همان‌طور که می‌دانید در هر سازه از اجزای مختلفی برای ساختن اسکلت فلزی و یا بتنی سازه استفاده می‌کنند. یکی از مهم‌ترین این اجزاها خرپا هستند که دارای انواع بسیار متنوعی می‌باشند که برحسب نیاز از آن‌ها در پروژه‌های مختلف ساخت‌وساز استفاده می‌شود. نقش خرپا در سازه چنان مهم است که استفاده از آن اجتناب‌ناپذیر می‌باشد. در ادامه بیشتر با این سازه اساسی آشنا خواهید شد.
خرپا چیست؟
به‌طورکلی خرپا سازه‌ای صلبی است که اعضای آن به شکل‌های مثلثی به یکدیگر متصل می‌شوند تا در کل یک سازه واحد را تشکیل دهند. هر اسکلت فلزی ممکن است از صدها خرپا تشکیل شده باشد. استفاده از این سازه در پروژه‌هایی مانند پل‌ها، سقف‌ها و برج‌ها اجتناب‌ناپذیر است. زیرا نقش به‌سزایی در تحمل بار سازه ایفا می‌کنند که هیچ نوع سازه دیگری تاکنون نتوانسته جایگزین آن شود.
علت اینکه خرپاها در شبکه‌های مثلثی شکل ساخته می‌شوند این است که تا جای ممکن توزیع نیروی وزن به‌صورت یکنواخت روی سازه انجام شود و نیروهای فشاری بدون ایجاد خمش یا برش در سازه به‌خوبی کنترل گردند. درواقع مثلث یکی از اشکال هندسی بسیار پایدار است. اما در اشکال هندسی دیگر مانند چهارضلعی یا بیشتر برای جلوگیری از برش باید از ثابت کردن اتصالات گوشه‌ای استفاده کرد که دردسر زیادی دارد و حتی ممکن است درنهایت نتوان به‌صورت صددرصدی این کار را انجام داد. درنتیجه احتمال آسیب رسیدن به سازه در برابر نیروهای ناگهانی مانند زلزله وجود دارد.
نکته قابل‌توجه دیگر در ساختار خرپاها این است که اعضای آن باید به‌صورت یک‌تکه و مستقیم باشند. درواقع اجزای خرپاها نباید هیچ‌گونه انحنایی داشته باشند؛ درغیراین صورت باعث شکست ناگهانی سازه خواهد شد. سپس انتهای این اعضا با استفاده از اتصالات به عضو دیگری متصل یا اصطلاحاً لولا خواهند شد که به این نوع اتصالات گره نیز گفته می‌شود. سازه‌های خرپایی مقاومت بالایی در برابر بارهای قابل‌توجه واردشده بر سازه دارد و می‌تواند این نیروها را به‌راحتی از طریق سازه‌های پشتیبانی‌کننده مانند تیرهای باربری به زمین یا دیوارها انتقال دهد.
عناصر سازنده خرپاها
به‌طورکلی هر خرپا از سه عنصر اصلی تشکیل شده است که عبارت‌اند از:
- وتر برجسته که معمولاً تحت نیروهای فشاری قرار می‌گیرد.
- وتر پایینی که بیشتر تحت نیروهای تنشی قرار دارد.
- مهار بین آکوردهای بالا و پایین.
آکورد بخشی از خرپاست که مقاومت این نوع سازه را در برابر نیروهای فشاری و تنش‌های واردشده افزایش می‌دهد تا دچار خم‌شدگی نشود. استفاده از مهاربندها در خرپا نیز از این سازه در برابر نیروهای برشی محافظت خواهد کرد.
کاربرد خرپاها
بااینکه در قسمت قبل گفتیم نقش اساسی خرپاها در سازه تحمل بارهای واردشده بر آن است، اگر بخواهیم به‌صورت خاص‌تر کاربردهای انواع خرپا را بررسی کنیم، عبارت‌اند از:
- کاهش فاصله‌های طولانی در سازه
- کاهش حداکثری وزن یک سازه
- کاهش انحرافات احتمالی سازه
- حمایت از سازه در برابر بارهای بسیار سنگین
خرپاها در مقایسه با تیرهای جامد به مواد کمتری برای مقاومت در برابر بارها نیاز دارند و همین امر باعث می‌شود استفاده از خرپاها وزن سازه را تا حد زیادی کاهش دهد. در خود ساختار خرپاها نیز با استفاده از مواد کمتر در قسمت آکورد و مواد بیشتر در اجزای مهاربندی، بازده کلی خرپاها را افزایش می‌دهند.
نکته قابل‌توجه دیگر این است که خرپاها سازه‌های باربری هستند که در کل سازه به‌عنوان ساختارهای خمشی عمل می‌کنند. به همین دلیل برای طول دهانه مشابه با جان تیرآهن در نظر گرفته می‌شوند. در این صورت به آن‌ها تیرهای توخالی مشبک نیز گفته خواهد شد. از طرفی می‌توان خرپاهای فولادی را با استفاده از کامپوزیت بین سازه فولادی و بتن مورد استفاده قرار داد.
انواع نیروهای اعمال شده به خرپا در یک سازه
بااینکه از سازه‌های مختلفی در پروژه‌های ساخت‌وساز استفاده می‌شود اما می‌توان انواع نیروهای واردشده به آن‌ها را به‌صورت یکسان بررسی کرد. نوع و میزان نیروهای اعمال‌شده به خرپاها بیشتر به کاربرد خرپا در سازه بستگی دارد. بنابراین ممکن است از سازه‌ای به سازه دیگر کاملاً متفاوت باشد. در ادامه به‌اختصار نیروهای اعمال‌شده به خرپا را در سازه‌های مختلف توضیح می‌دهیم.
ساختمان‌های صنعتی
نیروهای واردشده بر ساختمان‌های صنعتی خود به چهار دسته متفاوت زیر تقسیم‌بندی می‌شوند:
۱- بار مرده
بارهای مرده شامل بارهای مختلفی است که بیشتر به خرپاهای مورد استفاده در سقف ساختمان‌های صنعتی وارد می‌شود. بارهای واردشده بر یک طبقه از ساختمان صنعتی شامل بار مرده روکش‌ها، بار مرده تیرک‌ها، وزن خرپا به اضافه وزن بست‌ها، وزن هواکش و مجاری مخصوص تهویه مطبوع است.
۲- بار زنده
بار زنده در ساختمان‌های صنعتی نیز بر خرپاهای سقفی وارد می‌شوند که شامل وزن گرانشی ناشی از رفت‌وآمد کاربران، تجهیزات متحرک مانند لیفتراک‌ها، گردوغبار و اسباب و اثاثیه در حالت جابه‌جایی است.
۳- نیروی باد
هنگامی‌که در نزدیکی ساختمان‌های صنعتی باد شروع به وزیدن می‌کند، نیرویی بر خرپاهای موجود در سقف این ساختمان‌ها وارد خواهد کرد که اغلب به شکل نیروهای صعودی بلند کننده عمود بر سقف هستند و درواقع خلاف بارهای گرانشی عمل می‌کنند.
۴- بار ناشی از زلزله
زلزله یکی از انواع نیروهای دینامیکی تخریب‌کننده است که اگر در هنگام ساخت سازه تدابیر لازم برایش انجام نشود، احتمال سقوط سازه و ایجاد خسارات جانی و مالی به‌شدت افزایش پیدا خواهد کرد. میزان تأثیر نیروهای زلزله به‌صورت مستقیم به وزن سازه بستگی دارد و در مورد ساختمان‌های صنعتی که وزن زیادی در قسمت پشت‌بام وجود دارد، بار زلزله وارد شده بر خرپاها اهمیت ویژه‌ای در جلوگیری از تخریب سازه خواهد داشت.
ساختمان‌های چندطبقه
در ساختمان‌های چندطبقه نیروهای اعمال‌شده به خرپاها بیشتر شامل نیروهای جانبی در اثر باد و زلزله هستند. خرپاها سازه‌های اساسی برای مقاومت در برابر این نیروها می‌باشند که به‌خوبی می‌توانند از ساختمان محافظت کنند.
پل‌های خرپا
خرپاها همچنین یکی از سازه‌های اصلی برای ایجاد مقاومت در پل‌ها محسوب می‌شوند. نیروهای وارد شده بر خرپاها در انواع پل‌ها بیشتر ناشی از انتقال فشارهای گرانشی ناشی از عبور و مرور حیوانات و انسان‌ها و یا وسایل نقلیه مختلف می‌باشند. معمولاً بسته به شرایط محیطی یک پل و طول دهانه آن از خرپاهای میانی یا نوع عرشه استفاده می‌کنند.
نحوه تحلیل نیرو در خرپا
یکی از مهم‌ترین مسائل در طراحی و استفاده از اشکال مختلف خرپاها تحلیل نیروهای واردشده بر اعضای آن است. این نیروها باید در هنگام طراحی سازه به‌صورت دقیق بررسی شوند تا مشخص گردد که سازه چقدر مقاومت دارد و تا چه حد نیرو را می‌تواند تحمل کند. معمولاً از دو روش برای تحلیل نیروهای وارد بر خرپا استفاده می‌کنند که در ادامه آن‌ها را توضیح خواهیم داد:
روش مفاصل (Joint)
در این روش هر مفصل را به‌صورت تنها در نظر می‌گیرند و برآیند تمامی نیروهای واردشده به آن را صفر فرض می‌کنند. این نیروها ممکن است از نوع فشاری یا کششی باشند.
روش مقاطع (Section)
در روش مقاطع بخشی از خرپا را به‌صورت جداگانه به‌عنوان یک سیستم فرض می‌کنند و سپس برآیند نیروها و گشتاورهای وارد شده را برابر با صفر در نظر خواهند گرفت تا بتوانند نیروهای مجهول را حساب کنند.
شناخت اتصالات در خرپا
در قسمت‌های قبلی اشاره کردیم که هر عضو خرپا با استفاده از برخی اتصالات به عضو بعدی لولا می‌شود. این اتصالات برحسب نیاز اغلب شامل جوش، پیچ و مهره و یا پرچ کردن هستند. البته در حال حاضر روش پرچ کردن زیاد متداول نیست. زیرا نیاز به مهارت بالا و نیروهای تربیت‌شده برای این کار دارد که هزینه انجام آن را نیز افزایش می‌دهد. بااین‌حال در برخی سازه‌ها مانند پل‌های راه‌آهن همچنان به دلیل پدیده‌هایی مانند خستگی باز هم از پرچ برای اتصال اعضا استفاده می‌کنند.
برای خرپاهای کوتاه بیشتر از روش جوشکاری در محل اجرای پروژه استفاده می‌شود و در همان‌جا نیز نصب خواهند شد. اما برای خرپاهای طولانی‌تر بعد از انجام یک سری مراحل جوشکاری در کارگاه آن‌ها را با پیچ یا مجدداً با جوش در محل موردنظر مونتاژ خواهند کرد.
مزایای استفاده از خرپا در سازه‌ها
استفاده از انواع خرپاها مزایای زیادی برای سازه‌های ساختمانی دارند که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:
- در بیشتر سازه‌های مناطق شهری قابل‌استفاده است.
- اجرای آن در شرایط مختلف امکان‌پذیر است.
- می‌توان بعد از تخریب سازه از خرپاها دوباره استفاده کرد.
- می‌توان برای مسافت‌های طولانی نیز از خرپاها استفاده نمود.
- میزان مواد مورداستفاده در خرپاها بسیار کمتر از سایر اعضای باربر است.
- امکان مقاومت در برای بارهای محوری، فشاری و یا تنشی وجود دارد.
معایب استفاده از خرپا در سازه‌ها
بااینکه استفاده از خرپا می‌تواند مزایای زیادی برای یک سازه به همراه داشته باشد، ممکن است معایبی را نیز به وجود بیاورد که برخی از این معایب عبارت‌اند از:
- اجرای خرپاها نسبت به برخی روش‌های دیگر به زمان بیشتری نیاز دارد.
- ساختارهای خرپایی معمولاً ازنظر طراحی بزرگ بوده و فضای زیادی را اشغال می‌کنند.
- هزینه‌های نگهداری و تعمیرات خرپاها زیاد است. زیرا تعداد اعضای آن زیاد خواهد بود.
شناخت انواع خرپا
بااینکه هر خرپا از سه عضو اصلی و به‌صورت مثلثی ساخته می‌شود، اما در یک سازه که از خرپا استفاده می‌کنند معمولا تعداد زیادی خرپا به‌کارگرفته می‌شود. بنابراین خرپاها را ازنظر تعداد اعضا و همچنین ازنظر ابعاد تقسیم‌بندی می‌کنند.
انواع خرپاها ازنظر تعداد اعضا و پیچیدگی عبارت‌اند از:
1-خرپای ساده که از سه عضو تشکیل می‌شوند.
2-خرپای مرکب که ترکیبی از چند خرپای ساده خواهد بود.
3-خرپاهای پیچیده و مبهم که نه از نوع مرکب و نه از نوع ساده هستند.
انواع خرپا ازلحاظ ابعاد
خرپاها را ممکن است ازنظر ابعادی تقسیم‌بندی کنند که شامل موارد زیر می‌شوند:
۱- خرپای دوبعدی که تمامی اعضای آن در یک صفحه قرار می‌گیرند.
۲- خرپای سه‌بعدی که دارای حجم است و بر روی هر سه محور مختصات امتداد خواهد داشت.
3- خرپای چندگانه که در آن اغلب اتصالات وسط، به شکل تکی و اتصالات بالا و پایین به شکل دوگانه یا چندگانه طراحی می‌شوند.
انواع خرپا ازنظر شکل ظاهری
خرپاها ازنظر شکل ظاهری نیز تقسیم‌بندی می‌شوند که عبارت‌اند از:
خرپای شیروانی
این نوع خرپاها بیشتر برای سقف استفاده می‌شوند و ارتفاع آن‌ها در وسط دهانه بیشتر است.
خرپا با وتر موازی
از این نوع خرپاها بیشتر برای حمایت از خرپاهای سقفی در ساختمان‌های صنعتی یا در پل‌های با دهانه متوسط استفاده می‌کنند. در خرپا با وتر موازی معمولاً از شبکه‌های با طول یکسان استفاده می‌کنند تا بتوانند هزینه‌های ساخت برای دهانه‌ای بسیار طولانی را کاهش دهند.
خرپای ذوزنقه‌ای
معمولاً برای ساخت پشت‌بام‌های طولانی از خرپاهای ذوزنقه‌ای استفاده می‌کنند که در انتهای خود دارای ارتفاع بیشتری هستند.
خرپای پرات
از خرپاهای پرات در ساخت پل و سازه‌های طاقی استفاده می‌شود. این خرپاها در برابر نیروهای فشاری در راستای عمودی مقاومت زیادی دارند و برای دهانه‌های بین 30 الی 60 متر قابل استفاده هستند.
خرپای وارن
خرپای وارن شبیه یک مثلث متساوی‌الاضلاع بوده و می‌تواند بارهای واردشده را در اجزای مختلف پخش کند. این نوع خرپا بیشتر برای دهانه‌های در حدود 60 متر استفاده می‌شود.
خرپای کی (k)
خرپای کی، مقاومت بالایی در برای تنش‌های خمشی دارد. البته دارای پیچیدگی‌های ساختاری است و برای ساخت آن باید از مصالح و مواد زیادی استفاده کرد که وزن سازه را افزایش می‌دهد. به همین دلیل بیشتر برای دهانه‌های بزرگ‌تر از 100 متر مورداستفاده قرار می‌گیرد.
خرپای هاو
از خرپاهای هاو بیشتر برای سقف استفاده می‌کنند و برای دهانه‌ای کمتر از 30 متر مناسب است.
خرپای فینک
این نوع خرپا نیز معمولا برای ساخت سقف و در دهانه‌های 20 متری استفاده می‌شود. اغلب این نوع خرپا را از جنس فولاد می‌سازند.
خرپای قوسی
از خرپاهای قوسی عموماً برای سقف انبارها و گاراژها استفاده می‌کنند که قطر دهانه آن‌ها ممکن است به 30 متر هم برسد.
خرپای پارکر
از خرپای پارکر برای ساخت پل استفاده می‌شود و می‌توان آن را برای دهانه‌ای با طول بین 50 الی 100 متر استفاده نمود.
خرپای بالتیمور
از خرپاهای بالتیمور برای پل‌های با دهانه بیش از 100 متر استفاده می‌کنند.
از چه مصالحی برای ساخت خرپا استفاده می‌شود؟
از مقاطع فولادی مختلف برحسب نوع کاربرد خرپا برای ساخت این مصالح استفاده می‌کنند. به‌طورکلی مصالح مورداستفاده برای خرپاها عبارت‌اند از:
- انواع تیرآهن‌های معمولی و هاش
- انواع قوطی پروفیل توخالی با اشکال مربع و مستطیل
- انواع سپری فولادی و نبشی
- انواع لوله
تفاوت خرپا با قاب در چیست؟
اگر در مورد قاب‌ها نیز مطالعه کرده باشید شاید دچار سردرگمی شوید و از خودتان بپرسید پس تفاوت قاب با خرپا در چیست؟ خرپاها و قاب‌ها ازنظر شکل هندسی و ساختار و همچنین کاربردهایی که دارند، متفاوت هستند. همچنین نحوه اتصال اجزا در ساختار این دو نوع سازه با همدیگر فرق دارد. اعضای قاب‌ها مثل تیرها عمل می‌کنند که بیشتر برای تحمل بارهای عرضی و جانبی در طول خود مورداستفاده قرار می‌گیرند. این بارهای خارجی عموماً نیروهای داخلی برشی و لنگری را برای سازه ایجاد خواهند کرد.
برخی از اعضای قاب‌ها مثل ستون‌ها ممکن است حتی برای تحمل بارهای طولی یا محوری نیز طراحی شوند. اما بارهایی که توسط خرپاها تحمل می‌شوند متفاوت بوده که در قسمت‌های قبلی آن‌ها را توضیح دادیم. همچنین اتصالات در خرپاها به گونه‌ای است که می‌توان در آن‌ها نوعی حرکات آزاد در صورت استفاده از پین ایجاد نمود. این بدین معنی است که در این اعضا گشتاورهای برشی و خمشی ایجاد نمی‌شوند. زیرا تنها بارهایی که در خرپاها تحمل می‌شود، از نوع محوری هستند.
جمع‌بندی
خرپاها یکی از سازه‌های بسیار مهم در بسیاری از اسکلت‌های بتنی و فلزی محسوب می‌شوند که به میزان قابل‌توجهی مقاومت سازه را در برابر نیروهای استاتیکی و دینامیکی افزایش می‌دهد. نیروهای قابل تحمل از طریق خرپاها معمولاً توسط مهندسین طراح در بحث تحلیل نیرو در سازه بررسی شده و طبق آن‌ها نوع خرپای مناسب برای یک سازه، از میان انواع متنوع خرپا انتخاب خواهد شد.