تعریف: مجموعه‌ای از میله‌های مستقیم که به حالت مفصلی به یکدیگر اتصال یافته و شبکه‌های مثلثی شکل را ایجاد می‌کنند را خرپا می‌گویند. در خرپاها فرض بر این است که اعضا در انتهای خود به اعضای دیگر لولا شده‌اند. اگر به شکل زیر دقت کنیم، بدیهی است که خرپای مثلثی نمایش داده شده در اثر نیروی اعمالی، دچار تغییرشکل نمی‌گردد مگر اینکه یکی از اعضای آن خم شده یا بشکند. لذا تنها شکل پایدار، شکل مثلثی خواهد بود.
شبکه‌های متشکل از 4 عضو و بیشتر، شبکه‌های پایداری نبوده و تحت تأثیر نیروهای مؤثر از بین می‌روند.
هندسه‌ی این شکل‌ها تغییر می‌کند بدون اینکه در طول و اندازه‌یشان تغییری اتفاق بیفتد.
کاربرد خرپا
خرپاها از کارآمدترین و رایج‌ترین فرم‌های سازه‌ای به شمار می‌روند که در انواع ساختمان‌ها و ماشین‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ساختمان‌های خرپایی علاوه بر مقاومت بالا در برابر نیروهای اعمالی، از لحاظ اقتصادی نیز بسیار مناسب و توجیه‌پذیر می‌باشند. به منظور اتصال اعضای خرپا به یکدیگر از جوش یا پرچ و یا پیچ استفاده می‌شود.
کاربرد خرپاها در پوشاندن سقف‌ها به خصوص سقف‌های با دهانه زیاد و همچنین پل‌ها است. علاوه بر این خرپاها در برخی از ماشین‌های سنگین مانند جرثقیل‌ها نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند و علاوه بر داشتن مقاومت بالا، از لحاظ وزن هم سبک هستند.
جالب است بدانید که استخوان‌بندی بال تعدادی از پرندگان که برای پرواز بایستی سبک باشد نیز به صورت صورت خرپا شکل گرفته است. به همین دلیل اسکلت‌بندی هواپیماها را هم از نوع خرپایی در نظر می‌گیرند.
انواع خرپا از لحاظ شکل
به طور کلی تقسیم‌بندی خرپاها، در دو گروه صفحه‌ای و فضایی صورت می‌گیرد. فرم پایه‌ی خرپاهای صفحه‌ای متشکل از 3 عضو و 3 گره می‌باشد. خرپاهای صفحه‌ای از لحاظ شکل ظاهری، به مدل‌های مختلفی ساخته می‌شوند.
در دو جدول بعدی، انواع خرپاهای صفحه‌ای رایج مورد استفاده در سقف‌های شیبدار و همچنین در سقف‌های تخت، آورده شده است.
انواع خرپاهای صفحه‌ای رایج مورد استفاده در سقف‌های شیبدار:
انواع خرپاهای صفحه‌ای رایج مورد استفاده در سقف‌های تخت:
اجزای تشکیل دهنده خرپا
براساس شکل بعدی، اعضای تشکیل‌دهنده خرپا بدین شرح می‌باشند:
- الف) یال تحتانی (Bottom Chord)
- ب) یال فوقانی (Top Chord)
- ج) اعضای قائم (Verticals)
- د) اعضای قطری (Diagonals)
نیمرخهای متداول در ساخت خرپا
براساس کاربرد موردنیاز، نیمرخهای فولادی گوناگونی در خرپاسازی استفاده می‌شود که برخی از آن‌ها عبارتند از:
- الف) پروفیل‌های L (نبشی) و ┴ (سپری)
- ب) نیمرخهای IPE، IPB و UNP
- ج) نیمرخهای قوطی مربع و مستطیل
- د) از پروفیل‌های لوله‌ای شکل هم می‌توان در ساخت خرپا استفاده کرد. تنها ایراد در بهره‌گیری از این مدل پروفیل‌ها، برش و جفت‌وجور کردن قطعات به یکدیگر می‌باشد. در صنایع جرثقیل‌سازی، کاربرد این نوع پروفیل‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
شکل زیر نمونه‌ای از استفاده خرپا در سازه پل را نمایش می‌دهد.
اتصالات در خرپاها
همانطور که قبلا اشاره کردیم، اعضای خرپا با استفاده از جوش، پیچ و مهره و یا پرچ به یکدیگر اتصال می‌یابند.
این اتصال گاهی به حالت مسقیم و گاهی نیز توسط ورقی به نام «ورق اتصال» انجام می‌پذیرد. لذا در عمل علاوه بر اینکه حالت مفصلی در انتهای اعضا وجود ندارد، پیوند آن‌ها نیز به یکدیگر و به ورق اتصال دارای گیرداری مناسبی است که پیچیدگی در رفتار اعضا را در بر دارد. یکی از مهمترین نکات در این مورد آن است که در طراحی خرپا باید تلاش بر این باشد که امتداد محور میله‌ها از نقطه مشترکی عبور کند. همچنین وارد کردن نیروهای خارجی به محل گره‌ها، از شرایط دیگر این فرض است.
حتما ببینید: شیشه نشکن برای کف
زوایای قطری نیز در حالت 45 درجه دارای شرایط مناسبتری هستند و همچنین نسبت ارتفاع به دهانه نبایستی از یک دهم کمتر باشد.
نمونه‌ای از اتصال اعضای خرپا در شکل بعد نشان داده شده است.
شکل بعد نیز همگرایی محور اعضا در محل گره‌ها را با یک اجرای درست و یک اجرای نادرست را نشان می‌دهد.
ورق‌‌های اتصال در خرپا
ورق اتصال در خرپا براساس فرم اعضای آن ایجاد می‌گردد. یکی از مهمترین مسائلی که گاهی اوقات در اتصالات خرپا به وجود می‌آید، خمش ورق اتصال است. این خمش در برخی موارد می‌تواند منجر به تغییر فرم و کج شدن خرپا و احتمالاً تخریب آن گردد.
دلیل اصلی بسیاری از خرابی‌های خرپا، اتصال ضعیف (جوش، پیچ و پرچ) و خمش ورق اتصال می‌باشد.
از جمله علت‌های اتصالات ضعیف خرپاها می‌توان به گسیختگی جوش، پارگی ورق و برش پیچ‌ها و پرچ‌ها اشاره کرد.
در شکل بعدی جزئیات ورق اتصال آورده شده است.
لاپه ریزی روی خرپا و مهارکردن آن‌ها
فواصل خرپاها از یکدیگر غالباً 3 تا 6 متر است و روی آن‌ها هم تیرهایی در امتداد عمود بر صفحه‌ی خرپاها و یا قاب‌های خرپایی قرار می‌گیرند که به آن‌ها لاپه می‌گویند. به عنوان مثال در شکل زیر، قاب ساختمانی از این نوع با تیرهای طولانی یا لاپه‌های متکی به تصویر کشیده شده است.
در شکل قبلی، ابتدا بار سقف به تیرهای طولی یا لاپه‌ها انتقال می‌یابد و پس از آن، تیرهای طولی نیرو را به قاب خرپایی منتقل می‌کنند. عموماً لاپه‌ها را از نیمرخهای U،Z و I انتخاب می‌کنند. آغاز لاپه‌ریزی از ابتدای خرپا بوده و تا نزدیکی رأس خزپا به حالت موازی ادامه پیدا می‌کند. این نکته مهم را نیز نباید فراموش کرد که لازم است لاپه‌ها حتماً روی گره‌های خرپا قرار گیرند.
در شکل زیر، نحوه‌ی استقرار لاپه‌های رأسی و مهار آن‌ها و همچنین چگونگی مهار کردن سایر لاپه‌ها به یکدیگر به منظور جلوگیری از غلتیدن (رانش) لاپه‌ها، نشان داده شده است.
لاپه‌ها را جهت جلوگیری از خمش عرضی، با استفاده از میلگردهایی در فواصل یک سوم طولشان در امتداد شیب، به یکدیگر میبندند. به این میلگردها، میل‌مهار گفته می‌شود.
شکل بعدی یک نمونه از میله‌مهار را به منظور بستن لایه‌ها به یکدیگر، نشان می‌دهد.
مهاربندی در خرپاها
قاب‌های خرپایی در برابر نیروهای عمود بر صفحه‌ی قاب‌های خرپایی، دارای مقاومت خیلی کمی می‌باشند. بنابراین به منظور افزایش مقاومت ساختمان در امتداد عمود بر قاب‌های خرپایی، از مهاربند استفاده می‌کنند. فلسفه‌ی استفاده از مهاربند جانبی، آن است که این مهاربند باعث افزایش مقاومت سیستم قاب‌ها در جهت عمود بر قاب‌ها می‌شود و همچنین در جهت عرضی نیز مطابق با شکل بعدی، خرپاهای ابتدا و انتها را مهاربندی کرده و مابقی خرپاهای میانی نیز با توجه به مهاربندهای افقی به خرپاهای ابتدا و انتها تکیه کرده و پایداری خود را حفظ می‌کنند.
همانطور که مشاهده می‌گردد، سامانه مهاربندی ستون‌ها شامل مجموعه‌ای از اعضای کششی که در صفحه‌ی قائم به حالت ضربدری قاب‌ها را به یکدیگر اتصال می‌دهند، می‌باشد. در چنین حالتی قاب‌های انتهایی ساختمان به وسیله‌ی مهاربندها به اولین قاب درونی متصل شده‌اند. این روش، به منظور ایجاد استحکام جانبی اسکلت مناسب است و عملکرد آن بدین صورت می‌باشد که قاب‌های خرپایی به این وسلیه به یکدیگر اتصال یافته و شکل قفسه‌ای به خود می‌گیرند. این قفسه در جهات گوناگون تحت تأثیر نیروهای جانبی، دارای صلبیت و پایداری است و واژگون نمی‌گردد.
مهاربندی سقف خرپاها علاوه بر استفاده در مهاربندی ستون‌ها، جهت ایجاد صلبیت در دیافراگم سقف نیز موردنیاز می‌باشد. مهاربندی سقف بایستی در یال تحتانی و فوقانی انجام بگیرد. شکل زیر مهاربندی سقف و مهاربندی ستون‌ها در پلان و نما را نشان می‌دهد.
خرپاهای فضایی (فضاکار)
از جمله جذاب‌ترین و پرمقاومت‌ترین سازه‌ها، می‌توان به شبکه فضایی یا خرپاهای فضاکار اشاره کرد. فرم پایه‌ی خرپای فضایی، متشکل از 6 عضو و 4 گروه می‌باشد که مطابق شکل بعد، به یکدیگر مفصل شده و قاب بسیار سختی را به وجود می‌آورند.
مطابق با شکل زیر، با افزودن عضوهای دیگر، مجموعه لوله‌ی مثلث‌بندی شده، ایجاد می‌گردد.
با مرتبط کردن چند مجموعه لوله‌ی مثلث‌بندی شده به یکدیگر، می‌توان به یک بام مستطیل یا مربع شکل مطابق با شکل زیر، دست پیدا کرد.
به دلیل سختی و استحکام بالای خرپاهای فضایی، می‌توان از آن‌ها در پوشش فضای کارخانه‌ها، نمایشگاه‌ها، استخرها و … استفاده کرد. در دو شکل بعد نمونه‌ای از خرپاهای فضاکار و سازه‌های ساخته شده با استفاده از آن‌ها، آورده شده است.
در سالیان اخیر از شبکه‌های فضاکار که یک یا هردو لایه‌ی آن‌ها از شش ضلعی‌هایی تشکیل شده، به منظور ساختن بام استفاده می‌گردد. نمونه‌ای پوشش‌های ایجاد شده با سیستم فضایی، در شکل زیر نشان داده شده است.
جنس و نوع نیمرخهای استفاده شده در خرپاهای فضایی می‌تواند از لوله‌ی آهنی، آلومینیومی، نبشی و یا قوطی باشد که اتصالات آن‌ها به حالت مفصلی است. شکل زیر نمونه‌ای از چگونگی اتصال اعضای خرپا را نمایش می‌دهد.
ساختمان 115 » مرجع نقاشی ساختمان و پنجره سه جداره