طراحی نقشه سازه فولادی یکی از زیرشاخه‌های مهندسی سازه است که شامل طراحی نقشه انواع سازه‌های ساخته شده با مقاطع فولادی می‌شود. طراحی نقشه سازه فولادی یکی دیگر از خدمات آنلاین گروه رایمون سازه است که به دلیل تجربه و مهارت بالای طراحان سازه ما، نقشه‌های پروژه شما از نظر اصول طراحی نقشه سازه و مسائل اقتصادی، در بهینه‌ترین حالت طراحی می‌شود.
سازه‌های فولادی یا فلزی نسبت به سازه‌های بتنی کاربرد کمتری داشته ولی عملکرد و سرعت اجرای این سازه به نسبت بهتر از سازه بتنی می‌باشد. همچنین اجرای سازه‌های فولادی نیاز به کارگر ماهر داشته که بر هزینه کل پروژه تأثیر زیادی خواهد داشت.
سازه فلزی یا فولادی که مصالح اصلی آن که برای تحمل و انتقال بارهاست، از مقاطع فولادی ساخته شده در کارخانه‌ها تشکیل می‌شود. اکثر ساختمان‌های مسکونی بلند، برج‌ها، سوله‌های صنعتی و … دارای اسکلت فولادی هستند. اتصالات به کار رفته در سازه فلزی از نوع جوشی، پرچی و پیچ و مهره می‌باشد و بسته به نوع اتصالات و قطعات یکی از این گزینه‌ها انتخاب می‌شود.
اجزای اصلی این نوع اسکلت تیرهای افقی اصولا I شکل، ستون‌های عمودی با مقطع باکس و مهاربندها هستند. مقاطعی که می‌توان در این سازه نام برد، مقاطع گرم نورد شده‌ی آماده که اطلاعات دقیق آن‌ها به صورت استاندارد در جدول اشتال آمده است مانند : ناودانی‌ها، نبشی‌ها، لوله‌ها، باکس‌ها و مقاطع I ، H، Z و C شکل هستند و مقاطع ساخته شده در کارگاه مانند تیرورق‌ها، مقاطع دوبل، صلیبی و …
روش‌های طراحی نقشه سازه فولادی
طراحی نقشه سازه فولادی به سه روش انجام می‌شود:
- روش طراحی تنش مجاز یا الاستیک (ASD)
- روش طراحی مقاومت نهایی یا پلاستیک که به آن طراحی با ضرایب بار و مقاومت نیز می‌گویند (LRFD)
- روش طراحی حالات حدی (LSD)
در این قسمت هر کدام از روش‌های بالا را به اختصار و به زبان ساده توضیح می‌دهیم.
روش طراحی تنش مجاز: یکی از قدیمی‌ترین روش‌های طراحی نقشه سازه فولادی است. در این روش درصد کمتری به مقاومت و ایمنی توجه می‌شود. به زبان ساده در این روش، هدف محاسب، مهار کردن بار مجاز ساختمان است.
روش ضرایب بار و مقاومت: در تحلیل با این روش ایمنی در دو مرحله، افزایش بار به کمک ضرایب بار و کاهش مقاومت به کمک ضرایب کاهش مقاومت در نظر گرفته می‌شود. این روش برابر با روش USD در طراحی سازه‌های بتنی است. در نظام مهندسی امریکا از این روش بیشتر استفاده می‌شود.
روش طراحی حالات حدی: از این روش در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان برای طراحی نقشه سازه فولادی استفاده می‌شود. در این روش قسمتی از ضرایب اطمینان در بارها و قسمتی از ضرایب اطمینان در مقاومت‌ها اثر داده می‌شوند. یعنی بارها بزرگتر و مقاومت‌ها کوچکتر در نظر گرفته می‌شود. در این روش دست طراح عملا برای ایجاد تغییرات بازتر است.
انواع سقف در نقشه سازه فولادی
سقف از بخش‌های مهم و حائز اهمیت یک سازه محسوب می‌شود که باید از دوام و مقاومت بالا در مقابل نیروهای وارده بر ساختمان برخوردار باشد. انواع سقف‌های سازه فلزی استحکام و مقاومت بالایی دارند و در مقابل زلزله رفتار خوبی از خود نشان می‌دهند، همچنین سرعت اجرای بالا باعث شده که مهندسین سازه برای طراحی نقشه سازه فولادی به این سقف‌ها توجه کنند.
انواع سقف‌ها شامل موارد زیر است:
- سقف تیرچه بلوک: در این نوع سقف تیرچه‌ها به عنوان تیر فرعی عمل می‌کنند و فاصله‌ی بین آن‌ها عموما با بلوک پر می‌شود. این سقف‌ها هم در اسکلت بتنی و هم در اسکلت فولادی کاربرد دارند. اجزای اصلی تشکیل دهنده‌ی آن شامل آرماتور تقویتی، میلگرد حرارتی، بتن، بلوک پرکننده و تیرچه است.
- سقف کامپوزیت: این سقف‌ها برای استفاده در اسکلت فولادی بهترین گزینه هستند و از ترکیب بتن و فولاد ساخته شده‌اند. برش‌گیر، تیر فرعی و آرماتور حرارتی دیگر اجزای تشکیل دهنده‌ی این سقف‌ها به شمار می‌روند. قابلیت بتن ریزی چند سقف همزمان از مهم‌تریت ویژگی این سقف‌ها است.
- سقف پیش ساخته از نوع بتنی: در فرایند تولید و ساخت این نوع سقف‌ها از پانل‌های مخصوص، ستون‌ها و دال‌ها استفاده می‌گردد که باعث می‌شود روند قالب‌بندی حذف شده و سقف خیلی سریع و ساده اجرا شود.
مهاربندها و انواع آن‌ها در نقشه سازه فولادی
یکی از مراحل مهم طراحی نقشه سازه فولادی، طراحی در برابر نیروهای جانبی مانند باد یا زلزله است. مهاربند یا بادبند سیستمی است که از چندین عضو (اکثرا از مقاطع فولادی مثل نبشی و ناودانی و یا کابل‌ها) تشکیل شده است و از سازه در برابر نیروهای جانبی مثل زلزله و باد محافظت می‌کند. مهاربندها در سازه‌ی فولادی عملا نقش دیوار برشی در سازه‌های بتنی را دارند. نحوه‌ی عملکرد آن‌ها به این‌گونه است که نیروی ناشی از زلزله را تحمل کرده و به زمین منتقل می‌کند.
این مهاربندها انواعی دارند که بسته به نوع کارکرد در طراحی سازه فولادی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه این بخش انواع مهاربندها را برای شما توضیح خواهیم داد.
مهاربندها به دو دسته‌ی کلی مهاربند افقی و عمودی تقسیم می‌شوند:
مهاربند افقی: این نوع مهاربندها در قاب‌های افقی اجرا می‌شوند. در واقع مسیری برای انتقال نیروهای افقی اضافه به مهاربندهای قائم ایجاد می‌کنند (عملا در ساختمان‌ها از این مهاربند استفاده نمی‌شود).
مهاربند عمودی: این نوع مهاربندها بین ستون‌ها، در قاب‌های عمودی قرار می‌گیرند تا بتوانند بار اضافی را به زمین منتقل کنند. در سازه فلزی برای افزایش مقاومت در برابر پیچ خوردگیِ ناشی از نیروهای عمودی اضافی، بهتر است از این نوع بادبندها استفاده شود.
این مهاربندها خود به دو نوع همگرا و واگرا تقسیم می‌شوند:
- مهاربندهای همگرا یا درون محور، مهاربندهایی هستند که در یک نقطه داخل خود دهانه به همدیگر می‌رسند و از لحاظ دسته‌بندی ظاهری شامل: K شکل، ضربدری، قطری، هفتی یا V شکل و هشتی می‌شوند.
- مهاربندهای واگرا در واقع در نقطه‌ای بیرون از دهانه به‌هم می‌رسند که به آن‌ها مهاربند برون محور نیز می‌گویند.
دیوار برشی فولادی در نقشه سازه فولادی
دیوار برشی نیز یک عضو سازه‌ای است که برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی در طراحی نقشه سازه فولادی به کار برده می‌شود. در واقع دیوارهای برشی المان‌های عمودی سیستم هستند که در مقابل نیروهای افقی مقاومت می‌کنند.
دیوار برشی فولادی یک سیستم جدید مقاوم در برابر بارهای جانبی بوده که شامل یک ورق فولادی با ضخامت 3 تا 10 میلی‌متر است و کاملا از 4 سمت به تیرها و ستون‌های قاب که المان‌های مرزی افقی و عمودی آن محسوب می‌شوند، متصل می‌شود. رفتار دیوار برشی همراه با دو ستون مجاور مثل یک تیرورق قائم عمل می‌کند که ستون‌ها به عنوان بال‌ها و صفحه‌های فولادی مانند جان آن می‌باشد.
تیرهای افقی معمولا به عنوان سخت‌کننده‌های عرضی در این تیرورق قائم محسوب می‌شوند. این دیوارها شکل‌پذیری و قابلیت جذب انرژی بالاتر نسبت به سیستم‌های مهاربندی و دیوار برشی بتنی دارند.
کاربرد دیوار برشی بتنی در نقشه سازه فولادی
برای اجرای دیوار برشی بتنی در اسکلت فولادی در مرحله‌ی فونداسیون باید آرماتورهای طولی دیوار با آرماتوهای انتظار فونداسیون وصله شوند. ولی به علت اینکه بیس پلیت‌های ستون‌ها بزرگ است، این کار در اطراف ستون امکان‌پذیر نیست. پس قبل از بتن‌ریزی فونداسیون باید تعدادی میلگرد انتظار اضافه با شیب خم 1 به 6 در کنار هم و در کنار ستون‌ها تعبیه شود. چون محل اطراف ستون‌ها حداکثر تنش‌ها هستند نباید این قسمت‌ها خالی از میلگرد باشد که موجب خرد شدن بتن و عدم شکل‌پذیری رفتار مقطع شود. همچنین آرماتورهای عرضی دیوار باید با خم 90 درجه در نزدیکی ستون‌ها قرار گیرند.
به این نکته توجه کنید که قبل از آرماتوربندی دیوار باید همه‌ی برش‌گیرهای ستون‌ها نصب شود و اصولا این برش‌گیرها از مقاطع ناودانی هستند که اندازه‌ی این مقاطع و فواصلشان از یکدیگر در نقشه‌ها وجود دارد.
نکته‌ی اجرایی مهم در این مرحله آن است که بعد داخلی ستون که با بتن پوشیده می‌شود را نباید رنگ کرد. چون اثر نامطلوب در کیفیت دیوار می‌گذارد. البته اگر فاصله‌ی زمانی نصب اسکلت تا بتن‌ریزی زیاد است، بهتر است یک لایه ضدزنگ جهت محافظت از خوردگی روی اعضا اجرا شود.
انواع اتصالات در نقشه سازه فولادی
انواع اتصال در اسکلت سازه فلزی بر حسب فن اتصال:
- پیچ و مهره
- جوش
- پرچ
انواع اتصالات در سازه فلزی بر حسب میزان صلبیت:
- صلب
- ساده
- نیمه صلب
اتصال سازه‌ی فولادی به فونداسیون
یکی از حساس‌ترین مراحل طراحی نقشه سازه فولادی، طراحی اتصال ستون فلزی به فونداسیون است. کلیه‌ی بارهای وارده به ساختمان پس از جمع شدن در تیرها و کف‌ها به ستون‌ها منتقل می‌شود و بار ستون از طریق ورق‌های فولادی به فونداسیون بتنی و در نهایت از فونداسیون به زمین منتقل می‌شود. بیس پلیت‌ها صفحاتی هستند که ستون را به فونداسیون منتقل می‌کنند.
جایگذاری کف ستون‌ها به دو روش زیر انجام می‌شود:
- نصب ستون و بیس پلیت به وسیله‌ی جوش نفوذی در کارخانه و سپس اتصال آن‌ها از طریق میل مهارهایی که قبلا در پی تعبیه شده، به فونداسیون (این روش برای ساختمان‌هایی که تعداد زیادی ستون سبک دارند یا تیرهای برق و تابلوهای تبلیغاتی مناسب است).
- نصب بیس پلیت‌ها به صورت جداگانه روی فونداسیون انجام می‌شود و سپس ستون بعد از اتمام بتن ریزی فونداسیون، به کمک بولت‌های از قبل کار گذاشته شده در بیس پلیت‌ها روی آن نصب می‌شوند.
مزایای سازه فلزی
- سرعت نصب بالا: سرعت نصب مقاطع فولادی، نسبت به اجرای اجزای بتنی سریع‌تر بوده و گاها اسکلت در کارخانه یا کارگاه آماده شده و در محل مورد نظر نصب خواهد شد.
- وزن پایین‌تر نسبت به سازه بتن آرمه: وزن مقاطع فولادی از اسکلت بتنی پایین‌تر است و همانطور که قبلا به آن اشاره کردیم در مقابل زلزله رفتار بهتری از خود نشان می‌دهد.
- محدودیت کمتر در اندازه‌ی دهانه و ارتفاع‌های بالا: نسبت مقاومت به وزن مقاطع فلزی از مصالح بتن آرمه بیشتر است به همین علت از سازه فلزی می‌توان در دهانه‌ی بزرگ سوله‌ها و ساختمان‌های مرتفع استفاده کرد.
- کیفیت بهتر: چون این مقاطع در کارخانه‌های بزرگ و تحت نظارت دقیق تولید می‌شوند، قابل اطمینان هستند و می‌توان کیفیت این سازه‌ها را تضمین کرد.
- رفتار بهتر در مقابل زلزله: رفتار فولاد تا حد زیادی و عملا مطابق با تجزیه و تحلیل‌های آزمایشگاهی و مقاومت تئوری محاسباتی است. یعنی عملا بر خلاف سازه‌های بتن آرمه مقاومت کششی و فشاری زیادی دارد. چون در سیستم سازه‌ی اسکلت بتنی، نوع مصالح و نحوه‌ی اجرا در عملکرد واقعی تاثیرگذار هستند. همچنین مقاطع فلزی قابلیت شکل‌پذیری بالایی دارند و به همین علت در هنگام زلزله مقاومت بهتری از خود نشان می‌دهند.
- مقاوم‌سازی و ترمیم راحت‌تر: اسکلت فولادی قابلیت تقویت پذیری دارد و اگر به هر علتی مانند محاسبات نادرست، تغییر آئین نامه، اجرای اشتباه و …اسکلت مقاومت کافی نداشت، می‌توان به وسیله‌ی جوش و پیچ و پرچ، قطعات جدیدی به آن متصل کرده و مقطع را تقویت کنیم.
معایب سازه فلزی
- هزینه‌ی اولیه‌ی بالاتر: در ساختمان‌های فولادی بخش زیادی از هزینه را باید همان ابتدای کار جهت خرید مقاطع، پرداخت کرد.
- ضعف در آتش‌سوزی: این نوع اسکلت در دمای زیاد و هنگام آتش‌سوزی مقاومتش کم شده و اگر دمای آن به 500 تا 600 درجه سانتی‌گراد برسد، تعادل خود را از دست داده و به یکباره فرو می‌ریزد (ساختمان پلاسکو هم اسکلت فلزی داشت، شاید اگر اسکلت آن بتنی بود، زمان بیشتری برای مهار آتش و نجات دادن جان افراد داشتیم).
- زنگ‌زدگی و خوردگی فلز در مقابل عوامل جوی و خارجی: مقاطع فولادی در مقابل عوامل جوی خورده شده و مقاومت و ابعاد آن کم می‌شود. یه همین دلیل هزینه‌ی نگهداری و محافظت از این سازه‌ها بیشتر از سازه‌ی بتنی است.
- مشکلات ناشی از جوش نامناسب: اتصال قطعات فولادی به وسیله‌ی جوش با توجه به اینکه ممکن است دستگاه قدیمی باشد، جوشکار تخصص لازم را نداشته باشد، ناظر درست کنترل نکند، آزمایش جوش تمام می‌شود و … ممکن است ناکارآمد باشد و عملا به مقاومت لازم نرسیم.
نتیجه‌گیری
با توجه به مواردی که بررسی شد، برای پروژه‌هایی که نیاز به اجرای سریع و با کیفیت دارند، طراحی نقشه سازه فولادی گزینهی مناسبی است. البته اجرای سازه‌های فولادی نیاز به دقت و مهارت بالا دارند و ضعف این سازه‌ها در برابر آتش هم باید با روش‌های مناسب برطرف شود.
در برخی از مناطق کشور مانند نواحی شمالی که بارندگی بیشتری وجود دارد، در بسیاری از پروژه‌ها نیاز به اجرای سریع سازه احساس می‌شود. به همین دلیل سازه فلزی یکی از گزینه‌های بسیار مناسب برای این مناطق به حساب می‌آید.