قاب و خرپا از اجزای پرکاربرد در ساخت و ساز به ویژه ساختمان سازی  به شمار می‌روند. این دو سازه از نظر کاربرد و ساختاری شباهت‌ها و تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند. خرپا و قاب هر دو توسط بعضی از اعضای مثلثی ساخته شده و به اتصالات وصل می‌شوند. با توجه به ویژگی‌هایی که خرپا و قاب دارند، کاربردهای ویژه ای در ساختمان‌ها دارند. در زیر به تفاوت قاب و خرپا و این که هر کدام از این دو به چه معنایی هستند می پردازیم.

انواع سیستم های قاب ساختمانی :

در ابتدا سخن قبل ازتوضیح تفاوت‌های اصلی قاب خمشی و قاب ساده لازم است تا با هم در مورد قاب های ساختمانی و سیستم های باربر سازه ای اطلاعاتی پایه ای را بدست آوریم. به طور کلی می توان اینگونه بیان داشت که تمام سیستم های باربرسازه ای شامل دو قسمت هستند.سیستم باربر اعضای قائم و سیستم باربر اعضای جانبی. در ابتدای کار بدون بررسی هیچگونه جنبه ی علمی می توان عنوان کرد که هر سیستم باربر سازه ای از دو قسمت تشکیل شده  ولی گاهی با ترکیب چند سیستم مثل سیستم قاب خمشی با سیستم مهاربندی می توان نتیجه بهتری را حاصل کرد.

خرپا چیست؟

خرپا ( truss ) سازه ‌ای فلزی (گاهی چوبی) است که اعضای تشکیل‌ دهنده آن مثلث ‌های به هم متصل‌ شده هستند، این مجموعه‌ ی متشکل از مثلث ‌ها به‌ عنوان یک شی واحد عمل می‌ کند. بخش‌های مختلف آن فاقد هر گونه انحنا بوده و اتصال آن‌ها به یکدیگر به صورت لولا است.

این سازه در مکان‌های مسقف شده و قسمت‌هایی که از زیربنای وسیعی برخوردار هستند به کار گرفته می شود. خرپا در سقف‌ها، پل ها، و سازه های هوا و فضا و سوله ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.  به دلیل این که اجزای سازه ی خرپا به شکل مفصلی به هم وصل هستند ، نیروی گشتاور در آن ها تاثیر ندارد.

وظیفه ی خرپا توزیع یکنواخت وزن، کنترل تنش و تراکم بدون ایجاد خمش و یا برش است. از نظر هندسی مثلث در مقایسه با اشکال چهار و یا چند ضلعی پایدارتر است، زیرا برای جلوگیری از برش، گوشه‌ های این اشکال چهار و یا چند ضلعی باید به ‌جایی محکم و ثابت شوند.

همان ‌طور که پیش ‌تر اشاره شد، خرپا از واحد های مثلثی تشکیل ‌شده است و این واحد های مثلثی شکل خود متشکل از اعضای مستقیم و بدون انحنا می‌ باشند. انتهای این اعضای مستقیم و بدون انحنا در اتصالاتی به نام گره به یکدیگر متصل می‌ شوند. از ویژگی‌های خرپا می‌توان به تحمل آن‌ها در برابر نیروهای فشاری و کششی اشاره کرد. این ویژگی سبب می‌شود خرپا تغییر شکل هندسی ندهد. به طور کلی می توان گفت خرپا به دلایل :

الف) به حداقل رساندن وزن وارد شده بر روی اسکلت یک سازه،

ب)  کاهش انحراف و خمش،

پ) پشتیبانی از بارهای سنگین،

ث) کم کردن فاصله های طولانی مورد استفاده قرار می‌ گیرند.

عناصر اساسی تشکیل دهنده ی خرپا:

- وتر برجسته که معمولاً در فشرده سازی استفاده می شود.

- وتر پایین که معمولاً در تنش مورد استفاده قرار می گیرد.

- مهار بین آکورد های بالا و پایین.

آکورد بالا و پایین خرپا مقاومت در برابر فشرده سازی و تنش و در نتیجه مقاومت در برابر خم شدن کلی را فراهم می کند ، کارآیی خرپاها به این معنی است که در مقایسه با تیرهای جامد ، مواد کمتری برای پشتیبانی از بارها نیاز دارند . معمولاً با استفاده از مواد کمتری در آکورد و بیشتر در عناصر مهاربندی ، بازده کلی خرپا بهینه می شود.

نقش خرپا فلزی در سوله سازی

همانطور که در قبل گفته شد سوله یک نوع سازه فلزی می باشد که سقف آن شیبدار بوده و دارای  کاربرد های بسیار زیاد و متنوعی است.. گستردگی دهانه مورد ی هست که در ساخت سوله از اهمیت خاصی برخوردار می باشد. در ایران استفاده از سازه ‌های خرپا فلزی در صنعت سوله سازی بسیار متداول و محبوب می باشد. در ساخت سقف سوله‌ ها معمولاً از خرپا تخت و یا شیب‌ دار استفاده می‌ شود. مزایای استفاده از خرپا در ساخت انواع سوله‌ ها عبارت‌اند از:

1. از نظر اقتصادی مقرون ‌به‌ صرفه
2. وزن کم
3. ساخت و بهره‌ برداری سریع
4. عدم وجود محدودیت در ابعاد دهانه

انواع خرپا

:
 خرپا ها را بر حسب شکل و جنس می توان به دسته های مختلفی تقسیم کرد که در ادامه هر یک را نام برده و به خوبی شرح خواهیم داد.  می توان خرپاهای پرات ، هاو ، فینک ، قوسی ، دندانه ای برای سقف و خرپاهای پرات ، هاو ، وارن ، پارکر، بالتیمور ، برای پل استفاده کرد.

• خرپا تک تیرک یا شاه تیر
• خرپا پرات
• خرپا دستک‌دار یا عصایی
• خرپا هاو
• خرپا چتری
• خرپا سقف نور شمالی
• خرپا چهارگوش
• خرپا با قوس‌های موازی
• خرپا قیچی
• خرپاپاشنه بلند

خرپای فلزی ساده

خرپای ساده یک نوع خرپا مسطح است که با یک عنصر مثلثی شکل شروع می ‌شود و با اضافه کردن دو عضو مستقیم و بدون انحنا و همچنین یک مفصل (گره) قابل ‌گسترش است. این نوع خرپا ممکن است در ساخت یک سقف قاب ‌بندی شده متشکل از تیر های شیب ‌دار و یک تیرچه سقفی، به‌ کار برده شود. استفاده از این نوع خرپا در ساختمان‌ های قدیمی بسیار متداول بوده ولی امروزه به دلیل وجود انواع مقاوم ‌تر (فضایی، مرکب) از این نوع سیستم خرپا کمتر استفاده می‌ شود.

خرپا فلزی مسطح (صفحه‌ای)

خرپا مسطح خرپایی است که در آن‌ همه اعضا در یک صفحه دو بعدی قرار دارند. این نوع خرپا که دارای اعضای تحتانی و فوقانی موازی است، به‌ طور معمول به ‌صورت سری (پشت سر هم) مورد استفاده قرار می‌گیرد. خرپا مسطح در ساخت سقف‌ها، پل‌ها، شاه‌ تیرها و حتی سازه‌ های مکانیکی دیگری چون دوچرخه و هواپیما کاربرد دارد.

خرپا فلزی فضایی

برخلاف خرپا مسطح که در یک صفحه دو بعدی قرار دارد، یک خرپای فضایی در حقیقت یک شبکه سه ‌بعدی متشکل از مثلث ‌های به هم متصل شده است. خرپا های فضایی از محبوبیت خاصی در بین کارفرمایان برخوردار هستند؛ چرا که بسیار مقاوم هستند و معمولاً در ساخت سقف نمایشگاه‌ها، استخرها و کارخانه‌ها از آن‌ ها بهره برده می‌شود.

خرپاهای فضایی اصولاً از جنس آهن، فولاد و یا آلومینیوم بوده و اتصالات آن‌ها معمولاً از نوع لولایی می باشد. برای مقاومت و استحکام بیشتر، در بعضی از پروژه‌ ها از خرپاهای فضایی دو لایه استفاده می‌شود. قیمت خرپاهای دو لایه قاعدتاً بیشتر از نوع تک لایه خواهد بود.

خرپا فلزی مرکب

خرپای مرکب از ترکیب دو یا چند خرپا فلزی ساده حاصل می‌شود. استقامت و مقاومت این نوع از خرپا در مقایسه با سایر انواع خرپا بسیار بیشتر است. به همین دلیل در بسیاری از پروژه‌های ساخت‌ و ساز از این نوع سیستم خرپا استفاده می‌شود. باید توجه داشت که نوع سیستم خرپا برای هر پروژه می‌تواند متفاوت باشد و باید با توجه به نیاز و هدف پروژه نوع آن انتخاب شود.

انواع مدل های خرپا

بسته به نوع متریال و دهانه و هندسه کلی خرپا، طیف گسترده‌ای از مدل‌ های مختلف خرپا وجود داردکه عبارتند از:

خرپا پرات

خرپا پرات که به عنوان خرپای “N” نیز  شناخته می شود، جنس آن معمولاً از فولاد است ولی گاهی از چوب نیز ساخته می‌شود. اجزای تشکیل‌دهنده این نوع خرپا عمودی و مورب است ، اعضای عمودی برای تحمل نیروهای فشاری و اعضای مورب برای تحمل تنش طراحی‌شده‌اند. از این نوع خرپا اغلب در سقف ها و پل ها استفاده می شود و دهانه آن حداکثر حدود 30 الی 60 متر است. ازلحاظ قیمت این نوع خرپا اقتصادی‌ترین نوع خرپا هست.

خرپا ی وارن

این نوع خرپا تعداد اعضای کمتری نسبت به پرات دارد و مورب شکل است که از نظر تنشی و فشرده سازی نیز متفاوت هستند. در این نوع اعضا، یک سری مثلث های دو طرفه را تشکیل می دهند. به طور متناوب بالا و پایین. خرپای وارن از فولاد تشکیل شده  و محل استفاده آن معمولا در پل ها است. و دهانه آن تا حدود 60 متر است.

خرپا نور شمالی (North light)

این شکل از خرپا معمولاً برای دهانه‌ های کوچک (بین ۲۰ تا ۳۰ متر) در سقف ساختمان ‌های صنعتی استفاده می‌شود. این نوع خرپا نور شمالی نامیده می‌شود ، برای این که این نوع خرپا بیشترین نور را به داخل زمین ‌های شمالی هدایت می‌کند.

خرپا شاه ‌تیر (king post)

خرپا تیر شاه معمولاً از چوب و بعضی ‌اوقات از ترکیبی از فلز و چوب ساخته می‌شود و برای دهانه ‌های کمتر از ۸ متر کاربرد دارد.  این خرپا برای ساخت  سقف خانه‌ های کوچک استفاده می شود. خرپای شاه تیر به شکل یک مثلث ساده است که دارای یک عضو عمودی بین رأس و وتر پایین است.

خرپا عصایی (ملکه)

خرپا ملکه از نظر شکل ظاهری شبیه به خرپا شاه‌ تیر است، با این تفاوت که دارای یک عضو مورب وسط وتر پایینی دارد.  خرپا عصایی برای دهانه ‌های کمتر از ۱۰ متر کاربرد دارد. این نوع خرپا بسیار ساده، کاربردی و مقاوم است و در اکثر سازه ‌ها کارایی دارد و می توان به اجرا گذاشت.

خرپا فینک (fink)

جنس این نوع خرپا اصولاً از فولاد است و در اجرای سقف ساختمان ‌های مسکونی و پل‌ ها بسیار رایج است. خرپا فینک در سازه‌ های دهانه کوتاه (تا حدود ۲۰ متر) قابل ‌اجرا است.

خرپا هاو (Howe)

این نوع خرپا برعکس خرپا پرات است (خرپا پرات وارونه). بدین معنی که اعضای عمودی نیرو های تنشی و اعضای قطری (مورب) نیرو های فشاری را تحمل می‌ کنند. خرپا هاو در مقایسه با خرپا پرات غیر کاربردی تر است؛ چرا که اعضای مورب باید برای مدت ‌زمان طولانی ‌تری در برابر نیرو های فشاری، مقاومت کنند.

خرپای ویرندیل

نوع خاصی از خرپا که با سایر مدل‌های معرفی‌شده تا این جا به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای تفاوت دارد، خرپا ویرندیل نام دارد. تفاوت اساسی این مدل از خرپا در نحوه ی انتقال نیروها است. یکی از ویژگی‌های مشترک خرپاهایی که دارای گره‌های لولایی هستند این است که از اشکال مثلثی تشکیل می‌شوند. قاعدتاً این مفاصل لولایی هیچ‌گونه مقاومتی در برابر چرخش و نیروهای چرخشی ندارند.

اما یک خرپای ویرندیل دارای دهانه‌های مستطیلی یا مربعی شکل است. درنتیجه، اعضای تشکیل‌دهنده ی آن هم نیروهای محوری و هم گشتاور خمشی را تحمل می‌کنند. خرپا ویرندیل در برابر تنش‌ها نرمال و در برابر تنش‌های محوری ایجاد شده در اثر خمش بسیار مقاوم است و به خاطر همین یک نوع سازه اساسی در نظر گرفته می‌شود.

اتصالات خرپا

پس از مشخص شدن حداقل سطح مقطع اعضاء، طراحی اتصالات، آخرین گام در طراحی خرپا است. اعضاء به وسیله ی جوش، پیچ و مهره به یکدیگر متصل می شوند. بر اساس نیازهای پروژه، اتصالات خرپای داخلی (مفاصل) می تواند به شکل سفت و سخت، نیمه سفت و سخت یا لولا طراحی شود.

مزایای خرپا چیست ؟

موقع طراحی صحیح، خرپا روشی کارآمد برای مسافت های طولانی است به خاطر همین از مواد کمتری استفاده می شود، این امر به این دلیل است که بارهای داخلی اعضا به صورت محوری (در جهت عضو)، فشرده سازی یا تنشی القا می شوند، به خاطر همین می توان از مواد کمتری استفاده کرد و سیستم به طور کلی کارآمد تر است، زیرا این نیرو بین تعدادی از اعضا توزیع می شود.

معایب خرپا چیست ؟

به دلیل ساخت خرپا در محل کارگاه و نیاز به مکان گسترده برای ساخت آنها، باید فضای بزرگی را در نظر گرفت. همچنین به دلیل دقت لازم برای ساخت، سرعت ساخت خرپا کاهش می یابد و این امر سبب می شود زمان اجرا افزایش یافته و هزینه ها نیز افزایش یابد، اما با رعایت اصولی مثل زمان بندی ساختمان سازی، می توان این مشکل را تا حدودی برطرف نمود.

قاب چیست؟

قاب به سازه‌ای گفته می‌شود که در آن اتصال تیر به ستون، با بهره‌گیری از انواع مفصل صورت می‌گیرد و از لحاظ مختلف با خرپا تفاوت دارد. در اتصال مفصلی بین تیر و ستون هیچ نوع لنگری مبادله نمی‌شود و فقط در این اتصال از جدا شدن اعضا تیر و ستون از یکدیگر جلوگیری می‌شود، یعنی زاویه تیر و ستون در محل اتصال می‌تواند از ۹۰ درجه بیشتر یا کمتر شود. قاب‌ها در ساختمان دو وظیفه تحمل بارهای ثقلی یا همان بارهای مرده و وزنده و تحمل بارهای ناشی از زلزله و باد را بر عهده دارد.

انواع قاب و کاربرد آن‌ها

قاب ها به طور کلی قاب‌ها به سه دسته تقسیم بندی می‌ شوند.

1. قاب ساده (اتصالات مفصلی)

اتصالات برقرار شده میان بخش‌های مختلف قاب با استفاده از مفصل‌ها برقرار می شود و به همین دلیل هم امکان برقراری هیچ گونه لنگری وجود ندارد ، در این نوع از سیستم قاب، انتقال بارهای مرده و زنده بر عهده تیر و ستون است.

2. قاب خمشی (اتصالات صلب)

برای کنترل نیروهای جانبی همانند نیروهای وارد شده بر ساختمان که می تواند ناشی از زلزله باشد، از قاب‌های نوع خمشی استفاده می‌شوند.قاب‌های خمشی را به سه نوع قاب خمشی معمولی، متوسط و ویژه دسته بندی می‌کنند. برای مهار بارهای جانبی قاب خمشی به کار گرفته می‌شوند.

استفاده از این سیستم عموماً در ساختمان‌های اداری به چشم می‌خورد. چرا که در این گونه ساختمان‌ها نیاز به فضایی منعطف با کاربری‌های متنوع است و از آن جایی که استفاده از این سیستم باعث ایجاد فضای آزاد معماری می‌شود، برای انجام این کار مناسب است.

- قاب خمشی معمولی

از ویژگی‌های قاب خمشی معمولی می‌توان به استفاده از جزئیات دقیق در ساخت اجزاء آن اشاره کرد. این جزئیات به اندازه‌ای است که از ایجاد هرگونه تغییر شکل فرا ارتجاعی اندک در هنگام زلزله می‌کند. استفاده از سیستم قاب خمشی معمولی در مناطقی با احتمال پایین زلزله، امکان پذیر است.

- قاب خمشی متوسط

قاب خمشی متوسط به آن دسته از انواع قاب‌های ساختمانی گفته می‌شود که می‌تواند در برابر تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی محدودی از خود مقاومت نشان دهد. از ویژگی‌های ساختاری این قاب‌ها می‌توان به وجود مفصل‌های پلاستیکی در انتهای تیر و در خارج از قسمت اتصال تیر به ستون اشاره کرد. این مفاصل پلاستیکی دارای ظرفیت دورانی می‌باشند. استفاده از این نوع قاب خمشی در مناطقی با ریسک زلزله از کم تا متوسط صورت می‌گیرد.

- قاب خمشی ویژه

قاب‌های خمشی ویژه به قاب‌های ساختمانی گفته می‌شود که می‌توانند تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی قابل ملاحظه‌ای را تحمل کنند. از سیستم قاب خمشی ویژه باید در مناطق زلزله خیز استفاده کرد.

3. قاب دوگانه (اتصالات نیمه صلب)

تفاوت خرپا با قاب در چیست؟

خرپا و قاب هر دو توسط بعضی از اعضای مثلثی ساخته شده و به اتصالات وصل می شوند؛ در خرپا ،اتصالات از نوع مفاصل پین هستند و اعضا در چرخش در مورد پین آزاد هستند. بنابراین ، خرپا نمی تواند لحظات را منتقل کند اعضا فقط در معرض نیروهای محوری (کششی و فشرده سازی) قرار دارند.

از طرف دیگر ، اعضای فریم ها به سختی در اتصالات با استفاده از جوشکاری و پیچ خوردگی به یکدیگر متصل می شوید. بنابراین اتصالات قاب می توانند علاوه بر بارهای محوری ، لحظات را نیز منتقل کنند. پس یکی از مهم‌ترین تفاوت های خرپا و قاب نحوه ی اتصالات اجزای مختلف در این دو سازه است.

به طور کلی اعضای قاب مانند تیر هستند که عمدتاً برای حمل بارهای عرضی یا جانبی در طول خود طراحی شده‌اند. این بارهای خارجی باعث ایجاد نیروهای داخلی مانند برش و گشتاور خمش می‌شوند. برخی از اعضای قاب (مانند ستون‌ها) حتی می‌توانند برای تحمل بارهای محوری (طولی) زیاد طراحی شوند.

این نوع اعضا به دلیل نحوه ی اتصال آن‌ها به یکدیگر یا با دیگر سازه‌ها می‌توانند این بارها را تحمل می‌کنند. قاب‌ها از طریق اتصالات کاملاً سفت و سخت مانند جوش یا پیچ و مهره به یکدیگر اتصال داده می‌شوند که امکان انتقال برش و گشتاور را فراهم می‌کند.

از سوی دیگر در خصوص تفاوت خرپا با قاب می توان عنوان داشت که وقتی که یک خرپا را متصور می‌شویم، معمولاً میله‌هایی که به طور خلاصه، یک عضو از طریق نحوه اتصال در انتهای آن به عنوان خرپا و قاب طبقه بندی می‌شود که توانایی آن در تحمل انواع خاصی از بارها را تعیین می‌کند.

تفاوت میان این دو در این است که خرپا چرخش آزاد دارند و فقط می‌توانند بارهای محوری را تحمل کنند. در حالی که قاب کاملاً اتصالی محکم و ثابت دارد و می‌تواند انواع بار را پشتیبانی کند. هنگامی که نوبت به استفاده از خرپا و قاب در سازه‌ها می‌رسد، یک خرپا می‌تواند سبک‌تر از قاب باشد زیرا فقط بارهای محوری را حمل می‌کند.

قیمت سوله خرپایی:

اختلاف قیمت سوله سبک خرپایی، نسبت به سوله تیر ورقی حداقل 20%  است که به طور معمول این اختلاف قیمت در دهانه های عریض نزدیک به 70% نیز می باشد.اما در حالت معمول قیمت سوله سبک خرپایی حدود 20% پایین تر از قیمت سوله های تیر ورقی است ولی این موضوع در سوله هایی که شامل دهانه حداقل 20 متر هستند صدق می‌ کند بنابراین اگر سوله هایی که دهانه کوچک دارند را با تیر ورق و سوله هایی که دهانه هایی بیش از 18 متر دارند را با روش خرپایی بسازند صرفه اقتصادی بیشتری خواهد داشت.