وزن واحد سطح سوله ها
چکیده: در این مقاله سعی شده است عوامل تعیین کننده در وزن ساختمانهای صنعتی در دو گروه عوامل محدود کننده و عوامل سلیقه ای مورد بررسی قرار گرفته و از آن نتیجه گیری شود که آیا ما مجاز هستیم دو قاب صنعتی را که ظاهراً از نظر دهانه یا ارتفاع و یا تناژ جرثقیل مشابه هم هستند با هم از نظر وزن واحد سطح سوله طراحی شده مقایسه نماییم یا نه و اصولاٌ آیا میتوان پیش از طراحی یک سوله پیشبینی نمود که وزن تقریبی آن چقدر خواهد شد و اگر چنین است چه عواملی را باید در آن پیش بینی مد نظر قرار داد.
مقدمه:گاهی اوقات از برخی مهندسین و یا سازندگان سوله وهمچنین از زبان برخی کارفرمایان شنیده میشود که اگر وزن واحد سطح سوله ای از مثلاً 30 کیلوگرم بر متر مربع بیشتر شود، محاسبات آن سنگین و طرح غیر اقتصادی میباشد و یا وزن و ابعاد ورقهای یک سوله را با سوله ای دیگر مقایسه میکنند.در این مقاله سعی در بررسی این نظرات داریم و اینکه تا چه حد این گفته ها منطقی و فنی میباشند و میخواهیم یک بررسی کلی بر عواملی که طراحان برای سبکسازی سوله ها باید در نظر بگیرند انجام دهیم . عوامل را به دو گروه محدود کننده و سلیقه ای تقسیم بندی میکنیم:
عوامل محدود کننده مجموعه شرایط ، محدودیتها و بایدهایی هستند که بر طرح حاکمند و طراح در تعیین آنها نقشی ندارد ومعمولاٌ توسط کارفرما به طراح ابلاغ میشود. مانند ارتفاع سوله یا تراز جرثقیل یا محل احداث سوله و ... .
عوامل سلیقه ای عواملی هستند که در شکل کلی و عملکرد سازه نقش دارند اما به سلیقه طراح انتخاب میشوند و قابل تغییر هستند مثل شیب سقف سوله ، طرح کلی سوله ، ابعاد جان مقاطع ، محل استقرار کلافهای طولی و ... .
1- عوامل محدود کننده:
1-1- ارتفاع ستونها : ارتفاع ستونها از سه حیث درتعیین وزن واحد سطح سوله ها موثرند بنابراین میتوان گفت اولین و مهمترین موضوع در بحث وزن سوله ارتفاع آن میباشد :
1-1-1- هر چه ارتفاع سوله ای بیشتر باشد باد بیشتری به آن فشار می آورد (با افزایش چشمه باربر) و ممکن است مقاطع آن سنگین تر گردد.
1-1-2- بدیهی است که با افزایش ارتفاع ستونها و ثابت ماندن دهانه سوله ( و به تبع آن زیربنای سوله ) بر وزن ستونها و در نتیجه وزن واحد سطح سوله افزوده میشود . در واقع اگر فرض کنیم مقاطع تیر و ستون با افزایش ارتفاع سوله تغییر نکند ، تنها بدلیل افزایش طول ستون و مصرف مصالح بیشتر وزن فولاد مصرفی بیشتر خواهد شد.
1-1-3- هرچه ارتفاع سوله زیادتر شود علاوه بر افزایش سطح چشمه باربر سوله فشار باد نیز افزایش میابد و برای ارضای ضوابط آئین نامه در محدودیت جابجایی قاب نیاز است مقاطع سوله به طور قابل ملاحظه ای تقویت گردند . به عنوان مثال آئین نامه بارگذاری ایران ضریب اثر تغییر سرعت باد را در مناطق خارج شهرها به صورت Ce=2.0 (Z/10)0.16 پیشنهاد میکند که با ارتفاع نسبت مستقیم دارد.
1-2- محل استقرار سوله : از دیگر عوامل موثر در وزن سوله باید به منطقه ای که سوله قرار است در آنجا نصب گردد اشاره نمود. چیزی که معمولاً سازندگان به آن توجه نمیکنند. محل استقرار سوله نیز از پنج نظر میتواند موثر باشد:
1-2-1- بارمبنای برف: در حقیقت فرق بسیاری بین وزن سوله ای که در منطقه دارای برف کم مثل نایین ساخته میشود با سوله ای مشابه که درمنطقه ای با بار برف مبنای متوسط همچون اصفهان یا برف سنگین مانند گلپایگان ساخته میشود، وجود دارد. در ایران این بار از25 تا 300 کیلوگرم بر متر مربع متغیر است.
1-2-2- فشارمبنای باد: که در واقع متاثر از سرعت باد در هر منطقه ای هست نیز میتواند نقشی تعیین کننده داشته باشد . به عنوان مثال فشار مبنای باد در ایران طیفی از 32 تا 84 کیلوگرم بر متر مربع را در بر میگیرد.
1-2-3- موقعیت پروژه و بادگیربودن محل : بعنوان مثال ضریب تغییر سرعت در ایران برای مناطق داخل شهر یا محلهایی با ساختمانهای متعدد یا درختان انبوه متفاوت با مناطقی است که در خارج شهر هستند یا درختان انبوه و ساختمانهای متعدد آنها را احاطه ننموده است.
1-2-4- ضریب منطقه ای یا شتاب مبنای زلزله (A): که بسته به سطح لرزه خیزی منطقه در ایران از 0.2 تا 0.35 تغییر میکند و در تعیین ضریب زلزله و برش پایه سازه موثر است.
1-2-5- نوع زمین محل و پریود خاک آن نیز ممکن است در تغییرضریب بازتاب ساختمان (B) و بالتبع ضریب زلزله سازه موثر باشد.
1-3- کاربری سوله : که از دو حیث موثر واقع میشود :
1-3-1- ضریب اهمیت سوله : اهمیت کاربری از حیث آئین نامه 2800 ایران(کم تا خیلی زیاد) و این که آیا سوله محل تجمع خواهد بود یا نه .بحثی که با تغییر ضریب اهمیت سوله (I) میتواند ضریب زلزله را افزایش دهد.
1-3-2- دیوار چینی : بسیاری اوقات ساخت دیوار دور تا دور سوله از الزامات طرح است مانند سوله هایی که برای تولید مواد غذایی یا سردخانه استفاده میشوند. در این صورت هر چه ارتفاع یا وزن دیوار بیشتر باشد نیروی زلزله بیشتری را جذب خواهد نمود و احتمال افزایش مقاطع آن وجود دارد. در صورتی که با استفاده از مصالح سبک برای پوشش اطراف میتوان از این موضوع جلوگیری نمود.
1-4- طول سوله : شاید تعجب کنید اما یکی دیگر از عوامل تعیین کننده در وزن واحد سطح سوله طول آن میباشد.چیزی که اغلب به آن توجهی نمیشود و دلیل آن این است که اعضایی که در هر سوله بدون توجه به طول آن وجود دارند و وزن آنها ثابت است مانند وجود بادبند در ابتدا و انتهای سوله و ستونهای باد و تیر نعل درگاه و پل جرثقیل و کنسول سقف در ابتدا و انتهای سوله و.... در سوله های با طول بالا و متراژ زیادتر تاثیر کمتری بر عدد وزن واحد سطح سوله میگذارند تا سوله مشابهی که طول کمی دارد. همچنین عامل طول میتواند از نظر وجود درز انقطاع در سوله تعیین کننده باشد.
1-5- عمر مفید : عمر مفید در نظر گرفته شده برای سوله و خصوصاً جرثقیل و تعداد دفعات استفاده از آن در روز عامل مهم دیگری است که با معیار خستگی و دخالت در تنش مجاز اعضای تحت اثر خستگی در مقطع و وزن آنها موثر میباشد.
1-6- جرثقیل : وجود جرثقیل و تناژ آن و ارتفاع قرارگیری آن هم فوق العاده میتواند در وزن سوله موثر باشد. آن هم نه تنها از این حیث که باری مضاعف به سوله وارد میکند بلکه به خاطر اظافه شدن اعضایی جدید همچون حماله ها ، پل جرثقیل ، اتصالات آنها ، نشیمن جرثقیل و حتی تغییر فرمی که ممکن است در نوع ستون داده شود. بعنوان مثال برای جرثقیل های با تناژ بالا مرسوم نیست که از جوش دادن کربل به ستون بعنوان نشمن جرثقیل استفاده شود.
1-7- دهانه سوله : عامل موثر دیگری است که با افزایش آن وزن و مقاطع سوله به طور تصاعدی افزایش میابد (همانطور که میدانیم خمش ایجاد شده در تیرها با مربع دهانه تیر نسبت مستقیم دارد.) که این افزایش دهانه با افزایش خمش و برش تیر و ستونها ناشی از بار مرده ، برف و حتی جرثقیل ارتباط پیدا میکند.
1-8- آئین نامه : آئین نامه مورد استفاده برای طرح سوله و شماره ویرایش آن بسیار در طرح مهم است . آئین نامه ها ممکن است از نظر توزیع بار برف ، باد ، زلزله ، ضرایب ضربه بارهای جرثقیل ، محدودیت جابجایی ، روش و ضوابط طراحی اسکلت فولادی و بتنی و ... تفاوت داشته باشند. همینطور مرجع کنترل یا تصویب کننده طرح یک سوله از جمله عوامل مهم دیگر دخیل در این موضوع میباشند. مثلاٌ ممکن است در یک مرجع کنترل اجرای بادبند دورتادور سقف سوله اجبار گردد ودر جایی دیگر نه.
2- عوامل سلیقه ای:
2-1- فاصله چرخهای راهبر پل جرثقیل : که فوق العاده در تعیین مقطع حماله های جرثقیل و ستونهای سوله و حتی در ابعاد فونداسیون موثر است. در واقع با افزایش فاصله چرخهای راهبر بار پل و جرثقیل در هر چرخ راهبر به تکیه گاه (ستون) نزدیکتر میشود و لذا علاوه بر کاهش لنگر ماکزیمم در تیر حماله نیروی وارد بر ستون یا فونداسیون را هم کاهش میدهد. البته فاصله چرخهای راهبر تابع تناژ جرثقیل ، تک پل یا دو پل بودن جرثقیل و علی الخصوص دهانه سوله نیز میباشد . در واقع هر چه دهانه سوله بزرگتر باشد باید این فاصله را بیشتر اختیار نمود تا از ضربه زدن جرثقیل در هنگام حرکت طولی (ناشی از گیر کردن چرخهای یک طرف یا نامساوی بودن سرعت موتور راهبر در دو طرف) و یا خارج شدن راهبر از ریل کاسته شود.
1-3- نوع پل جرثقیل (تک پل – دوپل ) و مقطع آن : که معمولاٌ با توجه به تناژ جرثقیل و دهانه سوله تعیین میگردد. و باید دقت نمود معمولاٌ در جرثقیل دوپل ارابه روی پلها حرکت میکند و به فضای بیشتری بین پل و کنج سوله نیاز است و در حالت تک پل وینچ بالابر به بالهای پایینی پل آویزان است. اگرچه با دوبل شدن پلها وزن آنها بیشتر میشود ولی معمولاٌ مقطع هر پل بهینه و سبک میگردد. طراح بایستی با تغییر عرض و ضخامت ورقهای بال و جان و کنترل تنش پل و اثرات خستگی و خیز آن سبکترین و بهترین حالت ابعاد را برای پل انتخاب کند معمولاٌ هر پل مقطع I شکلی است که البته دارای دو جان (WEB) میباشد.
2-3- نوع اتصال حماله های جرثقیل : (مفصلی – یکسره ) . اگرچه عموماً از اتصالات مفصلی به این منظور استفاده میشود ولی برای جرثقیلهای سنگین میتوان با روشهای خاصی از اتصالات گیردار تیر به تیر (خورجینی) استفاده نمود و مقطع حماله را بهینه ساخت. البته باید توجه داشت در این صورت تحلیل تیر حماله بدلیل نامعین شدن مشکل خواهد شد و بایستی از نرم افزارهای مناسب برای این کار استفاده شود.
2-4- مقطع حماله : معمولاٌ تیر حماله مقطع I شکل دارد ولی در تناژهای سنگینتر ممکن است از مقاطع دیگری هم استفاده نمود (مانند BOX). در هر حال از آنجا که این عضو تحت خمش دو محوره و نیروی محوری قرار دارد بایستی حالات مختلف را برای مقاطع بال و جان امتحان نموده و مقطع بهینه را انتخاب کرد.
2-5- تعیین گیردار یا مفصلی بودن سوله : در این خصوص بایددانست اگرچه استفاده از گیرداری در فونداسیون میتواند فوق العاده در کاهش مقاطع سوله و سبک شدن فولاد مصرفی خصوصاً در سوله های مرتفع موثر باشد اما از آنجا که این کار مستلزم طراحی و اجرای فونداسیونهای خاص ، حجیم و بعضاً پرهزینه است در کل احتمال غیر اقتصادی بودن طرح وجود خواهد داشت و بایستی آن را دقیق برآورد نمود . استفاده از فونداسیونهای نیمه گیردار هم امری است که در صورت انجام تحقیقات و مطالعات وسیعتر میتواند باعث بهینه تر شدن طرح شده و حالت بینابینی باشد میان دو حالت مفصلی یا گیردار صرف و طراح میتواند از محاسن هر دو نوع استفاده کند.
2-6- مقاطع بهینه : بازی با مقاطع تیر و ستون (بال و جان ) برای حصول اقتصادی ترین طرح ممکن (تا حد ممکن افزایش ارتفاع جان برای افزایش ممان اینرسی مقطع ) و کشف بهترین حالت پاسخگو . که باید دقت کرد مقاطع انتخابی منعی از نظر ضوابط آئین نامه طراحی نداشته باشند مثلاٌ ضوابط کمانش موضعی را ارضا کنند. همچنین این بخش فوق العاده به تبحر ، دانش و تجربه طراح وابسته است تا هر بار تشخیص دهد کجای سازه را تقویت و کجا را سبکتر کند مثلاٌ برای محدود کردن جابجایی سوله میتوان تیر یا ستون را قوی کرد اما عموماٌ تقویت تیر تاثیر بیشتری در آن دارد و... .
2-7- تحلیل سه بعدی : استفاده از بادبند در قاب اول و آخر و تحلیل سه بعدی و تبدیل قاب خمشی به قاب دوگانه در برخی مواقع بسیار کارساز است. در این حال باید از آرماتور (بادبند) های دورتادور جهت دوختن قابها به همدیگر استفاده نمود. همچنین استفاده از چشمه باربر کمتری که برای قابهای ابتدا و انتها وجود دارد و بار باد کمتری را جذب میکند نیز در تحلیل سه بعدی میتواند جابجایی سوله را محدودتر کند.
2-8- عناصر موثر : تعبیه مناسب عناصر مهار جانبی مثل سینه بندها و قوطی ها در جاهای مناسب برای افزایش تنشهای مجاز اعضای قاب . در واقع اگرچه این عناصر خود وزن سازه را زیاد میکنند اما میتوانند مقاطع تیر و ستون را سبکتر کنند و استفاده از آنها نیاز مند تجربه و برآورد دقیق است.
2-9- شیب سقف : تعیین مناسب درصد شیب سقف ( و تاثیر آن در جابجایی و تنش ایجاد شده در مقاطع سوله و مقطع لاپه ها و توزیع بار برف و تعداد و قطر میل مهارها و ... )
2-10- شکل کلی سوله : تعیین مناسب شکل کلی سوله و تعداد دهانه و اندازه دهانه ها و تعداد ستونها و ....(تک دهانه ، دو دهانه ، استفاده از ستون در زیر تاج ، سقف قوسی یا دندانه ای ، سوله کوچک چسبیده به سوله اصلی و...) که در واقع بسیاری مواقع قبل از مدل کردن و برآورد وزن سوله نمیتوان اظهار نظر نمود که مثلاٌ برای پوشش یک زمین استفاده از سوله تک دهانه به عرض دهانه 30 متر بهتر است یا سوله دو قلو با دهانه های 15 متری یا حالات دیگر. البته باید دقت کرد با تغییر شکل کلی سوله ممکن است توزیع بار برف یا باد هم به گونه ای دیگر شود و اثری متفاوت روی رفتار سازه داشته باشد.
2-11- فاصله قابها : تعیین فاصله مناسب بین قابها بر اساس شرایط متفاوت و خاص (معمولاً 5 تا 7 متر)
2-12- نوع مصالح : استفاده از فولادهای پرمقاومت مانند St-52 در ساخت برخی مقاطع سوله مثل ستونها و حتی گاهی در ترکیب با فولاد معمولی برای کاهش هزینه ها.مثلاً جنس متفاوت فولاد بال و جان. البته بایستی دقت نمود با توجه به برابر بودن ضریب الاستیسیته فولادهای معمولی و پرمقاومت در سوله هایی که جابجایی غالب است استفاده از فولاد پرمقاومت کمکی به سبکتر شدن طرح نمیکند و استفاده از این فولادها در سوله هایی که تنش و مقاومت در آنها تعیین کننده باشد منطقی است.
جمع بندی و نتیجه گیری: نکته مهم اینجاست که در هر سوله معمولاً یا تنشهای بالا و معیار مقاومت در تعیین مقاطع سوله تعیین کننده میشوند (مانند سوله های با دهانه بزرگ یا دارای جرثقیل سنگین ) و یا جابجایی قاب تحت بار باد و معیار بهره برداری تعیین کننده میشود (اکثر سوله های با ارتفاع بالای 8متر ). بنابراین ممکن است مثلاً در سوله ای که در آن عامل جابجایی غالب بوده است تغییر جرثقیل از 2 تن به 15 تن یا افزایش بار برف یا ضریب زلزله یا استفاده از فولاد پرمقاومت هیچگونه تغییری در مقاطع سوله حاصل نکند.و بالعکس در سوله ای که تنشها عامل تعیین کننده بوده تغییر ارتفاع یا افزایش بار باد تاثیری در مقاطع سوله نداشته باشد. همچنین ممکن است در سوله ای تنش ناشی از بار برف (معیار مقاومت) غالب باشد و افزایش بار زلزله تاثیری بر مقاطع نداشته باشد.
همچنین گاهی وزن واحد سطح سوله بدون احتساب لاپه ها یا حماله ها و پل جرثقیل بیان میشود و گاهی با احتساب آنها. با توجه به وجود عوامل متعدد فوق وزن واحد سطح میتواند از عددی حول و حوش 30 شروع شود و تا بالای 100 کیلوگرم بر متر مربع هم بدست آید وآن عدد کاملاٌ منطقی باشد..
نکته دیگرکه حائز اهمیت است این است که همیشه سبکترین وزن برای سوله بهترین حالت نیست ،بلکه عامل دیگری هم در طرح خوب ملاک است و آن اینکه دورریز ورق برای ساخت سوله به حداقل ممکن کاهش یابد. در واقع ممکن است یک سوله خیلی سبک طرح شود ولی ابعاد آن به گونه ای باشد که با توجه به عرض ورقهای موجود در بازار دورریز زیادی داشته باشد و عملاً ساخت سوله را پر هزینه نماید. پس باید عامل کاهش پرت به عنوان یک هدف در کنار کاهش وزن سوله در ذهن طراح مورد بررسی قرار گیرد.لذا طراح خوب طراحی است که همزمان طرح بهینه و کارا ، اقتصادی و سبک ، ایمن ، زیبا ، بدون دورریز ورق و با کمترین ایجاد محدودیت برای استفاده کنندگان را ارائه نماید.
همانطور که میبینیم اگر برنامه ای وجود داشته باشد که در حین طراحی بلافاصله پس از دادن هر ایده توسط طراح و بعد از جواب گرفتن از طرح در مورد معیارهای مقاومت ، بهره برداری و کمانش موضعی بلافاصله برآورد دقیقی از طرح را ارائه کند و علاوه بر وزن فولاد یا بتن مصرفی برآورد هزینه انجام پروژه را هم ارائه کند طراح قادر خواهد بود بهترین طرح را از آن میان انتخاب نماید که البته امروزه برنامه هایی مانند سوله پرداز به این منظور طراحی گشته که به عنوان ابزاری در دست مهندسین طراح برای ارائه بهترین طرحها میباشند.
نتیجه اینکه هرچند عوامل سلیقه ای زیادی در طراحی سوله های صنعتی وجود دارند که با انتخاب صحیح توسط طراح در بهبود و اقتصادی تر شدن طرح موثرند اما عوامل محدود کننده دیگری هم هستند که باعث میشوند طرح از سایر طرحهای مشابه متمایز گردد و به همین دلیل است که یا نباید وزن واحد سطح سوله های مشابه را با هم مقایسه نمود و یا باید برای مقایسه آنها کلیه عوامل فوق را هم در این مقایسه لحاظ نمود.