طراحی ساختمان‌های فولادی

در طراحی ساختمان‌های فولادی انتخاب نوع مقطع، روش ساخت، روش بهره‌برداری و محل ساخت ساختمان خصوصیات و ویژگی‌های متنوعی برای ساخت اسکلت باربر یک ساختمان بوجود می‌آورد.

مزیت‌های هر سیستم سازه‌ای و مصالح مورد . نیاز آن سیستم را در صورتی می‌توان به‌ کار برد که خصوصیات و ویژگی‌های آن مصالح و سیستم‌ها در مرحله طراحی به حساب آورده شود. و طراح باید در مورد هریک از مصالح به درستی قضاوت کند.

این موضوع به‌ویژه در ساختمان‌هایی که اسکلت فولادی دارند ضروری است. معیارهای سازه‌ای زیر اهمیت زیادی در طراحی کلی و ستون‌گذاری ساختمان دارد:

• نوع مقطع
• آرایش و روش قرارگیری مقاطع
• فواصل تکیه‌گاهی
• اندازه دهانه‌های سقف
• نوع مهاربندی
• نوع سیستم صلب‌کننده
• محل قرارگیری سیستم صلب‌کننده

سیستم فضاسازی داخلی

برای استفاده بهینه از خواص مطلوب ساختمان‌های فولادی. سیستم فضاسازی داخلی باید به‌گونه‌ای اختیار شود که:
– متشکل از قطعات پیش‌ساخته باشد، بدین منظور که سرعت بیشتر نصب و برپایی سازه. موجب کوتاه شدن زمان کلی ساخت می‌شود.
– قطعات سبک باشد تا وزن کلی ساختمان به حداقل ممکن برسد.
– نوع سیستم انتخاب شده، سازگار با سیستم سازه‌ای انتخاب شده باشد.
– با یک روش اقتصادی قابل محافظت در برابر آتش باشد.

فضاهای داخلی ساختمان فلزی معمولا” شامل:

– سقف‌ها
– بام
– دیوارهای خارجی
– دیوارهای داخلی
– سیستم رفت و آمد ( پله و آسانسور ) می‌باشد که با هماهنگی دقیق و علمی. این امکان بوجود می‌آید که اقتصادی‌ترین روش ساخت و اجرای ساختمان بدست آید.

گزینه های روی میز طراحی :

طراحی سازه های فولادی تنها یکی از گزینه های روی میز هر مهندس عمران میباشد. ما در شهر نوین عمران ومعماری موارد پیش روی خود برای طراحی را به چهار گزینه تقسیم میکنیم.

• سازه‌های بتنی (Concrete Structures)
• سازه‌های فولادی (Steel Structures)
• مواد کاپموزیتی (Carbon fiber reinforced carbon composite)
• سازه‌های متفرقه  (Other Structures)

در این مقاله تنها قصد داریم تا در مورد  طراحی سازه‌های فولادی صحبت کنیم.

طراحی سازه های فولادی :

طراحی سازه های فولادی و در مقیاس جامع‌تر معنا پیدا کردن سازه فولادی دقیقا همزمان با استفاده. از ریل های آهنی در حدود سال‌های ۱۸۰۰ میلادی میباشد. در سال ۱۸۵۵با نوآوری آقای هنری بسمر (Sir Henry Bessemer) در کشور انگلیس تولیدات. سازه‌های فولادی افزایش یافت و با سروع جنگ جهانی در سال ۱۹۳۹ آلمانی ها ،مصرف این فولاد ها را به اوج رساندند.

پس از پایان یافتن جنگ جهانی دوم و پیشرفت فضای صنعتی آن زمان ، قیمت فولاد به شدت کاهش یافت . و از اینجا بود که فولادی ساختمانی وارد زندگی ما مهندسان عمران شد.

پس از آزمایش های گسترده بر روی فولادی ساختمانی در کشورهای کانادا ، ژاپن ، آمریکا محققین به این نکته دست پیدا کردند. که استفاده از فولاد و طراحی سازه های فولادی نه تنها بد نیست. بلکه در اکثر مواقع نسبت به سازه های بتنی عملکرد بهتری را دارد.

دقیقا به دلیل همین اهمیت طراحی لرزه ای سازه های فولادی بود که در شهر نوین عمران ومعماری ما تصمیم گرفتیم. تا یک بانک اطلاعاتی کامل از مطالب مربوط به سازه های فولادی تدارک ببینیم و به رایگان در خدمت جامعه مهندسی بگذاریم.

تاریخچه طراحی سازه های فولادی :

به طور کلی برای ما انسان ها ۳ نوع آهن شناخته شده است:

• آهن فرفوژه

آهن فرفوژه که برای آهنگران نامی آشنا دارد در دوره ویکتوریا به عنوان یک مصالح ساختمانی شناخته. میشد اما امروزه برای ما تنها کاربرد های زینتی دارد.

• چدن

چدن سخت و قوی ، اما در عین حال شکننده بود و بیشتر در کشا.رزی و ساخت وسایل پخت و پز کاربرد داشت.

• فولاد

فولاد برای ما مهندسان عمران معنایی جدید داشت و این ماده سبک جدیدی از طراحی. ، به نام طراحی سازه های فولادی را به ما مهندسان عمران اعطا کرد.سازه های فولادی نوعی ساختار خلق شده به دست بشر میباشد. که جنس مواد و مصالحی اصلی آن که برای تحمل بارها و انتقال بارها در آن به کار میرود عمدتا از فولاد میباشد.

طراحی سازه های فولادی و استفاده از فلز برای اولین بار به یک پل قوسی شکل در انگلستان با دهانه ی ۳۰ متر و با استفاده از عناصر. چدنی در سال های ۱۷۷۷ تا ۱۷۹۰ برمیگردد و در این سال ها بود که استفاده از چدن. برای ساخت پل های قوسی شکل با دهانه های متفاوت رایج شد.

مشخصات فولاد ساختمانی :

در هنگام طراحی سازه های فولادی ، مشخصات فولادی که از آن در مقاطع استقاده میکنیم. برای ما مهندسان بسیار مهم و حائز اهمیت میباشد.به همین دلیل آزمایش های بسیاری را روی فولاد. انجام میدهند تا به مخصات درونی فولاد ها پی ببرند.

یکی از آزمایش های مهمی که ما مهندسان عمران در آزمایشگاه ها انجام میدهیم آزمایش مقاومت کششی میباشد.

به صورتی که همانند شکل مزیر یک قطعه فولادی با ابعاد مشخص را دردرون جک ها فرار میدهیم. و به گونه ای این کار را انجام میدهیم که قطعه فولادی در درون فک های جک قفل شود. و سپس دو فک نیرویی مخالف جهت همدیگر به صورت کششی به قطعه فولادی اعمال میکند.

همانطور که در تصویر زیز مشاهده میکنید دو قطعه گیج هم به بدنه فولاد متصل میشود تا تغییرشکل فولاد قابل محاسبه باشد.

پس از آن کرنش حاصل از این تغییر شکل ها را تنش وارده به فولاد در هم می آمیزیم و نمودار تنش و کرنش (strain and stress diagram) را ترسیم میکنیم. که این نمودار از ارکان مهم طراحی سازه های فولادی میباشد.

تحلیل و طراحی سازه های فولادی

طراحی سازه های فولادی با توجه به انتخاب نوع مقطع، روش ساخت، روش بهره‌برداری و محل ساخت ساختمان، خصوصیات و ویژگی‌های متنوعی برای ساخت اسکلت باربر یک ساختمان به وجود می‌آورد.

مزیت‌های هر سیستم سازه‌ای و مصالح موردنیاز آن سیستم را در صورتی می‌توان به کاربرد که خصوصیات و ویژگی‌های آن مصالح و دستگاه‌ها در مرحله طراحی به‌حساب آورده شود. و طراح باید در مورد هر یک از مصالح به‌درستی قضاوت کند. این موضوع به‌ویژه در ساختمان‌هایی که اسکلت فولادی دارند ضروری است. سازه فولادی سازه‌های قاب‌بندی شده می‌باشند.

نقش قاب در ساختمان پایداری کل استراکچر ساختمانی و انتقال بارهای مرده، بار زنده، زلزله و بار برف از سازه به پی هست. در محاسبات و تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی و همچنین ستون گذاری آن معیارهایی. چون نوع مقطع، روش قرارگیری و آرایش مقطع، فواصل تکیه‌گاهی، نوع مهاربندی، نوع سیستم صلب کننده سازه و محل قرارگیری . آن تأثیرگذار می‌باشند.

شایان ذکر است که در تحلیل و طراحی سازه های فولادی هر عضوی. که از مقطع فولادی باشد توسط نرم‌افزارهایی پیشرفته طراحی می‌شود. نرم افزار های مثل ایتبس، سپ و سیف. که برای یادگیری و  آموزش ایتبس برای طراحی سازه لازم است تا وقت صرف شود.

این اعضا شامل تیرها, ستون‌ها, مهاربندها, سقف کامپوزیت ساده و عرشه فولادی و حتی . دیوارهای برشی فولادی می‌شود. منظور از طرح یک سازه تعیین پیکربندی، ابعاد و مشخصات قطعات آن می‌باشد.

سازه‌های فولادی به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند

_سازه‌های قاب‌بندی با نورد گرم: به مقاطعی که در کارخانه‌های ذوب و ساخت آهن ساخته می‌شود.
_سازه‌های قاب‌بندی شده با نورد سرد یا LSF: مقاطعی که در خارج از کارخانه‌های. عمرانی و توسط ابزارهای مختلف به هم اتصال داده می‌شود؛ این مقاطع بیشتر در ساختمان‌های ویلایی خارج شهر کاربرد دارند.
_سازه‌های پوسته‌ای مثل مخازن نگه‌داری مایعات و یا گازها.
_سازه‌های معلق که بیشتر در کارها و طرح‌های پارامتریک معماری استفاده می‌شود.
در تحلیل و طراحی سازه های فولادی هر عضوی که از مقطع فولادی باشد . توسط نرم‌افزارهایی پیشرفته طراحی می‌شود. این اعضا شامل تیرها, ستون‌ها, مهاربندها,. سقف کامپوزیت ساده و عرشه فولادی و حتی دیوارهای برشی فولادی می‌شود. منظور از طرح یک سازه تعیین پیکربندی، ابعاد و مشخصات قطعات آن می‌باشد به‌نحوی‌که ایمنی، عملکرد خوب و پایایی تأمین گردد.

در همین راستا تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی با سه روش زیر صورت می‌گیرد.
_ روش طراحی تنش مجاز (ASD) یا الاستیک
_ روش طراحی مقاومت نهایی یا پلاستیک
_روش طراحی حالات حدی (LSD)

روش طراحی تنش مجاز (ASD) یا الاستیک

روش تنش مجاز (ASD) دیرینه‌ترین روش تحلیل و طراحی سازه های فولادی بشمار می‌رود. در این روش طراحی سازه های فولادی، اثرات کاهش احتمالی مقاومت اعضا و نیز افزایش احتمالی بارها تنها به کمک یک ضریب (بنام ضریب اطمینان) و فقط در یک مرحله منظور می‌شود.

درروش تنش مجاز عناصر سازه باید طوری طراحی شوند. که تحت اثر بارهای مفروض بهره‌برداری تنش‌های محاسباتی در آن‌ها از مقادیر مجاز تجاوز نکند.
با افزایش کیفیت مصالح و ارتقاء سطح کیفی اجرا،. روش پلاستیک یا مقاومت نهایی LRFD به‌عنوان یک روش علمی‌تر و اقتصادی‌تر در بعضی از کشورها جایگزین روش ASD یا الاستیک گردید.
(ضریب اطمینان>1)/(تنش خرابی یا تنش تسلیم)= تنش مجاز
ضریب اطمینان در رابطه بالا بزرگ‌تر از یک می‌باشد؛ برای ستون‌ها این ضریب عددی میان 1.92 الی 1.97 و برای تیر‌ها. اگر مقطع تیر فشرده باشد برابر با 1.5 و برای مقاطع غیر فشرده 1.67 است.

بنابراین در این روش تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی تنها در اثر وارد شدن تنشی بیشتر از تنش مجاز و مرغوب نبودن کیفیت مصالح مصرفی خراب می‌شوند. در این روش به اعضاء سازه‌ها اجازه داده می‌شود .

براثر بار وارده ناشی از بارگذاری از حد الاستیک خود خارج و به حد پلاستیک یا خمیری خود برسند . و همین موضوع باعث افزایش مقاومت اعضاء و کاهش هزینه ساخت و اقتصادی‌تر شدن سازه می‌گردد. این روش به دلیل نیاز به. رعایت استانداردهای مصالح و افزایش کیفیت اجرا در بیشتر کشورها ازجمله ایران مورداستفاده قرارگرفته است.

روش طراحی مقاومت نهایی یا پلاستیک

در تحلیل و طراحی سازه های فولادی با روش LRFD ایمنی در دو مرحله، افزایش بار به کمک ضرایب بار و تقلیل مقاومت. به کمک ضرایب کاهش مقاومت در نظر گرفته می‌شود. درروش ضرایب بار و مقاومت طراحی عناصر سازه چنان صورت می‌گیرد.

که مقاومت نهایی طرح یا حداکثر ظرفیت باربری عضو در هر مقطع بزرگ‌تر یا مساوی با تلاش‌های موجود. در آن مقطع تحت اثر بارهای ضریب دار وارد برسازه باشد. از منظر ضوابط طراحی و نوع تحلیل سازه هر دو روش از سادگی یا پیچیدگی یکسانی برخوردار هستند.

در ساختمان‌های متعارف، چنانچه ترکیبات بارگذاری ثقلی حاکم بر طراحی اعضا باشند، هم در آئین‌نامه AISC و هم در مبحث دهم. مقررات ملی ساختمان برای آن اعضا روش LRFD حدوداً 10 تا 15 درصد سبک‌تر محاسبه می‌شود.

ولی اگر ترکیبات بارگذاری زلزله حاکم بر طراحی اعضا باشند و سهم نیروی زلزله در آن ترکیبات بارگذاری بسیار چشمگیر باشد (مثلاً E/D˃10)، در آئین‌نامه AISC برای آن اعضا روش LRFD حدوداً 20 درصد سنگین‌تر . و در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان برای آن اعضا روش LRFD حدوداً 5 درصد سنگین‌تر محاسبه می‌شود.

مقایسه نتایج طراحی بر اساس AISC و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان نشان می‌دهد که ترکیبات بارگذاری. مندرج در مبحث دهم تفاوت‌های آشکاری با ترکیبات بارگذاری موردنظر آئین‌نامه AISC دارد. با به‌کارگیری این دو روش تحلیل . و طراحی و مقایسه نتایج طراحی حاصل از آن‌ها، می‌توان از نتایج طراحی هریک که منجر به سازهای سبک‌تر می‌شود، بهره گرفت.

تحلیل و طراحی سازه های فولادی با توجه به روش مهاربندی

تمام ساختمان‌ها باید برای مقاومت در برابر نیروی زلزله و باد و یا دیگر نیروهای افقی صلب شوند . سیستم صلب کننده می‌بایست نیروهای جانبی را به فونداسیون منتقل کند و همچنین تغییر مکان‌های افقی را محدود کند.

در ساختمان‌های بلند باید ملاحظات ویژه‌ای برای جلوگیری از ایجاد نوسانات ناشی از باد در نظر گرفته شود. بزرگی نیروهای افقی اعمال‌شده در اثر باد به عوامل زیر بستگی دارد:

_سرعت باد
_شکل آئرودینامیکی ساختمان
_وضعیت سطح نما در طراحی ساختمان‌های فولادی
-روش‌های صلب کردن

یک قاب سازه‌ای فولادی را می‌توان به یکی از روش‌های زیر مهاربندی کرد

_سیستم‌های قاب صلب
_سیستم‌های قاب بادبندی در طراحی ساختمان‌های فولادی
دیوارهای بتنی به صورت دیوارهای برشی یا هسته‌های بتنی
انتخاب روش صحیح مهاربندی، اهمیت عمده‌ای در طراحی سازه های فولادی دارد . و حتی ممکن است کل اندیشه طراحی یک ساختمان بلندمرتبه را تحت تأثیر قرار دهد.

مهاربندی به‌وسیله اعضای بادبندی یا دیوارهای بتنی به‌صورت دیافراگم صلب، نقاط ثابتی را در ساختمان ایجاد می‌کند. به‌گونه‌ای که آزادی عمل در جانمایی و معماری داخل ساختمان را محدود می‌کند.

طراحی سازه های فولادی با توجه به اجزای تشکیل‌دهنده فضاهای داخلی ساختمان

انتخاب سیستم مناسب برای اجزای داخلی ساختمان به عوامل مختلفی بستگی دارد. روش‌های زیر به‌طور رایج در ساخت سقف‌های متکی به تیرهای فولادی به کار می‌روند:
_دال بتنی درجا بر روی قالب مناسب
_دال بتنی پیش‌ساخته
_عرشه فولادی با بتن درجا در طراحی ساختمان‌های فولادی
عملکرد مرکب بین دال بتنی و تیر فولادی که در هر سه روش امکان‌پذیر است. سبب اقتصادی شدن ساخت می‌گردد. مسئله حفاظت قسمت‌های فولادی سقف در برابر آتش‌سوزی باید در اجرای سقف در نظر گرفته شود. طراحی ساختمان‌های فولادی

استفاده از سقف کاذب می‌تواند این کار را به‌خوبی انجام دهد. در سازه‌های اسکلت فلزی، معمولاً دیوارهای خارجی باربر نیستند، برای ساخت این دیوارها. بنابر شرایط موجود، از مصالح مختلف استفاده می‌شود. طراحی ساختمان‌های فولادی

محافظت سازه های فولادی در برابر حریق، خوردگی و عایق بندی صدا

محافظت سازه های فولادی در برابر حریق و آتش سوزی و همچنین خوردگی می بایست. با توجه به نوع سیستم به کار رفته و انتخاب راه حلی معقول و مناسب صورت گیرد. این امر سبب کاهش هزینه جهت عایق بندی حریق و صوتی سازه های فولادی می شود.

گرچه المان‌های داخلی ساختمان مانند سقف و دیوارهای داخلی و خارجی آن به‌عنوان یک سیستم محافظت در برابر آتش‌سوزی .

در ساختمان قابل‌استفاده است لذا تیرها و ستون‌های فلزی می‌تواند به روش مناسب در بین این اجزا مدفون شده و در برابر حریق حفاظت گردند.

در غیر این صورت باید با روش مناسب اسکلت فولادی ساختمان محافظت شود. برای خوردگی سازه های فولادی در می بایست قطعات بیرونی و اجزایی که در معرض رطوبت هوا قرار دارند. طراحی ساختمان‌های فولادی

محافظت گردند زیرا زنگ‌زدگی در قطعات داخلی ساختمان فولادی با توجه به رطوبت ناچیز موجود در هوا بعید به نظر می‌رسد. مشخصات صوتی یک ساختمان، بستگی به خواص اجزای داخلی مانند مانند نوع سقف و سیستم دیوارهای جداکننده و تیغه‌های آن دارد. طراحی ساختمان‌های فولادی

دراین‌بین سیستم اسکلت باربر ساختمان نقش کم‌تری دارد رفتار اسکلت یک ساختمان بتنی و فولادی، با یک سیستم فضاسازی داخلی مشابه، یکسان است.