تیر ورق، یک نوع تیرآهن است که با استفاده از ورق‌های فولادی ساخته می‌شود و در مکان‌هایی کاربرد دارد که محدودیت ابعادی تیرآهن مشکل‌ساز است. تیر ورق ها با توجه به نحوه ساخت، انواع متفاوتی دارند و طراحی آن‌ها نیز به الزامات خاصی نیاز دارد. استحکام طراحی آن‌ها هم چیزی بین استحکام طراحی تیرآهن نوردشده و خرپا است. از این جهت می‌توان تیر ورق را با هر دو محصول تیرآهن و خرپا مقایسه کرد. توضیحات بیشتر در مورد انواع تیر ورق، نحوه ساخت، کاربرد و تفاوت آن با محصولات مشابه را در این مقاله بخوانید.
نسخه صوتی مقاله تیر ورق چیست؟
تیر ورق چیست؟
تیر ورق (steel plate girder)، به نوعی یک تیرآهن با سایز بالاست. تیر ورق غالبا از اتصال سه ورق فولادی به یکدیگر ساخته می‌شود. دو ورق به عنوان بال و یک ورق به عنوان جان به هم متصل شده و تیر ورق I شکل را تشکیل می‌دهند. در ادامه نیز با استفاده از تقویت‌کننده‌ها یا سخت‌کننده‌ها، تیر ورق استحکام بیشتری پیدا می‌کند. اجزای تشکیل دهنده تیر ورق را اینگونه می‌توان بیان کرد:
- جان تیر (تیغه – Web)
- بال تیر (فلنج – Flanges)
- تقویت کننده یا سخت کننده (استیفنرها – Stiffeners)
تیرآهن‌های نورد شده نیز مانند تیر ورق ها از دو قسمت جان و بال تشکیل شده‌اند. برای آشنایی بیشتر با تیرآهن، پیشنهاد می‌کنیم حتما مقاله تیرآهن چیست را بخوانید.
# حتما بخوانید
انواع تیر ورق
انواع تیر ورق ها بر اساس نوع اتصال اجزا و همچنین قطعات تشکیل دهنده، به سه نوع زیر تقسیم می‌شوند:
- تیر ورق پیچی و پرچی
- تیر ورق جوششی
- تیر ورق جعبه ای (ستون جعبه‌ای)
در دو نوع اول، تیر ورق از اتصال سه ورق (دو ورق به عنوان بال و یک ورق به عنوان جان) ساخته می‌شود. با توجه به روش اتصال ورق‌ها نیز این دو نوع از هم تفکیک شده و به تیر ورق پیچی و تیر ورق جوشی تقسیم می‌شوند.
نوع سوم که تیر ورق جعبه‌ای نام دارد، متفاوت از تیر ورق شماره ۱ و ۲ مونتاژ می‌شود و دارای چهار وجه است. در ادامه، این سه نوع تیر ورق را بیشتر معرفی می‌کنیم.
۱- تیر ورق پیچی یا پرچی
در این تیر ورق، اتصال اجزاء (جان و بال) با استفاده از پرچ یا پیچ و مهره انجام می‌شود. تیر ورق پیچی، قدیمی‌تر از نوع جوشی است و امروزه کاربرد کمتری دارد. زیرا نوع جوشی از نظر وزن سبک‌تر و همچنین محکم‌تر است.
۲- تیر ورق جوشی
در این نوع تیر ورق، جان و بال تیر با استفاده از جوشکاری به هم متصل می‌شود. نحوه جوشکاری تیر ورق در این نوع تیر ورق به دو صورت است. در تیر ورق شکل بالا «قسمت د» حجم جوشکاری بالاسر نسبت به تیر ورق «قسمت ج» کمتر است، ولی اگر این تیر ورق در شرایط جوی نامناسب قرارگیرد، امکان خوردگی آن بیشتر است.
۳- تیر ورق جعبه ای (ستون جعبه‌ای)
کاربرد تیر ورق جعبه ای که در تصویر بالا به آن اشاره کرده‌ایم، جایی است که مقدار لنگر خمشی بالا باشد، اما ارتفاع تیر ورق محدودیت داشته باشد. همچنین تیر ورق های جعبه ای در برابر پیچش، مقاومت بالایی دارند.
از آنجایی که امروزه تقریبا تمامی تیر ورق ها از نوع تیر ورق جوشی هستند، در ادامه، این نوع تیر ورق را با جزئیات بررسی می‌کنیم.
روش ساخت تیر ورق ها با جوشکاری
انواع جوش تیر ورق و اتصال اجزاء آن به سه روشی انجام می‌شود که در ادامه آورده ایم:
۱- جوشکاری تیر ورق به صورت عمودی
در این روش، ابتدا یکی از بال‌ها روی زمین به صورت تخت قرار داده می‌شود، سپس جان تیر ورق به صورت قائم روی خط میانی بال قرار می‌گیرد. برای تثبیت جان در جای خود از گیره‌های نگهدارنده و میل‌مهارهایی استفاده می‌شود که به طور موقت بین بال و جان جوش داده می‌شوند. در مرحله آخر نیز بالِ دوم، بالای جان جوش داده می‌شود تا بال و جان تیر ورق تکمیل گردد.
۲- جوشکاری تیر ورق به صورت افقی
در نحوه ساخت تیر ورق به صورت افقی، بر خلاف روش قبل، ابتدا جان تیرآهن آماده جوشکاری می‌شود. به این صورت که جان تیر ورق به صورت تخت درون وسیله‌ای مخصوص به نام فیکسچر قرار می‌گیرد ( فیکسچرها برای نگهداری قطعه استفاده می‌شوند). در مرحله بعد، بال‌ها به صورت عمودی درون فیکسچر قرار می‌گیرند. در آخرین مرحله نیز این سه قطعه به هم جوش داده می‌شوند.
در تصویر زیر می‌توانید نحوه اتصال تیر ورق به صوررت افقی را مشاهده کنید:
۳- جوشکاری تیر ورق به صورت جعبه ای
تیر ورق جعبه ای، انواع مختلفی دارد؛ ولی در ساده ترین حالت از چهار وجه تشکیل شده است. زمان ساخت تیر ورق جعبه ای، برای آن که بتوان داخل جعبه از سخت کننده ها (استیفنرها) استفاده کرد، در مونتاژ اولیه یکی از وجوه تیر جوشکاری نمی‌شود تا دسترسی به داخل ستون وجود داشته باشد.
برای این کار، ابتدا یکی از جان‌ها به صورت افقی درون فیکسچر قرار داده می‌شود، سپس دو بال به صورت عمودی در دو طرف جان قرار می‌گیرد. برای عمود بودن بال‌ها روی جان، مطابق با روش تیر ورق عمودی، از گیره‌های نگه دارنده استفاده می‌کنند. سپس سه ورق به وسیله خال جوش در جای خود ثابت می‌شوند.
پس از این که سه وجه تیر ورق جعبه ای به هم متصل شدند، طبق نقشه‌های مهندسی داخل جعبه نیز با ورق‌های تقویت کننده محکم‌تر می‌شود. در مرحله آخر نیز وجه چهارم تیر ورق جعبه ای قرار داده شده و جوشکاری می‌شود.
نکات تکمیلی نحوه ساخت و تولید تیر ورق
بعد از مونتاژ جان و بال تیر ورق‌ها، تابگیری انجام می‌شود. تقویت کننده‌ها یا همان استیفنرها و سایر الحاقات لازم نیز جوشکاری می‌شوند. همچنین برای تکمیل کار، جوشکاری نهایی به منظور تثبیت کامل بال و جان و سخت‌کننده‌ها انجام می‌شود.
کاربرد تیر ورق
همانطور که اشاره شد، تیر ورق همان تیرآهن است که محدودیت ابعادی ندارد؛ در نتیجه، کاربرد تیر ورق با تیرآهن مشابه بوده، اما گسترده‌تر است. عمده کاربرد تیر ورق در ساخت پل و ساختمان‌سازی و به صورت زیر می‌باشد:
ساخت پل: امروزه در جهان، پل‌های شاهراه‌ها تا دهانه ۲۴ توسط نیمرخ‌های نوردشده* و در دهانه‌های بزرگ‌تر به دلایل اقتصادی از تیر ورق استفاده می‌شود و اگر بار وارده نیز بسیار بالا باشد، استفاده از تیر ورق در دهانه‌های کمتر از ۱۵ نیز (نظیر پل راه آهن) اقتصادی خواهد بود.
* نکته: می‌توان از ترکیب ورق و نیمرخ فولادی (مانند نبشی) در ساخت تیر ورق استفاده کرد. این روش، معمولا صرفه اقتصادی بیشتری دارد؛ اما اگر ابعاد آن کوچک باشد، هزینه ساخت بیشتر شده و صرفه اقتصادی از بین می‌رود.
ساختمان سازی: از تیر ورق‌ها تنها در پل‌ها استفاده نمی‌شود، از آن‌ها در ساختمان‌ها (مخصوصاً زمانی که نیروهای متمرکز بالایی باید تحمل شود) استفاده می‌کنند. مثلاً اگر قرار باشد سالنی در طبقات میانی یک ساختمان بلند ساخته شود از تیر ورق در ساختمان استفاده می‌کنند. این تیر ورق باید بار فوق‌العاده بالای چندین ستون را تحمل کند که حاصل از بار طبقات فوقانی است.
دیگر کاربردهای تیر ورق عبارتند از:
- صنعت کشتی‌‌سازی
- سکوهای نفتی و گازی
- تست بار
- جرثقیل‌ها
- سازه‌های بالابر
طراحی تیر ورق ها
برای طراحی تیر ورق فولادی لازم است ابعاد آن شامل حداکثر دهانه، ارتفاع تیر و ضخامت ورق مورد استفاده مشخص شود. این کار برای مقاومت تیر ورق و جلوگیری از کمانش جان تیر لازم است.
ابعاد تیر ورق در طراحی
ابعاد استاندارد تیر ورق باید با توجه به الزامات زیر انتخاب شود:
۱- حداکثر دهانه تیر ورق ها
حداکثر دهانه تیر ورق ها از نظر اقتصادی به چند عامل بستگی دارد که مهم‌ترین آن‌ها شامل ساده بودن یا یکسره بودن تیر ورق، بالا بودن بار پل یا پایین بودن آن و بزرگ‌ترین اندازه قابل حمل تیر ورق است.
تیر ورق ها امروزه، معمولا در دهانه‌های حدود ۶۰ متر و در بسیاری از حالات تا دهانه ۱۲۰ متر نیز استفاده می‌شوند. دهانه اصلی پل تیر ورقی Bonn-Bevel که روی رودخانه راین در آلمان ساخته شده است، ۱۹۳ متر است.
به طور کل می‌توان گفت تیر ورق ها در پل‌های راه‌آهن با دهانه بین ۱۵ تا ۴۰ متر و در پل‌های شاهراه‌ها با دهانه بین ۲۵ تا ۴۵ اقتصادی خواهد بود. البته در دهانه‌های طویل‌تر نیز (مخصوصا زمانی که تیر ورق دارای دهانه یکسره باشد) می‌تواند بسیار اقتصادی باشد.
۲- ارتفاع تیر ورق
ارتفاع تیر ورق بین ۶/۱ (یک ششم) تا ۱۵/۱ (یک پانزدهم) دهانه آن تغییر می‌کند و به طور متوسط با توجه به شرایط خاص هر نوع سازه می‌توان ارتفاع تیر ورق را ۱۰/۱ (یک دهم) تا ۱۲/۱ (یک دوازدهم) دهانه گرفت. یکی از محدودیت‌های طراحی ابعاد تیر ورق، ساخت بزرگ‌ترین اندازه ممکن است که بتوان آن را تا کارگاه جابه‌جا کرد؛ زیرا قطعه با ارتفاع بیش از ۳ یا ۴ متر برای جابه‌جایی در جاده بسیار دشوار است.
ارتفاع کم تیر ورق زمانی انتخاب می‌شود که بارهای وارده سبک باشد. ارتفاع بالا نیز برای زمانی مناسب است که بارهای متمرکز بالایی در فاصله قابل توجهی از ستون‌های سازه به تیر وارد شود. در نهایت، اگر برای طراحی هیچگونه محدودیتی وجود نداشته باشد، ارتفاع جان با توجه به مسائل اقتصادی انتخاب خواهد شد.
۳- جان تیر ورق (ارتفاع و ضخامت)
پس از انتخاب ارتفاع تیر ورق، ارتفاع جان آن قابل اندازه‌گیری است. به این صورت که ارتفاع جان تیر ورق حدود ۵ تا ۱۰ سانتی‌متر کمتر از ارتفاع کل مقطع خواهد بود.
ضخامت جان تیر ورق نیز باید به اندازه‌ای باشد که امکان کمانش قائم بال تیر ورق وجود نداشته باشد. مقدار فشار وارده از طرف بال را می‌تواند حدودا برابر با حاصل ضرب کل تنش خمشی بال فشاری در سینوس زاویه خمش دانست که در اثر خمیدگی بال با افق ایجاد می‌شود.
جلوگیری از کمانش جان تیر ورق
کمانش تیر ورق ها در قسمت جان اتفاق می‌افتد. برای جلوگیری از کمانش جان تیر ورق از تقویت‌کننده‌های زیر استفاده می‌کنند:
۱- استیفنرها یا سخت کننده‌ها
stiffener با تلفظ استیفنر، به معنی سفت کننده یا سخت کننده است. در تیر ورق ها برای افزایش ظرفیت ساختاری و جلوگیری از خرابی‌های موضعی ناشی از کمانش، از سخت کننده استفاده می‌شود. کاربرد دیگر طراحی سخت کننده تیر ورق، تحمل کردن نیروها و بارهای وارده بر تیر است تا زمانی که این نیروها در تیر پخش گردند.
انواع استیفنر تیر ورق با توجه به محل قرارگیری به دسته‌های زیر تقسیم می‌شود:
۱- سخت کننده عمودی (عرضی): این سخت کننده عمود بر بال های تیرآهن قرار می‌گیرد و به دو نوع میانی و انتهایی تقسیم می‌شوند.
- سخت کننده میانی: سخت کننده‌های میانی مانع تخریب تیر در نیروهای متمرکز روی تیر ورق می‌شوند.
- سخت کننده انتهایی: در دو انتهای تیر قرار می‌گیرند و نیروها و بارها را از تیر به تکیه‌گاه منتقل می‌کنند. به سخت کننده‌های انتهایی، سخت کننده بلبرینگ نیز می‌گویند.
۲- سخت کننده افقی (طولی): به موازات بال‌ها قرار می‌گیرند و باعث مقاومت تیغه و بدنه در برابر کمانش می‌شوند.
۲- قطعات و ورق های تقویت جان
معمولا نیاز است جان نازک تیر ورق را از کمانش محافظت کرد. اگر تیر ورق از نوع پیچی یا پرچی باشد، معمولا قطعات تقویت شامل یک جفت نبشی هستند که به جان تیر ورق پیچی یا پرچی متصل می‌شوند؛ ولی برای تیر ورق های جوشی که فراوانی بیشتری دارند، معمولا برای تقویت جان از دو تسمه‌ای استفاده می‌کنند که به جان تیر ورق جوش داده می‌شود.
ورق‌ها و قطعات تقویتی تیر ورق به سه گروه زیر تقسیم می‌شوند:
قطعات تقویتی حمال (تماسی): به منظور انتقال بارهای متمرکز با شدت بالا و انتقال عکس‌العمل‌ها در کل ارتفاع تیر ورق طراحی می‌شوند. این قطعات به هر دو بال متصل می‌شوند و کل ارتفاع جان را می‌پوشانند. نقش دیگر قطعات تقویتی حمال، انتقال بارهای سنگین به جان تیر ورق و ممانعت از تحمل آن بار به تنهایی توسط بال است.
قطعات تقویتی میانی یا غیر حمال: به منظور جلوگیری از کمانش قطری فشاری به جان به کار می‌روند. به آن‌ها قطعات تقویتی عرضی نیز گفته می‌شود. برای این منظور می‌توان از نبشی یا ورق آهن به صورت تسمه استفاده کرد.
قطعات تقویتی طولی: قطعات تقویتی طولی اگرچه مانند قطعات تقویتی قائم کارایی ندارند، ولی در تیر ورق های پل اغلب به دلیل زیبایی به کار می‌روند. ولی در تیر ورق ساختمانی مصرفی ندارند.
محدودیت‌های استفاده از تیر ورق
با وجود گستردگی کاربرد تیر ورق های فولادی، اما این محصول در مواردی محدودیت در طراحی و استفاده دارد که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:
- در طراحی ابعاد محدودیت دارد، زیرا معمولا تیر ورق با ارتفاع بیش از ۳ یا ۴ متر امکان حمل و نقل و جابه‌جایی در جاده را ندارد.
- مقاومت بیشتری در برابر باد از خود نشان می‌دهد.
- سوراخکاری تیر ورق برای عبور لوله‌های تاسیساتی، خدماتی و برق، دشوارتر است.
- استفاده از آن‌ها در پل‌های کوچک توجیه ندارد.
تفاوت تیر ورق و تیرآهن
این محصول به نوعی یک تیرآهن با سایز بالاست، اما دامنه کاربرد، ابعاد، طراحی و همچنین روش ساخت آن متفاوت است.
تفاوت در روش ساخت: تیرآهن به روش ریخته‌گری و نورد گرم و مستقیما از شمش فولادی ساخته می‌شود، اما تیر ورق از اتصال چند ورق فولادی و عمدتا به روش جوشکاری ساخته می‌شود.
تفاوت در کاربرد: تیر ورق در جاهایی استفاده می‌شود که محدودیت ابعادی تیرآهن مشکل ساز باشد. در مقابل، تیر ورق برای تحمل بارها در دهانه‌های وسیع بهترین گزینه است.
تفاوت در ابعاد: در ساخت تیر ورق، ورق‌های فولادی بدون محدودیت ابعادی (طول و ارتفاع) برشکاری شده و به هم جوش می‌شوند؛ اما تیرآهن‌ها سایز جان مشخصی داشته و در طول متعارف ۱۲ متر ساخته می‌شوند.
تفاوت در استحکام: استحکام تیر ورق ها چیزی بین استحکام تیرآهن‌ها و خرپاها است.
تفاوت تیر ورق و خرپا
از تیر ورق و خرپا در طراحی تحمل بار دهانه‌های وسیع استفاده می‌شود. استفاده از تیر ورق و خرپا هر کدام مزایای مختص خود را دارد.
به طور مثال، مزیت خرپا نسبت به تیر ورق این است که استفاده از خرپا در دهانه‌های وسیع در اغلب موارد اقتصادی‌تر است. همچنین وزن تیر ورق از خرپای معادل آن بیشتر است و حجم اتصالات جوشی بین جان و بال تیر ورق نیز بسیار بالاست.
اما به طور کل، تفاوت تیر ورق و خرپا که منجر به مزیت تیر ورق نسبت به خرپا شده شامل موارد زیر می‌شود:
- هزینه ساخت تیر ورق کمتر است، اما از نظر وزن آهن آلات به کار رفته در آن، گران‌تر از خرپا خواهد بود.
- نصب تیر ورق نسبت به خرپا سریع‌تر و ارزان‌تر است.
- به دلیل پر بودن مقطع، ارتعاش و بارهای ضربه‌ای برای تیر ورق‌ها چندان مشکل‌ساز نخواهد بود.
- ارتفاع تیر ورق ها نسبت به خرپای معادل کمتر است.
- تعداد نقاط بحرانی تنش در تیر ورق، کمتر از خرپا است.
- اگر قسمتی از تیر ورق به خوبی متصل نشده باشد، مشکل جدیی نخواهد بود؛ اما اتصال نامناسب در خرپا می‌تواند فاجعه‌بار باشد.
- معمولا خطر خسارت جانبی ناشی از تصادفات در پل‌های تیر ورقی کمتر از پل‌های خرپایی است. زیرا در صورت برخورد وسایل نقلیه به تیر ورق، تنها بخشی از آن خم می‌شود، اما اگر به خرپا برخورد کند و یکی از میله‌های آن پاره شود، منجر به واژگونی خرپا خواهد شد.
- رنگ‌آمیزی تیر ورق ساده‌تر از رنگ‌آمیزی خرپا است.
در مورد خرپا می‌توانید در مقاله زیر بیشتر بخوانید.
# حتما بخوانید
سخن آخر
تیر ورق مانند تیرآهن، یک نیمرخ I شکل است؛ اما تیر ورق، بزرگ‌تر از تیرآهن است و معمولا در جاهایی استفاده می‌شود که محدودیت ابعادی تیرآهن مشکل‌ساز باشد. تیرآهن با فرآیند نورد گرم و ریخته‌گری فولاد تولید می‌شود، اما تولید تیر ورق با اتصال چند ورق فولادی و گاهی نیمرخ‌های نوردشده (مانند نبشی) به صورت جوشکاری صورت می‌گیرد.
