تیرآهن چیست؟ همه چیز درباره ستون فقرات سازه‌های فلزی

تیرآهن یا I-Beam یکی از اصلی‌ترین اعضای سازه‌ای در مهندسی عمران و ساختمان‌سازی است. این عضو فولادی به دلیل طراحی خاص مقطعش که شبیه حرف I یا H است، توانایی بسیار بالایی در تحمل بارهای خمشی و برشی دارد. تیرآهن بار سقف، طبقات و نیروهای وارد بر دیوارها را به ستون‌ها منتقل کرده و در نهایت به فونداسیون و زمین می‌رساند. بدون تیرآهن، اسکلت فلزی یک سازه نمی‌تواند پایدار و ایمن باشد.

ساختار تیرآهن و عملکرد هر بخش

تیرآهن از دو بخش اصلی تشکیل شده است: جان (Web) و بال‌ها (Flanges). جان بخش عمودی وسط تیرآهن است و مسئول تحمل نیروهای برشی است، در حالی که بال‌ها، بالا و پایین جان قرار دارند و بار خمشی را تحمل می‌کنند. طراحی این مقطع باعث می‌شود تیرآهن با حداقل وزن، بیشترین مقاومت را داشته باشد. به نظر شما هر تیرآهن از چند بخش تشکیل شده است؟ 

• جان
• بال 

یک هواپیما را تصور کنید، بدنه آن و تمام محیطی که سرنشینان در آن هستند جان آن و دو بخشی هم که به طور مشخص در دو طرف هواپیما هستند و وظیفه کنترل هواپیما را دارند، قطعا بال هواپیما می باشند، این موضوع دقیقا در مورد تیرآهن ها نیز صادق است. به قسمتی که به عنوان بخش اصلی و بدنه کار شناخته می شود جان و به لبه‌های کناری و قسمت های دیگر، بال تیرآهن می‌گویند. 

انواع تیرآهن‌ها کدامند؟

تیرآهن‌ها انواع مختلفی دارند که برخی از آنها بسیار پرکاربرد و برخی دیگر کاربردهای کمتر اما مهمی دارند. برای اشاره به انواع تیرآهن، اسامی و خصوصیات آنها به شرح زیر است:

۱. تیرآهن IPE

تیرآهن‌های IPE به شکل I انگلیسی و استانداردترین نوع تیرآهن موجود در کشور هستند و تولید آن بر اساس استانداردهای اروپا صورت می‌گیرد. این تیرآهن به جای عرض در بال‌ها، ضخامت دارد و به دلیل همین ضخامت، توان و مقاومت قابل قبولی در خود دارد، به همین دلیل حجم زیادی از فروش تیرآهن کشور را به خود اختصاص داده است.

۲. تیرآهن INP

این نوع تیرآهن هم به شکل I است و بر اساس استانداردهای روسیه و چین ساخته می‌شود. تفاوت اصلی آن با IPE در ضخامت بال است؛ بال‌های آن در بخش‌های ابتدایی نازک‌تر و در بخش‌های انتهایی ضخیم‌تر هستند. IPE و INP بسیار شبیه هم بوده و حتی برای متخصصان با تجربه نیز گاهی ایجاد اشتباه می‌کنند، بنابراین هنگام خرید باید دقت کافی داشت.

۳. تیرآهن IPB (تیرآهن هاش)

تیرآهن‌هایی که به شکل H انگلیسی و نسبت به سایر تیرآهن‌ها عریض‌تر هستند، تیرآهن IPB یا هاش نامیده می‌شوند. این تیرآهن به دلیل افزایش طول بال‌ها توانایی بالایی دارد و در انواع سازه‌های فلزی پرقدرت کاربرد دارد.

انواع تیرآهن هاش:

1. تیرآهن هاش سبک (HEA ~ IPBL)
2. تیرآهن هاش سنگین (HEB ~ IPB)
3. تیرآهن هاش فوق سنگین (HEM ~ IPBV)

مزایا و معایب تیرآهن هاش:

مزایا شامل سرعت نصب بالا، مقاومت در برابر رانش زمین، تحمل نیروی برشی و خمشی، کاهش ضریب خطا و کاهش مصرف آهن است. معایب آن شامل مقاومت کم در دمای بالا، مقاومت کم در برابر خوردگی، هزینه نگهداری و هزینه بالای جوش می‌باشد.

کاربرد تیرآهن هاش:

این تیرآهن‌ها برای ساخت سازه‌های ضدزلزله، برج‌سازی، پالایشگاه، خرپا و پل به کار می‌روند و روز به روز در مصالح ساختمانی گسترده‌تر می‌شوند.

۴. تیرآهن لانه زنبوری

تیرآهن لانه زنبوری پس از جوش خوردن به شکل حفره‌های شش‌ضلعی یا لانه زنبور درمی‌آید. طراحی آن باعث می‌شود تیر توان تحمل ممان خمشی بیشتری داشته باشد، وزن کمتری داشته باشد و خیز کمتری ایجاد کند. این تیرها اغلب در کشور با دست تولید می‌شوند که دقت ماشینی ندارند اما ارزش خاص خود را دارند. به دلیل فرآیند تولید و پیچیدگی ساخت، قیمت تیرآهن لانه زنبوری معمولا بالاتر از تیرآهن‌های معمولی است.

چرا تیرآهن را لانه زنبوری (شش ضلعی) می‌سازند؟

دلیل اینکه تیرهای لانه زنبوری ساخته شده‌اند این است که تیر بتواند ممان خمشی بیشتری را با خیز نسبتا کم، همچنین وزن کمتر در مقایسه با تیر نورد شده مشابه، تحمل کند چون این تیرها وزن کمتری دارند، میزان تحملشان در برابر لنگر خمشی بالا است. 

جالب است بدانید که تیرآهن‌های لانه زنبوری را در کشورمان اغلب با دست درست می کنند، این موضوع از آن جهت که دقت سازه های ماشینی را ندارد قابل تامل است، اما به جهت ارزشی که پروفیل های دستی دارند، آنها را بسیار متمایز می کند.

کاربردهای تیرآهن در سازه‌ها

تیرآهن در پروژه‌های عمرانی نقش حیاتی دارد. در ساختمان‌های مسکونی و تجاری به‌عنوان تیرهای اصلی اسکلت عمل می‌کند و بار سقف و طبقات را به ستون‌ها منتقل می‌کند. در پل‌ها و سازه‌های زیربنایی، تیرآهن توانایی تحمل بارهای سنگین و نیروهای گسترده را فراهم می‌کند. همچنین در سازه‌های صنعتی، تیرآهن پایه‌ای برای فریم‌های کارخانه و تجهیزات سنگین است. حتی در ساختارهای تخصصی مانند سکوهای صنعتی یا انبارهای بزرگ، استفاده از تیرآهن تضمین‌کننده استحکام و ایمنی سازه می‌باشد.

مزایا و محدودیت‌های تیرآهن چیست؟

تیرآهن نسبت استحکام به وزن بالایی دارد و امکان تحمل نیروهای سنگین با مصرف بهینه فولاد را فراهم می‌کند. قابلیت اجرا و اتصال آسان، تنوع کاربرد از ساختمان‌های کوچک تا پروژه‌های عظیم، این مقطع فولادی را برای مهندسان بسیار مناسب می‌کند.

با این حال، تیرآهن محدودیت‌هایی نیز دارد. مقطع I در برابر پیچش حساس است و گاهی نیاز به مقاطع توخالی یا تقویت جانبی دارد. فولاد تیرآهن همچنین نیازمند حفاظت در برابر خوردگی و حرارت است تا دوام و ایمنی سازه تضمین شود. برخی کاربردهای خاص نیازمند پروفیل‌های اصلاح‌شده یا تیرهای تقویت‌شده هستند.

جمع‌بندی و جدل مقایسه انواع تیرآهن

ابتدا با مقایسه کلی انواع تیرآهن‌ها آشنا شوید:

نوع تیرآهن	شکل مقطع	کاربرد اصلی	مزایا	محدودیت‌ها
IPE	I	ساختمان‌های مسکونی و تجاری	اقتصادی، مناسب باربری عمومی، نصب آسان	مقاومت متوسط در دهانه‌های طولانی، حساس به پیچش
H-Beam / IPB	H	ستون‌ها، پل‌ها، سازه‌های صنعتی سنگین	مقاومت بالا، مناسب دهانه بلند، ثبات بیشتر	وزن بیشتر، نیاز به حفاظت در برابر خوردگی و حرارت
INP	I	پروژه‌های سبک و صنعتی متوسط	سبک‌تر، اقتصادی	ضخامت متغیر بال، مقاومت کمتر نسبت به IPE و H-Beam
لانه‌زنبوری	I با حفره	دهانه‌های بلند، سازه‌های صنعتی خاص	وزن کم، مقاومت خمشی بالا، امکان عبور تأسیسات	نیاز به اتصالات دقیق، پیچیدگی ساخت، محدودیت در بارگذاری نامتعارف

تیرآهن ستون فقرات سازه‌های فلزی است. طراحی مهندسی و استانداردهای دقیق باعث می‌شود تا با کمترین وزن، بیشترین مقاومت را در برابر نیروها داشته باشد. شناخت انواع تیرآهن و کاربردهای هر نوع، مهندسان را قادر می‌سازد تا پروژه‌های امن، پایدار و بهینه طراحی و اجرا کنند. این مقطع فولادی در صنعت ساختمان، پل‌سازی و سازه‌های صنعتی نقش حیاتی دارد و بدون آن، تحقق پروژه‌های مدرن ممکن نیست.