سازه‌های فولادی

فولاد به عنوان ماده‌ای با مشخصات خاص و منحصر بفرد‌، مدت‌هاست در ساخت ساختمان‌ها کاربرد دارد. قابلیت اجرای دقیق‌، رفتار سازه‌ای معین‌، نسبت مقاومت به وزن مناسب‌، در کنار امکان اجرای سریع سازه‌های فولادی همراه با جزئیات و ظرافت‌های معماری‌، فولاد را به عنوان مصالحی منحصر و ارزان در پروژه‌های ساختمانی مطرح نموده است. به نحوی که اگر ضعف‌های محدود این ماده، نظیر مقاومت کم در برابر خوردگی و عدم مقاومت در آتش سوزی‌های شدید به درستی مورد توجه و کنترل قرار گیرند‌، امکانات وسیعی در اختیار طراح قرار می‌دهد که در هیچ ماده دیگر قابل دستیابی نیست.

‌در فولاد ساختمانی عموماً در حدود ۳ درصد کربن و ناخالصی‌های دیگری مانند فسفر‌، سولفور‌، اکسیژن و نیتروژن و چند ماده دیگر موجود است. ساخت فولاد شامل اکسیداسیون و جدا نمودن عناصر اضافی و غیر ضروری موجود در محصول کوره بلند و اضافه کردن عناصر مورد نیاز برای تولید ترکیب دلخواه است. برای ساخت فولاد، از چهار روش اصلی استفاده می‌شود.

1. ‌‌روش کوره باز
2. ‌روش دمیدن اکسیژن
3. روش کوره برقی
4. روش خلاء ‌

فولاد

فولاد یکی از مهمترین مصالح ساختمانی به شمار می‌آید. فولاد از احیا شدن سنگ آهن‌، به همراه کک و اکسیژن در کوره‌های بلند با درجه حرارت زیاد بدست می‌آید .آهن خام که به این ترتیب به دست می‌آید بین ۳ تا ۴ درصد کربن دارد.

محاسن فولاد

• مقاومت زیاد
• شکل پذیری زیاد
• یکسان بودن مقاومت و فشار
• عملکرد مناسب در برابر زلزله به علت شکل پذیری و سبک بودن

مهمترین عیب فولاد ضعف در برابر آتش سوزی است.

خصوصیات فولادهای ساختمانی

آنچه فولاد را به عنوان یک مصالح ساختمانی مناسب معرفی کرده، می‌تواند شامل موارد زیر باشد.

• تغییر شکل در اثر بارگذاری و ایجاد تنش یکنواخت
• وجود خاصیت الاستیک و پلاستیک
• شکل پذیری
• خاصیت چکش خواری و تورق
• خاصیت خمش پذیری
• خاصیت فنری و جهندگی
• خاصیت چقرمگی
• خاصیت سختی
• استاتیکی و دینامیکی
• مقاومت نسبی بالا
• ضریب ارتجاعی بالا
• جوش پذیری
• همگن بودن
• امکان استفاده از ضایعات
• امکان تقویت مقاطع در صورت نیاز

طراحی ساختمان‌های فولادی

انتخاب نوع مقطع‌، روش ساخت‌، روش بهره برداری و محل ساخت ساختمان‌، خصوصیات و ویزگی‌های متنوعی برای ساخت اسکلت باربر یک ساختمان بوجود می‌آورد. مزیت‌های هر سیستم سازه‌ای و مصالح مورد نیاز آن سیستم را در صورتی می‌توان بکار برد که خصوصیات و ویژگی‌های آن مصالح و سیستم‌ها در مرحله طراحی به حساب آورده شود. طراح باید در مورد هر یک از مصالح به درستی قضاوت کند‌. این موضوع بویژه در ساختمان‌هایی که اسکلت فولادی دارند ضروری است‌. معیارهای سازه‌ای زیر اهمیت زیادی در طراحی کلی و ستون گذاری ساختمان دارد.

• نوع مقطع
• آرایش و روش قرار‌گیری مقاطع
• فواصل تکیه گاهی
• اندازه دهانه‌های سقف
• نوع مهاربندی
• نوع سیستم صلب کننده

محل قرارگیری سیستم صلب کننده (سیستم فضاسازی داخلی)

• برای استفاده بهینه از خواص مطلوب سازه‌های فولادی‌، سیستم فضاسازی داخلی باید طبق موارد زیر اختیار شود.
• متشکل از قطعات پیش ساخته باشد. بدین منظور که سرعت بیشتر نصب و برپایی سازه‌، موجب کوتاه شدن زمان کلی ساخت می‌شود.
• ‌قطعات سبک باشد تا وزن کلی ساختمان به حداقل ممکن برسد.
• نوع سیستم انتخاب شده‌، سازگار با سیستم سازه‌ای انتخاب شده باشد.
• با یک روش اقتصادی قابل محافظت در برابر آتش باشد.

طراحی سازه‌های فلزی با توجه به روش مهاربندی

تمام ساختمان‌ها باید برای مقاومت در برابر نیروی زلزله و باد‌ یا دیگر نیروهای افقی صلب شوند سیستم صلب کننده باید دارای ویژگی‌های زیر باشد.

• نیروهای جانبی را به فونداسیون منتقل کند.
• تغییر مکان‌های افقی را محدود کند.

در ساختمان‌های بلند باید ملاحظات ویژه‌ای برای جلوگیری از ایجاد نوسانات ناشی از باد در نظر گرفته شود. بزرگی نیروهای افقی اعمال شده در اثر باد به عوامل زیر بستگی دارد.

• سرعت باد
• شکل آیرودینامیکی ساختمان
• وضعیت سطح نما
• روش‌های صلب کردن

یک قاب سازه‌ای فولادی را می‌توان به یکی از روش‌های زیر مهاربندی کرد.

• سیستم‌های قاب صلب
• سیستم‌های قاب بادبندی
• دیوارهای بتنی بصورت دیوارهای برشی یا هسته‌های بتنی

انتخاب روش صحیح مهاربندی‌، اهمیت عمده‌ای در طراحی سازه‌ای دارد و حتی ممکن است کل‌ طراحی یک ساختمان بلند مرتبه را تحت تاثیر قرار دهد. مهار بندی به وسیله اعضای بادبندی یا دیوارهای بتنی به صورت دیافراگم صلب‌، نقاط ثابتی را در ساختمان ایجاد می‌کند. به گونه‌ای که آزادی عمل در جانمایی و معماری داخل ساختمان را محدود می‌کند.

طراحی با توجه به اجزای تشکیل دهنده فضاهای داخلی ساختمان

انتخاب سیستم مناسب برای اجزای داخلی ساختمان به عوامل مختلفی بستگی دارد. روش‌های زیر به طور رایج در ساخت سقف‌های متکی به تیرهای فولادی به کار می‌‌روند.

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

عملکرد مرکب بین دال بتنی و تیر فولادی که در هر سه روش امکان پذیر است‌، سبب اقتصادی شدن ساخت میشود. مسئله حفاظت قسمت‌های فولادی سقف در برابر آتش سوزی باید در اجرای سقف در نظر گرفته شود. استفاده از سقف کاذب می‌تواند این کار را به خوبی انجام دهد. در سازه‌های اسکلت فلزی‌، معمولاً دیوارهای خارجی باربر نیستند. برای ساخت این دیوارها‌، بنابر شرایط موجود‌، از مصالح مختلف استفاده می‌شود.

لزوم محافظت در برابر حریق‌، خوردگی و عایق بندی صوتی سازه‌های فلزی

اغلب‌ هزینه لازم برای محافظت ساختمان‌های فلزی در برابر آتش سوزی و خوردگی و عایق بندی صوتی بسار زیاد است. ولی استفاده از راه‌های معقول و مناسب برای هر ساختمان‌، با توجه به سیستم بکار رفته در آن‌، می‌تواند باعث کاهش این هزینه شود.

ایجاد یک سیستم محافظت در برابر آتش سوزی در تمام ساختمان‌های فلزی لازم و ضروری است. آنچه از اقتصادی در این مسئله حائز اهمیت است‌، استفاده از روش صحیح حفاظت اجزای فلزی است. اغلب المان‌های داخلی ساختمان مانند سقف و دیوارهای داخلی و خارجی آن به عنوان یک سیستم محافظت در برابر آتش سوزی در ساختمان قابل استفاده است. تیرها و ستون‌های فلزی می‌تواند به روش مناسب در بین این اجزا مدفون شود. در غیر اینصورت باید با روش مناسب اسکلت فولادی ساختمان محافظت شود.

از آنجایی که زنگ زدگی در قطعات داخلی ساختمان فولادی با توجه به رطوبت ناچیز موجود در هوا بعید به نظر می‌رسد‌، محافظت در بر ابر خوردگی برای این قطعات یک مشکل جدی محسوب نمی‌شود. بنابراین حفاظت در برابر خوردگی فقط برای قطعات بیرونی و اجزایی که در معرض رطوبت هوا قرار دارند لازم و ضروری است. مشخصات صوتی یک ساختمان‌، بستگی به خواص اجزای داخلی آن‌ مانند نوع سقف و سیستم دیوارهای جداکننده و تیغه‌ها دارد. در این بین‌، سیستم اسکلت باربر ساختمان نقش کمتری دارد. رفتار اسکلت یک ساختمان بتنی و فولادی‌، با یک سیستم فضاسازی داخلی مشابه‌، یکسان است.

توجیه اقتصادی سازه‌های فولادی

در ارزیابی اقتصادی یک ساختمان فولادی‌، فقط در نظر گرفتن قیمت مصالح ساختمانی و نیروی انسانی کفایت نمی‌کند.‌ بقیه عوامل موثر در این موضوع باید مورد بررسی قرار گیرد. موارد زیر در اقتصاد یک ساختمان موثر است.

قیمت زمین

‌بدلیل کوچک بودن مقاطع عرضی در ساختمان‌های فولادی‌، فضای کمتری توسط اسکلت سازه اشغال شده و در مقایسه با سازه‌های بتنی‌، ساختمان‌های فلزی در پلان دارای سطح موثر بیشتری هستند. بنابراین هزینه زمین در هر متر مربع مفید ساختمان‌، در ساختمان‌های فلزی کمتر خواهد بود.

مصالح در دسترس

ارزش نهایی ساختمان

‌هر چه مدت زمان ساخت یک ساختمان کوتاه‌تر باشد‌، هزینه نهایی آن ساختمان کمتر خواهد بود‌. با توجه به روش‌های مختلف ساخت سازه‌،‌ در مقایسه با سایر روش‌ها‌، ساخت سازه‌های فلزی زمان کمتری صرف می‌کند.

هزینه اسکلت اصلی سازه ( سفت کاری‌)

تاثیر نازك کاری

تاثیر نصب تجهیرات و تاسیسات

نحوه تاثیر این عوامل در بهره برداری بهینه از ساختمان

هزینه ایجاد تغییرات داخلی و بهسازی در ساختمان

هزینه تخریب ( در ساختمانهای با عمر کوتاه‌)

بررسی میزان مصرف فولاد در ساختمان‌های فلزی

در ساختمان‌های فلزی‌، هزینه با توجه به میزان مصرف فولاد در هر متر مربع مساحت کف‌ یا متر مکعب ساختمان محاسبه می‌شود‌. هزینه ساخت و میزان مصرف فولاد به عوامل زیر بستگی دارد.

• تعداد طبقات
• بار اعمال شده به طبقات ( مرده و زنده‌)
• دهانه‌ها در اطراف ستون
• ضخامت سقف
• سیستم سازه‌ای (‌سیستم انتقال بارهای قائم و جانبی‌)

انتقال بار در سازه‌های فولادی

سازه‌های فولادی مشتمل بر تعدادی تیر و ستون به شکل قاب و نیز شامل تعدادی تقویت کننده‌، به منظور ایستایی بیشتر هستند. بدیهی است انتقال بارهای افقی و قائم از طریق این اجزاء صورت می‌گیرد‌. به این صورت که ‌سقف‌، بارهای عمودی ر ا تحمل کرده و بصورت افقی‌، از طریق تیرها به تکیه‌گاه‌های تیر منتقل می‌کند‌.

‌سیستم باربر قائم (‌ستون‌ها‌) ، بارها را از تکیه‌گاه‌های دو سر تیر به فونداسیون انتقال می‌دهد‌.

‌همچنین سیستم‌های مهاربندی قائم و افقی‌، بارهای جانبی ناشی از باد‌، زلزله‌، فشار زمین و … را به فونداسیون‌ها منتقل می‌نمایند. ماهیت انتقال بار از طریق تیرها به تکیه‌گاه‌ها و روش قرارگیری تیرها (‌تیر ریزی‌) به عوامل زیر بستگی دارد.

• نوع مقطع قابل استفاده با توجه به طراحی معماری
• فواصل تکیه‌گاه‌ها و طول دهانه تیر با توجه به طراحی سازه‌ها
• روش انتقال بار توسط اجزای باربر
• سیستم تکیه‌گاهی انتخاب شده (‌صلب‌، نیمه صلب‌، ساده‌)

تعریف ستون فلزی ‌

ستون عضوی است که معمولاً به صورت عمودی در ساختمان نصب می‌شود و بارهای کف ناشی از طبقات به وسیله تیر و شاهتیر به آن منتقل می‌شود و سپس به به زمین انتقال می‌یابد.

شکل ستون‌ها ‌

شکل سطح مقطع ستون‌ها معمولاً به مقدار و وضعیت بار وارد شده بستگی دارد. برای ساختن ستون‌های فلزی از انواع پروفیل‌ها و ورق‌ها استفاده می‌شود. عموماً ستون‌ها از لحاظ شکل ظاهری به دو گروه تقسیم می‌شوند.

نیمرخ (پروفیل) نورد شده شامل انواع تیرآهن‌ها و قوطی‌ها

بهترین پروفیل نورد شده برای ستون‌، تیرآهن‌ یا قوطی‌های مربع شکل است. زیرا از نظر مقاومت بهتر از مقاطع دیگر عمل می‌کند. ضمن اینکه در بیشتر مواقع عمل اتصالات تیرها به راحتی روی آنها انجام می‌گیرد.

مقاطع مرکب ‌

هرگاه سطح مقطع و مشخصات یک نیمرخ (پروفیل‌) به تنهایی برای ایستایی (‌تحمل بار وارد شده و لنگر احتمالی‌) یک ستون کافی نباشد‌، از اتصال چند پروفیل به یکدیگر‌، ستون مناسب آن (مقاطع مرکب‌) ساخته می‌شود.

چگونگی ساخت ستون (مقاطع مرکب)‌

ستون‌ها ممکن است بر حسب نیاز با ترکیب و اتصالات متنوع از انواع پروفیل‌های مختلف ساخته شوند‌، اما رایجترین اتصال برای ساخت ستون‌ها سه نوع است.

اتصال دو پروفیل به یکدیگر به طریقه دوبله کردن‌

ابتدا دو تیرآهن را در کنار یکدیگر و بر روی سطح صاف به هم چسبیده شوند. سپس دو سر و وسط ستون را جوش داده و ستون برگردانده شده و مانند قبل جوشکاری صورت می‌گیرد. آن گاه ستون معکوس و در قسمت وسط‌، جوشکاری می‌شود. همین کار را در سوی دیگر ستون انجام می‌دهند و به ترتیب جوشکاری ادامه می‌یابد تا جوش مورد نیاز ستون تامین شود. این شیوه جوشکاری برای جلوگیری از پیچش ستون در اثر حرارت زیاد جوشکازی ممتد است. در صورتی که در سرتاسر ستون به جوش نیازی نباشد‌، دست کم جوش‌ها باید به این ترتیب اجرا شود.

• حداکثر فاصله بین طول‌های جوش در طول ستون به صورت غیر ممتد از ۶۰ سانتیمتر تجاوز نکند.
• طول جوش ابتدا‌یی و انتهایی ستون باید برابر بزرگترین عرض مقطع باشد و به طور یکسره انجام گیرد.
• طول موثر هر قطعه از جوش منقطع نباید از ۴ برابر بعد جوش یا ۴۰ میلیمتر کمتر باشد.
• تماس میان بدنه دو پروفیل نباید از یک شکاف ۱/۵ میلیمتری بیشتر‌، اما از ۶ میلیمتر کمتر باشد. ضمناً بررسی‌های فنی نشان می‌دهد که مساحت کافی برای تماس وجود ندارد. در آن صورت‌، این بادخور باید با مصالح پر کننده مناسب شامل تیغه‌های فولادی با ضخامت ثابت پر شود.

اتصال دو پروفیل با یک ورق سراسری روی بال‌ها

در مقاطع مرکبی که ورق اتصال بر روی دو نیمرخ متصل می‌شود تا مقاطع مرکب تشکیل بدهد. فاصله جوش‌های مقطع (غیر ممتد‌) که ورق را به نیمرخ‌ها متصل می‌کند‌، نباید از ۳۰ سانتیمتر بیشتر شود. اندازه حداکثر فاصله فوق الذکر در مورد فولاد معمولی به صورت ۲۲t که t  در آن ضخامت ورق است، در می‌ آید.

اتصال دو پروفیل با بست‌های فلزی (تسمه)

متداولترین نوع ستون در ایران ستون‌های مرکبی است که دو تیرآهن به فاصله معین از یکدیگر قرار می‌گیرد و قیدهای افقی یا چپ و راست این دو نیمرخ را به هم متصل می‌کند. البته بست‌های چپ و راست که شکل‌های مثلثی را به وجود می‌آورند‌، دارای مقاومت بهتری نسبت به قیدهای موازی هستند.

روش نصب نبشی بر روی کف ستون‌ها (بیس پلیت) برای استقرار ستون

هنگام محاسبه ابعاد کف ستون‌ها باید حداقل فاصله میله مهاری از لبه کف ستون و محل جاگذاری نبشی با ضخامت جوش لازم برای نگه داشتن ستون‌، همچنین ضخامت پلیت انتهایی ستون و ابعاد ستون ر ا با دقت بررسی کرد. سپس با توجه به موارد یاد شده‌، به نصب نبشی و استقرار ستون به این صورت اقدام نمود‌ . بر روی بیس پلیت‌ها محل کف ستون و محل آکس را کنترل میکنند.

سپس نبشی‌های اتصال را به صورت عمود بر هم بر روی بیس پلیت جوش داده‌، آنگاه ستون را مستقر و اقد‌ام به نصب دیگر نبشی‌های لازم کرده و آنها را به بیس پلیت جوش میدهند.

از مزایای عمود بر هم بودن دو نبشی روی بیس پلیت علاوه بر سرعت عمل و استقرار بهتر به علت تماس مستقیم ستون به بال نبشی‌، اتصال جوشکاری به گونه‌ای درست‌تر و اصولی‌تر صورت می‌گیرد. روشن است که قبل از جوشکاری باید ستون‌ها را هم محور و قائم نموده و عمود بودن در دو جهت کنترل شود. پس از نصب ستون‌ها با توجه به ارتفاع ستون و آزاد بودن سر ستون ممکن است تا زمان نصب پل‌ها‌، ستون‌ها در اثر شدت باد و وزن خود حرکت‌هایی داشته باشند که احتمالاً تاثیر نا‌مطلوب و ایجاد ضعف در جوشکاری و اتصالات کف ستون‌ها خواهد داشت. به این سبب‌، باید پس از نصب‌‌، فوراً به مهاربندی موقت ستون‌ها به وسیله میلگرد یا نبشی بصورت ضربدری اقدام کرد.

طویل کردن ستون‌ها ‌

سازه‌های فلزی را اغلب در چندین طبقه احداث می‌کنند. طول پروفیل‌ها برای ساخت ستون محدود است. با در نظر گرفتن بار وارده و دهانه بین ستون‌ها و نحوه قرار گرفتن ستون‌های کناری‌، مقاطع مختلفی برای ساخت ستون‌ها به دست میآید. ممکن است در هر طبقه، ابعاد مقطع ستون با طبقه دیگر تفاوت داشته باشد. بنابراین‌، باید اتصال مقاطع با ابعاد مختلف برای طویل کردن با دقت زیادی انجام شود. محل مناسب برای وصله ستون‌ها
به هنگام طویل کردن آنها حداقل در ازتفاع ۴۵ تا ۶۰ سانتی متر بالاتر از کف هر طبقه یا ۱/۶ ارتفاع طبقه است. این ارتفاع اندازه حداقلی است که از نظر دسترسی به محل اجرای جوش و نصب اتصالات مورد نیاز برای ادامه ستون یا اتصال بادبند لازم است.

منبع : عمران سافت