بررسی جامع مقاطع تو خالی سازه ای
HSS مخفف عبارت مقطع (فلزی) توخالی سازه ای است که در اشکال گرد، مربعی و مستطیلی و در طیف گسترده ای از اندازه ها تولید می شوند.
این مقاطع نوعی پروفیل فولادی باسطح مقطع توخالی است که دارای هندسه بسته، بدون گوشه های تیز و با ظاهری جذاب میباشد.
مقاطع سازه ای توخالی (HSS)، تیوبهای فولادی با درز جوش و استحکام بالا هستند که به عنوان یک عضو باربر در ساختمانها و دیگر سازه ها و محصولات تولیدی استفاده می شوند.
این مقاطع به دلیل تولید صنعتی، نسبت به مقاطع سنتی دست‌ساز هم از نظر کیفیت جوش و هم از نظر اعوجاج و رواداری، از کیفیت به مراتب بالاتری برخوردارند. گوشه های HSS به صورت گرد می باشند و شعاعی تقریباً دو برابر ضخامت دیواره مقاطع سازه ای توخالی دارند. این ضخامت دیواره در کل مقطع یکسان است.
شکل هندسی این مقاطع به گونه ای است که استفاده کارآمد از مصالح را در صنایع ساختمانی و کاربردهای دیگر تسهیل می کند و استفاده مناسب از این مقاطع منجر به ساخت سازه های مقرون به صرفه‌تر و سبکتری می شود که سرعت و کیفیت بهتری را نسبت به دیگر مقاطع ساخته شده با روش سنتی به دنبال دارد.
در سالهای اخیر استفاده از مقاطع ساختمانی توخالی به خاطر ویژگیهای ظاهری و خواص مکانیکی آن، شاهد پیشرفت چشمگیری بوده‌است. معماران به این مقاطع به خاطر خواص ویژه آن، لقب متریال قرن بیست و یک را داده‌اند.
حجم جوش در شیوه مرسوم به علت داشتن 4 خط جوش و لزوم نصب استیفنر ها، بیش از 4 برابر جوشکاری در شیوه تولید H.S.S است که دارای تنها یک درز جوش است و بدون استیفنر ساخته میشود.
نسبت مقاومت به وزن بیشتر HSS نسبت به مقاطع تولید شده به روش سنتی به این معنی است که برای ایجاد مقاومت برابر، مصالح کمتری بکار میرود. مقاومت فشاری، مشخصه های باربری و مقاومت پیچشی بالا، کاربرد HSS را برای انواع مختلف ستونها فراهم ساخته است.
به دلیل الزام نصب استیفنر داخلی در تولید ستون به شیوه رایج، عملاً پرکردن این مقاطع با بتن امکان پذیر نمی‌باشد. ولی در بکارگیری مقاطع ساختمانی (H.S.S) این محدودیت وجود ندارد.
با پر کردن مقاطع HSS با بتن که منجر به تولید ستون های مرکب CFT می شود می توان به طور همزمان از ویژگی های بتن و فولاد در سازه بهره برد.
HSS نسبت به مقاطع بال پهن و HP شکل، نسبت استحکام به وزن بالاتری دارند. بنابرین با استفاده از HSS ، به میزان کمتری فولاد برای انجام کار نیاز است .
امروزه در پاسخ به نیاز روزافزون این مقاطع، فرآیند تولید HSS بصورت پیوسته و با کیفیت بالا توسعه یافته است.
این فرآیند شامل تولید HSS با دستگاه های کاملاً اتوماتیک است که ورق فلزی را از کلافی که در ابتدای خط قرار دارد دریافت کرده و آن را طی یک پروسه نورد سرد از یک مجموعه غلتک عبور میدهد تا ورق بصورت لوله فرم دهی شود.
امروزه به منظور کاهش تنش پسماند ناشی از جوش در این مقاطع و جلوگیری از تبدیل ویژگیهای فولاد، برای جوش طولی لبه های ورق، از روشهای پیشرفته جوشکاری نظیر جوش مقاومت الکتریکی (ERW) استفاده میشود.سپس مقاطع بسته تولید شده به جهت تکمیل فرآیندهای فرم دهی از مجموعه غلتک عبور داده میشود تا درنهایت تبدیل به مقاطع کاملاً گرد، مربع یا مستطیلی شوند.
جوش مقاومت الکتریکی (ERW)
دستگاه جوشکاری با فرکانس بالا، قادر است لبه های آماده شده ورق را به صورت طولی و پیوسته، بدون استفاده از الکترود، به یکدیگر جوش دهد. این جوش دارای بهترین کیفیت و از نوع مقاومت الکتریکی (ERW) میباشد.
جوشکاری مقاومتی (ERW) نوعی جوشکاری هست که در آن به وسیله ی اعمال همزمان حرارت و فشار دو لبه ورق جوش داده می شوند. در این روش، جریان الکتریکی پیوسته ای در سطح ورق فولادی برقرار میشود، مقدار بالای جریان الکتریکی در محل جوش به دلیل مقاومت الکتریکی باعث ذوب شدن فلز در محل جوش شده و با فشار دو لبه ورق به یکدیگر به خوبی فورج میشود.
انواع HSS در اشکال گرد (مقاطع توخالی دایره ای، CHS) ، مربع (SHS) و مستطیل (RHS)تولید میشود .
مقاطع توخالی فولادی سازه ای (HSS) بطور گسترده ای در سازه های ساختمانی مسکونی و تجاری ( به عنوان ستون یا اعضای مهاربندی) ، استادیوم ها ، پلها و سازه های فضاکار استفاده می شوند.
همچنین این مقاطع در ساخت شاسی خودرو ها، سکو های دریایی، ایستگاه های مترو، سالنهای فرودگاه، صنایع پتروشیمی، شهربازی ها، سازه های پارکینگ هوشمند و … کاربرد دارند. از مقاطع گرد توخالی با رعایت استاندارد های مربوطه، برای لوله های انتقال آب نیز می توان استفاده کرد.
مهندسین، طراحان، سازندگان و پیمانکاران امروز به دنبال یافتن کاربردهای جدید مقاطع فولادی توخالی سازه‌ای (HSS) هستند که به دلیل وجود مزایای زیر می باشد:
01. مقرون به صرفه است
02. در سازه های سبک کاربرد دارد.
03. در برابر پیچش مقاوم تر است.
04. نسبت مقاومت به وزن آن بیشتر است.
05. ایجاد فضای بیشتر
06. باعث استفاده بهینه مصالح می شود.
07. امکان تولید مقاطع در طول دلخواه
و سفارشی وجود دارد.
08. امکان تولید مداوم و بدون وقفه دارد.
09. بهترین گزینه برای ستون است.
- استفاده از HSS، نیاز به نیروی کار، زمان و هزینه را جهت ساخت مقاطع مرکب را تا حد زیادی کاهش می دهد و باعث می شود استفاده از آن مقرون به صرفه تر باشد.
- از آنجایی که این مقاطع 33 تا 50 درصد سطح مقطع کمتری نسبت به مقاطع باز دارد، باعث صرفه جویی در مصرف رنگ، مواد ضد حریق ، هزینه های حفاظتی و نیروی انسانی می شود.
- میتوان مهمترین مزیت استفاده از این مقاطع ساختمانی را، کاهش هزینه‌های تمام شده عنوان نمود. با رشد روز افزون هزینه‌های تولید، استفاده از مقاطع ساختمانی به جای ستون‌های ساخته شده از ورق چهار وجه، تأثیر غیر قابل انکاری بر روی هزینه تمام شده اسکلت دارد.
- HSS بدلیل نسبت مقاومت به وزن بیشتری که دارد، امکان ساخت سازه های سبک تر را فراهم کرده است.
- علاوه بر مزایای مستقیم اقتصادی و زیست محیطی، سازه های سبک تر نیروهای لرزه‌ای کمتری ایجاد کرده که باعث میشود طراحی مقرون به صرفه تری داشته باشند.
- همچنین این مقاطع در ساخت سازه هایی با دهانه آزاد بزرگتر نیز کاربرد دارد.
- HSS بدلیل اینکه دارای مقطع بسته با جداره نازک است نسبت به مصالح دیگر یا اشکال دیگر، بهترین مقاومت را در برابر پیچش دارد.
- مقاطع تو خالی (HSS)می توانند به عنوان تیر نیز مورد استفاده قرار بگیرند، گرچه فلنج های بال پهن و تیرهای I شکل در بسیاری از موارد، سازه های کارآمدتری برای این کاربرد هستند، با این حال، مقاطع تو خالی مقاومت بهتری در برابر پیچش و کمانش جانبی دارند.
- استحکام پیچشی HSS (ثابت پیچشی HSS، حدوداً 200 برابر مقاطع باز است)، آن را عالی ترین گزینه برای عضو مهار بند و محیطی کرده است.
- کیفیت جوش در شیوه سنتی، به دلیل جوش زیر پودری(SAW) یا دستی(CAW) بودن جوش کاری، بسیار پایین‌تر از جوش مورد استفاده در تولید مقاطع ساختمانی H.S.S (جوش ERW) است.
- در نتیجه میزان تنش پسماند در اعضا بطور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. بعلاوه در نتیجه یک فرآیند کامل کنترل کیفی، محصول نهایی تولید شده به این روش نسبت به روش سنتی کیفیت بسیار بالاتری خواهد داشت.
- حذف تنش در گوشه ها
- در شیوه مرسوم ساخت ستون، چهار درز جوش طولی در گوشه‌های ستون، پلیت‌ها را به هم متصل می‌کنند که این امر باعث ایجاد تنش در مقطع، مخصوصاً در 4 گوشه ستون می‌گردد. در پروسه تولید S.S تنها یک درز جوش در وسط یکی از اضلاع وجود دارد که کمترین میزان تنش را در مقطع ایجاد میکند.
- از آنجایی که مصالح فولاد در پروفیلها HSS نسبت به بقیه پروفیلهای فولادی بیشترین فاصله را از محورهای گذرنده از مرکز سطح دارند، شکل توخالی HSS ذاتاً مقاومتر و کارآمدتر است.
- مضافاً اینکه تمام قسمتهای تشکیل دهنده مقاطعHSS براساس استانداردهای AISC و ایران، دارای هر دو لبه متکی هستند که کمانش موضعی آنها را به تاخیر می‌اندازد.
- بنابراین HSS حتی در مقایسه با دیگر مقاطع ساختمانی، نسبت مقاومت به وزن بالاتری دارد.
- طبیعی است که وزن کمتر باعث ساخت و ساز آسانتر شده، نیروهای ناشی از زلزله را کاهش داده، هزینه های نصب سازه و حمل و نقل مصالح را کاهش می دهد و نیز باعث می شود بخشهای دیگر ساختمان نظیر فونداسیون نیز اقتصادیتر طراحی شوند. این مزیت باعث می شود HSSگزینه مناسبی برای افزایش طبقات ساختمانهای موجود باشد بدون آنکه اضافه بار بیش از حدی به فونداسیون تحمیل شود.
- مقاطع سازه ای توخالی در مقایسه با مقاطع بال پهن فضای کمتری را اشغال می کنند و می توان بجای مقاطع بزرگ I و H (بال پهن) ، از باکسهای کوچکتر فولادی (HSS) به منظور ایجاد فضای بیشتر استفاده کرد.
- نسبت مقاومت به وزن بیشتر HSS نسبت به مقاطع تولید شده به روش سنتی به این معنی است که برای ایجاد مقاومت برابر، مصالح کمتری بکار میرود.
- بعلاوه، تمامی اعضای مقاطع HSSدارای لبه‌های مهار شده موازی با بار هستند که احتمال کمانش موضعی را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد.
- بنابراین فولاد بکار برده شده میتواند معمولاً بیش از مقاومت تسلیم خود تحمل بار داشته باشد و میتوان اطمینان داشت که از تمام ظرفیت مصالح بطور کامل و بهینه استفاده شده است.
- تولید صنعتی HSSامکان تولید مقاطع در هر طولی (به شرطی که بتوان آن را حمل کرد) را ایجاد میکند. این قابلیت HSS نیاز به برش پروفیلها و وصله آنها به یکدیگر را جهت تولید مقاطع با طول مورد نیاز کاهش میدهد.
- از آنجایی که طول ورق‌های موجود معمولاً 6 متر است، تولید ستون با طول بیشتر، در شیوه سنتی مستلزم برش کاری، تسمه‌سازی و جوش چند قطعه به یکدیگر است.
- در نتیجه امکان تولید ستون‌های یکپارچه در طول زیاد وجود ندارد. ولی در شیوه S.S به دلیل استفاده از رول در فرایند تولید، میتوان ستون یکپارچه به اندازه دلخواه تولید نمود.
- برای مونتاژ یک ستون مربعی 40 * 40 سانتیمتر به طول 18 متر به روش سنتی، 2 روز زمان می برد تا 5 کارگر ماهر بتوانند آن را بسازند. در روش تولید صنعتی HSS، همین ستون در کمتر از 2 دقیقه تولید می شود .
- بعلاوه ، با توجه به میزان کاری که برای برش و آماده سازی ورقها و انجام جوش الکترود لازم است، مشخص میشود که تولید HSS از نقطه نظر استفاده از منابع مفیدتر بوده، تأثیرات سوء اقتصادی و اجتماعی کمتری داشته و نیز فرآیند تولید پیوسته تری دارد.
- HSS با داشتن دو یا چند محور متقارن و شعاع ژیراسیون بزرگ، مناسبترین گزینه به عنوان ستون یا تیر ستون در سیستم های سازه ای است که وظیفه اصلی تحمل بارهای ثقلی و جانبی را ایفا می کنند.
- مقاومت فشاری، مشخصه های باربری و مقاومت پیچشی بالا، کاربرد HSS را برای انواع مختلف ستونها فراهم ساخته است.
- مقاطع سازه ای توخالی بخصوص مقاطع مستطیلی شکل، معمولاً در سازه های فولادی جوش داده شده، به عنوان عضو اصلی باربر در جهت های مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. همچنین مقاطع مربعی شکل و دایره ای نیز برای این بارگذاری چند محوری بسیار کارآمد هستند. به دلیل دارا بودن خواص هندسی یکنواخت این مقاطع در طول دو یا چند محور، استحکام بسیار خوبی دارند و این مشخصه باعث می شود که این مقاطع گزینه های خوبی برای ستونها بشمار روند. همچنین مقاومت خوبی در مقابل چرخش دارند.
- فضای بیشتر بدون بادبند و در نتیجه انعطاف پذیری بیشتر برای طراحی سازه
- کاهش وزن کلی سازه و در نتیجه هزینه کمتر برای ساختمان های مهندسی ساز
- سطح مقطع کمتر: هزینه جانبی کمتر (رنگ آمیزی و تمیزکاری)
- شکل پذیری لرزه ای بالا
- ساختمانهای بلند
- پلهای با دهانه های طویل
- سازه های واقع در زمین های نرم
- سازه های واقع در زمین های زلزله خیر؛ که عملکردشان در نتیجه ی نیروی وارده از زلزله به نسبت وزن سازه میباشد.
بسیاری از مهندسین سازه از مزایای HSS در ساخت‌و‌ساز آگاهی دارند، اما از آنجا که در گذشته تولید این مقاطع توخالی در ایران محدود بوده، مهندسین بجای استفاده از این مقاطع ، انتخاب دیگری جز استفاده از مقاطع ساخته شده با ورق را نداشتند.
با وجود اینکه مقاطع ساخته شده سنتی به مقاطع HSS شباهت ظاهری دارند، اما اغلب، فرآیند جوشکاری و کیفیت پایین ساخت آنها کیفیت نهایی محصولات را به شدت تحت تاثیر قرار میدهد . در مقابل، میزان آسیب ناشی از جوشکاری و تنش پسماند در HSS بطور قابل ملاحظه‌ای کمتر است.
میتوان مهمترین مزیت استفاده از این مقاطع ساختمانی را، کاهش هزینه‌های تمام شده عنوان نمود. با رشد روز افزون هزینه‌های تولید، استفاده از مقاطع ساختمانی به جای ستون‌های ساخته شده از ورق چهار وجه، تأثیر غیر قابل انکاری بر روی هزینه تمام شده اسکلت دارد.
مقاطع فولادی توخالی سازه‌ای (HSS) مزایای مختلفی برای کاربردهای صنعتی و ساختمانی دارند.
شکل هندسی این مقاطع به گونه ای است که استفاده کارآمد از مصالح را در صنایع ساختمانی و کاربردهای دیگر تسهیل می کند و استفاده مناسب از این مقاطع منجر به ساخت سازه های مقرون به صرفه‌تر و سبکتری می شود که سرعت و کیفیت بهتری را نسبت به دیگر مقاطع ساخته شده با روش سنتی به دنبال دارد.
علاوه بر این، شکل ظاهری HSS نسبت به بیشتر مقاطع فولادی دیگر چشم نوازتر است که در نتیجه میتوان از آن در ساخت سازه‌هایی شکیل استفاده کرد که هم ایمنی سازه‌ای را فراهم می‌کنند و هم از نظر معماری ظاهری مناسب دارند.در سالهای اخیر استفاده از مقاطع ساختمانی توخالی به خاطر ویژگیهای ظاهری و خواص مکانیکی آن، شاهد پیشرفت چشمگیری بوده‌است. معماران به این مقاطع به خاطر خواص ویژه آن، لقب متریال قرن بیست و یک را داده‌اند.
استفاده ازHSS مزایای مهم دیگری ازجمله افزایش سرعت ساخت و ساز، کاهش ریسک خطای انسانی و کاهش نیاز به نیروی کار متخصص را بدنبال دارد.
حذف تنش در گوشه ها
در شیوه مرسوم ساخت ستون، چهار درز جوش طولی در گوشه‌های ستون، پلیت‌ها را به هم متصل می‌کنند که این امر باعث ایجاد تنش در مقطع، مخصوصاً در 4 گوشه ستون می‌گردد. در پروسه تولید S.S تنها یک درز جوش در وسط یکی از اضلاع وجود دارد که کمترین میزان تنش را در مقطع ایجاد میکند.
بسیاری از مهندسین سازه از مزایای HSS در ساخت‌و‌ساز آگاهی دارند، اما از آنجا که در گذشته تولید این مقاطع توخالی در ایران محدود بوده، مهندسین بجای استفاده از این مقاطع ، انتخاب دیگری جز استفاده از مقاطع ساخته شده با ورق را نداشتند.
با وجود اینکه مقاطع ساخته شده سنتی به مقاطعHSS شباهت ظاهری دارند، اما اغلب، فرآیند جوشکاری و کیفیت پایین ساخت آنها کیفیت نهایی محصولات را به شدت تحت تاثیر قرار میدهد . در مقابل، میزان آسیب ناشی از جوشکاری و تنش پسماند درHSS بطور قابل ملاحظه‌ای کمتر است.
انتخاب اول طراحان کشورهای پیشرفته
همزمان با پیشرفت تکنولوژی تولیدHSS، تولید و استفاده از این مقاطع روزبه روز مقرون به صرفه‌تر میشود و این مزیت باعث شده تا HSS در کشورهای پیشرفته تبدیل به یکی از اولین انتخاب‌های طراحان در ساخت سازه‌های مقاوم و ایمن و نیز استفاده در صنایع شود و توسعه پایدار را در این زمینه‌ها ممکن سازد.
در کشورهای در حال توسعه نیز به دلیل نیاز روزافزون به تکنیک‌های ساخت‌و‌ساز ایمن و اقتصادی در سالهای اخیر ، این موضوع مورد توجه قرار گرفته است، بویژه در سازه‌هایی که تحت تاثیر بارگذاری‌های بحرانی نظیر سیل، طوفان و زلزله قرار میگیرند اهمیت بسیار بیشتری دارد.
مقرون به صرفه است.
ساخت و ساز با استفاده از فولاد بطور طبیعی سریعتر از ساخت و ساز با بتن یا مصالح بنایی است و این منجر به کاهش هزینه های نیروی کار شده و باعث بازگشت سریعتر سرمایه می شود.
نسبت مقاومت به وزن آن بالاتر است.
فولاد در مقایسه با دیگر مصالح ساختمانی نظیر بتن یا چوب، به دلیل مقاومت بیشتر، به عنوان مصالحی که دارای بالاترین نسبت مقاومت به وزن است بین مهندسان شناخته شده است.
مزایای فولاد آنقدر قابل توجه است که حتی در ساخت و ساز با سایر انواع مصالح ساختمانی نیز کاربرد دارد، مانند آرماتورهای فولادی در سازه‌های بتنی و اتصالات در سازه‌های چوبی.
در سبک سازی سازه ها کاربرد دارد.
به دلیل مقاومت بیشتر، سازه هایی که از فولاد ساخته شده اند معمولا سبک تر از سازه هایی است که با مصالح دیگر مثل بتن یا مصالح بنایی ساخته شده است.
کیفیت بالاتری دارد.
بدلیل کیفیت بالای ساخت وساز فولادی نسبت به مصالح بنایی و بتن، فولاد معمولا برای ساخت سازه های مهمتر و باکیفیت‌تر توسط مهندسان انتخاب میشود. در مقابل، عوامل کارگاهی متعددی می‌توانند بر کیفیت مصالح بنایی و بتن تأثیر سوء بگذارند.
دوام زیادی دارد.
اگر طراحی و حفاظت بطور صحیح انجام شود، فولاد به عنوان یکی از با دوام ترین مصالح ساخت و ساز به شمار میرود.
قابل استفاده مجدد است.
اجزاء فولادی جزء معدود مصالح ساختمانی هستند که پس از تخریب ساختمان میتوان دوباره از آنها استفاده کرد.
قابلیت بازیافت دارد.
فولاد علاوه بر مقاوم بودن، با دوام بودن، متنوع بودن و قابلیت استفاده مجدد، قابل بازیافت نیز هست. در واقع بخش قابل توجهی از تمام اعضاء فولادی از بازیافت فولادهای دیگر به دست آمده است.
سازگار با محیط زیست است.
از آنجایی که فولاد ساختمانی قابل استفاده مجدد و قابل بازیافت بوده و ضایعات بسیار کمی دارد، بیشترین میزان سازگاری را با محیط زیست دارد. علاوه بر این، ساخت و ساز با استفاده از فولاد پاک‌تر، بدون گرد و خاک و نسبتا بی سروصدا است. همچنین بدلیل نیاز به نقل و انتقال میزان کمتری از مصالح و سرعت فرآیندهای ساخت و ساز، اثرات نامطلوب را بر محیطهای مجاور محل ساخت و ساز کاهش میدهد.
قابلیت ساخت سازه های کم حجم تر و ایجاد فضای باز بیشتری دارد.
بدلیل مقاومت بالای این مقاطع، بطور کلی ساختمان سازی با استفاده از فولاد ساختمانی فضای باز بیشتری ایجاد میکند که از نظر معماری و زیباسازی امر مطلوبی است.
مقاومت به شکست بالا
فولاد به دلیل شکل پذیری بالا، تغییر فرم بالایی را قبل از شکست متحمل می شود، بنابراین مقاومت به شکست بالایی دارد که برای نیروهای ضربه ای مانند انفجار و زلزله یک مشخصۀ مهم به حساب می آید.
قابل پیش بینی بودن رفتار مقاطع
همگن و ایزوتوپ بودن فولاد، رفتار این مقاطع را قابل انتظار و همچنین در محاسبه های استاتیکی میزان خطاها را بسیار کم کرده است.
خواص فولاد با درجۀ اطمینان بالا قابل پیش بینی می باشد.
