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 شده و در ساختمان پلها، استادیومها، مراکز خرید و تجاری و همچنین واحدهای مسکونی به کار برده می‌شود. این مقاطع در فرم های 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 بوده‌است. معماران به این مقاطع به خاطر خواص ویژه آن، لقب متریال قرن بیست و یک را داده‌اند.

تاریخچه تولید

نمایی از پل Firth of Forth در کشور اسکاتلند

انسان از دیرباز با علم به خواص ویژه مقاطع تیوبلار از آن به شکل های مختلف استفاده نموده‌است. یکی از برجسته ترین نمونه های موجود، پل «فُرس آو فِرس» است که در سال 1890 در اسکاتلند با استفاده از مقاطع ساختمانی فولادی ساخته شده‌است(تصویر روبرو).
در سال 1886 برادران مانسمان موفق به تولید اولین نمونه های لوله های بدون درز شدند. تولید لوله های درزدار با پیشرفت فرایند جوشکاری پیوسته در سال 1930 بوسیله «فرتز مون» (Fretz Moon) در آمریکا توسعه یافت. در خلال جنگ دوم جهانی، تکنولوژی جوش به تکامل رسید و در سال 1952 برای اولین بار مقاطع توخالی چهارگوش از نورد لوله توسط «استیوارت» و «لویدز» تولید شد و تاکنون روش معمول تولید مبتنی بر همین اصول می‌باشد.

در حال حاضر مقاطع ساختمانی توخالی به صورت درزجوش و عمدتاً به شیوه جوش ERW تولید می‌شوند. کارخانجات نورد و پروفیل ساوه و هم چنین شرکت فولاد ماشین از جمله شرکت هایی هستند که این مقاطع نوین ساختمانی را تهیه می کنند.^{[نیازمند منبع]}

روش های تولید مقاطع ساختمانی توخالی

پروسه تبدیل ورق به مقاطع ساختمانی (H.S.S) نتیجه فرایندی شامل فرمینگ، جوش و سایزینگ می‌باشد. در حال حاضر از 3 شیوه برای تولید این مقاطع استفاده می‌گردد:

تبدیل لوله به ستون باکس

روش تبدیل لوله به مقطع ساختمانی توخالی (H.S.S)

در روش تبدیل لوله به ستون باکس، ابتدا ورق با عرض لازم با توجه به مقطع مورد نظر وارد دروازه های فرمینگ می‌شود. در این دروازه ها، ورق با عبور از چند مرحله فرم دهی به لوله تبدیل می‌شود. سپس درز میانی آن به شیوه «ERW» جوش می‌شود و بعد از خنک کاری با عبور از دروازه های 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

روش تولید مستقیم مقطع ساختمانی توخالی (H.S.S)

در این روش ورق صاف پس از برش لبه ها با عبور از دروازه های متعدد، توسط قالب های فرم دهنده در چهار نقطه (4وجه ستون) خم می‌شود و به فرم مربع یا مستطیل در می‌آید. سپس درز میانی با شیوه ERW جوش می‌شود. پس از خنک کاری، با عبور از دروازه های سایزینگ، فرم نهایی محصول به دست می‌آید. در این شیوه تنها چهار گوشه ستون فرم دهی 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 فرم دهی قرار می‌گیرند. این ویژگی یکی از مزیت های مهم روش تولید مستقیم ستون باکس می‌باشد.

تولید دو تکه

در این شیوه، دو تکه همسان از ورق صاف توسط پرس برک (یا شیوه های دیگر) خم شده 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 ستون های 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 mm 20) می‌باشد.

مقایسه روش رایج با مقاطع ساختمانی توخالی

جهت آشنایی بیشتر با مزایای استفاده از مقاطع ساختمانی 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 استیفنر ها، 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 جوش کاری، بسیار پایین تر از جوش مورد استفاده در تولید مقاطع ساختمانی H.S.S (جوش ERW) است.
• هزینه تمام شده، می توان مهمترین مزیت استفاده از مقاطع ساختمانی را، کاهش هزینه های تمام شده عنوان نمود. با رشد روز افزون هزینه های تولید، استفاده از مقاطع ساختمانی بجای ستون های ساخته شده از ورق چهار وجه، تاثیر 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 5 نفره، حدود 2 روز کاری به طول می‌انجامد. در شیوه تولید H.S.S به علت ماشینی بودن تولید، می توان ستون با ابعاد ذکر شده را در مدت زمان کمتر از 2 دقیقه تولید نمود.
• تولید در طول دلخواه، از آنجایی که طول ورق های موجود معمولاً 6 متر است، تولید ستون با طول بیشتر، در شیوه سنتی مستلزم برش کاری، تسمه سازی و جوش چند قطعه به یکدیگر است. در نتیجه امکان تولید ستون های یکپارچه در طول زیاد وجود ندارد. ولی در شیوه H.S.S به دلیل استفاده از رول در فرایند تولید، می توان ستون یکپارچه به اندازه دلخواه تولید نمود.
• تنش گوشه ها، در شیوه مرسوم ساخت ستون، چهار درز جوش طولی در گوشه های ستون، پلیت ها را به هم متصل می‌کنند که این امر باعث ایجاد تنش در مقطع، مخصوصاً در 4 گوشه ستون می‌گردد. در پروسه 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 زیست محیطی، به خاطر کمتر بودن حجم جوشکاری (تولید گازهای آلاینده کمتر و تولید پسماند جوشکاری پایین تر) و مصرف انرژی کمتر، شیوه تولید H.S.S نسبت به شیوه سنتی بسیار پاک تر و دوست دار محیط زیست می‌باشد.
• امکان پرکردن مقاطع H.S.S با بتن (ستون کامپوزیت)، به دلیل الزام نصب استیفنر داخلی در تولید ستون به شیوه رایج، عملاً پرکردن این مقاطع با بتن امکان پذیر نمی‌باشد. ولی در بکارگیری مقاطع ساختمانی (H.S.S) این محدودیت وجود ندارد.

دلایل عدم رواج H.S.S در ایران

با وجود گسترش روزافزون استفاده از H.S.S در سایرکشورها، استفاده از این مقاطع در ایران هنوز توسعه نیافته است. از مهم ترین دلایل عدم رواج این نوع مقطع ساختمانی می توان به موارد زیر اشاره نمود:

عدم تولید داخلی

اولین و مهم ترین دلیل عدم استفاده از مقطع توخالی به عنوان ستون ساختمان این است که تاکنون این مقاطع در کشور تولید نشده اند و هیچ تولید کننده ای تکنولوژی ساخت این مقاطع را دارا نبوده است.

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 تاکنون در بازار داخلی موجود نبوده است.

دشوار بودن اتصال

روشهای معمول اتصالات صلب مقطع H.S.S، دشوار و پرهزینه است و در اجرا دقت پایینی دارد. لذا استقبال عمومی برای استفاده ازاری های اتصال صلب مقاطع H.S.S، با کاهش هزینه ها و بالا بردن ضریب ایمنی، راه را برای توسعه استفاده از این مقطع هموار سازد.

منابع

• TataSteel
• cim

http://www.kalup.cp.ir