در روزگار جدید پیدا کردن راه‌کارهای مناسب برای مقاوم‌ سازی ساختمان‌ ها و ترمیم و تقویت سازه‌های صنعتی، نفت و گاز، دریایی و… (با توجه به این که جایگزین نمودن سازه‌های موجود با سازه‌های جدید در اغلب موارد از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست و هم چنین امکان توقف فعالیت بسیاری از این سازه ها که جزیی از سازه های حیاتی به حساب می آیند، وجود ندارد)، اهمیت قابل توجهی پیدا کرده است. انتخاب نادرست یک شیوه‌ ی نامناسب مقاوم‌سازی ساختمان حتی می‌تواند عملکرد سازه را بدتر هم بکند.

همچنین در مقایسه با ساختن یک سازه‌ ی جدید، تقویت سازه ی موجود و مقاوم سازی ساختمان ها حتی می‌تواند پیچیده‌تر باشد؛ زیرا شرایط سازه‌ای از قبل مشخص شده است و علاوه بر این دسترسی به نواحی که نیاز به تقویت در سازه ها و ساختمان ها دارند به سادگی و به راحتی امکان پذیر نیست.

- مقاوم سازی

به خاطر احتیاج روز افزون جامعه به ساختمان و مسکن، به ویژه در شهرها ی بزرگ که قرار است ساختمان با چندین طبقه ساخته شود، نیاز استفاده از روش ها و مصالح جدید به منظور افزایش سرعت ساخت، سبک سازی، افزایش عمر مفید و نیز  مقاوم سازی ساختمان های بتنی و فولادی در برابر زلزله را بیش از پیش مطرح کرده است، این مهم باعث شده است که تعداد زیادی شرکت مقاوم سازی،  امروزه در امر بهسازی لرزه ای سازه ها و تقویت سازه ها در برابر زلزله فعالیت ‌کنند.

- سازه های فولادی

یکی از روش های مطمئن برای مقاوم سازی سازه های ثابت، استفاده از سازه های فولادی می باشد؛ سازه ی فولادی نوعی  از سازه است که مصالح اصلی آن که برای تحمل بارها و انتقال آن‌ها به کار می‌رود از جنس  فولاد است. اتصالات به کار رفته در این نوع سازه‌ها از نوع جوشی، پرچی یا پیچ  است و بسته به نوع اتصالات، قطعات طرح شده و کنترل‌های مربوطه بر روی آن‌ها انجام می‌شود. در حال حاضر فولاد از مهم‌ترین مصالح برای ساخت ساختمان و پل و سایر سازه‌های ثابت به حساب می آید.

ساختمان‌هایی با اسکلت فولادی، از  ستون های عمودی و  تیرهای Iشکال افقی که به شکل شبکه‌های مستطیلی به هم وصل شده‌اند، تشکیل گردیده‌اند. این شبکه ی مستطیل شکل، وظیفه ی نگهداری طبقات، سقف‌ها و دیوارهایی را که به اسکلت ساختمان وصل شده‌اند را بر عهده دارد. توسعه ی این فناوری، امکان ساخت آسمان خراش ها را فراهم آورده است.

از دلایل اصلی شهرت این فولاد به خاطر این واقعیت است که کار با آن نسبتا سبک و آسان است و روند کار را سرعت می بخشد. همچنین سازه های فولای یک سری معایب دارند و آن این که ، فولاد قابل انعطاف است و در صورت نادرست بودن طراحی کلی آن می تواند به راحتی در زیر بارهای زیاد تغییر شکل پیدا کند و می توان گفت این سازه  نسبت به سایر مواد نیز قیمت بالاتری دارد و در طولانی مدت به نگهداری بیشتری نیازمند است.

با این حال به طور کلی مزایای استفاده از فولاد از معایب آن فراتر رفته است. دلیل اصلی استفاده از سازه فولادی به خاطر عملکرد بسیار عالی آن ها تحت کشش است. مصالح فولادی به صورت کلی دارای نمودار تنش کرنشی هستند که تقریبا در دنیا هیچ مصالحی توانایی داشتن چنین قابلیتی را  ندارد.

ستون ها از ویژگی های بناها در طول تاریخ به حساب می آیند، از ستون های تزیین شده معابد باستانی گرفته تا امروزه سازه های قاب فولادی، که نیازمند طراحی های منحصر به فرد می باشند.اگر چه این موارد در عصر مدرن از نظر ظاهری بسیار فروتنانه  هستند اما هنوز فکر و تحلیل زیادی وجود دارد که با استفاده از آن می توان به طراحی ستون فولادی پرداخت. هم چنین لازم است که اقدامات احتیاطی و صحیح ایمنی هنگام کار و انجام محاسبات صورت پذیرد.

* چگونگی طراحی ستون فولادی:

 طراحی ستون فولادی دارای مراحل مختلف و پیچیده است و این فقط یک بررسی مختصر از مراحل اصلی این فرایند است. در واقع  فرآیند طراحی در مورد ستون های فولادی را می توان به موارد زیر تقسیم کرد:

1- محاسبه ی منطقه نفوذ

2- محاسبه ی کلیه بارهای عمل شده برروی ستون ها از ناحیه نفوذ

3- محاسبه ی سطح مقطع

4- بررسی ستون های طولانی، کوتاه و یا خارج از ستون

5- تعیین پیوند های جانبی

- مرحله ی اول: 

 محاسبه ی سطح نفوذ برای طراحی ستون فولادی: 

منطقه ی نفوذ به منطقه ای گفته می شود که بیشترین بار در آن جا عمل می کند. به عبارت دیگر، ناحیه ی  ستون به بیشترین باری که بر ستون اعمال می­ کند گفته می شود که این یک محاسبه ی ساده پس از برجسته کردن پخش است.

- مرحله دوم:

 محاسبه ی  بارهای فعال شده بر روی ستون های منطقه ی نفوذ می باشد:

این بارها می توانند بارهای زنده  و بارهای غیر زنده باشند. که بارهای زنده شامل اشیاء ، نیروهای متحرک و متغیر یعنی انسان و صندلی و میز و... محاسبه می باشد درحالی که بارهای مرده به اجسام غیر منقول مانند کاراجری، صفحات و تیرها اشاره می کنند.

بارکل در هر منطقه = بار مرده در کف+ بار زنده در کف

کل بار در هر طبقه یا p= شماره طبقه x واقعی.

- مرحله ی سوم:

 محاسبه ی سطح مقطع مورد نیاز طراحی ستون های فولادی: 

مرحله ی سوم در این فرایند تعیین کردن سطح مقطع مورد نیاز است. نکته ی مهم برای یادآوری در این جا این است که برای جلوگیری از خم شدن ستون فولادی می توان یک سطح مقطع بزرگ تر در نظر گرفته شود. با وجود این فولادگران می توانند با  افزایش سطح مقطع هزینه های یک پروژه را به شدت بالا ببرند. از طرف دیگر برای پایین نگه داشتن هزینه ها نباید از ایمنی کار  غافل بود و آن به خطر بیفتد، پس باید محاسبات کافی از فشار در پرتو انجام شود و مقطعی مناسب از جداول استاندارد ملی انتخاب شود.

* روش های طراحی سازه فولادی:

طراحی سازه های فولادی به دو روش معمول در آمریکا و ایران انجام می شود.
روش تنش مجاز که به عنوان روش ASD معروف است.
روش طراحی عملکردی که با عنوان LRFD می شناسیم.
روش اول بر اساس ضرایب بار کار می کند.

یعنی مقدار بار را تا حدی مشخصی زیاد کرده و به سازه وارد می کنیم. ولی در روش طراحی بر اساس عملکرد یا LRFD هم ترکیبات بار را با ضرایب زیاد می کنیم و هم قدرت مصالح را کاهش می دهیم. در اصل ضرایب ترکیب بار در بارگذاری و کاهش مقاومت در طراحی هم به همین دلیل است که بر سازه ها وارد می شود

- متداول ترین نوع طراحی ستون فولادی:
 

 نوع ستون مورد استفاده در مهندسی است زیرا در فشرده سازی عملکرد خوب جهانی دارد و دارای بخش های ضخیم برای مقاومت می­ باشد. و برای مقاطع مختلف در دسترس است وشامل:

بخش توخالی دایره ای:

این بخش به طور گسترده بسیار مقاوم است. اما هزینه اتصال بالایی دارد و در صورت وجود ترکیبی از بارهای خمشی و فشرده سازی می تواند ضعیف باشد. از این نوع طراحی اغلب برای سازه های بزرگ دریایی مثل سکوهای نفتی استفاده می شود.

بخش های توخالی مستطیل شکل:

این نوع طرح به طور گسترده در ساختمان های مرتفع استفاده می شود. برای این که مقاومت خوبی در برابر بارگزاری و فشرده سازی دارد.

بخش های زاویه ای:

برای بارهای سبک تر به عنوان مثال در سقف استفاده می شود. اتصال آن ها بسیار راحت و سریع است و این امر را برای پروژه های عمرانی در مقیاس بزرگ مناسب می دانند.تعیین قطر و فاصله ی اتصالات جانبی ستون های فولادی: آخرین مرحله در طراحی ستون های فولادی، تعیین فاصله پیوند ها و اتصال دهنده های عرضی می باشد. در این جا  هدف کاهش فاصله و به حداقل رساندن مقدار قطر است که این امر باعث می شود سازه پایدارتر و سالم تر شود.

- بررسی روش های طراحی ستون های فولادی:

چگونگی  ستون فولادی ارتباط مستقیمی با نوع پایه ی مورد استفاده در ستون ها دارد که برای پایداری و ایمنی سیستم ساختاری ضروری است. به طور کلی دو روش برای طراحی پایه های ستونی ارائه شده است، که فرضیه ی توزیع تنش تماسی یکنواخت و خطی بین صفحه پایه و بتنی در نظر گرفته می شود.

با در نظر گرفتن این دو فرضیه یک برنامه ی رایانه ای برای ابعاد پایه های طراحی ستون های فولادی تهیه دیده شده است. که در آن پایه های ستونی به عنوان یک رابط بتونی استیل بین ستون های فلزی و پایه های آن ها استفاده می شود.

وظیفه ی اصلی آن ها انتقال تنش سازه به سطح پایه ستونی و نزدیک و چسباندن انتهای پایه ی ستون به پایه است. پایه های ستون فولادی عبارتند از: صفحات پایه، میله های لنگرو عناصر مقاوم در برابر برشی که به لبه های آن وارد می شود. 

- اجزای تشکیل دهنده ی  پایه های ستون فولادی:

اتصالات فولادی برای سازه های فلزی خیلی مهم است. اتصالات آن هایی هستند که از ثبات سازه اطمینان حاصل می کنند و پایه به بهترین شکل ممکن از نوع پیوند داخلی در نظر گرفته می شود. به طور مستقیم استاندارهای برزیلی اتصالات پایه ستون های فولادی را پوشش نمی دهند.

پنج نوع پایه ی مختلف برای طراحی ستون های فولادی در نظر گرفته شده است که شامل: پایه های ستون شکا پین شده که به پایه منتقل نمی شود، شکل ثابت یا لحظه ای که به قسمت پایه منتقل می شود، ستون توخالی مستطیل شکل، ستون توخالی دایره ای با صفحه پایه مستطیل شکل، ستون تو خالی دایره ای با صفحات پایه ای مدور.

اصولا پایه های ستون فولادی در معرض نیروهای فشرده سازی یا کششی، لحظه ای و خمشی و نیروهای برشی قرار دارند که می توانند حالت های زیر را القا کنند:

خردکردن بتن در تماس با صفحه پایه، تشکیل مکانیسم لولا پلاستیک در صفحه ی پایه، بازده میل لنگر در تنش، کشویی پایه، کشش بتن میله لنگر، و موارد دیگر.

- طراحی صفحه پایه ستون فولادی:

- طراحی صفحات پایه در معرض نیروهای محوری:

برای قرار گرفتن عناصر پایه مانند میله های لنگرو ستون، حداقل ابعاد صفحه پایه با در نظر گرفتن ابعاد ستون شمارش و حداقل فاصله برای میله های لنگر مانند فاصله سوراخ تا لبه صفحه محاسبه می شود. که صفحات پایه در معرض نیروهای فشرده سازی که بر اساس مقاومت طراحی بتن داده می شود.

- ظرفیت محوری در طراحی ستون فولادی:

ستون ها در واقع  همان عناصر ساختاری هستند که عمدتا فشرده سازی محوری را در یک سیستم ساختاری حمل می کنند. در ساخت و سازهای فلزی ، ستون عضو عمودی است که در معرض بار محوری قرار می گیرد و ستون عضو شیب دار در معرض همان بار محوری است.

فولاد یک ماده بسیار قوی و محکم  است که باعث ایجاد اعضای باریک در ستون می شود. که هر یک از اعضا باید در برابر نیرویی که تجزیه می شود مورد بررسی قرار گیرند. ظرفیت ستون فولادی برای انجام فشرده سازی محوری به طور کلی به عوامل زیر بستگی دارد:

1. نحوه ی اتصال آن به سایر قسمت های سازه یا پایه

2. مقاوت مواد

3. شکل مقطعی

4. طول کلی

5. فرایند ساخت

6. مفهوم ساختاری در ساختار جهانی که تنها قسمتی از آن است به عنوان مثال: قاب های بدون برش، بدون بند و باریک و..

7. وجود بارگزاری عرضی محلی یا بارگزاری محوری خارج از مرکز

8. وجود لحظات خمشی همزمان و برش همانند قاب های سفت و سخت چند طبقه

محاسبه ی قابلیت طراحی ستون های فولادی:

بارگیری کاملا محوری روی یک ستون به دلایل زیر ممکن است  باعث ایجاد خرابی شود.

ظرفیت اسکواش:

همانند ستون های بسیار کوچک که در آن تنش عملکرد به طور یکنواخت در کل منطقه مقطعی اعمال می شود. در این جا شکست زمانی اتفاق می افتد که استرس محوری بالاتر از تنش عملکرد باشد. در صورت افزایش سطح مقطع ستون می توان از این امر جلوگیری کرد.

ظرفیت انعطاف پذیری خمشی:

مثل ستون های باریک که در طراحی ستون های فولادی به طور جانبی در مورد محور اصلی ضعیف تر، انحراف می یابند و خرابی قبل از این که در کل سطح مقطع بارگزاری شود به تنش عملکرد می رسد.

ظرفیت کمانش پیچشی:

همچون شکل غیرمتقارن از ضخامت صفحه نازک که در آن عضو، محور طولی و خرابی آن قبل از وقوع پیچش پیچیده می شود قبل از این که بتواند تنش به دست آورد. این نوع نارسایی عملکرد آن بسیار نادر است و به طور معمول در بخش های نازک تشکیل می شود.

ظرفیت کمانش محلی:

که در یک بخش که در آن نسبت عناصر ویژه  به طوری که طیفی از عضو آن ممکن است به عنوان یک ستون بلند و باریک عمل کند اما عناصر محلی ممکن است قبل از این که تنش به دست آید با آن دست و پنجه نرم می کند. در این موارد عناصر محلی مستعد کمانش، به دلیل نسبت هندسی خود باید با کاهش مقاومت در فشرده سازی طراحی ستون های فولادی شود.

ظرفیت شکست در طراحی ستون های فولادی:

همچون یک بخش مرکب که در آن ستون فولادی به عنوان یک کل از اجزای اصلی قوی تر است. در یک ستون مرکب اجزای اصلی توسط توری یا تخته به یک دیگر گره خورده اند. که اجزای اصلی ممکن است در مورد محور جزئی ضعیف خود بین نقاط مهار شده توسط سیستم بستن یا فشار دادن، فشار بیاورند.

در این نوع نارسایی فشارهای موضعی بالایی وجود دارد که در مکان های عضو ایجاد می شود و سبب آن شده تا پرتو رفتارهایی عجیب نشان دهد و در ناحیه ی خاصی از بین نرود. این به نوبه خود باعث کاهش سفتی در پرتو می شود علی رغم آن که بار خود را ادامه می دهد. این شکست نوعی شکست خوب به حساب می آید زیرا نشان می دهد که این ساختار در طراحی ستون های فولادی تعمیر یا تخریب می شود.

 نتیجه گیری:

در طراحی ستون های فولادی، می توان گفت از آن جایی که ستون های فولادی از مقاومت فشاری خوبی برخوردار هستند ولی تمایل به سوزاندن با خم شدن تحت بارگزاری شدید دارند که این  خود می تواند به دلایلی چون: طول، سطح مقطعی منطقه، روش های رفع آن و شکل بخش آن بستگی داشته باشد.