طراحی سازه فولادی

ویدئوی مقایسه سازه فولادی و بتنی را مشاهده کنید

دیوار برشی فولادی

دیوار برشی نیز یک عضو سازه‌ای است که برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی در طراحی 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 طراحی 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 طراحی سازه فولادی

انواع اتصال در اسکلت سازه فلزی بر حسب فن اتصال:

1. پیچ و مهره
2. جوش
3. پرچ

انواع اتصالات در سازه فلزی بر حسب میزان صلبیت:

1. صلب
2. ساده
3. نیمه صلب

اتصال سازه‌ی فولادی به فونداسیون

یکی از حساس‌ترین مراحل طراحی 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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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

1. هزینه‌ی اولیه‌ی بالاتر: در ساختمان‌های فولادی بخش زیادی از هزینه را باید همان ابتدای کار جهت خرید مقاطع، پرداخت کرد.
2. 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).
3. 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.
4. 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 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.