سازه فولادی

سازه فولادی گونه ای سازه است که مصالح اصلی آن که برای تحمل بارها و انتقال آنها به کار می رود فولاد است. اتصالات به کار رفته در این گونه سازه ها از نوع جوشی، پرچی یا پیچ و مهره می باشد. و بسته به گونه اتصالات، قطعات طرح شده و کنترل های مربوط بر روی آنها انجام می شود.

اکنون فولاد از مهمترین مصالح برای ساخت ساختمان و پل و سایر سازه های ثابت است. مقاومت فولاد (تنش تسلیم) مورد استفاده در بازه 2400ggr/cm2 تا 7000kgr/cm2 است. که برای ساختمان های معمولی از فولاد با مقاومت 2400kgr/cm2. که به آن فولاد نرمه گفته می شود استفاده می گردد.

اسکلت فولادی یا قاب فولادی اصطلاحی است که در ساختمان سازی به کار می رود. ساختمان هایی با اسکلت فولادی، از ستون های عمودی و تیرهای I – شکل افقی. که به شکل شبکه های مستطیلی به هم وصل شده اند، تشکیل گردیده اند. این شبکۀ مستطیل -شکل، وظیفۀ نگه داری طبقات. سقف ها و دیوارهایی را که به اسکلت ساختمان وصل شده اند، برعهده دارد. توسعۀ این فناوری، امکان ساخت آسمان خراش ها را فراهم کرده است.

تاریخچه اسکلت فولادی

استفاده از فولاد به عنوان مصالح ساختمانی حدوداً از اوایل قرن 20 آغاز شد. و در حین جنگ دوم جهانی به صورت قابل توجهی گسترش یافت. بعد از جنگ دوم جهانی تهیه فولاد. امری به مراتب راحت تر از قبل داشت و قیمت فولاد کاهش چشمگیری پیدا کرد. که این مسئله باعث شد بسیاری از طراحان از اسکلت فلزی برای ساخت ساختمان های گوناگون استفاده نمایند.

مفهوم کلی

پروفیل یا نیمرخ یا سطح مقطع یک ستون فولادی نوردی، مانند حرف H در زبان انگلیسی است. جهت فراهم کردن مقاومت مناسب در برابر تنش های فشاری. فلنج های ستون ها دارای ضخامت و گستردگی بیشتری نسبت به فلنج های تیرها است. فولادهایی با مقاطع مربعی و دایره ای توخالی نیز به طور معمول. جهت پر شدن توسط خمیر بتن استفاده می شوند. تیرهای فولادی توسط پیچ و مهره و سایر اتصالات به ستون ها وصل می شوند. در گذشته نیز از پرچ برای اتصال استفاده می شد. به دلیل بیشتر بودن لنگر خمشی در تیرها، معولاً جان مقطع فولادی تیرهای I – شکل. دارای ارتفاع بیشتری نسبت به جان ستون ها است.

از عرشه های فولادی، می توان به عنوان قالب های راه راه در زیر لایۀ ضخیمی از بتن مسلح. برای پوشش کف طبقات سازه با قاب فولادی استفاده کرد. استفاده از قطعات بتنی پیش ساخته نیز روی متداول دیگری است. معمولاً در آخرین طبقۀ ساختمان های تجاری، از فضای خالی بین سطح بیرونی و قطعات سازه ای کف طبقه. به عنوان محلی برای کابل ها یا کانال های هوا استفاده می شود.

اسکلت ساختمان باید از نفوذ حرارت بالا محافظت شود. زیرا نرم شدن فولاد در دمای زیاد، می تواند موجب فروپاشیدن ساختمان گردد. در ستون ها می توان با پوشانده شدن توسط مواد مقاومی در برابر آتش همچون مصالح بنایی. بتن یا لایۀ گچی این مشکل را بر طرف کرد. تیرها را نیز می توان با بتن، لایۀ گچی یا اسپری های مخصوص عایق کاری در برابر حرارت، پوشش داد. همچنین از پوشش های سقفی مقاوم در برابر آتش نیز می توان بهره برد.

لایۀ بیرونی ساختمان با استفاده از تکنیک های ساخت و ساز. یا سبک های معماری مختلف به اسکلت ساختمان متصل می شود. از آجرها، سنگ ها، قطعات بتنی، شیشه، صفحات فلزی و رنگ. برای محافظت از فولاد در برابر تغییرات آب و هوایی استفاده می شوند.

در ایران

سازه فلزی با دیوار برشی فولادی: که وزن آهن آلات مصرفی. در آن 45 تا 55 کیلوگرم برای هر متر مربع است. که نسبت به سازه های متداول 40 درصد کمتر است.

در این نوع ساختمان برای ساختن ستون ها و تیر از پروفیل فولادی استفاده می شود. همچنین از نبشی تسمه و برای زیر ستون ها از صفحات فولادی (بیس پلیت) استفاده می نمایند. و معمولاً دو قطعه را به وسیله جوش به هم دیگر متصل می نمایند. سقف این نوع ساختمان ها ممکن است تیرآهن و طاق ضربی باشد. یا از انواع سقف های دیگر از قبیل تیرچه بلوک غیره استفاده می گردد.

برای پارتیشن ها می توان مانند ساختمان های بتونی. از انواع آجر یا قطعات گچی یا چوبی و سفال هایی تیغه ای استفاده نمود. در هر حال جداکننده ها می باید از مصالح سبک انتخاب شود. در بعضی کشورها برخلاف کشور ما برای اتصال قطعات از جوش استفاده نکرده. بلکه بیشتر از پرچ یا پیچ و مهره استفاده می نمایند. البته برای ستون ها نیز می توان به جای تیر آهن از نبشی یا ناودانی استفاده نمود.

بطور کلی منظور از ساختمان فلزی ساختمانی است. که ستون ها و تیرهای اصلی آن از پروفیل های مختلف فلزی بوده. و بار سقف ها و دیوارها و جداکننده ها (پارتیشن ها). به وسیله تیرهای اصلی به ستون منتقل شده و به وسیله ستون ها به زمین منتقل گردد.

روش های طراحی سازه های فولادی ساختمانی

ابعاد پروفیل های مورد استفاده در سازه های فلزی را می توان با یکی از روش های زیر محاسبه کرد. از روش های زیر دو روش تنش مجاز و روش حدی در مقررات ملی ساختمان. مبحث 10 ایران آورده شده است.

• روش تنش مجاز
• روش طرح پلاستیک
• روش حالت حدی

تاریخچه ساختمان های فولادی

استفاده از فولاد بعنوان مصالح ساختمانی حدوداً از اوایل قرن 20 آغاز شد. و در حین جنگ دوم جهانی به صورت قابل توجهی گسترش یافت. بعد از جنگ دوم جهانی تهیه فولاد امری به مراتب راحت تر از قبل شده بود. و قیمت فولاد کاهش چشمگیری داشت. که این مسئله باعث شد بسیاری از طراحان از اسکلت فلزی برای ساخت ساختمان های گوناگون استفاده نمایند.

مشخصات مکانیکی فولاد

مهمترین مشخصه مکانیکی فولاد نمودار تنش – کرنش آن می باشد. که از روی آن تنش تسلیم یا تنش جاری شدن بدست می آید.

آنچه فولاد را به عنوان یک مصالح ساختمانی مناسب معرفی کرده می تواند شامل موارد زیر باشد:

• تغییر شکل در اثر بارگذاری و ایجاد تنش یکنواخت
• وجود خاصیت الاستیک و پلاستیک
• شکل پذیری
• خاصیت چکش خواری و تورق
• خاصیت خمش پذیری
• خاصیت فنری و جهندگی
• خاصیت چقرمگی
• خاصیت سختی استاتیکی و دینامیکی
• مقاومت نسبی بالا
• ضریب ارتجاعی بالا
• جوش پذیری
• همگن بودن
• امکان استفاده از ضایعات
• امکان تقویت مقاطع در صورت نیاز

میزان مصرف فولاد در ساختمان های فلزی

در ساختمان های فلزی، هزینه با توجه به میزان مصرف فولاد در هر متر مربع مساحت کف (تصویر افقی). یا متر مکعب ساختمان محاسبه می شود. هزینه ساخت و میزان مصرف فولاد به عوامل زیر بستگی دارد:

• تعداد طبقات
• بار اعمال شده به طبقات
• دهانه ها در اطراف ستون
• ضخامت سقف
• سیستم سازه ای (سیستم انتقال بارهای قائم و جانبی)

اسکلت فلزی یا بتنی بهتر است؟

با مقایسه این دو سازه با هم به این مسئله پی می بریم

مزایای سازه اسکلت فلزی

• کم وزن بودن اسکلت فلزی
• پیروی فولاد از قانون هوک تا تنش های بزرگ (خاصیت ارتجاعی فولاد)
• مقاومت بسیار بالای قطعات فلزی و ارتباط مقاومت به وزن؛ که این خود باعث می شود. در دهانه سوله مورد استفاده قرار گیرند.
• کارا بودن آن در سازه های طویل
• خاصیت یکنواختی: معمولاً فلز در کارخانه های بسیار بزرگ با دقیق تهیه می شود. به همین علت می توان به یکنواخت بودن خواص اطمینان کرد.
• فولاد دوام بسیار بالایی دارد که در ساختمان های فلزی بسیار مناسب می باشد. و این باعث استفاده از آن در مدت زمان طولانی می گردد.
• فولاد معمولاً توانایی تحمل ضربه را دارد که یکی از علل مقاومت در مقابل خرابی است.
• قطعات فلزی و فولاد همگن هستند (پیوستگی).

• مقاومت متعادل فلز و فولاد: مصالح فلزی در مقابل کشش و فشار. رفتاری یکسان و همچنین در برش نیز خوب هستند. در زمان تغییر وضعیت بار، بر اثر نیروی وارده قابل تعویض و همین طور در بارهای پیش بینی می‌گردد. معمولاً در نتیجۀ برش نشات گرفته از آن هستند.
• امکان مقاوم سازی: اگر در قسمتی از ساختمان بخشی به علت محاسبات غیر دقیق و اشتباه. یا تغییر در اجرا درست اجرا نشده باشد می توان با پرچ کردن یا جوش و … آن را تقویت نمود و یا قسمت هایی اضافه نمود.
• ساخت و نصب راحت
• سرعت نصب: سرعت نصب قطعات فلزی بسیار کمتر از اجرای بتن در ساختمان است.
• پرتی مصالح: اسکلت فلزی نسبت به اجرای بتن و … در ساختمان پرتی کمتری دارد.
• اشغال
• فضا: اسکلت فلزی از نظر ابعاد کوچکتر از ساختمان های بتنی است. سطح بلا استفاده در ساختمان های بتنی بیشتر ایجاد می شود.

مزایای سازه بتنی

• هزینه سازه های بتنی نسبت به سازه های فلزی کمتر است. و با توجه به هزینه سازه های بتنی مقاوم تر است.
• بتن آرمه از لحاظ مقاومت و در مقابل شرایط محیطی سخت تر است.
• بتن آرمه یا همان اسکلت بتنی به دلیل شکل پذیری بالایی که دارد در تمام پروژه ها از جمله پل، ساختمان و … قابل استفاده است.

ورق آلیاژی

• بتن آرمه و در واقع انواع اسکلت بتنی در مقابل آتش و حرارت بسیار مقاوم تر است. و زمان بیشتری زمان می برد تا فولاد داخلی بتن در برابر حرارت تغییر نشان دهد.
• طول عمر سازه های بتنی از دیگر سازه ها بیشتر است.
• با توجه به این که سازه های فلزی زمان کمتری برای نصب و پیاده سازی می برند. سازه های بتنی زمان بیشتری برای انجام کار احتیاج دارند.

برای کارفرمایانی که قصد دارند با توجه به پیشرفت پروژه خرد خرد پرداخت هزینه ها را داشته باشند. اسکلت بتنی بهترین انتخاب می باشد.

سازه فولادی

• اجرای اسکلت بتنی در مقایسه با اسکلت فلزی از ظرافت، تخصص و حساسیت کمتری برخوردار است. و با توجه بهه تعدد اجرای این نوع اسکلت، پیمانکاران با تجربه ای آن را اجرا می کنند.

استاندارد و دوام اسکلت فلزی منوط به ساختن قطعات در کارخانه. استفاده از اتصالات پیچ و مهره و انجام آزمایشات تست جوش است. اما انجام این اقدامات در کشور ما هزینه های ساخت را بشدت بالاتر می برد.

• کمانش اجزاء در انواع اسکلت بتنی ساختمان کمتر است. و علت آن تفاوت رفتار بتن و آهن در برابر نیرو است.
• هزینه نگهداری اسکلت بتنی ساختمان کمتر است. به مرور زمان سطح بیرونی اسکلت فلزی دچار خوردگی می‌شود و به مرور از ضخامت آن کم می شود. اقداماتی که این روند را کنترل می کنند هزینه بالایی دارند.

وصله

اتصال دو پروفیل به صورت وصله در هر نقطه از بال مجاز است. وصله به صورت جوش سر به سر در اعضای کششی باید بتواند. حداقل مقاومتی معادل 1.14Fy.A را از خود نشان دهد. که در آن A کل سطح مقطع عضو وصله شده می باشد.

روش های پوششی

روش های مختلفی برای وصله آرماتورها در ساختمان های بتن آرمه وجود دارد. که رایج ترین آنها وصله پوششی می باشد. و از طریق اور لپ دو آرماتور در کنار هم صورت می گیرد. تنها ویژگی وصله پوششی سادگی اجرای آن است. اما در عین حال از معایت آن مصرف زیاد میلگرد در محل اتصال عملکرد مهندسی ضعیت. در نقاط حساس و محدودیت آیین نامه ای از لحاظ تراکم و قطر آرماتور می باشد.

• طراحی مرحله دوم بعد از گرفتن بتن:

در این مرحله مقطع مرکب شامل تیرچه فولادی و بتن باید تلاش های ناشی از تمام بارهای وارده به سقف. (قبل و بعد از گرفتن بتن) را تحمل کند.

کابرد پیچ و مهره در صنعت ساختمان

پیچ و مهره های پر کاربرد در اسکلت فلزی شامل پیچ و مهره های فولادی. گرید 8.8 و 10.9 با استاندارد DIN 933 – DIN 931 – DIN934 و پیچ و مهره های HV در استاندارد DIN 6915 – DIN 6914. و واشرهای فولادی در استاندارد DIN 6916 است. امروزه این نوع پیچ و مهره ها در صنعت از کاربرد بالایی برخوردار می باشند.

سازه فولادی