تیر آهن

آهن چیست

آهن چهارمین عنصر مهم در پوسته زمین شناخته شده ویکی از عوامل و عناصر سازنده هسته بیرونی و درونی زمین می باشد که آن را با نماد شیمیایی Fe و با عدد اتمی ۲۶ در جدول تناوبی نشان می دهند.

آهن و آلیاژ های آن جزو دسته پر کاربیردترین و رایج ترین فلزات نام برده می شود که دارای سطوحی صاف و نقره ای براق به رنگ خاکسری می باشد اما وقتی که در هوا با اکسیژن ترکیب شود به رنگ قرمز یا قهوه ای  نمایان می شود.

آهن خالص از جنس فلز می باشد اما با وجود اکسیژن و رطوبت که در آن ترکیب می شود اکسیده شده و کمتر می توان به شکل فلز یا آهن خالص بر روی کره زمین آن را مشاهده کرد به همین دلیل برای دست یافتن به فلز آهن توسط روشی به نام کاهش شیمیایی، اکسیژن نهفته در سنگ معدن را از بین می برند و به این صورت فلز آهن پدید می آید.

پیدایش:

آهن از سنگ معدن هماتیک که آن را با نماد Fe2ofنشان می دهند ، تولید می گردد.این فلز آهن توسط کوره های بزرگی با دمایی بالا تر از ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد به وسیله روش کاهش با کربن جدا شده و فلز آهن استخراج می شود.

استخراج سنگ معدن آهن به طور کلی در ۴۸ کشور انجام می شود که کشورهایی همچون چین ، برزیل ، استرالیا ، روسیه ، هند  پنج  کشوری هستند که ۷۰ در صد سنگ آهن جهان را استخراج و تولید می کنند.

آهن ششمین عنصر از نطر فراوانی در جهان است ولی در پوسته زمین از نظر فراوانی رده چهارم را در اختیار دارد.دانشمندان بر این باورد که هسته زمین در حد زیادی از آلیاژ آهن – نیکل تشکیل شده است که با این عنوان ۳۵ در صد جرم کل زمین را تشکیل می دهدبنابراین آهن به این دلایل جزو فراوان ترین عنصر روی زمین شناخته شده و در بین فلزات نیز ،۹۵ در صد فلز تولید آهن می باشد.

با استفاده از خواص آهن و کاربرد فلزات دیگر و ترکیب آنها می توانیم به فولاد دست پیدا کنیم.

دگرکونی ها:

آهن شاید بهترین مثال شناخته شده از دگرگونی ها در یک فلز باشد. که به سه فرم چند شکلی وجود دارد که به نام های آلوتروپ ، استنیت و فریت نام گذاری شده اند.

به این طریق می توان این نام گذاری را شرح داد : همان گونه که آهن ذوب شده آهسته آهسته سرد می شود در دمای ۱۵۳۸ درجه سانتی گراد به آلوتروپ کریستالیزه می شود که به نام آهن دلتا نیز شناخته شده و  دارای ساختمان کریستالی مکعبی مرکزی است.

در حین سرد شدن بیشتر ساختمان کریستالی در دمای ۱۳۹۴ درجه سانتی گراد به مکعبی وجه مرکزی تغییر می یابد که این شکل آهن استنیت یا آهن گاما نام گذاری شده  و در دمای ۹۱۲ درجه سانتی گراد ساختمان بلوری یا کریستالی دوباره مکعبی شده که این دگرگونی را فریت یا آهن آلفا نامیده می شود که از لحاظ بلورشناسی شباهت زیادی به آهن دلتا دارد.

کاربرد ها:

آهن رایج ترین و پرکاربردترین فلز در جهان شناخته شده است چرا که ۹۵ در صد فلزات تولید شده در جهان را آهن تشکیل می دهد این به گونه ایست که آهن با مقاومت بالایی که بر خورد دار بوده بیت فلزات جزو ارزان ترین نیز می باشد و همواره در اسکلت ساختمان ها ، بدنه اتومبیل ها و بدنه کشتی های بزرگ و … مورد استفاده قرار گرفته است.

تیرآهن یکی از رایجترین و پرکاربرد ترین مقاطع است که همواره در صنعت ساختمان سازی و صنعتی به کارمی رود.

تیر آهن
تیر آهن یکی از اصلی و پرکاربرد ترین مقاطع فولادی مورد استفاده در ساختمان سازی است. تیر آهن در سه نوع کلی IPE (استاندارد اروپا و ایران) ، INP (استاندارد چین و روسیه) و IPB (بال پهن یا H) تولید می شود. کابرد تیرآهن در ساختمان سازی عموما برای ساخت قسمت هایی مانند ستون، خرپا، تیر سقف و پل های لانه زنبوری می باشد.

تیر آهن I تیر آهن های IPE و INP که در ایران معروف به تیرآهن I هستند، در ابعادی بین 8 تا 60 سانتی متر تولید می شود.

به طور معمول کارخانه های سازنده تیرآهن از دو نوع استاندارد پیروی می‌نمایند :

۱ – استاندارد IPE

محصولات کشورهای اروپایی و ایران بیشتر از این نوع می‌باشند. بارزترین مشخصه این نوع تیرآهن اینست که اگر از دو سر تیرآهن به آن بنگرید، ضخامت بال‌های آن در ابتدا و انتها کاملاً یکنواخت می‌باشد. به طور معمول نقشه ساختمان هایی که توسط مهندسین کشورمان تهیه می‌گردد بر اساس این استاندارد بوده و لذا این نوع تیرآهن از محبوبیت بیشتری در میان مشتریان برخوردار است.

۲ – استاندارد INP

تیرآهن هایی که بر اساس این استاندارد تهیه تولید می‌شوند بیشتر محصولات کشور چین و روسیه می‌باشند. مشخصه بارز آن ؛ نازکی بال‌ها در ابتدا و ضخیم شدن تدریجی آن در انتها می‌باشد، به طوری که اگر از سر تیرآهن به دقت به آن بنگرید شیب ملایمی را در ضخامت بال‌ها مشاهده خواهید نمود.

انواع تیرآهن‌های وارداتی موجود در بازار ایران در حال حاضر از هر دو نوع استاندارد در بازار ایران موجود می‌باشد. تیرآهن‌های IPE وارداتی بیشتر مربوط به کشورهای لهستان، اسپانیا، آلمان و همچنین کشور کره می‌باشد .

البته تیرآهن IPE کشور چین و روسیه نیز در بازار موجود است، ولی از آنجایی که این دو کشور از هر دو نوع استاندارد تیرآهن تولید نموده‌اند، لذا مصرف کنندگان محترم بعضی مواقع در تشخیص IPE یا INP بودن محصول این دو کشور دچار مشکل شده و بسیار پیش آمده که پس از خرید و تخلیه کالا در محل ساخت و یا بدتر از این، پس از نیمه ساخت متوجه شده‌اند که تیرآهن‌های مورد استفاده آن‌ها از نوع INP بوده است ، حال آنکه نقشه آن‌ها بر اساس IPE طراحی شده و دچار ضرر و زیان می‌گردند.

البته اگر نقشه در ابتدا بر اساس INP طراحی شده باشد عکس این قضیه نیز صدق می‌نماید.

مشخصه بارز تیرآهن‌های تولیدی ذوب آهن اصفهان آرم ESCO در یک طرف (بال) تیر آهن می‌باشد که به فاصله هر ۲ متر این آرم به صورت برجسته و حک شده قابل مشاهده است تیر آهن‌هایلانه زنبوری تعریف تیر آهن‌های لانه زنبوری دلیل نام‌گذاری تیر های لانه زنبوری شکل گیری این تیرها پس از عملیات (بریدن و دوباره جوش دادن ) و تکمیل پروفیل است .

این‌گونه تیرها در طول خود دارای حفره های توخالی (در جان ) هستند که به لانه زنبور شبیه است .به همین سبب به این گونه تیرها لانه زنبوری میگویند .

هدف از ساخت تیر های لانه زنبوری هدف این است که تیر بتواند ممان خمشی بیشتری را با خیز (تغییر شکل ) نسبتاً کم و همچنین وزن کمتر در مقایسه با تیر نورد شده مشابه تحمل کند . برای مثال با مراجعه به جدول تیر آهن ارتفاع پروفیل ۱۸ را که ۱۸ سانتیمتر ارتفاع دارد می‌توان تا ۲۷ سانتیمتر افزایش داد .

محاسن و معایب تیر لانه زنبوری با توجه به مثال گفته شده در بالا با تبدیل تیر آهن معمولی به لانه زنبوری اولاً : مدول مقطع و ممان اینرسی مقطع تیر افزایش می‌یابد .

ثانیاً : مقاومت خمشی تیر نیز افزوده می‌گردد . در نتیجه تیری حاصل می‌شود با ارتفاع بیشتر قوی‌تر و هم‌وزن تیر اصلی

ثالثاً : با کم شدن وزن مصالح و سبک بودن تیر از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر خواهد بود .

رابعاً : از فضا های ایجاد شده (حفره‌ها ) در جان تیر می‌توان لوله های تاسیساتی و برق را عبور داد .  در ساختن تیر لانه زنبوری که منجر به افزایش ارتفاع تیر می‌شود باید استاندارد کاملاً رعایت گردد در غیر این صورت خطر خراب شدن تیر زیر بار وارد شده حتمی است .

از جمله معایب تیر لانه زنبوری وجود حفره های آن است که می‌تواند تنش‌های برشی را در محل تکیه گاه های پل به ستون یا اتصال تیر آهن تودلی به پل لانه زنبوری تحمل کند .

بنا بر این برای رفع این عیب اقدم به پر کردن بعضی از این حفره‌ها با ورق فلزی و جوش می‌کنند تا اتصال فرعی پل به ستون یا تیر فرعی به پل به درستی انجام شود . تیر لانه زنبوری در ساختمان اسکلت فلزی می‌تواند به صورت پل فقط در یک دهانه یا به صورت پل ممتد به کار رود .

برای ساختن تیر لانه زنبوری دو شیوه موجود است

الف – شیوه برش پانیر

ب – شیوه برش لتیسکا

روش‌های برش تیر آهن

۱- برش به روش کوپال : با استفاده از دستگاه قطع کن سنگین که به برش گیوتین مخصوص مجهز است تیر آهن به شکل سرد در امتداد خط منکسر قطع می‌شود .

۲- برش به روش برنول : برش در این حالت به روش گرم انجام می‌شود . به این صورت که کارگر ماهر برش را با شعله بنفش رنگ قوی حاصل از گاز استیلن و اکسیژن به وسیله لوله برنول انجام می‌دهد .

بریدن تیر های سبک به وسیله ماشین‌های برش اکسیژن شابلون دار نسبتاً ساده است در ایران تیر های دانه زنبوری را نیشتر با دست تهیه می‌کنند .

روش ساختن تیر های لانه زنبوری و تقویت آن :

روش تهیه تیر های لانه زنبوری از این قرار است که ابتدا در روی جان تیر آهن نورد شده با استفاده از الگو که به صورت ۵ شش ضلعی از ورق آهن سفید یک میلی‌متری (شابلون) با توجه به استاندارد ساخته شده خط می‌گردد سپس تیر آهن را روی یک شاسی افقی با زدن تک خال جوش در نقاط مختلف برای جلوگیری از تاب برداشتن قرار می‌دهند .

آنگاه با استفاده از دستگاه برش (برنول) در امتداد خط منکسر اقدام به برش می‌کنند تا پروفیل به دو قسمت بالا و پایین تقسیم شود .

حال اگر قسمت بالا را ره اندازه یک دندانه جابجا کنیم و رندانه های قسمت بالا و پایین را به دقت مقابل هم قرار دهیم و از دو طرف کارگر ماهر آن را جوشکاری کنند با استفاده از جوش قوسی نیمه اتوماتیک برای اتصال دو نیمه بریده شده- یک جوش خوب بی عیب سریع و مقرون به صرفه خواهد بود .

تیر ساخته شده در محل تکیه گاه‌ها با توجه به حفره های خالی آن در مقابل تنش‌های برشی ضعیف می‌شود . برای جبران این نقیصه با توجه به منحنی نیروی برشی نیز به پر کردن حفره‌ها با ورق‌های تقویتی اقدام می‌کنیم .

لازم به ذکر است که حداقل باید یک حفره با ورق در تکیه گاه به وسیله جوش کامل پر شود . در پایان یاد آور می‌شوم که یک نوع دیگر از پروفیل ‌های لانه زنبوری را برای بریدن قطعات بالا و پایین ورق واسطه اضافه می‌کنند که این ورق واسطه بین دندانه‌ها جوش می‌شود . در نتیجه تیر حاصل به مراتب قوی‌تر از تیری است که بدون ورق واسطه ساخته می‌شود.

تقویت تیر های لانه زنبوری به کمک رفتار مرکب بتن و فولاد : در تیر های لانه زنبوری علاوه بر تنش‌های خمشی اصلی در محل حلقه‌ها تنش‌های خمشی ثانویه حاصل از برش در مقطع ایجاد می‌گردد که گاهی این تنش از تنش‌های اصلی در تیر بزرگ‌ترند .

این تنش‌ها از کارایی تیر می‌کاهند و برای مقابله با آن‌ها باید حلقه های کناری را با ورق پر کرد خصوصاً هنگامی که از این نوع تیرها به صورت یکسره استفاده می‌شود در محل تکیه گاه‌ها که هم نیروی برشی و هم لنگر خمشی زیاد باشد تنش‌های خمشی به شدت افزایش می‌گردد .

و نیاز به تقویت تیر در این محل‌ها می‌باشد که از لحاظ اقتصادی قابل توجیه نمی‌باشد . در این پروژه برای مقابله با ضعف در تیر های لانه زنبوری رفتار مرکب بتن و فولاد توصیه شده است .

به این ترتیب که داخل تیر فلزی در نقاطی که تنش‌های ثانویه قابل ملاحظه می‌باشند از بتن پر می‌شود و کشش حلقه های خالی را به عمل تغییر می‌دهد و این امر سختی و مقاومت تیر را افزایش می‌دهد و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می‌باشد .

در قسمت‌های قبل توضیح داده شد که اضافه نمودن ورق هایی به ضخامت ۱-۲ میلی‌متر به بال تیر های لانه زنبوری چه اثر چشمگیری بر مقاومت خمشی تیر خواهند گذاشت در طراحی چنانچه نتایج تجربی این کار را با سایر مقاطع مقایسه نماییم ملاحظه خواهیم کرد که به رغم اشکالاتی که امروزه بر تیر های لانه زنبوری وارد است این گونه طرح‌ها توجیه اقتصادی مثبتی را در بر خواهد داشت .

نکته قابل توجه دیگری که نه تنها در طرح تیر های لانه زنبوری موثر است بلکه در همه جا در خور توجه است فواصل آکس های ستون‌ها جهت تیر ریزی می‌باشد.

در آزمایشی که صورت گرفته است مشاهده گردید که طرح بهینه تیرها به میزان قابل ملاحظه ای وزن تیرها کاهش یافت و پس از اصلاحات مجدد روی نحوه و جهت تیر ریزی سقف از ضخامت پیلت ها کاسته شد .

در بعضی موارد به جای پیلت های جفت در بالا و پایین استفاده از یک لنگر ماکزیمم موجود در تیر را فیکس نموده و در پاره ای از تیرها اصلاً دیگر نیازی به ورق نیست .

شاید بدون محاسبه و تجربه و مقایسه دقیق نتوان این موضوع را پذیرفت که فواصل آکس ستون‌ها چه پیامد های مثبتی بر روی ضخامت ورق‌های تقویتی تیرها خواهد گذاشت اما در همین پروژه که مورد آزمایش قرار گرفت و قسمتی از نتایج آن در این مقاله ذکر گردیده است مشاهده گردید که تنها با جابجایی یک ردیف ستون و کم نمودن دهانی بار گیر از حدود ۲۴ تیر ورق خور تنها ۵-۱۰ عدد از آن‌ها نیاز به تقویت داشتند و بقیه با مقاطع یکدست جایگذاری شدند .

البته ضرورتاً باید به این موضوع با اهمیت توجه داشت که در همه موارد امکان جابجایی ستون‌ها و یا کاهش دهانه بار گیر عملی نیست به دلیل اینکه گاهی به لحاظ معماری محدودیت هایی وجود دارد که در نهایت این انتقال ممکن است منطقی نباشد .

در نهایت می‌توان گفت در پروژه‌هایی که اهمیت بالایی ندارند و یا اثرات نیروی زلزله در نتیجه ارتفاع آن‌ها چشمگیر نیست و امکان پدیده های له‌شدگی و یا اجرای نامناسب و سایر مشخصاتی که در این مقاله اشاره شد وجود ندارد تیر های لانه زنبوری مقاطع نسبتاً مناسبی هستند و چنانچه در این پلیت های تقویتی به صورت بهینه استفاده شود طرح اقتصادی‌تر به نظر می‌رسد و نوید سازه های سبک‌تر را به ما خواهد داد .

جدول شاخه های ۱۲ متری تیر آهن بر حسب شماره و وزن تیرآهن به کیلوگرم