آرشیو مقالات

حدید کاران ایران
سوله های صنعتی , سازه های صنعتیسازه فولادی

سازه های فولادی


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 است. اتصالات به کار رفته در سازه های فولادی از نوع جوشی، پرچی و یا پیچ و مهره می‌باشد و بسته 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 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 استفاده می‌گردد.

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

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

توجیه اقتصادی سازه های فولادی

در ارزیابی اقتصادی یک ساختمان فولادی، فقط در نظر گرفتن قیمت مصالح ساختمانی و نیروی انسانی کفایت نمی‌کند 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 فلزی کم‌تر خواهد بود.

– مصالح در دسترس

– ارزش نهایی ساختمان: هرچه مدت 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)

بررسی میزان مصرف فولاد در ساختمان‌های سازه فولادی

در ساختمان‌های سازه فلزی، هزینه با توجه به میزان مصرف فولاد در هر متر مربع مساحت کف (تصویر افقی) 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.

سازه های فولادی

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 نقط 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 ۱ اینچ / ۲۵ میلیمتر را بگیرید اگر شما می بایست این نوار را به طور امن به سقف خود اضافه کنید، می توانید ۲۰،۰۰۰ کیلوگرم (۲۰ 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.

تعریف ستون فلزی در سازه های فولادی

ستون عضوی است که معمولا به صورت عمودی در ساختمان نصب می‌شود و یارهای کف ناشی از طبقات به وسیله تیر و شاه‌تیر به آن منتقل می‌گردد و سپس به به زمین انتقال می‌یابد.

شکل ستون‌ها در سازه های فولادی

شکل سطح مقطع ستون‌ها معمولا به مقدار و وضعیت بار وارد شده بستگی دارد. برای ساختن ستون‌های فلزی از انواع پروفیل‌ها و ورق‌ها استفاده می‌شود. عموما ستون‌ها از لحاظ شکل ظاهری به دو گروه تقسیم می‌شوند:

۱– نیمرخ (پروفیل) نورد شده شامل انواع تیرآهن‌ها و قوطی‌ها: بهترین پروفیل نورد شده برای ستون، تیرآهن پهن یا قوطی‌های مربع شکل است؛ زیرا از نظر مقاومت بهتر از مقاطع دیگر عمل می‌کند. ضمن اینکه در بیشتر مواقع عمل اتصالات تیرها به راحتی روی آن‌ها انجام می‌گیرد.

۲- مقاطع مرکب: هرگاه سطح مقطع و مشخصات یک نیمرخ (پروفیل) به تنهایی برای ایستایی (تحمل بار وارد شده و لنگر احتمالی) یک ستون کافی نباشد، از اتصال چند پروفیل به یکدیگر، ستون مناسب آن (مقاطع مرکب) ساخته می‌شود.

چگونگی ساخت ستون (مقاطع مرکب):

ستون‌ها ممکن است بر حسب نیاز با ترکیب و اتصالات متنوع از انواع پروفیل‌های مختلف ساخته شوند، اما رایج‌ترین اتصال برای ساخت ستون‌ها سه نوع است:

۱- اتصال دو پروفیل به یکدیگر به طریقه دوبله کردن

ابتدا دو تیر آهن را در کنار یکدیگر و بر روی سطح صاف به هم چسبیده گردند. سپس دو سر و وسط ستون را جوش داده و ستون برگردانده شده و مانند قبل جوشکاری صورت می‌گیرد. آن گاه ستون معکوس و در قسمت وسط، جوشکاری می‌شود. همین کار را در سوی دیگر ستون انجام می‌دهند و به ترتیب جوشکاری ادامه می‌یابد تا جوش مورد نیاز ستون تامین گردد. این شیوه جوشکاری برای جلوگیری از پیچش ستون در اثر حرارت زیاد جوشکازی ممتد می‌باشد. در صورتی که در سرتاسر ستون به جوش نیازی نباشد، دست کم جوش‌ها باید به این ترتیب اجرا گردد:

الف) حداکثر فاصله بین طول‌های جوش در طول ستون به صورت غیر ممتد از ۶۰ سانتی‌متر تجاوز نکند.

ب) طول جوش ابتدایی و انتهایی ستون باید برابر بزرگ‌ترین عرض مقطع باشد و به طور یکسره انجام گیرد.

ج) طول موثر هر قطعه از جوش منقطع نباید از ۴ برابر بعد جوش یا ۴۰ میلی‌متر کمتر باشد.

د) تماس میان بدنه دو پروفیل نباید از یک شکاف ۵.۱ میلی‌متری بیشتر، اما از ۶ میلی‌متر کمتر باشد. ضمنا بررسی‌های فنی نشان دهد که مساحت کافی برای تماس وجود ندارد. در آن صورت، این باد خور باید با مصالح پر کننده مناسب شامل تیغه‌های فولادی با ضخامت ثابت پر شود.

۲- اتصال دو پروفیل با یک ورق سراسری روی بال‌ها

در مقاطع مرکبی که ورق اتصال بر روی دو نیمرخ متصل می‌شود تا مقاطع مرکب تشکیل بدهد. فاصله جوش‌های مقطع (غیر ممتد) که ورق را به نیمرخ‌ها متصل می‌کند، نباید از ۳۰ سانتی‌متر بیشتر شود. اندازه حداکثر فاصله فوق الذکر در مورد فولاد معمولی به صورت t22 که  t در آن ضخامت ورق است در می‌آید.

۳- اتصال دو پروفیل با بستهای فلزی (تسمه): متداول‌ترین نوع ستون در ایران ستون‌های مرکبی است که دو تیرآهن به فاصله معین از یکدیگر قرار می‌گیرد و قیدهای افقی یا چپ و راست این دو نیمرخ را به هم متصل می‌کند. البته بست‌های چپ و راست که شکل‌های مثلثی را به وجود می‌آورند، دارای مقاومت بهتری نسبت به قیدهای موازی می‌باشند. در مورد اینگونه ستون‌ها، به ویژه ستون با قید موازی مسایل زیر را بایستی رعایت کرد:

الف) ابعاد بست (وصله) افقی ستون کم‌تر از این مقادیر نباشد:

L: طول وصله حداقل به فاصله مرکز تا مرکز دو نیمرخ باشد.

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

T: ضخامت وصله از ۳۵.۱ طول آن کم‌تر نباشد.

ب) در اطراف کلیه وصله‌ها و در سطح تماس با بال نیمرخ‌ها عمل جوشکاری انجام گیرد (مجموع طول خط جوش در هر طرف صفحه نباید از طول صفحه کمتر شود).

ج) فاصله قیدها و ابعاد  آن بر اساس محاسبات فنی تعیین می‌شود.

د) در قسمت انتهایی ستون، باید حتما از ورق با طول حداقل برابر عرض ستون استفاده کرد تا علاوه بر تقویت پایه، محل مناسبی برای اتصال بادبندها به ستون به وجود آید.

ه) در محل اتصال تیر یا پل به ستون لازم است قبلا ورق تقویتی به ابعاد کافی روی بال‌های ستون جوش شده باشد.

روش نصب نبشی بر روی کف ستون‌ها (بیس پلیت) برای استقرار ستون

هنگام محاسبه ابعاد کف ستون‌ها باید حداقل فاصله میله مهاری از لبه کف ستون و محل جاگذاری نبشی با ضخامت جوش لازم برای نگه داشتن ستون، همچنین ضخامت پلیت انتهایی ستون و ابعاد ستون را با دقت بررسی کرد، سپس با توجه به موارد یاد شده، به نصب نبشی و استقرار ستون به این صورت اقدام نمود. بر روی بیس پلیت‌ها محل کف ستون و محل آکس را کنترل می‌کنیم.  نبشی‌های اتصال را به صورت عمود بر هم بر روی بیس پلیت جوش داده، آن‌گاه ستون را مستقر و اقدام به نصب دیگر نبشی‌های لازم کرده و آن‌ها را به بیس پلیت جوش می‌دهیم. از مزایای عمود بر هم بودن دو نبشی روی بیس پلیت علاوه بر سرعت عمل و استقرار بهتر به علت تماس مستقیم ستون به بال نبشی، اتصال جوشکاری به گونه‌ای درست‌تر و اصولی‌تر صورت می‌گیرد. روشن است که قبل از جوشکاری باید ستون‌ها را هم محور و قائم نموده و عمود بودن در دو جهت کنترل گردد. پس از نصب ستون‌ها با توجه به ارتفاع ستون و آزاد بودن سر ستون ممکن است تا زمان نصب پل‌ها، ستون‌ها در اثر شدت باد و وزن خود حرکت‌هایی داشته باشند که احتمالا تاثیر نا مطلوب و ایجاد ضعف در جوشکاری و اتصالات کف ستون‌ها خواهد داشت. به این سبب، باید پس از نصب، فورا به مهاربندی موقت ستون‌ها به وسیله میلگرد یا نبشی به صورت ضربدری اقدام کرد. 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 بکار رفته در پل‌ها ممکن است در اثر عبور قطارهای سنگین دچار ترک شوند که به علت دشواری تعویض قطعات در صورت صدمه نیاز به ترمیم دارند. ترک از محل تمرکز تنش شروع شده و رشد می‌کند که باید متوقف شود. یکی از روش‌های بکار رفته در متوقف ساختن ترک که در پل‌های فولادی کاربرد دارد، استفاده از سوراخ‌های متوقف کننده است. با این کار از تنش اطراف نوک ترک ۲۰ تا ۳۰ درصد کاسته می‌شود و راه مقابله به مثل مناسبی به حساب می آید. قطر سوراخ‌های متوقف کننده در پل‌های فولادی ۰ الی ۱۵ درصد طول ترک بوده حداکثر ۱۵ میلیمتر پیشنهاد شده است. همچنین پس از سوراخکاری انتهای ترک می‌توان با استفاده از جوشکاری و مواد پرکننده طول ترک را ترمیم کرد.

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

 

 

نظر دادن

شش + 7 =