1- مقدمه ای بر قاب های پورتال
1-1- چرا برای ساخت سازه ها از فولاد استفاده کنیم؟

فولاد به دلیل استحکام، دوام بالا، انعطاف پذیری در طراحی و پایداری به عنوان ماده اصلی در صنعت ساخت و ساز مورد استفاده قرار می گیرد. اگرچه هزینه ی ساخت با فولاد بالاست، اما با روش های جدید طراحی ضمن حفظ استحکام و دوام سازه، می توان استفاده از این ماده را به حداقل رساند و با طرح بهینه هزینه های ساخت را کاهش داد.

فواید زیادی از فولاد در صنعت ساخت و ساز وجود دارد که باعث شده آن را به عنوان تنها ماده ی با استحکام بالا و مهم در این صنعت بدانیم. از قابلیتهای این ماده می توان به خواص مکانیکی مانند مقاومت کششی و دوام بالای آن اشاره کرد که این امر باعث شده تا استفاده از فولاد در ساخت سازه های صنعتی، ساختمان های با تعداد طبقات بالا، پلها و غیره ارجح باشد.

2-1- انتخاب بهترین نوع  قاب برای سازه های صنعتی

قاب های پورتال (Portal Frame) از متداول ترین نوع سیستم سازه ای جهت طرح و ساخت سازه های صنعتی از جمله سوله ها می باشد. انتخاب سیستم قاب پورتال مناسب برای یک پروژه به عوامل فنی و مالی زیادی مانند هزینه تخمینی، مدت زمان ساخت، در دسترس بودن مواد، تجهیزات، نیروی کار ماهر و عوامل محیطی بستگی دارد. مزیت قاب های پورتال امکان ایجاد فضای وسیع برای کاربری های مختلفی نظیر انبار، کارهای صنعتی و تجاری می باشد. تحقیقات و تجارب مهندسین سازه نشان می دهد که می توان از قاب های پورتال ساخته شده از ورق (BUS[1] Portal Frame)  تا دهانه ی 25 الی 30 متر به صورت بهینه و مقرون به صرفه استفاده کرد. سوالی که پیش خواهد آمد این است که اگر نیاز به دهانه های بلندتری باشد باید چه کرد؟
جواب سوال فوق استفاده از قاب های پورتال خرپایی (Portal Frame Truss) می باشد. برای دهانه های بلند (بالای 30 متر) بهترین نوع سیستم سازه ای ، قاب های خرپایی می باشد. مقایسه ها نشان می دهد با وجود آن که هزینه ی ساخت قاب خرپا بالاتر از قاب پورتال ساخته شده از ورق می باشد، اما به علت کاهش چشمگیر استفاده از مصالح، در مجموع بسیار مقرون به صرفه خواهد بود.

                     الف) قاب پورتال خرپایی                                  ب) قاب پورتال ساخته شده از ورق   

2- خرپا (Truss)

خرپا از اتصال چند عضو به شکل مثلثی به وجود می آید که با اضافه شدن دو عضو و یک گره قابل گسترش هستند. خرپا در مقایسه با انواع سیستم سازه ای موجود، به دلیل فاصله یال ها در عضو اصلی ، دارای ممان اینرسی بالا می باشد. فضای خالی بین آن ها و ممان اینرسی بالای این سیستم ، به مهندس طراح کمک بسیار زیادی می کند تا بتواند سازه مد نظر را تا حد قابل توجهی سبک و اقتصادی طراحی کند.

3- انواع سیستم خرپایی

از انواع سیستم ‌های خرپایی می‌توان به پرات (pratt)، هاو (howe)، فینک (fink) ، قوسی (bowst ring) ، وارن (warren) ، پارکر  (parker) ، بالتیمور (Baltimore) ، خرپای K یا (K Truss) و... اشاره نمود که برای آشنایی بیشتر ، برخی از آنها را توضیح خواهیم داد.

خرپای هاو (Howe Truss)

این نوع خرپا می‌تواند ترکیب فولاد و چوب باشد. اعضای مورب یا عمودی می‌توانند از فلز ساخته شوند تا تکیه‌گاه خوبی برای یال‌ها باشند. این نوع خرپا می‌تواند برای دهانه بسیار بزرگ مورد استفاده قرار گیرد. سقف خرپای هاو می‌تواند بین 6 تا 30 متر را پوشش دهد که باعث می‌شود بتوان از آن برای طیف گسترده‌‌تری از پروژه‌ها استفاده کرد.

خرپای فن یا چتری (Fan Truss)

همانطور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، خرپا فن طراحی بسیار ساده ای دارد. این قطعه از فولاد ساخته می‌شود. مهمترین مشخصه این نوع خرپا این است که یال‌های بالا به طول‌های کوچکتر تقسیم می‌شوند. بنابراین یال بالایی تحمل بار بیشتری دارد. بیشترین کاربرد این نوع خرپا برای دهانه‌های حدود 10 تا 15 متر است.

خرپای پرات (pratt)

این نوع خرپا تقریبا طی دو قرن اخیر به عنوان یک روش موثر مورد استفاده قرار گرفته است. در این حالت اعضای قائم تحت فشار و اعضای قطری تحت کشش هستند که این امر کمک بسزایی در ایجاد یک طرح کارآمد و کاهش میزان فولاد مصرفی و در نهایت هزینه ها می‌گردد.

کاربرد:

1-برای دهانه های افقی که در آن بیشتر در جهت قائم نیرو وارد می‌ شود.

2- مناسب برای سقف و پل های با دهانه حدود 30 تا 60 متر

خرپا وارن (Warren truss)

این نوع خرپا از انواع محبوب سازه های خرپایی می باشد. در این حالت اعضا به شکل مثلث متساوی الساقین یا متساوی الاضلاع می باشند. یکی از مزیت های اصلی این نوع خرپا، توانایی آن در توزیع بار مطلوب در اعضا می باشد. در این نوع خرپا نیرو های گسترده بهتر از نیروهای متمرکز توزیع می ‌شود.

کاربرد:

مناسب برای سقف و پل های با دهانه حدود 30 تا 60 متر

خرپای K

این نوع خرپا مدل پیچیده تر خرپای پرات می باشد اما تفاوت آن با خرپای پرات این است که اعضای قائم کوتاه تر بوده و این سبب می شود که این اعضا در مقابل کمانش مقاومت بهتری از خود نشان می دهد.

خرپای کینگ پست (King Post Truss)

این خرپای خاص بیشتر اوقات از چوب ساخته می‌شود اما می‌تواند از ترکیب فولاد و چوب نیز باشد. این نوع خرپا حداکثر برای دهانه‌های تا 8 متر کاربرد دارد. در این نوع خرپا، از  یک المان عمودی استفاده می‌شود که به صورت کششی کار می‌کند تا تیر را در زیر راس خرپا نگه دارد.

خرپای کویین پست (Queen Post Truss)

خرپایی کویین پست به گونه‌ای طراحی شده است که یک سقف بسیار مطمئن، ساده و همه کاره را ارائه دهد. این نوع از خرپاها برای دهانه‌های تا حدود 10 متر پیشنهاد می‌شود و طراحی ساده‌ای دارد که باعث می‌شود برای طیف گسترده‌ای از سازه‌ها کاربرد داشته باشد.

خرپای چهارگوش (Quadrangular Truss)

خرپای چهارگوش نوعی از خرپاهای سقفی است که دارای یال‌های موازی می‌باشد و چیدمان اعضای جان خرپا از اعضای عمودی فشاری و اعضای مورب کششی هستند. از این سازه خرپایی برای دهانه‌های بزرگ استفاده می‌شود. به همین دلیل در مکان‌های بزرگ از جمله سالن اجتماعات یا حتی سالن راه آهن کاربرد دارد.

خرپای نورث لایت (North Light Truss)

این نوع خرپای سقفی دارای اعضای قطری به صورت زیگزاگی می‌باشد. خرپای نورث لایت متداول و مقرون به صرفه‌ترین نوع خرپا است. این نوع خرپا برای ساختمان‌های صنعتی و فضاهای بزرگ با دهانه 20 تا 30 متر استفاده می‌شود. این نوع خرپا یکی از قدیمی‌ترین و همچنین اقتصادی‌ترین نوع موجود است. از مزایای این نوع سقف، امکان ایجاد تهویه مناسب است.

خرپاهای یال موازی (Parallel Chord Roof Truss)

خرپاهای یال موازی نوعی خرپاهای سقفی است که با دو یال موازی با یکدیگر ساخته می‌شوند.

خرپای سقف قیچی (Scissor Roof Truss)

در این نوع خرپای سقفی، یال‌های پایینی با یال‌های بالایی در یک نقطه در تکیه‌گاه با یکدیگر همرس می‌شوند و ظاهری شبیه به یک جفت قیچی باز شده ایجاد می‌کند.

خرپاهای فضایی یا فضا کار (space truss) چهار وجهی یا هرمی

سازه های فضاکار یک سیستم خرپای سه بعدی است که  به منظور توزیع بار در دو جهت کاربرد دارد و اعضای آن فقط تحت تاثیر کشش و فشار قرار دارند. در سیستم سازه فضاکار، امکان استفاده از ستون گذاری نامنظم و با دهانه های مختلف وجود دارد. به صورت متداول تا دهانه 60 متر از این نوع سازه‌ها استفاده می‌شود. خرپاهای فضایی را می‌توان در سازه‌هایی مانند دکل‌های برق و ورزشگاه‌های بزرگ مشاهده کرد.

سالن خرپایی

باتوجه به انواع سیستم خرپایی موجود ، مواردی مانند خرپای وارن و پرات و... را می‌توان در تیر سازه استفاده نمود و از مزایای هر کدام به فراخور ابعاد سالن استفاده نمود. البته در طراحی سالن، خرپای تشکیل شده می تواند مثلث تشکیل نداده و به اشکالی مانند متوازی الاضلاع درآید اما باید اعضا بیشتر در کشش و فشار کار کنند تا بتوان سیستم را خرپا تلقی کرد.

به طور کلی استفاده از سیستم خرپا در سالن ها دارای مزایا و معایبی می باشد که عبارتند از:

مزایا:

امکان سبک سازی سالن‌ های  با دهانه های بزرگتر از 25 الی 30 متر در سیستم خرپایی نسبت به سایر سیستم های سازه ای (مانند تیرورق)
امکان کاهش هزینه ها
استفاده از مقاطع آماده مانند قوطی ، لوله و... که نسبت به مقاطع ساخته شده از ورق ارزان تر می باشد.
معایب:

از منظر کاهش وزن، طراحی سالن های با دهانه ی کوچکتر از20 متر با سیستم خرپایی مقرون به صرفه نمی باشد.
از منظر کاهش هزینه ها ، سالن های خرپایی با دهانه ی کمتر از 20 متر با توجه به هزینه های ساخت ، گران تر از سازه های معمولی مانند تیرورق می باشد.

کلید واژه:

فولاد – قاب های پورتال – سازه های صنعتی - انواع سیستم خرپایی – سالن های خرپایی – کاهش وزن – کاهش هزینه

[1] built-up section