روش محاسبه مهندسی تحمل بار تیرآهن

محاسبه تحمل بار تیرآهن یکی از مهم‌ترین محاسبات مهندسی در ساختمان‌سازی است. در واقع، بارهای زیادی به یک ساختمان وارد می‌شود که تیرآهن وظیفه انتقال این بارها به فونداسیون را بر عهده دارد. به عبارتی، ارتعاشات و نیروهای وارده به ساختمان از طریق تیرآهن دفع شده و استحکام سازه را تأمین می‌کند؛ اما تیرآهن‌ها ظرفیت محدودی برای تحمل بار وارده دارند.

در واقع، با بیشترشدن حد استاندارد بارهای وارده، استحکام سازه از بین رفته و احتمال خرابی و آسیب‌های زیاد در آن وجود دارد. بنابراین محاسبه مهندسی تحمل بار تیرآهن یکی از حیاتی‌ترین امور ساختمان‌سازی است. اگر می‌خواهید صفر تا صد محاسبات مهندسی تحمل بار تیرآهن را یاد بگیرید، در ادامه با موضوعات زیر با ما در مهدفولاد همراه باشید:

1. معرفی مفهوم تحمل بار تیرآهن
2. استاندارد تیرآهن‌های برای تحمل بار
3. انواع بارهای زنده و مرده وارده به سازه و تیرآهن
4. تحمل بار تیرآهن و عوامل تاثیرگذار بر آن
5. روش محاسبه مهندسی تحمل بار تیرآهن
6. تحمل بار در تیرآهن‌های مختلف

مفهوم تحمل بار تیرآهن

تیرآهن ترکیب فولاد و کربن است. این مقطع قابلیت تحمل بارهای مختلف مانند بارهای محوری، بارهای جانبی و بارهای خمشی را دارد. تیرآهن همچنین ارتعاشات ناشی از نیروهای وارده مختلف را دفع می‌کند. البته میزان تحمل و مقاومت این مقطع فلزی تا حدود زیادی به طراحی و کیفیت ساخت در آن بستگی دارد.

به نقل از ویکی پدیا:

تیر، معمولاً در معماری و مهندسی سازه به عنوان عضوی بلند، مستقیم و منشوری تعریف می‌شود که برای نگه‌داری بارهای مختلف وارده در طول عضو طراحی می‌گردد. با این حال در سازه‌های کوچکتر مانند کامیون‌ها و بدنه اتومبیل‌ها نیز تیرها کاربرد دارند و با راهکارهایی مشابه محاسبه می‌شوند. البته در کار اجرایی عنوان تیر غالباً فقط به اعضای افقی گفته شده و به اعضای عمودی ستون گویند.

تحمل بار به حداکثر نیرویی گفته می‌شود که تیرآهن می‌تواند بدون تغییر شکل دائم یا خرابی تحمل کند. این ظرفیت باربری به طراحی و کیفیت ساخت تیرآهن بستگی دارد. در واقع، هر تیرآهن پس از محاسبات دقیق و با توجه به شرایط خاص پروژه طراحی می‌شود تا بتواند بارهای وارده را به درستی تحمل کند.

برای محاسبه مهندسی تحمل بار تیرآهن، لازم است که پارامترهای تولید تیرآهن بر اساس استانداردهای مصوب در نظر گرفته شود. در واقع، تحمل بار تیرآهن بیشترین وزن و نیرویی است که می‌تواند بدون آسیب تحمل کند. به‌جز کیفیت ساخت، موارد دیگری از قبیل محل قرارگیری و کاربری نیز در این قابلیت تیرها نقش دارد.

استاندارد تیرآهن‌های برای تحمل بار

استانداردهای ملی و بین‌المللی برای طراحی و ساخت تیرآهن‌ها به طور دقیق مشخص شده‌اند. رعایت این استانداردها نه تنها به کیفیت و ایمنی سازه کمک می‌کند، بلکه از بروز حوادث نیز جلوگیری می‌کند. به عنوان مثال، استاندارد ISIRI 3277 برای تیرآهن‌های باریک شیب‌دار و استاندارد DIN 1025 برای تیرآهن‌های IPE از جمله مهم‌ترین استانداردها در این زمینه هستند.

بر اساس استاندارد مصوب طراحی و ساخت تیرآهن‌ها، این مقطع فلزی در چند دسته زیر دسته‌بندی می‌شود:

1. تیرآهن باریک شیب‌دار یا همان IPN با استاندارد ISIRI 3277 ملی ایران و استاندارد DIN 1025 بین‌المللی
2. تیرآهن بال نیم‌پهن موازی با علامت مشخصه (I-2) یا همان تیرآهن IPE با استاندارد ISIRI 1791  ملی ایران و استاندارد بین‌المللی DIN 1025
3. تیرآهن گرم نوردیده نیمه‌سبک بال نیم‌پهن موازی با علامت مشخصه (I-7) یا همان I7 با استاندارد ISIRI 1634  ملی ایران و استاندارد بین‌المللی DIN 1025
4. تیر آهن‌های گرم نوردیده بال پهن موازی با وزن متوسط (I-5) یا همان IPB استاندارد ISIRI 1448 ملی ایران و استاندارد بین‌المللی DIN 1025
5. تیر آهن‌های گرم نوردیده بال پهن موازی با وزن سبک (I-4) با استاندارد ISIRI 13781 ملی ایران و استاندارد بین‌المللی DIN 1025

انواع بارهای وارده به سازه و تیرآهن

بارهای زیادی از طریق مصالح ساختمانی مختلف به تیرآهن‌ها وارد می‌شوند. این بارها را می‌توان براساس فاکتورهای مختلف دسته‌بندی کرد.

بارهای وارده به ساختمان و تیرآهن براساس متحرک یا ثابت بودن در دو دسته زیر قرار می‌گیرد:

• بارهای مرده

وزن اسکلت ساختمان، وزن بخش‌های جدایی‌ناپذیر ساختمان، وزن دیوارها، وزن کف‌ها، وزن سقف، وزن لوله‌کشی، وزن اتصالات و وزن تأسیسات بهداشتی از جمله بارهای مرده است. در واقع، بخشی از بارهای وارده به ساختمان مقدار ثابتی داشته و محل استقرار آن‌ها عوض نمی‌شود؛ به این بارها، بار مرده می‌گویند. بار مرده بعد از احداث ساختمان و اجرای بخش‌های مختلف آن، به‌طور دقیق محاسبه می‌شود؛ اما برای تخمین این بار، از سازه‌های مشابه یا جداول و قوانین معماری استفاده می‌کنند. یک راه دیگر برای این کار، استفاده از استاندارد شماره ۵۱۹ مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران است. از این طریق می‌توان حداقل بار وارده بر ساختمان‌ها و هر نوع بنایی را به‌راحتی محاسبه کرد.

• بارهای زنده

بارهای کف، وزن برف و یخ، وزن باران، وزن خودروها و ترافیک پل‌ها، بارهای ضربه‌ای، بارهای جانبی‌ و بارهای افقی همگی در دسته بارهای زنده قرار می‌گیرند. در واقع، بارهایی که در طول بهره‌برداری از ساختمان امکان جابه‌جایی و تغییر محل و مقدار آن‌ها وجود دارد را بار زنده می‌گویند؛  این بارها در نتیجه استفاده و بهره‌برداری از ساختمان بر آن تحمیل می‌شود.

بارهای زنده خود به دو دسته مختلف تقسیم می‌شود:

1. بخشی از بارهای زنده شامل سربارهای ساکن ولی قابل حرکت است. برای مثال: وسایلی که در یک واحد مسکونی یا تجاری وجود دارد. این وسایل ساکن، اما قابل حرکت است. بعضی از بارهای زنده نیز با سرعت کم در حال حرکت هستند. وزن اشخاص و حیوانات در این دسته که بار ایستا نام دارد، دسته‌بندی می‌شود.
2. بارهای زنده شامل سربارهای متحرک با اثر جانبی زیاد است. برای مثال: خودروها، آسانسورها و کلیه تجهیزاتی که بار ضربه‌ای ایجاد می‌کنند، در این دسته قرار می‌گیرند.
3. بارهای وارده به سازه همچنین با توجه به مکان قرارگیری آن‌ها و نقشی که در سازه دارند، به انواع بار متمرکز، بار گسترده، بار یکنواخت و بار غیریکنواخت یا ترکیبی از این بارها به تیر دسته‌بندی می‌شود.
4. بار یکطرفه و بار دو طرفه، دو تقسیم‌بندی دیگر بارهای وارده به ساختمان است. در واقع، بار وارد بر تیرهای اصلی یا شاه‌تیرها فرق دارد و در این دو دسته قرار داده می‌شود.

تحمل بار تیرآهن و عوامل تاثیرگذار بر آن

کیفیت مواد اولیه و روش‌های تولید تیرآهن تأثیر مستقیم بر تحمل بار آن‌ها دارد. تیرآهن‌هایی که از شمش فولادی با کیفیت بالا تولید می‌شوند، معمولاً دارای مقاومت بیشتری هستند. همچنین، مراحل تولید و فرآوری نیز باید مطابق با استانداردهای بین‌المللی انجام شود تا محصول نهایی از کیفیت مطلوب برخوردار باشد. عوامل متعددی بر تحمل بار تیرآهن تأثیر دارند، از جمله نوع تیرآهن، مواد اولیه، کیفیت تولید، اندازه و ابعاد تیرآهن، نحوه قرارگیری و ضد زنگ بودن آن. هر یک از این عوامل می‌تواند به طور قابل توجهی بر ظرفیت باربری تیرآهن تأثیر بگذارد. با این وجود مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار بر تحمل بار تیرآهن عبارتند از:

• نوع تیرآهن

از آنجایی‌که بار اصلی وزن و نیروهای وارد بر ساختمان را تیرآهن تحمل می‌کند، به همین دلیل نوع تیرآهن، مشخصات فیزیکی، ترکیبات شیمایی و خواص مکانیکی آن در محاسبات ساختمانی نقش مهمی دارد. در واقع، مشخصات فیزیکی، ترکیبات شیمایی و خواص مکانیکی هر نوع تیرآهنی که به بازار عرضه می‌شود، همراه با آن اعلام می‌شود. با وجود این اطلاعات و تطابق آن با شرایط سازه، می‌توان بهترین تیرآهن را برای تحمل بارهای ساختمان به‌کار گرفت.

• مواد اولیه و مراحل ساخت تیرآهن

این محصول را از شمش فولادی می‌سازند؛ اما مواد اولیه همین شمس فولادی می‌تواند از سنگ آهن یا ضایعات آهن باشد. بنابراین مواد اولیه ساخت این محصول در ویژگی‌ها و قابلیت‌های آن تأثیر دارد. همچنین مراحلی که محصول نهایی آن را طی می‌کند، تحمل وزن تیرآهن را تا حدودی تحت‌تأثیر قرار می‌دهد.

• کیفیت تولید و استانداردها

محصولاتی که طبق استانداردهای رسمی طراحی و تولید می‌شوند، از کیفیت بالاتری برخوردار بوده و سایز و ابعاد دقیق‌تری دارند. بنابراین به جرأت می‌توان گفت که میزان دقیق تحمل بار تیرآهن به استانداردها و در نتیجه کیفیت تولید این محصول بستگی دارد.

• اندازه و ابعاد تیرآهن

یکی از مهم‌ترین اطلاعاتی که برای محاسبات مهندسی تحمل بار تیرآهن لازم است، اندازه و ابعاد این محصول است. از طول تیرآهن، ابعاد سطح مقطع آن گرفته تا مشخصاتی مانند ضخامت بال‌ها و جان و سایز تیرآهن در تحمل بار نهایی نقش دارند. برای مثال: می‌توان گفت که هرچه سایز تیرآهن‌ افزایش پیدا ‌کند، میزان تحمل بار آن‌ نیز افزایش می‌یابد.

• نحوه قرارگیری تیرآهن

تعداد، چینش و محل قرارگیری تیرآهن تا حدود زیادی در تحمل بار آن نقش دارد. مثلا اینکه تیرآهن موردنظر به‌عنوان شاه‌تیر، تیرچه، تیر نعل درگاهی یا تیرهای لبه‌ای به‌کار گرفته شود، در تحمل بار سازه نقش دارد؛ به‌علاوه نحوه قرارگرفتن تیرآهن روی تکیه‌گاه و بارگذاری آن نیز از فاکتورهای مهم در محاسبه تحمل بار تیرآهن به حساب می‌آید. به‌طور مثال: میزان تحمل بار تیرهای اصلی و فرعی با هم فرق دارد. با محاسبات دقیق و قراردادن تعداد مناسب از تیر در محل مناسب، می‌توان به‌راحتی از بروز آسیب‌های ناشی از بارهای وارده به ساختمان جلوگیری کرد.

• ضد زنگ بودن یا نبودن تیرآهن

اینکه تیرآهن موردنظر ضدزنگ است یا نه، نقش مهمی در مقاومت آن دارد. در واقع، تیرآهن ضد زنگ بار بیشتری را برای مدت‌زمان طولانی‌تر تحمل می‌کند؛ به‌ویژه تیرآهن‌هایی که با استفاده از رنگ‌های ضد اکسیداسیون پوشانده می‌شوند، ماندگاری قابل توجهی دارند.

روش محاسبه مهندسی تحمل بار تیرآهن

برای محاسبه مهندسی تحمل بار تیرآهن روش‌های مختلفی وجود دارد. اما رایج‌ترین و دقیق‌ترین این روش‌ها عبارتند از:

• جدول تحمل بار تیرآهن‌ها: خوشبختانه جداول دقیق و بسیار کاربردی وجود دارد که در آن تحمل بار انواع تیرها ارائه شده است.
• جدول اشتال تیرآهن: این جدول شامل کلیه اطلاعات فنی درباره تیرآهن است. اعداد و ارقام موجود در این جدول همگی دقیق و طبق استانداردهای بین‌المللی است. بنابراین شما می‌توانید با کمک گرفتن از جدول اشتال تیرآهن، از ایجاد خطاهای محاسباتی جلوگیری کرده و دقت نتایج را بالا ببرید.
• استفاده از فرمول محاسبه تحمل بار تیرآهن موجود در کتاب‌های مقررات ملی ساختمان: بر طبق استاندارد ملی ایران، فرمولی برای محاسبه دقیق تحمل بار تیرآهن وجود دارد. بر اساس این فرمول و با استفاده از ابعاد و اندازه‌های دقیق تیرها، محاسبه تحمل بار نهایی آن بسیار راحت است.

برای محاسبه وزن و سطح مقطع تیرآهن‌ها می‌توان از جدول اشتال و فرمول‌های مربوطه استفاده کرد. به عنوان مثال، فرمول محاسبه سطح مقطع تیرآهن I به صورت:

A = 2Bh + Hb

بیان می‌شود. با استفاده از این اطلاعات و جداول، مهندسان می‌توانند به راحتی محاسبات را انجام دهند.

مفهوم تنش و خستگی در محاسبه تحمل بار تیرآهن

تنش و خستگی در بارهای ثابت و غیر متغیر برای شدت نیرو؛ نیرو بر واحد سطح به‌کار می‌رود. همچنین به نقش‌های حاصل از نیروهای متغیر و متناوب، خستگی می‌گویند.

انواع تیرآهن

تیرآهن‌ها در انواع مختلفی تولید می‌شوند که هر یک ویژگی‌های خاص خود را دارند. به عنوان مثال:

• IPE: تیرآهن‌های نیمه‌پهن با ضخامت ثابت بال.
• INP: تیرآهن‌های با ضخامت متغیر که در روسیه و چین تولید می‌شوند.
• IPB: تیرآهن‌ هاش (H) با بال‌های پهن و مستحکم.
• CPE: تیرآهن‌ لانه زنبوری که از برش و جوش تیرآهن‌های دیگر ساخته می‌شوند.

تحمل بار در تیرآهن‌های مختلف

برای اینکه تسلط بیشتری بر روی موضوع تحمل بار تیرها داشته باشید، انواع این محصولات را با یکدیگر مقایسه کرده‌ایم:

• تحمل بار تیرآهن ۱۲

بخش‌هایی از سازه مانند پوشش سقف یا ستون‌های داخلی که فشار زیادی را تحمل نمی‌کنند، توسط این نوع تیر ساخته می‌شوند. وزن یک شاخه تیرآهن ۱۲ IPE حدود ۱۲۵ کیلوگرم است. تیر ۱۲ که بیشتر در نوع IPE تولید می‌شود، در دسته تیرهای سبک قرار می‌گیرد.

• تحمل بار تیرآهن ۱۴

برای اجرای پوشش سقف و تیرهای فرعی و همچنین ستون اصلی در سازه‌های کوچک و متوسط از این محصول استفاده می‌شود؛ چراکه تحمل بار تیرآهن ۱۴ به‌دلیل وزن بیشتری که نسبت به تیرآهن ۱۲ دارد، بالاتر است. وزن هر شاخه از این تیر در استاندارد IPE تقریبا ۱۵۵، در تیرآهن هاش سبک تقریبا ۲۹۶ و در هاش سنگین تقریبا ۴۰۴ کیلوگرم است.

• تحمل بار تیرآهن ۱۶

تیرآهن ۱۶ معمولاً در ستون‌های اصلی و تیرهای باربر سازه‌های بزرگ استفاده می‌شود و دارای وزن و مقاومت بالایی است. برای اجرای ستون‌های اصلی از این نوع تیر استفاده می‌شود؛ چراکه این محصول در دسته محصولات سنگین قرار می‌گیرد. وزن هر شاخه از این تیر در استاندارد IPE تقریبا ۱۹۰، در هاش سبک تقریبا ۳۶۵ و  در هاش سنگین تقریبا  ۵۱۱ کیلوگرم است.

• تحمل بار تیرآهن ۱۸

تیرآهن ۱۸ که یکی از سنگین‌ترین نوع تیرآهن‌هاست، برای سازه‌های مرتفع به کار می‌رود. وزن این تیرآهن‌ها به ترتیب 190 و 226 کیلوگرم است. برای احداث سازه‌های مرتفع از این تیر استفاده می‌شود. به این دلیل که محصول یکی از سنگین‌ترین تیرهای ساختمانی است. وزن هر شاخه تیرآهن ۱۸ استاندارد IPE تقریبا ۲۲۶ کیلوگرم، هر شاخه تیرآهن ۱۸ هاش سبک تقریبا ۴۲۶ کیلوگرم و هر شاخه تیرآهن ۱۸ هاش سنگین تقریبا ۶۱۶ کیلوگرم است.

برای انتخاب تیرآهن مناسب، مهندسان باید به چند نکته توجه کنند: ابتدا، شرایط ویژه پروژه را بررسی کنند؛ سپس، با توجه به بارهای وارده و نوع سازه، تیرآهن مناسب را انتخاب کنند. همچنین، همکاری با پیمانکاران متخصص و باتجربه می‌تواند به موفقیت پروژه کمک کند.

آموزش کارگران در استفاده و نصب تیرآهن‌ها باید به صورت منظم و جامع انجام شود. کارگران باید با نکات ایمنی و نحوه استفاده از تجهیزات آشنا شوند. برگزاری دوره‌های آموزشی و کارگاه‌های عملی می‌تواند به افزایش آگاهی و مهارت‌های کارگران کمک کند.

جمع‌بندی

در پایان، تأکید بر اهمیت محاسبات دقیق و انتخاب صحیح تیرآهن، به عنوان یک عامل کلیدی در امنیت و سلامت سازه‌ها ضروری است. نادیده گرفتن این محاسبات می‌تواند عواقب جدی به همراه داشته باشد. به همین دلیل، توصیه می‌شود که تمامی محاسبات با دقت و دانش کافی انجام شود.

محاسبه مهندسی تحمل بار تیرآهن با استفاده از اطلاعات دقیق مربوط به اندازه و ابعاد این محصول قابل انجام است. اطلاعات فیزیکی تیرها در جدول اشتال موجود است و می‌توان به‌راحتی از آن استفاده کرد. همچنین جداولی وجود دارد که در آن تحمل بار تیرآهن‌های مختلف به‌طور دقیق عنوان شده است. همچنین در کتاب‌های مقررات ساختمان‌سازی در ایران، فرمولی برای محاسبه این مقدار معرفی شده است.

در تحمل بار تیرها عوامل مختلفی وجود دارد که سایز مهم‌ترین آن است. همچنین کیفیت و استانداردهای ساخت، تعداد و محل قرارگیری در سازه، مواد اولیه، ضد زنگ بودن یا نبودن و همچنین نقشی که قرار است در سازه داشته باشد، از جمله این عوامل است. دقت داشته باشید که محاسبات تحمل بار به‌طور مستقیم با سلامت سازه و امنیت کاربران آن ارتباط دارد.

بنابراین خیلی مهم است که این محاسبات با دانش کافی و دقت زیاد انجام شود. پس توصیه می‌کنیم قبل از انجام هرگونه محاسبه، اطلاعات بالا را بادقت بخوانید و از آن به درستی استفاده کنید.

شما می‌توانید برای خرید انواع تیرآهن با قیمت مناسب به مقاله "راهنمای خرید تیرآهن" در سایت ما مراجعه کنید و سپس به خرید تیرآهن از شرکت مهدفولاد بپردازید.