در مواجهه با تنش، لولههای مربعی نیرو را بهطور یکنواخت روی هر چهار ضلع پخش میکنند که مقاومت خوبی نسبت به نیروهای خمشی و پیچشی ایجاد میکند. گوشههای قائمه سفتی طبیعی به ساختار میدهند. به عنوان مثال، لولههای فولادی مربعی استاندارد ASTM A500 درجه B قبل از تغییر شکل حدود ۴۶,۰۰۰ پوند بر اینچ مربع را تحمل میکنند. در مقایسه با لولههای گرد با ابعاد مشابه، این مقاطع مربعی حدود ۱٫۷ برابر گشتاور مقاومت خمشی بیشتری دارند. به دلیل این شکل کارآمد، مهندسان اغلب از لولههای مربعی در ستونهای ساختمانی، تیرهای پل و قابهای ساختاری استفاده میکنند که در طول روز بارها از جهات مختلف به آنها وارد میشود.
لولههای مربعی ساختاری استاندارد از درجات فولاد کربنی ساخته میشوند که متناسب با نیازهای عملکردی خاص طراحی شدهاند:
| اموال | ASTM A500 Grade B | ASTM A513 Type 5 |
|---|---|---|
| استحکام تسلیم (psi) | 46,000 | 50,000 |
| استحکام کششی (psi) | 58,000 | 70,000 |
| کاربرد اصلی | فریمهای سازهای | قطعات ماشین آلات |
مقطع توخالی وزن را تا ۴۰٪ در مقایسه با میلههای توپر کاهش میدهد، در حالی که ۸۵ تا ۹۲٪ ظرفیت باربری خود را از طریق توزیع مؤثر تنش در محیط حفظ میکند.
لولههای مربعی به دلیل هندسه متقارن که ضعفهای وابسته به جهت خاص را حذف میکند، ۱٫۳ برابر مقاومت خمشی بیشتری نسبت به لولههای گرد و ۲۲٪ صلبیت پیچشی بیشتری نسبت به لولههای مستطیلی دارند. یک لوله مربعی ۴ اینچی میتواند بدون کمانش، بار فشاری ۱۵٬۰۰۰ پوندی را تحمل کند، در حالی که این مقدار برای لوله گرد معادل ۱۱٬۲۰۰ پوند است.
لولههای مربعی فولاد نرم نورد گرم، حالتهای شکست قابل پیشبینی در برابر بار اضافی از خود نشان میدهند که استحکام تسلیم آنها از ۳۶,۰۰۰ psi (درجه A) تا ۵۰,۰۰۰ psi (درجه C) متغیر است. با گشتاور لختی معمولی (I") برابر با ۸٫۲۲ اینچ به توان چهار در هر فوت طولی، این لولهها امکان پوشش دهانههای حمایتی تا ۳۰ درصد بیشتر از معادلهای دوبلآی در کاربردهای غیربحرانی را فراهم میکنند.
شکل مربعی لولههای فولادی به آنها سفتی پیچشی بسیار خوبی میدهد، زیرا گوشههای قائمه این لولهها نیروها را بهتر توزیع میکنند. این ویژگی باعث میشود این لولهها بهویژه در برابر بارهای عمودی از بالا و نیروهای جانبی که به آنها فشار میآورند مقاومت خوبی داشته باشند و همین موضوع است که آنها را در ساخت ساختمانهای چند طبقه بسیار محبوب کرده است. از نظر مشخصات فنی، لولههای استاندارد ASTM A500 درجه B در بسیاری از سازههای مقاوم در برابر زلزله به عنوان استاندارد پذیرفته شدهاند. این لولهها باید حداقل استحکام تسلیم تقریباً ۴۶ ksi (هزار پوند بر اینچ مربع) را داشته باشند. نحوه واکنش این مواد به تنش در سراسر سطح آنها، جلوی تشکیل نقاط ضعیف را در حین وقوع زلزله میگیرد. این توزیع یکنواخت از نیروها از بوقلمونی محلی جلوگیری میکند و به طور کلی باعث افزایش مقاومت ساختمانها در برابر فعالیتهای لرزهای میشود.
ابعاد استاندارد شده لولههای مربعی فرآیند تولید انبوه در ساخت و ساز ماژولار را بهینه میکنند. پروژههایی که از لولههای مربعی گالوانیزه 4"×4" با اتصالات جوش داده شده با روش MIG استفاده میکنند، 20 تا 30 درصد زمان سرهمبندی کمتری نسبت به روشهای سنتی دارند. این دقت ابعادی باعث کاهش نیروی کار در محل پروژه شده و به رعایت تلورانسهای دقیق در قطعات پیشساخته مانند پلهها، تیرریزههای سقف و پانلهای دیواری کمک میکند.
لولههای مربعی به مادهای پرکاربرد برای معماران تبدیل شدهاند که به دنبال چیزی هستند که هم از نظر ساختاری عملکرد خوبی داشته باشد و هم ظاهر زیبایی داشته باشد. بگیرید آن لولههای فولاد ضدزنگ ۲ در ۲ اینچی با پوشش پودری - این لولهها میتوانند تا نیم قرن بدون زنگزدگی دوام بیاورند، حتی وقتی در ساختمانهای نزدیک به اقیانوس نصب شوند، که با توجه به اینکه هوای نمکی مواد معمولی را بسیار سریع از بین میبرد، واقعاً قابل توجه است. شهرهای زیادی در سراسر جهان شروع به نصب این لولههای مربعی سنگینتر با ضخامت 8 تا 12 گیج در مکانهایی مانند حوزههای پارکینگ دوچرخه و ایستگاههای حمل و نقل عمومی کردهاند. این مصالح در برابر خرابکاری مقاومتر از بیشتر گزینههای دیگر عمل میکند و در عین حال همان ظاهر لاغر و معاصری را فراهم میکند که بسیاری از شهرداریها امروزه برای پروژههای زیرساختی خود میخواهند.
یک ساختمان جدید ۱۵ طبقه که فضاهای مسکونی و تجاری را ترکیب میکند، اخیراً به دلیل استفاده نوآورانه از لولههای فولادی بازیافتی که نیمی از قاب خارجی (اکسواسکلت) را تشکیل میدهند، موفق به دریافت رتبه LEED طلایی شده است. معماران توانستند حدود ۱۸ درصد از مصرف کلی فولاد کاسته و در عین حال تمام الزامات لازم در مورد استحکام ساختاری را حفظ کنند. پس از تکمیل ساختمان، نظارت بر مصرف انرژی نشان داد که در طول سال حدود ۱۲ درصد صرفهجویی در هزینههای گرمایشی انجام شده است. بخشی از این صرفهجویی به دلیل عملکرد بهتر لولههای توخالی فولادی از نظر حرارتی نسبت به لولههای توپر است که باعث کاهش اتلاف گرما در بخشهای مختلف پوسته ساختمان میشود.
پروفیل مربع توخالی با اضلاع برابر، صلبیت پیچشی برتری را فراهم میکند و آن را به گزینهای ایدهآل برای ماشینآلات دقیق مانند بازوی رباتیک و سیستمهای نقاله تبدیل میکند. در پایه دستگاههای CNC، این نوع لولهکشی ارتعاشات عملیاتی را بهطور یکنواختتری نسبت به تیرهای I شکل توزیع میکند و تا ۴۰ درصد از اعوجاج هارمونیکی کاسته میشود (ASM International 2023).
لولههای مربعی از فولاد نرم در برابر چرخههای تنش مکرر مقاومت خوبی دارند، بهویژه در مواردی که در کارگاهها با دستگاههای نورد یا درون سیستمهای هیدرولیکی استفاده میشوند. لبههای این لولهها قابلیت جوشکاری کامل دور تا دور را دارند که این امر امکان تقویت نقاطی را فراهم میکند که بیشترین تنش را تحمل میکنند. علاوه بر این، ضخامت دیوارههای آنها در سرتاسر لوله تقریباً یکنواخت است، بنابراین حتی در برابر فشارهای بالاتر از 700 مگاپاسکال نیز بهصورت غیرمنتظره شکسته نمیشوند. همچنین هنگامی که مهندسان آزمون خستگی روی آنها انجام میدهند، قابهای ساخته شده از لوله مربعی حدود 25 درصد طولانیتر از نمونههای مستطیلی مشابه که در تجهیزات حمل و نقل مواد استفاده میشوند، قبل از از کار افتادن دوام میآورند. این تفاوت در محیطهای صنعتی که توقف خط تولید هزینهبر است، اهمیت زیادی دارد.
ابعاد استاندارد لولههای مربعی که از ۲۵ در ۲۵ میلیمتر تا ۱۵۰ در ۱۵۰ میلیمتر متغیر است، واقعاً به روانسازی فرآیندهای تولید در بخشهایی مانند تجهیزات کشاورزی و ماشینآلات بستهبندی کمک میکند. هنگامی که سازندگان از لولههای فولاد نرم با گواهی ASTM A500 استفاده میکنند، کیفیت یکنواختی را از یک دسته به دسته دیگر تجربه میکنند. این یکنواختی در عملیات مونتاژ رباتیک زمان را صرفهجویی میکند و برخی کارخانهها حدود ۱۸ درصد کاهش در زمان راهاندازی را در مقایسه با استفاده از پروفیلهای سفارشی گزارش کردهاند. برای کسانی که نیاز به محافظت بیشتر در برابر زنگزدگی و آلودگی دارند، نسخههای پیشگالوانیزه بهویژه در کارخانههای فرآوری مواد غذایی و تأسیسات دارویی که حفظ سطوح تمیز و جلوگیری از خوردگی برای رعایت استانداردها و ایمنی ضروری است، امور را بهخوبی تسریع میکنند.
لولههای مربعی به دلیل توزیع متوازن بار و پایداری پیچشی، در پلهای عابر پیاده و پلهای با تردد خودروی کم مؤثر هستند. شکل متقارن آنها غلظت تنش را در محل اتصالات به حداقل میرساند. تحلیلهای ساختاری نشان میدهد که دهانههای تا ۱۸ متر در پلهای پیادهرو، تنها منجر به تغییر شکل ۸٪ میشوند که در مقایسه با تیرهای معادل I شکل بهبود یافته است (طراحی پل بینالمللی ۲۰۲۳).
مقطع بسته لولههای مربعی، ۲۲٪ بهتر از مقاطع قوطیشکل باز در میرایی ارتعاش عمل میکند. این ویژگی در زیرساختهایی که در معرض باد یا بارهای تکراری ترافیکی قرار دارند، حیاتی است. آزمایشها تأیید میکنند که این لولهها پس از ۱٫۲ میلیون چرخه بارگذاری در سطح تنش ۸۵ مگاپاسکال، یکپارچگی خود را حفظ میکنند (گزارش عملکرد مواد ۲۰۲۳).
در یک بازسازی ساحل خلیج فلوریدا در سال ۲۰۲۲، دکلهای بتنی قدیمی با لولههای فولادی مربعی گالوانیزه غوطهور جایگزین شدند. این راهحل با پوشش روی، مزایای زیر را فراهم کرد:
لولههای مربعی برای کاربردهای بار معمولی به خوبی عمل میکنند، اما زمانی که پروژهها به موادی با استحکام تسلیم بیش از ۶۵۰ مگاپاسکال نیاز دارند، شروع به نشان دادن محدودیتهای خود میکنند. هنگام ساخت پلهای عظیمی با دهانههایی بیش از ۳۰۰ متر، امروزه اکثر مهندسان سازه از راهحلهای ترکیبی استفاده میکنند. آنها لولههای مربعی را با هستههای بتنی مسلح در داخل ترکیب میکنند که پایداری بهتری در کل فراهم میکند. آخرین ویرایش کد پل ASCE در واقع حدی برای میزان قابل تحمل دهانه لولههای مربعی بدون نگهدارنده در مناطقی که حمل و نقل بار سنگین به صورت منظم انجام میشود، تعیین کرده است. بر اساس بازنگری ۲۰۲۳، دهانههای بدون نگهدارنده حداکثر تا حدود ۴۵ متر میتوانند ادامه یابند، قبل از اینکه تقویت اضافی به دلایل ایمنی ضروری شود.
انواع مختلف لولههای مربعی مانند فولاد نرم، فولاد ضدزنگ و فولاد گالوانیزه هر کدام بسته به کاربرد مورد نظر، بودجه در دسترس و محل نصب، جایگاه خاص خود را دارند. فولاد نرم از نظر هزینه مناسبی است و برای بیشتر کارهای داخلی به اندازه کافی محکم است، زیرا میتواند تنش تقریباً ۳۷۰ تا ۵۰۰ مگاپاسکال را قبل از شکست تحمل کند. اما زمانی که شرایط سختتر میشود، به ویژه در نزدیکی آب شور یا مواد شیمیایی، فولاد ضدزنگ قهرمان میدان است. درجات ۳۰۴ و ۳۱۶ حداقل ۱۰٫۵ درصد کروم دارند که همان لایه غیرفعال مقاوم در برابر زنگزدگی را ایجاد میکند. به همین دلیل است که این مواد را در ساخت و ساز کشتیسازی و کارخانههایی که روزانه با مواد خطرناک سروکار دارند، به وفور مشاهده میکنیم. فولاد گالوانیزه از نظر قیمت در جایی بین این دو قرار دارد، اما بخاطر پوشش روی آن برای استفاده در فضای باز عملکرد مناسبی دارد. بیشتر متخصصان میگویند این محافظت معمولاً از ۲۰ تا حداکثر ۳۰ سال دوام داشته و تا آن زمان نیازی به تعمیر و نگهداری مجدد نیست.
| اموال | فولاد ملایم | فولاد ضد زنگ | فولاد زنگدار |
|---|---|---|---|
| مقاوم در برابر خوردگی | کم | بالا | متوسط |
| هزینه (به ازای هر متر) | $18–$25 | $45–$120 | $28–$40 |
| طول عمر (سال) | 10–15 | 30–50+ | 20–40 |
| بهترین کاربرد | سازههای داخلی | محیطهای سخت | سازههای بیرونی باشد |
جدول ۱: معیارهای عملکرد استخراجشده از مقایسههای استاندارد صنعتی مواد
آزمایشها نشان دادهاند که لولههای گالوانیزه در برابر زنگزدگی حدود ۵ تا ۷ برابر بهتر از فولاد معمولی در آزمون پاشش نمکی بر اساس استاندارد ASTM B117 مقاومت میکنند. فولاد ضدزنگ از سوی دیگر در شرایط سخت که رطوبت یا تماس با مواد شیمیایی زیاد است، عملکرد بسیار بهتری دارد. حتی پس از قرار گرفتن در معرض این شرایط به مدت ۱۰۰۰ ساعت متوالی، تقریباً هیچ علامتی از خوردگی نشان نمیدهد و اتلاف آن کمتر از ۰٫۱ میلیمتر در سال است. مطالعه اخیر انجمن NACE در سال ۲۰۲۳ یافته جالبی داشته است. وقتی دما از ۶۰ درجه سانتیگراد فراتر رود، پوششهای روی به سرعت تجزیه میشوند. اما فولاد ضدزنگ؟ این ماده تا دمای حدود ۸۷۰ درجه سانتیگراد بدون مشکل باقی میماند و تنها در دمای بالاتر از این حد دچار آسیب میشود. این موضوع توضیح میدهد که چرا بسیاری از صنایع ترجیح میدهند از این ماده در کاربردهای با دمای بالا استفاده کنند.
برای کاربردهای خشک و درونمحیطی، فولاد ملایم مقرونبهصرفهترین راهحل را ارائه میدهد. فولاد گالوانیزه دوام و هزینه اولیه را برای نصبهای بیرونی متعادل میکند و عمری بین ۳۵ تا ۵۰ سال دارد. استفاده از فولاد ضدزنگ در محیطهای ساحلی یا صنعتی توجیهپذیر است، جایی که سرمایهگذاری اولیه بالاتر، هزینههای جایگزینی بلندمدت را که در دو دهه میتواند از ۱۸۰ دلار به ازای هر متر طولی فراتر رود، جلوگیری میکند.
لوله مربعی سفتی پیچشی عالی و توزیع بار متعادلی فراهم میکند و آن را به گزینهای ایدهآل برای سازههای تحملکننده بار، تریسها و چارچوبها تبدیل میکند.
لوله مربعی در مقایسه با لوله گرد مقاومت خمشی بهتری داشته و در مقابل لوله مستطیلی انعطافپذیری پیچشی بالاتری دارد و در نتیجه از نظر یکپارچگی ساختاری کارآمدتر است.
فولاد ضدزنگ دارای مقاومت بالا در برابر خوردگی است، بهویژه در محیطهای مرطوب یا تحت تأثیر مواد شیمیایی، که آن را برای استفاده در مناطق ساحلی یا صنعتی مناسب میکند.
این ملاحظات شامل هزینه، دوام، مقاومت در برابر خوردگی و نوع قرارگیری محیطی که لوله در آن نصب خواهد شد، میشود.
EN
