از مهم‌ترین سازههای مهندسی می‌توان به سازههای فولادی اشاره کرد این سازه‌ها که توسط فولاد ساختمانی ساخته و اجرا می‌شوند در دنیای امروز رقیب سرسختی برای بتن آرمه به حساب می‌آیند، در این مطلب قصد داریم که به بررسی همه جانبه سازههای فولادی بپردازیم.
سیستم سازه‌ای و انواع آن
در طراحی سازه به سیستمی که نشان دهنده روش اجرای المان‌ها و نگهداری از آن‌هاست سیستم سازه‌ای می‌گویند، سیستم‌های سازه‌ای معمولا برای نگهداری از کل یا بخشی از سازه طراحی می‌شوند. سیستم‌های سازه‌ای انواعی دارند که فولاد در اغلب این سیستم‌های سازه‌ای قابل استفاده است، در این بخش به معرفی سیستم سازه‌ای خواهیم پرداخت:
- سازه پوسته‌ای: سازه‌هایی که از مصالح ساختمانی نازک تشکیل شده باشند به سازههای پوسته‌ای معروف هستند. این نوع سیستم معمولا برای اجرای سقف در سازههای بزرگی که دیوار یا ستون ندارند، استفاده می‌شود.
- سازه پیوسته یا دیوار باربر: سازه پیوسته سازههای است که از دیوارهای پیوسته تشکیل شده و این دیوارها نگهدارنده و انتقال‌دهنده‌ی بار هستند.
- سازه خرپایی: سازههای خرپایی سیستم‌هایی هستند که از اتصال مثلثی‌شکل المان‌ها تشکیل خواهند شد، این سیستم‌ها به دلیل ظرفیت بالایی که دارند، کاربرد برای اجرای سازههای بزرگ انتخاب مناسبی هستند.
- سازه قابی: سازه قابی که به سیستم تیر و ستون نیز معروف است، سازه‌ای است که از ترکیب اسکلت چوبی، بتن آرمه یا فولاد برای انتقال بار استفاده می‌کند، در این سیستم تیرها بارهای اعمال شده بر سقف سازه را به کف، دیوار یا ستون انتقال می‌دهند، ستون‌ها نیز این بارها را به‌واسطه فونداسیون به زمین منتقل می‌کنند.
- سازه پارچه‌ای یا سیستم غشایی: سازه‌هایی که توسط غشا یک فضای بسته را ایجاد می‌کنند سازه پارچه‌ای هستند، این سازه‌ها متشکل از قسمت‌های غشایی، کابل و میله بوده و ترکیبی از سیستم کششی و قابی هستند.
- سازه کابلی یا سیستم کششی: اگر بخواهیم سیستمی طراحی کنیم که تحمل بارهای کششی زیادی نیاز داشته باشد و یا نیازمند به پایداری بالایی باشد می‌توانیم از سازه کابلی استفاده کنیم، سازه کابلی سیستمی است که پایداری مجموعه را توسط المان‌هایی نظیر کابل تامین می‌کند.
سازه فولادی با فولاد ساختمانی
طراحی سازه فلزی که برای اجرای اسکلت‌بندی آن از فولاد ساختمانی استفاده شود، سازه فولادی است. امروزه در بیشتر ساختمان‌هایی که ساخته می‌شوند از سازههای فولادی استفاده می‌شود، به عنوان مثال پل‌های معلق و کابلی ساختمان‌های تجاری و سوله‌های صنعتی در گروه سازههای فولادی هستند.
در گذشته به جای فولاد ساختمانی از دیگر آلیاژهای آهن مانند آهن ورزیده، چدن و یا فولاد معمولی استفاده می‌شد اما در سال 1856 میلادی هنری بسمر روشی برای تولید انبوه فولاد ارائه داد که باعث پیشرفت‌های بیشتر با هزینه کمتر شد، این امر سبب شد تا استفاده از اعضای فولادی و سازههای اسکلت فولادی به محبوبیت زیادی دست پیدا کند.
فولاد ساختمانی بیشتر به‌عنوان مصالح ساختمانی در اشکالی متفاوت برای ساخت سازههای مختلف استفاده می‌شود هرچند که این نوع فولاد در صنایع دیگری مانند صنایع معدنی، دریایی، انرژی و غیره نیز کاربرد دارد. ویژگی‌های مکانیکی فولاد ساختمانی باعث شده تا این فولاد به یکی از مناسب‌ترین گزینه‌های اجرای ساختمان‌ها و پل‌ها تبدیل گردد؛ لازم به ذکر است که ترکیب شیمیایی فولادهای ساختمانی در همه‌ی موارد باهم یکسان نیست و این مسئله به روی خواص مکانیکی آن تاثیر مستقیم دارد، بنابراین برای اجرای سازههای فولادی باید دقت شود که متناسب با کاربری موردنیاز فولاد ساختمانی انتخاب شود.
مراحل طراحی سازه فولادی
طراحی سازههای فولادی به‌منظور محاسبه بارها و تعیین ابعاد اعضای سازه فولادی برای تحمل این بارها انجام می‌پذیرد. یکی از مهم‌ترین مباحث مهندسی سازه طراحی سازههای فولادی است که یکی از مهم‌ترین ارکان آن استفاده از اسکلت فولادی یا قاب فولادی می‌باشد، برای طراحی سازههای فولادی در ابتدا باید از استانداردهای سازه فولادی به عنوان مرجع برای شروع طراحی و اجرا استفاده نمود.
از پرکاربردترین و معتبرترین استانداردهای طراحی سازههای فولادی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ANSI/AISC
- ASCE
- ISO
- Eurocode
- BS
- AS
مراجع اصلی مهندسان عمران برای طراحی و اجرای ساختمان‌های فولادی نیز دستورالعمل‌ها و استانداردهایی است که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم:
- استاندارد 2800: آیین نامه ایمنی ساختمان‌ها در برابر زلزله
- مبحث ششم مقررات ملی ساختمان: بارهای وارده بر ساختمان
- مبحث دهم مقررات ملی ساختمان: طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی
طراحی سازههای فولادی به دو روش طراحی تنش/مقاومت مجاز و یا طراحی با ضرایب بار و مقاومت انجام می‌گیرد که در ادامه به شرح هر دوی این روش‌ها خواهیم پرداخت.
طراحی سازههای فولادی به روش تنش/مقاومت مجاز
طراحی سازههای فولادی به روش تنش مجاز یا به اختصار«ASD»، یکی از قدیمی‌ترین روش‌های طراحی سازههای فولادی است که در آن از ضریب ایمنی یا ضریب اطمینان برای مشخص کردن حاشیه اطمینان ساختمان استفاده می‌شود. در طراحی سازه های فولادی به این روش باید میزان تنش اعمالی نسبت به حد الاستیک سازه مورد بررسی قرار بگیرد، اگر تنش‌ها از حد الاستیک تجاوز نکنند به این معناست که سازه در حالت ایمن است.
طراحی سازههای فولادی به روش مقاومت مجاز معرفی‌شده توسط استاندارد AISC در ویرایش چهاردهم می‌باشد که یک روش جایگزین برای طراحی تنش مجاز است. از ویرایش نهم به بعد استاندارد AISC، روش طراحی تنش مجاز برای طراحی سازههای فولادی منسوخ شده و از روش طراحی سازههای فولادی به روش مقاومت مجاز به‌عنوان جایگزین یاد شده است.
طراحی سازههای فولادی به روش طراحی با ضرایب بار و مقاومت
در طراحی سازههای فولادی به روش طراحی با ضرایب بار و مقاومت، بارهای واقعی وارد شده به سازه را در نظر نگرفته و مقدار آن‌ها را با اعمال ضرایبی بزرگتر از واقعیت در نظر گرفته می‌گیریم، اگر سازه با این بار به خرابی برسد داریم:
خرابی >یا= (ضریب بار ) * (بار وارده)
نرم افزارهای موردنیاز برای طراحی سازه فولادی
در دنیای امروز بخش زیادی از فرآیندهای طراحی، مدل‌سازی و تحلیل سازههای فولادی توسط نرم‌افزارهای تخصصی مهندسی سازه انجام می‌گیرد. این نرم‌افزارها قابلیت اطمینان بسیار زیادی دارد به‌طوری‌که سازمان نظام مهندسی، نتایج حاصل از این نرم‌افزارها را به‌عنوان چک لیست طراحی سازه در نظر می‌گیرد. در این قسمت به معرفی برخی از این نرم افزارها می‌پردازیم.
- کتیا: این نرم‌افزار به‌دلیل ابزارهای کاربردی، محیط کاربری جذاب و کاربرپسند، سرعت بالا، استانداردهای متنوع و امکان مدل‌سازی انواع پروفیل‌ها، بسیار محبوب بوده و می‌تواند انواع مختلف اسکلت‌های فولادی را مدل‌سازی کند.
- تکلا استراکچرز: تکلا استراکچرز یک نرم افزار سه بعدی با هدف مدل‌سازی اطلاعات ساختمان است که می‌تواند به طراحی جزئیات سازههای فولادی و بتنی بپردازد؛ این نرم‌افزار دارای قابلیت‌هایی مانند مدیریت پروژه، برنامه‌ریزی، مدل‌سازی، تحلیل سازه، گزارش‌گیری، رسم طرح‌های عمرانی و علامت‌گذاری نقشه‌ها بوده و انتخابی قابل اطمینان برای پروژه‌های بزرگ فولادی است.
- رویت: نرم‌افزار رویت نیز مانند تکلا استراکچرز، ابزارهای متنوعی برای مدل‌سازی و تحلیل سازه در اختیار کاربران خود قرار داده است، لازم به ذکر است که این نرم‌افزار و تکلا استراکچرز در بیشتر موارد برای سازههای فولادی در مقیاس‌های کوچک‌تر مناسب هستند.
مقایسه سازه فولادی و بتنی
برای مقایسه‌ی سازههای فولادی و بتنی معیار مشخصی وجود نداشته و هر کدام از آن‌ها می‌توانند بسته به شرایط سازه و عملکرد موردنیاز گزینه مناسبی باشند. سازههای فولادی استحکام بسیار بالایی دارند که این ویژگی آن‌ها باعث شده تا یک گزینه معقول و محبوب برای ساختمان‌های ادارای و مسکونی چند طبقه مطرح باشند.
بتن، قابلیت شکل‌پذیری بالایی دارد و این مسئله سبب شده تا سازههای بتن آرمه یک گزینه مناسب برای ساختمان‌های عمومی با طراحی‌های مختلف در نظر گرفته شود؛ قابلیت کاهش ارتفاع سازه، قابلیت اجرای دهانه‌های بلند و دستیابی به الزامات طراحی، معیارهایی است که برتری اسکلت فولادی نسبت به اسکلت بتنی را به همراه دارد.
معمولا برای مواردی که در زیر به آن‌ها اشاره شده است، سازه فولادی به سازه بتنی ترجیح داده می‌شود:
- ساختمان‌های بلند
- ساختمان‌های صنعتی و انبارها
- ساختمان‌های مسکونی
- سازههای موقت
جمع‌بندی
سازه فولادی یکی از سازههای پرطرفدار است که به نوعی رقیب سازههای بتنی محسوب می‌شود. این سازه‌ها که در ساختمان‌ها، پل‌ها، سوله‌های صنعتی و غیره به کار می‌روند، اثترکیبات شیمیایی متفاوتی دارند؛ مقاومت فولاد بر اساس این ترکیبات مشخص می‌شود و بنابراین برای انتخاب فولاد مناسب، باید به شرایط محیطی و کاربری ساختمان توجه داشته باشید.
این سازه‌ها به روش‌های مختلفی طراحی می‌شوند و هنوز نمی‌توان گفت بین این سازه‌ها و سازههای بتنی کدامیک بهتر است؛ پاسخ این سوال به شرایط و عوامل مختلفی بستگی دارد.