نحوه محاسبه تحمل بار تیرآهن

اهمیت محاسبه تحمل بار

شاید مهم ترین و مشکل ترین وظیفه مهندس طراح، تعیین میزان دقیق بارهای وارده بر سازه در طول عمر سازه است. به طور کلی از هر نوع باری که بتواند بر سازه اثر بگذارد، نمی توان صرف نظر کرد و باید پس از تعیین میزان هرکدام، ترکیب بدترین وضعیت بارها را نیز معین کرد. یکی از مراحل لازم، محاسبه تحمل بار تیرآهن است که نیاز به اطلاعات و تخصص مربوط به خود دارد.

به طور کل، تمام بارهای وارده بر سازه را می توان به دو دسته بارهای مرده و بارهای زنده تقسیم کرد. در ادامه، انواع بارهای موجود که مهندس سازه باید آن ها را در نظر بگیرد، معرفی می کنیم.

انواع بارهای وارده بر سازه

به طور کلی، انواع بارهای وارده بر سازه، به دو دسته بارهای زنده و مرده تقسیم می شوند.

بارهای مرده

بارهایی که مقدار ثابتی دارند و محل استقرار آن ها تغییر نمی کند، بارهای مرده نامیده می شوند. به طور کل، بارهای مرده، شامل وزن اسکلت ساختمان و وزن قسمت هایی از ساختمان می باشد که جزء لاینفک سازه به حساب می آیند. به عنوان مثال در یک سازه فولادی، بارهای مرده شامل وزن اسکلت فولادی، دیوارها، کف ها، سقف، لوله کشی، اتصالات، تاسیسات بهداشتی و مشابه آن می شود.

بار مرده دقیق سازه، زمانی معین خواهد شد که طراحی سازه به اتمام رسیده و ابعاد قسمت های مختلف ساختمان انتخاب شده باشد. همچنین، تخمین بار مرده سازه می تواند بر اساس مراجعه به سازه ای مشابه یا روابط جداول و جزئیات معماری به دست آید. برای وزن مخصوص قسمت های مختلف ساختمان می توان به استاندارد شماره ۵۱۹ (حداقل بار وارده بر ساختمان ها و ابنیه فنی) موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران مراجعه کرد. یک طراح باتجربه، معمولا قادر به تخمین بار مرده با دقت بالایی می باشد و می تواند با چنین تخمینی از تکرار محاسبات جلوگیری کند.

بارهای زنده

بارهای زنده به بارهایی گفته می شود که در طول بهره برداری از ساختمان، امکان جا به جایی و تغییر محل و مقدار آن بارها وجود داشته باشد. به عبارت دیگر، بارهایی که مرده نیستند در دسته بارهای زنده قرار می گیرند.

سربار یا بار زنده، به کلیه بارهای موثر اطلاق می شود که در نتیجه استفاده و بهره برداری از ساختمان بر آن تحمیل شود.

استاندارد شماره ۵۱۹ موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران

«سربار یا بار زنده، به کلیه بارهای موثر اطلاق می شود که در نتیجه استفاده و بهره برداری از ساختمان بر آن تحمیل شود.»

مثالی از بارهای زنده، شامل موارد زیر می شود:

• بارهای کف
• برف و یخ
• باران
• بار ترافیک پل ها
• بارهای ضربه ای
• بارهای جانبی
• بارهای افقی

به طور کلی، بارهای زنده به دو گروه زیر تقسیم می شوند:

۱- سربارهای ساکن ولی قابل حرکت، مانند اثاثیه منزل و وسایل اداری، بارهای زنده با سرعت کم، مانند وزن اشخاص و حیوانات و … که بارهای ایستا نامیده می شوند.

۲- سربارهای متحرک با اثر جانبی قابل توجه، مانند ماشین ها و آسانسورها و جرّاَثقال ها (وسیله ای برای کشیدن بارهای سنگین) و … که به نام بارهای ضربه ای نامیده می شوند.

تنش و خستگی – در بارهای ثابت و غیر متغیر برای شدت نیرو (نیرو بر واحد سطح) به کار می رود و متقابلا نقش های حاصل از نیروهای متغیر و متناوب، خستگی نامیده شده است.

تحمل بار تیرآهن

تیرآهن به منظور افزایش استحکام و استقامت انواع سازه استفاده می گردد. تیرآهن ها عموما از فولاد و درصد مشخصی کربن تولید می شوند. این قطعات فلزی، قابلیت تحمل بارهای محوری و جانبی و همچنین، مقاومت خمشی بالایی دارند. جذب ارتعاش مناسب تیرآهن در مقابل نیروهای خارجی وارد شده، باعث شده است که این محصول، جزء رایج ترین مصالح مورد استفاده در ساختمان سازی باشد.تیرآهن H

مهم ‌ترین پارامتر برای مقاومت در برابر بارگذاری های انجام شده، مربوط به شرایط طراحی و ساخت محصول و رعایت اصول استاندارد است. اگر پارامترهای تولید تیرآهن بر اساس استانداردهای مصوب در نظر گرفته شود، به راحتی می توان باری را که این محصول تحمل می کند محاسبه کرد. اصلی ترین و پرکاربردترین استانداردهای ملی تولید تیرآهن و همچنین استانداردهای جهانی تولید این مقطع فولادی به صورت زیر می باشد:

میزان بار وارده بر تیرها (سطح بارگیر تیرها)

بارهایی که بر تیرهای سازه وارد می شود با توجه به مکان قرارگیری آن ها و نقشی که در سازه دارند، متفاوت می باشد. به همین دلیل، ممکن است انواع بار، متمرکز، گسترده غیریکنواخت یا یکنواخت و یا ترکیبی از این بارها به تیر وارد شود. همچنین بار وارد بر تیر های اصلی یا شاه تیرها متفاوت است و به یکطرفه یا دوطرفه بودن دال بستگی دارد. در تصویر زیر می توانید انواع بار وارده بر تیر را مشاهده نمایید.تیرآهن ipe

عوامل تاثیرگذار بر تحمل بار تیرآهن

برای محاسبه دقیق میزان تحمل بار تیرآهن، باید شناخت کاملی از عوامل تاثیرگذار بر مقاومت تیرآهن داشت. پارامترهای بسیاری در تحمل پذیری تیرآهن نقش دارند که در ادامه، مهم ترین آن ها را بیان می کنیم:

• نوع تیرآهن و تناسب آن با سازه
• ضدزنگ بودن تیر یا استفاده از رنگ ‌های ضد اکسیداسیون
• رعایت کیفیت تولید و استانداردهای مصوب
• کیفیت مواد اولیه تولید تیرآهن
• اندازه و ابعاد تیرآهن
• نحوه قرارگیری تیرآهن (به عنوان شاه ‌تیر، تیرچه، تیر نعل درگاهی یا تیرهای لبه ‌ای)
• استفاده از تعداد مناسب محصول در ساختمان

۱- نوع تیرآهن و تناسب آن با سازه

برای انتخاب مصالح درست در ساخت یک پروژه باید شناخت صحیح و کاملی از شرایط پیرامونی سازه کسب نمود. از آنجا که تیرآهن ها بار اصلی وزن سازه را تحمل می کنند، محاسبه دقیق وزن و فشار وارده بر سطح مقطع تیرآهن و همچنین نوع طراحی سازه، در انتخاب نوع تیرآهن مورد استفاده تاثیر به سزایی خواهد داشت. کارخانه های تولیدکننده این مقطع فولادی نیز مشخصات فیزیکی، ترکیبات شیمایی و خواص مکانیکی محصولات خود را (مانند مقاومت محصول در برابر تنش و کشش) در اختیار مشتریان خود قرار می دهند. مهندسین سازه می توانند با بررسی این اطلاعات و در نظر گرفتن شرایط پروژه، نسبت به انتخاب مناسب ترین نوع تیرآهن اقدام نمایند.

نکته قابل توجه دیگر این است که با شناخت و تعیین نوع تیرآهن، قیمت آن را نیز می توان به دست آورد.

۲- ضدزنگ بودن  تیر یا استفاده از رنگ ‌های ضد اکسیداسیون

ضدزنگ بودن تیرآهن در افزایش عمر این محصول تاثیرگذار است. همچنین استفاده از رنگ های ضد اکسیداسیون منجر به افزایش مقاومت تیر خواهد شد؛ به طوری که اگر تیرآهن به درستی در برابر زنگ زدن مقاوم نشده باشد، بعد از مدتی اکسید می شود و تحمل بار را از دست می دهد.

۳- رعایت کیفیت تولید و استانداردهای مصوب

یکی دیگر از عوامل موثر در مقاوت تیرآهن، رعایت استانداردهای کیفی و مصوب در پروسه تولید آن است. تیرآهن هایی که طبق استاندارد تولید می شوند، ابعاد، سایز، مشخصات مکانیکی و کیفیت بالایی دارند. به همین دلیل، استفاده از تیرآهن های استاندارد در افزایش عمر و تحمل پذیری سازه، تاثیر به سزایی دارد.

۴- کیفیت مواد اولیه تولید تیرآهن

اکثر مقاطع فلزی از شمش فولادی تولید می شوند. کیفیت شمش به کار رفته در فرآیند تولید، تاثیر بسیاری در میزان تحمل پذیری و قدرت تیرآهن خواهد داشت. به همین دلیل، استفاده از شمش تولید شده از سنگ آهن یا شمشی که توسط ضایعات آهنی و مواد بازیافتی تولید شده باشد، تاثیر قابل ملاحظه ای در تحمل بار تیرآهن خواهد داشت.

تسمه آهن

۵- ابعاد تیرآهن، نحوه قرارگیری آن و تعداد به کار رفته در سازه

طول تیرآهن، ابعاد سطح مقطع آن (مانند ضخامت بال ‌ها و جان، سایز تیرآهن و …) همگی در تحمل بار تیرآهن تاثیرگذارند. به طور مثال، هرچه سایز تیرآهن‌ افزایش پیدا ‌کند، میزان تحمل بار آن‌ نیز افزایش می یابد. همچنین رعایت تعداد دقیق، چینش مناسب و محل قرارگیری تیرآهن ها می ‌تواند از بروز آسیب و ضررهای احتمالی به سازه جلوگیری کند و باعث افزایش تحمل بار تیرآهن شود.

نحوه محاسبه تحمل بار تیرآهن

همانطور که اشاره کردیم، تولید تیرآهن مطابق با استانداردهای ملی و بین المللی در میزان تحمل بار انواع تیرآهن، تاثیر به سزایی دارد. در این حالت به راحتی می توان تحمل بار تیرآهن را با استفاده از جداول مخصوص محاسبه نمود و بر اساس مقاومت به دست آمده، تیرآهن مورد نیاز را انتخاب کرد. همچنین شیوه قرار گرفتن تیرآهن روی تکیه گاه و بارگذاری آن نیز از عوامل مهم در محاسبه تحمل بار تیرآهن به شمار می رود. به طور مثال، میزان تحمل بار تیرهای اصلی و فرعی، متفاوت می باشد.

در استانداردهای مربوطه می توانید از جداول مربوط به ابعاد، وزن و مقادیر ایستایی برای تحمل بار تیرآهن استفاده نمایید. همچنین با استفاده از جدول اشتال می توان سطح مقطع، وزن و ابعاد پروفیل های فولادی را به دست آورد که در محاسبه تحمل بار تیرآهن به آن ها نیاز است. در لینک زیر می توانید جدول اشتال را مشاهده کنید.

راه دیگر محاسبه تحمل بار تیرآهن، استفاده از فرمول محاسبه تحمل بار تیرآهن موجود در کتاب های مقررات ملی ساختمان می باشد. در تصویر زیر، برگرفته از استانداردهای ملی ایران، می توانید میزان تحمل بار انواع تیرآهن در سایز و اندازه متفاوت را مشاهده نمایید. این جداول، حاوی اطلاعات ابعاد، وزن و مقادیر ایستایی سه نوع تیرآهن IPE،INP  و IPB می باشد. در صورتی که محصولات طبق استانداردهای ملی و بین ‌المللی تولید شوند، میزان تحمل بار هر نوعی از تیرآهن را می توان به راحتی توسط جداول زیر به دست آورد.

انواع تیرآهن پرمصرف و تحمل بار آن ها

همانطور که تاکنون متوجه شدیم، وزن و سایز تیرآهن در مقدار تحمل بار آن تاثیرگذار است. پرکاربردترین سایزهای تیرآهن در ساختمان سازی نیز شامل تیرآهن های ۱۲، ۱۴، ۱۶و ۱۸ می باشد. همچنین از آنجا که پرکاربردترین نوع تیرآهن مورد استفاده در ایران، IPE و انواع هاش می باشد، در ادامه به کاربرد و تحمل بار هر کدام از سایزهای این دو نوع تیرآهن می پردازیم.

میزان تحمل بار تیرآهن ۱۲: بیشترین استفاده از سایز ۱۲ مربوط به تیرآهن IPE می باشد. وزن یک شاخه تیرآهن ۱۲ IPE حدود ۱۲۵ کیلوگرم است و از جمله سبک ترین تیرآهن های مورد استفاده در ساختمان سازی است. این تیرآهن به دلیل سایز و وزنی که دارد، بیشتر در نقاطی از سازه که تحت فشار زیادی نیستند (مانند پوشش سقف و یا ستون های داخلی) استفاده می شود.

میزان تحمل بار تیرآهن ۱۴: تحمل بار تیرآهن ۱۴ به دلیل وزن بیشتری که نسبت به تیرآهن ۱۲ دارد، بیشتر است. وزن هر شاخه از این تیرآهن در نوع IPE حدود ۱۵۵، در هاش سبک حدود ۲۹۶ و در هاش سنگین حدود ۴۰۴ کیلوگرم می باشد. از این تیرآهن، هم در پوشش سقف و تیرهای فرعی و هم به عنوان ستون اصلی در سازه های کوچک و متوسط استفاده می شود.

میزان تحمل بار تیرآهن ۱۶: انواع تیرآهن ۱۶ و سایزهای بالاتر در دسته محصولات سنگین قرار می گیرند. به همین دلیل از این سایز، بیشتر به عنوان ستون اصلی استفاده می شود. وزن استاندارد هر شاخه تیرآهن ۱۶ نیز به ترتیب در نوع IPE حدود ۱۹۰، هاش سبک حدود ۳۶۵ و هاش سنگین حدود ۵۱۱ کیلوگرم می باشد.

میزان تحمل بار تیرآهن ۱۸: از سنگین وزن ترین تیرآهن هایی که در ساختمان سازی استفاده می شود، تیرآهن ۱۸ می باشد. از این سایز تیرآهن، بیشتر در ساخت سازه های مرتفع استفاده می گردد و می تواند بارهای اصلی و فشار وارده به ساختمان چند طبقه را به خوبی تحمل کرده و آن را به فونداسیون و زمین منتقل کند.

وزن انواع تیرآهن ۱۸به صورت زیر است:

• وزن هر شاخه تیرآهن ۱۸ IPE حدود ۲۲۶ کیلوگرم
• وزن هر شاخه تیرآهن ۱۸ هاش سبک حدود ۴۲۶ کیلوگرم
• وزن هر شاخه تیرآهن ۱۸ هاش سنگین حدود ۶۱۶ کیلوگرم

سخن آخر

به طور کلی، تحمل بار تیرآهن ها به وزن و استاندارد تولید تیرآهن، طول و ضخامت جان، طول و ضخامت بال، مساحت سطح مقطع و پارامترهای بسیار دیگری وابسته است که می توان این اطلاعات را از منابعی مانند استانداردها و جداول اشتال به راحتی به دست آورد؛ اما برای راحتی کار، جداول مربوط به تحمل بار تیرآهن و مقادیر ایستایی آن ها را در این مقاله در اختیارتان قرار داده ایم.