قاب خمشی سوله | مفاهیم، ویژگی‌ها، طراحی و کاربردها

قاب خمشی سوله؛ مفاهیم، ویژگی‌ها، طراحی و کاربردها

مقدمه

قاب خمشی سوله یکی از پرکاربردترین و اساسی‌ترین سیستم‌های سازه‌ای در طراحی و اجرای سوله‌ها، سالن‌های صنعتی، انبارها و ساختمان‌های فلزی سبک و سنگین محسوب می‌شود. این سیستم به دلیل توانایی بالا در تحمل بارهای جانبی و ثقلی، انعطاف‌پذیری سازه‌ای، سهولت اجرا و کاهش هزینه‌های ساخت، جایگاه ویژه‌ای در صنعت ساختمان دارد. در سال‌های اخیر، با توجه به گسترش نیاز به فضاهای صنعتی و تولیدی، انتخاب سیستم سازه‌ای مناسب اهمیت بیشتری یافته است. در این میان قاب خمشی به دلیل عملکرد ارتجاعی و تأمین نیازهای لرزه‌ای، گزینه‌ای ایده‌آل در بسیاری از پروژه‌هاست.

قاب خمشی سوله چیست؟

قاب خمشی یا Moment Frame سیستمی است که اعضای تیر و ستون آن به گونه‌ای به یکدیگر متصل می‌شوند که قادر به تحمل و انتقال ممان‌های خمشی باشند. برخلاف سیستم‌های ساده که اتصالات آن‌ها مفصلی عمل می‌کند، در قاب خمشی اتصالات صلب بوده و توانایی انتقال لنگر، نیروهای برشی و فشاری-کششی را دارند. نتیجه اینکه، قاب خمشی در برابر نیروهای جانبی ناشی از باد یا زلزله عملکرد بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد و تغییر شکل سازه را کاهش می‌دهد.

در سوله‌ها، قاب خمشی معمولاً به صورت قاب‌های یک دهانه یا چند دهانه با شکل شیروانی اجرا می‌شود. در این نوع سازه‌ها، سقف شیبدار موجب انتقال بهتر بارها به ستون‌ها و فونداسیون شده و عملکرد کلی سازه را بهبود می‌بخشد.

اجزای اصلی قاب خمشی سوله

1. ستون‌ها (Columns):
   ستون‌ها نقش انتقال عمودی بارها به فونداسیون را بر عهده دارند و همچنین در برابر نیروهای جانبی مقاومت می‌کنند. در سوله‌ها معمولاً ستون‌ها در پایین مقطع بزرگ‌تر و در بالا مقطع کوچکتری دارند تا صرفه‌جویی اقتصادی حاصل شود.

2. تیرها یا رف‌ترها (Rafters):
   تیرهای شیبدار که فرم سقف را ایجاد می‌کنند و بار سقف را به ستون‌ها انتقال می‌دهند. این تیرها باید در برابر خمش ناشی از بارها عملکرد مناسبی داشته باشند.

3. اتصالات صلب:
   نقطه اتصال تیر به ستون در قاب خمشی باید صلب باشد تا امکان انتقال ممان خمشی فراهم گردد. انواع اتصالات صلب شامل ورق روسری، ورق زیرسری، سخت‌کننده‌ها و ورق‌های جان است.

4. مهاربندی عرضی جانبی:
   هرچند قاب خمشی به تنهایی قادر به تحمل بارهای جانبی است، اما برای پایداری جانبی در دهانه‌های بزرگ، مهاربندهای سقفی و دیواری نیز به صورت مکمل به کار می‌روند.

5. فونداسیون:
   فونداسیون‌های نواری یا منفرد وظیفه انتقال بار ستون‌ها به زمین را بر عهده دارند. در سوله‌های بزرگ از فونداسیون‌های یکپارچه استفاده می‌شود.

انواع قاب خمشی سوله

قاب خمشی را می‌توان بر اساس عملکرد لرزه‌ای و نوع اتصالات به دسته‌های زیر تقسیم کرد:

۱. قاب خمشی معمولی (OMF)

قاب خمشی معمولی دارای انعطاف‌پذیری کمتر و شکل‌پذیری محدود است و بیشتر در مناطق با خطر لرزه‌ای کم استفاده می‌شود. هزینه ساخت آن پایین‌تر بوده و برای سوله‌های سبک مناسب است.

۲. قاب خمشی متوسط (IMF)

در قاب خمشی متوسط، سختی و شکل‌پذیری افزایش یافته و اتصالات تقویت‌شده‌تری استفاده می‌شود. این نوع برای مناطق با خطر لرزه‌ای متوسط کاربرد دارد.

۳. قاب خمشی ویژه (SMF)

قاب خمشی ویژه دارای بالاترین سطح شکل‌پذیری و تحمل انرژی لرزه‌ای است. در مناطق با زلزله‌خیزی زیاد و پروژه‌هایی که نیازمند ایمنی بالا هستند، از این نوع استفاده می‌شود. اتصالات در این سیستم از لحاظ جوش و ورق‌های تقویتی بسیار دقیق طراحی می‌شوند.

مزایا و معایب قاب خمشی سوله

مزایا

معایب

• هزینه بالاتر در مقایسه با سازه‌های ساده مهاربندی‌ شده

• نیاز به دقت بالا در طراحی و اجرای اتصال‌ها

• حساسیت بیشتر به کیفیت جوش و کنترل‌های غیرمخرب

مقایسه قاب خمشی و قاب مهاربندی شده در سوله

مبانی طراحی قاب خمشی

طراحی قاب خمشی باید بر اساس استانداردها و آئین‌نامه‌های معتبر مانند آیین‌نامه ۲۸۰۰ ایران، مبحث دهم و دوازدهم مقررات ملی ساختمان، AISC و ASCE انجام گیرد. فرآیند طراحی شامل مراحل زیر است:

1. بارگذاری ثقلی و جانبی

   • بار مرده: وزن سازه و پوشش‌ها

   • بار زنده: بار تجهیزات، بار رفت و آمد

   • بار باد: بر اساس منطقه بادخیز

   • بار زلزله: بر اساس شتاب مبنای طرح

2. تحلیل سازه
   استفاده از نرم‌افزارهایی مانند SAP2000، ETABS یا TEKLA برای تحلیل قاب و بررسی خمش، برش و جابجایی‌های جانبی.

3. طراحی اتصالات
   انتخاب ورق‌های تقویتی، ابعاد جوش، سخت‌کننده‌ها و محاسبه ظرفیت اتصالات
   مهم‌ترین بخش در قاب خمشی، کنترل اتصال تیر به ستون است.

4. کنترل پایداری جانبی و مقاومت
   کنترل کمانش جانبی اعضا و استفاده از مهاربندهای جانبی برای جلوگیری از ناپایداری.

5. طراحی فونداسیون
   انتقال بار ستون‌ها به خاک باید با توجه به تنش مجاز و نوع زمین انجام شود.

استفاده از مقاطع بهینه در قاب خمشی سوله

برای کاهش وزن و هزینه ساخت، معمولاً از مقاطع باکسی یا مقاطع متغیر H شکل جوش‌شده (سازه‌های سوله‌سازی) استفاده می‌شود. این مقاطع در ناحیه نزدیک به تکیه‌گاه‌ها ضخیم‌تر بوده و در وسط دهانه نازک‌تر هستند که علاوه بر حفظ مقاومت، صرفه‌جویی اقتصادی ایجاد می‌کند.

اجرای قاب خمشی سوله

اجرای سوله‌ها شامل مراحل زیر است:

1. ساخت قطعات سوله در کارخانه

2. حمل قطعات به محل پروژه

3. نصب ستون‌ها و تیرها با جرثقیل

4. اجرای جوشکاری و پیچ‌ و مهره‌ها

5. نصب مهاربندهای سقفی و دیواری

6. پوشش سقف، دیوار و کف‌سازی

7. کنترل نهایی و بهره‌برداری

کاربردهای قاب خمشی سوله

قاب خمشی به دلیل وجود دهانه‌های بزرگ و امکان ایجاد فضای داخلی بدون مانع، در صنایع زیر بسیار پرکاربرد است:

• سوله‌های صنعتی و تولیدی

• انبارها و سردخانه‌ها

• سالن‌های ورزشی

• نمایشگاه‌ها و مراکز همایش

• کارگاه‌ها و کارخانه‌های ماشین‌آلات

• پارکینگ‌های طبقاتی فلزی

• مرغداری‌ها و دامداری‌ها

چرا قاب خمشی برای سوله مناسب است؟

در پروژه‌هایی که دهانه بزرگ، ارتفاع زیاد و نیاز به فضاهای کارگاهی بدون ستون وسط وجود دارد، قاب خمشی بهترین گزینه است. علاوه بر این، در مناطق زلزله‌خیز آمادگی لرزه‌ای قاب خمشی موجب افزایش ایمنی می‌شود. همچنین امکان افزایش دهانه‌ها یا تعویض اتصالات در آینده، قابلیت توسعه‌پذیری پروژه را بیشتر می‌کند.

تحلیل قاب های خمشی فولادی

جمع‌بندی

قاب خمشی سوله یکی از مناسب‌ترین سیستم‌های سازه‌ای برای ایجاد فضاهای صنعتی، تجاری و ورزشی است. این سیستم با تکیه بر اتصالات صلب، توانایی بالایی در تحمل بارهای جانبی داشته و شکل‌پذیری مناسبی در برابر زلزله ارائه می‌دهد. اگرچه هزینه اولیه طراحی و اجرای آن نسبت به سیستم‌های ساده بیشتر است، اما کاربردهای گسترده، دوام بالا و امکان ایجاد دهانه‌های بزرگ، این هزینه را توجیه می‌کند. انتخاب دقیق نوع قاب خمشی، طراحی صحیح اتصالات و نظارت بر اجرای جوشکاری، سه فاکتور کلیدی برای تضمین عملکرد مطلوب این سیستم در سوله‌ها است.

مثال واقعی محاسباتی — طراحی اولیه ستون در قاب خمشی سوله

مشخصات پروژه:

• دهانه: ۲۴ متر

• ارتفاع کنار: ۸ متر

• شیب سقف: ۱۰٪

• بار باد: ۹۰ kg/m²

• بار برف: ۵۰ kg/m²

• بار مرده + زنده سقف: ۶۰ kg/m²

محاسبه بار کل سقف روی یک قاب:

$$بارکل=(بارمرده+بارزنده+باربرف+بارباد)\times مساحتسقف$$ $$بارکل=(\mathrm{۶۰}+\mathrm{۵۰}+\mathrm{۹۰})\times (\mathrm{۲۴}\times \mathrm{۸})=\mathrm{۲۰۰}\times \mathrm{۱۹۲}=\mathrm{۳۸۴۰۰}kg$$

تقسیم بار بین دو ستون قاب:

$$۳۸۴۰۰/۲=\mathrm{۱۹۲۰۰}kg$$

بار محوری تقریبی ستون:

N≈19200cos⁡(۱۰°)≈۱۹۵۰۰ kgN \approx \frac{19200}{\cos(10°)} \approx 19500 \ kgN≈cos(۱۰°)۱۹۲۰۰​≈۱۹۵۰۰ kg

با توجه به ضرایب ایمنی و ضریب زلزله:

مقطع مناسب پیشنهادی ستون:
➡ H با جان ۸ میلی‌متر و بال ۲۰ میلی‌متر — ارتفاع متغیر ۴۵۰ تا ۷۰۰ میلی‌متر