تیرآهن لانه زنبوری چیست؟ روش ساخت + تقویت

تیرآهن لانه زنبوری یا تیرآهن شبکه، نوعی پروفیل فولادی بسیار پرکاربرد در صنعت ساخت و ساز است. نام‌گذاری این تیرآهن به‌خاطر شکل ظاهری آن پس از فرآیند تولید است؛ فرآیندی که شامل برش و جوشکاری مجدد تیرآهن اولیه می‌شود. در این فرآیند، بدنه تیرآهن به گونه‌ای برش داده می‌شود که پس از جوشکاری، حفره‌های توخالی متعددی در طول آن ایجاد شود. این حفره‌ها شباهت بسیاری به ساختار لانه زنبور دارند و از این رو، این نوع تیرآهن به لانه زنبوری مشهور شده است. 

تنوع در شکل هندسی این حفره‌ها از ویژگی‌های مهم تیرآهن‌های لانه زنبوری است و می‌توان آن‌ها را در اشکال گوناگونی مانند شش‌ضلعی، دایره‌ای و اشکال دیگر یافت. به‌طور معمول، تیرآهن‌های لانه زنبوری در سازه‌های فلزی با کاربردهای مهندسی مشخص مورد استفاده قرار می‌گیرند و طول آن‌ها بر اساس همین کاربردها تعیین می‌گردد. با این حال، طول استاندارد این تیرآهن‌ها معمولاً در محدوده 12 متر بوده و ارتفاع آن‌ها تقریباً 1.5 برابر بیشتر از تیرآهن‌های معمولی با طول مشابه است. در ادامه این مقاله، با میهن فولاد همراه باشید تا به‌صورت کامل این نوع تیرآهن را مورد بررسی قرار دهیم.

تاریخچه تیرآهن لانه زنبوری

تاریخچه تیرآهن لانه زنبوری به اوایل قرن بیستم میلادی بازمی‌گردد. در سال 1910، فردی به نام هورتن این نوع تیرآهن را ابداع کرد. به همین دلیل، نام اولیه این تیرآهن در برخی منابع به نام تیرآهن هورتن نیز ثبت شده است.  با این حال، نام لانه زنبوری به‌خاطر شکل ظاهری خاص آن، به سرعت رایج‌تر شد.

اگرچه ابداع این نوع تیرآهن به اوایل قرن بیستم برمی‌گردد، اما استفاده گسترده از آن تا دهه‌های 1950 میلادی به تعویق افتاد. پس از جنگ جهانی دوم، جهان با کمبود منابع فولادی مواجه شد. در این شرایط، تیرآهن لانه زنبوری مورد توجه قرار گرفت. این نوع تیرآهن با وجود وزن کمتر، از استحکام بسیار خوبی برخوردار بود. همچنین، قیمت تمام‌شده آن در مقایسه با تیرآهن‌های معمولی، مقرون‌به‌صرفه‌تر بود. 

در زبان انگلیسی، تیرآهن لانه زنبوری با نام‌های Honeycomb Beam و Castellated Beam شناخته می‌شود.  نام Castellated Beam به معنای تیرآهن کنگره‌ای است. این نام‌گذاری به دلیل شباهت لبه‌های دندانه‌دار تیرآهن پس از برش و جوشکاری، به کنگره‌های قلعه‌ها صورت گرفته است. هر دو نام Honeycomb Beam و Castellated Beam در صنعت ساختمان‌سازی انگلستان و سایر کشورهای انگلیسی‌زبان، به‌صورت رایج برای اشاره به این نوع تیرآهن مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مقاومت تیرآهن لانه زنبوری

 شکل خاص این تیرآهن‌ها، با حفره‌های توخالی در جان، خصوصیاتی متفاوتی در مقایسه با تیرآهن‌های معمولی ایجاد می‌کند. مطالعات اولیه‌ی مقاومت تیرآهن‌های لانه زنبوری، به دهه‌ی 1940 میلادی باز می‌گردد و عمدتاً بر تحلیل رفتار این تیرآهن‌ها تحت بارهای استاتیکی متمرکز بود. بارهای استاتیکی، نیروهای ثابتی هستند که به تدریج به سازه وارد می‌شوند و در طول زمان تغییر چندانی نمی‌کنند. 

 نتایج این تحقیقات اولیه، پایه‌ای برای شناخت رفتار این مقاطع فولاد آلیاژی فراهم آورد و مسیر را برای مطالعات تکمیلی هموار ساخت. با گذشت زمان و پیشرفت دانش مهندسی، تحقیقات گسترده‌تری برای بررسی دقیق‌تر مقاومت تیرآهن‌های لانه زنبوری انجام شده است.  این تحقیقات، جنبه‌های مختلفی از جمله مقاومت خمشی، مقاومت برشی و پایداری این تیرآهن‌ها را در شرایط گوناگون بارگذاری مورد ارزیابی قرار داده‌اند. 

روش‌های ساخت و تولید تیرآهن لانه زنبوری

روش‌های ساخت و برش تیرآهن لانه زنبوری، فرآیندهای تخصصی هستند که طی آن‌ها، تیرآهن‌های معمولی به مقاطع لانه زنبوری تبدیل می‌شوند. در ابتدا، از همان تیرآهن‌های رایج در بازار به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود. تولید این نوع تیرآهن، با ایجاد طرحی خاص روی جان تیرآهن آغاز می‌گردد. این مدل، معمولاً با استفاده از طرح‌های دقیق و به شکل شش‌ضلعی شکل داده می‌شود. برای حفظ پایداری و جلوگیری از تغییر شکل تیرآهن در حین برش، آن را به یک شاسی افقی و مستحکم مهار می‌کنند.

مرحله‌ی اصلی ساخت تیرآهن لانه زنبوری، برش جان تیرآهن مطابق با طرح از پیش تعیین شده است. این برشکاری، عمدتاً با دو روش اصلی انجام می‌شود: روش سرد و روش گرم. در روش سرد، که به روش کوپال نیز معروف است، از یک دستگاه سنگین و گیوتین‌مانند استفاده می‌شود. این دستگاه با ضربه‌ای ناگهانی و قدرتمند، خطوط شش‌ضلعی ترسیم شده را برش می‌دهد و فرآیند شکل‌دهی اولیه را تکمیل می‌کند. 

در مقابل، روش گرم یا برنول از حرارت برای برشکاری بهره می‌برد. در این روش، ابتدا با ایجاد خال‌جوش‌های کوچک در امتداد خطوط برش، مسیر برش مشخص می‌گردد. سپس، با استفاده از شعله‌ی قدرتمند گاز اکسیژن و استیلن، خطوط مشخص شده به دقت بریده می‌شوند. پس از برشکاری به روش گرم، قطعات جدا شده‌ی تیرآهن به گونه‌ای جابجا می‌شوند که لبه‌های دندانه‌دار آن‌ها در مقابل یکدیگر قرار گیرند و شکل شش‌ضلعی پدیدار شود. این لبه‌ها با دقت و مهارت جوش داده می‌شوند تا تیرآهن لانه زنبوری شکل خود را به دست آورد.  

تقویت لانه زنبوری

وجود حفره‌ها در جان این تیرآهن‌ها، اگرچه به کاهش وزن و افزایش ارتفاع مقطع کمک می‌کند، اما می‌تواند نقاط ضعفی را نیز ایجاد نماید. برای رفع این نقاط ضعف و ارتقاء عملکرد این مقاطع فولادی، روش‌های مختلفی برای تقویت تیرآهن لانه زنبوری ابداع شده است.برای مثال، می‌توان به روش‌های زیر اشاره کرد:

تقویت با استفاده از ورق فولادی

یکی از روش‌های متداول برای تقویت تیرآهن‌های لانه زنبوری، استفاده از ورق فولادی است. در برخی موارد، تیرآهن‌های لانه زنبوری علاوه‌بر تنش‌های اصلی، تحت تاثیر تنش‌های خمشی نیز قرار می‌گیرند. این تنش‌های اضافی می‌توانند عملکرد تیرآهن و سازه را مختل کنند. برای مقابله با این مشکل، پیشنهاد می‌شود که حفره‌های کناری تیرآهن، به‌خصوص در محل‌هایی که تیرآهن به صورت یکسره مورد استفاده قرار می‌گیرد، با ورق‌های فولادی پر شوند. این کار، از تمرکز تنش در این نواحی جلوگیری کرده و مقاومت خمشی تیرآهن را بهبود می‌دهد. 

تقویت با بتن و فولاد در محل تکیه‌گاه

محل‌های تکیه‌گاه تیرآهن‌های لانه زنبوری، نقاطی هستند که بیشترین میزان نیروی برشی و لنگر خمشی را تجربه می‌کنند. تمرکز این نیروها در تکیه‌گاه‌ها، می‌تواند باعث افزایش تنش‌های خمشی و در نتیجه، کاهش پایداری و ایمنی سازه شود. برای تقویت این نقاط، به‌صورت همزمان از بتن و فولاد استفاده می‌شود. پر کردن حفره‌های تیرآهن در نواحی تکیه‌گاهی با بتن، علاوه‌بر افزایش مقاومت فشاری مقطع، سختی و صلبیت آن را نیز بهبود می‌دهد. همچنین، استفاده از میلگردهای فولادی در داخل بتن، باعث افزایش مقاومت کششی و برشی ناحیه تکیه‌گاه می‌شود.

مزایا و معایب تیرآهن لانه زنبوری

مزایا و معایب تیرآهن شبکه شامل:

مزایا

1. افزایش مقاومت خمشی: تغییر شکل تیرآهن معمولی به لانه زنبوری، ممان اینرسی و مدول مقطع را افزایش می‌دهد. این افزایش، به معنای مقاومت خمشی بالاتر و توانایی تحمل بارهای سنگین‌تر است. 
2. صرفه‌جویی اقتصادی: با وجود استحکام بالا، تیرآهن لانه زنبوری نسبت به تیرآهن‌های معمولی هم‌وزن، سبک‌تر است. 
3. فضای عبور تاسیسات: حفره‌های موجود در جان تیرآهن شبکه، فضایی مناسبی برای عبور لوله‌های تاسیسات مکانیکی و برقی فراهم می‌کنند. در واقع، نیاز به اجرای جداگانه تاسیسات و ایجاد بازشو در سایر اجزای سازه را کاهش می‌دهد. 
4. تطبیق‌پذیری با طرح‌های متنوع: این تیرآهن‌ها در اشکال متنوعی تولید می‌شوند.
5. تحمل بار زیاد: به دلیل افزایش ارتفاع و مقاومت خمشی، این تیرآهن‌ها توانایی تحمل بارهای سنگین را دارند. به همین دلیل، برای استفاده در سازه‌های بزرگ و دهانه‌های وسیع مناسب هستند.

معایب

1. کاهش مقاومت برشی: حفره‌های موجود در جان تیرآهن، نقطه ضعف اصلی آن محسوب می‌شوند. این حفره‌ها، مقاومت برشی تیرآهن را به ویژه در محل اتصال پل به ستون کاهش می‌دهند.
2. استانداردهای تولید دقیق: تولید این تیرآهن نیازمند رعایت دقیق استانداردهای ساخت و جوشکاری است. 
3. ایمنی و ضریب اطمینان پایین‌تر: در مقایسه با سایر مقاطع فولادی، تیرآهن‌های لانه زنبوری به طور کلی ضریب اطمینان پایین‌تری دارند. این موضوع، به دلیل ساختار خاص و حساسیت آن‌ها به روش‌های تولید و نصب است. 

کاربرد‌ها و موارد استفاده از تیرآهن لانه زنبوری

کاربردهای اصلی تیرآهن لانه زنبوری را می‌توان در دو دسته کلی ستون‌ها و عناصر سقفی جای داد. در بخش ستون، تیرآهن‌های شبکه برای سازه‌هایی با ارتفاع زیاد و بارهای سنگین به‌کار می‌روند. همچنین، در سیستم‌های سقفی، تیرآهن‌ها به عنوان تیرهای اصلی و فرعی به کار می‌روند. ارتفاع بیشتر این تیرآهن‌ها نسبت به تیرآهن‌های معمولی، امکان ایجاد دهانه‌های وسیع‌تر و کاهش تعداد ستون‌های میانی را فراهم می‌سازد. این امر، به نوبه خود، فضاهای بازتر و انعطاف‌پذیرتری را در طراحی داخلی ساختمان‌ها ایجاد می‌کند.

در ایران، با توجه به رواج سیستم سقف تیرچه و بلوک، از تیرآهن لانه زنبوری به صورت مدفون در بتن استفاده می‌شود.  این روش، با استفاده از بتن و فولاد، نقاط ضعف تیرآهن شبکه مانند مقاومت برشی پایین را تا حد زیادی جبران می‌کند. بتن، با احاطه کردن تیرآهن، از کمانش موضعی و پیچشی آن جلوگیری کرده و عملکرد آن را در برابر بارهای مختلف بهبود می‌دهد. علاوه‌بر کاربردهای اصلی ذکر شده، تیرآهن‌های لانه زنبوری در ساخت طاق‌های قوسی، سیستم‌های فضایی، راه پله‌ها، پل‌سازی و حتی در بخش کشاورزی و ساخت مزارع نیز به کار گرفته می‌شوند. 

در آخر، لازم به ذکر است که در نظر گرفتن مزایا و معایب گفته شده توجه داشت تا بهترین تصمیمات را در پروژه‌ها بگیرید. در این مقاله سعی کردیم شما را با صفر تا صد تیرآهن لانه زنبوری یا شبکه آشنا کنیم. همچنین، شما می‌توانید برای مشاوره تخصصی و یا استعلام قیمت تیرآهن با کارشناسان ما تماس بگیرید.

سوالات متداول

1. تیرآهن لانه زنبوری چیست؟
   تیرآهن شبکه یا لانه زنبوری، نوعی پروفیل فولادی بوده و دارای یک فرآیند که شامل برش و جوشکاری مجدد تیرآهن اولیه می‌شود، است. در این فرآیند، بدنه تیرآهن طوری برش داده می‌شود که پس از جوشکاری، حفره‌های توخالی متعددی در طول آن ایجاد شود. این حفره‌ها شباهت بسیاری به ساختار لانه زنبور دارند. 
2. چطور می‌توان تیرآهن شبکه را تقویت کرد؟
   تقویت با استفاده از ورق فولادی و تقویت با بتن و فولاد در محل تکیه‌گاه.
3. کاربرد‌های تیرآهن‌های لانه زنبوری کدامند؟
   در دو دسته کلی ستون‌ها و عناصر سقفی کاربرد دارند. در ایران، با توجه به رواج سیستم سقف تیرچه و بلوک، این تیرآهن‌ها به صورت مدفون در بتن استفاده می‌شوند.