نگاهی به کاربردهای تیرآهن در سازه های زیربنایی

شهری را بدون وجود تیرآهن تصور کنید. در این شهر احتمالاً هیچ ساختمان بلندی وجود ندارد، هیچ پل بزرگ ماشین‌رو در شهر مشاهده نمی‌شود و احتمالاً هیچ سیستم حمل و نقل بزرگ و به‌خصوص راه‌آهنی هم در این شهر وجود نداشت. این شهر احتمالاً محدودیت‌های زیادی را در زمینه فضا، جابجایی، کارایی و اسکان شهروندان خود تجربه خواهد کرد، چرا که مقاطع فولادی نقش چشمگیری را در شکل‌دهی و تقویت زیرساخت‌های شهری ایفا می‌کنند. در این مقاله به بررسی همین موضوع پرداخته و استفاده از این تیرهای فولادی برای ساخت زیرساخت‌های شهری را مرور می‌کنیم. 

کاربرد تیرآهن در پل سازی

تیرآهن‌ها جزو اصلی‌‌ترین اجزاء سازنده بسیاری از زیرساخت‌ها و به‌ویژه پل‌ها هستند. یکی از وظایف اصلی تیرهای فولادی در ساخت پل، تحمل وزن عرشه پل، وسایل نقلیه و عابران پیاده است. آن‌ها همچنین می‌توانند ثبات جانبی و مقاومت در برابر نیروهای باد و زلزله را نیز فراهم کنند. علاوه بر این، بسته به نوع و شکل این محصولات فولادی، آن‌ها می‌توانند به زیبایی و سبک معماری پل نیز کمک کنند.

انواع مختلفی از تیرهای فولادی در طراحی پل قابل استفاده است، مانند تیرهای I H، جعبه‌ای، خرپا، قوسی و تیرهای کابلی. هر کدام از این مدل‌ها مزایا و محدودیت‌های خاص خود را در زمینه‌های مقاومت، سفتی، دوام، هزینه و سهولت نصب دارند. بنابراین، انتخاب نوع تیرآهن به عوامل مختلفی مانند طول دهانه، ظرفیت بار، شرایط محلی، تاثیرات زیست‌محیطی و ترجیحات طراحی بستگی دارد.

عملکرد باربری تیرها

عملکرد باربری تیرها مربوط به نحوه توزیع و انتقال نیروهای وارد بر ساختار پل است. تیرها را می‌توان بر اساس عملکرد باربری‌شان به دو دسته تقسیم کرد: ساده و پیوسته. تیرآهن‌های ساده تنها توسط دو تکیه‌گاه انتهایی، مانند ستون‌ها یا تکیه‌گاه‌ها، پشتیبانی می‌شوند. آنها فقط بارهای عمودی را تحمل می‌کنند و در طول خود تحت تنش خمشی قرار می‌گیرند. تیرهای ساده برای طراحی و ساخت هستند، اما دارای طول دهانه محدودی هستند و نیاز به اتصالات زیادی دارند.

از سوی دیگر، تیرآهن‌های پیوسته توسط بیش از دو تکیه‌گاه در طول خود پشتیبانی می‌شوند. آنها هم بارهای عمودی و هم افقی را تحمل می‌کنند و در طول خود تحت تنش خمشی و برشی قرار می‌گیرند. تیرهای پیوسته می‌توانند مسافت‌های طولانی‌تری را طی کنند و تعداد اتصالات را کاهش دهند، اما پیچیده‌تر هستند و اجرای آنها هزینه بیشتری داشته و به تعمیر و نگهداری بیشتری نیاز دارند. برای محاسبه‌ی هزینه‌ها، می‌توانید با عضویت در کانال قیمت تیرآهن، جدیترین قیمت‌های این مقاطع فولادی را به صورت روزانه در تلفن همراه خود دریافت کنید. 

نحوه قرارگیری تیرآهن در پل‌ها

قرارگیری و پشتیبانی تیرها مربوط به نحوه سازماندهی و اتصال آنها برای تشکیل ساختار پل است. بسته به الزامات و محدودیت‌های طراحی، این مقاطع فلزی می‌توانند بالای یا زیر عرشه پل قرار گیرند. تیرها بالای عرشه پل تیرهای فوق‌ساخت هستند. آنها قسمت بالایی ساختار پل را تشکیل می‌دهند و عرشه را از بالا پشتیبانی می‌کنند. این مصالح می‌توانند دید خوبی برای کاربران ایجاد کنند و انعطاف‌پذیری بیشتری در طراحی عرشه را فراهم کنند، اما همچنین می‌توانند ارتفاع و وزن ساختار پل را افزایش دهند و مقاومت بیشتری در برابر باد ایجاد کنند. مقاطعی که در زیر عرشه پل قابل استفاده هستند جزو تیرهای زیرساخت محسوب می‌شوند. آنها قسمت پایینی ساختار پل را تشکیل می‌دهند و عرشه را از زیر حمایت می‌کنند.

تیرهای زیرساخت می‌توانند ارتفاع و وزن ساختار پل را کاهش دهند و مقاومت بیشتری در برابر باد ایجاد کنند، اما همچنین می‌توانند دید را برای کاربران هم محدود کنند و انعطاف‌پذیری کمتری در طراحی عرشه را کاهش دهند. تیرها با روش‌های مختلف به یکدیگر و به سایر عناصر ساختاری متصل می‌شوند، مانند جوشکاری، پیچ‌کاری، پرچ‌زنی یا پیش‌تنیدگی. این اتصالات به پل ثبات و استحکام می‌دهند و امکان انتقال بار و توزیع تنش را فراهم می‌کنند. اتصالات همچنین بر عملکرد و دوام ساختار پل تأثیر می‌گذارند و نیاز به طراحی و بازرسی دقیق دارند. 

نوآوری‌ها و پیشرفت‌های فناوری تیر برای پل‌ها

با پیشرفت مهندسی پل ها ، فناوری تیر نیز در حال پیشرفت است. پیشرفت های جدید در فناوری به دنبال بهبود کارایی، ایمنی، پایداری و زیبایی شناسی پل ها هستند. برای مثال، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تیرهای کامپوزیتی: تیرهای کامپوزیتی ترکیبی از فولاد با سایر مواد مانند بتن یا پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) هستند تا ساختارهای هیبریدی را ایجاد کنند که دارای خواص و عملکردهای بهبود یافته‌ای هستند. این مقاطع می‌توانند نسبت مقاومت به وزن را افزایش دهند، خوردگی را کاهش دهند، مقاومت در برابر خستگی را بهبود بخشند و ساخت و ساز را نیز تسهیل کنند.

• تیرهای چاپ سهبعدی: تیرهای چاپ سه‌بعدی از تکنیک‌های ساخت افزایشی (Additive Manufacturing) استفاده می‌کنند تا تیرهایی، با اشکال و اندازه‌های سفارشی ایجاد کنند که می‌توانند نیازهای طراحی خاص یا محدودیت‌های سایت را برآورده کنند. این مدل می‌تواند ضایعات مواد را کاهش داده، هزینه‌ها را کاهش دهد، زمان ساخت را کوتاه کند و اشکال پیچیده را امکان‌پذیر کند.

کاربرد تیرآهن در زمینه تونل سازی

ساخت تونل شامل ایجاد گذرگاه‌های زیرزمینی برای حمل‌ونقل، آبرسانی، فاضلاب یا سایر مقاصد می‌شود. تونل‌ها اغلب در شرایط زمین‌شناسی و محیطی پیچیده ساخته می‌شوند، بنابراین نیازمند برنامه‌ریزی و طراحی دقیقی هستند. یکی از جنبه‌های کلیدی طراحی تونل، ادغام تیرآهن‌ها در ساختارهای تونل است. این مقاطع فولادی می‌توانند استحکام، پایداری و دوام را به سیستم‌های تونل بدهند، همچنین تهویه و ایمنی را بهبود بخشند.

کاربرد اول؛ ادغام تیرآهن‌ها در ساختارهای تونل: تونل‌ها معمولاً با انواع مختلفی از سیستم‌ها پشتیبانی می‌شوند، مانند صفحات پوششی، قاب‌ها، قوس‌ها و … این سیستم‌ها برای جلوگیری از فروپاشی خاک یا سنگ اطراف و همچنین تحمل بارهای خارجی مانند فشار آب یا نیروهای زلزله طراحی شده‌اند. تیرآهن‌ها با ارائه پشتیبانی افقی یا عمودی به دیوارهای تونل یا سقف آن، استحکام تونل را به شکل چشمگیری افزایش داده و می‌توانند نقش مهمی را در زمینه سیستم‌های پشتیبانی ایفا کنند. به عنوان مثال، محصولات فولادی مدنظر می‌توانند به عنوان پایه‌ها یا تکیه‌گاه‌هایی برای تقویت دیوارهای تونل در برابر نیروهای جانبی استفاده شوند. 

کاربرد دوم؛ استفاده‌های مختلف تیرآهن در ساخت تونل: علاوه بر ارائه پشتیبانی ساختاری، این کالا فولادی همچنین می‌تواند برای اهداف تهویه و ایمنی تونل‌ها نیز استفاده شود. چند مورد زیر را به عنوان مثال می‌توانید در نظر داشته باشید:

کاربرد سوم؛ از محصولات فولادی می‌توان برای ایجاد کانال‌ها یا مجراهایی برای انتقال آب یا هوا استفاده کرد. این کار می تواند کیفیت هوا و دما را در داخل تونل بهبود بخشد، همچنین از آبگرفتگی یا خطرات آتش سوزی نیز جلوگیری می‌کند.

کاربرد چهارم؛ تیرهای فولادی می‌توانند به عنوان ریل استفاده شوند تا واگن‌ها یا قطارها را در تونل هدایت کنند. این کار اصطکاک و سر و صدا را کاهش داده و همچنین سرعت و بهره‌وری را نیز افزایش می‌دهد.

کاربرد پنجم؛ تیرآهن‌ها می‌توانند به‌عنوان موانع یا نرده برای جدا کردن خطوط حمل‌و‌نقل یا محافظت از عابران پیاده در برابر وسایل نقلیه مورد استفاده قرار بگیرند. این موضوع می‌تواند ایمنی را افزایش داده و از تصادفات یا برخوردها جلوگیری کند.

کاربرد ششم؛ از این مقاطع آهنی می‌توان برای ساخت و نصب چراغ‌ها، روشنایی، علائم جاده، نشانه گذاری‌های ورودی، خروجی، نصب هواکش‌ها و … استفاده کرد.

کاربرد هفتم؛ کالا فلزی مورد بحث می تواند با جذب یا پراکنده کردن امواج صوتی و انرژی مکانیکی، میزان سر و صدا و لرزش در تونل ها را کاهش دهد. این کار به ایجاد یک محیط امن‌تر و ‌راحت‌تر برای عابران تونل کمک می‌کند. 

چالش های استفاده از تیرآهن در زیرساخت‌های تونل

اگرچه تیرآهن‌ها مزایای زیادی در ساخت تونل دارند، اما قرار دادن آن‌ها در ساخت تونل چندین چالش را ایجاد می‌کند که حل‌ آن‌ها مستلزم برنامه ریزی و اجرای دقیق است؛ مقاطع فلزی مدنظر باید دقیقا با محور و انحنای تونل تراز شوند تا اطمینان حاصل شود که پشتیبانی و پایداری مناسبی را برای تونل فراهم می‌کنند. باید فضای کافی بین تیرها و دیوارها یا سقف تونل برای جا دادن تاسیسات، کابل ها، لوله ها و سایر سازه ها در داخل یا نزدیک تونل وجود داشته باشد.

بنابراین، اطمینان پیدا کردن از وجود فضای کافی و فاصله بین تیرها و دیواره ها یا سقف تونل اهمیت پیدا می‌کند. قرار دادن این محصول نباید با تاسیسات موجود، کابل ها، لوله ها یا سایر سازه هایی که در داخل یا نزدیک تونل قرار دارند تداخل داشته باشد تا از خطرات یا اختلالات احتمالی جلوگیری شود، بنابراین یکی از چالش‌های پیش‌رو، به حداقل رساندن تداخل با زیرساخت‌های موجود است. نصب تیرها نباید تاثیر قابل توجهی بر حفاری بگذارد و باید تاخیرات و اختلالات را در برنامه پروژه به حداقل برساند.

با توجه به اندازه و وزن بالای محصولات آهنی ممکن است نیاز به تجهیزات یا ماشین آلات ویژه‌ای برای حمل و نقل و بلند کردن آنها به محل داشته باشیم. این چالش ممکن است هزینه و زمان ساخت را افزایش دهد. برای نصب و اتصال دقیق کالا مدنظر برای ساخت تونل، نیاز به کارگران و مهندسان بسیار ماهر، حرفه‌ای و باتجربه خواهیم داشت و همین موضوع می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. قرار گرفتن آنها در معرض رطوبت، خوردگی، سایش یا خستگی ممکن است بر عملکرد و دوام محصول تاثیر بگذارد. برای مقابله با این تهدید ممکن است نیاز به بازرسی و نگهداری منظم برای جلوگیری از شکستگی یا آسیب داشته باشیم.

جدول چالش های استفاده از تیرآهن در زیرساخت‌های تونل

چالش	توضیح
تراز کردن مقاطع فلزی با محور و انحنای تونل	تراز کردن تیرآهن‌ها با محور و انحنای تونل برای اطمینان از پایداری و پشتیبانی مناسبی از تونل اهمیت دارد.
فضای کافی برای تاسیسات و سایر سازه‌ها در داخل تونل	اطمینان از وجود فضای کافی بین تیرها و دیواره‌ها یا سقف تونل برای نصب تاسیسات، کابل‌ها، لوله‌ها و سایر سازه‌ها اهمیت دارد.
جلوگیری از تداخل با زیرساخت‌های موجود	نصب تیرها باید به نحوی باشد که با زیرساخت‌های موجود در داخل یا نزدیک تونل تداخل نداشته باشد.
نیاز به تجهیزات و ماشین‌آلات ویژه برای حمل و نقل	برای حمل و نقل تیرهای آهنی به محل نصب ممکن است نیاز به تجهیزات و ماشین‌آلات ویژه داشته باشیم که می‌تواند زمان و هزینه را افزایش دهد.
نیاز به کارگران و مهندسان ماهر	نصب و اتصال دقیق تیرها نیاز به کارگران و مهندسان بسیار ماهر و حرفه‌ای دارد.
مقابله با رطوبت، خوردگی و سایر تهدیدات	تیرهای آهنی در معرض رطوبت، خوردگی، سایش و خستگی قرار می‌گیرند که نیاز به بازرسی و نگهداری منظم دارند.

 

سایر کاربردهای تیرآهن در زیرساخت های شهری

جدا از کاربردهای تیرآهن در ساخت پل‌ها و تونل‌ها، این محصولات فولادی یکی از اجزای اصلی زیرساخت‌های شهری مانند آسمان‌خراش‌ها، استادیوم‌ها و راه‌آهن‌ها نیز هستند و به این سازه‌ها استحکام، ثبات و دوام مورد نیاز را می‌بخشد و همچنین به بهبود زیبایی بصری شهر کمک می‌کند.

• استادیوم‌ها: تیرهای فولادی برای ایجاد سقف‌ها و گنبدهای بزرگ برای استادیوم‌ها ایده‌آل هستند. این اماکن می‌توانند هزاران تماشاگر را در خود جای دهند و از آن‌ها در برابر شرایط جوی و سر و صدا محافظت کنند. این مقاطع فولادی همچنین می‌توانند برای ایجاد اشکال پیچیده و منحنی برای استادیوم‌ها استفاده شوند تا ظاهر معماری و عملکرد آن‌ها را بهبود ببخشند. کالاهای مورد بحث همچنین مقاومت بالایی در برابر آتش‌سوزی دارند که مزیت خوبی برای یک استادیوم ورزشی محسوب می‌شود.

• آسمان‌خراش‌ها: تیرآهن‌ها ستون فقرات آسمان‌خراش‌ها هستند و به آن‌ها امکان می‌دهند به ارتفاع‌های بی‌سابقه‌ای برسند و در برابر باد و نیروهای زلزله مقاومت کنند. آن‌ها می‌توانند به روش‌های مختلف به یکدیگر متصل شده و قاب‌های سفتی و مستحکمی را تشکیل دهند که وزن ساختمان و ساکنان آن را تحمل می‌کنند. این محصولات همچنین امکان ایجاد فضاهای باز بزرگ و طرح‌های طبقات انعطاف‌پذیر را برای آسمان‌خراش‌ها فراهم می‌کنند.

• راه‌آهن‌ها: تیرهای فولادی برای ساخت راه‌آهن‌ها، به‌ویژه برای خطوط راه‌آهن با سرعت بالا که نیاز به ریل‌های صاف و پایدار دارند، ضروری هستند. از انواع تیرآهن برای ساخت ریل‌ها، زیرسازی، تقاطع‌ها، گذرگاه‌ها و پل‌های راه‌آهن استفاده می‌شود که می‌توانند در برابر دماهای بالا، فشارها و لرزش‌ها مقاومت کنند. آن‌ها همچنین مقاومت بالایی در برابر خستگی و سایش دارند.

چرا تیرآهن‌ها برای زیرساخت های شهری مهم هستند؟

همان‌طور که دیدیم،‌ استفاده از این مقاطع در زمینه توسعه زیرساخت‌های شهری بسیار متداول است،‌ چراکه مزایای زیادی نسبت به سایر مواد مانند چوب، بتن یا پلاستیک دارند. برخی از این مزایا عبارتند از:

• نسبت استحکام به وزن بالایی دارند: تیرآهن‌ها می‌توانند بارهایی بسیار سنگین‌تر از وزن خودشان را تحمل کنند. با توجه به قیمت تیرآهن که چندان بالا نیست، این کار هزینه‌های مواد و حمل و نقل را کاهش داده و اثرات زیست‌محیطی ساخت‌و‌ساز را نیز کاهش می‌دهد.

• انعطاف‌پذیری و انطباق پذیری بالایی دارند: با توجه به استحکام بسیار بالای این محصولات فولادی، آن‌ها انعطاف‌ زیادی را در اختیار طراحان و مهندسان قرار می‌دهند تا بتوانند طرح‌های خاص و نوآورانه‌ای را اجرا کنند.

• دوام و عمر طولانی دارند: این محصولات آهنی می توانند شرایط آب و هوایی نامساعد، آتش سوزی، زلزله و سایر بلایای طبیعی را تحمل کنند، که این موضوع ایمنی و قابلیت اطمینان به زیرساخت‌های شهری را افزایش می‌دهد.
• قابل بازیافت و پایدار هستند: برای تولید یک تن تیرآهن، حدود ۲.۵ تن سنگ آهن، ۱.۵ تن کک و ۰.۵ تن سنگ آهک مورد نیاز است. این مواد در فرآیند تولید تیرآهن، مقدار زیادی گازهای گلخانه‌ای و سایر آلاینده‌ها را وارد محیط زیست می‌کنند. اهمیت بازیافت این محصولات به این خاطر است که می‌تواند به کاهش این آلودگی‌ها کمک کند. در فرآیند بازیافت، این مصالح به اجزای اصلی خود، مانند فولاد، آهن و سایر فلزات، تبدیل می‌شوند. این اجزا سپس می‌توانند دوباره برای تولید تیرآهن جدید یا سایر محصولات فولادی مورد استفاده قرار گیرند.

نتیجه گیری

تیرهای فولادی به دلیل مزایای متعدد خود، از جمله مقاومت در برابر خوردگی، شکل‌پذیری، قدرت بالا و توانایی تحمل بارهای سنگین، انتخابی محبوب برای استفاده درزیرساخت‌های شهری هستند. این نوع طراحی زیرساخت‌ها با ارائه راه‌حل‌هایی مبتنی بر تیرآهن، به بهبود قابلیت‌های مختلف شهرها کمک می‌کند.

از فضاهای سبز و عمومی شهری گرفته، تا سیستم‌های حمل و نقل و حتی ایجاد ساختمان‌هایی با استفاده از این طراحی‌ها، همگی کمک زیادی به بهبود کیفیت شهر و زیرساخت‌ها می‌کنند. استفاده از این محصول به عنوان عنصر اصلی در زیرساخت‌های شهری، علاوه بر ایجاد ارتقاء و زیبایی در شهر، منجر به ایجاد فضاهایی متنوع و کاربردی نیز خواهد شد که به شهروندان امکان استفاده آسان و موثر از این فضاها را می‌دهد.

پی‌دی‌اف منبع بخشی از مقاله انواع تیرآهن