سازه های فولادی یا فلزی

سازه‌ های فولادی

سازه های فولادی نوعی سازه هستند که مصالح اصلی آن که برای تحمل نیروها و انتقال آن‌ها به کار می‌رود از فولاد و آهن است. اتصالات به کار رفته در سازه های فولادی از نوع جوشی ، پرچی و یا پیچ و مهره ای می‌باشد و نسبت به نوع اتصالات قطعات طرح شده و کنترل‌های مربوطه بر روی آن‌ها انجام می‌شود. در حال حاضر فولاد از مهم‌ترین مصالح برای ساخت ساختمان و پل و سایر سازه‌های ثابت و صلب است. مقاومت فولاد (تنش تسلیم) مورد استفاده در بازه۲۴۰۰ تا ۷۰۰۰ kgr/cm ^۲ است که برای ساختمان‌های معمولی از فولاد با مقاومت ۲۴۰۰ که به آن فولاد نرمه گفته می‌شود استفاده می‌شود.

‌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  زیر استفاده می‌گردد.

• ‌‌روش کوره باز
• ‌روش دمیدن اکسیژن
• روش کوره برقی
• روش خلاء

فولاد به عنوان ماده‌ای با مشخصات خاص و منحصر بفرد‌ ، سالهاست در ساخت ساختمان‌ها مسک.نی و تجار و صنعتی کاربرد دارد. قابلیت اجرای دقیق‌ ، رفتار سازه‌ای معین‌ ، نسبت مقاومت به وزن مناسب‌ ، در کنار امکان اجرای سریع و کمتر بودن پرت فضا سازه های فولادی همراه با جزئیات و ظرافت‌های معماری‌ ، فولاد را به عنوان مصالحی منحصر و ارزان در پروژه‌های ساختمانی مطرح نموده است. به طوری که اگر ضعف‌های محدود این ماده ، نظیر مقاومت کم در برابر خوردگی و زنگ زدگی و عدم مقاومت در آتش سوزی‌های شدید به درستی مورد توجه و کنترل قرار گیرند‌ ، امکانات وسیعی در اختیار طراحان قرار می‌دهد که در هیچ ماده دیگر قابل دستیابی نیست.

‌توجیه اقتصادی سازه های فولادی و فلزی

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

 قیمت زمین: به دلیل 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 (سازه های) فلزی کم‌تر خواهد بود.

 مصالح در دسترس

 ارزش نهایی ساختمان: هرچه زمان ساخت یک ساختمان کوتاه‌تر باشد ، هزینه نهایی آن ساختمان کم‌تر خواهد بود. با توجه به روش‌های مختلف ساخت سازه ، متوجه می‌شویم که در مقایسه با سایر روش‌ها ، ساخت سازه‌های فلزی زمان کم‌تری صرف می‌کند.

•  هزینه اسکلت اصلی سازه (سفت کاری)
•  تاثیر نازک کاری
•  تاثیر نصب تجهیرات و تاسیسات
•  نحوه تاثیر این عوامل در بهره برداری بهینه از ساختمان
•  هزینه ایجاد تغییرات داخلی و به سازی در ساختمان
•  هزینه تخریب (در ساختمان‌های با عمر کوتاه)

انالیز میزان مصرف فولاد در ساختمان‌های سازه فولادی

در ساختمان‌های سازه 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 سازه های فولادی

سازه فولادی مشتمل بر تعدادی تیر و ستون به شکل قاب و نیز شامل تعدادی تقویت کننده ، به منظور ایستایی بیشتر می‌باشد. بدیهی است انتقال بارهای افقی و قائم از طریق این اجزاء صورت می‌گیرد. به این صورت که:

•  سقف ، بارهای عمودی را تحمل کرده و به صورت افقی ، از طریق تیرها به تکیه گاه‌های تیر منتقل می‌کند.
•  سیستم باربر قائم (ستون‌ها) ، بارها را از تکیه گاه‌های 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 تکیه گاه‌ها و روش قرارگیری تیرها (تیر ریزی) به عوامل زیر بستگی دارد:

1. نوع مقطع قابل استفاده با توجه به طراحی معماری
2. فواصل تکیه گاه‌ها و طول دهانه تیر با توجه به طراحی سازه‌ها
3. روش انتقال بار توسط اجزای باربر
4. سیستم تکیه گاهی انتخاب شده (صلب ، نیمه صلب ، ساده)

اتصالات در سازه های فولادی:

هرچه سازه شکل پذیرتر باشد انرژی بیشتری را هنگام زلزله جذب کرده و رفتار مطلوب‌تری دارد. فولاد نرمه به علت طبیعت شکل پذیر از این نظر ماده مناسبی می‌باشد و می‌تواند میزان زیادی انرژی جذب کند. اما تجربه نشان داده است که در سازه های فولادی در صورت عدم استفاده از اتصالات مناسب عملکرد مناسب لرزه‌ای آن‌ها مناسب و قابل قبول نخواهد بود و در اثر زلزله دچار شکست سازه‌ای و یا انهدام خواهد شد.

سیستم‌های مهاربندی یا بادبندی در سازه های فولادی

بر حسب اینکه مهارها مثلث بندی کامل به وجود آورد یا نیاورد به دو گروه تقسیم می‌کنیم:

الف) قاب‌ها با مهاربندی بدون خروج از مرکز:

در آن‌ها محور تمام اعضا در یک گره و در یک نقطه تلافی دارند.

ب) قاب‌ها با مهاربندی خارج از مرکز:

با طرح مهاربندی خارج از مرکز در سازه های فولادی مزایایی در تامین شکل پذیری سازه و ضریب اطمینان بهتری در رفتار سازه در هنگام زلزله بدست می‌آید.

قاب‌های گروه اول از نظر مقاومت و صلبیت موثرتر از گروه دوم می‌باشد ، اما تحقیقات سال‌های اخیر نشان داده است جاهایی که شکل پذیری زیاد برای سیستم در بارهای تناوبی (حالت زلزله) به صورت رفت و برگشت مورد نظر باشد قاب‌های گروه دوم برتری خواهد داشت.

بیشتر ساخت و ساز های فولادی با نوع فولادی به نام فولاد خفیف انجام می شود. فولاد خفیف یک ماده بسیار قوی است. یک نوار دایره ای از قطر فولاد 1 اینچ / 25 میلیمتر را بگیرید اگر شما می بایست این نوار را به طور امن به سقف خود اضافه کنید ، می توانید 20 ، 000 کیلوگرم (20 تن) یا هر کدام از موارد زیر را از آن آویزان کنید.
این قدرت فوق العاده ، مزیت بسیار خوبی برای ساختمان ها است. یکی دیگر از ویژگی های مهم فریم فولادی ، انعطاف پذیری آن است که می تواند بدون ترک خوردن خم شود. خصوصیات سوم فولاد ، پلاستیکی یا انعطاف پذیری آن است. این بدان معنی است که هنگامی که به نیروی بزرگ اعمال می شود ، به طور ناگهانی مثل شیشه نیست ، اما به آرامی از شکل خم می شود. این ویژگی به ساختمان های فولادی اجازه می دهد تا از شکل خارج شوند یا تغییر شکل دهند ، در نتیجه شکست در قاب های فولادی ناگهانی نیست – ساختار فولاد به ندرت فرو می ریزد. فولاد در اکثر موارد به علت این ویژگی ها ، در زمین لرزه بسیار بهتر عمل می کند.

تعريف ستون فلزی در سازه های فولادی

ستون عضوی است كه معمولا به صورت عمودی در ساختمان نصب می‌شود و يارهای كف ناشی از طبقات به وسيله تير و شاه‌تير به آن منتقل می‌گردد و سپس به به زمين انتقال می‌يابد.

شكل ستون‌ها در سازه های فولادی

شكل سطح مقطع ستون‌ها معمولا به مقدار و وضعيت بار وارد شده بستگی دارد. برای ساختن ستون‌های فلزی از انواع پروفيل‌ها و ورق‌ها استفاده می‌شود. عموما ستون‌ها از لحاظ شكل ظاهری به دو گروه تقسيم می‌شوند:

۱–  نيمرخ (پروفيل) نورد شده شامل انواع تيرآهن‌ها و قوطی‌ها: بهترين پروفيل نورد شده برای ستون ، تيرآهن پهن يا قوطی‌های مربع شكل است؛ زيرا از نظر مقاومت بهتر از مقاطع ديگر عمل می‌كند. ضمن اينكه در بيشتر مواقع عمل اتصالات تيرها به راحتی روی آن‌ها انجام می‌گيرد.

2 -مقاطع مركب: هرگاه سطح مقطع و مشخصات يک نيمرخ (پروفيل) به تنهايی برای ايستايی (تحمل بار وارد شده و لنگر احتمالی) يک ستون كافی نباشد ، از اتصال چند پروفيل به يكديگر ، ستون مناسب آن (مقاطع مركب) ساخته می‌شود.

چگونگي ساخت ستون (مقاطع مركب)

ستون‌ها ممكن است بر حسب نياز با تركيب و اتصالات متنوع از انواع پروفيل‌های مختلف ساخته شوند ، اما رايج‌ترين اتصال برای ساخت ستون‌ها سه نوع است:

۱- اتصال دو پروفيل به يكديگر به طريقه دوبله كردن

ابتدا دو تير آهن را در كنار يكديگر و بر روی سطح صاف به هم چسبيده گردند. سپس دو سر و وسط ستون را جوش داده و ستون برگردانده شده و مانند قبل جوشكاری صورت می‌گيرد. آن گاه ستون معكوس و در قسمت وسط ، جوشكاری می‌شود. همين كار را در سوی ديگر ستون انجام می‌دهند و به ترتيب جوشكاری ادامه می‌يابد تا جوش مورد نياز ستون تامين گردد. اين شيوه جوشكاری برای جلوگيری از پيچش ستون در اثر حرارت زياد جوشكازی ممتد می‌باشد. در صورتی كه در سرتاسر ستون به جوش نيازی نباشد ، دست كم جوش‌ها بايد به اين ترتيب اجرا گردد:

الف) حداكثر فاصله بين طول‌های جوش در طول ستون به صورت غير ممتد از ۶۰ سانتی‌متر تجاوز نكند.

ب) طول جوش ابتدايی و انتهايی ستون بايد برابر بزرگ‌ترين عرض مقطع باشد و به طور یکسره انجام گيرد.

ج) طول موثر هر قطعه از جوش منقطع نبايد از ۴ برابر بعد جوش يا ۴۰ ميلی‌متر كمتر باشد.

د) تماس ميان بدنه دو پروفيل نبايد از يک شكاف ۵.۱ ميلی‌متری بيشتر ، اما از ۶ ميلی‌متر كمتر باشد. ضمنا بررسی‌های فنی نشان دهد که مساحت كافی برای تماس وجود ندارد. در آن صورت ، اين باد خور بايد با مصالح پر كننده مناسب شامل تيغه‌های فولادی با ضخامت ثابت پر شود.

۲- اتصال دو پروفيل با يک ورق سراسری روی بال‌ها

در مقاطع مركبی كه ورق اتصال بر روی دو نيمرخ متصل می‌شود تا مقاطع مركب تشكيل بدهد. فاصله جوش‌های مقطع (غير ممتد) كه ورق را به نيمرخ‌ها متصل می‌كند ، نبايد از ۳۰ سانتی‌متر بيشتر شود. اندازه حداكثر فاصله فوق الذكر در مورد فولاد معمولی به صورت t22 كه  t در آن ضخامت ورق است در می‌آيد.

۳- اتصال دو پروفيل با بستهاي فلزی (تسمه): متداول‌ترين نوع ستون در ايران ستون‌های مركبی است كه دو تيرآهن به فاصله معين از يكديگر قرار می‌گيرد و قيدهای افقی يا چپ و راست اين دو نيمرخ را به هم متصل می‌كند. البته بست‌های چپ و راست كه شكل‌های مثلثی را به وجود می‌آورند ، دارای مقاومت بهتری نسبت به قيدهای موازی می‌باشند. در مورد اينگونه ستون‌ها ، به ويژه ستون با قيد موازی مسایل زير را بايستی رعايت كرد:

الف) ابعاد بست (وصله) افقی ستون كم‌تر از اين مقادير نباشد:

L: طول وصله حداقل به فاصله مركز تا مركز دو نيمرخ باشد.

B: عرض وصله از ۴۲ درصد طول آن كم‌تر نباشد.

T: ضخامت وصله از ۳۵.۱ طول آن كم‌تر نباشد.

ب) در اطراف كليه وصله‌ها و در سطح تماس با بال نيمرخ‌ها عمل جوشكاری انجام گيرد (مجموع طول خط جوش در هر طرف صفحه نبايد از طول صفحه كمتر شود).

ج) فاصله قيدها و ابعاد  آن بر اساس محاسبات فنی تعيين می‌شود.

د) در قسمت انتهايی ستون ، بايد حتما از ورق با طول حداقل برابر عرض ستون استفاده كرد تا علاوه بر تقويت پايه ، محل مناسبی برای اتصال بادبندها به ستون به وجود آيد.

ه) در محل اتصال تير يا پل به ستون لازم است قبلا ورق تقويتی به ابعاد كافی روی بال‌های ستون جوش شده باشد.

روش نصب نبشی بر روی كف ستون‌ها (بيس پليت) برای استقرار ستون

هنگام محاسبه ابعاد كف ستون‌ها بايد حداقل فاصله ميله مهاری از لبه كف ستون و محل جاگذاری نبشی با ضخامت جوش لازم برای نگه داشتن ستون ، همچنين ضخامت پليت انتهايی ستون و ابعاد ستون را با دقت بررسی كرد ، سپس با توجه به موارد ياد شده ، به نصب نبشی و استقرار ستون به اين صورت اقدام نمود. بر روی بيس پليت‌ها محل كف ستون و محل آكس را كنترل می‌كنيم.  نبشی‌های اتصال را به صورت عمود بر هم بر روی بيس پليت جوش داده ، آن‌گاه ستون را مستقر و اقدام به نصب دیگر نبشی‌های لازم كرده و آن‌ها را به بيس پليت جوش می‌دهيم. از مزايای عمود بر هم بودن دو نبشی روی بيس پليت علاوه بر سرعت عمل و استقرار بهتر به علت تماس مستقيم ستون به بال نبشی ، اتصال جوشكاری به گونه‌ای درست‌تر و اصولی‌تر صورت می‌گيرد. روشن است كه قبل از جوشكاری بايد ستون‌ها را هم محور و قائم نموده و عمود بودن در دو جهت كنترل گردد. پس از نصب ستون‌ها با توجه به ارتفاع ستون و آزاد بودن سر ستون ممكن است تا زمان نصب پل‌ها ، ستون‌ها در اثر شدت باد و وزن خود حركت‌هايی داشته باشند كه احتمالا تاثير نا مطلوب و ايجاد ضعف در جوشكاری و اتصالات كف ستون‌ها خواهد داشت. به اين سبب ، بايد پس از نصب ، فورا به مهاربندی موقت ستون‌ها به وسيله ميلگرد يا نبشی به صورت ضربدری اقدام كرد. سازه های فولادی ، سازه های فولادی ، سازه های فولادی ، سازه های فولادی

سازه فولادی یا بتنی؟

اغلب ساختمان‎های مهندسی امروزه از مصالح مقاوم ساختمانی یعنی بتن و فولاد و یا ترکیبی از آن دو ساخته می‎شوند. در ادامه مقایسه این دو مصالح در موارد تعیین‌کننده ارائه شده است.

مزایای سیستم فولادی

مقاومت بالا: فولاد در تحمل انواع تلاش‌های خمشی ، فشاری و کششی نسبت به بتن مسلح برتری دارد. این برتری مقاومت مصالح موجب می‌گردد که ابعاد اعضای سازه‌ای کاهش یابد. بتن در تحمل کشش و خمش ذاتا ضعیف است و به همین دلیل نیاز به تسلیح با فولاد دارد.
شکل‎پذیری و عملکرد لرزه‎ای: شکل‎پذیری خاصیت ذاتی مصالح فولادی است و عملکرد لرزه‎ای فولاد بهتر از بتن می‎باشد. این امر در مقاومت در برابر نیروهای فوق‎العاده مانند زلزله کمک موثری به جذب انرژی و حفظ پایداری سازه می‎نماید. البته با حفظ جزئیات و تدابیر ویژه می‌توان شکل‌پذیری اعضای بتنی را نیز تا مقادیر دلخواه افزایش داد. از طرفی در حالت کلی پیوستگی و انسجام سازه‌های بتنی بیش از سازه‌های فولادی است ، اما با رعایت جزئیات مناسب در اتصالات می‌توان در سازه‌های فولادی نیز به انسجام دلخواه دست یافت.
حجم و وزن اسکلت: مزیت عمده اسکلت فولادی نسبت به اسکلت بتنی وزن و حجم کمتر اعضای آن است. حجم زیاد بتن امکان بهره‎گیری از فضای آزاد را در بنا محدود کرده و نیاز به فواصل بیشتر در بین درزها ایجاد می‎نماید. خصوصاً در ساختمان‌های نسبتاً بلند ، ابعاد بزرگ اجزاء سازه ، کاربری فضاها را با مشکلاتی همراه می‌سازد و علاوه بر آن ابعاد بزرگ تیرها و ستون‌ها وزن سازه و به طبع آن نیروهای زلزله را به میزان قابل توجهی افزایش خواهد داد.
بهبود رفتار بلند مدت: به دلیل مدول الاستیسیته بالای فولاد و موثر نبودن زمان بر تغییرشکل‌های سازه‌های فولادی کنترل تغییرشکل‌ها در این سازه‌ها ساده‌تر و صریح‌تر از سازه‌های بتنی مسلح است. تغییر شکل‌ مقاطع بتنی تحت بارگذاری‌های طولانی مدت خزشی است ، و با توجه به سنگین بودن بار مرده سقف‌ها در پروژه‌های مسکونی این تغییرشکل‌های تابع زمان زیاد و دارای پیامدهای نامطلوب خواهد بود.
شرایط و امکانات اجرایی کار: اجرای اسکلت فولادی به پرسنل تخصصی و ماهر در محل اجرا نیاز کمتر داشته و امکان استفاده از قطعات پیش‎ساخته را که در کارخانه تولید می‎شوند فراهم می‎آورد. این مسئله در بالارفتن کیفیت ، سرعت و یکنواختی اجرا بسیار حائز اهمیت است. در حالی که در اسکلت بتنی ، کار مورد نیاز در محل کارگاه به نسبت بیشتر و در نتیجه لزوم برنامه‎ریزی دقیق و امکان اخلال در نحوه و زمان اجرای پروژه بیشتر می‎شود.
جبران خسارت و ترمیم سازه: در موارد بروز حوادث طبیعی مانند زلزله در صورتی که آسیبی به اسکلت واردشود ، در اسکلت‎های بتنی ترمیم اعضاء آسیب دیده مسئله پیچیده‌ای می‎باشد حال آنکه در مورد فولاد امکان تعمیر و ترمیم آسان‎تر است. همچنین امکان ایجاد تغییرات جزئی در حین کار در سازه‌های فولادی بیش از سازه‌های بتنی است.
زمان اجرا: زمان اجرای اسکلت فولادی به دلیل امکان استفاده از پیش‌ساختگی ، سبکی وزن اجزا و سهولت تدارک امکانات اجرایی کار نسبت به اسکلت بتنی به مقدار چشمگیری کمتر است. اسکلت بتنی به دلیل مراحل بیشتر عملیات اجرایی نظیر قالب‎بندی ، آرماتوربندی ، بتن‎ریزی ، زمان قالب‎برداری و عمل‌آوری نیازمند زمان بیشتری برای اجراء است.

‌ترمیم ترک در سازه‌های فلزی

قطعات و سازه‌های فولادی بكار رفته در پل‌ها ممكن است در اثر عبور قطارهای سنگین دچار ترک شوند كه به علت دشواری تعویض قطعات در صورت صدمه نیاز به ترمیم دارند. ترک از محل تمركز تنش شروع شده و رشد می‌كند كه باید متوقف شود. یكی از روش‌های بكار رفته در متوقف ساختن ترک كه در پل‌های فولادی كاربرد دارد ، استفاده از سوراخ‌های متوقف كننده است. با این كار از تنش اطراف نوک ترك ۲۰ تا ۳۰ درصد كاسته می‌شود و راه مقابله به مثل مناسبی به حساب می آید. قطر سوراخ‌های متوقف كننده در پل‌های فولادی ۰ الی ۱۵ درصد طول ترک بوده حداكثر ۱۵ میلیمتر پیشنهاد شده است. همچنین پس از سوراخكاری انتهای ترک می‌توان با استفاده از جوشكاری و مواد پركننده طول ترک را ترمیم كرد.

سازه‌های تشكیل دهنده از جنس آلیاژهای آلومینیوم ، فولادهای گالوانیزه و فولادهای زنگ نزن هستند. بنابراین تعمیر ترکهای ایجاد شده ، از لحاظ سوراخكاری متفاوت است. برای متوقف ساختن ترکهایی كه در چارچوب درب هواپیما و بالگرد پدیدار می‌شود و طول آنها كمتر از ۲/۵ سانتیمتر است ، سوراخ‌هایی در انتهای ترک ایجاد می‌شود و با چسباندن صفحات تقویت كننده ترمیم می‌شود.

اتصالات در سازه های فولادی تعريف ستون فلزي توجیه اقتصادی سازه فولادی چگونگي ساخت ستون (مقاطع مركب) سازه‌ فولادی سازه های فلزی سازه های فولادی مزایا سازه فولادی مصرف فولاد در ساختمانهای سازه فلزی