خرپا چیست ؟ اهمیت و کاربرد خرپا در ساختمان

خرپا یک مجموعه صلب متشکل از المان های صاف و بدون انحنا گفته می‌شود که به صورت مثلثی توسط اتصالات مفصلی (لولا) به یک دیگر متصل شده‌اند. خرپا نیروهای فشاری و کششی را تحمل می‌کند و تغییر شکل نمی‌دهد، هم‌چنین به خاطر وجود اتصال مفصلی در دو سر المان‌های آن، نیروی گشتاور در آن تاثیری ندارد به همین دلیل سازه‌های خرپایی نقش باربری بسیار زیادی دارند و می‌توان آن‌ها را جزو سازه‌های ساده در نظر گرفت. خرپاها در همه‌ی علوم مهندسی کاربرد دارند ولی نقش اصلی آن‌ها در پروژه‌های عمرانی مثل پل‌ها، سقف‌ها، در سوله‌ها و سازه‌های هوا و فضا می‌باشد.

نیروهای اعمال شده به خرپا

نیروهایی که به خرپا یا به طور کلی به هر سازه دیگر وارد می‌شود عبارت است از بار مرده، بار زنده، نیروی باد و بار زلزله.

بار مرده

بار مرده باری است که که تحت اثر وزن خود سازه و مصالح بکار رفته درآن مانند بست‌ها، تیرچه‌ها و ... به آن اعمال می‌شود.

بار زنده

باری است که تحت اثر عوامل غیر سازه‌ای مانند بار ناشی از عبور و مرور ساکنین ابزار و وسایل و اسباب و اثاثیه است که بر سازه وارد می‌شود.

نیروی باد

نیروی باد با وزش باد به سازه وارد می‌شود و اغلب در سقف‌ها بسته به نوع و شیب سقف به علت ایجاد وکیوم در بالای سقف، بار باد به صورت قائم و خلاف جهت گرانش و یا مورب بر سازه وارد می‌شود.

نیروی زلزله

نیروی زلزله معمولا در تمامی اجزای سازه پخش می‌شود و در هر قسمت سازه نیاز به طراحی و مقاوم سازی دارد.

بهترین روش‌ های تحلیل نیرو در خرپا

به طور کلی دو روش برای تحلیل نیروهای آن وجود دارد:

روش مفاصل (Joint)

در روش مفاصل هر مفصل به صورت منفرد فرض می‌شود و طبق قوانین استاتیک برآیند نیروهای وارد شده به آن مفصل باید برابر صفر باشد. نیروهای واردشده به مفصل خرپا از نوع کششی یا فشاری هستند.

روش مقاطع (Section)

درروش مقاطع بخشی از سازه خرپایی را به صورت یک سیستم جداگانه فرض می‌کنند و برای به دست آوردن نیروی مورد نظر در تحلیل المان، طبق قوانین استاتیک برآیند نیروها و گشتاورهای واردشده به آن باید برابر با صفر در نظر گرفته شود.

مهم‌ترین اتصالات خرپا

• المان‌های خرپاهای فلزی به وسیله پیچ، جوش و پرچ به هم متصل می‌شوند که به طور کلی استفاده از پرچ نه تنها کارآمد نیست، بلکه به علت نیاز به نیروی ماهر، استفاده از آن متداول نیست اما گاها مجبور هستیم در برخی سازه‌ها مانند پل‌های راه آهن که پدیده خستگی در آن زیاد رخ می‌دهد می‌توان از پرچ استفاده نمود.
• خرپاهای کوچک عموما در محل پروژه جوشکاری یا پیچ می‌شوند ولی خرپاهای بزرگتر ابتدا در کارگاه جوشکاری پیچ می‌شوند و سپس به محل پروژه حمل و سپس نصب می‌گردند.
• همچنین با توجه به نیازهای پروژه، اتصالات داخلی خرپا (مفاصل) را می‌توان به شکل سفت و سخت، نیمه سفت و سخت، یا لولا طراحی کرد.

مزایا و معایب خرپا

خرپاها مانند هر المان دیگر ویژگی‌های متفاوتی دارد که در ادامه به آن اشاره می‌کنیم:

مزایا خرپا چیست؟

• اجرای ساده و آسان
• از خرپا در بیشتر سازه‌های شهری استفاده می‌شود و کاربرد زیادی دارد.
• خرپاها قابلیت استفاده مجدد و خرید و فروش به صورت دست دوم را دارند.
• بارهای داخلی المان‌های آن به صورت محوری منتقل می‌شود که در طراحی نقش بسیار زیادی دارد.
• اجرای آن نیاز به نیروی کارگری ماهر و ابزار و دستگاه‌های پیچیده ندارد.
• به نسبت سایر المان‌ها و سیستم‌های سازه‌ای فشرده‌سازی و تنش کمتری دارد و می‌تواند باعث کاهش مصرف مواد اولیه شود.
• خرپا را می‌توان در پروژه‌ها با دهانه‌های خیلی بزرگ و مسافت طولانی استفاده کرد.

معایب خرپا چیست؟

• هزینه‌های تعمیر و نگهداری آن‌ها زیاد است.
• بار مرده سنگینی را به سازه اضافه می‌کند.
• زمان اجرای آن نسبت به استفاده از سایر روش‌های سازه‌ای، نیاز به زمان بیشتری دارد.
• جزو سازه‌های حجیم است و نیاز به فضای زیادی دارد.

مصالح مورد استفاده برای ساخت خرپا

در ساخت خرپاهای فولادی انواع تیرآهن‌های H و I شکل و معمولی، انواع قوطی و پروفیل توخالی با اشکال دایره، مربع و مستطیل، انواع نبشی و سپری و ... استفاده می‌شود. از تیرآهن می‌توان در ستون‌ها، تیرهای سقف، خرپا و در نعل درگاه استفاده کرد. برای اطلاعات بیشتر از تفاوت تیرآهن‌ H و تیرآهن I ، مقاله تیرآهن هاش چیست را مطالعه کنید.

هم‌چنین در بعضی از سازه‌ها، خرپاهای بتنی نیز ساخته شده‌اند.

خرپاهای چوبی هم وجود دارند و عمده استفاده آن‌ها را می‌توان در سقف خانه‌های شمال کشور مشاهده کرد.

چند نوع خرپا وجود دارد؟

خرپاها را به طور کلی به دو دسته تقسیم بندی کرده‌اند : تقسیم بندی بر اساس تعداد اعضا و تقسیم بندی بر اساس ابعاد

انواع خرپا ازلحاظ تعداد اعضا و پیچیدگی

1-خرپای ساده simple truss

خرپای ساده خرپایی است که از سه عضو متصل به هم تشکیل شده است.

2-خرپای مرکب Compounded Trusses

به مجموعه‌ای از دو یا چند خرپای ساده، خرپای مرکب می‌گویند.

3-خرپاهای پیچیده و مبهم

به هر نوع خرپایی که در دسته‌های خرپای ساده و خرپای مرکب قرار نگیرد، خرپای پیچیده و مبهم گفته می‌شود.

انواع خرپا ازلحاظ ابعاد

۱- خرپای دو بعدی

در خرپا هنگامی که تمامی المان‌ها و اعضای در یک صفحه قرار بگیرند، به آن، خرپای دو بعدی گفته می‌شود. این نوع دارای قدرت تحمل بارهای صفحه‌ای مناسبی می‌باشد و با ابعاد متناسب خود، نیاز به فضای زیادی ندارد.

۲- خرپای سه بعدی

خرپای سه بعدی خرپایی است که اعضا و المان‌های آن به صورت حجمی و تحت سه محور x و y وz به هم متصل شوند. قدرت تحمل و بار و تنش بالایی دارند ولی به فضای زیادی احتیاج دارند.

۳- خرپای چندگانه

خرپاهای چندگانه نوع بهینه شده‌ای از خرپا می‌باشند معمولاً در آن‌ها اتصال‌های میانی به صورت تکی و اتصالات بالا و پایین به صورت دوگانه یا چندگانه طراحی می‌شوند. مقاومت خمشی و کمانشی مناسبی در همه ابعاد دارد و هم‌چنین بارهای صفحه‌ای را به خوبی تحمل می‌کند. خرپاهای چندگانه دارای ابعاد مناسبی هستند و به طور کلی این خرپا مزیت‌های دو خرپای دو بعدی و سه بعدی را حفظ کرده و معایب آن‌ها را از بین برده است.

خرپا از نظر روش ساخت

خرپا را با توجه به روش ساخت آن‌ها و نوع کاربردشان به سه دسته تقسیم بندی کرده‌اند که در ادامه به شرح آن‌ها می‌پردازیم:

۱-خرپای پل (خرپای مسطح)

خرپا به روش مسطح یکی از روش‌های ساخت خرپا است. در این روش، خرپاهایی که به شکل ذوزنقه، مستطیلی، قوسی و... که در پل سازی و ساخت شاه تیر کاربرد دارند دسته بندی می‌شوند و پس از انجام تحلیل‌های مهندسی بر روی اجزای خرپا، آن‌ها را در کارگاه‌ها تولید می‌کنند.

۲-خرپای صفحه‌ای

از دیگر روش‌های ساخت خرپا روش صفحه‌ای است که در این روش تمام اجزا باید در یک صفحه باشند. به عنوان مثال: خرپاهای دو بعدی از این روش ساخته می‌شوند. می‌توان آن‌ها را هم در کارگاه و هم در محل پروژه تولید کرد.

۳-خرپای سقف – شیب‌دار

برای ساخت خرپاهای شیب‌دار که عموما در سقف استفاده می‌شوند از این روش استفاده می‌شود. تحلیل‌های مناسب و به دست آوردن شیب و زوایا از مهم‌ترین نکات برای ساخت و اجرای این دسته از خرپاها هستند. در ادامه نوع خرپا و کاربرد آن‌ها ذکر شده است. باید توجه کنید که در روش‌های ساخت می‌توان طول خرپاها را از یک تا 15 متر در نظرگرفت که با فواصلی حدود 4 متر از هم قرار گرفته اند.

شکل خرپا

خرپاها اشکال و انواع زیادی دارند که در بخش زیر به متداول‌ترین شکل آن‌ها می‌پردازیم:

خرپا پرات (Pratt)

از خرپای پرات در ساخت پل‌ها و سقف‌ها استفاده می‌شود. جنس این خرپاها معمولا فولادی و گاهی از چوب می‌باشد. پرات از مقاومت خوبی در برابر فشارهای عمودی برخوردار است و در دهانه‌های بین 30 تا 60 متر به راحتی قابل استفاده می‌باشد.

خرپا هاو (Howe)

از خرپای هاو امروزه برای ساخت سقف استفاده می‌شود ولی در گذشته برای ساخت پل هم استفاده می‌شد. هاو از جنس چوب است و مناسب برای دهانه‌ها به اندازه 30 متر و کوچکتر از آن است.

خرپا شیروانی (Gable truss)

خرپای شیروانی معمولاً چوبی و یا فولادی است و در ساخت سقف‌های شیروانی استفاده می‌شود. خرپای شیروانی دارای شیب است به طوری که ارتفاع آن در میانه دهانه ماکزیمم است در واقع به دست آوردن شیب و زوایای آن در نوع کاربرد و در دهانه‌های مختلف تاثیر دارد. هزینه خرپای شیروانی بین 25 الی 50 درصد گران‌تر از خرپای ساده می‌باشد.

خرپا وتر موازی (The parallel chord) یا خرپا تخت (flat truss)

خرپاهای وتر موازی یا خرپای تخت به خرپایی می‌گویند که کورد (یال های افقی یا عضو افقی) بالا و پایین آن با هم موازی هستند و طول المان‌های داخلی یکی در میان با هم برابر هستند. معمولا در ساخت کف سازه و پل و سقف سازه به کار می‌رود. معمولا از جنس چوب و اکثرا فولاد هستند.

خرپا ذوزنقه‌ای (Trapezoidal truss)

در خرپای ذوزنقه‌ای هیچ راه نفوذی وجود ندارد، همین قابلیت باعث شده این خرپا از رایج‌ترین شکل در دنیا باشد. شکل ذوزنقه باعث می‌شود که وزن و نیروها بر دو طرف سقف وارد شوند بنابراین می‌توان این نوع در دهانه‌های بلند استفاده کرد.

خرپا وارن (Warren)

المان‌های خرپای وارن ازنظر ظاهری یک شکل مثلث متساوی الاضلاع تشکیل می‌دهند. شکل هندسی خاص این خرپا، توانایی پخش بارهای وارده را بر اجزای مختلف ساختمان پخش می‌کند. جنس این خرپا معمولا از فولاد است و عموما در پل‌ها با دهانه‌های 60 متری استفاده می‌شود.

خرپا کی (K truss)

در خرپای k، دو المان مورب به یک المان عمودی متصل می‌شود و شکلی شبیه به k را به وجود می‌آورد. هدف از قرار دادن المان‌های k شکل برای از بین بردن تمرکز تنش و تقسیم فضای خالی بزرگ مربع شکل به فضاهای کوچکتر است هر چه این المان کوچک‌تر باشد، خرپا در برابر کمانش و نیروی فشاری مقاوم‌تر می‌شود.

هم‌چنین می‌تواند در برابر تنش‌های خمشی مقاومت خوبی از خود نشان دهد. جنس این خرپا از فولاد است و معمولا در پل‌ها و با دهانه‌های بزرگ‌تر از 100 متر به کار می‌روند.

خرپا فینک (fink truss)

خرپای فینک یکی از معمول‌ترین و پر استفاده‌ترین خرپا در دنیا می باشد. با توجه به شکل هندسی آن، بار سقف را تماما به تکیه گاه ها منتقل می‌کند. جنس آن معمولا فولادی است در دهانه‌های حدود 20 متری به کار می‌رود.

خرپا قوسی (Bowstring truss)

این خرپا توسط یک تیر خمیده (قوس) که به دوسر یک تیر بدون خم (زه) متصل شده و دربین آن‌ها المان‌های میانی و قطری به آن دو متصل شده‌اند، به وجود آمده است. خرپای قوسی عموما در پل ها و ساختمان ها و سوله ها و گاها در سازه‌های صنعتی و فضاهای بدون ستون و یا با دهانه‌های پهن حدود 30 متر استفاده می‌شوند.

خرپا پارکر (Parker truss)

خرپای پارکر نوعی از خرپای پرات می‌باشد که به جای تیر افقی در بالای آن یک چند ضلعی قرار گرفته است و معمولا در پل سازی استفاده می‌شود. خرپای پارکر را می‌توان در دهانه‌های حدود 50 تا 100 متر استفاده کرد.

خرپا بالتیمور (Baltimore truss)

خرپای بالتیمور نیز نوع دیگری از خرپای پرات می‌باشد که دارای یک عضو مهاری در قسمت پایینی خود دارد، کاربرد این عضو برای جلوگیری از کمانش در اعضای فشاری و کنترل خیز به کار می‌رود. معمولا در پل‌سازی و در دهانه‌های بیش از 100 متر کاربرد دارد.

به دست آوردن معینی و نامعینی خرپا

برای به دست آوردن معینی یا نامعینی خرپاها باید تعداد اعضا و تعداد گره‌ها را داشته باشیم. اگر تعداد گره‌های خرپا را با J نشان دهیم، و تعداد اعضا خرپا را M بنامیم. و R تعداد مولفه‌های واکنش تکیه‌گاهی مستقل باشد رابطه زیر معین یا نامعین بودن خرپا را نشان می‌دهد:

اگر M+R2J باشد خرپا نامعین است و نامعینی آن از نوع استایی می باشد ولی خرپا هم‌چنان باید از نظر پایداری هندسی و ایستایی مورد تحلیل قرار بگیرد. اگر خرپا کمتر از 2J-Rعضو داشته باشد، آنگاه خرپا ناپایدار است.

مهار بندی خرپا

المان‌های خرپا لنگر خمشی را تحمل نمی‌کنند و پایداری اعضا در صفحه بر عهده گره‌ها می‌باشد. بنابراین می‌توان هنگام ساخت آن از متریال های نازک‌تر استفاده کرد. این عامل نه تنها باعث پایداری ارتجاعی می‌شود، بلکه علاوه بر مقرون به صرفه‌تر بودن نیز می‌توان در جهت جانبی خرپا از مهاربند استفاده کرد.