مقاطع ساختمانی توخالی

مقاطع ساختمانی توخالی H.S.S نوعی پروفیل فلزی با سطح مقطع توخالی است. واژه H.S.S مخفف (Hollow structural section) مقطع بسته‌ای (تیوبلار) است.

که به شیوه نورد سرد (کلد فرم) تولید می‌شود و در ساختمان پل‌ها، استادیوم‌ها، مراکز خرید و تجاری. و همچنین واحدهای مسکونی به کارگیری می‌شود. این مقاطع در فرم‌های مربع، مستطیل و دایروی تولید می‌شوند. در سال‌های اخیر استفاده از مقاطع ساختمانی توخالی به خاطر ویژگی‌های ظاهری و خواص مکانیکی آن، شاهد پیشرفت چشمگیری بوده است. معماران به این مقاطع به خاطر خواص ویژه آن، لقب متریال قرن بیست و یک را داده‌اند.

تاریخچه تولید

انسان از دیرباز با علم به خواص ویژه مقاطع تیوبلار از آن به شکل‌های مختلف استفاده نموده است. یکی از برجسته‌ترین نمونه‌های موجود، پل «فُرس آو فِرس» است. که در سال 1890 در اسکاتلند با استفاده از مقاطع ساختمانی فولاد ساخته شده است (تصویر زیر)

در سال 1886 برادران مانسمان موفق به تولید اولین نمونه‌های لوله‌های بدون درز شدند. تولید لوله‌های درز دار با پیشرفت فرایند جوشکاری پیوسته در سال 1930 به وسیله «فرتز مون» (Fretz Moon) در آمریکا توسعه یافت. در خلال جنگ دوم جهانی، تکنولوژی جوش به تکامل رسید. و در سال 1952 برای اولین‌بار مقاطع توخالی چهارگوش از نورد لوله توسط «استیوارت» و «لویدز» تولید شد. و تا کنون روش معمول تولید مبتنی بر همین اصول می‌باشد.

در حال حاضر مقاطع ساختمانی توخالی، به صورت درز جوش و عمدتاً به شیوه جوش ERW تولید می‌شوند. کارخانجات نورد و پروفیل ساوه و هم چنین شرکت فولاد ماشین و شرکت فولاد گستر آتنا. از جمله شرکت‌هایی هستند که این مقاطع نوین ساختمانی را تولید می‌کنند.

روش‌های تولید مقاطع ساختمانی توخالی

فرایند تولید ورق به مقاطع ساختمانی (H.S.S) نتیجه فرایندی شامل فرمینگ، جوش و سایزینگ می‌باشد. در حال حاضر از سه شیوه برای تولید این مقاطع استفاده می‌گردد.

تبدیل لوله به ستون باکس

در روش تبدیل لوله به ستون باکس، ابتدا ورق با عرض لازم با توجه به مقطع مورد نظر وارد دروازه‌های فرمینگ می‌شود. در این دروازه‌ها، ورق با عبور از چند مرحله فرم‌دهی به لوله تبدیل می‌شود. سپس درز میانی آن به شیوه «ERW» جوش می‌شود. و بعد از خنک‌کاری با عبور از دروازه‌های سایزینگ به مقطع چهارگوش با فرم و سایز مورد نظر تبدیل می‌گردد. از این روش برای تولید مقاطع تا سایز 500×400 استفاده می‌شود.

روش تولید مستقیم

در این روش ورق صاف پس از برش لبه‌ها با عبور از دروازه‌های متعدد، توسط قالب‌های فرم دهنده در چهار نقطه. (4 وجه ستون) خم می‌شود. و به فرم مربع یا مستطیل در می‌آید. سپس درز میانی با شیوه ERW جوش می‌شود. پس از خنک‌کاری، با عبور از دروازه‌های سایزینگ، فرم نهایی محصول به دست می‌آید. در این شیوه تنها چهار گوشه ستون فرم‌دهی می‌شوند.

و مابقی سطوح بدون تغییر فیزیکی می‌مانند در حالی که در شیوه اول. (تبدیل لوله به ستون باکس)، تمام سطوح ورق مورد سردکاری و فرم‌دهی قرار می‌گیرند. این ویژگی یکی از مزیت‌های مهم روش تولید مستقیم باکس می‌باشد.

دستگاه جوش ERW

تولید دو تکه

در این شیوه، دو تکه همسان از ورق صاف توسط پرس برک (با شیوه‌های دیگر) خم می‌شود. و دو نیمه تشکیل دهنده مقطع را می‌سازند. این دو نیمه سپس توسط جوشکاری «زیر پودری» (SAW) در محل درزها به هم جوش می‌شوند. و تشکیل باکس یکپارچه را می‌دهند.

بدیهی است که این شیوه تولید یکپارچه و مداوم نیست و سرعت تولید آن نیز پایین می‌باشد. در ضمن در عمل، تولید ستون‌های یکپارچه با طول بیش از 6 متر بسیار دشوار و غیر اقتصادی می‌باشد. عمده کاربرد این شیوه، تولید مقاطع با سایز و ضخامت بالا (بیش از 20mm) می‌باشد.

مقایسه روش رایج با مقاطع ساختمانی توخالی

جهت آشنایی بیشتر با مزایای استفاده از مقاطع H.S.S در این قسمت به مقایسه جزئیات اجرای این روش با روش سنتی ساخت ستون باکس می‌پردازیم.

• حجم جوش در شیوه مرسوم به علت داشتن 4 خط جوش و لزوم نصب استیفنرها. بیش از 4 برابر جوشکاری در شیوه تولید H.S.S است که دارای تنها یک درز جوش است و بدون استیفنر ساخته می‌شود.
• کیفیت جوش در شیوه سنتی، به دلیل زیر پودری (SAW) یا دستی (CAW) بودن جوشکاری. بسیار پایین‌تر از جوش مورد استفاده در تولید مقاطع ساختمانی H.S.S (جوش ERW) است.
• هزینه نهایی، می‌توان مهم‌ترین مزیت استفاده از مقاطع ساختمانی را، کاهش هزینه نهایی عنوان نمود. با رشد روز افزون هزینه‌های تولید، استفاده از مقاطع ساختمانی به جای ستون‌های تولیدی از ورق چهار وجه. تأثیر غیر قابل انکاری بر روی هزینه تمام شده اسکلت دارد.

• سرعت تولید در شیوه سنتی، بسیار زمان بر و کند است. به طور مثال ساخت هر ستون 12 متری در سایز 400×400 توسط یک تیم 5ذ نفره، حدود 2 روز کاری به طول می‌انجامد. در شیوه تولید H.S.S به علت ماشینی بودن تولید، می‌توان ستون با ابعاد ذکر شده را در مدت زمان کمتر از 2 دقیقه تولید نمود.
• تولید در طول دلخواه، از آنجایی که طول ورق‌های موجود معمولاً 6 متر است. تولید ستون با طول بیشتر، در شیوه سنتی مستلزم برش‌کاری، تسمه‌سازی و جوش چند قطعه به یکدیگر است. در نتیجه امکان تولید ستون‌های یکپارچه در طول زیاد وجود ندارد. ولی در شیوه H.S.S به دلیل استفاده از رول در فرایند تولید، می‌توان ستون یکپارچه به اندازه دلخواه تولید نمود.

• تنش گوشه‌ها، در شیوه مرسوم ساخت ستون، چهار درز جوش طولی در گوشه‌های ستون. پلیت‌ها را به هم وصل می‌کنند که این امر باعث ایجاد تنش در مقطع، مخصوصاً در چهار گوشه ستون می‌گردد. در فرایند تولید H.S.S تنها یک درز جوش در وسط یکی از اضلاع وجود دارد که کمترین میزان تنش را در مقطع ایجاد می‌کند.
• تأثیرات زیست‌محیطی، به خاطر کمتر بودن حجم جوشکاری. (تولید گازهای آلاینده کمتر و تولید پسماند جوشکاری پایین‌تر) و مصرف انرژی کمتر، شیوه تولید H.S.S. نسبت به شیوه سنتی بسیار پاک‌تر و دوست‌دار محیط زیست می‌باشد.
• امکان پر کردن مقاطع H.S.S با بتن (ستون کامپوزیت). به دلیل الزام نصب استیفنر داخلی در تولید ستون به شیوه رایج، عملاً پر کردن این مقاطع با بتن امکان‌پذیر نمی‌باشد. ولی در به کارگیری مقاطع ساختمانی H.S.S این محدودیت وجود ندارد.

مزایای مهم HSS مدرن صنعتی

مقاطع HSS صنعتی نسبت به مقاطع سنتی مورد بیان مزایای بیشماری دارد که می‌توان به چند مزیت مهم آن اشاره نمود.

• نسبت مقاومت به وزن بیشتر
• مقاومت پیچشی 200 برابر نسبت به مقاطع با جان باز مانند مقاطع IPE
• ایده‌آل‌ترین گزینه برای ستون به دلیل برابری شعاع ژیراسیون در دو جهت
• کیفیت بالای جوش به دلیل استفاده از جوش ERW که نیاز به الکترود ندارد.
• ساخت سازه‌های سبک‌تر و عملکرد بهتر در مقابل زلزله
• ظاهری زیباتر در ساخت و سازه‌های اکسپوز
• امکان تولید مقاطع در طول دلخواه براساس نیاز مشتری و محدودیت‌های ترافیکی
• امکان استفاده از HSS در مقاطع CFT
• سطح رویه کمتر آنها نسبت به مقاطع باز، باعث کاهش مصرف رنگ و همچنین تمیز کردن راحت‌تر می‌شود.
• مقاطع HSS علاوه بر حل مشکلات فنی مقاطع دوبل خصوصاً کمانش موضعی در محل اتصالات. از لحاظ اقتصادی باعث کاهش هزینه حدود 20 درصدی سازه به تناسب سیستم بالابر جانبی. مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دلایل عدم رواج H.S.S در ایـــــران

با وجود گسترش روزافزون استفاده از H.S.S در سایر کشورها، استفاده از این مقاطع در ایران هنوز توسعه نیافته است. از مهم‌ترین دلایل عدم رواج این نوع مقطع ساختمانی می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.

عدم تولید داخلی

اولین و مهمترین دلیل عدم استفاده از مقطع توخالی به عنوان اسکلت ساختمان این است. که این مقاطع در کشور تولید نمی‌شده است و تولیدکننده‌ای تکنولوژی ساخت این مقاطع را دارا نبوده است. در چند سال اخیر با توجه به نیاز صنایع داخلی به این مقاطع، شرکت‌هایی با برنامه‌ریزی و مدیریت صحیح. موفق به تولید و عرضه این مقاطع شده‌اند.

تولیدکنندگان خارجی این محصول نیز محدود به چند کشور صنعتی بزرگ از جمله آمریکا، چین و ژاپن می‌باشند. و با توجه به قیمت بالای این محصول در این کشورها، واردات این محصول از نظر اقتصادی به صرفه نبوده. و به همین جهت این محصول تا کنون در بازار داخلی موجود نبوده است.

دشواری در اتصال

روش‌های معمول اتصالات صلب مقطع H.S.S دشوار و پر هزینه است و در اجرا دقت پایینی دارد. لذا استقبال عمومی برای استفاده از این اتصالات فولادی نسبتاً کم بوده است. جهت تکمیل پروژه عرضه مقاطع ساختمانی H.S.S و فراگیر نمودن استفاده از این مقطع، اتصال فوق مدرن ConXL توسط برخی شرکت‌های داخلی ارائه گردیده است. تا ضمن از میان برداشتن دشواری‌های اتصال صلب مقاطع H.S.S با کاهش هزینه‌ها و بالا بردن ضریب ایمینی. راه را برای توسعه استفاده از این مقاطع هموار سازد.