آیا تا به حال عبارت طراحی سازه‌های خاص را شنیده‌اید؟ منظور از سازه خاص چیست؟

انسان به طور ذاتی در پی خلق شگفتی‌های جدید است و همواره در حال ساخت وسایل و ابزاری است که آسایش هرچه بیشتر را در زندگی برایش فراهم کند. طراحی سازه‌های خاص از آن دسته مواردی هستند، که بشر جهت رفاه، دست به ساخت آن زده است. پل‌ها، سیلوها، خطوط راه‌آهن، مخازن مایعات و گازها، سازه‌های آبی مانند سد و تونل‌های انتقال، تونل‌های جاده‌ها، توربین‌های بادی، دکل‌های برق و مخابرات و … در این دسته از سازه‌ها قرار می‌گیرند.

به همین دلیل به این سازه‌ها خاص می‌گویند چون هر کدام روش طراحی سازه مخصوص به خود را دارند که هر پروژه با دیگری فرق دارد.

طراحی سازه منبع آب یا مخازن هوایی

یکی از روش‌های متداول برای ذخیره سازی آب و فاضلاب و سایر مایعات استفاده از مخازن بتنی می‌باشد. بنابراین ساخت مخزن آب بتنی و آب بندی آن اهمیت ویژه‌ای داشته و باید پس از وقوع زلزله قابل بهره برداری باشد. به همین دلیل طراحی این مخازن در دسته طراحی سازه‌های خاص قرار می‌گیرد. در ساخت این مخازن باید به عواملی مانند کارایی، دوام، ایمنی و هزینه آن توجه شود. یکی از نکاتی که در طراحی این سازه‌ها باید به آن دقت شود این است که تحت تأثیر آسیب‌های محیطی نظیر خوردگی و آلودگی قرار نگیرند.

اولین قدم در ساخت مخزن آب بتنی، طراحی می‌باشد که نقش بسیار مهمی در عملکرد، عمر، دوام، زمان و هزینه دارد و چنانچه طراحی مخرن آب بتنی به درستی انجام نشود، اتلاف منابع مالی را در پی خواهد داشت. برای یک طراحی دقیق توصیه می‌شود که از آیین نامه‌های مربوطه و دانش فنی استفاده شود. روش اصلی طراحی سازه‌های مهندسی بهداشت روش حالات حدی است بنابراین طراحی اجزا این نوع سازه‌ها باید بر مبنای تأمین محدودیت‌های بهره برداری و حداقل مقاومت مورد نیاز انجام پذیرد.

این مخازن بسته به نوع کاربرد و اهمیت استفاده از لحاظ وضعیت استقرار نسبت به زمین به مخازن بتنی هوایی و زمینی تقسیم می‌شوند و مخازن زمینی شامل سه نوع مدفون، نیمه مدفون و نمایان می‌باشد. این نوع مخازن از لحاظ شکل هندسی به دو شکل استوانه‌ای و مکعب مستطیلی می‌باشد که به طور کلی مخازن استوانه‌ای به لحاظ برخی خصوصیات فنی به مخازن مکعب مستطیلی برتری دارند.

برای ساخت این نوع مخازن توصیه می‌شود از بتنی که حداقل مقاومت فشاری آن برابر 30 مگاپاسکال و حداکثر نسبت آب به مواد سیمانی برابر 0.45 می‌باشد، استفاده کنیم.

طراحی سازه توربین بادی

یکی از مهمترین وسایل تبدیل انرژی جنبشی به انرژی الکتریکی توربین بادی است. امروز در محوطه‌هایی با عنوان مزارع بادی هزاران توربین عظیم الجثه بیش از 650 گیگاوات برق تولید می‌کنند که هر ساله به اندازه تقریبا 60 گیگاوات به این ظرفیت اضافه می‌شود. مطالعات اخیر نشان می‌دهد تا سال 2009 باد دارای کمترین نسبت انتشار گازهای گلخانه‌ای، کمترین مصرف آب، کمترین وابستگی به مصرف سوخت‌های فسیلی را در مقایسه با سایر روش‌های تولید انرژی از جمله منابع فتوولتائیک، آبی، زمین گرمایی، ذغال سنگ و گاز داشته و مطلوب‌ترین اثرات اجتماعی را برجای گذاشته است. توربین های بادی در طیف وسیعی از ابعاد و اندازه‌ها با محورهای افقی یا عمودی تولید می‌شوند.

پیچیدگی فرایند نصب توربین بادی وابسته به اندازه و نوع آن می‌باشد. قبل از نصب توربین بادی تحقیقات فنی در مورد مکان نیروگاه انجام شده و داده‌هایی در مورد سرعت و جهت باد جمع‌آوری می‌شود. توربین‌های بادی به علت ارتفاع زیادی که دارند، بار بر روی فونداسیون آن‌ها افزایش می‌یابد و فونداسیون به شکل قابل توجهی بزرگتر می‌شود. همچنین حرکت دورانی پره‌های توربین و بار دینامیکی شدید باد که به این سازه‌ها وارد می‌شود طراحی فونداسیون آن‌ها را پیچیده تر کرده و چالش منحصر به فرد برای هر پروژه به وجود می‌آورد. مجموعه این عوامل باعث شده تا محاسبات و طراحی این سازه‌ها، در دسته طراحی سازه‌های خاص قرار گیرند.

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 زنگ زدگی 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.

سؤالات و ابهامات خود در زمینه طراحی سازه‌های خاص را از کارشناسان ما بپرسی

خاک شالوده یک سکوی دریایی علاوه بر بار مرده سازه، تحت تأثیر نیروهای متأثر از بارهای محیطی سیکلی ناشی از موج‌های عبوری نیز قرار دارد. این نیروها باعث ایجاد حرکت در خاک شالوده و تغییر در فشار آب نفوذی شده و بر مقاومت خاک تأثیر می‌گذارند.

بیشتر سکوهای دریایی، بر روی شمع‌های فولادی قرار می‌گیرند که لوله‌ای (ته باز) هستند. این شمع‌ها توسط چکش‌هایی که با بخار، سوخت دیزلی یا نیروهای هیدرولیکی کار می‌کنند، در بستر دریا کوبیده می‎‌شوند. ضخامت جداره این شمع‌ها باید به اندازه‌ای باشد که توانایی تحمل نیروهای محوری، جانبی و همچنین تنش‌هاش ایجاد شده در حین کوبیدن را داشته باشد.روش دیگر اجرای شمع در این سکوها استفاده از شمع‌های حفاری و تزریق شده می‌باشد که آن‌ها را در خاک‌هایی که بتوان یک سوراخ را با یا بدون گل حفاری باز نگه داشت به کار برده می‌شوند.

در سکوهایی که نفت و گاز مایع تولید می‌شوند، ممکن است مخازن بزرگ ذخیره به صورت متصل به سکو در نظر گرفته شوند که اغلب به صورت استوانه‌های بسته بوده و دارای سختی خمشی و پیچشی بسیار زیادی هستند. همچنین اغلب سکوهای دریایی، نیاز به ظرفیت انبار برای گل حفاری، آب مصرفی، سوخت و دیگر موارد دارند. مخازن دارای شکل مکعب مستطیل، به دلیل ویژگی صرفه جویی در فضا، برای این گونه مصارف بسیار مناسب می‌باشند. این گونه تانک‌ها به صورت بسته بوده و یک جعبه با سختی بالا را تشکیل می‌دهند.

با توجه به مطالب بیان شده، کاملا واضح است که طراحی این نوع سازه‌ها نیز در دسته طراحی سازه‌های خاص قرار می‌گیرند.

طراحی سیلوهای بتنی و فلزی

با افزایش جمعیت، نیاز به انبارهایی جهت ذخیره مواد غذایی نظیر غلات و حبوبات، مواد معدنی و صنعتی و غیره نسبت به گذشته 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 بهره‌برداری بهتری دارند. سیلوها از مصالح مختلفی همچون فولاد، بتن، آلومینیوم و حتی چوب ساخته می‌شوند.

سیلوها را از لحاظ نوع 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 زمین شناسی و مکانیک خاک تا عمق مناسب و انجام آزمایشات مربوطه باید انجام پذیرد.

از عوامل مهمی که می‌توان باعث خرابی فونداسیون سیلو شود بارگزاری نامتقارن مجموعه‌ی سیلوهای گروهی است در نتیجه بارگزاری‌های 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.

به دلیل تعداد زیاد عوامل تأثیرگذار و همچنین پیچیدگی ترکیب این عوامل با یکدیگر، طراحی استراکچر سیلوها نیز در دسته طراحی سازه‌های خاص قرار می‌گیرد.

طراحی سازه‌های فضاکار

سازه فضاکار مجموعه‌ای از سیستم‌های سه بعدی و اجزای مثلثی سبک متصل به هم می‌باشد. این اجزا رفتاری مشابه خرپا داشته که در اثر نیروهای وارده تحت فشار و کشش قرار می‌گیرند و اتصال آن‌ها به هم به صورت مفصلی می‌باشد. المان‌های این سازه توانایی مهار و تحمل نیروهای خمشی و برشی را ندارند. کاربرد این سازه‌ها در مکان‌هایی است که نیاز به دهانه‌های بلند با تکیه‌گاه کمتر داریم.

سازه فضاکار از لحاظ معماری ظاهری زیبا داشته و در صنایع مختلف کاربرد گسترده‌ای دارد که می‌توان به چند نمونه از آن‌ها اشاره کرد.

• استادیوم‌های ورزشی
• استفاده به عنوان چراغ بزرگ شهری و پخش کننده نور
• سایه‌بان‌ها
• سالن‌های نمایشگاه‌ها
• باجه‌های عوارض و …

انواع سازه‌های فضاکار بر اساس مصالح: ماده اولیه و مصالحی که در ساخت سازه‌های فضاکار مورد استفاده قرار می‌گیرند بر حسب نوع کاربرد آن‌ها در شرایط مختلف انتخاب می‌شوند که شامل سازه‌های فولادی، سازه‌های آلومینیومی و سازه‌های چوبی می‌باشد. مزایای سازه‌های فضاکار:

• زیبایی
• امکان نصب هر نوع پوشش سقف بروی سازه فضایی
• وزن کم
• مقاومت بالا
• سهولت در نصب
• هزینه پایین در دهانه‌های بزرگ
• ضریب ایمنی بالا
• امکان بازکردن و بستن مجدد سازه

علت قرار گرفتن سازه فضاکار در دسته طراحی سازه‌های خاص آن است که طراحی المان‌های این سیستم و همچنین نوع اتصالات آن پیچیدگی و سختی خاصی داشته و نیاز به مهارت بالایی دارد.

در کنترل سازه اصلی پایپ رک از روش تنش‌های مجاز استفاده می‌شود. اجزای پدستال‌ها عمدتا بر اساس استاندارد آیین نامه ACI بتن آمریکا مورد بررسی قرار گرفته و همچنین اجزای سازه فولادی بر اساس آیین نامه AISC فولاد آمریکا کنترل می‌گردد. نکته قابل توجه در بررسی تنش‌های مجاز، اعمال ضرایب افزایشی در شرایط ترکیب بار طبق آیین‌نامه ارزیابی لرزه‌ای و طراحی تأسیسات پتروشیمی ASCE98 می‌باشد.

در پایپ رک‌ها باید به اثر انقباض و انبساط ناشی از مواد داخل لوله‌های انتقال توجه شود و اثر آن‌ها را در طراحی لحاظ کرد. این موضوع باعث شده تا این سازه‌ها از لحاظ اصول طراحی در دسته طراحی سازه‌های خاص قرار گیرند.

در این بخش قصد داریم دو نوع سیستم دیگر که در دسته طراحی سازه‌های خاص قرار می‌گیرند را به شما معرفی کنیم.

سازه‌هایی که می‌توان با سیستم ICF اجرا کرد شامل موارد زیر می‌باشد:

• ساختمان‌های طبقاتی با کاربری مسکونی، اداری، تجاری و بیمارستان‌ها
• حوضچه‌های صنعتی و استخرها
• دیوارهای پیرامونی سایت
• دیوارهای حایل و سازه‌های زیر زمینی
• ساختمان‌های صنعتی و سوله‌ها
• مخازن ذخیره آب و گرانول‌ها

طراحی سازه LSF

یکی از مسائلی که در صنعت ساختمان کشور ما وجود دارد، مسئله زلزله است و سبک‌سازی سازه‌ها می‌تواند کمک بکند که هنگام مواجه با زلزله، رفتار بهتری از سازه داشته باشیم. چون نیروهای جانبی ما در زلزله، اول توسط جرم ساختمان جذب می‌شود و سپس توسط سختی ساختمان پاسخ داده می‌شود. پس هر چقدر جرم ساختمان کم شود، جذب نیروی زلزله کمتر شده و قبل از اینکه بخواهد اثری روی سازه بگذارد مهار می‌شود.

سازه‌ی ال اس اف (LSF) از سیستم‌های جدید در صنعت ساختمان است. کلمه‌ی LSF مخفف کلمه‌ی Lightweight Steel Frame به معنی قاب سبک فلزی است. همانطور که از اسمش پیداست این سازه از قطعات پیش ساخته فولادی سبک سرد نورد شده، تشکیل شده است که حدودا 70% بارهای مرده در ساختمان را کم می‌کند.

این سیستم سازه‌ای حدود 100 سال است که در دنیا مطرح است و در دهه‌های 1920 میلادی در بریتانیا و امریکا مورد استقبال مهندسان قرار گرفت و در سال 1946 آئین‌نامه‌ای برای سازه‌های فولادی سرد نورد شده تدوین شد.

سازه‌های LSF سازه‌هایی هستند بر اساس دیوارهای باربر که ما باید نیروی ثقلی را به جای اینکه به تیر و ستون‌های معمولی  وارد کنیم (که در سازه‌های بتنی و فولادی داریم)، به دیوارها انتقال دهیم. ساختمان‌های فولادی سبک سرد نورد شده به دو روش کلی “قاب بندی طبقه‌ای” و “قاب بندی دیوار ممتد” اجرا می‌شوند.

در روش اول، ابتدا دیوار طبقه و سپس سقف اجرا می‌شود و پس از آن دیوار طبقه‌ی بالایی اجرا می‌شود. در روش قاب بندی دیواری ممتد، ابتدا دیوارهای تمامی طبقات اجرا و سپس سقف طبقات نصب می‌شود. در واقع اکثر اجزای این سازه‌ها در کارخانه، طبق نقشه‌ی معماری ساخته و سپس در محل ساختمان با استفاده از پیچ و بولت و … نصب و برپا می‌شود. (درست مثل لِگوهای بازی، باید این اجزا به‌هم پیچ شوند و سازه را تشکیل دهند.)

ساختمان‌های ال اس اف محاسن زیادی دارد و یکی از سیستم‌های سازه‌ای روز دنیاست. از این سازه بیشتر در ساختمان‌های کوتاه و میان‌مرتبه (عمدتا 5 سقف) استفاده می‌شود. مثل: ویلاسازی، تجهیز کارگاه، اضافه بنا، مدرسه‌سازی و …