طراحی سازه های فولادی – آموزش رایگان و به زبان ساده

آیا به دنبال شناخت بیشتر سازه های فولادی هستید؟ اگر دانشجوی رشته مهندسی عمران هستید یا فارغ التحصیل شده اید و به دنبال افزایش سطح دانشتان هستید، مقاله طراحی سازه های فولادی می تواند برایتان بسیار مفید باشد. ما در این مقاله قصد داریم سازه های فولادی را به شما معرفی کرده و پس از بررسی انواع این سازه ها، روش های طراحی آن ها را نیز به شما بیاموزیم. چرا که یک مهندس عمران باید بخوبی به مطالب مرتبط با رشته کاری خود آشنا باشد تا بتواند در هنگام اتجام پروژه ها، بهترین عملکردها را داشته باشد.

تعریف سازه های فولادی چیست؟

پیش از بررسی تعریف سازه های فولادی، ابتدا باید بدانید که اصولا سازه چیست و چه کاربردهایی دارد؟ یکی از گرایش های مهم رشته مهندسی عمران، گرایش مهندسی سازه ها است که در آن به بررسی، تحلیل و طراحی سازه ها می پردازند. اصولا تعریف سازه مجموعه قطعاتی است که یک سیستم باید بطور یکپارچه آن ها را نگه دارد. این سازه می تواند یک ساختمان یا یک پل باشد و یا اسکلت فولادی یک آپارتمان. حال که تعریفی از سازه مشاهده کردید، بیایید بطور دقیق تر سازه های فولادی را بررسی کنیم. همانطور که گفتیم یک سازه مجموعه ای از قطعات به هم پیوسته است. بنابراین منظور از سازه فولادی نیز مجموعه ای از قطعات فولادیست که یک بنا یا ساختمان را تحمل می کند. بطور مثال امروزه بسیاری از ساختمان ها، پل ها، تونل ها و سازه هایی از این دست را با کمک اسکلت های فلزی می سازند. بنابراین یک مهندس سازه باید شناخت کافی از تمام المان های موثر در اجرای سازه های فلزی داشته باشد. شما می‌توانید برای یادگیری تمام مباحث مربوط به مهندسی عمران مثل کار با نرم افزارهای اتوکد، رویت، ایتبس و… از آموزش‌های جامع فرادرس در لینک زیر استفاده کنید:

• مجموعه آموزش مهندسی عمران — کلیک کنید

سازه های فولادی از چه دوره ای استفاده شده اند؟

در دوران جنگ جهانی دوم و پس از آن به دلیل پیشرفت روزافزون صنایع فولادی، استفاده از سازه های فولادی نیز در کشورهای صنعتی رونق گرفت. از دلایل مهم جایگزین شدن سازه های فولادی با سازه های قدیمی، ایمنی و کیفیت بالای آن ها بود. همچنین با استفاده از سازه های فولادی بشر امکان ساخت انواع بناها با بارگذاری های بیشتر را نیز بدست آورد.

مشخصات فنی و مهندسی فولاد

از دورانی که فولاد بعنوان فلز اصلی در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار گرفت، تاکنون بارها مهندسان کیفیت فولادهای تولیدی را با اضافه کردن آلیاژهای مختلف افزایش دادند. فولاد بدلیل داشتن خواص مکانیکی بسیار عالی قابلیت اجرا در هر سازه ای را داشته و از طرفی نسبت به سازه های بتنی اجرای آن دقیق تر و ساده تر است. البته شاید یکی از اشکالات سازه های فولادی ضعف آن ها در برابر آتش سوزی باشد که اگر طراحی مناسب در هنگام اجرای سازه های فولادی صورت گیرد، این خطر نیز کاملا از بین خواهد رفت. از دلایل اصلی استفاده از فولاد در صنعت ساختمان سازی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• وجود تغییر شکل یکنواخت در نمودار تنش – کرنش فولاد هنگام بارگذاری
• وجود خاصیت الاستیسته و پلاستیسیته بالا
• قابلیت شکل پذیری فوق العاده
• چکش خواری بسیار عالی
• منعطف و قابل خمش
• سختی استاتیکی و دینامیکی بالا
• عدم تغییر خواص مکانیکی فولاد هنگام جوشکاری
• امکان استفاده از ضایعات فولادی
• در صورت نیاز می توان سازه های فولادی را تقویت کرد
• و در نهایت ضریب ارتجاعی بالا

چند مدل سیستم سازه ای داریم؟

اساسا دسته بندی سیستم های سازه ای بر حسب نوع بارهایی که بر مجموعه سازه وارد می شوند، صورت می پذیرد. بنابراین طبق تعریف سیستم های سازه ای ما کلا پنج نوع سازه داریم که بطور خلاصه با آن ها آشنا خواهید شد:

۱. دیوار باربر:

سیستم سازه ای دیوار باربر متشکل از دیوارهای بهم پیوسته است. در این سیستم دیوارها باید وزن سازه را بخوبی تحمل کنند. در این سیستم سازه ای، اصولا انتقال فشار به پی ریزی و زیر زمین منتقل می شود. در ساختمان های قدیمی این مدل سازه ها را زیاد می توان مشاهده کرد.

۲. سیستم تیر و ستون:

سازه های تشکیل شده از تیر و ستون مجموعه ای هستند که برای مهار بار ساختمان بصورت اسکلت چوبی، بتنی یا فولادی ساخته می شوند. در این سیستم تیرها وظیفه انتقال دهنده بارهای اعمال شده بر سقف، دیوارها و کف ساختمان به ستون را بر عهده می گیرند. ستون ها نیز بارهای انتقالی را به فوندانسیون توزیع می کنند.

۳. سازه های پوسته ای یا بتنی:

سازه های پوسته ای از بتن ساخته شده و معمولا بصورت یکپارچه بنا می شوند. بدلیل نازک بودن ضخامت مصالح بکار رفته در این نوع سازه، در مواردی که بار چندان زیادی بر روی سازه وجود نداشته باشد، استفاده می شود. مثل سالن ها بزرگ بدون دیوار یا ستون.

۴. سازه کابلی:

اگر پل های معلق را دیده باشید، حتما کابل های قطور که طرفین پل را مهار کرده اند دیده اید. در این سیستم سازه ای کابل های ساخته شده از فولاد وظیقه مهار بار را برعهده دارند.

۵. خرپا:

سازه های خرپا یکی از پرکاربردترین سیستم های سازه ای در صنعت ساختمان می باشند. به این دلیل که شکل این سازه ها بصورت مثلث بوده و به راحتی بارهای اعمال شده را منتقل می کنند. بدلیل ایمنی و ظرفیت تحمل بار بالا، از سیستم های خرپا خیلی زیاد استفاده می شود.

نمونه های مشهور سازه های فولادی کدام ها هستند؟

در مبحث طراحی سازه های فولادی به سازه های فولادی مشهوری تاکنون در جهان ساخته شده اند بر می خوریم. بطور مثال برج ایفل پاریس یکی از قدیمی ترین سازه های تمام فولادیست که توسط مهندسان در فرانسه ساخته شد. برج ایفل در اواخر قرن ۱۸ توسط یک مهندس آلمانی ساخته شد و برای مهار سازه تنها از پیچ و مهره استفاده شده است. پل بروکلین که در نیویورک بنا شده یکی دیگر از شاهکارهای سازه فولادی در جهان است که بدلیل بکار بردن فولاد بسیار سخت، کار ساخت آن نزدیک به یک دهه به طول انجامید.

برج مشهور ۱۰۱ که در تایوان واقع شده نیز دیگر بنای ساخته شده با کمک سازه های فولادی است. این برج با حدود ۵۰۰ متر ارتفاع در برابر تمام حوادث طبیعی مثل طوفان و زلزله که در آن منطقه جغرافیایی بسیار متداول است، مقاومت می کند. برج خلیفه دوبی، ساختمان امپایر استیت نیویورک، برج ویلیس شیکاگو، پل بندر سیدنی، و بسیاری دیگر از این مثال ها وجود دارند که بخوبی کیفیت سازه های فولادی  را نشان داده اند. برای یادگیری نحوه طراحی سازه‌های فولادی در نرم افزار ایتبس می‌توانید وارد لینک زیر از فرادرس شوید و فیلم‌های آموزشی مربوط به این موضوع را مشاهده کنید:

• آموزش پروژه محور ETABS – مدل سازی، تحلیل و طراحی سازه های فولادی — کلیک کنید

سازه های فولادی شامل چه بخش هایی می شوند؟

سازه های فولادی از یک چهارچوب فلزی به نام اسکلت تشکیل شده اند. هر اسکلت فلزی شامل یک تیر و ستون بوده که وظیفه تحمل هر بخش از وزن سازه را دارد. نحوه اتصال بخش های مختلف اسکلت می تواند از طریق پیچ و مهره یا جوشکاری صورت گیرد. عملکرد سازه های فلزی نیز بستگی به نحوه اتصال، کیفیت اتصال و در نهایت روش اتصال دارد. در مبحث طراحی سازه های فولادی این موضوعات بسیار مهم بوده و باید مورد توجه قرار گیرند.

انواع سازه های فولادی بر حسب نوع بارگذاری

سازهای فولادی را بر حسب نوع بارگذاری می توان به مدل های کششی، فشاری، خمشی و ترکیبی تقسیم نمود. در این بخش هر کدام را بطور خلاصه شرح می دهیم.

۱. بخش های کششی سازه های فولادی

بخش های کششی هر سازه فولادی معمولا قطعاتی هستند که بطور مستقیم تحت نیروی کششی قرار می گیرند. بطور مثال تکیه گاه های بکار رفته در خرپاها، سوله ها و کابل های نصب شده در پل های کابلی از این دسته می باشند. اجزای کششی نقش مهمی در ایمن نگه داشتن سازه ایفا می کنند.

۲. بخش های فشاری سازه های فولادی

ستون یا  بخش های بالایی خرپا جزئی از اعضای فشاری سازه های فولادی به حساب می آیند. در واقع اجزای فشاری باید قابلیت تحمل بارهای فشاری محوری را داشته باشند.

۳. بخش های خمشی سازه های فولادی

اجزایی در سازه های فولادی وجود دارند که باید وظیفه تحمل بارهای وارد شده بر محور طولی خود را داشته باشند. از مشهورترین بخش های سازه تیرها هستند که نیروی خمشی را به اسکلت ساختمان منتقل می کنند.

۴. بخش های ترکیبی

بخش های ترکیبی سازه فولادی اجزایی هستند که بطور همزمان تحت انواع بارها مانند، محوری، فشاری و خمشی قرار می گیرند.

چند روش برای طراحی سازه های فولادی وجود دارد؟

برای این که بفهمیم چند روش طراحی سازه های فولادی در صنعت وجود دارد، اول باید با معنای طراحی سازه آشنا شویم. در بحث طراحی سازه ها، به مجموعه اقداماتی که برای محاسبه بارهای اعمال شده و تعیین ابعاد قطعات مجموعه انجام می گیرد، اتلاق می شود. همانطور که می دانید، فولاد ساختمانی عمده فولادی است که در ساخت اغلب بناها، از بلند مرتبه ترین آسمانخراش ها تا پل های ارتباطی، انبارها و سرانجام وسایل نقیله مثل کشتی ها، بکار برده می شود. وظیفه یک مهندس سازه این است که نحوه بارگذاری روی هر یک از سازه ها را بر اساس قوانین استاتیک و دینامیک محاسبه کرده و طراحی دقیق و بدور از خطایی  را انجام دهد. همچنین پیش از آغاز مطالعه انواع روش های طراحی سازه باید با استانداردهای سازه های مذکور آشنا شوید.

چه استانداردهایی برای طراحی سازه های فولادی وجود دارد؟

این استانداردها اساسا دستورالعمل های اجرایی هستند که توسط سازمان های بین المللی و با توجه به اصول استاتیک و دینامیک منتشر شده اند. بنابراین کسانی که قصد فعالیت در زمینه ساخت و ساز را دارند، ابتدا باید با استانداردهای سازه های فولادی آشنا شوند. این استانداردها شامل شرایط عادی برای ساخت سازه ها و تعدادی نیز مخصوص طراحی سازه ها در شرایط ویژه مثل زلزله هستند. در محموع شش استاندارد سازه بین المللی داریم که در زیر آن ها را نام می بریم:

• ANSI/AISC
• ASCE
• Eurocode
• BS
• ISO
• AS

در کشور خودمان نیز استاندردهای مختص طراحی و ساخت سازه های فولادی توسط سازمان ملی استاندارد ارائه شده اند که شامل این موارد می باشند:

• اصل ششم مقررات ساختمان: بارهای وارد شده بر ساختمان
• اصل دهم مقررات ساختمان: طراحی و اجرای سازه های فولادی
• استاندارد ۲۸۰۰: آیین نامه ضروری توجه به ایمنی ساختمان ها در برابر زلزله

چند مدل بار در طراحی سازه های فولادی وجود دارند؟

پس از آشنایی با استانداردهای متداول سازه های فولادی، حال باید انواع بارهایی که این سازه ها تحت آن ها فرار می گیرند آشنا شوید:

• بار مرده: اولین نوع بارگذاری که بر یک سازه وارد می شود بارهای مرده نامیده می شوند که همان وزن اعضای یک سازه می باشند.
• بار زنده: در واقع بارهای موقتی بوده که بر سازه وارد می شوند. مثل جا به جایی اشیاء.
• بار باد: نیرویی که بدلیل برخورد جریان هوا بر ساختمان وارد می شود، بار باد نامیده می شود.
• بار برف: این بار در هنگام زمستان و پس از بارش برف و تجمع آن بر ساختمان اعمال می شود.
• بار سیل: این بار در صورت جاری شدن سیل بر ساختمان اعمال می شود.
• بار زلزله: این نوع بار در واقع شامل بارهای افقی، عمودی و ترکیبی ناشی از زلزله است.
• بار ویژه: علاوه بر بارهای فوق یک بار ویژه هم برای طراحی سازه ها در نظر گرفته می شود که معمولا شامل جابه جایی پی، فشار سیالات و خاک، خستگی اسکلت و مواردی از این دست می شود.

طراحی سازه های فولادی با چه روش هایی صورت می گیرد؟

بطور کلی دو روش برای طراحی سازه های فولادی وجود دارد:

1. طراحی تنش مجاز یا مقاومت مجاز
2. طراحی با ضرایب بار و مقاومت

طراحی تنش مجاز (Allowable stress design) که بطور مخفف ASD نامیده می شود. و همانطور که از نام این روش پیداست، طراحی بر اساس بیشترین تنش اعمال شده که سازه را به حد الاستیک می رساند، انجام می شود. طراحی مقاومت مجاز (Allowable strength design) نام دارد که بصورت اختصاری ASD بیان می شود که بعنوان جایگزین روش اول شناخته می شود. روش طراحی با ضرایب بار و مقاومت (Load and resistance factor design) نیز اختصارا (LRFD) نامیده می شود.

نتیجه گیری

در مقاله طراحی سازه های فولادی، ما قصد داشتیم بطور خلاصه در مورد سازه های فولادی، تفاوت آن ها با سایر سازه ها و استانداردهای تدوین شده برای سازه های فولادی صحبت کنیم. اما مبحث مهندسی سازه ها یک مبحث گسترده بوده و شما برای یادگیری بهتر آن نیاز دارید تا با علومی مثل استاتیک، دینامیک و مقاومت مصالح به خوبی آشنا باشید. همچنین با کمک فرادرس مجموعه مقاومت مصالح را بطور کامل بیاموزید.

• آموزش مقاومت مصالح – ویژه رشته عمران — کلیک کنید