خرپا و فضاکار در صنعت ساخت‌وساز؛ بررسی تفاوت‌ها و کاربردها

در عرصه ساخت‌وسازهای عمرانی، نخستین و مهم‌ترین اصلی که باید مدنظر قرار گیرد، اطمینان از استحکام و پایداری سازه‌های مورد استفاده است. از این رو، شناخت دقیق تفاوت‌ خرپا و سازه‌های فضاکار اهمیتی ویژه پیدا می‌کند. سازه‌های عمرانی نظیر پل‌ها، سوله‌ها، نیروگاه‌ها، سدها و برج‌ها، تنها زمانی برای استفاده عموم مناسب هستند که بتوانند در برابر نیروهای مختلف، ایستادگی و ایمنی کافی را تضمین کنند؛ در غیر این صورت، خطر بروز خسارت‌های جبران‌ناپذیر در شرایط گوناگون وجود خواهد داشت.

در اینجاست که اهمیت خرپاها و سازه‌های فضاکار دوچندان می‌شود. مهندسان عمران با تکیه بر محاسبات دقیق و طراحی‌های مهندسی، سازه‌هایی مقاوم و کارآمد را به وجود آورده‌اند. اما برای بهره‌برداری بهینه از این سازه‌ها، آشنایی کامل با ویژگی‌ها و کاربردهای آن‌ها ضروری است. علاوه بر این، درک تفاوت‌های میان هر یک از این تجهیزات، به شما کمک می‌کند تا در هر مرحله از پروژه، انتخابی هوشمندانه و مناسب داشته باشید.

خرپا یا TRUSS چیست و چگونه کار می‌کند؟

خرپا یا همان Truss، یکی از انواع سازه‌های مستحکم و کارآمد است که از ترکیب قطعات باریک و بلند به شکل مثلثی ساخته می‌شود. این طراحی مثلثی شکل به خرپا اجازه می‌دهد که در برابر نیروهای کششی و فشاری مقاومت بسیار خوبی از خود نشان دهد. به همین دلیل است که خرپاها به‌عنوان یکی از ساده‌ترین و کارآمدترین سازه‌های باربر در صنعت شناخته می‌شوند.

خرپاها به دلیل داشتن ساختاری مثلثی و زیگزاگ، پایداری بیشتری نسبت به سایر شکل‌های هندسی دارند. در مقایسه با اشکال چهاروجهی، مثلث‌ها اتصالات گوشه کمتری دارند و این ویژگی باعث کاهش احتمال برش و شکستگی در سازه می‌شود.

یک خرپا از سه بخش اصلی تشکیل شده است: میلگرد بالایی که به آن میلگرد خمش نیز گفته می‌شود، میلگرد پایینی که بخش بزرگی از مقاومت خرپا را تامین می‌کند، و در نهایت زیگزاگ‌ها که در برابر نیروهای برشی، استحکام خرپا را تضمین می‌کنند.

انواع روش های تولید خرپا

ساخت سازه‌های خرپا به دو روش انجام می‌شود: دستی (سنتی) و مکانیزه (غیر دستی). در ادامه به توضیح این دو روش می‌پردازیم:

• روش دستی یا سنتی
  در روش دستی، ابتدا زیگزاگ‌ها با خم‌کاری آماده می‌شوند. سپس این زیگزاگ‌ها را به میلگردهای بالایی و پایینی جوش می‌دهند. این فرآیند به‌صورت دستی انجام می‌شود، که می‌تواند منجر به خطاهایی در اندازه‌گیری و جوشکاری شود. این خطاها ممکن است باعث کاهش استحکام و ایجاد ضعف در سازه نهایی شوند.

• روش مکانیزه یا غیر دستی
  در روش مکانیزه، تمام مراحل تولید به‌صورت ماشینی انجام می‌شود. میلگردهای بالایی، پایینی و زیگزاگ‌ها به‌طور همزمان وارد دستگاه می‌شوند. در مرحله اول، دستگاه با دقت بالا و بر اساس ابعاد و زوایای مشخص، شکل مثلثی زیگزاگ‌ها را ایجاد می‌کند. سپس، زیگزاگ‌های ساخته شده به سمت جلو حرکت کرده و در امتداد آن‌ها، میلگردهای بالایی و پایینی با فاصله دقیق جوش داده می‌شوند.

این فرآیند جوشکاری به دلیل استفاده از ماشین‌آلات دقیق، با سرعت و کیفیت بالایی انجام می‌شود و از شکنندگی میلگردها جلوگیری می‌کند. در نتیجه، خرپاهای تولید شده به روش مکانیزه دارای کیفیت بهتری نسبت به روش دستی هستند. بنابراین، توصیه می‌شود که برای دستیابی به سازه‌های مستحکم‌تر و با کیفیت‌تر، از روش مکانیزه استفاده کنید.

دسته‌بندی خرپاهای تولیدی

خرپاهای ساده

اولین نوع، خرپاهای ساده یا “Simple Truss” هستند. این خرپاها با ساختار مسطح و ساده خود، از اتصال سه جز در انتهای یکدیگر و تشکیل یک مثلث هندسی ساخته می‌شوند. در گذشته، این نوع خرپاها در ساخت‌وسازهای قدیمی بسیار مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما امروزه کمتر در ساختمان‌های مدرن به کار می‌روند و جای خود را به انواع پیشرفته‌تر داده‌اند.

خرپاهای مسطح

نوع دوم خرپاها، خرپاهای مسطح یا “Planer Truss” هستند. در این نوع، تمامی اجزا در یک صفحه دو بعدی قرار گرفته‌اند و اعضای تحتانی و فوقانی آن‌ها به صورت موازی هستند. این طراحی مسطح، تفاوتی در نحوه قرارگیری و جهت‌گیری اجزا ایجاد نمی‌کند، بنابراین در پروژه‌هایی که نیاز به ساختاری ساده و هماهنگ دارند، این نوع خرپاها انتخاب خوبی هستند.

خرپاهای مرکب

سومین دسته، خرپاهای مرکب یا “Compounded Truss” هستند. این خرپاها از ترکیب چند خرپای ساده به وجود می‌آیند و به دلیل استحکام و مقاومت بالاتر، در پروژه‌های ساخت‌وساز بزرگ و پیچیده بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. به خاطر همین ویژگی‌ها، در بسیاری از پروژه‌های مدرن، خرپاهای مرکب به عنوان گزینه اول در نظر گرفته می‌شوند.

نکات کلیدی درباره سازه‌های فضاکار

اکنون که به دنیای خرپاها آشنا شده‌اید، زمان آن رسیده تا نگاهی دقیق‌تر به سازه‌های فضاکار بیندازیم و در نهایت، تفاوت‌های اساسی میان خرپا و این نوع سازه‌ها را مورد بررسی قرار دهیم. سازه‌های فضاکار، که به آن‌ها سازه‌های کار نیز گفته می‌شود، در واقع زیرمجموعه‌ای از سیستم‌های خرپایی هستند که در قالب‌های سه‌بعدی طراحی و اجرا می‌شوند. این سازه‌ها، به دلیل پیچیدگی ساختاری بیشتر نسبت به خرپاها، در دسته‌بندی‌های خاصی قرار می‌گیرند.

سازه‌های فضاکار معمولاً در شکل‌های منحنی، گنبدی، شبکه‌های مسطح، طاق و شبکه‌های کابلی طراحی و ساخته می‌شوند. در این سازه‌ها، بارهای خارجی به طور یکنواخت در راستای نیروهای داخلی در یک صفحه واحد توزیع می‌شوند، که این نیروها به صورت فشاری و کششی به سازه اعمال می‌گردند. از آنجا که سازه‌های فضاکار باید در برابر انواع تنش‌های فشاری و کششی مقاومت بالایی داشته باشند، طراحی و ساخت آن‌ها به دقت و تخصص خاصی نیاز دارد تا در نهایت، سازه بتواند استحکام و پایداری لازم را در برابر این نیروها حفظ کند.

گذری بر تاریخ سازه‌های فضاکار

قدمت سازه‌های فضاکار، این شگفتی‌های معماری مدرن، به قرون گذشته برمی‌گردد. در ابتدا، این سازه‌ها به عنوان داربست‌هایی ابتدایی برای نگهداری چادرهای انسانی و سازه‌های موقت به کار می‌رفتند. در دوران باستان، از جمله در روم و ایران کهن، به ویژه در دوره صفویه، این سازه‌ها در ساختارهای بزرگ و مهم مانند سالن‌های آمفی‌تئاتر، قصرها، اماکن متبرکه و مساجد اسلامی کاربرد وسیعی داشتند.

یک تحول عمده در تاریخ سازه‌های فضاکار به سال 1906 و به نام الکساندر گراهام بل برمی‌گردد. بل، با نبوغ خود، نخستین شبکه چند لایه را برای پرواز کایت‌ها طراحی کرد. او با استفاده از اجزای یکسان و اتصالات ساده، موفق به ساختن سازه‌ای مقاوم و سبک شد که پایه‌گذار پیشرفت‌های آینده در این حوزه بود.

از دهه 1950 به بعد، استفاده از سازه‌های فضاکار به طور چشم‌گیری افزایش یافت. مهندسان این دوران با تلاش‌های بی‌وقفه، به دنبال ارتقاء کیفیت و طراحی‌های اصولی‌تری بودند تا به خواسته‌های روزافزون صنعت پاسخ دهند و سازه‌هایی مقاوم و با کارایی بالا ارائه دهند.

انواع مختلف سازه‌های فضاکار

سازه‌های فضاکار، که به سازه‌های کار نیز معروف‌اند، به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند. در ادامه به توضیح این سه دسته و ویژگی‌های هر یک خواهیم پرداخت:

1. تقسیم‌بندی بر اساس مصالح به کار رفته
   سازه‌های فضاکار بر اساس مصالح به کار رفته به سه گروه عمده تقسیم می‌شوند. نخست، سازه‌های فولادی که به خاطر خصوصیات فنی برتری مانند سختی و جوش‌پذیری عالی، به عنوان یکی از پرکاربردترین مواد در ساخت این نوع سازه‌ها شناخته می‌شوند. فولاد به دلیل تنوع پروفیل‌ها و فراوانی جهانی‌اش، گزینه‌ای مطلوب در پروژه‌های بزرگ است.دومین نوع مصالح، آلومینیوم است. این فلز با وزن سبک و مقاومت بالا در برابر خوردگی، به ویژه در پروژه‌هایی که نیاز به کاهش وزن سازه دارند، بسیار مورد توجه قرار می‌گیرد. وزن سبک آلومینیوم، به نسبت به فولاد، سه برابر کمتر است، که این ویژگی آن را به انتخابی مناسب برای بسیاری از کاربردها تبدیل کرده است.سومین دسته، سازه‌های چوبی هستند. استفاده از چوب‌های ورقه‌ای در ساخت سازه‌های فضاکار، به ویژه برای گنبدهای چوبی و پوشش سالن‌های آموزشی و ورزشی، به دلیل هزینه پایین و جنبه‌های زیست‌محیطی آن، همچنان مورد توجه قرار دارد.
2. تقسیم‌بندی بر اساس ساختار
   سازه‌های فضاکار از نظر ساختاری به چندین نوع مختلف تقسیم می‌شوند. سازه‌های دو لایه، که شامل دو صفحه مجزا هستند و به وسیله اجزای میانی به یکدیگر متصل می‌شوند، از رایج‌ترین و مؤثرترین ساختارهای فضاکار به شمار می‌آیند.سازه‌های سه لایه، با سه صفحه مجزا که شامل دو صفحه بالایی و پایینی و یک صفحه میانی است، برای سازه‌هایی با دهانه‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع طراحی، در پروژه‌هایی با نیاز به span وسیع مانند دانشگاه تهران و ایستگاه راه‌آهن ایران-تهران، به کار می‌رود.سازه‌های چلیکی، که دارای شبکه‌ای منحنی در یک جهت هستند، عمدتاً برای پوشش سطوح مستطیلی به کار می‌روند و طراحی منحنی آن‌ها، این سازه‌ها را برای کاربردهای خاصی مناسب می‌سازد.سازه‌های گنبدی، با شبکه‌هایی که در دو جهت انحنا دارند، برای ساخت گنبدها و پوشش‌های قوسی استفاده می‌شوند. در این نوع سازه‌ها، توجه به یکنواختی ابعاد اعضای مختلف برای حفظ استحکام و دوام بسیار اهمیت دارد.سازه‌های تاشو، به دلیل قابلیت جمع شدن و جابجایی آسان، برای کاربردهای موقتی مانند نمایشگاه‌ها و مناطق آسیب‌دیده از بلایای طبیعی مناسب هستند.سازه‌های پل، که به ویژه از خرپاهای مرکب فضایی ساخته می‌شوند، برای ایجاد پل‌های مقاوم و با دوام به کار می‌روند و طراحی خاص آن‌ها باعث افزایش استحکام و قابلیت باربری می‌شود.
3. تقسیم‌بندی بر اساس اتصالات
   اتصالات در سازه‌های فضاکار نیز به چهار نوع اصلی تقسیم می‌شوند. سیستم مرو، که در سال 1942 توسط شرکت آلمانی مرو معرفی شد، شامل گره‌های کروی توپر است که از فولاد ساخته می‌شوند و به دلیل ویژگی‌های ساختاری خاص، در ساخت سازه‌های فضاکار کاربرد زیادی دارند.

• سیستم کاتروس، با گره‌های تک پیچ و مهره‌ای، به دلیل هزینه‌های مناسب و کارایی بالا، به ویژه برای دهانه‌های کوچک تا متوسط، در اسکاتلند توسعه یافته و در بسیاری از پروژه‌های سازه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• سیستم یونی‌بت، که در انگلستان معرفی شده است، شامل اتصالات منشوری است که به دلیل طراحی خاص و استحکام بالا، در ساخت سازه‌های پیچیده به کار می‌رود.
• سیستم تریودتیک، که در سال 1953 توسط یک شرکت کانادایی ابداع شد و ابتدا از قطعات آلومینیومی ساخته می‌شد، در سال 1966 با افزودن قطعات فولادی، به طراحی و ساخت سازه‌های فضاکار بهبود یافته است.

تفاوت بین خرپا و سازه‌های فضاکار

پس از مرور جامع خرپا و سازه‌های فضاکار، اکنون به تحلیل تفاوت‌های بنیادین میان این دو ساختار از زوایای مختلف خواهیم پرداخت. تفاوت‌های اصلی میان خرپا و سازه‌های فضاکار به شرح زیر است:

تفاوت در ساختار هندسی

در مقایسه با ساختار هندسی، خرپاها به طور عمده دو‌بعدی هستند. این ویژگی ایجاب می‌کند که خرپاها به تکیه‌گاه‌های متقابل و مهاربندی از دو طرف نیاز داشته باشند. از سوی دیگر، سازه‌های فضاکار با ساختار سه‌بعدی خود، این امکان را به وجود می‌آورند که در حین استفاده، از یک طرف آزاد باقی بمانند. خرپاها با خطوط و زوایای واضح و مشخص، در طراحی سقف‌ها ظاهری خشن و زاویه‌دار ایجاد می‌کنند. در مقابل، سازه‌های فضاکار با انعطاف و ظرافت بیشتری طراحی می‌شوند و قادرند ساختاری زیبا و هنرمندانه به نمایش بگذارند. در حالی که خرپاها غالباً به عنوان تقویت‌کننده‌های استحکام در زیر یا پشت سازه‌ها به کار می‌روند، سازه‌های فضاکار به طور عمده در نمای بیرونی ساختمان‌ها نصب می‌شوند.

تفاوت در جنس مواد

در زمینه مواد اولیه، خرپاها معمولاً از فولاد ساخته می‌شوند. به عبارت دیگر، فولاد جزء اصلی‌ترین مواد در تولید خرپاهاست. در مقابل، سازه‌های فضاکار می‌توانند از مواد متنوع‌تری همچون فولاد، چوب و آلومینیوم ساخته شوند. در ساخت خرپاها، استفاده از میلگردها با قطر مشخص ضروری است، در حالی که در سازه‌های فضاکار این قید وجود ندارد. با این حال، در انتخاب میلگرد برای سازه‌های فضاکار، قیمت و کیفیت آن اهمیت زیادی پیدا می‌کند.

تفاوت در هزینه

هزینه طراحی و تولید خرپا به دلیل سادگی مراحل ساخت و نصب، معمولاً کمتر از سازه‌های فضاکار است. خرپاها به تخصص حرفه‌ای کمتری نیاز دارند و مراحل تولید آن‌ها به مراتب ساده‌تر است. در مقابل، سازه‌های فضاکار به دلیل نقش اصلی و مستقلی که در پروژه‌ها ایفا می‌کنند، هزینه‌های بیشتری را به خود اختصاص می‌دهند. این اختلاف هزینه در هر پروژه می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر تصمیمات طراحان داشته باشد.

تفاوت در وزن و حجم

خرپاها به دلیل استفاده بهینه از مواد و طراحی بهینه، معمولاً وزن کمتری نسبت به سازه‌های فضاکار دارند. این در حالی است که سازه‌های فضاکار با داشتن اجزا و سیستم‌های اتصالی متنوع، وزن و حجم بیشتری را به خود اختصاص می‌دهند.

تفاوت در طراحی و ساخت

سادگی طراحی خرپاها، به ویژه در قالب مثلث‌های مهاربندی‌شده، باعث می‌شود که آنها به راحتی برای پوشش سقف‌های خانگی استفاده شوند و می‌توانند تا 8 متر را پوشش دهند. در حالی که طراحی سازه‌های فضاکار پیچیده‌تر و زمان‌برتر است، این سازه‌ها از اجزا و سیستم‌های اتصالی مختلفی تشکیل شده‌اند و طراحی آن‌ها نیاز به مدل‌سازی دقیق و برنامه‌های پیشرفته دارد. برش طولی خرپاها در کارگاه‌ها و تولید آن‌ها به صورت موازی، کار را ساده‌تر می‌کند؛ در حالی که سازه‌های فضاکار به دلیل حساسیت تولید و طراحی، نمی‌توانند به همین راحتی برش داده شوند و باید متناسب با هر پروژه طراحی شوند.

تفاوت کاربردی

در عرصه‌ی کاربرد، تفاوت‌های بارزی میان خرپا و سازه‌های فضاکار وجود دارد. خرپا، با ساختار هندسی خاص خود که پیش‌تر به آن پرداخته شد، به طور مؤثری قادر است بارهای متنوع را تحمل کرده و به سازه‌های اصلی منتقل کند. این ویژگی ویژه باعث می‌شود که خرپا به گزینه‌ای مناسب برای ساخت سازه‌هایی با حداقل وزن تبدیل شود. به عنوان مثال، خرپاها می‌توانند به طور مؤثر سقف‌هایی به طول 8 متر را پوشش دهند و حتی توانایی پوشش‌دهی دهانه‌های بزرگ را نیز دارا هستند. همین قابلیت‌ها موجب می‌شود که خرپا در تقویت سازه‌ها و کاهش انحرافات آن‌ها نقش کلیدی ایفا کند، به ویژه در ساخت تیرچه‌ها، سقف‌ها، پل‌ها و برج‌ها.

در مقابل، سازه‌های فضاکار با دامنه کاربردی بسیار وسیع‌تری نسبت به خرپاها مواجه هستند. این سازه‌ها در پوشش‌دهی پروژه‌های گسترده‌ای چون ورزشگاه‌ها، آشیانه‌ها، غرفه‌های نمایشگاهی، سوله‌ها، ایستگاه‌های راه‌آهن، سالن‌های اجتماعات در فضای باز، مراکز تفریحی، سایبان‌ها و برج‌های نصب تجهیزات هواشناسی و رادیویی به کار می‌روند. و این تنها بخشی از کاربردهای سازه‌های فضاکار است، زیرا این سازه‌ها به دلیل قابلیت‌های تطبیق‌پذیری و طراحی متناسب با نیاز مشتری، قادر به پاسخگویی به درخواست‌های متنوع‌تری هستند. در نتیجه، کاربرد سازه‌های فضاکار به مراتب گسترده‌تر و متنوع‌تر از خرپاهاست، که این امر به طور واضحی بر اولویت استفاده از آن‌ها در پروژه‌های مختلف تأثیر می‌گذارد.

جمع بندی

در آغاز این مقاله، به تفصیل به بررسی خرپا و سازه‌های فضاکار پرداختیم و انواع مختلف این سازه‌ها را معرفی کردیم. با دقت، تفاوت‌ها و شباهت‌های خرپا و سازه‌های فضاکار را از جنبه‌های مختلف تحلیل کردیم تا به شما کمک کنیم بر اساس نیازهای خاص خود، بهترین انتخاب را داشته باشید.ما از این که در این مسیر همراه ما بودید، بسیار خوشحالیم و امید داریم که از مطالب ارائه‌شده بهره‌برداری لازم را کرده باشید. همچنین در کنار خرپاها، میلگرد بستر خرپایی نیز نقش مهمی در تقویت سازه‌ها ایفا می‌کند. اگرچه این مقاله به خرپاها پرداخته است، اما برای آشنایی بیشتر با تفاوت میلگرد بستر و خرپایی پیشنهاد می‌کنیم مقاله رسمی وبسایت پیوان مطالعه کنید.