سازه ساختمانی و صنعتی HSS

مقاطع HSS چیست؟

HSS مخفف عبارت مقطع (فلزی) توخالی سازه ای است که در اشکال گرد، مربعی و مستطیلی یافت می شود. این مقاطع جزء متنوع ترین و کارآمد ترین پروفیلهای سازه ای هستند که کاربرد های متعددی در صنعت و ساختمان دارند.

شرکت فولاد گستر آتنا(FGA) تولید کننده HSSبه روش سرد با جوش مقاومت الکتریکی (ERW) در سایز ها و ضخامت های مختلف است. استفاده از این روش های پیشرفته در تولید ، موجب می شود که محصولات تولیدی این شرکت از کیفیت بالایی جهت مصرف ایمن تر و مطمئن تر سازه ها برخوردار باشند.

تاریخچه مقاطع فولادی توخالی سازه ای (HSS)

بشر از دیرباز با ویژگیهای فوق العاده اَشکال توخالی آشنایی داشته است. الهام گیری اولیه ی بشر احتمالا از طبیعت بوده است که در آن میتوان نمونه های بسیاری از کاربرد اینگونه مقاطع (HSS) را به وضوح دید. همانطور که در تصویر 1 نشان داده شده است، خداوند در طبیعت از این اَشکال برای تولید یکی از سبک­ ترین و کارآمد­ترین و در عین حال به صرفه ترین سازه­ هایش به خوبی استفاده کرده است .

 

ویژگی مقاطع توخالی HSS

مقاطع سازه ای توخالی بخصوص مقاطع مستطیلی شکل، معمولاً در سازه های فولادی جوش داده شده، به عنوان عضو اصلی باربر در جهت های مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. همچنین مقاطع مربعی شکل و دایره ای نیز برای این بارگذاری چند محوری بسیار کارآمد هستند. به دلیل دارا بودن خواص هندسی یکنواخت این مقاطع در طول دو یا چند محور، استحکام بسیار خوبی دارند و این مشخصه باعث می شود که این مقاطع گزینه های خوبی برای ستونها بشمار روند. همچنین مقاومت خوبی در مقابل چرخش دارند.

مقاطع تو خالی (HSS) می توانند به عنوان تیر نیز مورد استفاده قرار بگیرند، گرچه فلنج های بال پهن و تیرهای I شکل در بسیاری از موارد، سازه های کارآمدتری برای این کاربرد هستند، با این حال، مقاطع تو خالی مقاومت بهتری در برابر پیچش و کمانش جانبی دارند. سطح صاف و چهارگوش مقاطع مستطیلی HSS می تواند منجر به سهولت در امر ساخت و ساز گردد و گاهی نیز برای زیبایی معماری نمای سازه ها به دیگر مصالح ترجیح داده می شوند، اگرچه مقاطع ساختمانی بیضوی در حال تبدیل شدن به محبوب ترین مقطع ساختمانی به دلیل معیارزیبایی در طراحی است.

 

مزایای اصلی

• HSS نسبت به مقاطع بال پهن و HP شکل، نسبت استحکام به وزن بالاتری دارند. بنابراین با استفاده از HSS، به میزان کمتری فولاد برای انجام کار نیاز است و وزن کمتر، معادل هزینه ی کمتر است.
• مقاومت فشاری، مشخصه های باربری و مقاومت پیچشی بالا، کاربرد HSS را برای انواع مختلف ستونها فراهم ساخته است.
• HSS از فولاد ساخته شده که یکی از قابل بازیافت ترین موادهاست.
• استحکام پیچشی HSS (ثابت پیچشی HSS، حدوداً 200 برابر مقاطع باز است)، آن را عالی ترین گزینه برای عضو مهار بند و محیطی کرده است.
• سطح مقطع کمتر آنها نسبت به مقاطع باز، باعث کاهش مصرف رنگ و همچنین تمیز کردن می شود.
• طیف وسیعی در شکل و ضخامت دیواره دارند.
• شکل یکپارچه HSS، ساخت آن را آسان و در معماری نما، پر کاربرد کرده است.

مزایای مهندسی

• ویژگی های عالی تر در طراحی در هر دو محور ( ممان اینرسی، اساس مقطع، و شعاع ژیراسیون)
• استحکام بالا در برابر بار گیری پیچشی
• مخصوصاً مناسب برای به کار بردن در ستونهای فشاری
• وزن کمتر در هر فوت (پا)
• تنوع: استحکام، شکل پذیری، سختی، مقاومت در برابر خوردگی
• مقاومت کمتر به جریان آب و هوا

مزایای طراحی معماری

• کیفیت بالای سطح نهایی
• ظاهر زیبا در طراحی ساختمان و دیگر سازه ها
• مقرون به صرفه بودن نسبت به دیگر مصالح ساختمانی
• قابلیت پنهان کردن تأسیسات در قسمت تو خالی مقطع

 

مزایای ساخت

• HSS به سهولت قابل خم شدن، شکل گرفتن، سوراخ و مته شدن است. روشهای جدید و پیشرفته ی اتصال HSS به یکدیگر و یا به دیگر مصالح ، استفاده ی آن را ساده تر و ساخت آن را سریعتر می کند.
• روکش کاری یا رنگرزی آسانتر ، سریعتر و ارزانتر
• جوشکاری آسانتر هم در کارگاه و هم در محل احداث (بدلیل یکنواختی آلیاژ فلز) بدون نیاز به پیش گرمایش یا پس گرمایش
• انطباق آسانتر بخشهای جفت به همدیگر (بدون نیاز به بریدگی یا کپی اتصالات همانند تیرها و ناودانی ها)
• وزن کمتر به معنای صرفه جویی در هزینه های نصب و حمل و نقل

 

در سال 1886 شیوه “skew roll piercing”  توسط برادران مانسمان [4] (Mannesmann)   بعنوان یکی از نخستین روشهای تولید “مقاطع توخالی مدور بدون درز” معرفی شد. این پروسه توسط پیلگر (Pilger) دنبال شد که چند سال بعد تولید مقاطع توخالی با طول بیشتر، ضخامت کمتر و بدون درز را ممکن ساخت.

ابداعات اصلی در زمینه تکنولوژی تولید HSS در سال 1930 معرفی و بکار گرفته شد  این ابداعات، تولید مقاطع توخالی مدور درزجوش در اوایل قرن بیستم را نیز شامل می­شود. از آن زمان تکنیکهای تولید پیشرفته نظیر روشهای جوش ممتد برای HSS تکامل یافت که منجر به افزایش چشمگیر تولید این مقاطع در کشورهای صنعتی شد.

بعد از جنگ جهانی دوم صنعت جوشکاری پیشرفت سریعی کرد. علاوه بر این، کار آماده سازی انتهای ورق های فلزی برای جوش تسهیل شده و باعث میشد تا فرآیندهای تولید، پیوسته و بی وقفه پیش رود و رولهای ورق بطور مداوم وارد دستگاه نورد شود. گذشته از این، دستگاه های آماده سازی لبه ورق فرآیند جوش لبه را تسهیل می­کردند که این نیز به کیفیت تولید افزود.

در سال 1937، “سیستم مِرو” توسط Mengeringhausen ساخته شد (مِرو مخففMengeringhausen Rohrbauweise است که به معنی سازه های توخالی Mengeringhausen می­باشد)، که ساخت صنعتی سازه ­هایی که در آن از HSS و اتصالات آن استفاده میشد را تسهیل کرد. به طور خاص، این سیستم وسایل اتصال استانداردی را معرفی کرد که قابلیت اتصال اعضا در زوایای مختلف را داشت. این پیشرفت تا جایی ادامه یافت که HSS را به اولین گزینه برای ساخت سازه­ های فضا­کار بدل کرد.

بسیاری از دشواری های دیگر در زمینه تولید HSS طی دهه 50 قرن بیستم برطرف شد  با این وجود نیاز بود تا پیشرفت های بیشتری در زمینه اتصالات بین اعضای HSS انجام شود تا این اعضا مورد استفاده گسترده‌تری قرار گیرند. در نتیجه تحقیقات گسترده‌ای به این موضوع، بویژه انواع اتصالات صلب و نیمه­ صلب، اختصاص یافت. در سال 1951،Jammو  اولین دفترچه دستورالعمل طراحی برای اعضای HSS را تهیه کرد. همچنین در مقالات پژوهشی بسیار زیادی که در ژاپن ، آمریکا  و اروپا ، انجام شده به موضوع اتصالات پرداخته شده است.

تولید صنعتی مقاطع توخالی مستطیلی در سال 1952 آغاز شد. این پیشرفت اساسی، در عین حفظ تمام ویژگیهای مطلوب مقاطع توخالی، باعث شد تا کار طراحی و ساخت اتصالات بین اعضای HSS برای مهندسین ساده­ تر شود. در دهه 60 تحقیقات در زمینه اتصالات ازجمله اتصالات مربوط به مقاطع توخالی مستطیلی در اروپا سرعت گرفت. بسیاری از مطالعات تئوری و آزمایشگاهی بر اساس رفتار استاتیکی این اتصالات انجام شده که عمدتا توسط مؤسسه  CIDECTو هدایت شده است. در طول 25 سال اخیر موضوعات پژوهشی پیشرفته بیشتری مربوط به اعضای HSS شکل گرفت که شامل رفتار دینامیکی، مقاطع پرشده با بتن، مقاومت در برابر خوردگی و آتش سوزی و کاربرد آن در مقاومت در برابر باد  بودند.