طراحی سازه های فولادی - انواع روش ها و راهکارهای ممکن
در ابتدا بهتر است راجع به خوده طراحی سازه های فولادی صحبت کنیم. به زبان ساده سازه های فولادی تمام فرآورده های فولادی ای است که در ساخت بنا های مختلف به کار میرود. همان اسکلتی که قبل از طراحی ساختمان ها دیده ایم.
این سازه های فولادی میتوانند تیر ها ، ستون ها ، مهار بند ها ، سقف ها ، عرشه فولادی یا حتی دیوار های فولادی را شامل شوند.
از آن جایی که سازه های فولادی میتوانند موارد زیادی از جمله سطح مقطع ، هندسه آن ، طول ، نوع آلیاژ به کار رفته ، روش ساخت را شامل شوند. در نتیجه طراحی آنها موارد گسترده ای را شامل میشود. همچنین خوده علم طراحی سازه های فولادی شامل طراحی یک اسکلت کلی برای یک ساختمان است بنابراین مواردی همچون محل ساخت ساختمان ، سفتی زمین ، نوع پی ریزی و مواردی از این قبیل نیز در طراحی کلی اسکلت تاثیر میگذارند.
سازه های فولادی سازه های قاب بندی شده می باشند. نقش این گونه سازه ها انتقال بار از بدنه به پی است که با توجه به گستردگی انواع بار مثل بار های مرده ، زنده ، زلزله و یا هر مورد دیگری ، کار آمدی این اعضا بسیار مهم است.
همانطور که بالاتر اشاره شد نحوه استفاده از سازه های فولادی موارد بسیاری را شامل میشود و طراحی با در نظر گرفتن تمام این موارد کار ساده ای نیست.
نتیجتا تحلیل و طراحی هر گونه عضوی که از مقطع فولادی باشد توسط نرم افزار های پیشرفته ای مثل ایتبس ، سپ و سیف انجام میشود.
با توجه به تخصصی بودن موضوع مقاله و سنگینی مطالب ، برای فهم بهتر موضوع ، تا حد امکان سعی شده از استفاده از اعداد و ارقام جلوگیری شود.
تقسیم بندی سازه های فولادی
سازه های فولادی را با توجه به نوع ساخت و کاربردشان میتوان به 4 دسته تقسیم کرد:
- سازه های فولادی قاب بندی شده با نورد گرم : این نوع سازه ها در کارخانه ها ذوب و ساخته میشوند.
- سازه های فولادی قاب بندی شده با نورد سرد (LSF): این نوع سازه ها در خارج از کارخانه و توسط ابزاری های مختلف به هم اتصال داده میشوند. کاربرد این نوع مقاطع بیشتر در ساختمان های ویلایی کاربرد دارند.
- سازه های پوسته ای: مانند مخازن نگهداری مایعات و گاز ها.
- سازه های معلق: در طرح ها و کار های پارامتریک معماری استفاده میشوند.
روش های تحلیل و طراحی
منظور از طراحی یک سازه تعیین مشخصات ، پیکربندی و ابعاد آن سازه به نحوی که در دراز مدت بتواند عملکرد مثبتی داشته باشد. در همین راستا تحلیل سازه های فولادی میتواند بنا به سه نوع استاندارد در نظر گرفته شود:
- روش طراحی تنش مجاز (ASD) یا الاستیک
- روش طراحی مقاومت نهایی (LRFD) یا پلاستیک
- روش طراحی حالات حدی (LSD)
طراحی تنش مجاز (ASD) یا الاستیک
طراحی تنش مجاز (ASD) از قدیمی ترین روش های طراحی سازه های فولادی است. در روش تنش مجاز مقدار بارگذاری کلی پس از محاسبات مقداری در نظر گرفته میشود و ادامه تحلیل به نوحی صورت میگیرد که تنش مجاز با عددی به نام ضریب اطمینان از تنش تسلیم ماده کمتر شود. بدیهی است که هر چه سازه حیاتی تر باشد باید ضریب اطمینان بالاتری برای آن در نظر گرفت.
به عنوان یک فرمول کلی میتوان نوشت:
تنش مجاز = ( ضریب اطمینان ) / ( تنش تسلیم )
تنش تسلیم = تنش مجاز * ضریب اطمینان
هر دو فرمول فوق یک معنی را میدهند و نکته دیگه اینکه ضریب اطمینان همواره بزرگ تر از 1 است بنابراین تنش مجاز همواره باید مقداری کمتر از تنش تسلیم باشد. که نتیجه ای منطقی است.
به عنوان اطلاعات کلی معمولا ضریب اطمینان ستون ها حدود 1.9 و ضریب اطمینان تیر ها را 1.5 تا 1.7 در نظر میگیرند.
طراحی مقاومت نهایی (LRFD) یا پلاستیک
در این روش به ماده اجازه داده میشود از ناحیه الاستیک عبور کرده و به آن شکل خمیری خود برسد یا اصطلاحا وارد ناحیه پلاستیک شود. در این روش باگذاری به کمک تقلیل مقاومت یعنی با ضرایب کاهش مقاومت انجام میشود.
در روش مقاومت نهایی ، طراحی اجزا سازه چنان صورت میگیرد که مقاومت نهایی طرح بزرگتر یا مساوی تلاش های انجام شده روی آن سازه تحت اثر بار های ضریب دار باشد.
به صورت کلی
ما در طراحی ASD ضریب را برای افزایش بار در نظر میگیریم و در طراحی LRFD ضریب را برای کاهش مقاومت در حال حاضر استفاده از روش دوم مرسوم تر از روش اول است.
روش طراحی حالات حدی (LSD)
در این روش ما از ترکیبی از دو روش قبل استفاده میکنیم. یعنی هم ضرایبی برای افزایش بار در نظر گرفته و هم ضرایبی برای کاهش مقاومت در نظر میگیریم. شاید با خود بگویید نیازی به این حجم از اطمینان نیست ولی باید بگویم که اشتباه میکنید. چرا که قسمتی از عدم اطمینان ناشی از تغییرات نوع و مقدار بارگذاری هاست و مقداری از عدم اطمینان به دلیل تغییرات مقائمتی ماده.
بنابراین بهتر است برای هر دو آنها ضریبی در نظر بگیریم. که بدین صورت میتوان با آگاهی بیشتری نسبت به ضریب اطمینان تصمیم گرفت.
طراحی و محاسبات سازه های فولادی
همانطور که بر همگان واضح است ویژگی های هر ماده فولادی یا بطور کلی هر ماده ای با ماده دیگر متفاوت است.
در نتیجه پاسخ های حاصل نسبت به نیرو و تنش ها نیز در بین مواد با هم متفاوت است. در مقاومت مصالح گفتیم که رفتار های مواد در برابر تست های کرنش را در قالب نمودار هایی میتوان رسم کرد. برتری سازه های فولادی نسبت به سازه های بتنی به طور کلی در مقاومت بالای آنها در کشش و فرآیند ساخت راحت تر و سریع تر است.
به صورت کلی نمودار هر نوع فولادی از دو بخش کشسان و ممسان تشکیل شده است. به بخش کشسان محیط الاستیک نیز میگویند. وقتی بارگذاری در این ناحیه باشد پس از برداشتن بار فولاد به حالت اولیه خود برمیگردد. به عبارتی تغییر شکل ها در این ناحیه دائمی نیستند. ولی در بخش ممسان یا محیط پلاستیک بارگذاری ها دائمی اند یعنی بعد از وارد شدن به این بخش ماده دیگر به طول یا ابعاد اولیه خود بر نمیگردد. پس از ناحیه پلاستیک با افزایش بارگذاری جسم کم کم وارد ناحیه گلویی شدن میشود و در اماده شکست یا جدایش در ناحیه ای که تمرکز تنش داشته باشیم رخ میدهد.
مدول یانگ همه فولاد ها مقداری برابر 200 GPa است. همچنین تغییر شکل در یک بعد میتواند در ابعاد دیگر سازه تاثیر داشته باشد مثلا اگر شما یک تیر راه در راستای طولی بکشید به طوری که بلند تر شود سطح مقطعش کم تر میشود . این تغییر طول ها در آزمایشگاه های مقاومت مصالح تحلیل میشوند. و با ضریبی به نام ضریب پواسون به یکدیگر مرتبط شده اند.
بارگذاری های طولانی مدت
وقتی صحبت از طراحی سازه های ساختمانی میشود قطعا منظور طول عمر های بلند مدت است بنابراین باید مولفه هایی را که پس از مدت طولانی در مواد ظاهر میشود را نیز در نظر بگیریم:
- خزش: تغییرات طول سازه های فولادی زیر تنش ثابت. وقتی در مدت زمان طولانی بار ثابتی به سازه ای وارد شود پدیده خزش در آن رخ میدهد. خوشبختانه این امر در بین سازه های فولادی که با محاسبات قبلی مطابقت داشته باشند بسیار مقدار ناچیزی است و میتوان از تاثیرات آن صرف نظر نمود.
- خستگی: در ساخت هر ماده ای ایراداتی هر چند کوچک وجود دارد. این ایرادات میتواند ترک های بسیار کوچک ناشی از فرآیند های سرد شدن یا فرآیند ساخت باشد. در نتیجه ی بارگذاری های دوره ای یا طولانی مدت این ترک ها رشد پیدا کرده و در نهایت موجب شکست میشوند. این پدیده را خستگی ماده میگویند.هر که ماده با فرآیند بهتری و از مواد اولیه مرغوب تری ساخته شده باشد احتمال وقوع خستگی کاهش یافته و زمان اتفاق افتادن آن دیرتر میشود.
در ادامه به چندین معیار پر اهمیت کلی در طراحی سازه های فولادی اشاره خواهم کرد:
- نوع مقطع
- آرایش و روش قرار گیری مقاطع
- فواصل تکیه گاهی
- اندازه دهانه های سقف
- نوع مهاربندی
- نوع سیستم سلب کننده
- محل قرار گیری سیستم سلب کننده
- سبک بودن وزن قطعات
- قابل محافظت در برابر آتش
مهار کردن نیرو های افقی یا مهاربندی
در کنار نکات اصلی طراحی سازه که انتقال صحیح وزن ساختمان و مقاومت در برابر بارگذاری ها است. باید به نبرو های افقی وارده مثل نیرو های ناشی از زلزله باد و دیگر نیروی های افقی نیز توجه کرد.
به خصوص وزش های بار تناوبی میتواند تاثیرات بسیار مخربی روی سازه یا ساختمان بگذارد. به طور مثال اتفاقی که برای پل تاکومار افتاد در نتیجه وزش همین باد های پریودیک بود.
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
به طور کلی در مبحث اتصالات تنش برشی ایجادی در اتصال نکته ی حائز اهمیت است.
اگر دوست دارید تا درباره انواع اتصال سازه های فولادی بیشتر بدانید، به مقاله انواع اتصالات سازه های فولادی و مشخصات آن ها در سایت فرادرس را مطالعه کنید.
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.
سایت فرادرس یکی از سایت هایی است که تمرکز خود را روی آموزش آنلاین قرار داده است و در زمینه مهندسی عمران و سازه های فولادی نیز آموزش های خوبی را تهیه و منتشر نموده است. برای مشاهده آموزش های مهندسی عمران در وبسایت فرادرس به لینک زیر مراجعه کنید.
برای تحلیل انواع سازه ها میتوان از نرم افزار آباکوس و برای تحلیل تخصصی ساختمان میتوان از نرم افزار رویت استفاده کرد.
برای دیدن آموزش های رایگان این نرم افزار ها روی نام هر کدام کلیک کنید.
