در دنیای امروزی که صنایع عمرانی و ساخت و ساز، حرف اول را در روند صنعتی شدن منطقه می‌زنند، مصالح بسیاری لازم است بکار گرفته شود تا این پروسه در مسیر مطلوبی قرار گیرد. علاوه بر مصالح و مقاطع مختلف، برخی از سازه‌ها نیز نقش پررنگ و مهمی در این صنایع دارند.
یکی از سازههای مهم تحت عنوان خرپا وجود دارد که خود در انواع گوناگونی ساخته می‌شود و کاربری‌های مختلفی دارد. در مقاله‌ای که پیش رو است، قصد داریم این سازه را بیشتر معرفی کنیم و به بررسی انواع و کاربردهای آن بپردازیم. با شاهین فلز سپاهان همراه شوید.
تعریف خرپا
خرپا (به انگلیسی Truss) سازه‌ای فولادی است که از اتصال اجزای مثلثی شکل به یک‌دیگر که دارای محور اصلی هستند، حاصل می‌شود که غالبا برای ایجاد مقاومت در برابر بارهای خارجی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
به لحاظ هندسی، مثلث در مقایسه با دیگر اشکال همچون 4 یا چند ضلعی، پایدارتر است؛ چراکه برای جلوگیری از برش، لازم است گوشه‌های این اشکال چندضلعی، به قسمتی محکم شوند. اجزای مثلثی شکل خود از اعضای مستقیم و بدون انحنا تشکیل می‌گردند. قسمت انتهایی این اعضا در اتصالاتی به نام گره به هم‌دیگر متصل می‌شوند.
گره ها در خرپا چگونه طراحی می‌شود؟
طراحی گره و یا مفاصل، به 3 صورت زیر می‌باشد:
- لولا
- سفت و سخت
- نیمه سفت و سخت
این گره‌‌ها قادر به حمل بارهای قابل توجهی هستند و این بارها را به سازههای پشتیبانی همچون تیرهای باربر، دیوارها و یا زمین منتقل می‌کنند. لازم به ذکر است مهم‌ترین مقاطع در ساخت خرپا، تیرآهن، لوله فولادی و مخصوصا پروفیل‌های قوطی هستند.
انواع خرپا از لحاظ شکل
این سازه‌ها از لحاظ شکل ظاهری با یک دیگر متفاوت هستند و انواع آن شامل موارد زیر می‌شود:
- خرپای فلزی
خرپای ساده یک نوع خرپا مسطح است که با یک عنصر مثلثی شکل شروع می‌شود و با اضافه کردن دو عضو مستقیم و بدون انحنا و همچنین یک مفصل یا گره قابل گسترش است. این نوع خرپا ممکن است در ساخت یک سقف قاب بندی شده، متشکل از تیرهای شیب دار و یک تیرچه سقفی، بکار برده شود.
در گذشته استفاده از این نوع خرپا در ساختمان‌های قدیمی بسیار رایج بود؛ اما امروزه به دلیل وجود انواع مقاوم‌تر خرپا که به معرفی آنها خواهیم پرداخت، این نوع سیستم خرپا کمتر استفاده می‌شود.
- خرپای فلزی مسطح یا صفحه‌ای
خرپا مسطح خرپایی است که در آن همه اعضا در یک صفحه دو بعدی قرار دارند. این نوع خرپا که دارای اعضای تحتانی و فوقانی موازی است، به طور معمول به صورت پشت سر هم مورد استفاده قرار می‌گیرد. خرپا مسطح در ساخت سقف‌ها، پل‌ها، شاه تیرها و حتی سازههای مکانیکی دیگری مانند دوچرخه و هواپیما کاربرد دارد.
- خرپای فلزی فضایی
برخلاف خرپا مسطح که در یک صفحه دو بعدی قرار دارد، یک خرپای فضایی در حقیقت یک شبکه سه بعدی متشکل از مثلثهای به هم متصل شده است. خرپاهای فضایی از محبوبیت خاصی در میان کارفرمایان برخوردار هستند؛ چراکه بسیار مقاوم بوده و معمولا در ساخت سقف نمایشگاه‌ها، استخرها و کارخانه‌ها از آنها بهره می‌برند.
خرپاهای فضایی اصولا از جنس آهن، فولاد و یا آلومینیوم بوده و اتصالات آنها معمولا از نوع لولایی می‌باشد. برای مقاومت و استحکام بیشتر، در بعضی از پروژه‌ها از خرپاهای فضایی دو لایه استفاده می‌شود. قیمت خرپاهای دو لایه قاعدتا بیشتر از نوع تک لایه خواهد بود.
- خرپای فلزی مرکب
خرپای مرکب از ترکیب دو یا چند خرپای فلزی ساده حاصل می‌شود. استقامت و مقاومت این نوع از خرپا در مقایسه با سایر انواع خرپا بسیار بیشتر است.
به همین دلیل در بسیاری از پروژه‌های ساخت و ساز از این نوع سیستم خرپا استفاده می‌شود. باید توجه داشت که نوع سیستم خرپا برای هر پروژه می‌تواند متفاوت باشد و باید با توجه به نیاز و هدف پروژه نوع آن انتخاب شود.
انواع خرپا از لحاظ کاربری و متریال ساخت
نسبت به متریال مصرف شده برای ساخت، نوع کاربرد و هندسه کلی سازه، دسته‌بندی انواع خرپا شامل موارد زیر می‌شود:
- خرپا پرات (Pratt)
جنس این نوع خرپا معمولا از فولاد است ولی گاهی از چوب نیز ساخته می‌شود. اجزای تشکیل‌دهنده این نوع خرپا عمودی و مورب می‌باشند که از کنار هم قرار گرفتن آنها الگویی به شکل N حاصل می‌شود. اعضای عمودی برای تحمل نیروهای فشاری و اعضای مورب برای تحمل تنش طراحی‌شده‌اند. از این نوع خرپا اصولا در ساخت پل و ساختمان‌هایی که دهانه بزرگ (بین 20 تا 100 متر) دارند، استفاده می‌شود. ازلحاظ قیمت این نوع خرپا اقتصادی‌ترین نوع خرپا است.
- خرپا وارن (warren)
این نوع خرپا اصولا از جنس فولاد ساخته می‌شود. خرپای وارن از مجموعه‌ای از مثلثهای متساوی الاضلاع تشکیل می‌شود و در مقایسه با خرپا پرات دارای اعضای کم‌تری است. اعضای تشکیل دهنده این نوع خرپا عمودی نیستند؛ بلکه مورب هستند که متناوبا تحت تنش و نیروهای فشاری قرار دارند.
- خرپا نور شمالی (North light)
این شکل از خرپا معمولا برای دهانه‌های کوچک (بین 20 تا 30 متر) در سقف ساختمان‌های صنعتی استفاده می‌شود. این نوع خرپا نور شمالی نام دارد؛ چراکه این نوع خرپا بیش‌ترین نور را به داخل زمین‌های شمالی هدایت می‌کند.
- خرپا شاه تیر (king post)
این نوع از خرپا معمولا از چوب و بعضی اوقات از ترکیبی از فلز و چوب ساخته می‌شود و برای دهانه های کمتر از 8 متر کاربرد دارد. خرپا شاه تیر معمولا در سقف خانه‌های کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد. خرپای شاه تیر به شکل یک مثلث ساده است که دارای یک عضو عمودی بین راس و وتر پایین است.
- خرپا عصایی (queen post)
خرپا عصایی از نظر شکل ظاهری شبیه به خرپا شاه تیر می‌باشد. با این تفاوت که دارای یک عضو مورب وسط وتر پایینی و هر یک از وترهای شیب‌دار بالایی است. خرپا عصایی برای دهانه‌های کمتر از 10 متر کاربرد دارد. این نوع خرپا بسیار ساده، کاربردی و مقاوم است و در اکثر سازه‌ها قابل اجرا می‌باشد.
- خرپا فینک (fink)
این نوع خرپا اصولا از جنس فولاد ساخته می‌شود و در اجرای سقف ساختمان‌های مسکونی و پل‌ها بسیار رایج است. خرپا فینک در سازههای دهانه کوتاه (تا حدود 20 متر) قابل اجرا است.
- خرپا هاو (Howe)
این نوع خرپا برعکس یا وارونه خرپا پرات می‌باشد. بدین معنا که اعضای عمودی نیروهای تنشی و اعضای قطری (مورب) نیروهای فشاری را تحمل می‌کنند. خرپا هاو در مقایسه با خرپا پرات غیرکاربردی‌تر است؛ چراکه اعضای مورب باید برای مدت زمان طولانی‌تری در برابر نیروهای فشاری مقاومت کنند.
- خرپای ویرندیل (Vierendeel)
یک نوع خاص از خرپا که با سایر مدل‌های معرفی‌شده تا این قسمت به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای تفاوت دارد، خرپا ویرندیل نام دارد. تفاوت اساسی این مدل از خرپا، در نحوه انتقال نیروها است. یکی از ویژگی‌های مشترک خرپاهایی که دارای گره‌های لولایی هستند، آن است که از اشکال مثلثی تشکیل می‌شوند.
قاعدتا این مفاصل لولایی هیچ‌گونه مقاومتی در برابر چرخش و نیروهای چرخشی ندارند. اما یک خرپای ویرندیل دارای دهانه‌های مستطیلی یا مربعی شکل است. درنتیجه، اعضای تشکیل‌دهنده این مدل خرپا هم نیروهای محوری و هم گشتاور خمشی را تحمل می‌کنند.
خرپای ویرندیل در برابر تنش‌ها نرمال و در برابر تنش‌های محوری ایجاد شده در اثر خمش، بسیار مقاوم است و از این لحاظ یک نوع سازه اساسی در نظر گرفته می‌شود. در ساختمان‌هایی که خرپاهای مثلثی شکل منجر به انسداد در و پنجره می‌شوند، این نوع خرپا می‌تواند یک گزینه ایده‌آل باشد؛ چراکه از فضاهای خالی مستطیلی شکل تشکیل‌شده است.
تحلیل نیرو در خرپا
به منظور تحلیل نیروهای موجود در خرپا از دو روش زیر استفاده می‌شود:
- روش مفاصل (Joint)
در روش مفاصل به منظور تحلیل نیرو به خرپا، هر مفصل به صورت جداگانه تصور می‌شود و برآیند تمام نیروهای وارد شده به آن را صفر می‌گذارند. نیروهای وارده به یک مفصل می‌تواند از نوع کششی یا فشاری باشد.
- روش مقاطع (Sections)
در روش مقاطع به منظور تحلیل نیرو به خرپا، ابتدا بخشی از خرپا جدا شده و به عنوان سیستم در نظر گرفته می‌شود. سرانجام برآیند نیروها و گشتاورهای وارد شده بر آن برابر با صفر قرار داده شده و نیروی مجهول را در مسئله بدست می‌آورند.
کاربرد خرپا چیست؟
به طور کلی، وظیفه اصلی خرپا، توزیع یکنواخت وزن، کنترل تنش و تراکم بدون ایجاد خمش و یا برش است. خرپاها بیشتر در ساخت پل‌ها، سقف‌ها و برج‌ها استفاده می‌شوند و در ساخت انبارهای صنعتی و همچنین سوله‌ها، از خرپاهای فلزی بسیار استفاده می‌شود.
در حقیقت از خرپا به هدف به حداقل رساندن وزن وارد شده بر روی اسکلت یک سازه، کاهش انحراف و خمش و پشتیبانی از بارهای سنگین استفاده می‌گردد. علاوه بر آن، از خرپا برای طول دهانه مشابه با جان تیرآهن استفاده شده و از این قبیل خرپاها به‌عنوان تیرهای توخالی مشبک نیز یاد می‌شود.
مزایای استفاده از خرپا چیست؟
این سازه فولادی به علت مزایای بسیاری که از آن برخوردار است، موارد استفاده گوناگونی دارد. این مزیت‌ها شامل موارد زیر می‌شود:
- مقاومت بالا در برابر تنش‌های محیطی
- سهولت در نصب و اجرا
- حمل و جا به جایی آسان
- مقرون به صرفه
- انتخاب مناسب برای ساختمان‌های مرتفع
معایب بکارگیری خرپا چیست؟
در کنار تمامی مزایای خرپا، این سازه معایبی نیز دارد که این موارد به شرح زیر هستند:
- الزام به وجود فضای وسیع دارد.
- برای تحمل و توزیع بارهای سنگین اجزای مثلثی بهم پیوسته باید بزرگ باشد.
- خرپای فلزی بسیار وزن بالایی دارد و سنگین است.
- هزینه تعمیر و نگهداری خرپا بالا می‌باشد.
جمع بندی
خرپا سازه‌ای فلزی متشکل از مثلثهای به هم متصل شده است و در ساخت سازههای مختلف کاربرد دارد. توزیع وزن ساختمان و کنترل تنش، به عهده خرپا است. انواع این سازه شامل نوع فلزی، فضایی، مرکب و غیره می‌شود. از مزایای خرپا می‌توان به مقاومت بالا، نصب و اجرای آسان و غیره اشاره نمود.
منبع(Resource): What is a Truss
سوالات متداول
کاربرد خرپا شامل چه مواردی می‌شود؟
خرپاها بیشتر در ساخت پل‌ها، سقف‌ها و برج‌ها استفاده می‌شوند و در ساخت انبارهای صنعتی و همچنین سوله‌ها، خرپاهای فلزی کاربرد بسیاری دارند.
انواع خرپا کدام است؟
انواع خرپا از لحاظ شکل ظاهری شامل خرپا فلزی، مرکب، فلزی فضایی و مسطح می‌شود.
خرپا چیست؟
خرپا سازه‌ای فلزی متشکل از مثلثهای به هم متصل شده است که بر کنترل تنش سازه اثرگذار است.
