توضیحات

کتاب طراحی سازه فولادی

طراحی لرزه ای سازه های فولادی با تاکید بر روش حالات حدی

کتاب طراحی سازه‌ فولاد (بر اساس آیین نامه جدید فولاد ایران)

دانشجویان مهندسی عمران، مهندسان محاسب سازه، داوطلبین آزمون‌های کارشناسی ارشد عمران و محاسبات نظام مهندسی می‌توانند از این کتاب ها به طور موثری استفاده نمایند.

فولاد مزایایی دارد که آن را به یکی از بهترین مصالح ساختمانی تبدیل نموده است. این ماده دارای قدرت کششی و فشاری بالایی است که با هم برابر می‌باشند. با نورد کردن، غلتک‌زنی، برشکاری و پرس نمودن، می‌توان فولاد را به اشکال متنوعی مثل ورق، لوله، تیر و میلگرد با ابعاد گوناگون درآورد.

امروزه با ساخت انواع الکترودهای جوشکاری و پیچ‌های پر مقاومت، قطعات فولادی را می‌توان به دقت و سهولت به یکدیگر متصل کرد و سریعاً اتصالات مستحکمی به دست آورد. قطعات فولادی معمولاً در کارخانه ساخته می‌شوند و برای اجرا به قالب‌بندی نیازی ندارند؛ بنابراین ساخت سازه با آن‌ها دارای کیفیت و سرعت اجرای بالایی است.

در حال حاضر با توجه به مزایای فوق، سازه‌های فولادی زیادی ساخته می‌شوند که به عنوان نمونه می‌توان به سوله‌ها، پل‌ها، مخازن، سیلوها و ساختمان‌های فولادی اشاره کرد.

منظور از سازه‌های فولادی در عمران معمولا سازه‌های قاب بندی شده است. نقش قاب در ساختمان انتقال بارهای مرده و بار زنده و زلزله و بار برف از سازه به پی می‌باشد و پایداری کلی سازه را حفظ می‌کند.

سازه فولادی نوعی سازه است که مصالح اصلی آن که برای تحمل بارها و انتقال آن‌ها به کار می‌رود از فولاد است. اتصالات به کار رفته در این نوع سازه‌ها از نوع جوشی، پرچی یا پیچ می‌باشد و بسته به نوع اتصالات، قطعات طرح شده و کنترل‌های مربوط 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 بازه۲۴۰۰kgr/cm ^۲ تا

۷۰۰۰kgr/cm ^۲ است که برای ساختمان‌های معمولی از فولاد با مقاومت

۲۴۰۰kgr/cm ^۲ که به آن فولاد نرمه گفته می‌شود استفاده می‌گردد.

اسکلت فولادی یا قاب فولادی اصطلاحی است که در ساختمان‌سازی به کار می‌رود. ساختمان‌هایی با اسکلت فولادی، از ستون‌های عمودی و تیرهای I-شکل افقی که به شکل شبکه‌های مستطیلی به هم وصل شده‌اند، تشکیل گردیده‌اند. این شبکهٔ مستطیل-شکل، وظیفهٔ نگه‌داری طبقات، سقف‌ها و دیوارهایی را که به اسکلت ساختمان وصل شده‌اند، بر عهده دارد. توسعهٔ این فناوری، امکان ساخت آسمان‌خراش‌ها را فراهم کرده‌است.

تاریخچه اسکلت فولادی

استفاده از فولاد به‌عنوان مصالح ساختمانی حدوداً از اوایل قرن ۲۰ آغاز شد و در حین جنگ دوم جهانی به‌صورت قابل‌توجهی گسترش یافت. بعد از جنگ دوم جهانی تهیه فولاد امری به‌مراتب راحت‌تر از قبل شده بود و قیمت فولاد کاهش چشمگیری داشت که این مسئله باعث شد بسیاری از طراحان از اسکلت فلزی برای ساخت ساختمان‌های گوناگون استفاده نمایند.

مفهوم کلی

پروفیل یا نیمرخ یا سطح مقطع یک ستون فولادی نورد شده، مانند حرف H در زبان انگلیسی است. جهت فراهم کردن مقاومت مناسب در برابر تنش‌های فشاری، فلنج‌های ستون‌ها دارای ضخامت و گستردگی بیشتری نسبت به فلنج‌های تیرها است. فولادهایی با مقاطع مربعی و دایره‌ای توخالی نیز به‌طور معمول جهت پر شدن توسط خمیر بتن استفاده می‌شوند. تیرهای فولادی توسط پیچ و مهره و سایر اتصالات به ستون‌ها وصل می‌شوند. در گذشته نیز از پرچ برای اتصال استفاده می‌شد. به دلیل بیشتر بودن لنگر خمشی در تیرها، معمولاً جان مقطع فولادی تیرهای I-شکل دارای ارتفاع بیشتری نسبت به جان ستون‌ها است.

از عرشه‌های فولادی، می‌توان به عنوان قالب‌های راه‌راه در زیر لایهٔ ضخیمی از بتن مسلح، برای پوشش کف طبقات سازه با قاب فولادی استفاده کرد. استفاده از قطعات بتنی پیش‌ساخته نیز روش متداول دیگری است. معمولاً در آخرین طبقهٔ ساختمان‌های تجاری، از فضای خالی بین سطح بیرونی و قطعات سازه‌ای کف طبقه به عنوان محلی برای کابل‌ها یا کانال‌های هوا استفاده می‌شود.

اسکلت ساختمان باید از نفوذ حرارت بالا محافظت شود. زیرا نرم شدن فولاد در دمای زیاد، می‌تواند موجب فروپاشیدن ساختمان گردد. در ستون‌ها می‌توان با پوشانده شدن توسط مواد مقاومی در برابر آتش همچون مصالح بنایی، بتن یا لایهٔ گچی این مشکل را برطرف کرد. تیرها را نیز می‌توان با بتن، لایهٔ گچی یا اسپری‌های مخصوص عایق‌کاری در برابر حرارت، پوشش داد. همچنین از پوشش‌های سقفی مقاوم در برابر آتش نیز می‌توان بهره برد.

لایهٔ بیرونی ساختمان با استفاده از تکنیک‌های ساخت‌وساز یا سبک‌های معماری مختلف به اسکلت ساختمان متصل می‌شود. از آجر‌ها، سنگ‌ها، قطعات بتنی، شیشه، صفحات فلزی و رنگ، برای محافظت از فولاد در برابر تغییرات آب‌وهوایی استفاده می‌شوند.

در ایران

سازه فلزی با دیوار برشی فولادی: که وزن آهن آلات مصرفی در آن ۴۵تا۵۵ کیلوگرم برای هر مترمربع است که نسبت به سازه‌های متداول ۴۰ درصد کمتر است.

در این نوع ساختمان برای ساختن ستون‌ها و تیر از پروفیل فولادی استفاده می‌شود. همچنین از نبشی تسمه و برای زیرستون‌ها از صفحات فولادی (بیس پلیت) استفاده می‌نمایند و معمولاً دو قطعه را به‌وسیله جوش به هم دیگر متصل می‌نمایند. سقف این نوع ساختمان‌ها ممکن است تیرآهن و طاق ضربی باشد یا از انواع سقف‌های دیگر از قبیل تیرچه‌بلوک غیره استفاده می‌گردد.

برای پارتیشن‌ها می‌توان مانند ساختمان‌های بتونی از انواع آجر یا قطعات گچی یا چوبی و سفال‌هایی تیغه‌ای استفاده نمود. درهرحال جداکننده‌ها می‌باید 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 می‌نمایند. البته برای ستون‌ها نیز می‌توان به‌جای تیرآهن از نبشی یا ناودانی استفاده نمود.

به‌طورکلی منظور از ساختمان فلزی ساختمانی است که ستون‌ها و تیرهای اصلی آن از پروفیل‌های مختلف فلزی بوده و بار سقف‌ها و دیوارها و جداکننده‌ها (پارتیشن‌ها) به‌وسیله تیرهای اصلی به ستون منتقل‌شده و وسیله ستون‌ها به زمین منتقل گردد.

روش‌های طراحی سازه‌های فولادی ساختمانی

ابعاد پروفیل‌های مورد استفاده در سازه‌های فلزی را می‌توان با یکی از روش‌های زیر محاسبه کرد. از روش‌های زیر دو روش تنش مجاز و روش حدی در مقررات ملی ساختمان مبحث ۱۰ ایران آورده شده‌است.

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

تاریخچه ساختمان‌های فولادی

استفاده از فولاد به عنوان مصالح ساختمانی حدوداً از اوایل قرن ۲۰ آغاز شد و در حین جنگ دوم جهانی به صورت قابل توجهی گسترش یافت. بعد از جنگ دوم جهانی تهیه فولاد امری به مراتب راحت‌تر از قبل شده بود و قیمت فولاد کاهش چشمگیری داشت که این مسئله باعث شد بسیاری از طراحان از اسکلت فلزی برای ساخت ساختمان‌های گوناگون استفاده نمایند

مشخصات مکانیکی فولاد

مهمترین مشخصه مکانیکی فولاد نمودار تنش _ کرنش آن می‌باشد که از روی آن تنش تسلیم یا تنش جاری شدن بدست می‌آید.

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

• تغییر شکل در اثر بارگذاری و ایجاد تنش یکنواخت
• وجود خاصیت الاستیک و پلاستیک
• شکل‌پذیری
• 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 ساختمان‌های فلزی

در ساختمان‌های 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
• دهانه‌ها در اطراف ستون
• ضخامت سقف
• سیستم سازه‌ای (سیستم انتقال بارهای قائم و جانبی)

اسکلت فلزی یا بتنی بهتر است؟

با مقایسه این دو سازه با هم به این مسئله پی می‌بریم

مزایای سازه اسکلت فلزی

• کم وزن بودن اسکلت فلزی
• پیروی فولاد از قانون هوک تا تنش‌های بزرگ (خاصیت ارتجاعی فولاد)
• مقاومت بسیار بالای قطعات فلزی و ارتباط مقاومت به وزن؛ که این خود باعث می‌شود در دهانه سوله مورد استفاده قرار گیرند.
• کارا بودن آن در سازه‌های طویل
• خاصیت یکنواختی: معمولاً فلز در کارخانه‌های بسیار بزرگ با دقیق تهیه می‌شود، به همین علت می‌توان به یکنواخت بودن خواص اطمینان کرد.
• فولاد دوام بسیار بالایی دارد که در ساختمان‌های فلزی بسیار مناسب می‌باشد و این باعث استفاده از آن در مدت زمان طولانی می‌گردد.
• 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 همین‌طور در بارهای پیش‌بینی شده معمولاً در نتیجهٔ برش نشات گرفته از آن هستند.
• امکان مقاوم‌سازی: اگر در قسمتی از ساختمان بخشی به علت محاسبات غیر دقیق و اشتباه یا تغییر در اجرا درست اجرا نشده باشد می‌توان با پرچ کردن یا جوش و … آن را تقویت نمود ویا قسمت‌هایی اضافه نمود.
• ساخت و نصب راحت
• سرعت نصب: سرعت نصب قطعات فلزی بسیار کمتراز 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 ساختمانهای بتنی است، سطح بلا استفاده در ساختمانهای بتنی بیشتر ایجاد می‌شود.

مزیای سازه بتنی

1. هزینه سازه‌های بتنی نسبت به سازه‌های فلزی کمتر است و با توجه به هزینه سازه‌های بتنی مقام تر است.
2. بتن آرمه از لحاظ مقاومت و در مقابل شرایط محیطی سخت‌تر است.
3. بتن آرمه یا همان اسکلت بتنی به دلیل شکل‌پذیری بالایی که دارد در تمام پروزه‌ها از جمله پل، ساختمان و… قابل استفاده است.
4. بتن آرمه و در واقع انواع اسکلت بتنی در مقابل آتش و حرارت بسیار مقاوم تر است و زمان بیشتری زمان می‌برد تا فولاد داخلی بتن در برابر حرارت تغییر نشان دهد.
5. طول عمر سازه‌های بتنی از دیگر سازه‌ها بیشتر است.
6. با توجه به این که سازه‌های فلزی زمان کمتری برای نصب و پیاده‌سازی می‌برند، سازه‌های بتنی زمان بیشتری برای انجام کار احتیاج دارند.

برای کارفرمایانی که قصد دارند با توجه به پیشرفت پروژه خرد خرد پرداخت هزینه‌ها را داشته باشند اسکلت بتنی بهترین انتخاب می‌باشد.

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

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 هزینه‌های ساخت را بشدت بالاتر می‌برد.

1. کمانش اجزاء در انواع اسکلت بتنی ساختمان کمتر است و علت آن تفاوت رفتار بتن و آهن در برابر نیرو است.
2. هزینه نگهداری اسکلت بتنی ساختمان کمتر است. به مرور زمان سطح بیرونی اسکلت فلزی دچار خوردگی شده و رفته رفته از ضخامت آن کاسته می‌شود، اقداماتی که این روند را کنترل می‌کنند هزینه بالایی دارند.

وصله

اتصال دو پروفیل به صورت وصله در هر نقطه از بال مجاز است. وصله به صورت جوش سربه 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 می‌باشد.

وصله پوششی

روش‌های مختلفی برای وصله آرماتورها در ساختمان‌های بتن آرمه وجود دارد که رایج‌ترین آن‌ها وصله پوششی می‌باشد و از طریق اور لپ دو آرماتور در کنار هم صورت می‌گیرد تنها ویژگی وصله پوششی سادگی اجرای آن است اما در عین حال از معایب آن مصرف زیاد میلگرد در محل اتصال عملکرد مهندسی ضعیف درنقاط حساس و محدودیت آیین‌نامه‌ای ازلحاظ تراکم و قطر آرماتور می‌باشد.

۲-طراحی مرحله دوم بعد از گرفتن بتن:

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

کاربرد پیچ و مهره در صنعت ساختمان

پیچ و مهره‌های پر کاربرد در اسکلت فلزی شامل پیچ و مهره‌های فولادی گرید ۸٫۸ و ۱۰٫۹ با استاندارد DIN 931 – DIN 933 – DIN 934 و پیچ و مهره‌های HV در استاندارد DIN 6914 – DIN 6915 و واشرهای فولادی در استاندارد DIN 6916 است. امروزه این نوع پیچ و مهره‌ها در صنعت از کاربرد بالایی برخوردار می‌باشد.

تحلیل و طراحی سازه های فولادی

طراحی سازه های فولادی با توجه به انتخاب نوع مقطع، روش ساخت، روش بهره‌برداری و محل ساخت ساختمان، خصوصیات و ویژگی‌های متنوعی برای ساخت اسکلت باربر یک ساختمان به وجود می‌آورد. مزیت‌های هر سیستم سازه‌ای و مصالح موردنیاز آن سیستم را در صورتی می‌توان به کاربرد که خصوصیات و ویژگی‌های آن مصالح و دستگاه‌ها در مرحله طراحی به‌حساب آورده شود و طراح باید در مورد هر یک از مصالح به‌درستی قضاوت کند. این موضوع به‌ویژه در ساختمان‌هایی که اسکلت فولادی دارند ضروری است. سازه فولادی سازه‌های قاب‌بندی شده می‌باشند. نقش قاب در ساختمان پایداری کل سازه و انتقال بارهای مرده، بار زنده، زلزله و بار برف از سازه به پی هست. در محاسبات و تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی و همچنین ستون گذاری آن معیارهایی چون نوع مقطع، روش قرارگیری و آرایش مقطع، فواصل تکیه‌گاهی، نوع مهاربندی، نوع سیستم صلب کننده سازه و محل قرارگیری آن تأثیرگذار می‌باشند. شایان ذکر است که در تحلیل و طراحی سازه های فولادی هر عضوی که از مقطع فولادی باشد توسط نرم‌افزارهایی پیشرفته طراحی می‌شود. نرم افزار های مثل ایتبس، سپ و سیف. که برای یادگیری و  آموزش ایتبس برای طراحی سازه لازم است تا وقت صرف شود.

این اعضا شامل تیرها, ستون‌ها, مهاربندها, سقف کامپوزیت ساده و عرشه فولادی و حتی دیوارهای برشی فولادی می‌شود. منظور از طرح یک سازه تعیین پیکربندی، ابعاد و مشخصات قطعات آن می‌باشد.

سازه‌های فولادی به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند

_سازه‌های قاب‌بندی با نورد گرم: به مقاطعی که در کارخانه‌های ذوب و ساخت آهن ساخته می‌شود.
_سازه‌های قاب‌بندی شده با نورد سرد یا LSF: مقاطعی که در خارج از کارخانه‌های عمرانی و توسط ابزارهای مختلف به هم اتصال داده می‌شود؛ این مقاطع بیشتر در ساختمان‌های ویلایی خارج شهر کاربرد دارند.
_سازه‌های پوسته‌ای مثل مخازن نگه‌داری مایعات و یا گازها.
_سازه‌های معلق که بیشتر در کارها و طرح‌های پارامتریک معماری استفاده می‌شود.
در تحلیل و طراحی سازه های فولادی هر عضوی که از مقطع فولادی باشد توسط نرم‌افزارهایی پیشرفته طراحی می‌شود. این اعضا شامل تیرها, ستون‌ها, مهاربندها, سقف کامپوزیت ساده و عرشه فولادی و حتی دیوارهای برشی فولادی می‌شود. منظور از طرح یک سازه تعیین پیکربندی، ابعاد و مشخصات قطعات آن می‌باشد به‌نحوی‌که ایمنی، عملکرد خوب و پایایی تأمین گردد. در همین راستا تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی با سه روش زیر صورت می‌گیرد.
_ روش طراحی تنش مجاز (ASD) یا الاستیک
_ روش طراحی مقاومت نهایی یا پلاستیک
_روش طراحی حالات حدی (LSD)

روش طراحی تنش مجاز (ASD) یا الاستیک

روش تنش مجاز (ASD) دیرینه‌ترین روش تحلیل و طراحی سازه های فولادی بشمار می‌رود. در این روش طراحی سازه های فولادی، اثرات کاهش احتمالی مقاومت اعضا و نیز افزایش احتمالی بارها تنها به کمک یک ضریب (بنام ضریب اطمینان) و فقط در یک مرحله منظور می‌شود. درروش تنش مجاز عناصر سازه باید طوری طراحی شوند که تحت اثر بارهای مفروض بهره‌برداری تنش‌های محاسباتی در آن‌ها از مقادیر مجاز تجاوز نکند.
با افزایش کیفیت مصالح و ارتقاء سطح کیفی اجرا، روش پلاستیک یا مقاومت نهایی LRFD به‌عنوان یک روش علمی‌تر و اقتصادی‌تر در بعضی از کشورها جایگزین روش ASD یا الاستیک گردید.
(ضریب اطمینان>1)/(تنش خرابی یا تنش تسلیم)= تنش مجاز
ضریب اطمینان در رابطه بالا بزرگ‌تر از یک می‌باشد؛ برای ستون‌ها این ضریب عددی میان 1.92 الی 1.97 و برای تیر‌ها، اگر مقطع تیر فشرده باشد برابر با 1.5 و برای مقاطع غیر فشرده 1.67 است. بنابراین در این روش تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی تنها در اثر وارد شدن تنشی بیشتر از تنش مجاز و مرغوب نبودن کیفیت مصالح مصرفی خراب می‌شوند. در این روش به اعضاء سازه‌ها اجازه داده می‌شود براثر بار وارده ناشی از بارگذاری از حد الاستیک خود خارج و به حد پلاستیک یا خمیری خود برسند و همین موضوع باعث افزایش مقاومت اعضاء و کاهش هزینه ساخت و اقتصادی‌تر شدن سازه می‌گردد. این روش به دلیل نیاز به رعایت استانداردهای مصالح و افزایش کیفیت اجرا در بیشتر کشورها ازجمله ایران مورداستفاده قرارگرفته است.

روش طراحی مقاومت نهایی یا پلاستیک

در تحلیل و طراحی سازه های فولادی با روش LRFD ایمنی در دو مرحله، افزایش بار به کمک ضرایب بار و تقلیل مقاومت به کمک ضرایب کاهش مقاومت در نظر گرفته می‌شود. درروش ضرایب بار و مقاومت طراحی عناصر سازه چنان صورت می‌گیرد که مقاومت نهایی طرح یا حداکثر ظرفیت باربری عضو در هر مقطع بزرگ‌تر یا مساوی با تلاش‌های موجود در آن مقطع تحت اثر بارهای ضریب دار وارد برسازه باشد. از منظر ضوابط طراحی و نوع تحلیل سازه هر دو روش از سادگی یا پیچیدگی یکسانی برخوردار هستند. در ساختمان‌های متعارف، چنانچه ترکیبات بارگذاری ثقلی حاکم بر طراحی اعضا باشند، هم در آئین‌نامه AISC و هم در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان برای آن اعضا روش LRFD حدوداً 10 تا 15 درصد سبک‌تر محاسبه می‌شود. ولی اگر ترکیبات بارگذاری زلزله حاکم بر طراحی اعضا باشند و سهم نیروی زلزله در آن ترکیبات بارگذاری بسیار چشمگیر باشد (مثلاً E/D˃10)، در آئین‌نامه AISC برای آن اعضا روش LRFD حدوداً 20 درصد سنگین‌تر و در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان برای آن اعضا روش LRFD حدوداً 5 درصد سنگین‌تر محاسبه می‌شود. مقایسه نتایج طراحی بر اساس AISC و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان نشان می‌دهد که ترکیبات بارگذاری مندرج در مبحث دهم تفاوت‌های آشکاری با ترکیبات بارگذاری موردنظر آئین‌نامه AISC دارد. با به‌کارگیری این دو روش تحلیل و طراحی و مقایسه نتایج طراحی حاصل از آن‌ها، می‌توان از نتایج طراحی هریک که منجر به سازهای سبک‌تر می‌شود، بهره گرفت.

روش طراحی حالات حدی (LSD)

درروش حالت حدی LSD تحلیل و طراحی سازه‌ های فولادی بدین گونه می‌باشد: قسمتی از ضریب اطمینان دربارها و قسمتی از ضرایب اطمینان در مقاومت‌ها اثر داده می‌شوند؛ یعنی هم‌بارها بزرگ می‌شوند و هم مقاومت‌ها کاهش داده می‌شود. توضیح اینکه عدم اطمینانی که در طراحی وجود دارد هم ناشی از بارها و هم ناشی از مقاومت‌هاست؛ بنابراین بهتر است هر دو عدم اطمینان به‌صورت جداگانه در نظر گرفته شود. در این روش می‌توان با آگاهی بیشتر نسبت به ضرایب اطمینان تصمیم گرفت. در این روش به‌جای استفاده از یک ضریب اطمینان شکسته شده که ضرایب جزئی اطمینان (Partical Safty factor) نامیده می‌شوند استفاده می‌شود.

تحلیل و محاسبات و طراحی سازه‌های فولادی

در محاسبات و تحلیل و طراحی سازه های فولادی و همچنین ستون گذاری آن معیارهایی چون نوع مقطع، روش قرارگیری و آرایش مقطع، فواصل تکیه‌گاهی، نوع مهاربندی، نوع سیستم صلب کننده سازه و محل قرارگیری آن تأثیرگذار می‌باشند. مزیت اصلی در استفاده از سازه فولادی مقاومت بالای آن در برابر کشش می‌باشد. همچنین سازه فولادی نسبت به اسکلت بتنی، از سرعت ساخت بالاتر و سطح مقطع کمتری برخوردار است.
تحلیل و محاسبات و طراحی سازه های فولادی به مشخصات فولاد ساختمانی بستگی دارد. مشخصات فولاد مانند کشش، برش، سختی، خزش، وارفتگی و خستگی.
مشخصات کششی: رده‌های مختلفی از فولادهای ساختمانی وجود دارد که می‌توانند در ساخت ساختمان‌های فولادی استفاده شوند.

مشخصات برشی در تحلیل و طراحی سازه های فولادی

مقاومت برشی سازه‌ی فولادی در گسیختگی تحت تنش برشی مشخص می‌شود و حدود 0.57 برابر تنش تسلیم فولاد است. مدول الاستیک برشی، نسبت تنش برشی به کرنش برشی در محدوده‌ی الاستیک فولاد ساختمانی را بیان می‌کند. به‌طورمعمول، مدول الاستیک برشی فولاد ساختمانی می‌تواند 75.84 گیگا پاسکال در نظر گرفته شود یا می‌توان از فرمول زیر برای محاسبه‌ی مدول الاستیک برشی استفاده کرد:
(G =E/2(1+μ
:G مدل الاستیک برشی فولاد
E: مدل الاستیسیته ی فولاد
µ: ضریب پواسون

سختی در طراحی سازه های فولادی

میزان تحمل فولاد ساختمانی در برابر تغییر شکل غیر الاستیک است. روش‌های استاندارد آزمایش و تعاریف برگرفته آزمایش مکانیکی قطعات فولادی (05-A370) سه آزمایش مختلف را برای ارزیابی سختی فولاد مشخص می‌کند: برینل، راکول و پرتابل. هرکدام از این آزمایش‌ها می‌توانند برای برآورد سختی فولاد ساختمانی استفاده شوند. سختی فولاد نه‌تنها برای آزمایش یکنواختی محصولات مختلف، بلکه برای ارزیابی مقاومت کششی فولاد نیز استفاده می‌شود.

خزش در طراحی سازه های فولادی

خزش به‌صورت تغییر تدریجی کرنش فولاد تحت تنش ثابت تعریف می‌شود. خزش در اثر تنش ثابت و یا آتش‌سوزی رخ می‌دهد. خزش در طراحی و ساخت قاب‌سازهای فولادی صرف‌نظر از موردی که باید اثر وجود آتش موردتوجه قرار گیرد، قابل‌چشم‌پوشی است
وارفتگی: وارفتگی کاهش تدریجی فولاد ساختمانی تحت اثر تنش ثابت است. معمولاً، مقاومت تسلیم فولاد حدود 5 درصد بیشتر از تنشی که کرنش را کاهش می‌دهد، افزایش می‌یابد و سازه فولادی متحمل انبساط طولی پلاستیک که در حدود 0.01 است، خواهد شد.

خستگی

خستگی به‌صورت گسیختگی فولاد ساختمانی به علت شروع و گسترش ترک تحت تأثیر بار سیکلی تعریف می‌شود. آزمایش‌های گوناگونی برای ارزیابی خستگی فولاد ساختمانی ازجمله آزمایش خمش، آزمایش تیر چرخشی و آزمایش بارمحوری.

کتاب طراحی سازه های فولادی

طراحی سازه های فولادی با توجه به انتخاب نوع مقطع، روش ساخت، روش بهره‌برداری و محل ساخت ساختمان، خصوصیات و ویژگی‌های متنوعی برای ساخت اسکلت باربر یک ساختمان به وجود می‌آورد. مزیت‌های هر سیستم سازه‌ای و مصالح موردنیاز آن سیستم را در صورتی می‌توان به کاربرد که خصوصیات و ویژگی‌های آن مصالح و دستگاه‌ها در مرحله طراحی به‌حساب آورده شود و طراح باید در مورد هر یک از مصالح به‌درستی قضاوت کند. این موضوع به‌ویژه در ساختمان‌هایی که اسکلت فولادی دارند ضروری است.

معیارهای سازه‌ای زیر اهمیت زیادی در طراحی کلی و ستون گذاری ساختمان دارد

نوع مقطع
آرایش و روش قرارگیری مقاطع
فواصل تکیه‌گاهی
اندازه دهانه‌های سقف
نوع مهاربندی
نوع سیستم صلب کننده
محل قرارگیری سیستم صلب کننده (سیستم فضاسازی داخلی)
برای استفاده بهینه از خواص مطلوب ساختمان‌های فولادی، سیستم فضاسازی داخلی باید به‌گونه‌ای اختیار شود که: متشکل از قطعات پیش‌ساخته باشد، بدین منظور که سرعت بیشتر نصب و برپایی سازه، موجب کوتاه شدن زمان کلی ساخت می‌شود.
قطعات سبک باشد تا وزن کلی ساختمان به حداقل ممکن برسد.
نوع سیستم انتخاب‌شده، سازگار با سیستم سازه‌ای انتخاب‌شده باشد.
با یک روش اقتصادی قابل محافظت در برابر آتش باشد.
فضاهای داخلی ساختمان فلزی معمولاً شامل: سقف‌ها، بام، دیوارهای خارجی، دیوارهای داخلی، سیستم رفت‌وآمد (پله و آسانسور) می‌باشد که با هماهنگی دقیق و علمی این امکان به وجود می‌آید که اقتصادی‌ترین روش ساخت و اجرای ساختمان به دست آید.

تحلیل و طراحی سازه های فولادی با توجه به روش مهاربندی

تمام ساختمان‌ها باید برای مقاومت در برابر نیروی زلزله و باد و یا دیگر نیروهای افقی صلب شوند سیستم صلب کننده می‌بایست نیروهای جانبی را به فونداسیون منتقل کند و همچنین تغییر مکان‌های افقی را محدود کند. در ساختمان‌های بلند باید ملاحظات ویژه‌ای برای جلوگیری از ایجاد نوسانات ناشی از باد در نظر گرفته شود.بزرگی نیروهای افقی اعمال‌شده در اثر باد به عوامل زیر بستگی دارد:

_سرعت باد
_شکل آئرودینامیکی ساختمان
_وضعیت سطح نما
-روش‌های صلب کردن

یک قاب سازه‌ای فولادی را می‌توان به یکی از روش‌های زیر مهاربندی کرد

_سیستم‌های قاب صلب
_سیستم‌های قاب بادبندی
دیوارهای بتنی به صورت دیوارهای برشی یا هسته‌های بتنی
انتخاب روش صحیح مهاربندی، اهمیت عمده‌ای در طراحی سازه های فولادی دارد و حتی ممکن است کل اندیشه طراحی یک ساختمان بلندمرتبه را تحت تأثیر قرار دهد. مهاربندی به‌وسیله اعضای بادبندی یا دیوارهای بتنی به‌صورت دیافراگم صلب، نقاط ثابتی را در ساختمان ایجاد می‌کند، به‌گونه‌ای که آزادی عمل در جانمایی و معماری داخل ساختمان را محدود می‌کند.

طراحی سازه های فولادی با توجه به اجزای تشکیل‌دهنده فضاهای داخلی ساختمان

انتخاب سیستم مناسب برای اجزای داخلی ساختمان به عوامل مختلفی بستگی دارد. روش‌های زیر به‌طور رایج در ساخت سقف‌های متکی به تیرهای فولادی به کار می‌روند:
_دال بتنی درجا بر روی قالب مناسب
_دال بتنی پیش‌ساخته
_عرشه فولادی با بتن درجا
عملکرد مرکب بین دال بتنی و تیر فولادی که در هر سه روش امکان‌پذیر است، سبب اقتصادی شدن ساخت می‌گردد. مسئله حفاظت قسمت‌های فولادی سقف در برابر آتش‌سوزی باید در اجرای سقف در نظر گرفته شود. استفاده از سقف کاذب می‌تواند این کار را به‌خوبی انجام دهد. در سازه‌های اسکلت فلزی، معمولاً دیوارهای خارجی باربر نیستند، برای ساخت این دیوارها، بنابر شرایط موجود، از مصالح مختلف استفاده می‌شود.

محافظت سازه های فولادی در برابر حریق، خوردگی و عایق بندی صدا

محافظت سازه های فولادی در برابر حریق و آتش سوزی و همچنین خوردگی می بایست با توجه به نوع سیستم به کار رفته و انتخاب راه حلی معقول و مناسب صورت گیرد. این امر سبب کاهش هزینه جهت عایق بندی حریق و صوتی سازه های فولادی می شود. گرچه المان‌های داخلی ساختمان مانند سقف و دیوارهای داخلی و خارجی آن به‌عنوان یک سیستم محافظت در برابر آتش‌سوزی در ساختمان قابل‌استفاده است لذا تیرها و ستون‌های فلزی می‌تواند به روش مناسب در بین این اجزا مدفون شده و در برابر حریق حفاظت گردند؛ در غیر این صورت باید با روش مناسب اسکلت فولادی ساختمان محافظت شود. برای خوردگی سازه های فولادی در می بایست قطعات بیرونی و اجزایی که در معرض رطوبت هوا قرار دارند محافظت گردند زیرا زنگ‌زدگی در قطعات داخلی ساختمان فولادی با توجه به رطوبت ناچیز موجود در هوا بعید به نظر می‌رسد. مشخصات صوتی یک ساختمان، بستگی به خواص اجزای داخلی مانند مانند نوع سقف و سیستم دیوارهای جداکننده و تیغه‌های آن دارد. دراین‌بین، سیستم اسکلت باربر ساختمان نقش کم‌تری دارد رفتار اسکلت یک ساختمان بتنی و فولادی، با یک سیستم فضاسازی داخلی مشابه، یکسان است.

فصل اول / روشهای طراحی و ترکیبات بارگذاری :

روش‌های طراحی و ترکیبات بارگذاری در سازه‌های فولادی
روش تنش مجاز و مقاومت مجاز
روش مقاومت نهایی
روش حالات حدی

فصل دوم / اعضای کششی :

طراحی اعضای کششی خالص
مفاهیم پایه‌ای در طراحی اعضای کششی
معرفی اعضای مرکب
معرفی اعضای انعطاف‌پذیر
طراحی و تحلیل اعضای کششی بر مبنای آیین‌نامه فولاد به روش LRFD
مفهوم برش قالبی و بررسی گسیختگی برشی قالبی (Block Shear)
نمودار طراحی اعضای کششی

فصل سوم / اعضای فشاری خالص :

طراحی اعضای فشاری خالص (ستون)
ضوابط طراحی در اعضای فشاری خالص (ستون‌ها)
ضریب طول موثر برای چند ستون خاص
اجزای تقویت شده و تقویت نشده در اعضای سازه‌های فولادی
ستون بلند ـ کوتاه و متوسط
طراحی اعضای فشاری مطابق با AISC
طراحی اعضای فشاری مطابق با مبحث ۱۰ مقررات ملی
نحوه محاسبه ضریب طول مؤثر ستون برای اعضای ستونی خاص
نحوه محاسبه ضریب طول مؤثر ستون برای اعضای ستونی در قاب‌های ساختمانی
طراحی ستون‌ها به روش LRFD
ستون‌ها با مقاطع مرکب (مقاطع ساخته شده)
نکات خاص در بکارگیری ستون‌های مرکب
نمودارهای طراحی

فصل چهارم / اعضای خمشی خالص :

طراحی اعضای خمشی خالص (تیرها)
مفصل پلاستیک و شکل‌گیری آن
محدوده شکل‌گیری مفصل پلاستیک در آزمایشگاه
نحوه تعیین مدول پلاستیک یک مقطع
تئوری آنالیز پلاستیک در سازه‌ها
مکانیزم شکست Collapse Mechanism
روش کار مجازی در بررسی فرآیند مکانیزم شکست
مبانی طراحی تیرها به روش LRFD
رفتار پلاستیک
رفتار کمانش غیرخطی
رفتار کمانش خطی
فرمول‌بندی روابط طراحی برای تیرها با وضعیت رفتاری منطقه (۱)
فرمول‌بندی روابط طراحی برای تیرها با وضعیت رفتاری منطقه (۲)
فرمول‌بندی روابط طراحی برای تیرها با وضعیت رفتاری منطقه (۳)
برش در اعضای خمشی
ضوابط کنترل خیز (تغییر مکان) در تیرها
ضوابط کنترل ارتعاش در تیرها
الزامات مربوط به جان و بال تیرها تحت اثر بار متمرکز
سوراخ‌کاری در تیرها
نمودارهای طراحی

فصل پنجم / اعضای تحت اثر توام نیروی محوری و لنگر خمشی :

طراحی اعضای فولادی تحت اثر همزمان نیروی محوری و لنگر خمشی
اعضای تحت اثر همزمان نیروی محوری کششی و لنگر خمشی
اعضای تحت اثر همزمان نیروی محوری فشاری و لنگر خمشی
معرفی ضرایب تشدیدکننده لنگر و
طراحی اعضای تیر ستونی
نمودارهای طراحی‌‌ها
جدول مشخصات پروفیلهای HEA
جدول مشخصات پروفیلهای HEB
جدول مشخصات پروفیلهای IPE

فصل 1- الزامات عمومی و خواص فولاد
فصل 2 بارهای طراحی و رفتار سازه های فولادی در برابر آنها

فصل 3- الزامات تحلیل و طراحی برای تامین پایداری

فصل4- الزامات مقاطع اعضای فولادی و رفتار خمیری آنها

فصل5- الزامات طراحی اعضا برای نیروی کششی

فصل6- الزامات طراحی اعضا برای نیروی فشاری فصل

7- الزامات طراحی اعضاء برای خمش فصل

8- الزامات طراحی اعضا برای برش

فصل 9- الزامات طراحی اعضا برای ترکیب نیروها

فصل 10- الزامات طراحی اعضا با مقطع مختلط
فصل 11- الزامات طراحی اتصالات

فصل 12- طراحی تیر ورقها

فصل 13- الزامات حالات حدی بهره برداری برای سازه های فولادی
فصل 14- تحلیل غیرارتجاعی سازه های فولادی
فصل 15- الزامات طراحی قابهای خمشی فولادی

فصل 16- الزامات طراحی قابهای مهاربندی شده فولادی
فصل 17- الزامات طراحی دیوارهای برشی فولادی
فصل 18- استفاده از مقادیر جدول بندی شده در طراحی

 فروشگاه آموزشی و دانلودی

خرید کتاب

کتاب فنی مهندسی