طراحی سازه فولادی

سازه فولادی

از آنجایی که اسکلت اکثر ساختمان‌ ها‌، فلزی یا بتنی است و ساختمان‌های بنایی غیر مسلح با محدودیت‌های خاص ساخته می‌شوند‌، آشنایی با مراحل ساخت اسکلت فلزی‌‌ ‌می‌تواند در تصمیم گیری مالکین و مهندسین نقش اساسی داشته باشد.

 نکات اجرایی ‌مراحل ساخت اسکلت فلزی

برای اجرای یک ساختمان اسکلت فلزی باید ابتدا تلاش کرد زمین مورد ساختمان سازی دارای مقاومت کافی بوده تا بتواند نیروی وزن ثقلی ساختمان را تحمل کند و دچار نشست نشود. برای این منظور ابتدا از طرف مهندسین اقدام به عملیات برر‌سی مقاومت فشاری زمین مورد نظر می‌نمایند. برای این امر اقدام به گمانه زنی نموده و از خاک طبقات مختلف زمین نمونه برداری کرده و برای مشخص نمودن مقدار بار قابل تحمل نمونه را به آزمایشگاه فرستاده تا مورد آزمایش قرار بگیرد.

پس از این که آزمایشگاه اقدام به مشخص نمودن مقاومت فشاری خاک نمود‌، مهندس طبق این مقاومت فشاری خاک محاسبه پی سازی را انجام می‌دهد. که هر چه این عدد کوچکتر باشد، باید ابعاد پی بزرگتر و هر چه این عدد بزرگتر باشد ابعاد پی بزرگتر می‌شود که معمولاً این عدد نزدیک به یک کیلوگرم بر سانتیمتر مربع است. در این رابطه پیشنهاد میشود مقاله روش های جدید ساختمان سازی را بخوانید.

‌‌بعد از عملیات پی کنی

بعد از خاکبرداری بایستی با بتن مگر به ضخامت ۱۰ سانتیمتر زیر پی ریخته شود. بتن مگر، بتنی با عیار کم سیمان در حدود ۱۵۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مکعب است. تنها هدف از ریختن آن جدا نمودن سطح زمین از سطح پی اصلی و ایجاد سطحی صاف و یکنواخت در زیر پی است. زمین را بایستی بعد از خاکبرداری تراز کرده که به دو صورت با دوربین نیو‌ (Nevo) یا با شلنگ تراز بایستی تراز کنند. با گچ رنگ جایی که پی قرارا می‌گیرد مشخص می‌کنند و زیر آن را مقداری بزرگتر ار ابعاد پی و شناژ به اندازه ۱۰ الی ۲۰ سانتیمتر بیشتر با سنگ و ملات سیمان تراز می‌کنند و بهتر است که کل زمین خاکبرداری را تراز کنند و سطح آن را با ملات ماسه سیمان و سمگ صاف کنند. پس از ریختن بتن مگر طبق نقشه محاسباتی اقدام به آرماتوربندی می‌نمایند.

آرماتورگذاری طبق نقشه‌های محاسباتی بایستی اجرا شود و آن را طبق دیتایل‌ها بایستی اجرا‌ و کنترل کرد. بعد از عمل آرماتوربندی پی اقدام به قالب‌بندی می‌کنند. از انواع قالب‌های چوبی، فلزی و .. استفاده می‌کنند و اگر از قالب‌های چوبی یا فلزی استفاده کنند بایستی حتماً سطح داخل آن را چرب کرد.

بعد از قالب بندی‌، آرماتورهای بولت که برای اتصال صفحه ستون به آن است، در محل مورد نظر قرار می‌گیرند. این بولت‌ها‌ با صفحه بایستی دقیقاً طبق نقشه در یک خط یعنی مرکز آنها، همه از یک خط از دو طرف قرار گیرند. و همه آنها در یک تراز باشند که نیاز به استاد کار ماهر دارد. بایستی از دو طرف ریسمان کشی شود و دقیقاً در محل تقاطع ریسمان‌ها آن قدر صفحه را تغییر دهند تا دقیقاً در آن جا قرار گیرند.

انواع اتصال ستون به شالوده ‌

جزئیات اتصال ستون فلزی به شالوده بتنی به نیروی موجود در پای ستون بستگی دارد. در ستون با انتهای مفصلی فقط نیروی فشاری و برشی از ستون به شالوده منتقل می‌شوند. اگر‌ لنگر خمشی را ‌‌به شالوده منتقل کنند‌، در آن صورت‌، نیاز به طرح اتصال مناسب برای این کار خواهند داشت که اتصال گیردار خوانده می‌شود.

مرحله بتن ریزی

• بعد از این مرحله نوبت به بتن ریزی می‌رسد که دارای اهمیت فروان است. بتن مورد نظر یا از کارخانه تخلیه بتن یا در محل آماده می‌شود.
• مقاومت فشاری بتن حتماً باید مورد آزمایش قرار بگیرد.
• برای آزمایش بتن کافی است نمونه مکعبی یا استوانه‌ای از آن را تهیه و برای مشخص نمودن مقاومت فشاری و کششی …به آزمایشگاه بفرستند تا مقاومتی که مورد نظر بوده است داشته باشد.
• اگر بیشتر باشد مشکلی نیست ولی نباید ‌مقاومت بتن از مقاومت ذکر نموده کمتر باشد.

نکاتی که در هنگام بتن ریزی بایستی رعایت شود.

• قبل از اینکه بتن در محل ریخته شود حتماً حمل بتن (تراک میکسر) چند بار بتن را به هم بزند و از فاصله بالا بتن را خالی نکند چون دانه بندی بتن به هم می‌ریزد. و اگر فاصله زیاد بود باید از ناودانی‌های فلزی که به آن شوت می‌گویند استفاده کند.
• بسته به نوع کار و مقدار آرماتور مصرفی از ویبره برای تراکم کردن بتن استفاده شود. حتماً بتن ریخته شده پس از هر لایه بتن ریزی کاملاً ویبره شود تا هوای داخل بتن خارج شود.
• پس از اتمام مرحله بتن ریزی و گیرش بتن باید سعی شود که سطح بتن مرطوب نگه داشته شود تا آب ترکیب خود را از دست نداده و سریعاً دچار ترگ خوردگی و در نتیجه ضعف بتن نشود.
• پس از گیرش بتن، اقدام به باز کردن قالب نموده و پس از این عملیات، نوبت قرار دادن صفحات بیس پلیت و تعیین آکس آنها برای فرود ستون‌ها‌ است.
• بعد از مشخص کردن آکس ستون‌ها و کار گذاری صفحه ستون‌ها، اقدام به هواگیری صفحه ستون‌ها می‌شود. ‌این عملیات به وسیله ریختن بتن شل در زیر صفحه است و در برخی موارد هم سوراخی در وسط صفحه ستون نموده و این عملیات اجرا می‌شود.
• با سفت گردن پیچ‌های روی بیس پلیت، هوای اضافی خارج می‌شود. این کار به این دلیل است که فضای خالی زیر صفحه ستون باقی نماند و بر اثر فشار از ناحیه ستون‌ها دچار نشست نشود.
• برای تسریع در کار گذاشتن و سرعت بخشیدن و زود مهار شدن تیر آهن ستون‌، قبلاً یک نبشی و یک ورق اتصال بر روی صفحه ستون جوش شده و به محض قرار گرفتن ستون در محل‌ و اطمینان از قائم بودن آن، عملیات جوشکاری انجام می‌شود.

مراحل ساختن ستون‌ها

• مراحل ساختن ستون شامل برش ستون‌ها، برش پروفیل‌های آن، مونتاژ ستون‌ها، سپس برش ورق‌های ستون، مونتاژ آن ورق‌ها روی ستون‌ و پس از آن ساختن نشیمن تیرها و مونتاژ آنها روی ستون‌ها است.
• در طبقات بالاتر، از تیر آهن های با نمره پایین‌تر نسبت به طبقات پایین استفاده می‌شود و دلیل آن هم کاهش بار در طبقات فوقانی است.
• برای تقلیل اندازه ستون، روش معمول این است اختلاف ضخامت توسط اتصال پلیت در طرفین و جوشکاری آن صورت می‌پذیرد.
• ستون‌ها‌ به وسیله قلاب‌هایی که در سر آن وصل شده توسط جرثقیل بلند شده و در محل مورد نظر که قبلاً آکس در روی بیس پلیت مشخص شده قرار می‌گیرد.
• پس از اینکه جوشکاری‌های اولیه صورت گرفت و ستون در محل خود قرار گرفت در این مرحله باید بقیه نبشی‌ها و پلیت‌های لازم به پایه ستون و صفحه ستون جوش شود و در داخل نبشی‌ها حتماً لچکی‌هایی جوش شوند.
• لچکی عبارت است از تکه‌ای از پلیت به ضخامت مشخص که شکل آن تقریباً ذوزنقه‌ای شکل بریده شده و بر دل نبشی‌های متصل شده جوش می‌شود.
• جوش دادن نبشی‌های به ستون و صفحه بیس پلیت عیب این شکل رنگ نزدن به فلزات برای جلوگیری از عمل اکسیدن شدن فلزات است.

ساخت و نصب تیرها

• به دلیل این که توان تیرها را بالا ببرند، اقدام به لانه زنبوری کردن تیرها می‌کنند. برای این منظور با استفاده از شابلن که در اختیار جوشکار قرار می‌دهند و به کمک هوا گاز اقدام به برش می‌کنند. قطعات جدا شده را دوباره تحت شرایطی به هم جوش می‌کنند. سپس دو سر تیر را به کمک پلیت وصله می‌کنند و این کار به دلیل آن است که هنگام کار گذاشتن تیر لانه زنبوری در دو سر نیروی برش حداکثر است‌. برای مقابله با نیروی برش این کار صورت می‌گیرد.
• برای سوار نمودن تیرها بر ستون‌ها قبلاً در ارتفاعات مشخص‌، تیر به ستون سوار می‌شود. در این ارتفاعات نبشی‌هایی قرار گرفته و تیرها بر روی آنها ‌جوش می‌شوند.
• این نبشی‌ها هنگامی که ستون را هنوز به صورت ایستاده قرار نداده‌ و روی زمین افتاده‌اند، صورت می‌گیرد.

اجرای بادبند

• به طور کلی بادبند باعث می‌شود که مقاومت ساختمان در برابر نیروهای افقی مانند باد و زلزله و…افزایش یابد.
• اجرای بادبند به این صورت است که بنا به محاسبه برای بادبند از ناودانی تک یا جفت تک یا جفت و….استفاده می‌شود.
• بعد از اینکه نوع پرویفل طبق محاسبات انتخاب شد از یک سر ستون به پایه دیگر آن به صورت چپ و راست نصب می‌شود و باید از دو طرف کاملاً به وسیله ورق و جوش مهار شود. طرف دیگر نیز به همین صورت اجرا می‌شود و در نهایت به صورت ضربدر درمی‌آید. و محل برخورد دو ضربدر را به وسیله یک پلیت، طبق نقشه محاسباتی ابعاد و ضخامت آن، مهار می‌کنند.
• با توجه به نیرویی که وارد می‌شود ابعاد وصله و خود پروفیل بادبند تغییر می‌کند. مثلاً هر چه به طبقات پایین‌تر نزدیک می‌شوند، قطورتر انتخاب شده، چون نیروی زلزله در طبقات پایین‌تر بیش از طبقات بالا است.

اجزای سازه فولادی

یک سازه فولادی به‌طورکلی از چهار جزء تشکیل‌شده است:

۱. تیرها

۲. ستون

۳. اجزای کششی

۴. اجزای خمشی و فشاری

۱. تیرها

تیرها عضو مهم و جدانشدنی یک سازه فلزی هستند. صفحه‌ستون، کف پله‌ها و ورق‌های باربر نیز عضو کوچکی از تیر هستند.

۲. ستون

وجود ستون‌ها برای یک سازه فلزی ضروری است و برای ساخت ستون از تیرآهن یا قوطی و پروفیل استفاده می‌شود.

۳. اجزای کششی

اجزای کششی سازه برای حفظ و انتقال بارهای محوری کششی طراحی شده اند.

۴. اعضای خمشی و فشاری

منظور از اعضای خمشی، اتصالات سخت در سازه هستند که به شکل صلیبی اجرا می‌شوند و باید سیستم قاب خمشی را به هم متصل کنند. تیرها مهم‌ترین بخش سیستم قاب خمشی هستند. این اعضای خمشی باید به‌قدری مستحکم باشند که سازه بتواند در برابر فشارهای واردشده مقاومت بالایی داشته باشد.

مزایای سازه های فولادی

مقاومت و استحکام بالا در برابر کشش و فشارهای وارده به ساختمان

مقاومت فولاد بالا بوده و نسبت مقاومت به وزن آن از بتن بزرگتر است. این موضوع در سوله‌های با دهانه‌های بزرگ و ساختمان‌های مرتفع و ساختمان‌هائی که بر روی زمین‌های سست احداث می‌شوند‌، از اهمیت بیشتری برخوردار است.

مقاومت متعادل مصالح

مقاومت فولاد در کشش و فشار یکسان و در برش، خوب و نزدیک به کشش و فشار است. در تغییر وضع بارها‌، نیروی وارده فشاری و کششی قابل تعویض بوده و مقاطع به خوبی عکس العمل نشان می‌دهند. ولی مقاومت بتن در فشار مناسب بوده و در کشش ‌یا برش کم است. پس اگر مناطقی تحت نیروی کششی قرار گرفته و مسلح نشده باشند‌، تخریب می‌شوند.

مطلب مورد مطالعه: تفاوت سازه های بتنی و فولادی

خواص ارتجاعی

به علت همگن بودن فولاد‌، خواص ارتجاعی محاسباتی آن با تقریب بسیار خوبی مصداق عملی دارد. فولاد تا محدوده وسیعی از تنش‌ها از قانون هوک بخوبی پیروی می‌کند. بعنوان مثال‌، ممان اینرسی یک مقطع فولادی را می‌توان با اطمینان در محاسبات وارد نمود. حال اینکه در مورد بتن این ارقام خیلی معین و قابل اطمینان نیستند.

ضریب نیروی لرزه‌ای

در قالب‌های بتن مسلح به علت وزن بیشتر‌، ضریب نیروی لرزه‌ای از قاب‌های فلزی بزرگتر است‌.

جوش‌پذیری و شکل پذیری

یکی از خواص مهم مصالح فلزی شکل پذیری آنهاست. فلزات قادرند تمرکز تنش را که در واقع علت شروع خرابی است و نیروهای دینامیکی و ضربه‌ ای را تحمل نمایند‌، در حالی که بتن ترد و شکننده بوده و عملکرد آن در مقابل این نیروها بسیار ضعیف است.

خواص یکنواخت

فولاد در داخل کارخانه و تحت نظارت دقیق تهیه می‌شود‌، لذا خواص آن بر خلاف بتن یکنواخت است. اطمینان در یکنواختی خواص مصالح باعث انتخاب ضریب اطمینان کوچکتر می‌شود که این به نوبه خود منجر به صرفه جویی در مصرف مصالح می‌شود‌.

دوام

دوام فولاد بسیار خوب است. اگر در نگهداری ساختمان‌های فلزی دقت کافی صورت گیرد‌، برای سالیان متمادی قابل بهره برداری خواهند بود.

پیوستگی مصالح

قطعات فلزی عموماً با توجه به مواد متشکه آن پیوسته و همگن هستند‌، ولی در قطعات بتنی در هر زلزله به پوشش بتنی روی میلگرد صدمه وارد می‌شود. ترک‌هائی که در پوشش بتن پدید می‌آید‌، موجب ضعف قطعه شده و احتمال دارد که ساختمان در پس لرزه یا زلزله بعدی تخریب شود‌.

وزن کم

میانگین وزن اسکلت فولادی بین ۲۵۰ تا ۳۹۰ کیلوگرم بر مترمربع‌ یا ۸۰ تا ۱۳۰ کیلوگرم بر مترمکعب است. در حالی که در ساختمان‌های بتن مسلح این ارقام به ترتیب بین ۴۸۰ تا ۷۸۰ کیلوگرم بر مترمربع یا ۱۶۰ تا ۲۵۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب است.

اشغال فضا

در دو ساختمان مشابه از نظر ارتفاع و ابعاد‌، ستون‌ها و تیرهای ساختمان فلزی از نظر ابعاد کوچکتر از ساختمان بتنی هستند‌، یعنی سطح اشغال اسکلت یا فضای مرده در ساختمان‌های بتنی بیشتر است.

امکان مقاوم سازی

اعضاء ضعیف ساختمان فلزی (در اثر محاسبات اشتباه‌، تغییر مقررات و ضوابط ، اجراء و …. ) را می‌توان با اضافه نمودن قطعات جدید‌، تقویت نمود‌، ولی در مورد اسکلت بتنی این عمل به راحتی قابل انجام نیست.

شرایط آسان ساخت و نصب

تهیه قطعات فلزی در کارخانه و نصب آن در محل‌، در هر شرایط جوی با اعمال تهمیدات لازم قابل انجام است. در مورد ساختمان‌های بتنی محدودیت‌های بیشتری در این رابطه وجود دارد.

سرعت اجرا

سرعت نصب قطعات فلزی نسبت به قطعات بتنی بسیار بیشتر است.

پرت مصالح

با توجه به اینکه قطعات اسکلت فلزی در کارخانه تولید می‌شود‌، میزان هدر رفتن مصالح نسبت به تهیه و بکارگیری بتن کمتر است.

معایب سازه های فولادی

ضعف در برابر حرارت

مقاومت فلز با افزایش دما کاهش می‌یابد. اگر دمای اسکلت فلزی به حدود ۶۰۰ درجه سانتی گراد برسد‌، تعادل ساختمان به خطر می‌افتد.

خوردگی فلز در مقابل عوامل خارجی

ساختمان‌های اسکلت فلزی در مقابل عوامل جوی دچار خوردگی شده و از ابعاد مفید آنها کاسته می‌شود. ضمناً مخارج نگهداری و محافظت آنها هم زیاد است. برای آشنایی با روش های جلوگیری از فرسایش ساختمان مطلب را مطالعه کنید.

تمایل قطعات فشاری به کمانش

با توجه به اینکه تعداد قطعات فلزی زیاد بوده و ابعاد آنها معمولا” کوچک است‌، تمایل به کمانش در این قطعات زیاد بوده و این موضوع یک نقطه ضعف محسوب می‌شود.

جوش نامناسب

استفاده از پیچ و مهره و تهیه قطعات در کارخانه‌، اقتصادی‌ترین و فنی‌ترین کار بوده که در کشور ما برای ساختمان‌های متداول انجام چنین کاری مقدور نیست. استفاده از جوش برای اتصالات‌، به علت مهارت کم جوشکاران‌، قدیمی بودن ماشین آلات‌، عدم کنترل دقیق توسط مهندسین ناظر‌، گران بودن هزینه آزمایش جوش و …… برزگترین ضعف اسکلت‌های فلزی است.

انواع اسکلت فلزی

انواع سازه فولادی را می‌توان به ۴ دسته تقسیم کرد:

۱. سازه معلق

۲. سازه قابی

۳. سازه خرپایی

۴. سازه پوسته‌ای

۱. سازه معلق

از این نوع سازه در پل‌های معلق یا سقف‌های بلند که نیروی کششی زیادی بر اعضای سازه وارد می‌شود، استفاده خواهد شد. اسکلت قاب‌بندی شده در این نوع سازه‌ها، توسط کابل‌های کشیده شده، معلق است.

۲. سازه قابی

سازه قابی از ستون‌های عمودی فولادی و تیرهای افقی به شکل L تشکیل‌شده است که یک قاب اسکلت فلزی را تشکیل می‌دهد. اگر قرار باشد که سازه، ارتفاع زیادی داشته باشد، استفاده از سازه قابی ضروری است؛ به این دلیل که از سقف، دیوار و طبقات به‌خوبی پشتیبانی می‌کند.

از مهم‌ترین کاربردهای سازه قابی فولادی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

•         استفاده در ساختمان‌هایی با ارتفاع زیاد مانند ساختمان‌های چندطبقه و آسمان‌خراش‌ها

•         قابل استفاده در انبارها

•         قابل استفاده در ساختمان‌های صنعتی

•         قابل کاربرد در ساختمان‌های مسکونی

•         قابل استفاده در سازه‌های موقت

۳. سازه خرپایی

سازه فولادی خرپایی، با ظاهری مثلثی شکل به‌خوبی می‌تواند نیروی کششی و فشاری را تحمل کرده و به سازه منتقل کند. این نوع سازه در سه نوع ساده، مرکب و پیچیده قابل تولید است. سازه خرپایی را می‌توان در برخی از کاربردها، به‌صورت مجدد استفاده کرد.

۴. سازه پوسته‌ای

سازه فولادی پوسته‌ای یکی از انواع سازه‌های فلزی است که با شکل ویژه هندسی ساخته شده و نسبتا ضخامت کمتری دارد. این محصول، از ورق‌های نازک استوانه‌ای و کروی تشکیل شده است. بنابراین استفاده از آن باعث کاهش قابل توجه وزن سازه می‌شود.