سازه ها برای آن که ساخته شوند، نیاز به طراحی دارند. طراحی سازه توسط مهندسان عمران سازه صورت می گیرد. برای آن که سازه ها بتوانند در برابر بارهای ثقلی و جانبی از خود مقاومت مناسبی نشان دهند و پایداری خود را در همه جهات حفظ کنند، نیاز به یک طراحی مناسب و کامل دارند. طراحی سازه ایی برای موارد زیر صورت می گیرد:

• طراحی فونداسیون سازه
• طراحی ستون های سازه
• طراحی تیر ها
• طراحی دیوار های سازه ایی
• طراحی سقف ها و ...

لازم به ذکر است که فولاد یکی از متریال بسیار مناسب برای ساخت و ساز ها در پل ها، برج ها، ساختمان های تجاری و اداری و ... می باشد. حتی در سازه های بتنی نیز از فولاد به صورت میلگرد به کار گرفته می شود تا سازه بتواند در برابر نیرو های کششی از خود مقاومت مناسبی را نشان دهد.در این مقاله از وب سایت آرین تیس، به طراحی سازه های فولادی می پردازیم. بنابراین برای کسب اطلاعات بیشتر تا انتهای مقاله با ما همراه باشید.

سازه های فولادی:

سازه های فولادی سازه هایی قاب بندی شده هستند. قاب در ساختمان وظیفه پایداری کل سازه و انتقال بارهای مرده، زنده، زلزله و برف را بر عهده دارد. سازه های فولادی یکی از سازه هایی است که می تواند در برابر زلزله از خود مقاومت نشان دهد، اما این موضوع به طراحی مناسب از تیرها و ستون ها و دال ها بستگی خواهد داشت.

طراحی سازه های فولادی:

در طراحی سازه های فولادی برای مقاوم سازی ساختمان هر جزئی که از مقطع فولادی باشد، به وسیله نرم افزارهای پیشرفته طراحی می شود. این اجزا به صورت زیر هستند :

تیرها،

• ستون ها
• مهاربند ها
• سقف کامپوزیت ساده
• سقف عرشه فولادی
• دیوارهای برشی فولادی

نکته بسیار مهم در طراحی سازه های فولادی این است که هدف از طرح یک سازه تعیین پیکربندی، ابعاد و ویژگی های قطعات آن است.

شیوه های طراحی سازه های فولادی:

طراحی سازه‌ های فولادی به سه روش زیر انجام می شود:

• شیوه تنش مجاز یا الاستیک
• شیوه مقاومت نهایی یا پلاستیک
• شیوه طراحی حالات حدی

در آیین نامه فولاد ( مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ) تمامی جزئیات مربوط به طراحی سازه های فولادی اعم از طراحی تیر  فولادی و  طراحی ستون های فولادی و ... عنوان شده است تا مهندسان بتوانند با مراجعه به آن از ضوابط و فرمول ها و هم چنین نکات مربوط به طراحی سازه فولادی آگاه گردند.در زیر به صورت مختصر به تشریح هر کدام از روش های طراحی سازه های فولادی می پردازیم.

شیوه تنش مجاز یا الاستیک:

شیوه تنش مجاز یا الاستیک قدیمی ترین روش یا شیوه برای طراحی سازه های فولادی است. در این شیوه، تأثیرات کاهش احتمالی مقاومت اجزا و بالا رفتن احتمالی بارها با ضریب اطمینان و تنها در یک مرحله مد نظر است. در این روش اجزای سازه باید به شکلی طراحی شوند که تحت تأثیر بار های مفروض بهره بردای تنش های محاسباتی در آن ها از مقدار مجاز خود بیشتر نشود. در این شیوه به اجزای سازه اجازه داده می شود در اثر بار وارد شده ناشی از بارگذاری از حد الاستیک خود بیرون بیایند و به حد پلاستیک یا خمیر خود برسند. همین مسئله موجب بالا رفتن مقاومت اجزا و پایین آمدن هزینه های ساخت می شود. این شیوه به علت نیاز به رعایت استاندارد های مصالح و افزایش کیفیت اجرا در ایران استفاده زیادی دارد.

شیوه مقاومت نهایی یا پلاستیک:

در طراحی سازه های فولادی با این شیوه، ایمنی در دو مرحله بالا رفتن بار به کمک ضرایب بار و کاهش مقاومت به کمک ضرایب کاهش مقاومت است. در شیوه ضرایب بار و مقاومت، طراحی اجزای سازه به شکلی است که مقاومت نهایی طرح و بیشترین ظرفیت باربری عضو در هر مقطع بزرگ تر یا برابر با تلاش های موجود در آن مقطع در اثر بار های ضریب دار وارد بر سازه باشد. هر دو شیوه سادگی و پیچیدگی برابری از نظر ضوابط طراحی سازه دارند. با استفاده از این دو شیوه و مقایسه نتیجه آن ها می توان از نتیجه طراحی که به سازه های سبک تر منجر می شود بهره برد.

شیوه طراحی حالات حدی

در شیوه طراحی حالات حدی بخشی از ضریب اطمینان در بارها و بخشی از ضرایب اطمینان در مقاومت ها تأثیر دارند. به این ترتیب، هم بارها بزرگ می شوند و هم مقاومت ها پایین می آیند. بی اطمینانی که در طراحی وجود دارد، از بارها و مقاومت ها ناشی می شود.

در این شیوه می توان با توجه بیشتر نسبت به ضرایب اطمینان تصمیم گیری کرد. هم چنین، به جای استفاده از یک ضریب اطمینان شکسته شده که ضرایب جزئی اطمینان نامیده می شوند، به کار می رود. امروزه برای طراحی سازه های فولادی بیشتر از حال حدی استفاده می شود. این روش طراحی یکی از ایمن ترین روش ها برای طراحی سازه فولادی می باشد.

شایان به ذکر است که در امر طراحی هم سازه های بتنی و هم چنین سازه های فولادی نکته بسیار مهمی وجود دارد به این صورت که باید طراحی سازه را به گونه ایی انجام داد که علاوه بر حفظ مقاومت و پایداری، مقرون به صرفه بودن سازه نیز در نظر گرفته شود.

طراحی سازه های فولادی با توجه به عناصر فضاهای داخلی ساختمان:

برگزیدن سیستم مناسب برای عناصر داخلی ساختمان به عوامل زیادی وابسته است. شیوه های زیر در ساخت سقف های متکی بر تیرهای فولادی استفاده می شوند:

• دال بتنی درجا روی قالب مناسب
• دال بتنی پیش ‌ساخته
• عرشه فولادی با بتن درجا

ترکیب دال بتنی و تیر فولادی در هر سه روش انجام پذیر است و از نظر اقتصادی به صرفه تر نیز است. محافظت از بخش فولادی سقف در مقابل آتش سوزی باید در زمان اجرای سقف مد نظر باشد. با کار بردن سقف کاذب این کار را به خوبی انجام خواهد داد. در سازه های اسکلت فلزی دیوار های بیرونی باربر نیستند. برای درست کردن این دیوارها با توجه به شرایط مصالح گوناگون به کار می رود.

محافظت از سازه های فولادی در برابر حوادث:

فولاد متریالی است که در برابر آتش سوزی از خود ضعف نشان می دهد، بنابراین محافظت از سازه های فولادی در برابر حوادثی مانند آتش سوزی و خوردگی باید با توجه به نوع سیستم آن انجام  شود. این مسئله موجب کاهش هزینه برای عایق بندی آتش سوزی و هم چنین عایق صوتی سازه های فولادی می شود. هرچند عناصر داخل ساختمان مثل سقف و دیوار های درونی و بیرونی در ساختمان در برابر آتش سوزی محافظت می کنند، اما تیرها و ستون های فلزی می توانند به شیوه مطلوب در میان اعضا قرار گیرند و در مقابل آتش سوزی مورد حفاظت قرار گیرند.

در غیر این صورت، از اسکلت فولادی ساختمان باید به شیوه مناسب محافظت شود. برای خوردگی سازه های فولادی باید از قطعات خارجی و اعضایی که در معرض رطوبت هوا هستند محافظت شود. به دلیل این که زنگ زدگی در قطعات درونی ساختمان فولادی با توجه به رطوبت کم هوا اتفاق نمی افتد. ویژگی های صوتی یک ساختمان به خواص اعضای داخل آن مثل نوع سقف و سیستم دیوار های جداکننده و تیغه ها بستگی دارد. در این میان، سیستم اسکلت باربر ساختمان نقش کمتری دارد. رفتار اسکلت یک ساختمان فولادی و بتنی با یک سیتسم فضاسازی داخلی مشابه شبیه هم است.

مقاوم سازی سازه های فولادی:

اگر طراحی سازه های فولادی مناسب باشد و اجرای آن ها دقیق صورت گیرد، از مقاومت و شکل پذیری خوبی برخوردار خواهند بود. اما با توجه به استفاده از نیرو های اجرایی غیر متخصص و ناشی و فرض های اشتباه ساخت سازه های فولادی ممکن است ایراد ها و مشکلاتی داشته باشد. این مشکلات نیاز به مقاوم سازی دارند. سازه های فولادی بیشتر مواقع در اثر بارهای لرزه ای به علت کمانش موضعی صدمه می بینند و عملکرد مناسبی ندارند. یا به علت خوردگی به مقاوم سازی نیاز دارند.

شیوه های مقاوم سازی سازه های فولادی

• مقاوم‌ سازی تیرهای فولادی تحت کمانش پیچشی جانبی با استفاده از FRP
• استفاده از ژاکت بتنی
• تقویت اتصالات و عناصر با به کار بردن ورق های مناسب
• به وجود آوردن سختی در طبقه های دارای پتانسیل طبقه نرم
• اضافه کردن ستون
• اضافه کردن دیوار برشی
• اضافه کردن میانقاب
• اجرای دیوار باربر
• اجرای دستک فشار و کششی برای مهار کنسول ها
• اجرای تیر فرعی میان ستون ها

شایان به ذکر می باشد که ساختمان های فولادی که دچار ضعف هستند، در زمان زلزله با پدیده ها و آسیب های مختلف و حتی فرو ریزش روبه رو می شوند. برای پیشگیری از فرو ریزش و آسیب های داخل ساختمان فولادی به مقاوم سازی نیاز است. استفاده از هر شیوه مقاوم سازی پس از انجام بررسی های لازم صورت می گیرد. متخصصان با توجه به مشکلات سازه بهترین شیوه با نتایج بالا و صرفه اقتصادی را در نظر می گیرند.