
سازه های فولادی چیست؟ آشنایی با اصول طراحی و اجرای ساختمان فولادی
- سازه فولادی چیست؟
- طراحی ساختمان های فولادی
- توجیه اقتصادی سازه های فولادی
- بررسی میزان مصرف فولاد در ساختمانهای فلزی
- انتقال بار در سازه های فولادی
- ستون فلزی چیست؟
- انواع مقاطع ستون فلزی
- چگونگی ساخت ستونهای مقاطع مرکب
- روش نصب نبشی بر روی كف ستون ها (بيس پليت) برای استقرار ستون
- چرا سازههای فولادی قلب تپنده ساختوساز هستند؟
با گسترش نیازهای عمرانی و توسعه زیرساختهای شهری، انتخاب مصالح مناسب برای ساخت سازهها به یکی از چالشهای اساسی مهندسان و معماران بدل شده است. در این میان، فولاد با ویژگیهایی چون مقاومت بالا، شکلپذیری مطلوب و سرعت اجرای مناسب، جایگاهی منحصربهفرد در صنعت ساختمان پیدا کرده است. سازههای فولادی، بهویژه با استفاده از اتصالات پیچ و مهره یا جوش، توانستهاند تحولی اساسی در ساخت انواع ساختمانها، پلها و سازههای بلندمرتبه ایجاد کنند. از آسمانخراشهای مدرن گرفته تا پروژههای صنعتی و تجاری، اسکلت فولادی بهعنوان یک راهکار هوشمندانه و کارآمد شناخته میشود که ضمن افزایش ایمنی، امکان طراحیهای خلاقانه و انعطافپذیر را نیز فراهم میآورد. این مقاله به بررسی ساختار، مزایا و روند بهکارگیری سازههای فولادی در پروژههای عمرانی مدرن میپردازد.
سازه فولادی چیست؟
از آنجاییکه ایمنی و کارایی در پروژههای عمرانی حرف اول را میزند، سازه فولادی بهعنوان یک انتخاب هوشمندانه، جایگاه ویژهای در میان مهندسان و سازندگان پیدا کرده است. این نوع سازه با تکیه بر مقاومت بالا، اتصالپذیری دقیق و قابلیت اجرای سریع، نهتنها ساختوساز را تسهیل میکند، بلکه امکان طراحیهای پیچیده و مرتفع را نیز فراهم میسازد. قابهای فولادی، با تکیه بر تیر و ستونهای مهندسیشده، بارهای وارده را با دقت به زمین منتقل میکنند و نقش حیاتی در ایمنی ساختمانها ایفا مینمایند. در این مقاله، به بررسی مفاهیم کلیدی، مزایا، کاربردها و دلایل محبوبیت روزافزون اسکلت فولادی در صنعت ساختوساز مدرن خواهیم پرداخت.
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 ساختمان های فولادی
انتخاب نوع مقطع، روش ساخت، روش بهره برداری و محل ساخت ساختمان، خصوصیات و ویژگیهای متنوعی برای ساخت اسکلت فلزی باربر یک ساختمان به وجود می آورد. مزیت های هر سیستم سازه ای و مصالح مورد نیاز آن سیستم را در صورتی میتوان بهکار برد که خصوصیات و ویژگیهای آن مصالح و سیستمها در مرحله طراحی بهحساب آورده شود و طراح باید در مورد هریک 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 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 ساختمانهای فولادی، سیستم فضاسازی داخلی باید بهگونهای 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) است که با هماهنگی دقیق و علمی این امکان بوجود میآید که اقتصادیترین روش ساخت و اجرای ساختمان بهدست 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 ویژهای برای جلوگیری از ایجاد نوسانات ناشی از باد در نظر گرفته شود. بزرگی نیروهای افقی اعمال شده در اثر باد بهعوامل زیر بستگی دارد:
- سرعت باد
- شکل آیرودینامیکی 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 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. 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 با توجه به اجزای تشکیل دهنده 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 بهکار میروند:
- 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 میشود. مسئله حفاظت قسمتهای فولادی سقف در برابر آتش سوزی باید در اجرای سقف در نظر گرفته شود. استفاده از سقف کاذب میتواند این کار را بهخوبی انجام دهد. در سازههای اسکلت فلزی، معمولا دیوارهای خارجی باربر نیستند، برای ساخت این دیوارها، بنابر شرایط موجود، از مصالح مختلف استفاده میشود.
لزوم محافظت در برابر حریق ، خوردگی و عایق بندی صوتی
اغلب اظهار میشود که هزینه لازم برای محافظت ساختمانهای فلزی دربرابر آتش سوزی و خوردگی و عایقبندی صوتی بسیار زیاد است، ولی استفاده از راههای معقول و مناسب برای هر ساختمان، باتوجهبه سیستم بکار رفته در آن، میتواند باعث کاهش این هزینه شود. ایجاد یک سیستم محافظت دربرابر آتشسوزی 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 بهعنوان یک سیستم محافظت دربرابر آتش سوزی در ساختمان قابل استفاده است. تیرها و ستونهای فلزی میتواند بهروش مناسب در بین این اجزا مدفون شود در غیر اینصورت باید با روش مناسب اسکلت فولادی ساختمان محافظت شود.
از آنجاییکه زنگ زدگی در قطعات داخلی ساختمان فولادی باتوجهبه رطوبت ناچیز موجود در هوا بعید بهنظر میرسد، محافظت دربرابر خوردگی برای این قطعات یک مشکل جدی محسوب نمیشود. بنابراین، حفاظت دربرابر 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 تیغهها. 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 موردبررسی قرار گیرد.
موارد زیر در اقتصاد یک ساختمان موثر است:
- قیمت زمین: به دلیل 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. باتوجهبه روشهای مختلف ساخت سازه، متوجه می شویم که در مقایسه با سایر روشها، ساخت سازه های فلزی زمان کمتری صرف میکند.
- 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 میشود. هزینه ساخت و میزان مصرف فولاد به عوامل زیر بستگی دارد:
- تعداد طبقات
- بار اعمال شده به طبقات (مرده و زنده)
- دهانهها در اطراف ستون
- ضخامت سقف
- سیستم سازهای (سیستم انتقال بارهای قائم و جانبی)
انتقال بار در سازه های فولادی
سازه های فولادی مشتمل بر تعدادی تیر و ستون به شکل قاب و نیز شامل تعدادی تقویتکننده بهمنظور ایستایی بیشتر است. بدیهی است انتقال بارهای افقی و قائم از طریق این اجزاء صورت می گیرد. به این صورتکه:
- سقف بارهای عمودی را تحمل کرده و بهصورت 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 میدهد.
- همچنین سیستمهای مهاربندی قائم و افقی، بارهای جانبی ناشی از باد، زلزله ، فشار زمین و ... را به فونداسیونها منتقل مینمایند.
ماهیت انتقال بار از طریق تیرها به تکیهگاهها و روش قرارگیری تیرها (تیر ریزی) بهعوامل زیر بستگی دارد:
- نوع مقطع قابل استفاده باتوجهبه طراحی معماری
- فواصل تکیه گاهها و طول دهانه تیر باتوجهبه طراحی سازه ها
- روش انتقال بار توسط اجزای باربر
- سیستم تکیه گاهی انتخاب شده ( صلب، نیمهصلب و ساده)
ستون فلزی چیست؟
ستون فلزی یا همان ستون فولادی، یکی از حیاتیترین اجزای سازهای در هر نوع ساختمان است. این عضو عمودی، نقش کلیدی در انتقال بارهای وارد بر سازه به فونداسیون و در نهایت به زمین ایفا میکند. برخلاف تصور رایج، جنس تمام ستونها حتی در سازههای بتنی، کاملاً غیر فلزی نیست؛ چراکه در هسته اکثر آنها از مقاطع فلزی استفاده میشود. این مسئله نهتنها به افزایش مقاومت سازه کمک میکند، بلکه ایمنی و دوام کلی ساختمان را نیز به شکل چشمگیری ارتقاء میدهد. در طراحی و ساخت ستونهای فلزی، مقاطع گوناگونی مانند تیرآهن، میلگرد، قوطیهای فلزی، لولههای فولادی و گاه ترکیبی از آنها بهکار گرفته میشود. انتخاب نوع مقطع، ارتباط مستقیمی با نوع سازه، موقعیت جغرافیایی، شرایط بارگذاری و حتی بودجه پروژه دارد. بنابراین، استعلام بهروز قیمت آهن آلات بهویژه قیمت میلگرد و تیرآهن پیش از آغاز عملیات ساخت، برای تصمیمگیری دقیق و کاهش هزینهها ضروری است.

انواع مقاطع ستون فلزی
شکل سطح مقطع ستونها معمولاً به مقدار و وضعیت بار وارد شده بستگی دارد. برای ساخت ستونهای فلزی از انواع پروفیلها و ورقها استفاده میشود. بهطور کلی، ستونها از نظر شکل ظاهری به دو گروه تقسیم میشوند:
- نیمرخ (پروفیل) نورد شده شامل انواع تیرآهنها و قوطیها: بهترین پروفیل نورد شده برای ستون، تیرآهن با پهن یا قوطیهای مربع شکل است، زیرا از نظر مقاومت بهتر از مقاطع دیگر عمل میکند. علاوه بر این، در بیشتر مواقع، انجام اتصالات تیرآهنها به راحتی روی این پروفیلها انجام میگیرد.
- مقاطع مرکب: هنگامی که سطح مقطع و مشخصات یک نیمرخ (پروفیل) بهتنهایی برای ایستایی (تحمل بار وارد شده و لنگر احتمالی) یک ستون کافی نباشد، از اتصال چند پروفیل به یکدیگر برای ساخت ستون مناسب استفاده میشود.
چگونگی ساخت ستونهای مقاطع مرکب
ستونها ممکن است بر حسب نیاز با ترکیب و اتصالات مختلف از انواع پروفیلهای مختلف ساخته شوند، اما رایجترین روشها برای ساخت ستونهای فلزی به شرح زیر است:
- اتصال دو پروفیل به یکدیگر به روش دوبله کردن: ابتدا دو تیرآهن را در کنار یکدیگر و بر روی سطح صاف به هم چسبیده و سپس دو سر و وسط ستون را جوش داده و ستون را برمیگردانند. پس از آن، مانند قبل جوشکاری صورت میگیرد و ستون معکوس شده و در قسمت وسط جوشکاری میشود. این روش جوشکاری برای جلوگیری از پیچش ستون به دلیل حرارت زیاد جوشکاری ممتد است. در صورتی که در سراسر ستون نیاز به جوش نباشد، حداقل جوشها باید به این صورت اجرا شوند:
- حداکثر فاصله بین طولهای جوش در طول ستون بهصورت غیرممتد نباید از 60 سانتیمتر تجاوز کند.
- طول جوش ابتدایی و انتهایی ستون باید برابر با بزرگترین عرض مقطع باشد و بهطور یکسره انجام شود.
- طول مؤثر هر قطعه از جوش منقطع نباید از 4 برابر بعد جوش یا 40 میلیمتر کمتر باشد.
- تماس میان بدنه دو پروفیل نباید از یک شکاف 1.5 میلیمتری بیشتر باشد، اما از 6 میلیمتر کمتر نباید باشد. در صورتی که مساحت کافی برای تماس وجود نداشته باشد، این بادخور باید با مصالح پرکننده مناسب (شامل تیغههای فولادی با ضخامت ثابت) پر شود.
- اتصال دو پروفیل با یک ورق سراسری روی بالها: در مقاطع مرکب، که ورق اتصال بر روی دو نیمرخ متصل میشود، فاصله جوشهای مقطع (غیرممتد) که ورق را به نیمرخها متصل میکند نباید از 30 سانتیمتر بیشتر شود. اندازه حداکثر فاصله در مورد فولاد معمولی بهصورت t22 که t در آن ضخامت ورق است، محاسبه میشود.
- اتصال دو پروفیل با بستهای فلزی (تسمه): رایجترین نوع ستونها در ایران، ستونهای مرکبی هستند که در آن دو تیرآهن به فاصله معین از یکدیگر قرار گرفته و قیدهای افقی یا چپ و راست این دو نیمرخ را به هم متصل میکنند. البته بستهای چپ و راست که شکلهای مثلثی را ایجاد میکنند، مقاومت بهتری نسبت به قیدهای موازی دارند. در این نوع ستونها، بهویژه ستونهایی با قید موازی، مسائل زیر باید رعایت شوند. ابعاد بست (وصله) افقی ستون نباید کمتر از مقادیر زیر باشد:
- L: طول وصله حداقل به فاصله مرکز تا مرکز دو نیمرخ باشد.
- B: عرض وصله از 42 درصد طول آن کمتر نباشد.
- T: ضخامت وصله از 1.35 برابر طول آن کمتر نباشد.
- در اطراف تمامی وصلهها و در سطح تماس با بال نیمرخها باید جوشکاری انجام شود و مجموع طول خط جوش در هر طرف صفحه نباید از طول صفحه کمتر باشد.
- فاصله قیدها و ابعاد آن باید براساس محاسبات فنی تعیین شود.
روش نصب نبشی بر روی كف ستون ها (بيس پليت) برای استقرار ستون
هنگام محاسبه ابعاد كف ستونها بايد حداقل فاصله ميله مهاري از لبه كف ستون و محل جاگذاری نبشی با ضخامت جوش لازم برای نگه داشتن ستون، همچنين ضخامت پليت انتهايی ستون و ابعاد ستون را بادقت بررسی كرد؛ سپس باتوجهبه موارد يادشده بهنصب نبشی و استقرار ستون به اين صورت اقدام نمود. بر روی بيس پليتها محل كف ستون و محل آكس را كنترل مي كنيم؛ سپس نبشيیهای اتصال را بهصورت عمود بر هم بر روی بيس پليت جوش داده، آنگاه ستون را مستقر و اقدام به نصب دگر نبشیهای لازم كرده و آنها را به بيس پليت جوش میدهيم.
از مزاياي عمود برهم بودن دو نبشی روی بيس پليت علاوهبر سرعت عمل و استقرار بهتر بهعلت تماس مستقيم ستون بهبال نبشی اتصال جوشكاری بهگونهای درستتر و اصولیتر صورت میگيرد. روشن است كه قبل از جوشكاري بايد ستونها را هم محور و قائم نموده و عمود بودن در دو جهت كنترل شود. پس از نصب ستونها باتوجهبه ارتفاع ستون و آزاد بودن سر ستون ممكن است تا زمان نصب پلها، ستونها در اثر شدت باد و وزن خود حركتهايی داشته باشند كه احتمالا تاثير نامطلوب و ايجاد ضعف در جوشكاری و اتصالات كف ستونها خواهد داشت. به اين سبب بايد پس از نصب، فورا به مهاربند موقت ستونها بهوسيله ميلگرد يا نبشی بهصورت ضربدری اقدام كرد.
- طويل كردن ستونها
سازهاي فلزي را اغلب در چندين طبقه احداث مي كنند، طول پروفيلها براي ساخت ستون محدود است. با در نظر گرفتن بار وارده و دهانه بين ستونها و نحوه قرار گرفتن ستونهای كناری، مقاطع مختلفي برای ساخت ستونها بهدست میآید. ممكن است در هر طبقه ابعاد مقطع ستون با طبقه ديگر تفاوت داشته باشد؛ بنابراين، بايد اتصال مقاطع با ابعاد مختلف برای طويل كردن با دقت زيادی انجام شود. محل مناسب براي وصله ستونها بههنگام طويل كردن آنها حداقل در ازتفاع 45 تا 60 سانتیمتر بالاتر از كف هر طبقه يا 6/1 ارتفاع طبقه است. اين ارتفاع اندازه حداقلی است كه از نظر دسترسی به محل اجرای جوش و نصب اتصالات موردنياز برای ادامه ستون يا اتصال بادبند لازم است.
- نحوه طويل كردن ستونها
ابتدا سطح تماس دو ستون را بهخوبی گونيا میكنند و با سنگ زدن صاف مینمايند تا كاملا در تماس با يكديگر يا صفحه وصله قرار گيرد. درصورتیكه پروفيل دو ستون يكسان نباشد، بايد اختلاف دو نمره ستون را با گذاردن صفحات لقمه (هم سو كننده) بر ستون فوقانی را پر نمود؛ سپس صفحه وصله را نصب كرد و جوش لازم را انجام داد. اگر ابعاد مقطع دو نيمرخ كه بهيكديگر متصل میشوند، تفاوت زياد داشته باشند بهطوریكه قسمت بزرگی از سطح آن دو در تماس با يكديگر قرار نگيرد، دراينصورت بايد یک صفحه تقسيم فشار افقی بين دو نيمرخ بهكار برد. اين صفحه معمولا بايد ضخيم انتخاب شود تا بتواند بدون تغيير شكل زياد عمل تقسيم فشار را انجام دهد. كليه ابعاد و ضخامت صفحه و مقدار جوش لازم را بايد طبق محاسبه و براساس نقشههای اجرایی انجام داد.
- ستونها با مقاطع دايرهای
معمولا مقاطع لوله اي (دايرهای) از قطر 2 تا 12 اينچ براي ستونها بيشتر مورداستفاده قرار میگيرند. مقطع لوله در مواقعی كه بهوسيله اتصال جوش باشد آسانتر بهكار میرود. كاربرد لوله بيشتر در پايههای بعضی منابع هوايی، دكلهای مختلف و خرپاهای سبك است. اين مقطعها بهطوركلی مقاومترند برای اينكه ممان انرسی آنها در تمام جهات يكسان است. با تغيير ضخامت مقاطع لولهای میتوان اينرسیهای مختلف را بهدست آورد.
چرا سازههای فولادی قلب تپنده ساختوساز هستند؟
همانطور که دیدیم، سازههای فولادی بهدلیل استحکام بالا، اجرای سریع و قابلیت اطمینان در برابر نیروهای جانبی، به بخش جداییناپذیر صنعت ساختوساز مدرن تبدیل شدهاند. استفاده از اسکلت فلزی نهتنها در پروژههای بزرگ شهری، بلکه در ساختمانهای مسکونی و صنعتی نیز رایج است و روزبهروز بر دامنه کاربرد آن افزوده میشود. اگر در حال برنامهریزی برای اجرای سازه فولادی در پروژه خود هستید، توجه به نکاتی مانند انتخاب مصالح استاندارد، نوع اتصال (پیچ و مهرهای یا جوشی)، و تیم اجرایی باتجربه، نقش مهمی در کیفیت نهایی سازه خواهد داشت. همچنین می توانید جدیدترین لیست قیمت سازه فلزی را در جداول موجود در آهن آنلاین مشاهده کنید.