سازه خرپا

خرپا چیست؟

خرپا ساختاری است که شامل مجموعه ای از عناصر سازه ای است که در اتصالات یا گره های پین به هم متصل شده اند.

پوشاندن مسافت های نسبتا طولانی یک چالش رایج در مهندسی و معماری است.

طراحی سازه‌ای برای حمایت و ایمنی خود و مقاومت در برابر نیروهای فعالیت‌های انسانی و مادر طبیعت چالش‌برانگیزتر است زیرا انسان‌ها به پیشبرد فن‌آوری ساخت‌وساز به طول‌ها (و ارتفاعات) جدید – طراحی سازه‌های بلندتر و گسترده‌تر ادامه می‌دهند. خرپاها اغلب راه حلی برای این چالش های ساختاری بلندتر و بزرگتر هستند.

مزیت خرپا این است که اعضا عمدتاً بار محوری دارند. این بدان معنی است که آنها یا در فشار، کشش یا بدون نیروی هستند، به اصطلاح اعضای نیروی صفر هستند.

این باعث می شود خرپاها یک فرم ساختاری بسیار کارآمد باشند.

استفاده از خرپا در ساختمان

خرپاها در طیف وسیعی از ساختمان‌ها استفاده می‌شوند، عمدتاً در جایی که نیاز به دهانه‌های بسیار طولانی وجود دارد، مانند ترمینال‌های فرودگاه، آویز هواپیما، سقف ورزشگاه‌های ورزشی، سالن‌ها و سایر ساختمان‌های تفریحی.

خرپاها همچنین برای حمل بارهای سنگین استفاده می شوند و گاهی اوقات به عنوان سازه های انتقال استفاده می شوند.

خرپاها به طور گسترده برای انجام دو عملکرد اصلی استفاده می‌شوند:

برای حمل بار سقف

برای ایجاد ثبات افقی

انواع خرپا

ساده

ساده ترین خرپا دو بعدی است و شامل سه عضو محوری است که به شکل یک مثلث منفرد است که ممکن است در سقف قاب بندی شده متشکل از تیرچه و تیرچه سقفی یافت شود.

مرکب

خرپا مرکب ساختاری متشکل از دو یا چند خرپا ساده است که برای تشکیل یک بدنه سفت و سخت (با یک مفصل مشترک و/یا اعضای اضافی) به هم متصل شده اند.

پیچیده

خرپایی که نمی توان آن را به عنوان خرپا ساده یا خرپای مرکب دسته بندی کرد، خرپا پیچیده محسوب می شود. خرپاهای پیچیده اغلب دارای اعضای همپوشانی/متقاطع هستند که در یک مفصل به هم متصل نمی شوند.

روش دیگر برای طبقه بندی خرپاها (غیر از ساده، مرکب یا پیچیده) این است که خرپا دو بعدی (مسطح) یا سه بعدی (یک قاب فضایی)دسته بندی کنیم.

مسطح

خرپاهای ساده، مرکب و پیچیده هر کدام نوعی از خرپاهای مسطح هستند. خرپا مسطح یک خرپا دو بعدی است – یعنی همه اعضای خرپا همسطح هستند و بنابراین روی یک سطح صاف می افتند – و در برابر بارهای وارد شده در آن صفحه مقاومت می کنند.

خرپاهای مسطح در ساخت و سازهای مدرن رایج هستند.

اغلب از دو یا چند خرپا مسطح به صورت موازی برای حمل بارهای اعمال شده در یک منطقه بزرگ (مانند کف، سقف و عرشه پل) استفاده می شود.

فضایی

خرپا فضایی یک ساختار سه بعدی است که از اعضای محوری خطی تشکیل شده است که در یک الگوی هندسی مرتب شده اند و در اتصالات پین به هم وصل شده اند.

فرم های خرپا

طیف گسترده ای از فرم های خرپا وجود دارد که می توان آنها را ایجاد کرد که در مواد، هندسه کلی و دهانه متفاوت است.

برخی از رایج ترین اشکال در زیر توضیح داده شده است.

پرات

خرپا پرات (برای اولین بار توسط توماس پرات در سال ۱۸۴۴ پیشنهاد شد) یکی از رایج ترین اشکال خرپا است و از اعضای عمودی و مورب تشکیل شده است که شکل یا الگوی ‘N’ را تشکیل می دهند.

اعضای مورب طوری چیده شده اند که فقط نیروهای کششی ایجاد می کنند. به این ترتیب، آنها را می توان به گونه ای طراحی کرد که فقط در برابر کشش محوری مقاومت کنند و نیازی به تحلیل کمانش فشاری نباشد.

اعضای عمودی در یک خرپا پرات نیروهای فشاری را ایجاد می کنند. این بدان معنی است که آنها معمولاً قوی تر هستند و قادر به مقاومت در برابر کمانش هستند.

مزایای Pratt

آگاه از رفتار اعضا – اعضای مورب در کشش و اعضای عمودی در فشار هستند

از موارد فوق می توان برای طراحی یک سازه مقرون به صرفه استفاده کرد

طراحی ساده

طراحی به خوبی پذیرفته شده و مورد استفاده قرار گرفته است

معایب Pratt

اگر بار عمودی نباشد چندان سودمند نیست

بهترین استفاده برای:

جایی که نیاز به طراحی مقرون به صرفه است

جایی که ترکیبی از بارها اعمال می شود

جایی که یک ساختار ساده مورد نیاز است

هاوی

خرپای هاوی ۴ سال قبل از خرپا پرات است و توسط ویلیام هاو در سال ۱۸۴۰ پیشنهاد شد.

خرپاهای هاوی اساساً از نظر هندسی برعکس خرپاهای پرت هستند.

در واقع، نگاه کردن به یک خرپا پرت به صورت وارونه، نوعی خرپای هاو را تجسم می کند. کل ساختار هنوز نسبتاً یکسان است، اما مهاربندهای مورب اکنون مخالف یا مفاصل خالی را اشغال می کنند.

این کلید در موقعیت اعضای مورب از نظر ساختاری تأثیر بسیار مهمی دارد.

وارن

خرپا وارن یکی دیگر از سیستم های سازه خرپایی بسیار محبوب است و به راحتی با ساخت آن از مثلث های متساوی الاضلاع شناخته می شود.

یکی از مزایای اصلی خرپاوارن توانایی آن در پخش یکنواخت بار بین تعدادی از اعضای مختلف است.

این معمولاً برای مواردی است که سازه تحت یک بار دهانه (بار توزیع شده) قرار می گیرد.

مزیت اصلی آن نیز علت عیب آن است – ساختار خرپا تحت یک بار نقطه ای تحت نیروی متمرکز قرار می گیرد. در این سناریوهای بار متمرکز، سازه در توزیع یکنواخت بار در بین اعضای خود خوب نیست.

بنابراین نوع خرپا وارن برای بارهای دهانه دار سودمندتر است، اما در جایی که بار در یک نقطه یا گره متمرکز است مناسب نیست.

جیمز وارن خرپای وارن خود را در سال ۱۸۴۸ پیشنهاد داد.

مزایای Warren

بار را به طور نسبتاً مساوی بین اعضا پخش می کند

طراحی نسبتا ساده

معایب خرپا Warren

عملکرد ضعیف تر تحت بارهای متمرکز

افزایش قابلیت ساخت به دلیل اعضای اضافی

بهترین استفاده برای:

سازه های دهانه بلند

جایی که قرار است یک بار توزیع شده یکنواخت پشتیبانی شود

جایی که یک ساختار ساده مورد نیاز است

کینگ پست

خرپاکینگ پست از صفحه صاف توسط صفحات اره و جک ساخته می شود، سپس توسط یک مفصل افسار یا مفصل تنون به تیر اتصال می پیوندد در حالی که اتصالات مورد نظر به منظور اتصال اجزا ساخته می شود.

این مفاصل توسط یک تسمه آهنی محکم وسفت می شوند، دو پایه به وسیله یک مفصل مایل و تنون به تیر اصلی ثابت می شوند.

پایه کینگ توسط مفصل تنون در لبه بالایی تیر تانن ثابت می‌شود، در حالی که سر پایه‌های شاه‌پایه توسط مفاصل خرطومی و تنون در انتهای تیرک اصلی به هم متصل می‌شوند.

این اتصالات با کمک یک تسمه فولادی ملایم سه طرفه در هر طرف محکم تر ثابت می شوند و پرلین ها در زوایای قائم به تیرهای اصلی متصل شده از طریق اتصالات دندانه دار و گیره ها قرار می گیرند.

کوین پست

خرپا پست ملکه معمولاً یک قائم عمودی با دو مثلث در دو طرف است.
اینها دیگر معمولاً مورد استفاده قرار نمی گیرند زیرا خرپا Fink جایگزین آنها شده است.

فینک

خرپا فینک یک نوع خرپا سقفی بسیار رایج با شکل W بین وترها است. این یک شکل بسیار ساده اما کارآمد است و می تواند در تمام انواع پروژه ها استفاده شود.

گامبرل

در نمای بیرونی، یک خرپا گامبرل دارای دو شیب مختلف است که در آن شیب از مرکز تندتر می شود.

با توجه به شکل بیرون زده، خرپاهای گامبرل می توانند برای نصب یک مرکز توخالی موثر باشند که می تواند به عنوان فضای ذخیره سازی استفاده شود. به این ترتیب، بخش بالایی یک انبار معمولاً به شکل یک قمر است. در مورد انبار، از آنجایی که اعضا معمولاً با چوب ساخته می شوند، سازه بیشتر شبیه یک قاب است تا خرپا.

Vierendeel

انواع خرپاهای رایج که در بالا مورد بحث قرار گرفت، تنوع زیادی دارد. با این حال، یک خرپا خاص که قابل ذکر است و تفاوت قابل توجهی دارد خرپای Vierendeel است.

این نوع خرپا از نظر نحوه انتقال نیرو تفاوت اساسی دارد.

یکی از ویژگی‌های مشترک همه خرپاهای متصل به پین این است که از اشکال مثلثی تشکیل شده‌اند. این توسط اتصالات پین آنها که هیچ مقاومتی در برابر چرخش ایجاد نمی کنند، دیکته می شود.

با این حال، یک خرپا Vierendeel دارای “بازشوهای” مستطیلی یا مربعی است. این با این واقعیت امکان پذیر می شود که همه اعضا به طور صلب به هم متصل شده اند.

در نتیجه اعضایی که یک خرپا Vierendeel را تشکیل می دهند، هم نیروهای محوری و هم گشتاورهای خمشی را توسعه می دهند.

Vierendeel به دلیل نیاز به مقاومت در برابر تنش های محوری و معمولی ناشی از خمش، معمولاً سازه های بسیار قابل توجهی خواهند بود. مزیت ارائه شده توسط Vierendeel افزایش سفتی آن (همراه با هزینه مواد بالاتر) و این واقعیت است که حفره ها مستطیلی هستند.

این ویژگی دوم اغلب این نوع خرپا را به یک نامزد مناسب در سازه‌های ساختمانی تبدیل می‌کند، جایی که یک خرپا مثلثی می‌تواند منجر به انسداد در و پنجره شود.

ثبت نظرات