ویژگی های اجزای تشکیل دهنده سازه شبکه ای

جنس سازه فضا کار فلزی از چیست؟

سازه ‌های فضا کار فولادی از جمله پرکاربردترین اجزای ساخت و ساز محسوب می‌شوند که اگر بخواهیم نمونه هایی از این نوع ساختار های فلزی مشبک بگوییم می توانیم به سازه فضایی نمایشگاهی ، سازه فضایی در پل ها ، سازه فضا کار در ترمینال فرودگاه ها و راه آهن ها ، سایه بان های ساره فضایی و … اشاره نمود .

در آن‌ ها فولاد به عنوان ماده اصلی انتخاب شده است. از مهم ‌ترین دلایل این انتخاب می‌توان به سختی ، جوش‌پذیری بالا و تنوع گسترده پروفیل‌ های فولادی اشاره کرد ؛ عواملی که در کشورهای صنعتی به وفور مشاهده می‌شود . انعطاف ‌پذیری سازه‌ های فضا کار، به ویژه در ساخت مدول ‌های بزرگ و امکان نصب آسان آن‌ها در کارگاه، از دیگر مزایای استفاده از فولاد به ‌شمار می‌آید . بدنه اصلی سازه‌ های فضاکار از اعضای متنوعی تشکیل شده که پروفیل ‌های مختلفی از نظر اندازه و مقطع دارند. در این میان، مقاومت در برابر کمانش به عنوان مهم‌ ترین عامل در انتخاب مقطع اعضا مد نظر قرار می‌گیرد؛ چرا که اعضا همواره تحت نیروهای فشاری و کششی قرار دارند.

سازه فضایی چیست؟

سازه فضایی (Space Frame Structure) به ساختارهای سه‌بعدی گفته می‌شود که از شکل‌های هندسیِ منظم و تکراری تشکیل شده‌اند. این سازه‌ها با استفاده از اتصال اجزای کوچک به همدیگر، شبکه‌ای مستحکم و یکپارچه به وجود می‌آورند. یکی از ویژگی‌های مهم سازه‌های فضا کار توزیع نیرو در جهات مختلف است که به آن‌ها استحکام بالا در عین سبکی می‌بخشد. سازه فضایی به دلیل استفاده گسترده از سیستم پیش‌ساخته، سرعت نصب و اجرای بسیار سریعی را دارند. از دیگر مزایای سازه ‌های فضایی می‌توان به امکان مونتاژ تمامی بخش ‌ها و تأسیسات در سطح زمین و سپس بالا بردن کل سازه و نصب آن بر روی ستون ها اشاره کرد.

دلیل انتخاب فولاد به عنوان مواد اصلی

با این حال ، این سیستم‌ ها با چالش ‌هایی نیز رو به ‌رو هستند؛ از جمله مشکلات خوردگی در طول زمان ، مقاومت نسبی در برابر آتش ‌سوزی و هزینه ‌های بالای نگهداری و تعمیرات در دوره بهره‌ برداری. در سازه ‌های فضا کار، برای لوله ‌ها از فولاد نرم و برای اعضای شکل داده شده از فولاد هایی با حد جاری شدن بالا ( به‌ وسیله نوارهای فولادی سرد شده ) استفاده می‌شود ؛ در حالی که برای قسمت ‌های ریخته‌ گری شده، اغلب از آهن گرافیت کروی بهره گرفته می‌شود.

فرآیند های ثانوی بر رو فولاد

اعضا معمولاً به ‌صورت گالوانیزه یا رنگ‌ شده هستند و در صورت ترکیب هر دو روش، سیستم دو جزئی به ‌شمار می‌آید. پیچ‌ های به‌کار رفته نیز از فولاد با مقاومت بالا تولید شده و اتصالات انتهایی ممکن است از طریق کوبن‌کاری یا ریخته‌گری ایجاد شوند .

شکل های اعضا در سازه فضایی

از مقاطع دایره‌ای توپر یا توخالی، مقاطع نبشی و قوطی به عنوان اجزای اصلی استفاده می‌شود و در برخی موارد پروفیل ‌های I و H نیز به‌کار گرفته می‌شوند، به ویژه هنگامی که بارها علاوه بر نیرو های محوری، خمش نیز ایجاد می‌کنند. مقاطع توخالی دایره‌ای و مستطیلی به دلیل داشتن شعاع ژیراسیون بزرگتر و ممان اینرسی یکسان در تمام جهات، در شرایطی که نیرو ها عمدتاً به گره‌ها وارد می‌شوند، عملکرد بهتری در تحمل فشار دارند. اعضای لوله‌ای نیز ممکن است بدون درز یا با جوش الکتریکی به یکدیگر متصل شوند . در ادامه متن های بعدی ، به تفضیل تمام اعضای اصلی و پرکاربرد سازه فضایی را برای شما شرح می دهیم.

بهترین نوع فولاد تولیدی

یکی از نمونه ‌های موفق در این حوزه، لوله‌های فولادی تجاری تولید شده توسط شرکت آمریکایی «الاید اند کاندوییت» است. در این فرایند، نوارهای فولادی با نورد سرد به لوله‌ هایی با ابعاد مشخص تبدیل شده و سپس به ‌وسیله هات – دیپ گالوانیزه شده و یک لایه روکش محافظ، شامل کرومات کانورژن و پوشش پلیمر یکدست ، به ‌منظور افزایش مقاومت در برابر زنگ‌زدگی بر روی آن‌ها اعمال می‌شود. این لوله‌ ها با داشتن حد تسلیم بالا ( حدود ۴۵۰ مگاپاسکال ) و مقاومت بسیار خوب در برابر خوردگی ، نسبت به لوله ‌های فولادی معمولی برتری محسوب می‌شوند.

آشنایی با انواع اعضا سازه فضایی

سازه‌های فضایی به‌عنوان یکی از نوآوری‌های برجسته مهندسی، ترکیبی از المان‌های اصلی و اتصالات دقیق را در بر می‌گیرند. اعضای کلیدی این سازه‌ها، با استفاده از مواد پیشرفته همچون فولاد و آلومینیوم (مطابق توضیحات قبلی) طراحی و تولید می‌شوند تا بهترین عملکرد در برابر بارهای پیچیده و تغییر شکل‌ها را به ارمغان آورند. طراحی هوشمندانه این اجزا، از انتخاب مقطع مناسب تا نحوه اتصالات دقیق، تضمین‌کننده پایداری و مقاومت سازه در شرایط بحرانی است. در ادامه مطلب، به بررسی عمیق‌تر ویژگی‌ها و کاربردهای این المان‌های حیاتی خواهیم پرداخت تا دانش مهندسی شما را به سطحی نوین ارتقا دهد و بی‌نظیر.

اِلِمان (اعضا اصلی)

اعضا یا المان‌ های اصلی، ستون فقرات هر سازه فضاکار به شمار می‌آیند و کل بدنه سازه را شکل می ‌دهند. در این نوع سازه‌ها، اعضا از پروفیل ‌هایی با اندازه ‌ها ، مقاطع و شکل‌های متنوع تشکیل شده‌اند که انتخاب صحیح آن‌ها به‌طور مستقیم بر عملکرد سازه تحت بارهای مختلف تأثیر می‌گذارد. از مهم ‌ترین معیار در طراحی، انتخاب مقطع مناسب با هدف افزایش مقاومت در برابر کمانش است؛ چرا که در اکثر موارد، نیروهای فشاری و کششی وارده به اعضا به حدی بالا هستند که احتمال بروز پدیده کمانش در آن‌ها زیاد می‌باشد.

نوع اعضا مورد استفاده

در فرآیند طراحی سازه‌های فضاکار، عمدتاً از مقاطع دایره‌ای به صورت توپر یا توخالی و همچنین مقاطع نیشی یا قوطی استفاده می‌شود. البته در مواردی که بارهای وارده بین گره‌های سازه، علاوه بر نیروهای محوری، خمش نیز ایجاد می‌کنند، ممکن است از مقاطع دیگر مانند پروفیل‌های به شکل I یا H استفاده گردد. در جایی که نیروها عمدتاً از طریق گره‌ها وارد سازه شوند، استفاده از مقاطع تو خالی دایره‌ای یا مستطیلی به دلیل داشتن شعاع ژیراسیون بزرگتر در مقایسه با سایر مقاطع از مزیت بالاتری برخوردار است؛ این امر موجب افزایش کارایی عضو در تحمل فشار و کاهش احتمال کمانش می‌شود.

ویژگی های مهم

یکی از ویژگی‌های برجسته مقاطع توخالی دایره‌ای، داشتن ممان اینرسی یکنواخت در تمام جهات می‌باشد. این خصوصیت، به ویژه در مواردی که محور اعضای لوله‌ای در محل اتصال (معمولاً در داخل گوی‌های اتصال) از مرکز گره عبور می‌کند، اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند؛ چرا که در یک پروفیل هم‌محور، ممان اینرسی محور دوم نیز به صورت یکسان در تمام جهات توزیع شده است. بدین ترتیب، در نظر گرفتن کمانش عضو، دیگر نیازی به تمایز بین بیشینه یا کمینه ممان کمانشی نخواهد داشت.

بهبود تولید و نصب

از مزیت‌های دیگر در استفاده از اعضای لوله‌ای، امکان ثابت نگه داشتن قطر خارجی آن‌ هاست؛ به گونه‌ای که تنها تغییرات ضخامت دیواره برای محاسبات طراحی مد نظر قرار می‌گیرد. این ویژگی ، علاوه بر صرفه‌ جویی در محاسبات، موجب سهولت در تولید و نصب سازه نیز می‌شود. در سیستم‌ های فضاکار مانند سیستم‌های “مرو تری یودتیک” و “نودوس”، استفاده از مقاطع دایره ‌ای توخالی بسیار رایج است؛ به‌طوری که در بخش‌های تکیه‌گاهی و محل‌هایی که برش‌های فراوانی صورت می‌گیرد، از نوع توپر این مقاطع بهره گرفته می‌شود.

نحوه اتصال

لازم به ذکر است که اعضای لوله‌ای می‌توانند به صورت بدون درز یا با جوش ‌های الکتریکی به یکدیگر متصل شوند. در طرح‌های مدرن فضاکار، پیشنهاد می‌شود که اعضای هموند (لوله‌ها) در ابعاد استانداردی مانند ۲ یا ۳ متر انتخاب شوند تا هم از نظر عملیاتی و هم از منظر صرفه‌جویی در مصالح، بهینه عمل کنند. به عنوان مثال، در شبکه‌های تخت دولایه با استفاده از لوله‌های ۳ متری، ارتفاع شبکه به گونه‌ای طراحی می‌شود که در حدود ۲.۱ متر قرار گیرد؛ این اندازه در بسیاری از نمونه ‌های اجرایی، به ویژه در سالن ‌های صنعتی، قابل استفاده و بهینه است.

جمع بندی

در مجموع، انتخاب صحیح مقطع اعضا و توجه ویژه به مواردی نظیر مقاومت در برابر کمانش، شکل و ابعاد مقطع، نقش کلیدی در عملکرد و پایداری سازه‌ های فضا کار ایفا می‌کند. این نکات به طراحان اجازه می‌دهد تا با در نظر گرفتن تمامی نیرو های وارده، از جمله نیروهای محوری، خمش و حتی گشتاور های پیچشی، سازه‌ ای مقاوم و پایدار ارائه دهند.

گوی

یکی از اجزای حیاتی در اتصالات سازه‌های فضاکار، گوی‌ های اتصال محسوب می‌شوند. این گوی‌های توپر، که برای ایجاد پایداری و فراهم آوردن ارتباط بین اعضای سه‌بعدی به کار می‌روند، معمولاً از فولاد ریخته شده تولید می‌شوند.

مشخصات ساختاری

سطح این گوی‌ها پس از ماشین‌کاری، دارای ۱۸ سوراخ رزوه‌دار به‌صورت یکنواخت و با فاصله‌های شعاعی مشخص هستند. اعضای لوله‌ای از طریق انتهای مخروطی خود وارد این سوراخ‌ها می‌شوند و در زوایای مختلفی مانند ۴۵، ۶۰ و ۹۰ درجه نسبت به سایر سوراخ‌ها قرار می‌گیرند؛ سپس با استفاده از پیچ‌های مخصوص به یکدیگر متصل می‌شوند.

کاربرد

گوی‌ها علاوه بر ثابت نگه داشتن اعضای سازه در موقعیت مورد نظر، به عنوان عنصر انتقال‌دهنده نیرو، تعادل بین نیروهای وارده به اعضا را نیز برقرار می‌کنند. امروزه با استفاده از رایانه‌های پیشرفته و تکنولوژی‌های ساخت دیجیتالی، دقت عملیات سوراخکاری افزایش یافته و امکان ایجاد سوراخ‌ها با زوایای دلخواه (بعلاوه زوایای استاندارد) فراهم شده است. در این روش، اگرچه الزامی است که زاویه بین سوراخ‌های مجاور حداقل به میزان ۳۵ درجه رعایت شود، اما همچنان انعطاف‌پذیری بیشتری به طراح جهت انتخاب هندسه مناسب شبکه فضایی ارائه می‌شود.

طراحی

به منظور تسهیل در قرارگیری مهره‌های حائل بر روی گوی، سطح اطراف سوراخ‌ ها به صورت مسطح درآمده است. طراحی سوراخ ‌ها به گونه‌ای انجام شده که امتداد محور عضو لوله‌ای که در آن قرار می‌گیرد، دقیقاً از مرکز کره عبور کند. این ویژگی باعث می‌شود تا بارهای وارده به گوی به‌طور یکنواخت توزیع شده و اتصال با ثبات کامل عمل کند.

همچنین، گره‌های استاندارد سازه‌های فضاکار در محدوده‌ای از اندازه‌های استاندارد جهت انتقال نیروهای اعضا با بزرگی‌های مختلف تولید می‌شوند. در مواردی که نیاز به گره‌های با سوراخ‌های کمتر و مخصوص برای کاربردهایی مانند گره‌های تکیه‌گاهی باشد، تولید آن‌ها نیز به صورت استاندارد انجام می‌شود.

انواع گوی‌های اتصال

گوی‌های معمولی : این دسته شامل گوی‌هایی است که دارای چندین سوراخ با زوایای ارتباطی استاندارد می‌باشد .

گوی‌های استاندارد : برای اتصالاتی با زوایای خاص طراحی شده‌اند .

گوی‌های ویژه سرستون : که ممکن است به صورت استوانه‌ای یا کروی طراحی شوند و در کاربردهای ویژه مورد استفاده قرار گیرند .

در انتخاب جنس مواد مورد استفاده برای گوی‌ها نیز، دو گزینه اصلی وجود دارد: آلومینیوم یا فولاد. در صورتی که از جنس فولاد استفاده شود، نیاز به کنترل تغییر شکل‌های موجود است که در این صورت اتصالات بزرگتری مورد نیاز خواهد بود. از طرفی، آلومینیوم علاوه بر داشتن وزن کمتر و مدول الاستیسیته‌ای حدود یک سوم مقدار فولاد، به دلیل نیاز به مقاومت کششی بالاتر، باید با دقت بیشتری در طراحی مد نظر قرار گیرد .

مدل های پر کاربرد در ایران

یکی از گوی‌های متداول در کشور ما از جنس آلیاژ فولادی سیکا ۴۵ تولید می‌شود که دارای مقاومت‌های ییلد (Fy) و ویژگی‌های مکانیکی کمی بیش از استاندارد St52 است. در این حالت، تمامی اجزای سازه فضاکار از جمله گوی‌ها، مخروط‌ها و سایر عناصر به صورت یکپارچه و از آلیاژ فولاد سیکا ۴۵ به روش مرو تولید می‌ شوند.

نقش گوی در اتصال مرو

گوی ‌های اتصال مرو، که از آلیاژ فولاد فرج شده و کوبن کاری شده سیکا ۴۵ تولید می‌شوند، دارای ویژگی‌هایی همچون زوایای بین پیچ استاندارد ۴۵ درجه و ضخامت‌های متغیر بین ۶۰ تا ۹۰ میلی‌متر تا ۳۰ سانتی‌متر هستند. از نظر اندازه، قطر خارجی گوی‌ها به صورت استاندارد در اندازه‌های ۶۰، ۹۰، ۱۱۰، ۱۳۰ و ۱۵۰ سانتی‌متری در بازار موجود است. نکته مهم در طراحی اتصالات گوی‌ها، بررسی عدم تداخل پیچ‌های داخلی است؛ که این موضوع می‌تواند با استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی یا بررسی‌های دستی کنترل شود. همچنین، در صورتی که پیچ‌ها از داخل بسته و محکم شوند، انعطاف‌پذیری اتصال افزایش یافته و عملکرد سازه بهبود می‌یابد.

مخروطی

در محل اتصال اعضا به گوی‌ها، به دلیل ملاحظات هندسی و انتقال نیروهای وارده، از یک قطعه مخروطی شکل استفاده می‌شود که به عنوان واسط بین لوله‌های اعضا و گوی‌های اتصال عمل می‌کند. این قطعه مخروطی، به‌طور معمول از جنس فولاد و با فرآیند جوشکاری به لوله متصل می‌شود و دارای دو نوع عملکرد کششی و فشاری است .

کاربرد مهم مخروطی ها

نقش اصلی این قطعه، جلوگیری از تراکم و تداخل لوله‌ها در نواحی مجاور گوی می‌باشد. پیچ جداشدنی موجود در این سیستم، به عنوان وسیله‌ای جهت انتقال نیرو از قسمت لوله به گوی عمل می‌کند. در این فرآیند، نیروی کششی از گل پیچ به نشیمنگاه مخروطی منتقل شده و در نتیجه، اتصال اعضا به گره‌ها با استحکام بالاتری برقرار می‌شود .

اتصال لوله‌ ها به گره ‌ها از طریق بسته شدن پیچ در رزوه ‌های موجود در گره‌ها انجام می‌شود؛ به طوری که اندازه، جنس و ابعاد پیچ به نوع و میزان بار وارده در هر اتصال وابسته است. در این سیستم، پیچ از طریق سوراخ تعبیه‌شده‌ای که در سطح عضو لوله‌ای ایجاد شده و از بخش مخروطی متصل به انتهای لوله عبور می‌کند، وارد شده و سپس به وسیله فرآیند جوشکاری یا پیچ‌گذاری، اتصال نهایی صورت می‌گیرد. پیچ‌های این سیستم به دلیل داشتن کلاس سختی بالا، از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند .

پیچ و مخروطی

در طراحی اتصالات، بررسی دقیق هندسه گوی و جلوگیری از تداخل طول رزوه ‌های پیچ ‌های درون گوی از مهم‌ترین مواردی است که باید مد نظر قرار گیرد. پیچ‌ های استفاده‌ شده در این سیستم‌ها به صورت اختصاصی برای مقادیر استانداردی مانند M12، M20، M27، M32 و M64 طراحی می‌شوند و همراه با پین‌های کنترل‌کننده با طول‌های متغیر تولید می‌شوند. طول پیچ‌ها به گونه‌ای تعیین می‌شود که بتوانند نیروهای انتقالی را به بهترین نحو ممکن از طریق مخروط به پیچ‌ ها و سپس به رزوه ‌های گره منتقل نمایند .

کنترل نیرو های کششی و فضاری

در این الگو، نیرو های کششی از طریق سطوح باربر داخلی مخروط به پیچ ‌ها انتقال یافته و در نهایت به رزوه‌های گره منتقل می‌شوند؛ در حالی که نیرو های فشاری از طریق مهره‌ های پیرامونی پیچ‌ های اتصالی و از طریق تماس مستقیم سطوح ماشین‌کاری شده انتقال پیدا می‌کنند. از این رو، پیچ ‌ها و بخش رزوه ‌شده داخل گوی بیشترین تأثیر را در انتقال نیرو دارند و از دقت بالایی در طراحی برخوردارند .

برای بهبود عملکرد سیستم ، توصیه می‌شود قطر گوی ‌ها کمی بالاتر از حد معمول انتخاب شود تا تعداد تیپ‌ های مختلف پیچ ‌های مورد نیاز کاهش یابد. علاوه بر این، در لوله‌های اتصال مرو، پس از ایجاد برش‌های مورد نیاز جهت ورود پیچ، سوراخ ‌هایی در نقاط انتهایی لوله تعبیه می ‌شود؛ اگرچه این عمل ممکن است تا حدودی مقاومت هموندها را کاهش دهد، اما از سوی دیگر امکان تبخیر آب و جلوگیری از تجمع آن در محل اتصال را فراهم می‌آورد .

اسلیو (غلاف)

برای تکمیل فرآیند اتصال پیچ به گره‌ها، از اسلیو یا غلاف استفاده می‌شود؛ قطعه‌ای که به کمک یک مهره مخصوص و خار تعبیه‌شده، پیچ‌ها را در جای خود ثابت نگه می‌دارد. این اسلیوها بر اساس نوع و میزان بار وارده طراحی شده و در ابعاد مختلف تولید می‌شوند. عملکرد اصلی اسلیو، تأمین فشار لازم برای محکم نگه داشتن پیچ‌ها در داخل گوی و جلوگیری از خروج یا چرخش ناخواسته آن‌هاست .

انواع اسلیو

اسلیوها به دو شکل شیاردار و سوراخ‌دار تولید می‌شوند؛ به‌گونه‌ای که با استفاده از یک پین، به پیچ متصل شده و ورود کافی پیچ به رزوه تضمین گردد. طول اسلیو بستگی به نیروی موجود در اتصال و همچنین طول پیچ دارد و با کنترل میزان فرورفتگی پیچ در داخل گوی، نقش مهمی در ایمنی و عملکرد اتصال ایفا می‌کند. این قطعات می‌توانند به دو روش تولید شوند: از طریق فرایند فرج‌کاری یا با استفاده از دستگاه‌های تراشکاری اتوماتیک CNC که دقت بسیار بالایی را فراهم می‌کنند .

مدل های ترکیبی

مهره فاصله‌گذار به شکل منشور شش‌ضلعی همراه با یک میخ : این ترکیب اجازه می‌دهد تا پیچ بتواند به‌صورت آزاد چرخش کرده و پس از آن کاملاً سفت شود؛

زبانه فلزی : که از طریق آن پیچ عبور کرده و به مهره حائل متصل می‌شود تا از جدا شدن ناخواسته جلوگیری شود .