تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی

طراحی سازه‌های 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 سازه 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 سازه‌های 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.

خدمات طراحی سازه:

طراحی انواع سازه های فلزی

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 سازه‌های فولادی بشمار می‌رود. در این روش طراحی سازه‌های 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. در روش 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.

روش طراحی حالات حدی (LSD)

درروش حالت حدی LSD تحلیل و طراحی سازه‌ های فولادی بدین گونه می‌باشد: قسمتی از ضریب اطمینان دربارها و قسمتی از ضرایب اطمینان در مقاومت‌ها اثر داده می‌شوند؛ یعنی هم‌بارها بزرگ می‌شوند و هم مقاومت‌ها کاهش داده می‌شود. توضیح اینکه عدم اطمینانی که در طراحی وجود دارد هم ناشی از بارها و هم ناشی از مقاومت‌هاست؛ بنابراین بهتر است هر دو عدم اطمینان به‌صورت جداگانه در نظر گرفته شود. در این روش می‌توان با آگاهی بیشتر نسبت به ضرایب اطمینان تصمیم گرفت. در این روش به‌جای استفاده از یک ضریب اطمینان شکسته شده که ضرایب جزئی اطمینان (Partical Safty factor) نامیده می‌شوند استفاده می‌شود.

اسکلت فلزی_ تحلیل و طراحی سازه های فولادی

تحلیل و محاسبات و طراحی سازه‌های فولادی

در محاسبات و تحلیل و طراحی سازه های 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. مزیت اصلی در استفاده از سازه فولادی مقاومت بالای آن در برابر کشش می‌باشد. همچنین سازه فولادی نسبت به اسکلت بتنی، از سرعت ساخت بالاتر و سطح مقطع کمتری برخوردار است.
تحلیل و محاسبات و طراحی سازه های فولادی به مشخصات فولاد ساختمانی بستگی دارد. مشخصات فولاد مانند کشش، برش، سختی، خزش، وارفتگی و خستگی.
مشخصات کششی: رده‌های مختلفی از فولادهای ساختمانی وجود دارد که می‌توانند در ساخت ساختمان‌های فولادی استفاده شوند. منحنی تنش- کرنش معمولی برای انواع گوناگون فولاد سازه‌ای که آزمایش کشش فولاد به‌دست‌آمده را می‌توانید در شکل زیر مشاهده کنید.

منحنی تنش- کرنش در طراحی سازه های فولادی

بخش نخست منحنی، محدوده الاستیک را نشان می‌دهد. در این محدوده، تغییر شکل سازه فولادی دائمی نیست و فولاد بعد از برداشتن بار به شکل اصلی خود برمی‌گردد. مدول الاستیسیته تمام انواع فولاد برابر با 1062x مگا پاسکال است. چنانچه بار روی فولاد افزایش یابد، بعدازاینکه به محدوده‌ی پلاستیک رسید در یک نقطه‌ی معین تسلیم خواهد شد. نقطه‌ی تسلیم نقطه‌ای است که فولاد تحت اثر تنش مشخصی تنش تسلیم (به کرنش 0.002) می‌رسد.
شکل‌پذیری فولاد ساختمانی همان‌طور که در شکل زیر نشان داده‌شده است، ویژگی مهمی است که اجازه‌ی توزیع مجدد تنش در اعضای فولادی یکسره را می‌دهد. شکل‌پذیری به‌صورت درصدی از کاهش مقطع عرضی فولاد تعریف می‌شود. منحنی تنش کرنش فولاد شکل‌پذیری ضریب پواسون، نسبت کرنش عرضی به کرنش محوری است و به ترتیب برای محدوده‌ی الاستیک و پلاستیک برابر است با 0.3 و 0.5.

شکل‌پذیری فولاد ساختمانی_ تحلیل و طراحی سازه های فولادی

سرد کاری یا نورد سرد فرآیندی است که شکل‌های مختلف فولاد ساختمانی در دمای اتاق تولید می‌شوند. درنتیجه، شکل‌پذیری فولاد ساختمانی افزایش می‌یابد اما شکل‌پذیری سازه با کاهش روبرو می‌شود. تنش پسماند تنشی است که در عضو فولادی بعدازاینکه ساخته شد، باقی می‌ماند. تا زمانی که آزمایش کشش انجام شود، لازم است مقدار کرنش را در نظر بگیرید زیرا خصوصیات کششی فولاد را تغییر می‌دهد. اگر سازه‌ی فولادی تحت بارهای دینامیکی باشد، باید مقدار کرنش بالایی را در نظر گرفت. هرچند، مقدار نرمال کرنش با در نظر گرفتن بارهای استاتیکی در سازه ارائه می‌شود. توانایی فولاد ساختمانی در جذب انرژی را، چقرمگی گویند.

مشخصات برشی در تحلیل و طراحی سازه های فولادی

مقاومت برشی سازه‌ی فولادی در گسیختگی تحت تنش برشی مشخص می‌شود و حدود 0.57 برابر تنش تسلیم فولاد است. مدول الاستیک برشی، نسبت تنش برشی به کرنش برشی در محدوده‌ی الاستیک فولاد ساختمانی را بیان می‌کند. به‌طورمعمول، مدول الاستیک برشی فولاد ساختمانی می‌تواند 75.84 گیگا پاسکال در نظر گرفته شود یا می‌توان از فرمول زیر برای محاسبه‌ی مدول الاستیک برشی استفاده کرد:
(G =E/2(1+μ
:G مدل الاستیک برشی فولاد
E: مدل الاستیسیته ی فولاد
µ: ضریب پواسون

سختی در طراحی سازه‌های فولادی

میزان تحمل فولاد ساختمانی در برابر تغییر شکل غیر الاستیک است. روش‌های استاندارد آزمایش و تعاریف برگرفته آزمایش مکانیکی قطعات فولادی (05-A370) سه آزمایش مختلف را برای ارزیابی سختی فولاد مشخص می‌کند: برینل، راکول و پرتابل. هرکدام از این آزمایش‌ها می‌توانند برای برآورد سختی فولاد ساختمانی استفاده شوند. سختی فولاد نه‌تنها برای آزمایش یکنواختی محصولات مختلف، بلکه برای ارزیابی مقاومت کششی فولاد نیز استفاده می‌شود.

 

آزمایش راکول برای سختی فولاد

خزش در طراحی سازه‌های فولادی

خزش به‌صورت تغییر تدریجی کرنش فولاد تحت تنش ثابت تعریف می‌شود. خزش در اثر تنش ثابت و یا آتش‌سوزی رخ می‌دهد. خزش در طراحی و ساخت قاب‌سازهای فولادی صرف‌نظر از موردی که باید اثر وجود آتش موردتوجه قرار گیرد، قابل‌چشم‌پوشی است.
وارفتگی: وارفتگی کاهش تدریجی فولاد ساختمانی تحت اثر تنش ثابت است. معمولاً، مقاومت تسلیم فولاد حدود 5 درصد بیشتر از تنشی که کرنش را کاهش می‌دهد، افزایش می‌یابد و سازه فولادی متحمل انبساط طولی پلاستیک که در حدود 0.01 است، خواهد شد.

خستگی

خستگی به‌صورت گسیختگی فولاد ساختمانی به علت شروع و گسترش ترک تحت تأثیر بار سیکلی تعریف می‌شود. آزمایش‌های گوناگونی برای ارزیابی خستگی فولاد ساختمانی ازجمله آزمایش خمش، آزمایش تیر چرخشی و آزمایش بارمحوری.

طراحی سازه‌های 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.

معیارهای سازه‌ای زیر اهمیت زیادی در طراحی کلی و ستون گذاری ساختمان دارد

نوع مقطع
آرایش و روش قرارگیری مقاطع
فواصل تکیه‌گاهی
اندازه دهانه‌های سقف
نوع مهاربندی
نوع سیستم صلب کننده
محل قرارگیری سیستم صلب کننده (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 انتخاب‌شده، سازگار با سیستم سازه‌ای انتخاب‌شده باشد.
با یک روش اقتصادی قابل محافظت در برابر آتش باشد.
فضاهای داخلی ساختمان فلزی معمولاً شامل: سقف‌ها، بام، دیوارهای خارجی، دیوارهای داخلی، سیستم رفت‌وآمد (پله و آسانسور) می‌باشد که با هماهنگی دقیق و علمی این امکان به وجود می‌آید که اقتصادی‌ترین روش ساخت و اجرای ساختمان به دست آید.

تحلیل و طراحی سازه‌های 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
-روش‌های صلب کردن

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

_سیستم‌های قاب صلب
_سیستم‌های قاب بادبندی
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 سازه‌های 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
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. 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.

محافظت سازه‌های فولادی در برابر حریق، خوردگی و عایق بندی صدا

محافظت سازه های فولادی در برابر حریق و آتش سوزی و همچنین خوردگی می‌بایست 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 سازه‌های فولادی می‌شود. 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 سازه‌های فولادی در می‌بایست قطعات بیرونی و اجزایی که در معرض رطوبت هوا قرار دارند 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. دراین‌بین، سیستم اسکلت باربر ساختمان نقش کم‌تری دارد رفتار اسکلت یک ساختمان بتنی و فولادی، با یک سیستم فضاسازی داخلی مشابه، یکسان است.

سوالات متداول

مزایای سازه اسکلت فلزی چیست؟

کم وزن بودن اسکلت فلزی نسبت به اسکلت بتنی ، کارا بودن آن در سازه‌های طویل ، کیفیت سازه با استفاده از اسکلت فلزی بالا رفته و میزان پرتی مصالح به میزان قابل توجه کاهش می یابد، سرعت اجرای اسکلت فلزی و نصب قطعات آن در مقایسه با اسکلت بتنی بالاتر است و در مدت زمان کمتری می‌توان این سازه را به اتمام رساند، شکل پذیری فولاد بالاست و قدرت آن در برابر تحمل ضربه و نیروهای دینامیکی فوق العاده هست، تیرها و ستون‌های اسکلت فلزی به نسبت اسکلت بتنی از سایز و حجم کمتری برخوردار هستند، از این رو در ساختمان‌های بتنی فضای مرده بیشتر از سازه‌های فلزی هست، قابل بازیافت بودن اسکلت فولادی و غیره.

سازه‌های فولادی به چه دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند؟

سازه‌های قاب‌بندی با نورد گرم، سازه‌های قاب‌بندی شده با نورد سرد، سازه‌های پوسته‌ای مثل مخازن نگه‌داری مایعات و یا گازها، سازه‌های معلق که بیشتر در کارها و طرح‌های پارامتریک معماری استفاده می‌شود.

روش‌های طراحی سازه‌های فولادی چیست؟

روش طراحی تنش مجاز ASD یا الاستیک- روش طراحی مقاومت نهایی - روش طراحی حالات حدی LSD

پروفیل‌های فولادی در ایران مطابق چه استانداردی است؟

استاندارد مورد استفاده برای تولید پروفیل‌های فلزی در ایران استاندارد DIN آلمان می‌باشد.