طراحی سازه های فولادی

طراحی سازه های فولادی

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 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 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.

تحلیل و طراحی سازه های فولادی

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.

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_طراحی سازه های فولادی

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

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

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 سازه های 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_ سنجش سختی سازه فولادی

آزمایش راکول برای سختی فولاد

خزش در طراحی سازه های 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 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.

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 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
-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 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
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 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 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.

به اشتراک بگذارید:

2 دیدگاه برای “طراحی سازه های فولادی

  1. صفایی گفته:

    با سلام برای طراحی اتصالات در سازه های فولادی هم میشود از نزم افزارهای طراحی سازه مثل ETABS و SAP استفاده کرد؟؟

    • jalayi گفته:

      با سلام
      ورژن های از نرم افزارهای sap و etabs که تا امروز منتشر شده اند قادر به طراحی اتصالات نیستند. طراحی اتصالات عموما به روش دستی و یا برنامه های نوشته شده در محیط excel و mathcad انجام میشود.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Insert math as
Block
Inline
Additional settings
Formula color
Text color
#333333
Type math using LaTeX
Preview
\({}\)
Nothing to preview
Insert