تیر لانه زنبوری چیست؟ | روش‌های ساخت، الزامات، مزایا و معایب و مقایسه هزینه با تیر IPE

مقدمه: چرا تیر لانه زنبوری اهمیت دارد؟

در طراحی سازه‌های فولادی، یکی از چالش‌های همیشگی کاهش وزن عضو و در عین حال حفظ یا افزایش مقاومت خمشی است. زمانی که شما به‌عنوان مهندس سازه با دهانه‌های بلند یا بارگذاری زیاد مواجه هستید، استفاده صرف از تیرهای معمولی ممکن است به‌صرفه‌ترین گزینه نباشد.
در این نقطه، مقطعی به نام تیر لانه زنبوری (Castellated / Cellular Beam) وارد می‌شود: تیری که با ایجاد سوراخ‌های منظم در جان، ارتفاع مؤثر خود را افزایش می‌دهد و با وزن تقریباً مشابه با تیر معمولی، ظرفیت خمشی بالاتری ارائه می‌دهد.
با این حال، استفاده از آن با مزایای مهم همراه است و محدودیت‌هایی نیز دارد.

---

روش‌های ساخت تیر لانه زنبوری

در ادامه چند روش رایج ساخت تیر لانه زنبوری را بررسی می‌کنیم.

۱. روش برش زیگزاگ (Hexagonal Web Openings)

در این روش، ابتدا تیر IPE یا INP مناسب انتخاب شده، جان آن به صورت زیگزاگی برش داده می‌شود و سپس دو نیمه جان مجدداً جوش می‌شوند به‌طوری که سوراخ‌های شش‌ضلعی در جان تشکیل می‌شوند. این روش منجر به افزایش ارتفاع و ممان اینرسی مقطع می‌گردد.
مزایا: انتقال مناسب نیروی خمشی، ارتفاع مؤثر بیشتر.
معایب: تمرکز تنش در گوشه‌های شش‌ضلعی و احتمال ایجاد ترک در جوش.
کاربرد: دهانه‌های متوسط تا بلند، سالن‌های صنعتی، اسکلت‌های فلزی.

۲. روش سوراخ‌کاری دایره‌ای (Circular Web Openings)

در این روش، جان تیر توسط ماشین‌کاری یا برش دقیق، سوراخ‌هایی به شکل دایره (یا بیضی) ایجاد می‌شود. این روش باعث کاهش تمرکز تنش در اطراف سوراخ‌ها می‌شود.
مزایا: رفتار بهتر در مواجهه با بار دینامیکی، کاهش ضعف در نواحی جان.
معایب: هزینه بالاتر ساخت به علت ماشین‌کاری دقیق.
کاربرد: ساختمان‌های مدرن، پل‌های فولادی، زمانی که ظاهر نیز مهم باشد.

۳. روش ترکیبی – تیر لانه زنبوری با دال بتنی (Composite Beam)

در این روش، تیر لانه زنبوری به‌عنوان شاهتیر عمل کرده و با دال بتنی ترکیب می‌شود تا عملکرد مرکب فولاد–بتن مورد استفاده قرار گیرد. در این حالت سوراخ‌های جان می‌توانند محل عبور تأسیسات نیز باشند.
مزایا: عملکرد خمشی بالا، امکان دهانه بزرگ‌تر بدون ستون میانی.
معایب: کنترل دقیق خیز، اجرای پیچیده‌تر، نیاز به هماهنگی تأسیسات با مقطع.

---

الزامات طراحی و اجرای تیر لانه زنبوری

برای به‌کارگیری صحیح این مقاطع، چند نکته مهم آیین‌نامه‌ای و اجرایی وجود دارد:

• حداکثر قطر سوراخ در جان نباید بیش از حدود ۰٫۸ برابر ارتفاع جان باشد (بسته به آیین‌نامه) و فاصله بین سوراخ‌ها نیز باید حداقل ۱٫۲ برابر قطر سوراخ باشد.
• در تیرهای دهانه‌های مهاربندی نمیتوان از تیر لانه زنبوری استفاده کرد.
• نواحی تکیه‌گاه یا محل برش زیاد، باید بدون سوراخ یا با تقویت کامل باشند؛ به طوری که جان تیر در آن نواحی با ورق پرکننده باشد.
• جوش‌ها باید مطابق استانداردهای معتبر مانند AWS D1.1 کنترل شده باشند و در اجرای مقاطع لانه زنبوری، کنترل کیفیت جوش (NDT) اهمیتی ویژه دارد.
• خیز نهایی تیر نباید بیش از ‌L/250 (یا سایر ضوابط مرتبط) باشد و باید اثر سوراخ‌ها بر رفتار را در طراحی لحاظ کرد.

---

مزایا و معایب تیر لانه زنبوری

✅ مزایا

1. افزایش مقاومت خمشی: با افزایش ارتفاع مؤثر و ممان اینرسی، ظرفیت خمشی تیر افزایش می‌یابد.
2. کاهش وزن فولاد مصرفی: صرفه‌جویی در فولاد ممکن است تا حدود ۲۰–۴۰٪ نسبت به تیر معمولی باشد.
3. عبور تأسیسات از جان تیر: سوراخ‌های جان امکان عبور لوله‌ها، کابل‌ها و تاسیسات را فراهم می‌کنند بدون کاهش آنچنان زیاد ظرفیت.
4. جلوه معماری: در سازه‌های نمایش‌داده‌شده و نمایان، ظاهر شکیل‌تری دارد.
5. کارایی برای دهانه‌های بلند: امکان استفاده در دهانه‌های باز بیشتر، مصالح کمتر و هزینه کل پایین‌تر.

❌ معایب

1. ضعف برشی جان: وجود سوراخ‌ها سطح مؤثر جان را کاهش داده و مقاومت برشی را کاهش می‌دهد.
2. کمانش موضعی جان: در نواحی پیرامون سوراخ‌ها، احتمال کمانش جان یا استخراج ورق بیشتر است.
3. پیچیدگی طراحی و اجرای جوش: نیاز به تحلیل دقیق‌تر، کنترل کیفیت بیشتر، و فرآیند ساخت دقیق‌تر از تیر معمولی.
4. محدودیت در سیستم‌های مهاربندی: طبق آیین‌نامه، در دهانه‌های مهاربندی‌شده استفاده محدود یا ممنوع است مگر با تقویت.
5. افزایش هزینه ساخت اولیه: برش، ماشین‌کاری و جوش مجدد ممکن است هزینه ساخت اولیه را نسبت به تیر معمولی افزایش دهد.

---

پرسش‌های متداول (FAQ)

---

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

تیر لانه زنبوری نمایانگر یک راهکار مهندسی هوشمند است که با افزایش ارتفاع مؤثر و کاهش وزن، می‌تواند گزینه بسیار خوبی برای بسیاری از سازه‌های فولادی باشد. با این حال، انتخاب آن بدون رعایت الزامات طراحی، آیین‌نامه‌ای و اجرایی می‌تواند منجر به ضعف پنهان شود.