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.
⌛ آخرین بهروزرسانی: 5 بهمن 1401
📕 تغییرات به روز رسانی: آپدیت بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1401
در این مقاله چه می آموزیم؟
- 1. مشخصات مقاطع فولادی توخالی HSS
- 2. تاریخچه مقاطع فولادی توخالی HSS
- 3. مزایا و معایب استفاده از HSS
- 4. کاربردهای مقاطع HSS
- 5. روشهای ساخت مقاطع HSS
- 6. مقاطع فولادی پر شده با بتن (CFT)
- 7. بررسی ضوابط و بندهای آییننامه
- 8. نحوه مدلسازی در نرمافزار
- 9. تفاوت مدلسازی مقطع Tube (HSS) با مقطع باکس
- 10. نتیجه گیری
1. مشخصات مقاطع توخالی فولادی HSS
به گونه ای از پروفیل های فلزی که معمولا از فولاد نورد سرد ساخته میشوند، مقاطع توخالی ساختمانی HSS میگویند. این پروفیل ها دارای یک بخش توخالی و یک بخش لولهای یا قوطی شکل هستند. انعطاف پذیری بالا و استحکام ساختاری این مقاطع باعث شده است که استفاده از HSS در صنعت ساختمان سازی رشد قابل توجهای پیدا کند. مقاطع توخالی فولادی hss معمولا به صورت دایرهای، مستطیلی یا مربعی ساخته میشوند. آنها در بخش تولید با مشخصات ASTM A500 یا A1085 مطابقت دارند. امروزه پرطرفدار ترین کاربردهای این پروفیلهای توخالی در سازههای خرپایی متحرک، خرپایی معمولی و ستونهای پایه یا عناصر مهاربندی عممومی است.
2. 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.
همچنین ایرانیان باستان نیز از این نوع مقاطع در سازههای خود استفاده میکردند و نمونههایی از این مقاطع در موزه لوور پاریس نگهداری میشود.
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.
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.
3. 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.
4. 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.
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.
5. 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.
1.5. 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
2.5. 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.
3.5. 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).
6. مقاطع فولادی پر شده با بتن (CFT)
مقاطع CFT (concrete filled tube) به مقاطع فولادی توخالی (HSS) به شکل قوطی یا لوله فولادی گفته می شوند که قسمت خالی آن ها با بتن پر شده است. ستون های سازه ای که از این دسته مقاطع مختلط شامل فولاد و بتن هستند از خواص مکانیکی بهتری نسبت به سایر اعضای سازه ای ساخته شده از فولاد و بتن به صورت مجزا هستند. از مهم ترین مزایای این نوع ستون های مرکب، به تاخیر انداختن کمانش موضعی فولاد است. ستون فولادی در تماس با بتن سخت شده، مقاومت بیشتری از خود در مقابل کمانش نشان می دهد یا اصلا اتفاق نمی افتد.این ستون ها دارای دارای مقاومت کششی و شکل پذیری زیادی هستند. با استفاده از ستون های CFT علاوه بر بهبود رفتار لرزه ای سازه، وزن سازه، ابعاد ستون ها و زمان ساخت را به صورت چشم گیری کاهش داد. مقاطع CFT را به صورت ستونهای دایره ای، مربع و مستطیل و تیر فولادی و دیوار برشی بتن مسلح مورد استفاده قرار داد.
از مهم ترین مزایای استفاده از مقاطع CFT می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. کاهش وزن فولاد مصرفی
2. کاهش زمان ساخت
3. افزایش مقامت سازه در برابر حریق
4. کاهش ابعاد ستون ها در نتیجه آن افزایش فضای مناسب ساختمان
7. 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.
بطور خلاصه مطابق با جدول فوق:
مقاطع I شکل قوطی شده و مقاطع قوطی شکل ساختهشده از ورق اگر بهعنوان ستون مورداستفاده قرار گیرند، نسبت پهنا به ضخامت در اعضای با شکلپذیری زیاد، باید به (E/Fy)√0.6 محدود شود.
نسبت پهنا به ضخامت در بالهای مقاطع توخالی مستطیل شکل (HSS) وبالهای مقاطع قوطی شکل ساختهشده از ورق درصورتیکه بهعنوان تیر یا ستون مورداستفاده قرار گیرند، باید به (E/Fy)√1.12 محدود شود.
درصورتیکه مقاطع توخالی دایرهای شکل بهعنوان تیر یا ستون مورداستفاده قرار گیرند، نسبت قطر به ضخامت در اعضای با شکلپذیری متوسط میتواند به (E/Fy)0.7 محدود شود.
8. نحوه مدلسازی مقاطع توخالی فولادی در نرم افزار 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.
جهت استفاده از مقاطع موجود در نرمافزار از منوی زیر استفاده میشود:
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.
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.
در ادامه با طی کردن مراحل 1 تا 4 وارد محیط Section Designer خواهیم شد.
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.
9. تفاوت مدلسازی مقاطع (Tube(hss با مقطع باکس
تفاوت اصلی مدلسازی مقاطع باکس(که معمولاً در ساختوسازهای مرسوم در ایران استفاده میشوند)، با مقاطع Tube (HSS) در همپوشانی اجزای تشکیل دهندهی مقطع میباشد، به طوریکه 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.
با توجه به توضیحات فوق، در هنگام رسم مقاطع باکس در SD Section باید به همپوشانی اجزا توجه نمود و تنها در صورتی میتوان از شکل Tube برای رسم مقطع استفاده کرد که ساخت مقاطع در پروژه هم با همین رویکرد صورت گیرد (مورد شماره 1 در شکل زیر)، در غیر این صورت باید مقاطع باکس را با استفاده از چهار پلیت رسم نمود (مورد شماره 2 در شکل زیر).
نتیجه گیری
به گونه ای از پروفیل های فلزی که معمولا از فولاد نورد سرد ساخته میشوند، مقاطع نوخالی ساختمانی HSS میگویند. مقاطع نوخالی ساختمانی HSS در بخش تولید با مشخصات ASTM A500 یا A1085 مطابقت دارند.
مقرونبهصرفه بودن، نسبت بالای مقاومت به وزن، کاربرد در سبکسازی، کیفیت ساخت و جوشکاری، مناسب بودن برای اجرای ستون، قابل استفاده بودن در سازههای کامپوزیت، مقاوم در برابر پیچش و … از جمله مزایای استفاده از مقاطع توخالی HSS است.
تفاوت اصلی مدلسازی مقاطع باکس(که معمولاً در ساختوسازهای مرسوم در ایران استفاده میشوند)، با مقاطع Tube (HSS) در همپوشانی اجزای تشکیل دهندهی مقطع میباشد، به طوریکه اجزای مقطع باکس معمولاً همپوشانی نداشته و مقطع به کمک ورقهایی ساخته میشود که این ورقها با فاصله از یکدیگر قرار گرفتهاند، این فاصلهها به کمک جوش پر میشوند
مقاطع CFT به مقاطع توخالی فولادی (HSS) به شکل قوطی یا لوله فولادی گفته میشوند که قسمت خالی آنها با بتن پر شده است که مهم ترین مزایای این نوع ستون های مرکب، به تاخیر انداختن کمانش موضعی فولاد است. این ستون ها دارای دارای مقاومت کششی و شکل پذیری زیادی هستند و میتوان با استفاده از آن ها در سازه رفتار لرزه ای آن را بهبود بخشید.
منابع
- مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش سال 1401
- Hollow structural section-steel tube institute of north America
مسیر یادگیری برای حرفه ای شدن
- 1
- 2
- مقاطع توخالی فولادی؛ مدلسازی مقاطع hss در ایتبس به همراه بررسی 3 روش ساخت آن
- 4
- 5
مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!
- ارسال سوال برای تولید محتوا
با سلام ممنون از توضیحات خوبتون، برای این مقاطع اتصالات چطور طراحی میشن؟ مثل مقاطل تیر ورق هست یعنی جوش پذیری و سوراخ کاری و نوع اتصال مثل همون هست یا نه آیین نامه و قوانینش فرق میکنه؟
پاسخ دهید
سلام..اتصالاتش در آیین نامه آمریکا و مبحث دهم جدید هست.
پاسخ دهید
سلام مهندس،من پیام شما رو به گروه پشتیبانی علمی سبز سازه انتقال خواهم داد و جواب رو در اسرع وقت برای شما ارسال خواهم کرد. 🌹
پاسخ دهید