تقویت تیرآهن در سازه ها چگونه انجام می شود؟

به گزارش اخبار ساختمان، تیرآهن یکی از اصلی ترین اجزای ساختمان است که استحکام اولیه آن را تامین می کند. شما برای طراحی هر ساختمانی به مهمترین چیزی که احتیاج دارید، تیراهن است. حتی در ساختمان هایی که اسکلت آنها با بتن اجرا شده، بازهم تیرآهن نقش مهمی را ایفا می کند.

وظیفه اصلی انواع تیرآهن‌ در ساختمان، تحمل نیروهای وارد شده بر آن است که میزان این نیرو در هر پروژه متفاوت خواهد بود. با توجه به این وظیفه، مهمترین ویژگی که یک تیرآهن باید داشته باشد، مقاومت بالا است. مبحث مقاوم سازی سازه های فولادی بسیار گسترده است و ما در این مقاله به موضوع تقویت سازه های فولادی می پردازیم، پس با ما همراه باشید.

مقاومت تیرآهن چگونه سنجیده می‌ شود؟

هر تیرآهنی برای اینکه به یک مقاومت استاندارد برسد، باید استانداردهای جهانی یا حداقل، استانداردهای مربوط به کشور خود را رعایت کند. چیزی که باعث می شود ما بیشتر حواسمان را جمع کنیم، وجود تیرآهن های تقلبی در بازار است.

متاسفانه تعداد محصولات تقلبی کم نیست به همین دلیل باید اطلاعات خود را درباره تیرآهن های اصل و نحوه تشخیص آنها بالا ببریم. چراکه فقط تیرآهن های استاندارد می توانند وظیفه خود را به خوبی انجام دهند.

مقاومت تیرآهن بر اساس دو عامل سنجیده می شود. یکی فشارهای تنشی و دیگری فشارهای کششی. تیرآهنی که بتواند این دو فشار را بدون تغییر شکل و خرابی تحمل کند، معلوم می شود که از استحکام بالایی برخوردار است و می توان روی آن حساب کرد.

تیرآهن‌ هایی که دارای استاندارد INP، IPE و IPB هستند معمولا مقاومت خوبی در برابر این فشارها دارند اما باز هم باید به فروشنده تیرآهن توجه کرد.

عوامل موثر بر مقاومت تیرآهن

تیرآهن به دلیل اینکه از فلز آهن تشکیل شده است علاوه بر استحکام بالای فولاد، ضعف هایی هم خواهد داشت چرا که مقاطع فولادی در برابر برخی عوامل خارجی دوام کافی را ندارند. در ادامه تمامی عواملی که بر مقاومت تیرآهن تاثیر مثبت و یا منفی می گذارد را بررسی خواهیم کرد:

*  وزن تیرآهن

وزن تیرآهن از جمله پارامترهای مهم و تاثیرگذار در مقاومت تیرآهن است. البته افزایش و کاهش وزن بایستی براساس استاندارد باشد چرا که خارج از استانداردهای تعیین شده اختلال های زیادی به بار می آید. تولیدکنندگان تیرآهن براساس استاندارد محصول تولید می کنند و تیرآهن موجود در بازار آهن آلات و استفاده شده در سازه ها نیز استاندارد است.

درست است که وزن در مقاومت مصالح فولادی تاثیرگذار است اما صرفا با افزایش میزان وزن، دوام و استحکام آن افزایش داده نمی شود. برای هر سایز تیرآهن، وزن بخصوصی تعیین شده است.

جهت اطلاع از وزن هر سایز تیرآهن به جدول اشتال باید رجوع کرد البته ما در جدول وزن تیرآهن، استاندارد تعیین شده برای هر سایز تیرآهن در شاخه های 6 متری و 12 متری تهیه کرده ایم؛ لازم به ذکر است این جدول برای تیرآهن IPE، IPB، IPBl و IPBv فراهم شده است.

برای محاسبه وزن تیرآهن و رسیدن به میزان مقاومت و تحمل آن از سه روش می توان کمک گرفت؛ با استفاده از جدول وزن استاندارد، جدول وزن تولیدکننده و فرمول های محاسبه ای. با توجه به آنچه که گفته شد به راحتی می توان دانست چرا مقاومت تیرآهن 18 از مقاومت تیرآهن 16 بیشتر است و تحمل بالایی دارد.

*  سایز و ابعاد تیرآهن

هرچه سایز تیرآهن بیشتر، ابعاد آن بزرگتر و به طبع آن وزن مقطع نیز بیشتر خواهد بود. بنابراین مقاومت تیرآهن در ابعاد و سایزهای مختلف متفاوت است. این مقطع فولادی در انواع مختلفی ساخته می‌شود. سایز 16، 18 و 20 تیرآهن متداول ترین و پر کاربردترین انواع تیرآهن در سازه است که هر کدام از مقاومت قابل قبولی برخوردار هستند.

*  آلیاژهای استفاده شده در ترکیب تیرآهن

ماده اصلی تشکیل دهنده تیرآهن فولادی کربن و فلز آهن است. برای افزایش مقاومت تیرآهن از عناصر و آلیاژهای مختلفی در ساختار آن استفاده می کنند تا کارایی تیرآهن بهبود یابد. اصولا افزودن آلیاژها جهت افزایش عملکردهای مثبت در محصول است.

کربن موجود در مصالح فولادی برای افزایش کشش المان و افزایش مقاومت تیرآهن به کار برده می شود. اما دوز مصرفی کربن بایستی براساس اصول و استانداردها باشد چرا که میزان زیاد کربن، جوشکاری تیرآهن را با مشکل روبرو می کند.

*  ماده اولیه به کار برده شده در ساخت تیرآهن

در فرآیند تولید تیرآهن از شمش فولادی و یا ورق سیاه استفاده می شود. استفاده از مواد اولیه مرغوب در تولید مصالح، مقامت آن را نیز افزایش خواهد داد. شمش فولادی به دلیل اینکه از استخراج و تصفیه مستقیم سنگ آهن به دست می آید، کیفیت بالایی خواهد داشت.

شمش فولادی در چند نوع بیلت، تختال و بلوم در صنعت آهن آلات به تولید می رسد. در ساخت تیرآهن از شمش بلوم استفاده می کنند که خود از ذوب ضایعات و آهن قراضه حاصل شده است. کیفیت شمش بلوم به کیفیت ضایعاتی که استفاده شده بستگی کامل دارد و به نسبت آن قیمت محصول نهایی نیز افزایش می یابد.

ممکن است مقاومت تیرآهن با وجود برخی عوامل محیطی کمتر شود، عواملی که در تضعیف تیرآهن تاثیر بسیار زیادی خواهند داشت. پوسیدگی، زنگ زدگی، رطوبت، تماس با مواد اسیدی و سولفاتی اگر در المان آهنی دیده شود با گذر زمان به کم شدن عملکرد آن و حتی ایجاد خسارات جانی و مالی منجر می شود. بنابراین باید سعی شود تا از تماس تیرآهن با این عوامل جلوگیری کامل به عمل آید.

علت تقویت تیرآهن در ساختمان سازی چیست؟

اگر به کاربرد تیرآهن و نحوه کار آن فکر کنید، متوجه می شوید که غالب خرابی هایی که برای تیرآهن به وقوع می پیوندد در محل های ویژه ای شامل درزها و وصله هاست و اگر تقویت تیرآهن صورت نگیرد، باعث می شود قسمت هایی از مقطع تحت فشار قرار گرفته و کمانش کلی ایجاد شود.

ذکر این نکته نیز دارای اهمیت است که در سازه های فولادی، بروز خطر کمانش به دلیل نیروهای فشاری است. بنابراین یکی از دلایل تقویت تیرآهن، جلوگیری از کمانش است. کمانش دارای دو نوع موضعی و کلی است. در زیر به بیان دلایل کلی جهت تقویت تیرآهن می پردازیم:

-  بعضی از بناها با مشکلات و ایراداتی رو به رو می شوند که علت اصلی آن فرسودگی سازه هاست و این فرسودگی میزان امنیت سازه ها را تا حد زیادی کاهش می دهد. در نتیجه نیاز است که تقویت تیرآهن در این سازه ها صورت گیرد.

-  ساکنین بعضی از بناها می خواهند ساختمان های خود را نوسازی کنند و یا به تعداد طبقات ساختمان خود اضافه نمایند. در این موارد نیز باید تقویت تیرآهن انجام شود.

-  در بعضی از بناها تغییر کاربری داده می شود و در این مورد نیز نیاز به تقویت تیر آهن است.

-  بعضی از افراد تمایل دارند به مقاوم سازی ساختمان خود بپردازند و آن را ضد زلزله کنند که این امر نیز نیازمند تقویت تیرآهن در آن بناست.

لازم به یادآوری است که انجام هر یک از موارد ذکر شده با تایید شهرداری انجام شود و نیازمند انجام بازرسی های اولیه است.

خرابی در تیرهای فولادی چگونه اتفاق می افتد؟

شایان به ذکر است که عمده خرابی تیرهای فلزی شامل کمانش کلی و موضعی بال و جان و گسیختگی در محل درزها و وصله ‌ها است و این موضوع یکی از نگرانی های تمام مهندسان است و به همین دلیل مهندسان در پی آن هستند که تیرها و همچنین ستون های فولادی را به گونه ای طراحی کنند که دچار کمانش نشوند اما اگر در تیرهای فولادی خرابی رخ دهد لازم است که آن را با روش هایی مقاوم سازی کرد (البته لازم به ذکر است که این روش ها باید به گونه ای باشد که دیگر المان های سازه ای سازه های فولادی دچار آسیب نشود).

از آنجایی که قسمتی از مقطع تحت فشار است، خطر کمانش در این ناحیه وجود دارد و یکی از علل مهم انجام مقاوم سازی تیر فولادی این نوع خرابی است. این کمانش به دو صورت ممکن است رخ دهد که در زیر به آن ها اشاره شده است:

- کمانش موضعی

بدین ترتیب که بال و یا جان نیمرخ به طور موضعی در مقابل تنش های فشاری کمانش کند.

- کمانش کلی

بدین ترتیب که ناحیه فشاری مقطع، همانند ستون تحت فشار به صورت کلی دچار کمانش شود.

دلایل اصلی این خرابی ها که در اعضای فولادی رخ می دهد به صورت زیر است:

- سطح مقطع کم تیر

اگر سطح مقطع تیر کم باشد در تیرهای فولادی خرابی هایی رخ می دهد. نکته بسیار مهم این است که یک محدودیت عملی در میزان افزایش ارتفاع تیر وجود دارد؛ به دلیل آن که در صورت افزایش بیش از حد نسبت ارتفاع به عرض سطح، پایداری جانبی تیر کاهش می یابد. از این‌رو، یک تیر با سطح مقطع مستطیلی خیلی باریک، بیشتر به دلیل کمانش جانبی می ‌شکند (نه به دلیل مقاومت کم).

- لاغری بیشتر از حدود مجاز

باید بیان شود که اگر لاغری تیرها و ستون های فولادی از حدی بیشتر شود، سبب می شود که تیرها یا ستون ها دچار خرابی و کمانش شوند و این موضوع بسیار آسیب زا است.

دلیل اینکه استفاده از اعضای لاغر در سازه مجاز نیست این است که اجزای آن خیلی نازک اند و وقتی تحت نیروی فشاری بزرگ قرار بگیرد، تغییر شکل های جانبی آن زیاد بوده و قبل از آن که تنش ایجاد شده در عضو به حد تسلیم یا ظرفیت عضو برسد، عضو به علت کمانش های جانبی کلی در عضو، تخریب شده و ناپایداری در سازه ایجاد می شود.

- عدم فشردگی مقطع

مقاطع فشرده به نسبت حالت های دیگر، مقاطع ضخیم تری دارند و در بخش های سازه که تحت نیروی زلزله قرار ندارند، استفاده از آن مجاز است مانند تیرهای ساده و ستون های غیر دهانه مهاربندی. طبق بند 2-2-2-2-10 مبحث دهم، در مقاطع فشرده اولاً باید بال ها به طور سراسری و پیوسته به جان ها متصل باشند، ثانیاً نسبت پهنا به ضخامت اجزای فشاری آن از λp که در جداول 10-2-2-3 و 10-2-2-4 آمده است کمتر باشد.

- ضعف در جوش ها

می توان اذعان داشت که یکی از مهم ترین وظایف بازرس یا تیم کنترل کیفی جوش، ارزیابی حقیقی جوش ها به منظور بررسی مناسب بودن آن ها در شرایط بهره برداری و در واقع تعیین هر گونه کمبود و نیز نامنظمی در جوش یا قطعه جوشکاری شده که عموماً ناپیوستگی نامیده می شود، است.

در حالی که یک ناپیوستگی، هر گونه اختلال در ساختار یکنواخت را بیان می کند، یک عیب ناپیوستگی ویژه است که مناسب بودن سازه یا قطعه را زیر سئوال می برد. شکل ناپیوستگی را می توان به دو گروه کلی خطی و غیر خطی تقسیم نمود.

ناپیوستگی های خطی طولی به مراتب بیش از پهنا دارند. زمانی که در جهت عمود بر تنش اعمالی قرار گیرند، یک ناپیوستگی خطی نسبت به غیر خطی شرایط بحرانی تری را ایجاد می کند، به دلیل آن که احتمال اشاعه و در نهایت تخریب آن بیشتر خواهد بود.

- زنگ زدگی و خوردگی تیر

لازم به ذکر است که اگر سطح فولاد در طولانی ‌مدت با آب و رطوبت تماس داشته باشد، دچار زنگ زدگی خواهد شد. به همین دلیل است که ورق ‌های گالوانیزه، بهترین انتخاب برای مناطق مرطوب هستند. تأکید می ‌کنیم که از انبار کردن طولانی‌ مدت تیر آهن و سایر مقاطع فولادی خودداری کنید و در صورتی ‌که مجبور به این کار شدید، تمهیدات ویژه‌ای را برای انبار کردن این مقاطع فولادی در نظر بگیرید.

- ایجاد ناحیه متأثر از حرارت بر اثر جوشکاری زیاد

یک نکته بسیار مهم که درباره جوش مقاطع فولادی باید در نظر داشته باشید، ذوب ناقص است. ذوب ناقص یک ناپیوستگی در جوش است که ذوب شدن بین فلز جوش و سطوح ذوب و یا لایه های جوش رخ نداده باشد.

بعلت خطی بودن و انتهای نسبتاً تیز آن، ذوب ناقص از ناپیوستگی های بارز در جوش است و در وضعیت های مختلف در منطقه جوش تشکیل می شود. نفوذ ناقص معرف حالتی است که فلز جوش به طور کامل در سراسر ضخامت ورق گسترده نشده باشد. موقعیت این عیب در مجاورت ریشه جوش است. ذوب و نفوذ ناکافی به علت عدم مهارت جوشکار، شکل نامناسب اتصال یا آلودگی اضافی ایجاد می شود.

- خستگی

می توان اذعان داشت که خستگی در فلزات وقتی اتفاق می ‌افتد که فلز تحت تنش تکرار شونده یا نوسانی قرار گیرد. بنابراین لازم است پدیده خستگی در طراحی تمامی سازه ‌هایی که تحت اثر بارهای تکرار شونده و رفت برگشتی (نوسانی) قرار دارند، لحاظ شود و این وظیفه یک مهندس است که تمام جزئیات یک عضو را به ‌گونه ‌ای طراحی کند تا لنگر، برش و نیروی محوری اعمال ‌شده در آن عضو در هر تکرار بارگذاری، از محدوده‌ های مجاز آیین ‌نامه‌ ای فراتر نرود و تنش ‌هایی در آن اعمال نشود تا خستگی در سازه را گسترش دهد.

تقویت تیرآهن به چه شکل هایی انجام می شود؟

بعد از ذکر و بررسی دلایل تقویت تیرآهن به بیان مراحل آن و راهکارهای عملی مقاوم سازی می پردازیم:

1. گونه اول تقویت تیرآهن استفاده از روکش فولادی است. در این روش ضخامت بال افزایش پیدا می کند و همین عامل نیز مانع از کمانش موضعی بال می شود.

2. تقویت تیرآهن از طریق افزودن سخت کننده های جان روشی دیگر برای مقاوم سازی است. این روش مقاومت برشی تیرآهن را افزایش می دهد.

3. روش سوم افزایش مقاومت تیرآهن، افزودن ورق هایی است که به صورت موازی با جان تیر قرار می گیرند و این روش نیز باعث افزایش مقاومت برشی تیر می شود.

4. روش چهارم برای تقویت تیرآهن به کار بردن ژاکت بتنی تیر فولادی است. این عامل باعث می شود سختی تیرآهن افزایش پیدا کند. در بعضی از موارد ممکن است تیر فلزی دارای سایش و خوردگی باشد. در این حالت از روکش بتنی به عنوان راه حلی موثر برای تقویت تیرآهن استفاده می شود. استفاده از روکش های بتنی باعث می شود تیر آهن در برابر آتش سوزی نیز مقاوم باشد و دچار تخریب نشود.

5. به کار بردن پیش تنیدگی خارجی نیز جزو روش های موثر در مقاوم سازی تیرآهن است. این روش جزء روش های جدید تقویت تیرآهن است. در این روش از کابل ها و مفتول هایی مقاوم برای پیش تنیدگی استفاده می شود.

مراحل تقویت تیرآهن

عمل تقویت تیرآهن ممکن است برای یک ساختمان در حالت کلی و یا جزئی انجام شود و هر یک از این ها تفاوت هایی با هم دارند.

* تقویت تیرآهن با استفاده از الیاف FRP

در این روش الیاف باید در ناحیه ی کششی تیر و در راستای تیر قرار گیرند. همچنین در هنگام مقاوم سازی و تقویت با الیاف ها باید بررسی نمود که نیروی وارده به الیاف به چه میزانی است.

* استفاده از ژاکت بتنی مسلح

این نیز از راه های دیگری است که برای مقاوم سازی تیر ها استفاده می شود و می توان از ژاکت بتنی در سه طرف و یا چهار طرف تیر استفاده کرد و کار مقاوم سازی را انجام داد. از طرفی نواحی فشاری و یا کششی موجود در تیر با کمک این ژاکت بتنی تقویت می شود و باعث افزایش چندین برابری مقاومت تیرها می شود.

* استفاده از نبشی و رکابی

آخرین روشی که در این بخش بررسی می شود، استفاده از نبشی و رکابی برای تقویت تیرهای آهنی در ساختمان هاست. کار مقاوم سازی در این روش به کمک دو نبشی انجام می شود و محل قرار گیری نبشی های تیر در گوشه هاست.

تقویت اتصالات و انواع صدمات وارد بر ساختمان فولادی شامل چه مواردی است؟

تقویت اتصالات یکی از مهم ترین قسمت های تقویت سازه های فولادی است، به همین علت زمانی که اتصالات سازه های فولادی مناسب نباشد، سازه با مشکلات بسیاری مواجه خواهد شد و در هنگام بهره برداری خطر آفرین می شود.

به همین دلیل است که اگر مشکلی برای اتصالات به وجود بیاید، مهندسان موظف هستند که مشکل را بر طرف سازند و همچنین به تقویت سازه های فولادی بپردازند.

لازم به ذکر است که تقویت اتصالات شامل موارد زیر می شود:

*  اتصالات صلب تیر به ستون

*  وصله ستون ها

*  وصله تیرها

انواع صدمات وارد بر ساختمان به شرح زیر است:

*  گسیختگی ناشی از کمانش اعضا و اتصالات بادبندها در قاب های فولادی مهار بندی شده

*  گسیختگی صفحات پای ستون و میل مهارها در قاب های مهاربندی شده و قاب های خمشی

*  گسیختگی های اتصالات جوشی تیر به ستون در قاب های خمشی

از علت های محتمل گسیختگی چیست؟

از علت های محتمل گسیختگی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

*  تنش های پسماند در جوش بال به جان

*  تنش های بیش از حد در جوش های بال به جان به علت وقوع لنگر تسلیم M در تیر

*  وجود ناپیوستگی در جوش بال تحتانی و جنس تفاله های جوشکاری در آن

*  تمرکز تنش ناشی از ورق پشت بند تحتانی

آیا نوع تیرآهن روی مقاومت آن تاثیر دارد؟

موضوعی که می‌خواهیم درباره آن صحبت کنیم، بیشتر به نقش تیرآهن و تاثیر نقش آن، روی مقاومت اشاره می کند. این مقاطع فولادی، همه شبیه به هم نیستند بلکه با هم فرق می کنند و هر کدام مسئولیت اجرای یک وظیفه خاص در سازه را به عهده دارند. در ادامه می خواهیم نقش های مختلف یک تیرآهن را در سازه بررسی کرده و به میزان مقاومت آن، بپردازیم.

شاه‌ تیر ساختمان

همانطور که از اسم شاه تیر می توان حدس زد، باید گفت که اصلی ترین تیر یک ساختمان محسوب می شود. به همین دلیل تیرآهنی که نقش شاه تیر را ایفا می کند باید از مقاومت بسیار بالایی برخوردار باشد.

شاه تیر، مهمترین عضو یک سازه به شمار می آید و باید فشارها و بارهای اصلی وارد شده به ساختمان را بدون به بار آوردن خرابی، تحمل کند. استحکام شاه تیرها ملاک خوبی برای سنجش مقاومت تیرآهن است اما پیشنهاد می کنیم آزمون و خطا را رها کرده و از یک تیرآهن مقاوم و با کیفیت برای شاه تیر استفاده کنید.

تیرچه‌ ها

نقش دیگری که تیرآهن آن را در ساختمان ایفا می کند، تیرچه است. تیرچه ها همان تیرآهن های فرعی هستند که با تعداد بالا در فاصله بین شاه تیر و دیوار قرار می گیرند. وظیفه این تیرچه ها کمک به شاه تیر است. آنها بارهای وارد شده بر شاه تیر را می گیرند و به دیوار یا ستون انتقال می دهند. یادتان باشد که تیرچه، خودِ تیرآهن نیست اما چون از تیرآهن ساخته شده، میزان مقاومت تیرآهن برای آن مهم است.

تیر نعل درگاهی

اگر بخواهیم یک فهرست از پرکاربردترین تیراهن‌ ها درست کنیم، بدون شک تیر نعل درگاهی از اولین های آن لیست محسوب می شود. این تیرآهن در قسمت هایی مثل درب یا پنجره قرار می گیرد تا استحکام دیوارهای آجری متصل شده به درب و پنجره را تضمین کند. تیر نعل درگاهی از استحکام بالایی برخوردار است.

تیرهای کناری یا لبه‌ ای

این تیرها در کنار کلاف بندی ساختمان استفاده می شوند و هدف اصلی آنها، بالا بردن مقاومت ساختمان است. مزیت تیرهای کناری این است که مقاومت تیرآهن سقف و دیوارها را تقویت می کند. نوع تیرهای لبه ای در میزان استحکام ساختمان موثر است.

بیشتر بخوانید: تیرآهن هاش چیست؟