به هر مقطع فولادی که دارای سطح مقطع یکسانی باشد، قوطی پروفیل می‌گویند. این نوع مقاطع فولادی در اشکال مختلفی مانند مربع، مستطیل، دایره و بیضی تولید می‌شوند و کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند. پروفیل‌ها از پرکاربردترین اجزا در صنایع مختلف چون اتومبیل‌سازی، ساخت درب و پنجره، صنایع پزشکی و ساختمان‌سازی هستند. پروفیل‌ها ازنظر ظاهری به دو دسته اصلی باز و بسته و از نظر کاربرد نیز به 2 دسته صنعتی و ساختمانی تقسیم می‌شوند. انواع پروفیل باز شامل، پروفیل سپری، پروفیل زد، پروفیل فرانسوی، پروفیل کلاهی و انواع پروفیل بسته شامل، مربعی، مستطیلی، لنگه دری، کلافی و پروفیل بسته HSS می‌شود.
اگر اندکی در بازار جستجو کرده باشید متوجه می‌شوید که از انواع مختلفی از قوطی مانند قوطی آهن، قوطی ستونی، پروفیل سبک و یا مبلی نام برده می‌شود. هدف این مقاله تحمل بار توسط نوع ضخیم قوطی آهن یعنی قوطی ستونی است که معمولاً از این نوع قوطی در ساخت و ساز استفاده می‌شود. قیمت قوطی ستونی و قیمت قوطی آهن، بر مبنای قیمت ورق سیاه تعیین می‌شود که در فرآیند نورد گرم ساخته شده است.
برای ساخت هر سازه فلزی نیاز به مصالح مختلفی مانند قوطی داریم تا بتوانیم یک سازه پایدار را بسازیم. اجزای این سازه باید طوری باشند که به راحتی قادر باشند تمام بارهای وارده بر سازه را تحمل کرده و از طریق دیوارها و ستون‌ها بارهای اضافی را به زمین انتقال دهند. اگر این اجزا به درستی انتخاب شوند ایمنی سازه افزایش قابل توجهی پیدا کرده و در برابر نیروهای دینامیکی ناگهانی مانند نیروی باد یا زلزله مقاوم خواهد بود. تحمل بار قوطی آهن یکی از مهمترین فاکتورها برای چنین کاربردهایی است.
برای کمتر کردن فشار بارهای وارد بر قوطی، می‌توان بارها را به‌طور گسترده پخش کرد و یا اینکه از قوطی‌های کوچک‌تری استفاده کرد. بنابراین، مقدار و نحوه وارد کردن بار و همچنین ابعاد قوطی، از مهمترین عوامل مؤثر در تحمل بار آن هستند.
رعایت استانداردهای متناسب با هر کاربرد، نقشی حیاتی در تحمل بار انواع قوطی آهن ایفا می‌کند. به عبارت دیگر، هر نوع قوطی آهنی با توجه به کاربردی که برای آن در نظر گرفته می‌شود، باید از استانداردهای خاصی پیروی کند تا بتواند به طور صحیح و کارآمد وظایف خود را انجام دهد. برخی از استانداردهای رایج برای قوطی‌های آهنی عبارتند از استانداردهای ساختمانی، خودرویی و صنعتی. استانداردهای ساختمانی برای قوطی‌های آهنی که در ساخت و ساز ساختمان‌ها به کار می‌روند، مانند تیرچه، ستون و… تدوین شده‌اند. استانداردهای خودرویی برای قوطی‌های آهنی که در ساخت شاسی، بدنه و سایر اجزای خودرو استفاده می‌شوند، تدوین شده‌اند. استانداردهای صنعتی برای قوطی‌های آهنی که در ساخت ماشین‌آلات، تجهیزات صنعتی و… کاربرد دارند، تدوین شده‌اند.
عواقب عدم رعایت استانداردها عبارتند از:
- کاهش تحمل بار: قوطی‌های آهنی که مطابق با استانداردها تولید نشده‌اند، توانایی تحمل بارهای طراحی شده را نداشته و در معرض خطر خم شدن، شکستن و… قرار دارند.
- ایجاد نقص و عیب: عدم رعایت استانداردها می‌تواند منجر به بروز نقص و عیوب مختلف در قوطی‌های آهنی مانند ترک خوردگی، خوردگی و… شود.
- کاهش عمر مفید: قوطی‌های آهنی غیر استاندارد عمر مفید کوتاهی دارند و به سرعت نیاز به تعویض پیدا می‌کنند.
- افزایش هزینه‌ها: استفاده از قوطی‌های آهنی غیر استاندارد در نهایت منجر به افزایش هزینه‌های تعمیر و نگهداری و تعویض خواهد شد.
قوطی آهن چیست؟
قوطی یا پروفیل آهن (به انگلیسی Steel Square Tube)، نوعی مقطع فولادی است که ساختاری توخالی با سطح مقطع مربع یا مستطیل شکل دارد. از خم کردن ورق فولادی و جوش دادن درز آن به شکل چهارضلعی، قوطی پروفیل آهن ساخته می‌شود. قوطی آهن که به آن پروفیل آهن نیز گفته می‌شود، یک ماده بسیار قوی و همه کاره است که در کاربردهای بسیار متنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
به دلیل قیمت قوطی آهن که بسیار به‌صرفه‌تر از سایر موارد در می‌آید و همچنین تحمل و مقاومت بالای آن، در ساخت ساختمان‌ها، پل‌ها، پله‌ها و سایر سازه‌ها استفاده می‌شود. همچنین در ساخت تیرهای فولادی سازه‌ای، ستون‌ها و خرپاها نیز کاربرد دارد. از این نوع قوطی همچنین در ساخت طیف گسترده‌ای از محصولات از جمله ماشین آلات، تجهیزات و وسایل نقلیه استفاده می‌شود. همچنین از آن در ساخت قفسه بندی و سایر سیستم‌های ذخیره سازی نیز بهره برده می‌شود.
فرمول محاسبه مقاومت فشاری قوطی
همان‌طور که پیش از این و در مقاله‌ای جداگانه در رابطه با نحوه محاسبه تحمل بار قوطی صحبت نمودیم، یکی از مهمترین ویژگی‌های فنی هر قوطی، ظرفیت باربری آن است، یعنی باید از پیش تعیین شود، پروفیل مورد استفاده در یک سازه قادر است تا چه میزان بارهای خارجی و داخلی وارد شده بر سازه را تحمل کند. براساس این ظرفیت و میزان بارهای محاسبه شده برای سازه، نوع و تعداد پروفیل‌های مورد نیاز تعیین می‌شود.
یک نکته مهمی که در بازار وجود دارد و باید به آن توجه ویژه شود، این است که تولیدکنندگان مختلفی در بازار وجود دارند که اقدام به تولید قوطی پروفیل می‌کنند. پس شبیه هر محصول دیگری رقابت در بازار آهن و پروفیل نیز وجود دارد و باید هنگام خرید به مشخصات فنی پروفیل، مانند میزان تحمل بار آن توجه خاص داشته باشید.
قوطی پروفیل دارای بدنه‌ای کاملاً یکنواخت بوده و سطح جوش‌پذیری مناسبی دارد. در کنار این خواص ویژه، میزان تحمل بار قوطی و استحکام آن بالا بوده و به همین دلیل امروزه در کاربردهای مختلفی از آن استفاده می‌کنند. اولین نکته‌ای که باید در هنگام کار با پروفیل به آن توجه نمایید، قابلیت تحمل وزن موردنظر توسط قوطی است. زیرا این قوطی می‌توانند به صورت مستقیم بر حفظ جان افراد تاثیر بگذارند و عملاً ایمنی سازه به آنها بستگی دارد به همین دلیل نمی‌توان بدون در نظر گرفتن تحمل بار قوطی، آن را خریداری نمود.
در صورتی که پروفیل براساس استانداردهای مشخص تولید نشده باشد قادر به تحمل بار موردنظر نبوده و ایمنی سازه را به خطر می‌اندازد. عدم استاندارد پروفیل ممکن است در ابتدا باعث بروز خسارت نشود ولی پس از مدتی با افزایش فشار وارده و کاهش تحمل آن سبب کاهش طول عمر سازه خواهد شد. برای دستیابی به میزان تحمل بار قوطی به صورت دقیق لازم است از فرمول‌های مشخصی استفاده شود.
به دست آوردن عدد دقیق میزان تحمل بار پروفیل می‌تواند سازه را در برابر بلایای طبیعی مانند سیل و زلزله ایمن سازد. همچنین وزن پروفیل‌های فولادی را می‌توان به آسانی محاسبه نمود و از این طریق میزان تحمل بار آن را مشخص کرد.
مساحت سطح مقطع قوطی × طول قوطی × چگالی قوطی = وزن پروفیل قوطی
میزان مقاومت پروفیل قوطی به عوامل متعددی ازجمله وزن قوطی، ابعاد، نوع مواد به‌کاررفته در ساخت آن و نیز نحوه قرارگیری آن در ستون بستگی دارد. هرچه وزن یک مقطع فولادی افزایش یابد، این افزایش وزن بر افزایش ضخامت و ابعاد آن قطعه نیز اثرگذار است. درنتیجه، فاکتور وزن مهمترین عامل در محاسبه تحمل بار قوطی است. این عوامل از طریق فرآیند تولید قوطی قابل‌کنترل و بهینه‌سازی هستند. در رابطه بالا، وزن قوطی آهن برحسب کیلوگرم، چگالی قوطی برحسب کیلوگرم بر مترمکعب و مساحت سطح مقطع و طول آن نیز برحسب متر هستند.
- وزن قوطی: هرچه وزن قوطی بیشتر باشد، به طور کلی مقاومت آن نیز بیشتر خواهد بود. دلیل این امر، ضخامت بیشتر فلز در قوطی‌های سنگین‌تر است که به آنها استحکام بیشتری در برابر خم شدن و تحمل بار می‌بخشد.
- ابعاد قوطی: ابعاد قوطی، اعم از طول، عرض و ضخامت، نقش مهمی در تعیین مقاومت آن دارند. به طور کلی، قوطی‌های با ابعاد بزرگ‌تر، به دلیل داشتن سطح مقطع بیشتر، مقاومت بالاتری در برابر تحمل بار دارند.
- نوع مواد به‌کاررفته در ساخت قوطی: جنس قوطی، از جمله نوع فولاد استفاده شده، بر مقاومت آن تاثیر می‌گذارد.
- نحوه قرارگیری قوطی در ستون: نحوه قرارگیری قوطی در ستون، مانند نوع اتصال، زاویه و لنگر، می‌تواند بر مقاومت آن در برابر بارهای وارده تاثیر بگذارد. طراحی و اجرای صحیح اتصالات و لنگرها، نقشی کلیدی در به حداکثر رساندن مقاومت قوطی در ستون دارد.
انواع بارهای وارد شده به قوطی در ساختمان
آنالیز ساختاری بخش بسیار مهمی از طراحی ساختمان ها و دیگر سازه های ساخته شده مانند پل ها، تونل ها و غیره است. اهداف آنالیز ساختاری عبارتند از: تعیین ظرفیت باربری سازه: این تحلیل به منظور تعیین حداکثر بارهایی که سازه می تواند بدون تحمل آسیب یا خرابی تحمل کند، انجام می‌شود. بررسی تنش‌ها و کرنش‌ها: تنش و کرنش در هر نقطه از سازه محاسبه و با مقادیر مجاز مقایسه می‌شود تا از عدم وجود نقاط بحرانی و احتمال خرابی اطمینان حاصل شود. بررسی پایداری سازه: پایداری سازه در برابر بارهای مختلف مانند بارهای ثقلی، بارهای جانبی (باد و زلزله) و بارهای دینامیکی بررسی می‌شود. انتخاب مصالح مناسب: با توجه به نتایج آنالیز ساختاری، می‌توان مصالح مناسب با مقاومت و سختی مورد نیاز برای هر قسمت از سازه را انتخاب کرد. بهینه سازی طراحی: با تحلیل و بررسی نتایج، می‌توان طراحی سازه را بهینه سازی کرد و از هدر رفتن مصالح و هزینه‌ها جلوگیری نمود.
بارهایی که بر قوطی پروفیل‌های مختلف وارد می‌شود براساس مکان قرارگیری قوطی و نقشی که باید در آن سازه بازی کند، متفاوت خواهد بود، برای نمونه ممکن است بار به صورت متمرکز، گسترده، یکنواخت، غیریکنواخت ترکیبی و یا خطی بر پروفیل قوطی وارد شود. اگر نسبت طول به عرض دال سقف بیشتر از 2 باشد به آن دال یک طرفه می‌گویند و اگر کمتر باشد به آن دال دو طرفه گفته می‌شود. بارهایی که به پروفیل‌ها یا تیرهای اصلی یا شاه تیر وارد می‌شوند به یک طرفه یا دو طرفه بودن دال‌‌ها وابسته هستند.
دال یک طرفه:
- دال بتنی با نسبت طول به عرض بیشتر از 2
- بارهای اعمال شده به تیرچه ها منتقل شده و سپس توسط تیرهای اصلی و شاه تیرها به زمین منتقل می شوند.
- ضخامت دال در مقایسه با دال دو طرفه بیشتر است.
- آرماتورهای خمشی فقط در یک جهت (طول) قرار دارند.
- برای دهانه های کوتاه و بارهای سبک مناسب تر است.
دال دو طرفه:
- دال بتنی با نسبت طول به عرض کمتر از 2
- بارهای اعمال شده به طور مستقیم توسط دال به تیرهای اصلی و شاه تیرها منتقل می شوند.
- ضخامت دال در مقایسه با دال یک طرفه کمتر است.
- آرماتورهای خمشی در دو جهت (طول و عرض) قرار دارند.
- برای دهانه های بلند و بارهای سنگین مناسب تر است.
اگر بار وارد شده بر شاه تیر از طریق دال یک طرفه باشد عرض بارگیر وسط به وسط دو دهانه مجاور خواهد بود، اما در صورتی که بار وارد شده بر شاه تیر از طریق دال دو طرفه باشد میزان تحمل بار پروفیل از طریق ترسیم نیم ساز گوشه‌ها به دست می‌آید، یعنی در این حالت بار وارد شده بر شاه تیر به شکل ذوزنقه یا مثلث خواهد بود. دال‌های متفاوتی از جمله طاق ضربی، تیرچه بلوک، دال‌های مرکب و کامپوزیت نیز در سازه‌ها استفاده می‌شوند که رفتار همه آنها مانند دال یک طرفه است، اما دال‌های بتن مسلح دارای رفتاری دو طرفه هستند.
تغییر شکل یا افتادگی پروفیل زمانی رخ می‌دهد که به دلیل وارد شدن بارهای مختلف یک حالت شکمی روی تیر ایجاد شود. اگر این پروفیل‌ها دارای رفتار ارتجاعی باشند در صورتی که بارهای وارد شده از یک حد مشخصی بیشتر نشود بعد از اینکه بارهای اضافی برداشته شوند پروفیل به حالت اولیه خود بر می‌گردد، اما در حالتی که تیر رفتار ارتجاعی نداشته باشد به محض وارد شدن بارهای اضافی که خارج از تحمل پروفیل است احتمال ترک خوردگی و یا شکست ناگهانی در پروفیل یا تیرآهن و تخریب سازه وجود دارد.
قوطی پروفیل تنها از آهن ساخته نمی‌شود بلکه از آلیاژهای فولادی که دارای درصدهای متفاوت کربن هستند تهیه می‌شوند. به همین دلیل مقاومت بالایی در برابر نیروهای خمشی، بارهای محوری و جانبی دارد. همچنین این قابلیت را دارد که ارتعاش‌ها را به صورت مناسب جذب نماید، به همین دلیل بهترین مصالح برای تحمل بارهای وارد شده برسازه هستند. با محاسبه خمش قوطی و تحمل بار این محصول به راحتی می‌توان بهترین قوطی پروفیل مناسب پروژه را انتخاب کرد.
زمانی که تحمل باربری یک ستون از بین برود و دلیل آن خم و یا انحنای بیش از حد باشد را کمانش می‌گویند. کمانش ارتباط مستقیمی با تحمل بار قوطی دارد در نتیجه باید قوطی‌های مناسب کاربردشان با تحمل بار انتخاب شود. نکته قابل توجه این است که هر چه ابعاد مقطع قوطی افزایش پیدا کند تحمل بار آن نیز افزایش پبدا می‌کند و می‌توان گفت که کمانش کاهش می‌یابد. در مقابل با افزایش ارتفاع و تعداد طبقات احتمال کمانش بیشتر می‌شود.
بارهای وارد شده می‌تواند باعث ایجاد تنش، تغییر شکل و جابه جایی گردد، در این شرایط اگر قوطی‌ها نتوانند بار را تحمل کنند منجر به مشکلات ساختاری و حتی شکست کامل پروژه ساختمان سازی خواهد شد. انواع مختلفی از بارها وجود دارد که می‌توانند بر روی یک قوطی موجود در ساختمان وارد شوند. البته بارها نیز دارای ماهیت‌های مختلفی بوده و ماهیت آن با توجه به طراحی، اجرای مکان و مواد مورد استفاده متفاوت خواهد بود، الزامات طراحی به طور کلی بر حسب حداکثر بارها مشخص شده‌اند. انواع بارهایی که به یک قوطی در ساختان وارد می‌شوند عبارتند از:
- بارهای متمرکز (نقطه‌ای): بارهای منفرد و جدا از هم که برروی یک ناحیه کوچک ایجاد می‌شود. نمونه‌هایی از بارهای متمرکز عبارتند از: بار تیرچه در محل تکیه‌گاه روی تیر، بار ستون در محل اتصال به فونداسیون و بار حاصل از باد در یک نقطه خاص.
- بارهای خطی: این نوع بارها در امتداد یک خط اعمال می‌شوند و به صورت پیوسته در طول قوطی توزیع می‌شوند. نمونه‌هایی از بارهای خطی عبارتند از: وزن خود قوطی، بار مرده سقف (شامل تیرچه، بلوک، و …) و بار زنده (شامل افراد، مبلمان، و …).
- بارهای توزیع شده (سطح) : این نوع بارها بر روی سطح قوطی اعمال می‌شوند و به صورت یکنواخت در سطح آن توزیع می‌شوند. نمونه‌هایی از بارهای توزیع شده عبارتند از: بار برف، بار باد و بار زلزله.
در یک تقسیم بندی دیگر می توان بارهایی که به یک قوطی در ساختمان وارد می‌شوند را به موارد زیر تقسیم بندی کرد:
بارهای ثابت:
این نوع بارها به طور دائمی بر روی قوطی اعمال می شوند و شامل موارد زیر هستند:
- وزن خود قوطی
- وزن مصالحی که روی قوطی قرار دارند (مانند تیرچه، بلوک، و …)
- وزن تجهیزات و تاسیسات نصب شده روی قوطی
بارهای پراکنده (متحرک):
این نوع بارها به طور موقت بر روی قوطی اعمال می شوند و شامل موارد زیر هستند:
- بار زنده (شامل افراد، مبلمان، و …)
- بار برف
- بار باد
- بار زلزله
بارهای ناشی از باد:
این نوع بارها به دلیل وزش باد بر روی سطوح مختلف ساختمان ایجاد می شوند و به عوامل مختلفی مانند سرعت باد، ارتفاع ساختمان و شکل هندسی آن بستگی دارند.
بارهای ناشی از برف:
این نوع بارها به دلیل انباشت برف بر روی سقف ساختمان ایجاد می شوند و به مقدار بارش برف و شکل هندسی سقف بستگی دارند.
بارهای ناشی از زلزله:
این نوع بارها به دلیل حرکات زمین در هنگام زلزله ایجاد می شوند و به بزرگی زلزله، نوع خاک و موقعیت سازه بستگی دارند.
پروفیل آهن, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 8 اسفند 1402
