اصول طراحی سازه های فولادی ساختمان

اصول طراحی سازه های فولادی به اصول اولیه ای اشاره دارد که در طراحی ساختمان های اسکلت فلزی باید رعایت شود. اساسی ترین اصول ایمنی و قابلیت اطمینان است، به این معنی که طراحی سازه باید پایداری و استحکام سازه را تحت بار کاری مشخص تضمین کند. علاوه بر این، اقتصاد و زیبایی شناسی سیستم نیز باید در نظر گرفته شود.

تحلیل و محاسبات جامع سازه در طول فرآیند طراحی مورد نیاز است تا اطمینان حاصل شود که سازه می تواند بارها و نیروهای خارجی لازم مانند نیروهای لرزه ای را تحمل کند. کدها و استانداردهای طراحی سازه فولادی مربوطه نیز باید رعایت شود. طراحی سازه‌های فولادی به ابزارها و فناوری‌های پیشرفته طراحی مانند نرم‌افزار طراحی به کمک رایانه و فناوری مدل‌سازی سه‌بعدی برای بهبود کارایی و دقت طراحی نیاز دارد.در ادامه قصد داریم به بررسی سازه ‌های فولادی و روش‌ های مختلف برای طراحی سازه ‌های فولادی بپردازیم.با پله همراه باشید.

طراحی سازه فلزی و عوامل موثر بر آن

سازه فلزی امروزه به یکی از پرکاربرد ترین سازه ها در زمینه ساخت و طراحی انواع ساختمان ها و بناهای مسکونی و تجاری تبدیل شده است. به طور کلی استفاده از این سازه ها سبب می شود که ساختمان و بنای مورد نظر در مدت زمان کمتری ساخته و قابل استفاده شود.

به طور کلی سازه های فلزی به گونه ای طراحی می شوند که دوام بسیار بالایی داشته باشند و فضای بیشتری را در اختیار ساکنین قرار دهند. از طرفی طراحی این نوع از سازه های ساختمانی به گونه ای است که در برابر زلزله از خود مقاومت نشان دهد.

همانطور که مشخص است در ساختار این سازه ها عمدتا از فلز استفاده می شود. به این ترتیب در این سازه ها میزان تخریب و پرت مواد و مصالح ساختمانی به طور چشمگیری کاهش پیدا کرده و در نتیجه میزان هزینه های ناشی از خرید مصالح کاهش پیدا کند. اما چند نوع سازه فلزی وجود دارد؟ در طراحی سازه فلزی باید به چه نکاتی توجه گردد؟

تفاوت اسکلت بتنی و فلزی، مزایا و معایب

انواع اسکلت ساختمان، مزایا و کاربردها

اهداف طراحی سازه:

۱-ایمنی :

منظور از ایمنی این است که مجموعه سازه، شامل قطعات و اتصالات آن، طو ری سازمان داده شود که
سازه از انسجام و پایداری کافی برخوردار باشد و:
الف – تحت اثر بارها و سربارهای متعارف آسیب نبیند.
ب – در اثر بارها و سربارهای استثنایی گسیخته نشود و فرو نریزد.

۲- عملکرد مطلوب :

منظور از عملکرد مطلوب اینست که سازه برای بهره برداری پیش بینی شده از آن مزاحمت فراهم نکند و :
الف – تحت اثر بارها و سربارهای متعارف در آن ترک خوردگی و تغییر شکل بیش از حد بوجود نیاید
بطوریکه نسبت به ایمنی سازه ایجاد نگرانی نکند.
ب – در اثر لرزش در بهر ه برداری کنندگان احساس ناامنی بوجود نیاید.

۳- پایایی :

منظور از پایایی این است که مصالح سازه کیفیت خود را در تمام طول عمر پیش بینی شده حفظ کند، بطوریکه در اثر پیری، فرسودگی، خوردگی و مانند آن، ایمنی و قابلیت بهر هبرداری سازه بیش از حد تقلیل نیابد.

تقسیم بندی انواع سازه های فولادی

به طور کلی سازه های طراحی شده کاربری های گوناگونی داشته و هر یک به منظور خاصی مورد استفاده قرار می گیرند. در ادامه به بیان ویژگی های هر یک از این سازه ها خواهیم پرداخت.

سازه های فلزی قاب بندی شده

به طور کلی این نوع از سازه ها با توجه به ویژگی هایی که دارد عمدتا برای ساختمان های تجاری و اداری مورد استفاده قرار می گیرد. در این سازه عمدتا عضو هایی عمود بر یکدیگر مورد استفاده قرار گرفته و از طریق اتصالات به یکدیگر متصل می گردند. به جرات می توان گفت که این نوع از سازه ها بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.

سازه های فلزی پوسته ای

نوع دیگری از سازه های فلزی، سازه فلزی پوسته ای است. به طور کلی از این نوع از سازه های فلزی عمدتا برای ساخت مخازن ذخیره سیالات گوناگون و نیز مخازن تحت فشار استفاده می شود.

سازه های فلزی معلق

عمدتا در طراحی این نوع از سازه های فلزی یک سازه قاب بندی شده توسط سیم های بکسل محکم نگه داشته می شود. به دلیل ویژگی هایی که این نوع از سازه های فلزی دارند، عمدتا از آن ها در طراحی و ساخت انواع پل های فلزی استفاده می شود.

سازه های خرپایی

نوع دیگری از سازهای فلزی رایج، سازه های خرپایی هستند. عمدتا در این نوع از سازه ها تیر ها و اتصالات به گونه ای به یکدیگر متصل می گردند که یک مثلث را ایجاد کنند. در واقع سازه های خرپایی به گونه ای طراحی می شوند که نیرو موجود بر سطح مورد نظر، بین اعضا تقسیم گردد. به طور کلی اعضای به کار رفته در سازه های خرپایی به صورت عضو دو نیرویی هستند و تنها قادر به تحمل نیرو های فشاری و کششی هستند.

مقایسه اسکلت بتن و فولادی ، مزایا و معایب

انواع آهن آلات مصرفی ساختمانی و کاربرد آنها

مزایای سازه‌ های فولادی یا فلزی:

پایداری و استحکام بالا: سازه‌های فلزی به دلیل مقاومت ذاتی فلز در برابر تنش و فشار، از پایداری و استحکام بالایی برخوردارند.

وزن سبک: در مقایسه با مصالح سنتی مانند بتن و آجر، سازه‌های فلزی وزن سبک‌تری دارند که این امر منجر به کاهش هزینه حمل و نقل و نصب می‌شود.

قابلیت انعطاف‌پذیری: تنوع در شکل و ابعاد قطعات فلزی، امکان طراحی سازه‌های پیچیده و متنوع را فراهم می‌کند.

سرعت ساخت بالا: با توجه به پیش‌ساخته بودن قطعات فلزی، سرعت ساخت و ساز به طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد.

قابلیت بازیافت: فلزات به طور کامل قابل بازیافت هستند و این امر مزیت زیست‌محیطی این نوع سازه‌ها به شمار می‌رود.

امکان ساخت ساختمان‌ های مرتفع و چند طبقه (اعضای تیر و ستون به ‌گونه ‌ای به هم متصل می‌ شوند که این امکان را فراهم می‌ سازند)

معایب سازه های فولادی یا فلزی:

هزینه بالا: در مقایسه با مصالح سنتی، قیمت فلزات عموماً بالاتر است.

حساسیت به خوردگی: فلزات در معرض خوردگی و زنگ‌زدگی هستند که نیاز به مراقبت و نگهداری دوره‌ای دارند.

هدایت حرارت: فلزات به راحتی گرما و سرما را هدایت می‌کنند که می‌تواند منجر به اتلاف انرژی در ساختمان شود.

تأثیر بر میدان مغناطیسی: سازه‌های فلزی می‌توانند بر میدان مغناطیسی زمین تأثیر بگذارند که در برخی موارد، مشکلاتی را ایجاد می‌کند.

محدودیت اجرا: کیفیت جوش بسیار تحت تأثیر شرایط آب و هوایی می ‌باشد؛ بنابراین، جوشکاری اتصالات باید در شرایط آب و هوایی خاص و مناسب انجام شود. در غیر این صورت شرایط آب و هوایی نامساعد می ‌تواند باعث افزایش سرعت زنگ زدگی شود و زنگ ‌زدگی نیز می ‌تواند باعث کاهش سطح مقطع فلز گردد. کاهش سطح مقطع فلز، مقاومت سازه در برابر فشارها و نیروهای وارده را کاهش می ‌دهد.

علاوه بر این، زنگ ‌زدگی مقاومت سازه را در برابر آتش‌ سوزی کاهش خواهد داد به ‌طوری ‌که اسکلت فلزی به ‌راحتی تغییر شکل داده و سازه به ‌آسانی تخریب می‌شود.

عدم مقاومت در برابر حرارت و دمای بالا: فلز (فولاد) در برابر دماهای بسیار بالا (600 سانتی‌ گراد به بالا) مقاومت خود را از دست می ‌دهد و به همین ترتیب ایمنی ساختمان به خطر می ‌افتد.

جهت دانلود اپلیکیشن پله بزرگترین بانک اطلاعات صنعت ساختمان کلیک کنید

نکات کلیدی در طراحی و اجرای سازه فلزی:

جوشکاری: کیفیت و دقت در جوشکاری از عوامل بسیار مهم در پایداری و استحکام سازه فلزی است.

انتخاب مصالح: استفاده از فلزات با کیفیت بالا و مقاوم در برابر خوردگی، عمر مفید سازه را افزایش می‌دهد.

طراحی دقیق: محاسبات دقیق و طراحی اصولی، از بروز مشکلات و ناپایداری در سازه جلوگیری می‌کند.

نظارت بر اجرا: نظارت دقیق بر مراحل اجرا، تضمین‌کننده کیفیت و صحت انجام کار است.

نگهداری و تعمیرات: بازرسی دوره‌ای و انجام تعمیرات به‌موقع، از بروز مشکلات و خرابی در سازه جلوگیری می‌کند.

طراحی سازه فلزی

به طور کلی در طراحی سازه های فلزی عوامل گوناگونی باید مورد بررسی قرار گیرد. هر یک از این عوامل جنبه های مختلفی از ساختمان مورد نظر را در بر می گیرند. از جمله عوامل مهم در طراحی یک سازه فلزی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

نوع مقطع

متریال به کار رفته

مهاربندی ها

فاصله تکیه گاه ها

اندازه دهانه های سقف

نوع سیستم صلب کننده و محل قرار گیری آن

قیمت تمام شده سازه فلزی

محاسبه فولاد استفاده شده در سازه مورد نظر

مهاربندها و نقش آن ها در طراحی سازه فلزی

به طور کلی مهاربندها سبب می شوند که ساختمان ها در برابر نیروهای افقی استاتیکی و یا دینامیکی مقاوم شوند. عمدتا استفاده از این روش سبب می شود که مقاومت ساختمان در برابر زلزله به طور قابل توجهی افزایش پیدا کند. به طور کلی به منظور مهار قاب های فلزی به کار رفته در ساختمان ها از روش های زیر استفاده می شود:

استفاده از سیستم های قاب صلب

روش استفاده از دیوار های بتنی

استفاده از قاب های بادبندی

محاسبه حجم فولاد استفاده شده در سازه فلزی

همانطور که گفته شد، عمده متریال به کار رفته در ساختمان ها فلز است. ستون ها، قاب ها، اتصالات و بسیاری از پارامتر های دیگر از فلز تولید شده است. به طور کلی حجم فولاد استفاده شده به نیروی وارده بر سازه، تعداد طبقات، نوع سیستم سازه، ضخامت سقف در هر طبقه و بسیاری از عوامل دیگر بستگی دارد. عمدتا محاسبه حجم فولاد به کار رفته به افراد کمک می کند که میزان هزینه های ناشی از سازه های فولادی را تخمین بزنند.

محاسبه قیمت سازه های فلزی

به طور کلی قیمت از جمله مهمترین پارامترهایی است که در هنگام طراحی سازه فلزی باید به آن توجه گردد. علاوه بر موارد ذکر شده در بالا پارامتر های دیگری نیز در قیمت تمام شده سازه های فلزی تاثیر گذار است که از جمله آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

تعداد نیروی کار مورد استفاده

متراژ و مساحت زمین مورد نظر

هزینه های ناشی از عملیات نازک کاری ساختمان

هزینه های ناشی از تاسیسات تهویه مطبوع به کار رفته در ساختمان

محاسبه هزینه مصالح مورد استفاده در ساختمان ها

محاسبه هزینه ناشی از تغییرات به وجود آمده در ساختمان در اثر تغییر در نقشه و ساخت بهتر ساختمان

انواع اتصالات در سازه های فولادی

یکی دیگر از موارد بسیار مهم در طراحی و ساخت سازه های فولادی نحوه اتصال آنها به یکدیگر است. همانوطور که در قبل تر گفته شد این مورد میتواند حتی در انتخاب سازه مورد استفاده تاثیر گذار باشد. نتیجا در علم طراحی سازه های فولادی به طور مفصل به نحوه اتصال پرداخته شده است.

در این نوع سازه معمولا از دو نوع اتصال پر کاربرد بهره گرفته میشود، که در ادامه به بررسی آنها خواهیم پرداخت:

اتصالات پیچ و مهره ای

اتصالات جوشی

اتصال از طریق پیچ و مهره

در این نوع اتصال نکته مورد بحث تنش برشی ایجادی در سطح مقطع پیچ است.

با توجه به نحوه اتصال وقتی یک پیچ دو ورق فولادی را کنار هم نگه میدارد به دلیل کشش و فشار های ایجادی در راستای سطح ورق ها در بدنه پیچ تنش برشی ایجاد میشود. به همین منظور یک طراح بایستی در حین طراحی به گونه ای تنش های ایجادی در این نوع اتصالات را بهینه کند و سپس به انتخاب پیچ بپردازد. از آن جایی که تولید پیچ های مختلف میتواند دشواری های زیادی داشته باشد.

برای موارد پر کاربرد استاندارد هایی تعریف شده است و طراحان بایستی پیچ و مهره مطلوب خود را از بین پیچ های استاندارد موجود انتخاب کنند. این کار هم از نظر تولید راحت تر بوده هم کار طراح را آسان تر میکند. گونه های طراحی شده موجود از همه زوایا تحلیل و بررسی شدند و میتوانند عمل انتخاب را تسریع ببخشند.

نکته: اتصالات پیچ و مهره در نمونه ساده شده به صورت مفصل در نظر گرفته میشوند یعنی عکس العمل در دو راستا ایجاد کرده ولی مقاومتی در باربر گشتاور ها ندارد.

اتصال از طریق جوش

این نوع اتصال از جمله اتصالات دائم شناخته میشود. به دلیل اهمیت نحوه جوش دادن دوره های آموزشی بسیار و استاندارد های متنوعی برای این امر اختصاص داده شده است. حتی برای واضح تر شدن اهمیت این امر میتوان به این نکته اشاره کرد که عنوان شغلی ای تحت عنوان بررسی کیفیت جوش ایجاد شده است. یعنی یک فرد متخصصی که فقط وظیفه بررسی ، تایید یا رد جوش ها را به عهده دارد.

در خصوص همین تخصصی شدن کار ها ابزار های متفاوت و انواع متفاوتی از جوش ایجاد شده است. جوش با گاز ، جوش با برق یا انواع جوش خطی یا زیگزاگ از انواع آن هستند.

نکته: اتصالات جوشی  در نمونه ساده شده به صورت گیر دار در نظر گرفته میشوند یعنی علاوه بر عکس العمل در دو راستا در برابر گشتاور نیز مقاومت ایجاد میکنند.

زیبایی شناسی برای طراحی سازه های فولادی

علاوه بر اساسی ترین پایداری بار و ملاحظات عملکردی، طراحی زیبایی شناسی ساختمان نیز یکی از اصولی است که طراحان در هنگام طراحی به آن توجه می کنند.

ظاهر یک ساختمان اولین برداشتی است که به مردم داده می شود. شکل زیبا و تناسب مناسب همگی بر جذابیت ساختمان برای مردم تأثیر می گذارد. البته انتخاب مواد مختلف نیز تاثیر قابل توجهی بر ساختار کلی خواهد داشت.

نور و نمای ساختمان نیز عامل مهمی است که طراحان را مورد آزمایش قرار می دهد. معماری معقول باید با محیط طبیعی ادغام شود، نور و دید کاملی داشته باشد و بتواند تجربه زندگی دلپذیرتری را برای مردم به ارمغان آورد.

پیشینه فرهنگی و تاریخی. کشورهای مختلف فرهنگ ها و تاریخ ها و دیگر سبک های معماری متفاوتی دارند. طراح باید با سبک معماری محلی مطابقت داشته باشد تا ساختمان را با جامعه محلی ادغام کند.

خلاصه 

در نهایت طراحی و ایجاد سازه‌ ها باید به نحوی صورت گیرد که ایمنی، پایداری، اقتصادی بودن، قابلیت تطبیق و زیبایی را تضمین کند. در این راستا، استفاده از روش‌ های تحلیلی پیشرفته، انتخاب مصالح مناسب، بهره ‌گیری از فناوری‌ های نوین، و توجه به مسائل محیطی از اهمیت ویژه برخوردارند. با رعایت این اصول، می ‌توان سازه ‌هایی را طراحی کرد که در برابر نیروها و تغییرات مختلف، ایمنی و عملکرد مطلوب را حفظ کرده و به کارایی فضاهای ساختمانی اضافه کنند.

منابع: مرکز آهن – پویش – فرین پلاس