طراحی سازه های فولادی

فولاد بعنوان ماده ای با مشخصات خاص و منحصر بفرد ، مدتهاست در ساخت ساختمانها کاربرد دارد. قابلیت اجرای دقیق ، رفتار سازه ای معین ، نسبت مقاومت به وزن مناسب ، در کنار امکان اجرای سریع سازه های فولادی همراه با جزئیات و ظرافتهای معماری ، فولاد را بعنوان مصالحی منحصر و ارزان در پروژه های ساختمانی مطرح نموده است ؛ به نحوی که اگر ضعفهای محدود این ماده نظیر مقاومت کم در برابر خوردگی و عدم مقاومت در آتش سوزیهای شدید به درستی مورد توجه و کنترل قرار گیرند ، امکانات وسیعی در اختیار طراح قرار می دهد که در هیچ ماده دیگر قابل دستیابی نیست .

فولاد ، آلیاژی از آهن و کربن است که کمتر از 2 درصد کربن دارد. در فولاد ساختمانی عموما” در حدود 3 درصد کربن و ناخالصیهای دیگری مانند فسفر ، سولفور ، اکسیژن و نیتروژن و چند ماده دیگر موجود می باشد .

ساخت فولاد شامل اکسیداسیون و جدانمودن عناصر اضافی و غیر ضروری موجود در محصول کوره بلند و اضافه کردن عناصر مورد نیاز برای تولید ترکیب دلخواه است. برای ساخت فولاد ، از چهار روش اصلی استفاده می شود. این روشها عبارتند از : روش کوره باز ، روش دمیدن اکسیژن ، روش کوره برقی ، روش خلاء . آنچه فولاد را به عنوان یک مصالح ساختمانی مناسب معرفی کرده می تواند شامل موارد زیر باشد :

– تغییر شکل در اثر بارگذاری و ایجاد تنش یکنواخت

– وجود خاصیت الاستیک و پلاستیک

– شکل پذیری

– خاصیت چکش خواری و تورق

– خاصیت خمش پذیری

– خاصیت فنری و جهندگی

– خاصیت چقرمگی

– خاصیت سختی استاتیکی و دینامیکی

– مقاومت نسبی بالا

– ضریب ارتجاعی بالا

– جوش پذیری

– همگن بودن

– امکان استفاده از ضایعات

– امکان تقویت مقاطع در صورت نیاز

طراحی ساختمانهای فولادی

انتخاب نوع مقطع ، روش ساخت ، روش بهره برداری و محل ساخت ساختمان ، خصوصیات و ویزگیهای متنوعی برای ساخت اسکلت باربر یک ساختمان بوجود می آورد.

مزیتهای هر سیستم سازه ای و مصالح مورد نیاز آن سیستم را در صورتی می توان بکار برد که خصوصیات و ویژگیهای آن مصالح و سیستمها در مرحله طراحی به حساب آورده شود و طراح باید در مورد هر یک از مصالح به درستی قضاوت کند. این موضوع بویژه در ساختمانهایی که اسکلت فولادی دارند ضروری است. معیارهای سازه ای زیر اهمیت زیادی در طراحی کلی و ستون گذاری ساختمان دارد :

– نوع مقطع

– آرایش و روش قرار گیری مقاطع

– فواصل تکیه گاهی

– اندازه دهانه های سقف

– نوع مهاربندی

– نوع سیستم صلب کننده

– محل قرارگیری سیستم صلب کننده (سیستم فضاسازی داخلی)

برای استفاده بهینه از خواص مطلوب طراحی سازه های فولادی ، سیستم فضاسازی داخلی باید بگونه ای اختیار شود که :

– متشکل از قطعات پیش ساخته باشد ، بدین منظور که سرعت بیشتر نصب و برپایی سازه ، موجب کوتاه شدن زمان کلی ساخت می شود.

– قطعات سبک باشد تا وزن کلی ساختمان به حداقل ممکن برسد.

– نوع سیستم انتخاب شده ، سازگار با سیستم سازه ای 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 )    می باشد که با هماهنگی دقیق و علمی  این امکان بوجود می آید که اقتصادی ترین روش ساخت و اجرای ساختمان بدست آید.

طراحی 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 باید :

–  نیروهای جانبی را به فونداسیون منتقل کند.

–  تغییر مکانهای افقی را محدود کند.

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

– سرعت باد

– شکل آیرودینامیکی ساختمان

– وضعیت سطح نما

– روشهای صلب کردن

یک قاب سازه ای فولادی را می توان به یکی از روشهای زیر مهاربندی کرد :

– سیستمهای قاب صلب

– سیستمهای قاب بادبندی

– دیوارهای بتنی بصورت دیوارهای برشی یا هسته های بتنی

انتخاب روش صحیح مهاربندی، اهمیت عمده ای در طراحی سازه ای دارد و حتی ممکن است کل اندیشه طراحی یک ساختمان بلند مرتبه را تحت تاثیر قرار دهد. مهار بندی به وسیله اعضای بادبندی یا دیوارهای بتنی به صورت دیافراگم صلب ، نقاط ثابتی را در ساختمان ایجاد می کند ، به گونه ای که آزادی عمل در جانمایی و معماری داخل ساختمان را محدود می کند.

طراحی با توجه به اجزای تشکیل دهنده فضاهای داخلی ساختمان

انتخاب سیستم مناسب برای اجزای داخلی ساختمان به عوامل مختلفی بستگی دارد. روشهای زیر به طور رایج در ساخت سقفهای متکی به تیرهای فولادی به کار می روند :

–   دال بتنی درجا بر روی قالب مناسب

–   دال بتنی پیش ساخته

–   عرشه فولادی با بتن درجا

عملکرد مرکب بین دال بتنی و تیر فولادی که در هر سه روش امکان پذیر است ، سبب اقتصادی شدن ساخت می گردد. مسئله حفاظت قسمتهای فولادی سقف در برابر آتش سوزی باید در اجرای سقف در نظر گرفته شود. استفاده از سقف کاذب می تواند این کار را به خوبی انجام دهد. در سازه های اسکلت فلزی ، معمولا” دیوارهای خارجی باربر نیستند، برای ساخت این دیوارها ، بنابر شرایط موجود ، از مصالح مختلف استفاده می شود.

نمونه چند صفحه از مقاله طراحی سازه های فولادی

لزوم محافظت در برابر حریق ، خوردگی و عایق بندی صوتی

اغلب اظهار می شود که هزینه لازم برای محافظت ساختمانهای فلزی در برابر آتش سوزی و خوردگی و عایق بندی صوتی بسار زیاد است ، ولی استفاده از راههای معقول و مناسب برای هر ساختمان ، با توجه به سیستم بکار رفته در آن ، می تواند باعث کاهش این هزینه شود. ایجا یک سیستم محافظت در برابر آتش سوزی در تمام ساختمانهای فلزی لازم و ضروری است. آنچه از اقتصادی در این مسئله حائز اهمیت است ، استفاده از روش صحیح حفاظت اجزای فلزی است. اغلب المانهای داخلی ساختمان مانند سقف و دیوارهای داخلی و خارجی آن بعنوان یک سیستم محافظت در برابر آتش سوزی در ساختمان قابل استفاده است. تیرها و ستونهای فلزی می تواند به روش مناسب در بین این اجزا مدفون شود. در غیر اینصورت باید با روش مناسب اسکلت فولادی ساختمان محافظت شود.

از آنجایی که زنگ زدگی در قطعات داخلی ساختمان فولادی با توجه به رطوبت ناچیز موجود در هوا بعید به نظر می رسد ، محافظت در برابر خوردگی برای این قطعات یک مشکل جدی محسوب نمی شود. بنابراین حفاظت در برابر خوردگی فقط برای قطعات بیرونی و اجزایی که در معرض رطوبت هوا قرار دارند لازم و ضروری است.

مشخصات صوتی یک ساختمان ، بستگی به خواص اجزای داخلی آن دارد مانند نوع سقف و سیستم دیوارهای جداکننده و تیغه ها . در این بین ، سیستم اسکلت باربر ساختمان نقش کمتری دارد رفتار اسکلت یک ساختمان بتنی و فولادی ، با یک سیستم فضاسازی داخلی مشابه ، یکسان است .

توجیه اقتصادی سازه های فولادی

در ارزیابی اقتصادی یک ساختمان فولادی ، فقط در نظر گرفتن قیمت مصالح ساختمانی و نیروی انسانی کفایت نمی کند و بقیه عوامل موثر در این موضوع باید مورد بررسی قرار گیرد. موارد زیر در اقتصاد یک طراحی سازه های فولادی موثر است :

– قیمت زمین : بدلیل کوچک بودن مقاطع عرضی در ساختمانهای فولادی ، فضای کمتری توسط اسکلت سازه اشغال شده و در مقایسه با سازه های بتنی ، ساختمانهای فلزی در پلان دارای سطح موثر بیشتری هستند. بنابراین هزینه زمین در هر متر مربع مفید ساختمان ، در ساختمانهای فلزی کمتر خواهد بود.

– مصالح در دسترس

– ارزش نهایی ساختمان : هرچه مدت زمان ساخت یک ساختمان کوتاهتر باشد ، هزینه نهایی آن ساختمان کمتر خواهد بود. با توجه به روشهای مختلف ساخت سازه ، متوجه می شویم که در مقایسه با سایر روشها ، ساخت سازه های فلزی زمان کمتری صرف می کند.

–  هزینه اسکلت اصلی سازه ( سفت کاری )

–  تاثیر نازک کاری

– تاثیر نصب تجهیرات و تاسیسات

–  نحوه تاثیر این عوامل در بهره برداری بهینه از ساختمان

–  هزینه ایجاد تغییرات داخلی و بهسازی در ساختمان

–  هزینه تخریب ( در ساختمانهای با عمر کوتاه )

بررسی میزان مصرف فولاد در ساختمانهای فلزی

در ساختمانهای فلزی ، هزینه با توجه به میزان مصرف فولاد در هر متر مربع مساحت کف ( تصویر افقی ) یا متر مکعب ساختمان محاسبه می شود. هزینه ساخت و میزان مصرف فولاد به عوامل زیر بستگی دارد :

–  تعداد طبقات

–  بار اعمال شده به طبقات ( مرده و زنده )

–   دهانه ها در اطراف ستون

–   ضخامت سقف

–  سیستم سازه ای ( سیستم انتقال بارهای قائم و جانبی )

انتقال بار در سازه های فولادی

طراحی سازه های فولادی مشتمل بر تعدادی تیر و ستون به شکل قاب و نیز شامل تعدادی تقویت کننده ، به منظور ایستایی بیشتر می باشد. بدیهی است انتقال بارهای افقی و قائم از طریق این اجزاء صورت می گیرد. به این صورت که :

 – سقف ، بارهای عمودی را تحمل کرده و بصورت افقی ، از طریق تیرها به تکیه گاههای تیر منتقل می کند.

 – سیستم باربر قائم ( ستونها ) ، بارها را از تکیه گاههای دو سر تیر به فونداسیون انتقال می دهد.

– همچنین سیستم های مهاربندی قائم و افقی ، بارهای جانبی ناشی از باد ، زلزله ، فشار زمین و … را به فونداسیونها منتقل می نمایند.

ماهیت انتقال بار از طریق تیرها به تکیه گاهها و روش قرارگیری تیرها ( تیر ریزی ) به عوامل زیر بستگی دارد :

–  نوع مقطع قابل استفاده با توجه به طراحی معماری

–  فواصل تکیه گاهها و طول دهانه تیر با توجه به طراحی سازه ها

–   روش انتقال بار توسط اجزای باربر

– سیستم تکیه گاهی انتخاب شده ( صلب ، نیمه صلب ، ساده )