… استفاده می‌شود.

 

ساخت سالن فرودگاه با استفاده از مقاطع توخالی فولادی

شکل 7- سالن فرودگاه بانکوک تایلند

 

ساخت ایستگاه مترو در دبی با استفاده از مقاطع HSS

شکل 8- ایستگاه مترو در دبی

 

ساخت ایستگاه پالایشگاه نفت با استفاده از مقاطع توخالی فولادی

شکل9- ایستگاه پالایشگاه نفت

 

ساخت استادیوم ورزشی با استفاده از مقاطع HSS

شکل10- استادیوم ورزشی

 

ساخت پل طبیعت تهران با استفاده از مقاطع HSS

شکل11- پل طبیعت تهران

 

روش های ساخت مقاطع توخالی فولادی

ساخت مقاطع HSS سه مرحله اصلی فرمینگ، جوش و سایزینگ دارد. ساخت مقاطع HSS را به سه روش تقسیم‌بندی می‌کنیم.

تبدیل ورق به لوله و ستون باکس:

در این روش مطابق شکل ورق‌ را طی مراحل 1 تا 6 به لوله تبدیل می‌کنند. لبه‌های ورق در مرحله 7 کنار هم قرارگرفته و به‌وسیله جوش القایی با فرکانس بالا یا جوشکاری تماسی حرارت داده می‌شود، که نهایتاً لبه‌های جوشکاری به علت حرارت بالا در هم فرو می‌روند. پس از خنک شدن درز جوش، با عبور از یکسری غلتک‌های سایزینگ مقطع دایره‌ای را به مقاطع با شکل موردنظر مثل مقاطع شکل 9-10-11 تبدیل می‌شود

روش ساخت مقاطع توخالی فولادی

روش تولید مستقیم:

این روش برای ساخت مقطع مربع و مستطیل توخالی استفاده می‌شود. در این روش در اولین گام، شکل‌دهی دو گوشه بالای ورقِ صاف، فرم داده می‌شوند (مرحله 2). در مرحله بعد دو گوشه پایین فرم داده می‌شوند (مرحله 3). لازم به ذکر است نورد سرد در هیچ‌ وجهی از ورق اعمال نمی‌شود و درز آن زمانی که به شکل مدنظر رسید به‌ وسیله جوش تماسی یا القایی با فرکانس بالا جوش داده می‌شود (مرحله 4). پس از خنک شدن درز جوش، جهت سایزینگ از قالب‌ های مختلفی عبور می‌کند تا به‌اندازه مدنظر برسد.

 

روش ساخت مقاطعHSS به روش مستقیم

تولید دو تکه:

دوتکه ورق صاف و یکسان پس از قرارگیری در دستگاه پرس به شکل (مرحله 2) تبدیل می‌شوند. سپس یک تسمه نگهداری به قسمت بال مقطع 2 وصل می‌کنند (مرحله 3) و دونیمه ساق را به هم منطبق می‌کنند (مرحله 4) و از طریق جوش زیر پودری به هم جوش می‌دهند و مقطع نهایی مربع یا مستطیل را به وجود می‌آورند (مرحله 5).

 

ساخت مقاطع توخالی فولادی با استفاده از روش ساخت دو تیکه

بررسی ضوابط و بندهای آیین‌نامه

در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان بند 10-2-2-2-1 مقاطع فولادی را از منظر کمانش موضعی برای فشار محوری به دور دسته لاغر و غیر لاغر تقسیم‌بندی می‌کند. طبق جدول زیر اگر نسبت پهنا به ضخامت از حد مشخصی بیشتر باشد، مقطع لاغر لحاظ می‌شود.

همچنین دربند 10-2-2-2-2 مقاطع را از منظر کمانش موضعی برای خمش به سه دسته فشرده، غیر فشرده و لاغر تقسیم‌بندی می‌کند.

ضوابط مقاطع توخالی فولادی در آیین نامه(HSS)

 

  • مقاطع I شکل قوطی شده و مقاطع قوطی شکل ساخته‌شده از ورق اگر به‌ عنوان ستون مورد استفاده قرار گیرند، نسبت پهنا به ضخامت در اعضای با شکل‌پذیری زیاد، باید به 6محدود شود.
  • نسبت پهنا به ضخامت در بال‌های مقاطع توخالی مستطیل شکل (HSS) وبال‌های مقاطع قوطی شکل ساخته‌ شده از ورق درصورتی‌ که به‌ عنوان تیر یا ستون مورد استفاده قرار گیرند، باید به 12محدود شود.
  • درصورتی‌که مقاطع توخالی دایره‌ای شکل به‌ عنوان تیر یا ستون مورداستفاده قرار گیرند، نسبت قطر به ضخامت در اعضای با شکل‌پذیری متوسط می‌تواند به 0.7 محدود شود.

نحوه مدلسازی مقاطع توخالی فولادی در ایتبس

به‌ طور کلی، در نرم‌افزار ایتبس مقاطعی که در جدول اشتال وجود داشته باشند را می‌توان از مقاطع پیش فرض ایتبس فراخوانی (import) کرد اما اگر مقاطع غیراشتال مورد نظر باشند، مدل‌سازی آن‌ها را با آگاهی از محدودیت‌های این روش باید از بخش SD section انجام داد.

به‌طورکلی در طراحی‌ها بهتر است تا حد امکان از مقاطع موجود در نرم‌ا‌فزار استفاده نمود، زیرا مقاطعی که در SD section ساخته می‌شوند، در نرم‌افزار به‌ عنوان مقطع غیر فشرده لرزه‌ای شناخته می‌شوند، در نتیجه درصورتی‌که بخواهیم ضوابط طرح لرزه‌ای را برای آن‌ها کنترل کنیم، خطا می‌دهند.

همچنین در مقاطع SD نرم‌افزار حالت‌های کمانش خمشی-پیجشی و کمانش پیچشی را لحاظ نمی‌کند و تنها معیار کمانش خمشی در نظر گرفته می‌شود. این یعنی طراحی اعضای فشاری در نرم‌افزار کامل نبوده و ممکن است خطا داشته باشد. در این حالت نرم‌افزار موضوع کمانش پیچشی جانبی (LTB) را لحاظ نکرده و ظرفیت از رابطه‌ی M=SFy محاسبه می‌شود درنتیجه ظرفیت خمشی مقاطع SD اندکی کمتر از مقدار واقعی آن‌ها می‌باشد که البته محافظه‌کارانه است.

در قسمت زیر نحوه فراخوانی مقطع HSS نشان داده شده است.

 

فراخوانی مقاطع توخالی فولادی در ایتبس

 

جهت استفاده از مقاطع موجود در نرم‌افزار از منوی زیر استفاده می‌شود:

 

IMPORT کردن مقاطع توخالی فولادی در ETABS

 

پس از انتخاب شکل مقطع مورد نظر، پنجره‌ای مشابه با شکل زیر باز شده که در آن ابعاد مدنظر برای مقطع انتخاب شده و با فشردن دکمه Ok، این مقاطع وارد لیست مقاطع نرم‌افزار می‌شوند.

 

انتخاب مقاطع HSS در ایتبس

 

 

حال اگر بخواهیم خودمان یک مقطع توخالی فولادی با ابعاد مدنظر به کمک SD Section بسازیم، مراحل مطابق شکل‌های زیر طی می‌شوند. در ابتدا  از منوی Define گزینه Frame Section انتخاب شده و پنجره‌ی Frame Properties باز می‌شود.

 

ساخت مقاطع فولادی توخالی در ایتبس

 

در ادامه با طی کردن مراحل 1 تا 4 وارد محیط Section Designer خواهیم شد.

 

گام به گام ساخت مقاطعhss

 

 

سپس از قسمت Draw Steel Shape گزینه Tube یا Pipe را انتخاب می‌کنیم. مشخصات مقطع در پنجره‌ی فوق وارد می‌شوند. در این قسمت، محل قرارگیری مرکز مقطع و همچنین ابعاد مقطع (مانند طول، عرض و ضخامت) واردشده تا مقطع توخالی مدنظر ساخته شود.

 

ساخت مقاطع توخالی فولادی(hss)

تفاوت مدلسازی مقاطع (Tube(hss با مقطع باکس

تفاوت اصلی مدلسازی مقاطع باکس(که معمولاً در ساخت‌ و‌ سازهای مرسوم در ایران استفاده می‌شوند)، با مقاطع (Tube (HSSدر همپوشانی اجزای تشکیل دهنده‌ی مقطع می‌باشد، به طوری‌ که اجزای مقطع باکس معمولاً همپوشانی نداشته و مشابه با شکل زیر (شکل سمت راست) مقطع به کمک ورق‌هایی ساخته می‌شود که این ورق‌ها با فاصله از یکدیگر قرار گرفته‌اند، این فاصله‌ها به کمک جوش پر می‌شوند. شکل سمت چپ مقطع Tube در نرم افزار را نشان می‌دهد و همانطور که مشاهده می‌شود، اجزای این مقطع با یکدیگر همپوشانی دارند.که شکل سمت راست، مقطع باکس Box و شکل سمت چپ مقطع Tube را نشان می دهند.

 

تفاوت مدلسازی مقاطع Box و Tube که هردو جزو مقاطع توخالی فولادی هستند

شکل 13- تفاوت مدلسازی مقاطع Box و Tube از لحاظ همپوشانی اعضا

 

نحوه ساخت مقاطع باکس در ایتبس

شکل14- مدلسازی مقطع باکس به کمک دو رویکرد شماره 1 یا 2 با توجه به همپوشانی اجزا

 

منابع

  1. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان
  2. Hollow structural section-steel tube institute of north America
خرید لينک هاي دانلود

دانلود رایگان اعضای ویژه

دانلود رایگان این آموزش و ده ها آموزش تخصصی دیگر به ازای پرداخت فقط 29 هزار تومان (+ اطلاعات بیشتر)

خرید با اعتبار سایت به ازای پرداخت فقط 1 هزار تومان

دانلود و ذخیره فقط همین آموزش ( + عضو شوید و یا وارد شوید !)

دانلود سریع و بدون نیاز به عضویت به ازای پرداخت فقط 1 هزار تومان

پیش از همه باخبر شوید!

تعداد علاقه‌مندانی که تاکنون عضو خبرنامه ما شده‌اند: 11,561 نفر

تفاوت اصلی خبرنامه ایمیلی سبزسازه با سایر خبرنامه ها نوآورانه و بروز بودن آن است ، ما تنها تازه ترین های آموزشی ، تخفیف ها و جشنواره ها و ... مورد علاقه شما را هر هفته به ایمیل تان ارسال می کنیم

نگران نباشید، ما هم مثل شما از ایمیل های تبلیغاتی متنفریم ، خاطر شما را نخواهیم آزرد!

تولید کنندگان آموزش
ارسال نظرات

دانلود رایگان 3 ایبوک پر فروش سبزسازه

اطلاعاتتان را وارد کنید و 3 ایبوک ساخت مقاطع مرکب فولادی در ایتبس، طراحی کف ستون در ایتبس و تحلیل و طراحی تیر پیوند را در ایمیلتان دانلود کنید.
برایم ایمیل شود
نگران نباشید ایمیل های مزاحم نمی فرستیم
close-link

فقط کافیست ایمیلتان را وارد کنید

در کمتر از 5 ثانیه اطلاعاتتان را وارد کنید و 3 ایبوک طراحی سازه بتنی در ایتبس را به همراه هدیه ویژه آن در ایمیلتان دریافت کنید
برایم ایمیل شود
نگران نباشید ایمیل های مزاحم نمی فرستیم
close-link

دریافت تخفیف 50.000 تومانی
عجله کنید! پیشنهاد رو به اتمام است