تحمل بار تیرآهن یکی از مباحث مهم در زمینه مهندسی عمران و ساختمان است که به بررسی قابلیت تحمل و انتقال بار انواع تیرآهن می پردازد. تیرآهن ها به عنوان عناصر سازه ای در بناها و ساختمان ها استفاده می شوند و وظیفه اصلی آنها انتقال بار است. طبق فرمول محاسبه مقاومت تیرآهن در شرایط عادی، ظرفیت باربری تیرآهن های سبک، حدود 10 تا 20 تن است، تیرآهن هایی با وزن متوسط 30 الی 50 تن بار را می توانند تحمل کنند و از تیرآهن های سنگین انتظار می رود وزن 60 تا 100 تن را به راحتی تحمل نمایند. در ادامه با جزئیات بیشتری به موضوع مقاومت تیرآهن می پردازیم.
عوامل مختلفی در مقاومت تیرآهن دخیل است؛ مثلا نوع تیرآهن، اندازه تیرآهن، فولاد استفاده شده در تولید و نحوه استفاده و نصب در سازه، می تواند تحمل بار تیرآهن را تحت تاثیر قرار دهد؛ برای درک بهتر به موارد زیر توجه کنید:
تیرآهن I (یا تیرآهن IPN): شبیه حرف I در زبان انگلیسی است و برای سازه های معمولی استفاده می شود.
تیرآهن IPB: بال های عریض تر و ارتفاع کمتر نسبت به تیرآهن I دارد و برای تحمل بارهای سنگین مناسب است.
تیرآهن لانه زنبوری (یا تیرآهن CNP): دارای حفره های شش ضلعی در طول جان تیر است که باعث کاهش وزن و افزایش مقاومت خمشی می شود. اما مقاومت تیر آهن لانه زنبوری، نسبت به دیگر انواع تیرآهن، کمتر است.
تیرآهن هاش (HEB/HEA): همان تیرآهن H است که بال های بزرگتر و ضخامت بیشتر نسبت به سه نوع دیگر دارد. همچنین دارای مقاومت بیشتر در برابر خم شدگی و نیروهای جانبی است.
نوع فولاد استفاده شده نه تنها مقاومت را تحت تاثیر قرار می دهد بلکه قیمت تیرآهن را دستخوش تغییر می کند. فولادهایی با درجه سختی بالا مانند S355 نسبت به فولادهای با درجه سختی پایین تر مانند S235، مقاومت متفاوتی دارند.
اندازه تیرآهن (ارتفاع، عرض بالها و ضخامت جان) مستقیماً بر مقاومت محصول تاثیر می گذارد. تیرآهن های بزرگتر و با ضخامت بیشتر، قابلیت تحمل بارهای بیشتری را دارند؛ زیرا سنگین تر هستند؛ به همین دلیل قیمت تیرآهن ۱۸ از 12 بالاتر است.
نحوه نصب تیرآهن، استفاده از تکیهگاه ها، پیچ ها و جوش ها بر میزان مقاومت نهایی تاثیرگذار است. اتصالات صحیح و استفاده از تقویت کننده ها، مقاومت تیرآهن را تحت تاثیر قرار می دهد.
برای هر نوع تیرآهن، محاسبات مهندسی خاصی انجام می شود که شامل تحلیلهای مقاومت خمشی تیرآهن، مقاومت کششی تیرآهن، برش و پیچش است. این محاسبات به تعیین ظرفیت باربری و میزان مقاومت تیرآهن در شرایط مختلف کمک میکند.
پیش از آنکه در رابطه با روش های محاسبه میزان تحمل بار تیرآهن صحبت کنیم، بد نیست مختصری در رابطه با انواع بار توضیح دهیم؛ به طور کلی بارهای وارد بر یک سازه را در دو دسته قرار می دهند:
بار مرده (Dead Load):
شامل وزن های ثابت و دائمی است که به طور مداوم بر سازه اعمال می شود. بار مرده شامل وزن مصالح ساختمانی مانند تیرآهن، بتن، آجر و دیگر اجزای سازه ای است که در طول عمر سازه تغییری نمی کنند.
بار زنده (Live Load):
شامل بارهای متغیر است که شاید در طول زمان تغییر کند. بار زنده شامل وزن افراد، تجهیزات و دیگر اشیاء متحرک یا قابل جابجایی در داخل ساختمان است. بارهای ناشی از برف یا وزش باد نیز از نوع زنده هستند.
میزان بار زنده و مرده سازه باید پیش بینی شود (متناسب با آن مهندس تصمیم می گیرد از چه تیرآهنی استفاده کند) اما محاسبه تحمل تیرآهن ها در برابر انواع بار، مبحث دیگری است که با روش های زیر قابل تخمین است:
استفاده از فرمول محاسبه تحمل بار تیرآهن: طبق استاندارد ملی، فرمول های مشخصی برای محاسبه دقیق ظرفیت باربری تیرآهن ها وجود دارد؛ با استفاده از این فرمول ها و داده های دقیق ابعاد تیرآهن، تحمل بار نهایی قابل محاسبه است.
فرمول محاسبه تحمل بار تیرآهن دارای پیچیدگی های بسیاری است که به عوامل متنوعی بستگی دارد. با این حال در این مقاله، ساده ترین فرمول محاسبه تحمل بار تیرآهن را به شما معرفی می کنیم. در این فرمول فرض بر این است که تیرآهن با تکیه گاه های ساده و بار متمرکز در وسط آن، مورد محاسبه قرار گرفته است. در این حالت می توانیم از فرمول زیر کمک بگیریم:
میزان تحمل بار تیرآهن = (M*8)/L
در فرمول بالا:
جدول اشتال تیرآهن: این جدول شامل همه اطلاعات فنی مورد نیاز درباره تیرآهن هاست. اعداد و اطلاعات مندرج در آن دقیق و بر اساس استانداردهای بین المللی هستند.
استفاده از جدول تحمل بار تیرآهن: در جدول تحمل بار تیرآهن، ظرفیت و میزان مقاومت تیرآهن ها ارائه می شود. در جدول زیر اطلاعات ضروری برای تعیین بهترین تیرآهن بر اساس بارهای مورد نظر و شرایط سازه قابل استخراج است:
میزان تحمل بار تیرآهن به مجموعه ای از عوامل کلیدی وابسته است که هر کدام بر توانایی تیرآهن در تحمل بارهای اعمال شده، تاثیرگذار هستند. در ادامه مهمترین فاکتورها در مقاومت تیرآهن مورد بررسی قرار می گیرند:
همانطور که اشاره شد، تحمل بار تیرآهن به طور مستقیم به ابعاد و سایز آن وابسته است. البته برای ارزیابی دقیق تر از تست مقاومت تیرآهن یا جدول مقاومت تیرآهن استفاده می کنند تا مشخص شود هر سایز از تیرآهن چه میزان بار را می تواند تحمل کند. در ادامه میزان تحمل بار تیرآهن ۱۴، 16 و 18 را مورد بررسی قرار می دهیم.
هر چند مقاومت تیرآهن 14 نسبت به تیرآهن های ۱۶ یا ۱۸ کمتر است، اما کاربردهای خاص خود را دارد. به عنوان مثال، این تیرآهن برای پوشش سقف ها و تیرهای فرعی مناسب است و می تواند به عنوان ستون اصلی در سازه های کوچک تا متوسط به خوبی عمل کند. وزن یک شاخه تیرآهن IPE سایز 14 حدود 155 کیلوگرم است. بازه قیمت تیرآهن ۱۲ و 14 تقریبا یکسان است.
میزان مقاومت تیرآهن 16 به گونه ای است که از آن برای ستون های اصلی و تیرهای باربر در سازه های بزرگ استفاده می کنند. معمولا مصرف تیرآهن 16 نسبت به سایزهای دیگر بسیار بالاست و همین موضوع می تواند قیمت تیرآهن ۱۶ را تحت تاثیر قرار دهد. مقاومت تیرآهن ۱۶ با وزن آن رابطه مستقیم دارد؛ وزن تیرآهن هاش سبک و سنگین به ترتیب، 365 و 511 کیلوگرم است. مقدار بارهای زنده و مرده هر سازه، روی حداکثر تحمل وزن تیرآهن ۱۶ تاثیر مستقیم دارد.
تیرآهن ۱۸ یکی از سنگین ترین تیرآهن ها در صنعت ساختمان سازی است؛ تحمل بار تیرآهن 18 بسیار بالاست و به همین دلیل استفاده از آن را اغلب در سازه های بزرگ صنعتی می بینیم. مقاومت تیرآهن ۱۸ به حدی است که بارهای سنگین و فشارهای وارده به ساختمان های چند طبقه را به طور موثر تحمل کرده و به فونداسیون و زمین منتقل کند.
مقاومت تیرآهن در برابر خمش، کشش و فشار از جمله مفاهیم اساسی در مهندسی عمران است که در طراحی و ساخت سازهها بسیار مهم است. محاسبه این مقاومت ها اهمیت ویژه ای برای مهندسین عمران دارد. در ادامه با مفاهیم مقاومت خمشی، کششی و فشاری تیرآهن آشنا می شویم:
محاسبه مقاومت خمشی تیرآهن
مقاومت خمشی، توانایی تیرآهن در تحمل بارهایی است که باعث خم شدن آن می شود. این بارها معمولاً به صورت بارهای یکنواخت یا متمرکز روی تیرآهن وارد می شوند که باعث ایجاد لنگر خمشی (M) در مقطع تیرآهن می شوند. محاسبه مقاومت خمشی تیرآهن در سازه های مختلف به ویژه در دال های سقف و تیرهای اصلی، حیاتی است.
این مقاومت نشان می دهد که تیرآهن تا چه حد می تواند بارهایی که به صورت خمشی به آن وارد می شود را تحمل کند، بدون اینکه دچار شکست شود. تست مقاومت خمشی تفاوت تیرآهن های ipb و ipe را به خوبی نشان می دهد. (تیرآهن های IPB مقاومت خمشی بالاتری دارند)
محاسبه مقاومت کششی تیرآهن
مقاومت کششی به توانایی تیرآهن در تحمل بارهایی اشاره دارد که باعث کشیده شدن یا تنش کششی در تیرآهن می شود. بارهای کششی معمولاً در تیرآهن هایی که تحت کشش قرار دارند، مانند تیرک های تحت کشش، وارد می شود. این مقاومت به ویژه در سازه های فلزی و قطعاتی که تحت کشش قرار می گیرند، اهمیت دارد.
محاسبه مقاومت فشاری آهن
مقاومت فشاری، توانایی تیرآهن در تحمل بارهایی است که به صورت فشاری بر روی آن اعمال می شود. بارهای فشاری معمولاً در ستون ها و اجزای سازه ای که تحت فشار قرار دارند، وارد می شود.
مقاومت فشاری برای طراحی ستون ها و تیرآهن هایی که تحت بارهای فشاری قرار دارند، بسیار مهم است. این مقاومت نشان می دهد که تیرآهن چقدر می تواند بارهای فشاری را بدون کمانش یا شکست تحمل کند. در تحلیل های فشاری، نکاتی مانند طول موثر تیرآهن و احتمال کمانش نیز باید مد نظر قرار گیرند.
تحمل بار تیرآهن ها بسته به شکل مقطع و نوع وظیفه ای که در سازه بر عهده دارند، متفاوت است. هر نوع تیرآهن برای نقش خاصی طراحی شده و ویژگی های مقاومت خمشی، کششی و فشاری منحصر به فردی دارند. به همین دلیل، تیرآهنها در اشکال مختلف تولید می شوند تا بتوانند به بهترین شکل نیازهای مختلف سازه را پوشش دهند. در ادامه ضمن آشنایی با اشکال مختلف تیرآهن، وظیفه و میزان تحمل آنها را مورد بررسی قرار می دهیم:
شاه تیر
شاه تیر همان تیرآهن اصلی است که باید بیشترین مقاومت را در سازه داشته باشد، زیرا به عنوان مهمترین عضو سازه باید بتواند بارهای اصلی وارد شده را تحمل کند و آنها را به تیرچه های کناری، بدون ایجاد آسیب در تیرآهن یا سازه انتقال دهد. این نوع تیرها به ستون ها یا سقف ها وصل می شوند تا از طریق تیرچه ها، بارهای سازه را به ستون انتقال دهند.
تیرچه
تیرچه ها نوعی تیرآهن فرعی هستند که به تعداد بالا در حد فاصل شاه تیر و دیوار یا ستون قرار می گیرند تا بارهای سقف را از شاه تیر گرفته و به دیوار یا ستون منتقل کنند. این محصول استفاده زیادی در صنعت و ساخت و ساز داشته و تفاوت هایی با تیرآهن دارد.
تیر نعل درگاهی
تیر نعل درگاهی را می توان یکی از پرکاربردترین انواع تیرآهن به شمار آورد که دارای مقاومت مناسبی است. این نوع تیرآهن ها در قسمت های بازشوی ساختمان، مانند پنجره و درب قرار می گیرند تا دیوارهای آجری متصل به آنها را پایدار نگه دارند.
تیرهای لبه ای یا کناری
این مقاطع تنها در کنار ساختمان در قسمت کلاف بندی برای افزایش مقاومت ساختمان در برابر نیروهای اضافی استفاده می شوند. در واقع این تیرها هم تیرآهن های سقف و هم دیوارهای پیرامونی را از نظر مقاومتی تقویت می کنند.
در مجموع، فراموش نکنید مقادیر باربری تیرآهن به متغیرهایی همچون طول دهانه، نوع بارگذاری، جنس تیرآهن و شرایط تکیه گاهی وابسته است. اعداد و ارقام ارائه شده در ابتدای مطلب، تخمینی هستند و برای محاسبات دقیق و تعیین ظرفیت واقعی، تحلیل های مهندسی و محاسبات ساختاری، ضروری است.
سوالات متداول
نمی توان عدد ثابتی برای مقاومت تیرآهن ارائه داد؛ زیرا عوامل مختلفی در این زمینه دخیل هستند، اما به طور کلی سبک ترین ترین تیرآهن توانایی 10 تن و سنگین ترین تیرآهن حدود 100 تن تحمل وزن دارد.
این محاسبات از ایجاد بار اضافی بر روی سازه جلوگیری کرده و به توزیع بهینه بارها در اعضای سازه ای کمک می کند. این امر موجب افزایش دوام و کاهش خطر خرابی های ساختاری خواهد شد.
تحمل بار تیرآهن به عواملی مانند ابعاد مقطع، کیفیت فولاد، طول تیر، نحوه پشتیبانی و بارگذاری آن بستگی دارد. همچنین شرایط محیطی و طراحی معماری نیز بر تحمل بار، تأثیرگذار است.