تیرآهن لانه زنبوری چیست و چه کاربردی دارد؟

امروزه سازه‌های فولادی با تغییرات بسیاری روبه‌رو شده‌اند که یکی از مهم‌ترین این تغییرات در سال‌های اخیر، استفاده از تیرآهن لانه زنبوری است. از این تیرها به‌عنوان تیرهای فرعی سقف و همچنین تیر اصلی استفاده می‌شود.

در کشور ما کاربرد تیرآهن لانه زنبوری در سازه‌ها بسیار زیاد است. همچنین سال‌هاست که از این تیرها در کشورهای اروپایی و ایالات متحده آمریکا به‌عنوان اعضای سازه استفاده می‌شود. تولید تیرآهن لانه زنبوری به سال 1940 مربوط می‌شود. فلسفه ایجاد این تیرآهن آن است که با افزایش ارتفاع تیرآهن، بدون مصرف مصالح اضافی، قدرت خمشی مقطع (ممان اینرسی دورانی) افزایش پیدا کند. در ادامه این مقاله با معرفی بیشتر این تیرآهن با مهدفولاد همراه شوید.

تیرآهن لانه زنبوری چیست؟

تیرآهن‌ها دارای انواع مختلفی هستند که بر اساس شکل به 4 دسته تیرآهن معمولی، تیرآهن اروپایی، تیرآهن هاش و تیرآهن لانه زنبوری (CNP) تقسیم می‌شوند. تیرآهن‌های لانه زنبوری حفره‌های توخالی دارند که در مقطع جان خود بوده و به همین دلیل وزن پایین‌تری نسبت به تیرآهن‌های معمولی دارند.

تیرآهن لانه زنبوری در مقایسه با تیرآهن معمولی، با وزنی برابر دارای استحکام، مقاومت خمشی، مقاومت اینرسی و انعطاف بالاتری است. به همین علت در قسمت‌هایی از ساختمان که وجود حفره تیرآهن لانه زنبوری با مشکلی روبه‌رو نباشد، استفاده از آن توصیه می‌شود.

این تیرآهن به دلیل آنکه دارای حفره‌های توخالی شبیه به لانه زنبور است، تیرآهن لانه زنبوری نام‌گذاری شده است. برای تولید این تیرآهن از فرایند نورد استفاده می‌شود. نورد یا Rolling به فرآیندی گفته می‌شود که در آن فلزی که به دمای موم‌سانی (نرم‌شوندگی) خود رسیده است، از میان غلتک‌های گوناگون عبور داده می‌شود و تحت فشار شکل خروجی غلتک‌ها را به خود می‌گیرد.

برای ساخت و برش دادن تیرآهن لانه زنبوری از دو روش زیر استفاده می‌شود:

• روش سرد یا کوپال

در این روش شش ضلعی‌های ترسیم‌شده بر روی جان تیرآهن، با استفاده از گیوتین برش خورده و به این صورت تیرآهن لانه زنبوری تولید می‌شود.

• روش گرم یا نوبل

در روش گرم در ابتدا با ایجاد خال، جوش و خطوط ترسیم‌شده بر جان تیرآهن، محل برش را مشخص می‌کنند. سپس قسمت بالا و پایین محصول به میزان یک دندانه جابجا می‌شود و با قرار گرفتن لبه‌ها بر روی هم این شش ضلعی ایجاد می‌گردد. در آخر نیز برای تقویت آن، حفره‌ها با ورق پر می‌شود. با توجه به اینکه این روش تولید تیرآهن لانه زنبوری اقتصادی‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر است، به همین دلیل هم در میان تولیدکنندگان پرطرفدارتر است.

هر کدام از مشخصاتی که این تیرآهن دارد با حروف انگلیسی مشخص می‌شود که به شرح زیر است:

 کاربرد تیرآهن لانه زنبوری

فلسفه اصلی تولید تیر لانه زنبوری اصولا برای بالا گشتاور اینرسی و مدول مقطع تیر و در نتیجه بالابردن ظرفیت تحمل گشتاور در مقایسه با تیر نوردشده اصلی است. در زمان‌ها و مکان‌هایی که تیر اصلی وجود ندارد یا صرفه اقتصادی ندارد، استفاده از تیر لانه زنبوری مطرح می‌شود. برای مثال: از یک تیر نمره 16 با برش دادن و ساختن تیر لانه زنبوری و اعمال تقویت‌های لازم می‌توان جایگزینی برای تیر نمره 20-18 یا حتی نمره 22 به وجود آورد.

علاوه‌بر این، ساخت تیرهای لانه زنبوری موجب افزایش ارتفاع نیم‌رخ و در نتیجه افزایش حدود 50% ظرفیت خمشی و کاهش حدود 50% از خیز تیر می‌شود. از سوراخ‌های داخل تیر هم می‌توان برای عبور تأسیسات ساختمانی استفاده کرد.

در حال حاضر در کشور ما از تیرهای لانه زنبوری به‌صورت گسترده‌ای برای تیرهای فرعی سقف و تیرهای اصلی که تنها وظیفه حمل بارهای ثقلی را دارند، استفاده می‌شود. همچنین، برخلاف عدم وجود اطلاعات کافی در ارتباط با قاب‌های برش‌گیر ساخته شده یا تیرهای لانه زنبوری، تعداد زیادی از قاب‌های خمشی با استفاده از این تیرها ساخته می‌شوند.

استفاده زیاد از این تیرها یک دلیل دیگر نیز دارد و آن اقتصادی بودن هزینه آن‌ها است که به‌خصوص در شرایط فعلی کشور گزینه بهتری است. این به معنای آن است که اضافه هزینه ساخت این گونه تیرها (هزینه برش، مونتاژ و جوشکاری) کمتر از ارزش فولاد صرفه‌جویی شده در اثر استفاده از تیرهای لانه زنبوری است.

کاربرد تیرهای لانه زنبوری را می‌توان در موارد زیر خلاصه کرد:

• ساخت سقف، پارکینگ، راه‌‌پله و پل‌سازی
• استفاده در دهانه‌های مهاربندی‌نشده
• تیرهای فرعی که دو سر آن‌ها مفصلی باشد
• طراحی قاب‌های خمشی
• تیرهای قاب‌های لنگرگیر و مهاربندی‌شده
• تیرهای با مقاطع ظاهری یکنواخت یا متغیر در قاب‌های صفحه‌ای دارای تیرهای شیب‌دار
• تیرهای شبکه‌های تک‌لایه فضاکار
• تیرچه‌ها و تیرهای مختلط در بتن
• تیرهای طولی یا عرضی عرشه پل‌ها
• اعضا فشاری (ستون‌ها) و اعضا فشاری-خمشی (تیر-ستون‌ها)
• تیرهای ماشین‌آلات ساختمانی

 مزایای تیرآهن لانه زنبوری

استفاده تیرآهن لانه زنبوری دارای فوایدی به شرح زیر است:

• مدول مقطع و ممان اینرسی مقطع تیر افزایش پیدا می‌کند.
• مقاومت خمشی تیر بیشتر می‌شود.
• با کم‌شدن وزن مصالح و سبک‌بودن تیر، از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌تر خواهد بود.
• می‌توان از فضاهای ایجادشده در جان تیر، لوله‌های تأسیساتی و برق را عبور داد.

 معایب تیرآهن لانه زنبوری

از جمله معایب تیرآهن لانه زنبوری به موارد زیر می‌توان اشاره کرد:

• پایین آمدن ظرفیت برشی تیر در محل تکیه‌گاه پل به ستون که برای جبران این مشکل اقدام به پرکردن و جوشکاری دو یا سه حفره نزدیک تکیه‌گاه تیر می‌کنند یا آنکه با قراردادن ورق مستطیلی روی دو یا سه حفره نزدیک تکیه‌گاه و جوشکاری آن این مشکل برطرف می‌شود.
• نیازمندی به نیروی کارگر حرفه‌ای برای ساخت تیر لانه زنبوری با رعایت استاندارد به‌صورت کامل؛ زیرا در صورت رعایت‌نشدن استاندارد، احتمال خرابی تیر زیر بار وجود دارد.

 انواع تیرهای لانه زنبوری از نظر هندسی

تیرهای لانه زنبوری از نظر هندسی و ابعاد خط برش (هندسه حفره‌ها) به دو نوع دسته‌بندی می‌شوند:

تیر لانه زنبوری حاصل از روش پانیر: روش برش پانیر از متداول‌ترین اشکال برش تیر لانه زنبوری است. در این روش ارتفاع تیر لانه زنبوری 1.5 برابر تیر l شکل معمولی است.

تیر لانه زنبوری حاصل از روش لیتسکا: در هر دو این روش‌ها می‌توان قطعات ورق مربع یا مستطیل‌شکل را در روی دندانه‌ها جوش داد که موجب افزایش ظرفیت خمش تیر خواهد شد. در این نوع تیرها باید دقت بسیاری در جوشکاری انجام شود.

اگر خط برش در تیرها به‌صورت مایل اجرا شود، تیر به‌دست آمده، تیر لانه زنبوری با ارتفاع متغیر خواهد بود.

 دلایل لانه زنبوری کردن تیرها چیست؟

این سوال بسیاری از افراد است که چرا تیرآهن‌ها را لانه زنبوری می‌کنند؟ در زیر به دلایل این موضوع اشاره کردیم:

افزایش مقاومت و دوام تیرآهن

از مهم‌ترین ویژگی‌هایی که تیرآهن لانه زنبوری دارد، سختی تیر است؛ بدون آنکه تغییری در وزن ماده ایجاد شود. در واقع، مقاومت بالا و افزایش دوام این محصول موجب می‌شود که در برابر عوامل مختلف و لرزش‌های معمول، بتواند عمر بیشتری داشته باشد و مدت‌زمان طولانی‌تری هم بتوان از آن‌ها در سازه‌های مختلف استفاده کرد.

 تطبیق پذیری تیرآهن لانه زنبوری

تیرآهن لانه زنبوری با سازه‌های مختلف تطبیق‌پذیری بالایی دارد و با توجه به اینکه این محصول در اشکال مختلفی تولید و ساخته می‌شود، تطبیق بسیار زیادی در پروژه‌های ساختمانی مانند پارکینگ‌های چندطبقه و پل‌ها دارد.

وزن سبک تیرآهن لانه زنبوری

وزن سبک این تیرآهن از جمله عواملی است که به ساخت بیشتر آن و محبوبیت بالاتر منجر شده است. بسیاری از شرکت‌ها به دنبال آن هستند که از تیرآهن کمتری استفاده کنند و به همین دلیل تیرآهن لانه زنبوری با ساختار خاص و کمترین میزان فلز استفاده‌شده در آن، در کنار سبک بودن، مقاومت و پایداری بالایی نیز دارد.

اقتصادی بودن تیرآهن لانه زنبوری

دلیل دیگر ساخت و تولید این نوع تیرآهن آن است که برای بسیاری از سازه‌ها هزینه کمتری در مقایسه با دیگر محصولات دارد.

محدودیت‌های استفاده از تیرآهن لانه زنبوری

با وجود ویژگی‌های مثبتی که این تیرآهن دارد و استفاده زیادی که از آن در سازه‌های مختلف می‌شود، اما به دلیل ویژگی‌های خاص آن در موارد زیر نمی‌توان از این محصول استفاده کرد:

• در تیرهای پل دوسر مفصل که نیاز است تیرهای فرعی با برش‌های زیاد روی جان آن قرار بگیرد، نمی‌توان از تیر لانه زنبوری استفاده کرد.
• برای اعضای باربر جانبی در قاب‌های خمشی معمولی، متوسط و ویژه نمی‌توان از تیرآهن‌های لانه زنبوری استفاده کرد.
• نمی‌توان تیرآهن لانه زنبوری را به‌عنوان تیرهای دهانه‌های مهاربندی‌شده همگرای معمولی، ویژه و واگرا به‌کار برد.

روش‌های تقویت تیرآهن لانه زنبوری

برای تقویت تیرآهن‌های لانه زنبوری و رفع مشکلاتی که دارند، می‌توان از روش‌های زیر کمک گرفت:

 تقویت تیرآهن زنبوری با استفاده از ورق

گاهی اوقات در کنار تنش‌های اصلی، ممکن است تنش‌های خمشی در تیرآهن زنبوری ایجاد شود. این تنش‌ها موجب می‌شود تا کارایی تیر کمتر شود. برای جلوگیری از این اتفاق، بهترین روش آن است که حلقه‌های کناری تیر که دچار تنش خمشی  هستند، با ورق پُر شوند؛ به‌ویژه زمانی‌که از این تیرها به‌صورت یکسره استفاده می‌شود.

تقویت تیرآهن زنبوری با استفاده از بتن و فولاد

در قسمت تیکه‌گاه تیرآهن زنبوری، نیروی برشی و همچنین لنگر خمشی بسیار است؛ به همین دلیل، تنش‌های خمشی به‌شدت افزایش پیدا می‌کند. در این زمان‌ها از نظر اقتصادی به‌صرفه است که محل‌هایی که دچار تنش شده‌اند با استفاده از بتن پر شود. این کار سختی و مقاومت تیر را  بیشتر کرده و در هزینه‌ها نیز صرفه‌جویی می‌کند.

 قیمت تیرآهن لانه زنبوری

قیمت تیرآهن چه از نوع لانه زنبوری یا دیگر انواع آن به پارامترهای مختلفی مانند ضخامت، طول محصول و برند تولیدکننده بستگی دارد. از طرفی دیگر عواملی مانند نرخ ارز، نسبت عرضه و تقاضا، قیمت جهانی فولاد و حتی سیاست‌های اقتصادی داخلی و بین‌المللی هم بر قیمت آهن و مقاطع فولادی مؤثر است.

جمع بندی

• از تیرآهن لانه زنبوری در سازه‌های بسیاری استفاده می‌شود؛ اما استفاده از این تیرها در کشورهای اروپایی و ایالات متحده امریکا به‌عنوان اعضای سازه سال‌ها است که موردتوجه قرار گرفته است.
• تیرآهن‌ها دارای انواع مختلفی هستند که بر اساس شکل به 4 دسته تیرآهن معمولی، تیرآهن اروپایی، تیرآهن هاش و تیرآهن لانه زنبوری (CNP) تقسیم می‌شوند. تیرآهن لانه زنبوری دارای حفره‌های توخالی است که در مقطع جان خود بوده و به همین دلیل وزن پایین‌تری نسبت به تیرآهن‌های معمولی دارد.
• تولید این تیرآهن‌های پرکاربرد ساختمانی یک فلسفه دارد. فلسفه تولید تیر لانه زنبوری اصولا برای بالا گشتاور اینرسی و مدول مقطع تیر و در نتیجه بالابردن ظرفیت تحمل گشتاور در مقایسه با تیر نوردشده اصلی است.
• استفاده زیاد از این تیرها دلیل مهم دیگری هم دارد که آن اقتصادی‌بودن هزینه آن‌ها است؛ به‌خصوص در شرایط فعلی کشور گزینه بهتری است. این به معنای آن است که اضافه هزینه ساخت این‌گونه تیرها (هزینه برش، مونتاژ و جوشکاری) کمتر از ارزش فولاد صرفه‌جویی شده در اثر استفاده از تیرهای لانه زنبوری است.