سازه های فولادی + اجرای سازه فولادی و اصول طراحی آن
فولاد بعنوان ماده ای با مشخصات خاص و منحصر بفرد، مدتهاست در ساخت ساختمانها کاربرد دارد. قابلیت اجرای دقیق، رفتار سازه ای معین، نسبت مقاومت به وزن مناسب در کنار امکان اجرای سریع سازه های فولادی همراه با جزئیات و ظرافتهای معماری، فولاد را بعنوان مصالحی منحصر و ارزان در پروژه های ساختمانی مطرح نموده است؛ به نحوی که اگر ضعفهای محدود این ماده نظیر مقاومت کم در برابر خوردگی و عدم مقاومت در آتش سوزیهای شدید به درستی مورد توجه و کنترل قرار گیرند امکانات وسیعی در اختیار طراح قرار می دهد که در هیچ ماده دیگر قابل دستیابی نیست.
سازه فولادی چیست؟
فولاد، آلیاژی از آهن و کربن است که کمتر از 2 درصد کربن دارد. در فولاد ساختمانی عموما" در حدود 3 درصد کربن و ناخالصیهای دیگری مانند فسفر، سولفور، اکسیژن و نیتروژن و چند ماده دیگر موجود می باشد. ساخت فولاد شامل اکسیداسیون و جدانمودن عناصر اضافی و غیر ضروری موجود در محصول کوره بلند و اضافه کردن عناصر مورد نیاز برای تولید ترکیب دلخواه است. برای ساخت فولاد از چهار روش اصلی استفاده می شود. این روشها عبارتند از: روش کوره باز، روش دمیدن اکسیژن، روش کوره برقی، روش خلاء.
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 باربر یک ساختمان به وجود می آورد. مزیت های هر سیستم سازه ای و مصالح مورد نیاز آن سیستم را در صورتی می توان بکار برد که خصوصیات و ویژگیهای آن مصالح و سیستمها در مرحله طراحی به حساب آورده شود و طراح باید در مورد هر یک از مصالح به درستی قضاوت کند. این موضوع به ویژه در ساختمانهایی که اسکلت فولادی دارند ضروری است. معیارهای سازه ای 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 به گونه ای 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 ) می باشد که با هماهنگی دقیق و علمی این امکان بوجود می آید که اقتصادی ترین روش ساخت و اجرای ساختمان بدست 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 ویژه ای برای جلوگیری از ایجاد نوسانات ناشی از باد در نظر گرفته شود. بزرگی نیروهای افقی اعمال شده در اثر باد به عوامل زیر بستگی دارد:
- سرعت باد
- شکل آیرودینامیکی ساختمان
- وضعیت سطح نما
- روشهای صلب کردن
یک قاب سازه ای فولادی را می توان 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. مهار بندی به وسیله اعضای بادبندی یا دیوارهای بتنی به صورت دیافراگم صلب، نقاط ثابتی را در ساختمان ایجاد می کند، به گونه ای که آزادی عمل در جانمایی و معماری داخل ساختمان را محدود می کند.
طراحی با توجه به اجزای تشکیل دهنده فضاهای داخلی ساختمان
انتخاب سیستم مناسب برای اجزای داخلی ساختمان به عوامل مختلفی بستگی دارد. روشهای زیر به طور رایج در ساخت سقفهای متکی به تیرهای فولادی به کار می روند:
- 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 می گردد. مسئله حفاظت قسمتهای فولادی سقف در برابر آتش سوزی باید در اجرای سقف در نظر گرفته شود. استفاده از سقف کاذب می تواند این کار را به خوبی انجام دهد. در سازه های 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 می شود که هزینه لازم برای محافظت ساختمانهای فلزی در برابر آتش سوزی و خوردگی و عایق بندی صوتی بسیار زیاد است، ولی استفاده از راههای معقول و مناسب برای هر ساختمان، با توجه به سیستم بکار رفته در آن، می تواند باعث کاهش این هزینه شود. ایجاد یک سیستم محافظت در برابر آتش سوزی 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 بعنوان یک سیستم محافظت در برابر آتش سوزی در ساختمان قابل استفاده است. تیرها و ستونهای فلزی می تواند به روش مناسب در بین این اجزا مدفون شود در غیر اینصورت باید با روش مناسب اسکلت فولادی ساختمان محافظت شود.
از آنجایی که زنگ زدگی در قطعات داخلی ساختمان فولادی با توجه به رطوبت ناچیز موجود در هوا بعید به نظر می رسد، محافظت در برابر خوردگی برای این قطعات یک مشکل جدی محسوب نمی شود. بنابراین حفاظت در برابر 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 تیغه ها.
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 مورد بررسی 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. با توجه به روشهای مختلف ساخت سازه، متوجه می شویم که در مقایسه با سایر روشها، ساخت سازه های فلزی زمان کمتری صرف می کند.
- 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 می شود. هزینه ساخت و میزان مصرف فولاد به عوامل زیر بستگی دارد:
- تعداد طبقات
- بار اعمال شده به طبقات ( مرده و زنده )
- دهانه ها در اطراف ستون
- ضخامت سقف
- سیستم سازه ای ( 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 تقویت کننده به منظور ایستایی بیشتر می باشد. بدیهی است انتقال بارهای افقی و قائم از طریق این اجزاء صورت می گیرد. به این صورت که :
- سقف بارهای عمودی را تحمل کرده و بصورت 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 می دهد.
– همچنین سیستم های مهاربندی قائم و افقی، بارهای جانبی ناشی از باد، زلزله ، فشار زمین و ... را به فونداسیونها منتقل می نمایند.
ماهیت انتقال بار از طریق تیرها به تکیه گاهها و روش قرارگیری تیرها ( تیر ریزی ) به عوامل زیر بستگی دارد:
- نوع مقطع قابل استفاده با توجه به طراحی معماری
- فواصل تکیه گاهها و طول دهانه تیر با توجه به طراحی سازه ها
- روش انتقال بار توسط اجزای باربر
- سیستم تکیه گاهی انتخاب شده ( صلب ، نیمه صلب ، ساده )
تعريف ستون فلزي
ستون عضوي است كه معمولا به صورت عمودي در ساختمان نصب مي شود و يارهاي كف ناشي از طبقات به وسيله تير و شاه تير به آن منتقل مي گردد و سپس به زمين انتقال مي يابد.
شكل ستونها
شكل سطح مقطع ستونها معمولا به مقدار و وضعيت بار وارد شده بستگي دارد. براي ساختن ستونهاي فلزي از انواع پروفيلها و ورقها استفاده مي شود.عموما ستونها از لحاظ شكل ظاهري به دو گروه تقسيم مي شوند:
- نيمرخ (پروفيل) نورد شده شامل انواع تيرآهنها و قوطيها: بهترين پروفيل نورد شده براي ستون، تيرآهن با پهن يا قوطيهاي مربع شكل است؛ زيرا از نظر مقاومت بهتر از مقاطع ديگر عمل مي كند. ضمن اينكه در بيشتر مواقع عمل اتصالات تيرها به راحتي روي آنها انجام مي گيرد.
- مقاطع مركب: هرگاه سطح مقطع و مشخصات يك نيمرخ (پروفيل ) به تنهايي براي ايستايي ( تحمل بار وارد شده و لنگر احتمالي ) يك ستون كافي نباشد از اتصال چند پروفيل به يكديگر، ستون مناسب آن (مقاطع مركب ) ساخته مي شود.
چگونگي ساخت ستون (مقاطع مركب)
ستونها ممكن است بر حسب نياز با تركيب و اتصالات متنوع از انواع پروفيلهاي مختلف ساخته شوند اما رايج ترين اتصال براي ساخت ستونها سه نوع است:
- اتصال دو پروفيل به يكديگر به طريقه دوبله كردن: ابتدا دو تيرآهن را در كنار يكديگر و بر روي سطح صاف به هم چسبيده گردند؛ سپس دو سر و وسط ستون را جوش داده و ستون برگردانده شده و مانند قبل جوشكاري صورت مي گيرد؛ آن گاه ستون معكوس و در قسمت وسط جوشكاري مي شود. همين كار را در سوي ديگر ستون انجام مي دهند و به ترتيب جوشكاري ادامه مي يابد تا جوش مورد نياز ستون تامين گردد. اين شيوه جوشكاري براي جلوگيري از پيچش ستون در اثر حرارت زياد جوشكازي ممتد مي باشد در صورتيكه در سرتاسر ستون به جوش نيازي نباشد، دست كم جوشها بايد به اين ترتيب اجرا گردد:
الف) حداكثر فاصله بين طولهاي جوش در طول ستون به صورت غير ممتد از 60 سانتيمتر تجاوز نكند.
ب) طول جوش ابتدايي و انتهايي ستون بايد برابر بزرگترين عرض مقطع باشد و به طور يكسره انجام گيرد.
ج) طول موثر هر قطعه از جوش منقطع نبايد از 4 برابر بعد جوش يا 40 ميليمتر كمتر باشد.
د) تماس ميان بدنه دو پروفيل نبايد از يك شكاف 5/1 ميليمتري بيشتر باشد، اما از 6 ميليمتر كمتر نباشد؛ ضمنا بررسي هاي فني نشان دهد که مساحت كافي براي تماس وجود ندارد؛ در آن صورت اين بادخور بايد با مصالح پر كننده مناسب شامل تيغه هاي فولادي با ضخامت ثابت پر شود.
- اتصال دو پروفيل با يك ورق سراسري روي بالها: در مقاطع مركبي كه ورق اتصال بر روي دو نيمرخ متصل مي شود تا مقاطع مركب تشكيل بدهد؛ فاصله جوشهاي مقطع (غير ممتد) كه ورق را به نيمرخها متصل مي كند نبايد از 30 سانتيمتر بيشتر شود. اندازه حداكثر فاصله فوق الذكر در مورد فولاد معمولي به صورت t22 كه t در آن ضخامت ورق است درمي آيد.
- اتصال دو پروفيل با بستهاي فلزي (تسمه): متداولترين نوع ستون در ايران ستونهاي مركبي است كه دو تيرآهن به فاصله معين از يكديگر قرار مي گيرد و قيدهاي افقي يا چپ و راست اين دو نيمرخ را به هم متصل مي كند؛ البته بستهاي چپ و راست كه شكلهاي مثلثي را به وجود مي آورند داراي مقاومت بهتري نسبت به قيدهاي موازي مي باشند.
در مورد اينگونه ستونها به ويژه ستون با قيد موازي مسائل زير را بايستي رعايت كرد:
الف) ابعاد بست (وصله) افقي ستون كمتر از اين مقادير نباشد:
L : طول وصله حداقل به فاصله مركز تا مركز دو نيمرخ باشد.
B : عرض وصله از 42 درصد طول آن كمتر نباشد.
T : ضخامت وصله از 35/1 طول آن كمتر نباشد.
ب) در اطراف كليه وصله ها و در سطح تماس با بال نيمرخها عمل جوشكاري انجام گيرد مجموع طول خط جوش در هر طرف صفحه نبايد از طول صفحه كمتر شود.
ج) فاصله قيدها و ابعاد آن بر اساس محاسبات فني تعيين مي شود.
د) در قسمت انتهايي ستون، بايد حتما از ورق با طول حداقل برابر عرض ستون استفاده كرد تا علاوه بر تقويت پايه، محل مناسبي براي اتصال بادبندها به ستون به وجود آيد.
ه) در محل اتصال تير يا پل به ستون لازم است قبلا ورق تقويتي به ابعاد كافي روي بالهاي ستون جوش شده باشد.
روش نصب نبشي بر روي كف ستونها (بيس پليت) براي استقرار ستون
هنگام محاسبه ابعاد كف ستونها بايد حداقل فاصله ميله مهاري از لبه كف ستون و محل جاگذاري نبشي با ضخامت جوش لازم براي نگه داشتن ستون، همچنين ضخامت پليت انتهايي ستون و ابعاد ستون را با دقت بررسي كرد؛ سپس با توجه به موارد ياد شده به نصب نبشي و استقرار ستون به اين صورت اقدام نمود. بر روي بيس پليت ها محل كف ستون و محل آكس را كنترل مي كنيم؛ سپس نبشي هاي اتصال را به صورت عمود بر هم بر روي بيس پليت جوش داده، آنگاه ستون را مستقر و اقدام به نصب دگر نبشي هاي لازم كرده و آنها را به بيس پليت جوش مي دهيم. از مزاياي عمود بر هم بودن دو نبشي روي بيس پليت علاوه بر سرعت عمل و استقرار بهتر به علت تماس مستقيم ستون به بال نبشي اتصال جوشكاري به گونه اي درست تر و اصولي تر صورت مي گيرد. روشن است كه قبل از جوشكاري بايد ستونها را هم محور و قائم نموده و عمود بودن در دو جهت كنترل گردد. پس از نصب ستونها با توجه به ارتفاع ستون و آزاد بودن سر ستون ممكن است تا زمان نصب پلها، ستونها در اثر شدت باد و وزن خود حركتهايي داشته باشند كه احتمالا تاثير نامطلوب و ايجاد ضعف در جوشكاري و اتصالات كف ستونها خواهد داشت. به اين سبب بايد پس از نصب، فورا به مهاربندي موقت ستونها به وسيله ميلگرد يا نبشي به صورت ضربدري 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 ستونهاي كناري، مقاطع مختلفي براي ساخت ستونها به دست مي ايد. ممكن است در هر طبقه ابعاد مقطع ستون با طبقه ديگر تفاوت داشته باشد؛ بنابراي بايد اتصال مقاطع با ابعاد مختلف براي طويل كردن با دقت زيادي انجام شود. محل مناسب براي وصله ستونها به هنگام طويل كردن آنها حداقل در ازتفاع 45 تا 60 سانتي متر بالاتر از كف هر طبقه يا 6/1 ارتفاع طبقه مي باشد. اين ارتفاع اندازه حداقلي است كه از نظر دسترسي به محل اجراي جوش و نصب اتصالات مورد نياز براي ادامه ستون يا اتصال بادبند لازم است.
نحوه طويل كردن ستونها
ابتدا سطح تماس دو ستون را به خوبي گونيا مي كنند و با سنگ زدن صاف مي نمايند تا كاملا در تماس با يكديگر يا صفحه وصله قرار گيرد. در صورتي كه پروفيل دو ستون يكسان نباشد، بايد اختلاف دو نمره ستون را با گذاردن صفحات لقمه (هم سو كننده) بر ستون فوقاني را پر نمود؛ سپس صفحه وصله را نصب كرد و جوش لازم لازم را انجام داد. اگر ابعاد مقطع دو نيمرخ كه به يكديگر متصل مي شوند تفاوت زياد داشته باشند به طوري كه قسمت بزرگي از سطح آن دو در تماس با يكديگر قرار نگيرد، در اين صورت بايد يك صفحه تقسيم فشار افقي بين دو نيمرخ به كار 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 بر اساس نقشه هاي اجرايي انجام داد.
ستونها با مقاطع دايره اي
معمولا مقاطع لوله اي (دايره اي ) از قطر 2 تا 12 اينچ براي ستونها بيشتر مورد استفاده قرار مي گيرند. مقطع لوله در مواقعي كه به وسيله اتصال جوش باشد آسانتر به كار مي رود. كاربرد لوله بيشتر در پايه هاي بعضي منابع هوايي، دكلهاي مختلف و خرپاهاي سبك است. اين مقطع ها به طور كلي مقاومترند براي اينكه ممان انرسي انها در تمام جهات يكسان است. با تغيير ضخامت مقاطع لوله اي مي توان اينرسي هاي مختلف را به دست آورد.
سخن پایانی
سازه های فولادی، کاربرد زیادی در اکثر بناها دارند و به علت استحکام و قدرت بالایی که در برابر زلزله و خطرات دارند، بسیار مورد توجه پیمانکاران و فعالان ساخت و ساز هستند. در این مطلب، هر آنچه که از سازه های فولادی و طراحی آن می دانستیم را با شما عزیزان به اشتراک گذاشتیم. چنانچه در این خصوص اطلاعات ما ناقص بوده است، خوشحال می شویم در قسمت نظرات آن را با ما در میان بگذارید؛ همچنین می توانید جدیدترین لیست قیمت سازه فلزی را در جداول موجود در آهن آنلاین مشاهده کنید.
