یک سازه طراحی شده جهت عملیات صنعتی که شرایط لازم برای کارگران و تجهیزات صنعتی در آن فراهم شده باشد را سازه صنعتی گویند. اصولاً سازه صنعتی را نمی‌توان به عنوان یک نوع اسکلت مستقل در نظر گرفت؛ چرا که این سازه‌ها از نظر نوع اسکلت معمولاً یا به صورت فلزی و یا بتنی و یا تلفیقی از سازه‌های فلزی و بتنی اجرا می‌شوند. اگرچه از سازه‌های فولادی در استراکچرهای صنعتی به علت شکل پذیری و متعاقبا مقاومت بیشتر در برابر زلزله به مراتب بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ما در این مقاله قصد داریم دسته‌بندی کلی استراکچرها و سازه صنعتی را نام برده و سپس تعدادی از این سازه‌ها را به صورت اختصاصی بررسی کنیم، پس با ما همراه باشید.

انواع استراکچر و سازه صنعتی

یک سازه طراحی شده جهت عملیات صنعتی که شرایط لازم برای کارگران و تجهیزات صنعتی در آن فراهم شده باشد را سازه صنعتی گویند. اصولاً سازه صنعتی را نمی‌توان به عنوان یک نوع اسکلت مستقل در نظر گرفت؛ چرا که این سازه‌ها از نظر نوع اسکلت معمولاً یا به صورت فلزی و یا بتنی و یا تلفیقی از سازه‌های فلزی و بتنی اجرا می‌شوند. اگرچه از سازه‌های فولادی در استراکچرهای صنعتی به علت شکل پذیری و متعاقبا مقاومت بیشتر در برابر زلزله به مراتب بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سازه‌هایی چون سوله کارخانه‌ها، سالن‌های بزرگ وسایل صنعتی، کارگاه‌های صنعتی، سوله دپو و غیره از جمله کاربردهای سازه صنعتی فلزی هستند. در این میان فلز مورد بحث، همان فولاد رایج مورد استفاده برای طراحی و ساخت ساختمان‌ها است. سازه صنعتی فلزی به دو دسته اسکلتِ فلزیِ سوله‌ها و استراکچر فلزی صنعتی تقسیم می‌گردند.

انواع سازه صنعتی بیشتر در صنایع شیمیایی، متالورژی و معدن به کار می رود و میزان استفاده از آن‌ها روز به روز با بالا رفتن میزان فعالیت‌های صنعتی، در حال افزایش است و در خطوط تولید کارخانه‌ها به منظور نصب و قرارگیری دستگاه‌ها و ماشین آلات صنعتی و تکمیل پروسه تولید استفاده می‌شود. این استراکچرها که پلتفرم‌های صنعتی نیز گفته می‌شوند از دوام و استحکام بالایی نسبت به دیگر سازه‌های فلزی برخوردار می‌باشند.

انواع مختلفی از سازه صنعتی وجود دارد. از کارخانه‌های عظیم صنعتی گرفته تا سوله‌های کوچک کارگاهی؛ اما می‌توان آن‌ها را به گروه‌های اصلی زیر تقسیم کرد:

• سازه صنعتی انتقالی: سازه‌های انتقالی که می‌تواند شامل کانال‌ها، خطوط لوله به منظور اجرای شبکه برق و انتقال مواد خام باشد و حتی برج‌های خطوط انتقال نیرو و تیرهای خطوط ارتباطی نیز جزء سازه‌های انتقالی هستند. در برخی موارد برج‌های نوری و دودکش نیز در دسته سازه‌های انتقالی قرار می‌گیرند.
• سازه صنعتی مخصوص صنعت نفت و گاز و سیالات: سازه‌های صنعتی جهت تهویه هوا، سازه‌هایی به منظور تخلیه آب یا حتی تأمین آب و گاز مانند بونکرها، سازه‌های صنعتی مخازن ذخیره نفت، سازه صنعتی مانند سیلوها، مخازن فشار، حوضچه‌های آرامش، برج‌های خنک کننده و شبکه‌های انتقال آب در این گروه از سازه صنعتی قرار می‌گیرند.
• سازه صنعتی نگهداری ماشین آلات تولیدی و فونداسیون: هدف اصلی این نوع سازه صنعتی، ساپورت از سازه اصلی است. این تجهیزات و فونداسیون‌ها به منظور نصب دستگاه‌های صنعتی مهم و حیاتی اجرا می‌شوند.
• سازه صنعتی حمل و نقلی: روگذر‌ها، سکوهای استقرار جرثقیل، آب‌گذرها و حتی سکوهای استقرار به جهت تخلیه بار از جمله سازه صنعتی حوزه حمل و نقل هستند.

انواع مختلف فونداسیون برای مخازن به شرح زیر است:

• فونداسیون به شکل تپه خاکی برآمده: در این نوع فونداسیون، زیر مخازن شامل لایه‌هایی است شنی و مخلوط با مواد سنگریزه‌ای که با استفاده از مواد روغنی، تحت فشار به یکدیگر خوب فشرده شده‌اند، در مواردی بعضا کف مخازن را با استفاده از لایه‌های قیر می‌پوشانند و یا به جای استفاده از قیر از موادی دارای سطوح دانه مانند استفاده می‌کنند. با این کار فاصله‌ای حائل کف و زمین به وجود خواهد آمد. لازم به ذکر است در صورتی که شرایط خاک از استحکام مناسب برخوردار نباشد، از دیگر انواع فونداسیون استفاده می‌گردد.
• فونداسیون به شکل پی گسترده تقویت شده: در مواردی که مخزن به حد زیادی بزرگ نباشد، می‌توان از پی بتنی به شکلی که زیر مخزن را پر کرده باشد، استفاده نمود. در این حالت روی سطح بتن با استفاده از قیرهای آغشته به ماسه نرم و تقریبا به ضخامت ۵۰ میلی‌متر پوشانده می‌شود. با این کار کف مخزن می‌تواند به روی بتن حالت انعطاف پذیری داشته باشد. ضمنا از بروز خوردگی هم جلوگیری می‌گردد.
• فونداسیون به شکل دیواره حلقه مانند بتنی در زیر دیواره مخزن: مخازن بزرگ، مخازن با دیواره‌های بلند و سنگین، فشار قابل توجه و زیادی را بر روی کف مخزن و فونداسیون تحمیل می‌کنند. به همین علت فونداسیون‌هایی طراحی می‌شوند که دارای دیواره‌هایی در اطراف هستند.
• شمع کوبی: گاهی اوقات محلی که باید مخزن در آنجا نصب گردد، استحکام مناسبی ندارد و استفاده از دیواره‌های بتنی نیز، نمی‌تواند بارهای سازه را به زمین منتقل کند. در واقع خاک مناسبی زیر فونداسیون وجود ندارد که بارهای وارده را مهار کند. در این مواقع از انواع دیگری از فونداسیون نظیر شمع کوبی استفاده می‌گردد.
• اجرای این نوع فونداسیون بدین صورت است که تعداد زیادی شمع‌های بتنی را که درون آنها آرماتور وجود دارد، تا عمق زمین و به صورت عمودی، به وسیله دستگاه‌هایی با ضربه زدن، به زمین می‌کوبند. عمل کوبیدن، تا زمانی که نوک شمع در درون زمین به محل سفتی برسد، صورت می‌گیرد. پس از آنکه شمع‌ها به نقطه محکمی از زمین رسید در حدی که نتوان آن‌ها را بیش از آن مقدار وارد زمین کرد، عملیات شمع کوبی خاتمه می‌یابد (گاهی اوقات این شمع‌ها را تا اعماق ۳۰ تا ۴۰ متری درون زمین وارد می‌کنند).

سپس یک فونداسیون گسترده روی آن اجرا می‌کنند و آرماتورهای شمع‌ها را به آن متصل می‌کنند، که به این فونداسیون گسترده اصطلاحا کلاهک شمع می‌گویند. بدین شکل فونداسیون محکمی، به وجود می‌آید و می‌توان بر روی آن مخزن را نصب نمود.

طراحی پایپ رک‌ها

یکی از مهم‌ترین سازه‌های پالایشگاهی، پایپ رک‌ها می‌باشند که نوعی سازه صنعتی محسوب شده و معمولا سازه‌هایی بتنی، فولادی و یا ترکیبی از این دو هستند. البته این سازه‌ها را غالباً از قاب‌های فولادی می‌سازند که بعضا در چندین طبقه طراحی و ساخته می‌شوند و جهت نگهداری لوله‌ها و سایر تجهیزات در ترازهای مورد نیاز به کار می‌روند. نقش پررنگ اجزای بتنی در ساخت پدستال‌های پایپ رک دیده می‌شود.

این سازه‌ها معمولا دارای نسبت طول به عرض زیاد می‌باشند. پایپ رک‌ها سازه‌هایی غیر ساختمانی هستند که شباهت زیادی به سازه‌های ساختمانی فولادی یا بتنی دارند و سیستم مقاوم جانبی در آن‌ها قاب خمشی و قاب ساده به همراه مهاربند است. عمده بار وارده بر پایپ رک‌ها، بار لوله‌های عبوری از روی آن‌ها می‌باشد.

طراحی پایپ رک با استفاده از آیین نامه‌های ساختمانی همواره دارای ابهاماتی بوده و مدل سازی پایپ رک عمدتا با استفاده از نرم افزارهای مهندسی ETABS و SAP2000 و با مدل سازی مؤثر همچون مقاومت، سختی، شکل پذیری، نسبت میرایی، پاسخ دینامیکی متأثر از زلزله و … انجام می‌پذیرد. سپس اتصالات سازه عموما به صورت دستی محاسبه شده و در آخر به منظور تأیید عملکرد نهایی سازه مجددا مدل می‌شوند.

الزامات طراحی:

• طراحی اسکلت سازه بایستی بر اساس استاندارد AISC یا آیین نامه‌های برگرفته از آن صورت پذیرد. استفاده از روش طرح پلاستیک ارائه شده در این استاندارد جهت طرح اسکلت سازه مجاز نیست.
• اسکلت سازه و فونداسیون بایستی برای حداکثر بارهای وارده در زمان بهره‌برداری طراحی شوند. همچنین اثرات انقباض و انبساط اسکلت و تجهیزات نیز بایستی در نظر گرفته شود.
• فونداسیون بایستی بر اساس استاندارد ACI318 طراحی شود. همچنین حداقل رده بتن قابل قبول جهت فونداسیون C40 است، این مقاومت بایستی در نقشه‌های اجرایی نیز قید شود.

اتصالات:

• اتصالات کارخانه‌ای می‌تواند جوشی یا پیچی باشد. همچنین اتصالات کارگاهی حتی‌الامکان باید پیچی باشد. در محل‌هایی که امکان تعبیه اتصالات پیچی نباشد استفاده از اتصال جوشی بلامانع است.
• پیچ‌های مورد استفاده در اتصالات پیچی اعضای سازه‌ای اصلی بایستی از نوع پر مقاومت مطابق با استاندارد ASTM A325 باشند. همچنین پیچ‌ها بایستی به میزان لازم پیش تنیده شوند.
• اتصالات صلب و اتصالات ویژه بایستی برای پروژه مورد نظر توسط طراح سازه طراحی شوند.
• اکیداً توصیه می‌شود که اتصالات صلب از نوع پیچی با ورق انتهایی باشد.

* امروزه در آمریکا از اتصالات ConX در ساخت سازه‌های نگهدارنده به صورت گسترده استفاده می‌شود.

الزامات اعضای سازه‌ای:

• بدون توجه به تحلیل حرارتی حداکثر فاصله میان دو درز انبساط برابر با ۴۳ متر است.
• نسبت طول به عمق تیرهای عرضی به عدد ۲۴ محدود می‌شود.
• اتصال پای ستون بسته به میزان سختی جانبی مورد نیاز می‌تواند گیردار یا مفصلی باشد.
• کف ستون‌های متکی بر فونداسیون بایستی حداقل به وسیله ۴ بولت به فونداسیون متصل شوند.
• سیستم مهار جانبی می‌تواند از مهاربندهای قائم هم محور ضربدری و ۸ در راستای طولی و عرضی باشد.
• مهاربندها طولی قائم بایستی حداقل در هر ۴ دهانه در میان تعبیه شوند و در هر حال نبایستی فاصله میان دو مهاربند متوالی از ۴۳ متر بیشتر شود.
• مهاربندهای فشاری بایستی از مقاطع بال پهن و T باشد. مهاربندهای کششی می‌تواند از تک نبشی، دوبل نبشی و T باشد.
• در طراحی فونداسیون بایستی اثرات سفره‌های آب زیرزمینی دائمی و موقت بر فونداسیون در نظر گرفته شود.

طراحی سازه‌های دریایی

در این بخش به ساخت و طراحی سازه‌های مختلف دریایی ساحلی‌، فرا ساحلی و تجهیزات زیر دریا مانند انواع سکوها، اسکله‌ها، بندرها، موج شکن‌ها، دیوارهای ساحلی و تأسیسات حفاظتی سواحل، ستون‌های مهاربند و تأسیسات بندری‌ می‌پردازیم. سازه‌های دریایی در برگیرنده طیف وسیعی از سازه‌ها هستند که با اهداف متنوع و مختلفی احداث می‌شوند و همگی در دسته سازه صنعتی قرار می‌گیرند. در یک تقسیم بندی کلی می‌‌توان این سازه‌ها را به دو گروه سازه‌های ساحلی و سازه‌های فرا ساحلی‌ تقسیم نمود.

به طور کلی از سازه‌های فراساحل برای مقاصد گوناگون می‌توان استفاده کرد.

• اکتشاف نفت و گاز
• فرایند تولید
• پل‌ها و راه‌های ارتباطی
• بارگیری و تخلیه تجهیزات

عوامل متعددی باید در طراحی و تجزیه و تحلیل سکوهای فراساحلی مورد توجه قرار گیرند. برخی از مهمترین این عوامل در مورد بارهای وارده به سکو شامل موارد زیر است:

• بارهای مربوط به شرائط آب و هوائی (فشار امواج و بادها)
• بارهای مربوط به حمل و نقل وجابجائی

سازه‌های فراساحلی به منظور اطمینان از حداکثر ایمنی از نظر فرسایش‌های دینامیکی و مرور زمان با در نظرگرفتن ‌اطلاعات موجود از وضعیت آب و هوائی و امواج طی ۵۰ تا ۱۰۰ سال گذشته طراحی می‌شوند.

تاسیسات نفتی و پالایشگاهی

در امر طراحی و ساخت یک سایت پالایشگاهی و یا نیروگاهی، مهندسین مختلفی در حوزه‌های عمران و معماری، فرآیند، مکانیک ( تجهیزات ثابت یا دوار)، برق و ابزار دقیق، خط لوله، ایمنی و کنترل پروژه و حفاظت دخیل هستند. مهندسین عمران از ابتدای احداث یک سایت که مرحله تسطیح مقدماتی است تا شروع بهره برداری و حتی پس از آن درگیر مسائل مختلف عمرانی می‌باشند.

مراحلی نظیر عملیات خاکی تسطیح، دیوار حائل، تسلیح خاک، شبکه توزیع آب یا جمع‌آوری و دفع پساب‌های صنعتی، محوطه سازی، طراحی و احداث سازه صنعتی و غیر صنعتی، طراحی شمع یا فونداسیون برای تجهیزات با بار دینامیکی و ضربه‌ای، طراحی و ساخت واحدهای مقاوم در برابر آتش یا انفجار، طراحی سازه صنعتی نظیر مخازن (storage tank)، سازه نگهدارنده خطوط لوله (pipe rack)، برج‌های خنک کننده (cooling tower)، دودکش (stack) و نظایری از این دست به عهده مهندسین عمران می‌باشد.

طراحی سیلوها

با افزایش جمعیت، نیاز به انبارهایی جهت ذخیره مواد غذایی نظیر غلات و حبوبات، مواد معدنی و صنعتی و غیره بیشتر شده است. سیلوها سازه‌های ذخیره سازی هستند و به شکلی طراحی می‌شوند که به سیستم‌های تهویه مطبوع مجهز بوده و می‌توانند غلات را تا چندین سال سالم نگه دارند.

سیلو‌ها در حجم‌ها و اندازه‌های مختلفی بسته به نیاز مورد استفاده ساخته می‌شوند که به سیلوهای با ارتفاع کم به اصطلاح بنکر می‌گویند. سیلوها به صورت تکی و گروهی ساخته می‌شوند که عملا سیلوهای گروهی مزایای بیشتر و بهره برداری بهتری دارند. سیلوها از مصالح مختلفی همچون فولاد، بتن، آلومینیوم و حتی چوب ساخته می‌شوند.

سیلوها را از لحاظ کاربری می‌توان به انواع زیر تقسیم کرد.

• سیلو ذخیره غلات
• سیلو ذخیره مواد اولیه‌ی صنعتی مثل سنگ آهن، سیمان، ذغال سنگ، کلینکر، کک و مواد مشابه
• سیلوی ذخیره سازی آرد
• سیلوهای اسکله‌ای برای صادرات و واردات (سیلوهای ترانزیت)

سیلوها سازه‌های بسیار سنگینی هستند که تنش منتقله از آن‌ها به زمین قابل ملاحظه است. به همین علت طراحی فونداسیون آن‌ها مهم بوده و باید با دقت بالایی انجام گیرد. در این خصوص مطالعات کامل زمین‌شناسی و مکانیک خاک تا عمق مناسب و انجام آزمایشات مربوطه باید انجام پذیرد.

از عوامل مهمی که می‌توان باعث خرابی فونداسیون سیلو شود، بارگذاری نامتقارن مجموعه‌ی سیلوهای گروهی است. در نتیجه بارگذاری‌های نامتقارن باید در برنامه کنترل شالوده سیلوها قرار گیرد. نشست زیاد مجموعه اصلی سیلو نیز می‌تواند باعث کج شدن و واژگونی سازه سیلو شود، پس هنگام طراحی فونداسیون به مسئله نشست هم باید دقت کافی شود.

شالوده سیلوهای گروهی به صورت دال یکپارچه صلب با ضخامت زیاد است که برای ترکیبات مختلف پر و خالی بودن سیلو و همچنین نیروی جانبی زلزله و باد، تنش‌های فشاری و همچنین واژگونی آن باید کنترل شود. در صورتی که مقاومت زمین کم باشد باید از شمع‌ها استفاده نمود به نحوی که یک دال یکپارچه به عنوان کلاهک روی شمع‌ها اجرا می‌شود.

دکل‌ها به صورت قطعات پیش ساخته قابل مونتاژ در محل پروژه، ساخته می‌شوند. فولادهای استفاده شده در ساخت آن‌ها اغلب از نوع ST37 و در بعضی قطعات برای مقاومت بیشتر از نوع ST52 می‌باشد. همچنین المان‌های به کار رفته معمولا نبشی است. قطعات دکل بعد از ساخت به منظور جلوگیری از خوردگی و زنگ‌زدگی با گالوانیزه گرم اندود می‌شوند.

پیچ و مهره‌های دکل‌ها اغلب از نوع پیچ‌های مقاوم A325 یا معادل آن گرید 8.8 بوده و به صورت گالوانیزه گرم استفاده می‌شود. انواع دکل‌ها شامل خود ایستا، سه پایه، چهارپایه، دکل‌های مهاری و دکل‌های بازتابی می‌باشد که هر کدام سیستم طراحی مخصوص به خود را دارند و به وسیله فونداسیون و کابل پایدار می‌شوند.

طراحی انواع جرثقیل‌های صنعتی

انواع جرثقیل‌هایی که در سازه‌های صنعتی استفاده می‌شود به شرح زیر است:

• جرثقیل سقفی
• جرثقیل دروازه‌ای
• جرثقیل بازویی

جرثقیل سقفی: انواع جرثقیل سقفی در انبارها و سالن‌های صنعتی برای جابه‌جایی بار و اجسام کاربرد دارند. برای کار با این سازه، دو ریل به صورت موازی و افقی در سالن مربوطه نصب می‌شود و جرثقیل در شش جهت بالا و پایین، چپ و راست و جلو و عقب بر روی آن حرکت می‌کند. به دلیل ساخت خاص این نوع جرثقیل‌ها از آن‌ها بیشتر در سالن‌های سرپوشیده استفاده می‌کنند.

این سازه از تیرآهن، قلاب و کابل متصل به تیرآهن تشکیل شده است که این کابل برای جابه‌جایی اشیا سنگین کاربرد دارد. همچنین در این سازه قطعه‌ای به نام پل وجود دارد که می‌تواند در طول ریل حرکت کند و باعث می‌شود که جرثقیل بتواند یک منطقه بزرگ را تحت پوشش قرار دهد.

جرثقیل‌های سقفی شامل انواع زیر می‌باشد:

تک پل آویز: یعنی ارابه و موتور بالابر جرثقیل از پل آن آویزان است و همچنین یک پل روی ریل‌های طولی قرار دارد.

تک پل بالانشین: یعنی ارابه و موتور بالابر جرثقیل متکی بر پل است و یک پل روی ریل‌های طولی قرار دارد.

دو پل آویز: یعنی ارابه و موتور بالابر جرثقیل از پل آن آویزان است و دو پل روی ریل‌های طولی قرار دارد.

دو پل بالانشین: یعنی ارابه و موتور بالابر جرثقیل متکی بر دو عدد پل آن است و دو پل روی ریل‌های طولی قرار دارد.

جرثقیل‌های دروازه‌ای: از این نوع جرثقیل بیشتر در فضاهای آزاد استفاده می‌شود. به دلیل اینکه در فضای آزاد امکان اجرای تیر حمال وجود ندارد بنابراین ریل‌های جرثقیل را روی زمین و بدون نیاز به فونداسیون اجرا می‌کنند. از این نوع جرثقیل‌ها در سوله‌ها نیز استفاده می‌شود. دلیل استفاده از جرثقیل دروازه‌ای در سازه‌ها، عدم تحمل بار جرثقیل توسط سازه‌ و یا عدم وجود تیر حمال در سازه‌های طویل است. این نوع جرثقیل نیز شامل دو دسته‌ی تک پل و دو پل هستند.

ظرفیت این جرثقیل‌ها برای بارهای کمتر از 10 تن است و در دهانه‌های کمتر از 20 متر اجرا می‌شوند. در برخی از سازه‌ها از ترکیب دو نوع جرثقیل استفاده می‌شود. یعنی یک سمت سازه‌ی جرثقیل روی تیر حمال و در بالا قرار دارد و یک سمت دیگر آن در پایین روی ریل زمینی قرار می‌گیرد.

جرثقیل‌های بازویی: این نوع جرثقیل‌ها با اسم‌هایی نظیر جرثقیل ستونی، جرثقیل گردان، جرثقیل دیواری، جرثقیل پرچمی و … نیز شناخته می‌شوند. روند کار این جرثقیل‌ها این‌گونه است که در یک نیم‌ دایره یا یک دایره‌ی کامل حول محور مرکزی جرثقیل و نیز در راستای قائم توانایی جابه‌جایی اجسام را دارند. این نوع جرثقیل‌ها را می‌توان هم به صورت دستی و هم به صورت برقی اجرا کرد. یکی از قابلیت‌های مهم این جرثقیل‌ها قابلیت اجرای آنها در فضاهای بسیار محدود می‌باشد. این جرثقیل‌ها را می‌توان روی ستون مستقل یا ستون‌های سازه نصب کرد.