معرفی تیرآهن لانه زنبوری و کاربردهای آن + مزایا و معایب

در دنیای مهندسی و ساخت و ساز، یافتن راه حل‌های سازه‌ای نوآورانه برای ایجاد طرح‌های کارآمد و موثر بسیار مهم است. یکی از این راه حل‌ها که در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است تیر لانه زنبوری است. این طراحی منحصر به فرد تیر دارای مزایای متعددی است و این پتانسیل را دارد که روشی را که ما به مهندسی سازه نسبت می‌دهیم، متحول کند. تیر لانه زنبوری نام خود را از شباهت آن به ساختار لانه زنبور موجود در کندوها گرفته است. درست مانند سلول‌های شش ضلعی یک لانه زنبور، این تیرآهن  از یک سری سلول‌های شش ضلعی یا لانه زنبوری به هم پیوسته تشکیل شده است. این سلول‌ها با هم کار می‌کنند تا ساختاری قوی، سبک و سفت ایجاد کنند که قادر به تحمل بارهای سنگین است. در ادامه این مطلب از آلور فولاد به بررسی تاریخچه تیرآهن لانه زنبوری، فرایند تولید، کاربردها، انواع این تیرآهن، مزایا و معایب و سایر اطلاعات جزئی درمورد این مقطع فولادی می‌پردازیم.

تاریخچه تیرهای لانه زنبوری

تاریخچه تیرهای لانه زنبوری به زمان جنگ جهانی دوم برمی‌گردد. در آن زمان، جهان با کمبود منابع فولادی مواجه بود و به همین دلیل مهندسان به دنبال راهکارهای صرفه‌جویی در استفاده از فولاد بودند. در این شرایط، ایده استفاده از تیرهای لانه زنبوری به وجود آمد. این تیرهای لانه زنبوری با وزن کم، بازدهی بالا و استحکام قوی تولید می‌شدند و استفاده از آن‌ها بسیار مقرون به صرفه به نظر می‌رسید. تیرهای لانه زنبوری به عنوان یک نوآوری در زمینه ساختمان‌سازی، سریعاً به محبوبیت رسیدند. با استفاده از این تیرها، می‌توان برای ساخت سازه‌ها و سقف‌ها از مصالح کمتری استفاده کرد و در عین حال استحکام و سختی لازم را ارائه داد. طرح ساختار داخلی این تنوع تیرآهن بر اساس شیوه‌های هندسی معینی است که به آن‌ها قدرت و مقاومت می‌بخشد. این تیرها در بسیاری از ساختمان‌ها، پل‌ها و سقف‌ها استفاده می‌شوند و به دلیل خواص مکانیکی برتری که دارند، به طور گسترده در صنعت ساخت و ساز مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین، این مقاطع به دلیل کاهش وزن و هزینه‌های ساخت، به عنوان یک گزینه پایدارتر و دوست‌دار محیط زیست نسبت به روش‌های سنتی ساختمان‌سازی مورد توجه قرار می‌گیرند.

تیرآهن لانه زنبوری چیست؟

تیرآهن لانه زنبوری، یا همان CPE (castellated beam)، به عنوان یکی از انواع تیرآهن در صنعت ساخت و ساز شناخته می‌شود. این نوع تیرآهن دارای ساختاری با حفره‌های توخالی است که شبیه به لانه زنبور است. به همین دلیل به این محصول، تیرآهن لانه زنبوری یا تیرآهن شبکه نیز گفته می‌شود.

اما ممکن است سوال بسیاری از افراد این باشد که چرا تیر را لانه زنبوری می‌کنند؟

هدف اصلی از ساخت تیرآهن لانه زنبوری این است که با حفظ استحکام و پایداری، امکان تحمل بار بیشتری را داشته باشد. ساختار توخالی و لانه زنبوری تیر، وزن تیر را کاهش می‌دهد و در عین حال استحکام آن را بهبود می‌بخشد. این ساختار، تیر را قادر می‌سازد تا بارهای خمشی را به صورت مؤثرتری تحمل کند و به عنوان یک عنصر سازه‌ای با کارایی بالا عمل کند. تیرآهن لانه زنبوری عموماً در ساختمان‌ها و پل‌ها به کار می‌رود و استفاده‌های متنوعی دارد. این تیرها به دلیل سبکی و استحکام بالا، مناسب برای سازه‌های بلند و باربری‌های سبک و سنگین هستند. همچنین، این نوع تیرآهن می‌تواند در اجزای ساختمانی مانند سقف‌ها، نمای خارجی، فضاهای باز و انواع قاب‌ها استفاده شود. در نهایت، تیرآهن لانه زنبوری به دلیل ساختار منحصر به فرد و قابلیت تحمل بارهای خمشی بیشتر، انتخاب مناسبی برای پروژه‌های ساختمانی مختلف است.

فرآیند تولید تیرآهن لانه زنبوری

فرآیند تولید تیرآهن لانه زنبوری شامل مراحل نورد است. در کارخانه‌های تولید تیرآهن از دو روش نورد سرد و نورد گرم برای تولید این محصول استفاده می‌شود.

1. روش سرد (روش کوپال):
   در این روش، ابتدا بر روی تیرآهن خطوط ترسیم شده را با استفاده از گیوتین شش‌ضلعی برش می‌دهند. سپس تیرآهن بلافاصله به دمای موم‌سانی یا نرم‌شوندگی بالا می‌رسد و از میان غلتک‌های مختلف عبور می‌کند. غلتک‌ها تحت فشار زیادی قرار داده می‌شوند تا شکل خروجی آن‌ها به‌صورت لانه زنبوری شکل گیرد. در نهایت، تیرآهن لانه زنبوری تولید شده است.
2. روش گرم (روش نوبل):
   در این روش، ابتدا برای تعیین محل برش، خال جوش روی خطوط ترسیم شده بر روی تیرآهن ایجاد می‌شود. سپس قسمت بالا و پایین تیرآهن به اندازه‌ی یک دندانه جابه‌جا می‌شود و لبه‌های بالا و پایین آن بر روی هم قرار می‌گیرند. سپس برای تقویت تیرآهن، حفره‌ها با ورق پر می‌شوند. این روش به دلیل مقرون به صرفه بودن نسبت به روش سرد، بین تولیدکنندگان پرطرفدارتر است.

کاربرد تیرآهن لانه زنبوری

تیرهای لانه زنبوری در صنعت و ساخت و ساز کاربردهای گسترده‌ای دارند. این تیرها در موارد زیر استفاده می‌شوند:

1. قاب‌های لنگرگیر و مهاربندی شده: تیرآهن لانه زنبوری برای ساخت قاب‌های لنگرگیر و مهاربندی شده در ساختمان‌ها استفاده می‌شوند. این قاب‌ها برای تقویت سازه و افزایش استحکام و پایداری ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرند.
2. تیرهای با مقاطع ظاهری یکنواخت یا متغیر: تیرآهن لانه زنبوری با مقاطع ظاهری یکنواخت یا متغیر در قاب‌های صفحه‌ای با تیرهای شیب دار استفاده می‌شوند. این تیرها به عنوان عناصر اصلی قاب‌ها برای تحمل بارهای ساختمانی و انتقال آن‌ها به ستون‌ها و سایر عناصر سازه استفاده می‌شوند.
3. تیرهای شبکه‌های تک‌لایه فضاکار: تیرهای لانه زنبوری در سازه‌های فضاکار و سقف‌های باز، به عنوان عناصر سازه‌ای استفاده می‌شوند. این تیرآهن با مقاطع شبکه‌ای تک‌لایه برای ایجاد سازه‌های باز با استحکام و پایداری بالا به کار می‌روند.
4. تیرچه‌ها و تیرهای مختلط در بتن: این مقاطع در ساختمان‌های بتنی، برای تقویت سازه و ایجاد ارتباط بین عناصر سازه استفاده می‌شوند. این تیرها به همراه تیرچه‌ها در ساخت بتن‌های مسلح استفاده می‌شوند.
5. تیرهای طولی یا عرضی عرشه پل‌ها: در ساخت پل‌ها، تیرهای لانه زنبوری در عرشه‌ها به صورت تیرهای طولی یا عرضی استفاده می‌شوند. این تیرها برای تحمل بارهای پل و انتقال آن‌ها به اجزای سازه مورد استفاده قرار می‌گیرند.
6. اعضا فشاری (ستون‌ها) و اعضا فشاری-خمشی (تیر-ستون‌ها): تیرهای لانه زنبوری برای ساخت اعضا فشاری مانند ستون‌ها و اعضا فشاری-خمشی مانند تیر-ستون‌ها استفاده می‌شوند.
7. تیرهای ماشین‌آلات ساختمانی: تیرهای لانه زنبوری در صنعت ماشین‌آلات ساختمانی نیز استفاده می‌شوند. این تیرها برای ساخت قطعات و اجزای ماشین‌آلات ساختمانی مانند جرثقیل‌ها، لیفتراک‌ها و سایر وسایل سنگین استفاده می‌شوند.

انواع تیرآهن لانه زنبوری از نظر شکل ظاهری

تیرهای لانه زنبوری می‌توانند با سوراخ‌های گوناگون از جمله شش ضلعی و دایره‌ای بریده شوند و مورد استفاده قرار بگیرند.

1. تیرآهن لانه زنبوری با سوراخ‌های شش ضلعی: برای ایجاد تیرها با جان باز به صورت شش ضلعی، عمل به صورت زیر انجام می‌شود:
   • در تیر اصلی برش طولی به صورت خطوط شکسته زیگزاگ ایجاد می‌شود.
   • قسمت بریده شده فوقانی با یک پله انتقال روی بخش بریده شده زیرین حرکت می‌کند.
   • دو قسمت به یکدیگر جوش می‌شوند و ایجاد یک تیر لانه زنبوری با سوراخ‌های متوالی در جان خود را می‌دهد.
   • ارتفاع تیر در این روش به اندازه ارتفاع برش زیگزاگ افزایش می‌یابد. در این روش، نیازی به مصالح اضافی در تیر نیست.
2. تیرهای لانه زنبوری با سوراخ‌های دایره‌ای: برای ایجاد تیرهایی با سوراخ‌های دایره‌ای، عمل به صورت زیر انجام می‌شود:
   • ابتدا تیر فولادی با الگوی برش نیم دایره‌ای در طول خط مرکزی آن بریده می‌شود.
   • سپس دو نیمه از مقطع نورد شده با انتقال بر روی هم قرار گرفته و به یکدیگر جوش داده می‌شوند.
   • در نهایت این فرآیند تیرهای لانه زنبوری با سوراخ‌های دایره‌ای را ایجاد می‌کند.

در هر دو روش، تیرهای لانه زنبوری با سوراخ‌های گوناگون می‌توانند استفاده شوند و به عنوان اجزای سازنده ساختمان‌ها و سقف‌ها مورد استفاده قرار بگیرند.

مزایا و معایب تیرآهن لانه زنبوری چیست؟

تیرآهن لانه زنبوری دارای مزایا و معایب خاصی هستند. در ادامه، مزایا و معایب استفاده از تیرهای لانه زنبوری را مرور می‌کنیم:

مزایا:

1. افزایش مدول مقطع و ممان اینرسی: با تبدیل تیرآهن معمولی به نوع لانه زنبوری، مدول مقطع و ممان اینرسی مقطع تیر افزایش می‌یابد. این مزیت باعث افزایش مقاومت خمشی تیرآهن می‌شود.
2. وزن سبک و اقتصادی: تیرهای لانه زنبوری به دلیل ساختار خاص خود، دارای وزن سبکی هستند. این ویژگی باعث کاهش بارهای افقی بر سازه و صرفه‌جویی در مصرف مصالح می‌شود.
3. فضاهای داخلی: در تیرهای لانه زنبوری، فضاهای داخلی جان تیر ایجاد می‌شود که می‌توان از آن‌ها برای عبور لوله‌های تاسیساتی و برق استفاده کرد. این امر باعث بهره‌برداری بهینه از فضاهای داخلی سازه می‌شود.

معایب:

1. کاهش ظرفیت برشی: یکی از معایب تیرهای لانه زنبوری، کاهش ظرفیت برشی تیر در ناحیه تکیه گاه پل به ستون است. برای جبران این نقص، معمولاً با ایجاد حفره‌ها نزدیک به تکیه گاه و پر کردن و جوشکاری آن‌ها، این ضعف را جبران می‌کنند.
2. نیاز به نیروی کار ماهر: ساخت تیرهای لانه زنبوری با رعایت استانداردهای کامل، نیاز به نیروی کار ماهر دارد. در غیر اینصورت، خطر خراب شدن تیر زیر بار وارد شده وجود دارد.

معایب مذکور برای تیرهای لانه زنبوری در صورت رعایت استانداردها و فنون ساخت مناسب قابل رفع است. با توجه به مزایا و معایب مطرح شده، استفاده از تیرهای لانه زنبوری بستگی به نیازها و شرایط خاص هر پروژه دارد.

علت تولید تیرآهن لانه زنبوری

تیرآهن لانه زنبوری با توجه به ویژگی‌های منحصر به فرد خود، در کاربردهای مختلفی استفاده می‌شود. از جمله دلایلی که تیر را به شکل لانه زنبوری تولید می‌کنند، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. افزایش دوام و مقاومت: ساختار لانه زنبوری تیرآهن باعث افزایش دوام و مقاومت آن در برابر بارها و تنش‌های مختلف می‌شود. شکل هندسی لانه زنبوری باعث توزیع بهینه بار و استحکام بالا در سازه می‌شود.
2. تطبیق‌پذیری: این نوع تیرآهن به دلیل ساختار خاص خود، قابلیت تطبیق با اشکال و ابعاد مختلف سازه‌ها را دارد. این امکان را به مهندسان و معماران می‌دهد که طرح‌ها و سازه‌های متنوعی را با استفاده از این تیرها طراحی و اجرا کنند.
3. وزن سبک: این مقطع فولادی به دلیل ساختار سلولی خود، دارای وزن سبکی است. این ویژگی باعث کاهش بارهای افقی بر سازه می‌شود و در نتیجه هزینه‌های سازه و بنا را کاهش می‌دهد.
4. کارایی در استفاده از مواد: با استفاده بهینه از مواد، تیرآهن زنبوری امکان ایجاد سازه‌های سبک و با کارایی بالا را فراهم می‌کند. این تیرها با استفاده از حداقل مقدار فلز به مقاومت و استحکام مورد نیاز سازه می‌رسند.
5. هزینه کمتر: به دلیل کاهش مصرف مواد و وزن سبک تیرآهن لانه زنبوری، هزینه ساخت و نصب سازه‌هایی که از این تیرها استفاده می‌کنند، کاهش می‌یابد. این امر به مالکان سازه‌ها کمک می‌کند تا در هزینه‌های ساخت و ساز صرفه‌جویی کنند.

به طور خلاصه، تیرآهن لانه زنبوری به دلیل افزایش دوام، تطبیق‌پذیری، وزن سبک، کارایی در استفاده از مواد و هزینه کمتر، به عنوان یک راه حل مورد استفاده قرار می‌گیرد و می‌تواند در طراحی و ساخت سازه‌های مختلف بهره‌وری و کارایی را افزایش دهد.

محدودیت‌های استفاده از تیرآهن لانه زنبوری

در استفاده از تیرآهن لانه زنبوری برخی محدودیت‌ها وجود دارد. مهمترین محدودیت‌های استفاده از تیرآهن لانه زنبوری عبارتند از:

1. تیرهای پل دو سر مفصل: در این نوع تیرآهن که نیاز به تیرهای فرعی با برش‌های زیاد روی جان آن‌ها است، استفاده از تیرآهن لانه زنبوری مناسب نخواهد بود. زیرا این مقاطع در ساختار خود سوراخ‌های متوالی دارند که ممکن است از نظر استحکام و پایداری برای این نوع استفاده مناسب نباشد.
2. اعضای باربر جانبی در قاب‌های خمشی: در برخی از قاب‌های خمشی معمولی، متوسط و ویژه، استفاده از این نوع تیرآهن مناسب نیست. این ممکن است به دلیل نیاز به استحکام و رفتار خمشی خاص در این اعضا باشد که تیرآهن زنبوری قادر به ارائه آن نیستند.
3. تیرهای دهانه‌های مهاربندی‌شده: در برخی از نواحی تیرهای مهاربندی‌شده همگرا یا واگرا، استفاده از این مقاطع مناسب نیست، زیرا تیرهای لانه زنبوری در ساختار خود دارای سوراخ‌های متوالی بوده که با توجه به نیاز به مهاربندی و انتقال نیروها، ممکن است قدرت کارکرد مهاربندی را کاهش دهند.

لازم به ذکر است که این محدودیت‌ها ممکن است در شرایط خاصی قابل اجتناب باشند و بسته به نیازهای سازه و استفاده احتمالی، می‌توان راهکارهای دیگری را برای استفاده از تیرهای لانه زنبوری در نظر گرفت. همچنین، توصیه می‌شود قبل از استفاده از تیرهای لانه زنبوری، با مهندسان و کارشناسان مربوطه مشورت کنید تا بهترین راهکار برای نیازهای خاص شما مشخص شود.

روش‌های تقویت تیرآهن لانه زنبوری

روش‌های مختلفی برای تقویت تیرآهن لانه زنبوری وجود دارند. در ادامه به برخی از این روش‌ها اشاره می‌کنیم:

1. استفاده از ورق‌های تقویتی: برای تقویت تیرهای لانه زنبوری، می‌توان در نواحی دچار تنش بیشتر، ورق‌های تقویتی قرار داد. این ورق‌ها می‌توانند با جوشکاری یا پیچ‌گیری به تیر متصل شوند و مقاومت آن را در برابر نیروهای برشی و خمشی افزایش دهند.
2. استفاده از فیلم‌های کامپوزیتی: فیلم‌های کامپوزیتی می‌توانند برای تقویت تیرهای لانه زنبوری استفاده شوند. این فیلم‌ها معمولاً از الیاف مقاوم مانند الیاف کربنی یا فیبرهای آرامید استفاده می‌کنند و با استفاده از رزین‌های قوی به تیر متصل می‌شوند.
3. استفاده از بتن تقویت شده با الیاف: با پرکردن فضاهای خالی در تیر با بتن تقویت شده با الیاف، می‌توان مقاومت و استحکام تیر را افزایش داد. الیاف مختلف مانند الیاف پلیمری، الیاف فولادی و الیاف شیشه‌ای می‌توانند در بتن استفاده شوند.
4. استفاده از پروفیل‌های فولادی تقویتی: پروفیل‌های فولادی قوی و مقاوم می‌توانند برای تقویت تیرهای لانه زنبوری استفاده شوند. این پروفیل‌ها معمولاً به صورت مستقیم به تیر متصل می‌شوند و مقاومت آن را در برابر نیروهای برشی و خمشی افزایش می‌دهند.
5. تغییر ساختار هندسی تیر: با تغییر ساختار هندسی تیرهای لانه زنبوری می‌توان مقاومت آن‌ها را افزایش داد. این شامل افزودن ریب‌ها، پروفیل‌های خارجی، میله‌های عمودی یا افزودن قسمت‌های تقویتی است.

مهم است که در هنگام تقویت تیرهای لانه زنبوری، استانداردها و فنون ساخت صحیح رعایت شوند تا از خطر خرابی تیرها زیر بار جلوگیری شود. همچنین، نیاز به نیروی کار ماهر برای انجام این فرآیندها و استفاده از تجهیزات مناسب نیز وجود دارد.

انواع سایز تیرآهن لانه زنبوری

در بازار، تیرآهن‌های لانه زنبوری (CPE) با اندازه‌ها و سایزهای مختلف قابل تهیه است. معمولاً این تیرها در سایزهای 14، 16، 18، 20، 22 و 24 عرض و ارتفاع 1.5 برابر تیرهای آهن معمولی قابل تهیه هستند. ضخامت تیرهای لانه زنبوری معمولاً در 2، 2.5 و 3 میلی‌متر بوده و عرض آن‌ها معمولاً 1 و 1.5 متر است. در عمل، ممکن است محدوده‌ سایزها و ابعاد تیرآهن‌های لانه زنبوری بین کشورها و تولیدکنندگان متفاوت باشد. با این حال در سال‌های اخیر استفاده از دیگر انواع تیرآهن مانند تیرآهن معمولی (IPE) و تیرآهن هاش بسیار مرسو‌م‌تر بوده که برای سفارش این نوع از تیرآهن٬ها می‌توانید با کارشناسان آلور فولاد تماس گرفته و قیمت روز تیرآهن هاش و قیمت تیرآهن ipe را دریافت نمایید.

سخن پایانی

در انتها تیرآهن لانه زنبوری نشان دهنده یک راه حل ساختاری نوآورانه و کارآمد است. پیکربندی سلول شش ضلعی منحصر به فرد آن استحکام، وزن سبک، جذب انرژی و خواص عایق را فراهم می‌کند. در حالی که هنگام استفاده از تیرهای لانه زنبوری چالش‌هایی وجود دارد، مزایای بالقوه‌ آن‌ها، این تیرها را به انتخابی قانع کننده برای مهندسان و طراحان تبدیل کرده است. همانطور که ما به کشف احتمالات جدید در مهندسی سازه ادامه می‌دهیم، تیرآهن لانه زنبوری به عنوان گواهی بر نبوغ انسان و پیگیری طرح‌های بهتر و کارآمدتر است.