تعریف مقاطع سازه‌ای توخالی
مقاطع سازه‌ای توخالی (Hollow Structural Section)، تیوبهای فولادی با درز جوش و استحکام بالا هستند که به عنوان یک عضو باربر در ساختمان‌ها و دیگر سازه‌ها و محصولات تولیدی استفاده می‌شوند. این مقاطع در اشکال گرد، مربع و مستطیل و در طیف گسترده‌ای از اندازه ها تولید می‌شوند. مزایای آنها شامل ظاهر زیبا، نسبت استحکام به وزن بالا، یکپارچگی استحکام، مقرون به صرفه بودن و قابلیت بازیافت است.
در بعضی مواقع HSS به اشتباه با عنوان فولاد سازه ای توخالی (Hollow Structural Steel) اشاره می‌شود. مقاطع چهارگوش HSS (مربع و مستطیل) معمولا tube steel یا structural tubing نامبرده می‌شوند. مقاطع گرد HSS گهگاه به طور اشتباه steel pipe نامیده می‌شوند. گرچه لوله فولادی واقعی، از نظر طبقه‌بندی و ابعاد، متفاوت از HSS طبقه‌بندی می‌شود. (ابعاد HSS بر اساس ابعاد بیرونی پروفیل است، در حالی که ابعاد لوله ها اساساً بر طبق قطر داخلی آنها تعیین می شود). گوشه‌های HSS به صورت گرد می‌باشند و شعاعی تقریباً دو برابر ضخامت دیواره مقاطع سازه‌ای توخالی دارند. این ضخامت دیواره در کل مقطع یکسان است.
متریال اولیه این محصول از رول‌های فولاد کربنی بوده که به روش نورد گرم تولید شده‌اند و پس از فرم‌دهی در خط نورد سرد، با عبور از دروازه‌های متعدد به فرم لوله در می‌آید و محل اتصال لبه‌ها، بدون استفاده از الکترود، با عبور از میدان الکتریکی و ایجاد مقاومت و حرارت ذوب شده و بهم جوش می‌خورد (جوش القایی با فرکانس بالا). پس از خُنک کاری با عبور مقطع از دروازه‌های سایزینگ، ابعاد دقیق و فرم مورد نظر بدست می‌آید. سپس لوله، در طول مورد نیاز بریده و پس از بازرسی نهایی آماده ارائه به بازار می‌شود
ویژگی مقاطع توخالی
مقاطع سازه‌ای توخالی بخصوص مقاطع مستطیلی شکل، معمولاً در سازه‌های فولادی جوش داده شده، به عنوان عضو اصلی باربر در جهت‌های مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. همچنین مقاطع مربعی شکل و دایره‌ای نیز برای این بارگذاریِ چند محوری بسیار کارآمد هستند. به دلیل دارا بودن خواص هندسی یکنواخت در طول دو یا چند محور، این مقاطع استحکام بسیار خوبی دارند و این مشخصه باعث می‌شود که این مقاطع گزینه‌های خوبی برای ستونها بشمار رفته و همچنین مقاومت خوبی در مقابل پیچش داشته باشند.
مقاطع تو خالی (HSS) می‌توانند به عنوان تیر نیز مورد استفاده قرار بگیرند، گرچه فلنج‌های بال‌پهن و تیرهای آی شکل (I) در بسیاری از موارد، سازه‌های کارآمدتری برای این کاربرد هستند، با این حال، مقاطع تو خالی مقاومت بهتری در برابر پیچش و کمانش جانبی دارند. سطح صاف و چارگوش مقاطع مستطیلی HSS می تواند منجر به سهولت در امر ساخت و ساز گردد و گاهی نیز برای زیبایی معماری، نمای سازه‌ها به دیگر مصالح ترجیح داده می شوند، اگرچه مقاطع ساختمانی بیضوی در حال تبدیل شدن به محبوب‌ترین مقطع ساختمانی به دلیل معیار زیبایی در طراحی است.
کاربرد مقاطع توخالی
انسان از دیرباز با علم به خواص ویژه مقاطع تیوبلار از آن به شکل‌های مختلف استفاده نموده است. مهم‌ترین استفاده از این مقاطع در ساختمان‌سازی و استفاده از آن به عنوان اسکلت فلزی است. با توجه به استحکام فولاد و استقامت ساختمان می‌توان از این مقاطع در ساخت سازه‌های گوناگون استفاده نمود. از مهم‌ترین سازه‌های ساخته شده با این گونه مقاطع می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- سکوهای دریایی
- استادیوم‌های ورزشی
- پل‌ها
- سوله‌های صنعتی
- سازه‌های شهربازی
- پایانه‌ها
- پارکینگ‌های خودرو
- جرثقیل‌های سقفی
- سازه انتقال لوله
- ساختمان اداری و مراکز خرید
- کاربردهای عمومی
مزایای استفاده از مقاطع توخالی
- 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 عالی‌ترین گزینه برای عضو مهار‌بند و محیطی کرده است.
- سطح رویه 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
- ویژگی های عالی تر در طراحی در هر دو محور ( ممان اینرسی، اساس مقطع، و شعاع ژیراسیون)
- استحکام بالا در برابر بارهای پیچشی
- مناسب برای به کار بردن در ستونهای فشاری
- وزن کمتر
- استحکام، شکل پذیری، سختی، مقاومت در برابر خوردگی.
- مقاومت کمتر به جریان آب و هوا
- 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
- 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
روش متداول ساخت ستون فولادی HSS
مقاطع فولادی مستطیل شکل با ظهور فولاد در ساخت و ساز در پایان قرن نوزدهم مورد استفاده قرار گرفتند. اولین مقاطع از طریق پرچ شدن پلیت‌ها و نبشی‌ها بهم ساخته شدند. در حال حاضر این عمل از طریق جوش دادن چهار پلیت و یا بیشتر به یکدیگر، یا جوش دادن پلیت‌ها به مقاطع بال‌پهنِ نورد شده (W) انجام می‌شود. پس از جنگ جهانی دوم مقاطع مستطیلی از یک پلیت و از طریق فرآیند نورد سرد ساخته شدند.
روشهای تولید مقاطع سازه‌ای توخالی HSS
تبدیل ورق فولادی به مقاطع سازه ای تو خالی (HSS) در نتیجۀ یک سری فرآیندها، از جمله فرمینگ، جوش و سایزینگ می باشد. در حال حاضر از 3 شیوه برای تولید این مقاطع استفاده می گردد:
1. تولید مستقیم
در اولین مرحله ی شکل دهی تیوبهای مربع و مستطیل(2) دو گوشه بالایی ورق صاف فرم داده می شوند و در مرحله بعدی(3) دو گوشه پایینی فرم داده می شوند. نورد سرد در هیچ وجهی از تیوب اعمال نمی شود و درز آن زمانی که به سایز و شکل نهایی نزدیک شد، بوسیله جوش تماسی با فرکانس بالا جوش داده می شود. تیوب جوش داده شده خنک کاری می شود(4)و از دروازه های متعدد سایزینگ عبور داده می شود تا ابعاد نهایی تیوب را تعیین کند.
2. تبدیل لوله به باکس
در این روش، ورق صاف فولادی (1) در امتداد محور طولی به طور پیوسته فرم داده می شود تا به تیوب با مقطع گرد تبدیل شود. این عمل با حرکت دادن ورق از میان مجموعه ای از غلتکها (6-2) انجام می شود. لبه های ورق (7) در مجاورت هم قرار میگیرند و بوسیله ی جوش القایی با فرکانس بالا یا جوشکاری تماسی حرارت داده می شوند و لبه‌ها در اثر جوشکاری در یکدیگر فرو می روند تا یک جوش طولی پیوسته بدون نیاز به اضافه‌کردن فلز پر کننده (الکترود) بوجود بیاید. سپس درز جوش (8) خنک می‌شود و در انتها با عبور از یک سری غلتکهای سایزینگ که نورد سرد نامیده می‌شود به مقاطع گرد (9)، مربع (10) یا مستطیل (11) تبدیل می‌شود.
3. روش تولید دوتکه
دو ورق صاف یکسان (1) پس از قرار گرفتن در پرس برک دو نیمه (2) مقطع را تشکیل می‌دهند. سپس یک تسمه نگهدارنده به رویه ساق یکی از نیمه های مقطع جوش داده می شود (3). دو نیمه از ساق بر هم منطبق می‌شوند (4) و از طریق جوش زیر پودری به هم جوش شده و مقطع نهایی مربع یا مستطیل را کامل می‌کند (5).
استاندارد
استاندارد رایج تولید مقاطع ساختمانی ASTM A500 می باشد. همزمان با گسترش کاربرد این مقاطع، در سال2013 استاندارد جدید ASTM A1085 برای این مقاطع معرفی شده است. در سال 1392 سازمان استاندارد ملی ایران نیز استاندارد 17003 را تحت عنوان “مقاطع توخالی سازه ای سرد شکل داده شده و جوشکاری شده از فولادهای غیرآلیاژی” برای این مقاطع تدوین کرده است.
اصلاحیه مربوط به ویرایش جدید استاندارد ASTM A500 (Standard Specification for Cold-Formed Welded and Seamless Carbon Steel Structural Tubing in Rounds and Shapes) که در سال 2013 به آن اضافه شده است شامل موارد زیر می‌باشد :
(منبع atlastube)
بخش 1-5: در ویرایش قبلی روش های تولید فولاد شامل روش کوره باز (زیمنس مارتین)، روش basic-oxygen (توماس- بسمر) و روش کوره قوس الکتریکی بود که در این اصلاحیه روش کوره باز حذف شده است.
بخش 3-6: این بخش به ویرایش جدید اضافه شده است ” درز جوش نباید در اطراف گوشه‌های مقاطع (که مقطع آن به هر شکلی می باشد) قرار گیرد مگر اینکه به وسیله خریدار ذکر شده باشد.”
شایان ذکر است در پیوستی که در استاندارد ISO 14346 موجود است در این مورد این چنین آورده است که فاصله بین درز جوش طولی و گوشه های مقطع حداقل باید 2 برابر ضخامت و در بعضی موارد بیشتر باشد. (شکل روبرو)
