عمران، مهندسی 287 بازدید

طراحی سازه های فولادی یکی از فعالیت‌های مهم حوزه مهندسی عمران و سازه است. طی این فعالیت، مشخصات اعضای سازه به منظور عملکرد مناسب در شرایط مورد نظر تعیین می‌شوند. به دلیل اهمیت بالای مبحث طراحی سازه‌ها، استانداردهای بین‌المللی و ملی متعددی برای اجرای صحیح روند طراحی ارائه شده‌اند. در این مقاله، سعی داریم کلیات طراحی سازه های فولادی و اعضای مختلف آن نظیر اعضای تحت فشار، کشش، خمش و برش را بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و به زبان ساده آموزش دهیم. علاوه بر این، بهترین منابع یادگیری، نرم افزارهای تخصصی و چک لیست طراحی سازه های فولادی را نیز معرفی می‌کنیم.

فهرست مطالب این نوشته

سازه فولادی چیست؟

«سازه فولادی» (Steel Structure)، یکی از انواع سازه‌های فلزی است که توسط اجزایی از جنس فولاد سازه‌ای ساخته می‌شود. سازه‌های فولادی به منظور تحمل بارهای زیاد و فراهم کردن صلبیت کامل مورد استفاده قرار می‌گیرند. امکان اجرای سازه‌های فولادی با سیستم‌های سازه‌ای مختلف وجود دارد. با این وجود، سیستم تیر و ستون یا سیستم قابی (اسکلت فولادی)، متداول‌ترین سیستم مورد استفاده برای طراحی و اجرای سازه های فولادی محسوب می‌شود.

ساختمان با اسکلت فولادی
ساختمانی با اسکلت فولادی (سیستم سازه‌ای قابی)

سازه های فولادی از چه اعضایی تشکیل می‌شوند؟

اغلب سازه‌های فولادی از اتصال تیر و ستون تشکیل می‌شوند. به ترکیب تیر و ستون فولادی، قاب یا اسکلت فولادی می‌گویند. البته اتصال این دو جز اصلی، توسط اتصالات مخصوص سازه‌های فولادی نظیر پیچ، جوش یا پرچ انجام می‌گیرد. بخش قابل توجهی از عملکرد سازه‌های فولادی به نوع اتصال، نحوه اتصال و کیفیت اتصال بستگی دارد. طراحی سازه‌های فولادی، با توجه به نوع بارهای وارده بر تیر، ستون و اتصالات صورت می‌گیرد.

انواع اعضای سازه های فولادی بر اساس بار وارده کدام هستند؟

اعضای سازه‌های فولادی بر اساس نوع بار مورد انتظار به انواع اعضای کششی، فشاری، خمشی و ترکیبی تقسیم می‌شوند:

  • اعضای کششی: المان‌های مورد استفاده برای تحمل و انتقال بارهای محوری کششی (در راستای افزایش طول) هستند. کابل، میلگرد، پروفیل، مهاربند و خرپا، به عنوان اعضای کششی سازه‌های فولادی در نظر گرفته می‌شوند.
  • اعضای فشاری: المان‌ها مورد استفاده برای تحمل و انتقال بارهای محوری فشاری (در راستای کاهش طول) هستند. ستون، پست و یال فوقانی خرپا، از اعضای فشاری سازه‌های فولادی به شمار می‌روند.
  • اعضای خمشی: المان‌های مورد استفاده برای تحمل بارهای اعمال شده بر راستای محور طولی خود و انتقال این بارها به اسکلت سازه هستند. تیر، شاه‌تیر و تیرچه، از مثال‌های متداول اعضای خمشی سازه‌های فولادی محسوب می‌شوند.
  • اعضای ترکیبی: برخی از اعضای سازه‌های فولادی، در معرض چندین نوع بار (ترکیبی از بارهای کششی، فشاری، خمشی و غیره) قرار می‌گیرند.

طراحی سازه های فولادی چیست ؟

طراحی سازه های فولادی، اقداماتی هستند که به منظور محاسبه بارهای مورد انتظار و تعیین ابعاد مناسب اعضای مختلف سازه برای تحمل این بارها صورت می‌گیرند. فولاد ساختمانی یا «فولاد ساز‌ه‌ای» (Structural Steel)، یکی از پرکاربردترین مصالح مورد استفاده برای ساخت سازه‌هایی نظیر مدارس، ساختمان‌های مسکونی، پل‌ها، مراکز تجاری، برج‌ها، انبارها، هواپیماها، کشتی‌ها و استادیوم‌ها است. سازه‌های ساخته شده توسط این ماده، با عنوان سازه‌های فولادی شناخته می‌شوند.

نمایش بارهای هواپیما و خانه
بارهای اصلی در سازه‌های هوایی، از جنس نیروهای آیرودینامیک بوده و بارهای اصلی در ساختمان‌ها، از جنس نیروهای ثقلی هستند.

در هر یک از انواع سازه‌های فولادی، شرایط بارگذاری مورد انتظار متفاوت است. به عنوان مثال، هواپیماها، اغلب در معرض بارهای دینامیک ناشی از برخورد بدنه آن‌ها به باد قرار می‌گیرند. در صورتی که ساختمان‌ها، معمولا در معرض بارهای استاتیک ناشی از وزن خود و لوازم داخلی هستند. طراحی هر یک از این سازه‌ها، بر اساس استانداردهای مختص به خود انجام می‌شود. در این مقاله، بر روی آموزش طراحی ساختمان‌های اسکلت فولادی تمرکز می‌کنیم.

استانداردهای طراحی سازه های فولادی چه هستند ؟

استانداردهای طراحی سازه‌های فولادی، مجموعه‌ای از دستورالعمل‌های فنی هستند که با توجه به اصول استاتیک و دینامیک سازه تدوین می‌شوند. این استانداردها، الزامات مورد نیاز برای طراحی و اجرای ایمن سازه‌های فولادی را ارائه می‌کنند. برخی از استانداردها، مختص طراحی ساختمان‌ها در شرایط معمولی و برخی دیگر مختص طراحی ساختمان‌ها در شرایط لرزه‌ای هستند.

از معتبرترین و پرکاربردترین نهادهای بین‌المللی منتشر کننده استاندارد طراحی سازه های فولادی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • ANSI/AISC
  • ASCE
  • Eurocode
  • BS
  • ISO
  • AS

در ایران، دستورالعمل‌ها و استانداردهای زیر، مراجع اصلی مهندسان برای طراحی و اجرای ساختمان‌های فولادی هستند:

  • مبحث ششم مقررات ملی ساختمان: بارهای وارد بر ساختمان
  • مبحث دهم مقررات ملی ساختمان: طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی
  • استاندارد 2800: آیین نامه ایمنی ساختمان‌ها در برابر زلزله

بارهای طراحی سازه های فولادی چه هستند؟

سازه های فولادی، با در نظر گرفتن شش نوع بار شامل بار مرده، بار زنده، بار باد، بار برف، بار زلزله و بار ویژه طراحی می‌شوند:

  • بار مرده: بارهای دائمی و یا ثابت ناشی از وزن اعضای سازه
  • بار زنده: بارهای موقتی، متحرک و یا القایی ناشی از جابجایی افراد یا اشیا
  • بار باد: بارهای ناشی از برخورد جریان هوا
  • بار برف: بارهای ناشی از تجمع برف
  • بار سیل: بارهای ناشی از برخورد جریان سیل
  • بار زلزله: ترکیبی از بارهای افقی و عمودی ناشی از زمین‌لرزه
  • بار ویژه: بارهای ایجاد شده در شرایط خاص نظیر جابجایی فونداسیون، جمع‌شدگی الاستیک، فشار سیالات و خاک، ارتعاش، خستگی، برخورد، اجرایی و تمرکز تنش
برخی از انواع بارهای ساختمان
برخی از انواع بارهای اصلی رایج در ساختمان‌ها

طراحی سازه های فولادی چگونه انجام می شود ؟

طراحی سازه های فولادی معمولا به دو روش طراحی تنش مجاز/مقاومت مجاز یا طراحی با ضرایب بار و مقاومت انجام می‌گیرد. در بخش بعدی، به معرفی اصول اجرای این روش‌ها می‌پردازیم.

در رابطه با تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی بر اساس استانداردهای معتبر، فرادرس، چند فیلم آموزشی جامع و کاربردی را تهیه کرده است که می‌توانند در یادگیری این مبحث به شما کمک کنند. لینک مشاهده این فیلم‌ها در ادامه آورده شده است:

طراحی حالت حدی چیست ؟

«طراحی حالت حدی» (Limit State Design)، یکی از روش‌های طراحی مهندسی سازه است. این روش، طی سه مرحله کلی شامل تخمین بارهای مورد انتظار، انتخاب ابعاد مناسب اعضای سازه و انتخاب معیار مناسب طراحی انجام می‌گیرد. تمام سازه‌ها و اعضای مختلف آن‌ها، برای کاربری یا عملکردهای مورد نظر و تحمل بارهای مشخص طراحی می‌شوند.

اگر سازه‌ها یا هر یک از اعضای آن نتوانند وظیفه خود را به خوبی انجام دهد، می‌توان نتیجه گرفت که طراحی آن‌ها به درستی صورت نگرفته است. از این‌رو، طراحی هر سازه‌ای نیازمند تعریف معیارهای مناسب طراحی است. حالات حدی، مرز بین عملکرد مناسب سازه بر اساس معیارهای طراحی و احتمال شکست آن (سطح اطمینان) را مشخص می‌کنند.

شرایط بارگذاری مختلف یا بارهای القا شده می‌توانند باعث ایجاد یکی از حالات حدی در سازه شوند. طراحی سازه (تعیین پیکربندی، ابعاد و مشخصات اجزا) باید به گونه‌ای باشد که در طول عمر کاربری، اعضا و اتصالات به هیچ یک از حالات حدی نرسند.

حالات حدی چه هستند ؟

حالت حدی نهایی و حالت حدی بهره‌برداری، دو معیار اصلی در طراحی به روش حالات حدی هستند.

حالت حدی نهایی

«حالت حدی نهایی» (Ultimate Limit State) یا به اختصار «ULS»، معیاری است که به منظور طراحی سازه های فولادی در جهت حفظ ایمنی سازه و کاربران آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. این حالت، بر اساس شرایط کاملا الاستیک (معمولا 15 درصد پایین‌تر از حد الاستیک) تعریف می‌شود. البته نباید تعریف حالت حد نهایی را با حد نهایی اشتباه گرفت. در حد نهایی، سازه در معرض تغییر شکل‌های بیش از حد قرار گرفته و کاملا در ناحیه پلاستیک قرار می‌گیرد.

اگر تنش‌های ضریب‌دار (خمشی، برشی، کششی و فشاری)، کمتر از مقاومت‌های محاسبه شده باشند، معیار ULS برای سازه ارضا می‌شود. طراحی ایمن سازه بر اساس این معیار، نشان‌دهنده ایمن بودن سازه تحت بارهای تکراری (خستگی) نیز هست. استاندارد BS EN 1990 Eurocode، حالات حدی نهایی را به چهار حالت زیر تقسیم می‌کند:

  • EQU: از بین رفتن تعادل استاتیکی سازه
  • STR: شکست داخلی یا تغییر شکل بیش از حد سازه
  • GEO: شکست یا تغییر شکل بیش از حد زمین
  • FAT: شکست ناشی از خستگی سازه

حالت حدی بهره‌برداری

«حالت حدی بهره‌برداری» (Serviceability Limit State) یا به اختصار «SLS»، معیاری است که به منظور طراحی سازه های فولادی در جهت تامین رفاه و کاربری مناسب سازه مورد استفاده قرار می‌گیرد. لرزش، جابجایی، ترک‌خوردگی و دوام، از موارد مورد بررسی در این حالت هستند. موارد مذکور، با مقاومت سازه ارتباط مستقیم ندارند. با این وجود، مناسب بودن یا نبودن عملکرد سازه برای کاربری مورد نظر را نمایش می‌دهند.

به طور کلی، تمرکز حالت حدی بهره‌برداری، بر روی طراحی برای راحتی افراد و تجهیزات درون سازه تمرکز می‌کند. مشکلات غیر سازه‌ای نظیر عایق صوتی و حرارتی نیز از جمله موارد مورد بررسی در این حالت هستند. به دلیل عدم تاثیر حالت حدی بهره‌برداری بر روی ایمنی سازه، الزامات مربوط به آن نسبت به الزامات حالت حدی نهایی انعطاف‌پذیرتر هستند و معمولا سخت‌گیری کمتری روی آن‌ها می‌شود.

طراحی سازه های فولادی به روش تنش مجاز

«طراحی تنش مجاز» (Allowable Stress Design) یا به اختصار «ASD»، یک روش قدیمی برای طراحی سازه های فولادی است. در این روش، از ضریب اطمینان یا ضریب ایمنی به منظور تعیین حاشیه اطمینان ساختمان استفاده می‌شود. در طراحی سازه های فولادی به روش تنش مجاز، مقدار تنش‌های اعمال شده نسبت حد الاستیک سازه مورد بررسی قرار می‌گیرد. عدم عبور تنش‌ها از حد الاستیک، بیانگر قرارگیری سازه در حالت ایمن است.

طراحی سازه های فولادی به روش مقاومت مجاز

«طراحی مقاومت مجاز» (Allowable Strength Design) یا به اختصار «ASD»، روش جایگزین طراحی تنش مجاز است. استاندارد AISC در ویرایش چهاردهم خود، مفهوم طراحی مقاومت مجاز را معرفی کرد. از ویرایش نهم این استاندارد به بعد، روش طراحی تنش مجاز برای طراحی سازه های فولادی منسوخ شد.

با حذف روش طراحی تنش مجاز، بسیاری از سازه‌های ساخته شده به روش قدیمی، دیگر با الزامات جدید (مخصوصا الزامات طراحی با ضرایب بار و مقاومت) مطابقت نداشتند. از این‌رو، AISC، طراحی مقاومت مجاز را ارائه کرد. این روش طراحی از یک رویکرد مشابه تعیین ضریب ایمنی برای ارزیابی مقاومت مجاز سازه استفاده می‌کند.

در طراحی به روش مقاومت مجاز، محاسبه مقاومت نهایی یک المان یا عضو سازه، بدون توجه به نحوه تعیین ترکیبات بارگذاری (ASD یا LRFD) و به همان روش قدیمی انجام می‌گیرد. سپس، مقاومت نهایی کاهش یافته (با ضریبی مانند امگا) و ترکیبات بارگذاری ASD با هم مقایسه می‌شوند. به این ترتیب، یک فرمول ریاضی مشابه به فرمول روش تنش مجاز به دست می‌آید. البته در طراحی به روش مقاومت مجاز، ظرفیت سازه بدون توجه به سطوح الاستیک مورد بررسی قرار می‌گیرد. از این‌رو، این دو روش از نظر فرآیند یا فلسفه تفاوت دارند.

فرمول طراحی به روش تنش مجاز

تعیین تنش مجاز در روش ASD بسیار ساده بوده و بر اساس مفهوم ضریب ایمنی است. بر این اساس، تنش مجاز طراحی از تقسیم مقاومت تسلیم فولاد بر ضریب ایمنی مورد نظر (عدد بالاتر از 1) به دست می‌آید.

ترکیب بارها در طراحی به روش تنش مجاز یا مقاومت مجاز

بر اساس بند 6-2-3-4 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (ویرایش سوم، 1392)، ترکیبات بارگذاری ASD به صورت زیر هستند:

$$
\begin{array}{lr}
1) \space D
\\ 2) \space D + L
\\ 3) \space D + (L_r \space or \space S\space or \space R)
\\ 4) \space D + 0.75L + 0.75 (L_r \space or \space S\space or \space R)
\\ 5) \space D + [0.6(1.4 W) \space or \space 0.7E] \\ 6) \space D + 0.75L + 0.75[0.6(1.4W)] + 0.75(L_r \space or \space S\space or \space R)
\\ 7) \space D + 0.75L + 0.75(0.7E) + 0.75S
\\ 8) \space 0.6D + 0.6(1.4 W)
\\ 9) \space 0.6D + 0.7E
\\ 10) \space 1.0D + 1.0T
\\ 11) \space 1.0D + 0.75[ L + (L_r \space or \space S) + T] \end{array}
$$

  • D: بار مرده
  • L: بار زنده
  • Lr: بار زنده بام
  • S:‌ بار برف
  • R: بار باران
  • W: بار باد
  • T: بار خود کرنشی (تغییرات دما، نشت پایه‌ها و وارفتگی)
  • E: بار زلزله طرح

علاوه بر پارامترهای بالا، ممکن است در فرمول‌های مرتبط با طراحی ساز‌های فولادی، پارامترهای بارگذاری دیگری را نیز مشاهده کنید. علامت برخی از این پارامترها به صورت زیر است:

  • Ak: بار ناشی از حادثه غیر عادی
  • Di: وزن یخ
  • F: بار ناشی از سیال با فشار و ارتفاع حداکثر مشخص
  • Fa: بار سیل
  • H: بار ناشی از فشار جانبی خاک، فشار آب زیرزمینی و یا فشار مواد انباشته
  • Wi: بار باد وارد بر یخ

طراحی سازه های فولادی به روش LRFD

«طراحی با ضرایب بار و مقاومت» (Load And Resistance Factor Design) یا به اختصار «LRFD»،

ضرایب ایمنی طراحی به روش ضرایب بار و مقاومت چه هستند ؟

ضرایب ایمنی مورد استفاده برای طراحی سازه های فولادی به روش ضرایب بار مقاومت، عبارت هستند از:

  • ضرایب ایمنی حاصل از تشدید ضرایب بارها (وابسته به میزان عدم اطمینان در تخمین بارها)
  • ضرایب ایمنی حاصل از اعمال ضرایب کاهش مقاومت (وابسته به دقت روش تئوری، تغییرات مشخصات مصالح و ابعاد مقطع)

معیارهای حالت های حدی مقاومت چه هستند ؟

در طراحی سازه های فولادی به روش ضرایب بار و مقاومت، معیارهای زیر به منظور تامین الزامات حالت‌های حدی مقاومت مورد استفاده قرار می‌گیرند (جدول 10-1-2-2 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش چهارم، 1392).

معیار طراحی حالت حدی مقاومت
حالت‌های حدی مقاومت (تسلیم، گسیختگی،‌ کمانش، تشکیل مکانیزم فروریختگی)
ناپایداری کلی (واژگونی و یا تغییر مکان جانبی بیش از حد)
گسیختگی به علت خستگی (یه غیر از طراحی برای زلزله و باد)
کنترل آب جمع‌شدگی (به غیر از شیب بام بیشتر از 20 میلی‌متر در متر یا وجود سیستم زهکشی مناسب)
کنترل برای اثرهای خوردگی
کنترل برای شرایط آتش‌سوزی (بر اساس الزامات مبحث سوم مقررات ملی ساختمان)
کنترل برای تردشکنی
کنترل اتصالات فولاد و بتن در قطعات مختلط (کامپوزیت)

معیارهای حالت های حدی بهره برداری چه هستند ؟

هنگام طراحی سازه های فولادی برای حالت‌های حدی بهره‌برداری، باید معیارهای جدول زیر را مد نظر قرار داد (جدول 10-1-2-2 مبحث دهم، 1392).

معیار طراحی حالت حدی بهر‌برداری
کنترل تغییر شکل‌ها
کنترل تغییر مکان‌های جانبی
کنترل ارتعاش
ملاحظات پیش‌خیز
ملاحظات آثار ناشی از حرکت باد
کنترل اثرات انبساط و انقباض
کنترل لغزش اتصالات

معیار طراحی به روش ضرایب بار و مقاومت چیست ؟

در طراحی سازه های فولادی به روش ضرایب بار و مقاومت، باید شرط زیر برقرار باشد:

$$
R_{ u } \leq \phi R_ { n }
$$

  • Ru: مقاومت مورد نیاز (نیروهای داخلی موجود در اثر ترکیبات بارگذاری)
  • φ: ضریب کاهش مقاومت
  • Rn: مقاومت اسمی

ترکیبات بارگذاری حالت های حدی مقاومت

در طراحی به روش ضرایب بار و مقاومت، نیروهای داخلی باید بر اساس رفتار سازه تحت ترکیبات بارگذاری محاسبه شوند. مطابق با بند 6-2-3-3 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (1392)، ترکیب بارهای حالت‌های حدی مقاومت در طراحی سازه های فولادی به صورت زیر هستند:

$$
\begin{array}{lr}
1) \space 1.4D
\\ 2) \space 1.2D + 1.6L + 0.5(L_r \space or \space S\space or \space R)
\\ 3) \space 1.2D + 1.6 (L_r \space or \space S\space or \space R) + [L \space or \space 0.5(1.4W) ] \\ 4) \space 1.2D + 1.0(1.4W)+ L + 0.5(L_r \space or \space S\space or \space R)
\\ 5) \space 1.2D + 1.0E + L + 0.2S
\\ 6) \space 0.9D + + 1.0(1.4W)
\\ 7) \space 0.9D + 1.0E
\\ 8) \space 1.2D + 0.5L + 0.5(L_r \space or \space S) + 1.2T
\\ 9) \space 1.2D + 1.6L + 1.6(L_r \space or \space S) + 1.0T
\end{array}
$$

انتخاب مقدار پارامترهای ترکیبات بارگذاری بالا برای شرایط خاص، الزامات مخصوصی دارد که در مبحث ششم به آن‌ها پرداخته شده است. به عنوان مثال، اگر سازه در محل احتمال وقوع سیل واقع شده باشد، علاوه بر ترکیب‌های 1 تا 9، دو ترکیب دیگر به صورت زیر نیز باید در نظر گرفته شود:

$$
\begin{array}{lr}
\\ 10) \space 1.2D + 1.0(1.4W + 2.0 F_ a)+ L + 0.5(L_r \space or \space S\space or \space R)
\\ 11) \space 0.9D + + 1.0(1.4W + 2.0 F_ a)
\end{array}
$$

برای دیگر شرایط خاص نیز مقادیر یا ترکیبات بارگذاری متناسب در مبحث ششم پیشنهاد شده‌‌اند. یک نکته مهم در استفاده از ترکیبات بارگذاری ارائه شده در مبحث ششم برای طراحی سازه های فولادی این است که حتما باید اجازه استفاده از این ترکیبات در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان داده شده باشد.

ترکیبات بارگذاری حالت های حدی بهره برداری

مطابق با بند 6-2-3-5 مبحث ششم (1392)، ترکیب بارهای حالت‌های بهره‌برداری عبارت هستند از:

$$
\begin{array}{lr}
1) \space D
\\ 2) \space D + L
\\ 3) \space D + (L_r \space or \space S\space or \space R)
\\ 4) \space D + L + (L_r \space or \space S\space or \space R)
\\ 5) \space D + T
\\ 6) D + L + T + (L_r \space or \space S)
\end{array}
$$

  • D: بار مرده
  • L: بار زنده
  • Lr: بار زنده بام
  • S:‌ بار برف
  • R: بار باران
  • T: بار خود کرنشی (تغییرات دما، نشت پایه‌ها و وارفتگی)

در ترکیبات بارگذاری بالا، از اثرات بارهای کوتاه مدت نظیر زلزله، باد، سیل و غیره صرف نظر شده است. توجه داشته باشید که در صورت پیشنهاد استفاده از ضرایب کمتر از یک برای هر یک از پارامترهای بالا توسط مبحث یا آیین‌نامه مرجع طراحی، از همان ضریب باید در ترکیبات استفاده شود.

در رابطه با فلسفه‌های مختلف طراحی سازه های فولادی نظیر ASD و LRFD، فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع را تهیه کرده است که می‌تواند در یادگیری این مبحث به شما کمک کند. لینک مشاهده این فیلم در ادامه آورده شده است:

تحلیل سازه های فولادی چگونه انجام می‌شود؟

طراحی سازه های فولادی، فرآیندی است که طی دو مرحله تحلیل و اعتبارسنجی انجام می‌شود. در مرحله اول، نیروهای داخلی و جابجایی‌ها، با استفاده از اصول تعادل و سازگاری مورد محاسبه قرار می‌گیرند. در مرحله بعد، مقادیر به دست آمده از تحلیل سازه، با مقاومت، سختی و شکل‌پذیری مقایسه می‌شوند. حاصل این مقایسه، تصمیم‌گیری راجع به ایمنی سازه و مناسب بودن آن برای کاربری مورد نظر است.

انواع تحلیل سازه های فولادی کدام هستند ؟

روش‌های مختلفی برای طراحی سازه های فولادی وجود دارند. مطابق با بند 10-1-3 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (1392)، استفاده از دو روش تحلیل الاستیک و غیر الاستیک برای طراحی سازه های فولادی مجاز است. این دو روش، به منظور تعیین مقاومت مورد نیاز (Ru) و یا نیروهای داخلی اجزای مختلف سازه و تغییر مکان نقاط مختلف آن‌ها تحت تاثیر ترکیبات بارگذاری انجام می‌گیرند

کاربرد تحلیل الاستیک سازه های فولادی

در تحلیل‌های الاستیک، فرض بر الاستیک بودن رفتار مصالح و کوچک بودن تغییر شکل‌های ایجاد شده است. بر اساس این فرضیات و تئوری الاستیسیته، می‌توان کلیه نیروهای داخلی مقاطع مختلف سازه را به دست آورد. به کارگیری این روش در هر دو حالت حدی مقاومت و بهره‌برداری مجاز است.

کاربرد تحلیل غیر الاستیک سازه های فولادی

تحلیل غیر الاستیک سازه‌های فولادی، فقط به منظور طراحی بر است حالت‌های حدی مقاومت مورد استفاده قرار می‌گیرد. کنترل معیارهای طراحی حالت‌های حدی بهره‌برداری با استفاده از این نوع تحلیل مجاز نیست. محدودیت‌های مربوط به تحلیل الاستیک سازه‌های فولادی در بند 10-1-3 مبحث دهم (1392) آورده شده‌اند.

مشخصات مصالح ساختمانی

مصالح اصلی مورد استفاده در اجرای سازه‌های فولادی، پروفیل‌هایی هستند که در اسکلت سازه (تیرها و ستون‌ها) مورد استفاده قرار می‌گیرند. در تحلیل و در طراحی سازه های فولادی، باید از مشخصات استاندارد این پروفیل‌ها (معمولا استاندارد بین‌المللی ISO) استفاده شود. جداول ارائه شده در استانداردهای مصالح سازه‌های فولادی، معمولا اطلاعاتی نظیر نوع فولاد، مقاومت کشششی برای ضخامت‌های مختلف و حداقل تنش تسلیم برای ضخامت‌های مختلف را نمایش می‌دهند. در جدول 10-1-4-1 مبحث دهم (1392) می‌توانید نمونه‌ای از مشخصات مکانیکی فولادهای ساختمانی برای تحلیل و طراحی سازه های فولادی را مشاهده کنید.

در رابطه با مفاهیم تئوری و نرم افزارهای تخصصی تحلیل و طراحی سازه های فولادی، فرادرس، مجموعه‌ای از چندین فیلم آموزشی جامع و کاربردی را تهیه کرده است که می‌توانند در یادگیری این مبحث به شما کمک کنند. لینک مشاهده این فیلم‌ها در ادامه آورده شده است:

طراحی اعضای فشاری سازه های فولادی

به عضوی از سازه که در معرض بارهای محوری فشاری قرار دارد، عضو فشاری می‌گویند. ستون‌ها، شناخته شده‌ترین و مهم‌ترین اعضای فشاری سازه‌های فولادی هستند. در صورت کوچک بودن ارتفاع، ستون در معرض فشار خالص قرار می‌گیرد. اگر ارتفاع ستون نسبت به ابعاد مقطع آن از یک اندازه مشخصی بیشتر شود (اجزای لاغر)، احتمال رخ دادن کمانش افزایش می‌یابد.

ستون، به عنوان یکی از اعضای فشاری در طراحی سازه‌های فولادی
ستون‌ها، شناخته شده‌ترین اعضای فشاری در سازه‌های فولادی هستند.

طراحی اعضای فشاری سازه‌های فولادی، ارتباط نزدیکی با طول آن‌ها دارد. این طراحی بر اساس مقاومت فشاری اسمی عضو و ضریب کاهش مقاومت صورت می‌گیرد. مقاومت فشاری طراحی اعضای فشاری سازه‌های فولادی برابر است با:

$$
P_n \phi_c
$$

  • Pn: مقاومت فشاری اسمی عضو
  • Φc: ضریب کاهش مقاومت

حالت‌های حدی حاکم بر طراحی اعضای فشاری سازه‌های فولادی، به نوع و شکل سطح مقطع پروفیل‌های مورد استفاده بستگی دارند. به عنوان مثال، برای مقاطع I شکل (مقاطع H) با دو محور تقارن، کمانش خمشی و کمانش پیچشی به عنوان حالت‌های حدی اصلی در نظر گرفته می‌شوند. در ادامه، روابط مورد نیاز برای طراحی اعضای فشاری سازه‌های فولادی را به صورت گام به گام معرفی می‌کنیم.

مرحله اول: محاسبه لاغری

همان‌طور که اشاره کردیم، نسبت طول عضو فشاری به ابعاد سطح مقطع آن، اهمیت زیادی در طراحی دارد. این نسبت با عنوان لاغری شناخته می‌شود و رابطه آن مطابق با بند 10-2-4-2 مبحث دهم (1392) عبارت است از:

$$
\frac {KL} {r}
$$

  • K: ضریب طول موثر و وابسته به شکل کمانش ستون (مطابق با پیوست 1 مبحث دهم)
  • L: طول فاقد مهار جانبی عضو (طول آزاد)
  • r: شعاع ژیراسیون مقطع عضو

شعاع ژیراسیون، از فرمول زیر به دست می‌آید:

$$
r = { \sqrt { \left ( { { \frac { I } { A } } } \right ) } }
$$

  • I: ممان اینرسی (مطابق با جداول اشتال پروفیل‌های فولادی)
  • A: سطح مقطع عضو

مرحله دوم: محاسبه تنش فشاری ناشی از کمانش خمشی

در مرحله بعدی، باید با استفاده از ضریب لاغری به دست آمده از مرحله اول و مشخصات مکانیکی فولاد، تنش فشاری ناشی از کمانش خمشی را تعیین کرد. برای طراحی در حالت حدی کمانش خمشی، دو سناریو به وجود می‌آید. در سناریو اول، رابطه زیر بین لاغری و مشخصات مکانیکی فولاد حاکم است:

$$
\frac {KL} {r} \leq4.71 \sqrt {\frac {E} {F_ y}}
$$

یا

$$
\frac {F_ y} {F_ e} \leq 2.25
$$

  • K: ضریب طول موثر
  • L: طول آزاد
  • r: شعاع ژیراسیون
  • E: مدول الاستیسیته فولاد (بر اساس جدول اشتال و حدود 210 گیگاپاسکال)
  • Fy: تنش تسلیم فولاد (بر اساس جدول اشتال و حدود 240 مگاپاسکال)
  • Fe: تنش کمانش الاستیک

در صورت برقرار بودن یکی از شرط‌های بالا، تنش فشاری ناشی از کمانش خمشی به شکل زیر محاسبه می‌شود:

$$
\mathrm{F}_{\mathrm{cr}}=\left[0.658^{\frac{F_{\mathrm{y}}}{\mathrm{Fe}}}\right] \mathrm{F}_{\mathrm{y}}
$$

  • Fcr: تنش فشاری ناشی از کمانش خمشی
  • Fy: تنش تسلیم فولاد
  • Fe: تنش کمانش الاستیک

تنش کمانش الاستیک، پارامتری وابسته به ضریب لاغری و مدول الاستیسیته است. در انتها فرمول محاسبه این پارامتر را معرفی می‌کنیم. در سناریو دوم، یکی از شرط‌های زیر صادق خواهد بود:

$$
\frac {KL} {r} \geq4.71 \sqrt {\frac {E} {F_ y}}
$$

یا

$$
\frac {F_ y} {F_ e} \geq 2.25
$$

در این حالت، تنش فشاری ناشی از کمانش خمشی توسط فرمول زیر به دست می‌آید:

$$
F_{ cr } = 0.877 F_{ e }
$$

رابطه محاسبه کمانش الاستیک برابر است با:

$$
F_{e}=\frac{\pi^{2} E}{\left(\frac{K L}{r}\right)^{2}}
$$

مرحله سوم: محاسبه مقاومت فشاری اسمی

مقاومت فشاری اسمی اعضای فشاری بدون اجزای لاغر، از رابطه زیر تعیین می‌شود:

$$
P_{ n } = F_ { cr }A _ { g }
$$

  • Pn: مقاومت فشاری اسمی
  • Fcr: تنش فشاری ناشی از کمانش خمشی (بر اساس روابط معرفی شده در مراحل قبل)
  • Ag: سطح مقطع کلی عضو (بر اساس جداول اشتال پروفیل‌های فولادی)

همان‌طور که اشاره کردیم، فرمول بالا، مختص اعضای فشاری بدون اجزای لاغر است. اگر ضریب لاغری یک عضو بیشتر از 200 باشد، آن عضو لاغر محسوب می‌شود. در نتیجه، رابطه بالا برای اعضای دارای ضریب لاغری کمتر از 200 قابل استفاده است.

مرحله چهارم: محاسبه مقاومت فشاری طراحی

در مرحله آخر، مقاومت فشاری طراحی توسط فرمول زیر محاسبه می‌شود:

$$
P_n \phi_c
$$

  • Pn: مقاومت فشاری اسمی عضو
  • Φc: ضریب کاهش مقاومت

برای اعضای فشاری سازه‌های فولادی، ضریب کاهش مقاومت برابر 0/9 است. پس از محاسبه مقاومت فشاری طراحی، مقدار به دست آمده با معیارهای طراحی مقایسه می‌شود. در صورت مناسب بودن پروفیل انتخابی برای عملکرد به عنوان عضو فشاری، طراحی این عضو، مورد تایید قرار می‌گیرد. در غیر این‌صورت، انجام محاسبات طراحی با انتخاب پروفیل فولادی بعدی (بزرگ‌تر یا کوچک‌تر) ادامه می‌یابد تا در نهایت، یکی از این پروفیل‌ها در حالت حدی صدق کند.

طی چهار مرحله معرفی شده در این بخش، فرآیند طراحی اعضای فشاری در حالت حدی کمانش خمشی را مورد بررسی قرار دادیم. در بند 10-2-4 مبحث دهم (1392)، الزامات طراحی برای حالت‌های حدی کمانش پیچشی، کمانش خمشی-پیچشی، مقطع نبشی تک و مقطع مرکب نیز ارائه شده‌اند. در صورت علاقه به آشنایی بیشتر با مبحث طراحی اعضای فشاری، مطالعه مطلب «طراحی دستی ستون فولادی | معرفی اصول طراحی — به زبان ساده» را به شما پیشنهاد می‌کنیم.

معرفی فیلم های آموزش طراحی سازه های فولادی

فیلم آموزش سازه‌های فولادی ۱ - بخش اول
فیلم آموزش سازه‌های فولادی ۱ - بخش دوم

تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی، مبحث بسیار مهمی در مهندسی عمران و سازه است. اصول مرتبط با این مبحث طی دروس مختلفی نظیر تحلیل سازه‌های 1، تحلیل سازه‌های 2، سازه‌های فولادی 1 و سازه‌های فولادی 2 به دانشجویان رشته عمران آموزش داده می‌شوند. به دلیل اهمیت بالای این دروس، فرادرس، چندین فیلم آموزشی جامع و کاربردی را تهیه کرده است. در ادامه، به معرفی عناوین این فیلم‌های آموزشی می‌پردازیم:

طراحی عضوهای کششی سازه های فولادی

به عضوی از سازه که در معرض بارهای محوری کششی قرار دارد، عضو کششی می‌گویند. در برخی از کاربردها، عضوهای کششی با عنوان کلاف نیز شناخته می‌شوند. سیم‌ها، کابل‌ها، میلگردها، میله‌ها، صفحه‌ها، پروفیل‌های تکی، پروفیل‌های ترکیبی و بخشی از قاب مهاربندی شده، از المان‌هایی هستند که معمولا تحت کشش قرار می‌گیرند. طراحی عضوهای کششی سازه‌های فولادی، باید به گونه‌ای باشد که این عضوها تحت هیچ‌گونه بار خمشی قرار نگیرند. در صورت اعمال بار خمشی در کنار بار کششی، اثر آن باید در محاسبات منظور شود.

مهاربند، به عنوان یکی از اعضای کششی در طراحی سازه‌های فولادی
بادبند ضربدری یا بادبند X، از اعضای سازه‌های فولادی است که در معرض بارهای فشاری و کششی قرار می‌گیرد.

برخلاف اعضای فشاری، تنها معیار اصلی در طراحی عضوهای کششی، مقاومت آن‌ها است. کنترل معیار لاغری، صرفا برای تامین شرایط بهره‌برداری مناسب انجام می‌شود. البته فرمول کلی مقاومت کششی طراحی شباهت زیادی به فرمول مقاومت فشاری طراحی دارد:

$$
\phi_{ t } P_ { n }
$$

Pn، مقاومت کششی اسمی عضو و Φt، ضریب کاهش مقاومت کششی را نمایش می‌دهد. مقدار ضریب کاهش مقاومت و فرمول مقاومت کششی اسمی به محل گسیختگی در مقطع عضو کششی بستگی دارد. در ادامه، روابط محاسبه مقاومت کششی طراحی برای گسیختگی در محل‌های مختلف را معرفی می‌کنیم.

مقاومت کششی طراحی برای تسلیم مقطع کلی عضو

اگر تسلیم کششی در مقطع کلی عضو رخ دهد، مقاومت کششی اسمی برابر با رابطه زیر خواهد بود:

$$
P_ { n } = F_ { y } A_ { g }
$$

  • Pn: مقاومت کششی اسمی عضو
  • Fy: تنش تسلیم فولاد (بر اساس جداول اشتال پروفیل‌های فولادی)
  • Ag: سطح مقطع کلی عضو

در این حالت، ضریب کاهش مقاومت برابر 0/9 در نظر گرفته می‌شود. به این ترتیب، فرمول مقاومت کششی طراحی به شکل زیر در می‌آید:

$$
0.9 P_ { n }
$$

مقاومت کششی طراحی برای تسلیم مقطع خالص عضو

در اعضای دارای اتصالات پیچی، سطح خالص عضو کششی، برابر اختلاف بین سطح کلی آن با سطح حفره‌ها است. مقاومت کششی اسمی در مقطع خالص، از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$
P_ { n } = F_ { u } A_ { n }
$$

  • Pn: مقاومت کششی اسمی عضو
  • Fu: تنش کششی نهایی فولاد (بر اساس جداول اشتال پروفیل‌های فولادی)
  • An: سطح مقطع کلی عضو

برای این حالت، ضریب کاهش مقاومت برابر 0/75 در نظر گرفته می‌شود. به این ترتیب، برای محاسبه مقاومت کششی طراحی در حالت تسلیم مقطع خالص عضو داریم:

$$
0.75 P_ { n }
$$

مقاومت کششی طراحی برای تسلیم مقطع خالص موثر عضو

به منظور طراحی عضوهای کششی بر اساس نوع اتصالات آن‌ها، ابتدا باید سطح مقطع خالص موثر را تعیین کرد. اگر اتصالات و وصله‌های عضو کششی از نوع پیچی باشند، سطح مقطع خالص موثر از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

$$
A_ { e } = U A_ { n }
$$

  • Ae: سطح مقطع خالص موثر عضو
  • U: ضریب تاخیر برش (بر اساس جدول 10-2-3-1 مبحث دهم)
  • An: سطح مقطع خالص عضو (سطح مقطع کلی، منهای سطح حفره اتصالات پیچی)

ضریب تاخیر برش، به نحوه انتقال بار از اتصالات به اجزای مقطع بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر این انتقال بار از پیچ یا جوش به طور مستقیم به تمام اجزای مقطع صورت گیرد، پارامتر U برابر 1 در نظر گرفته می‌شود. مقدار U برای حالت‌های دیگر در بند 10-2-3-3 مبحث دهم (1392) آورده شده است. در صورت جوشی بودن اتصالات و وصله‌های عضو کششی، رابطه سطح مقطع خالص به شکل زیر تغییر می‌کند:

$$
A_ { e } = U A_ { g }
$$

  • Ae: سطح مقطع خالص موثر عضو
  • U: ضریب تاخیر برش
  • An: سطح مقطع کلی عضو

در ورق‌های وصله‌های پیچی در اعضای کششی، باید رابطه زیر بین سطح مقطع کلی، سطح مقطع خالص و سطح مقطع خالص موثر برقرار باشد:

$$
A_ { e } = A_ { n } \leq 0.85 A_ { g }
$$

پس از تعیین سطح خالص موثر، نوبت به تعیین مقاومت کششی اسمی عضو می‌رسد. رابطه این مقاومت برابر است با:

$$
P_ { n } = F_ { u } A_ { e }
$$

  • Pn: مقاومت کششی اسمی عضو
  • Fu: تنش کششی نهایی فولاد (بر اساس جداول اشتال پروفیل‌های فولادی)
  • Ae: سطح مقطع خالص موثر عضو

در این حالت نیز، ضریب کاهش مقاومت کششی برابر 0/75 در نظر گرفته می‌شود. بنابراین، مقاومت کششی طراحی از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$
0.75 P_ { n }
$$

طراحی اعضای کششی سازه‌های فولادی، الزامات و جزئیات متعددی دارد. این موارد در بند 10-2-3 مبحث دهم (1392) پوشش داده می‌شوند.

حالت حدی بهره برداری در اعضای کششی

همان‌طور که اشاره کردیم، ضابطه اصلی برای طراحی اعضای کششی سازه‌های فولادی، مقاومت آن‌ها است. برای طراحی در حالت حدی بهره‌برداری، ضریب لاغری نیز مد نظر قرار می‌گیرد. در این حالت، حداکثر ضریب لاغری اعضای کششی نباید بیشتر از 300 باشد:

$$
\frac {L} {r} \leq 300
$$

  • L: طول آزاد عضو کششی
  • r: شعاع ژیراسیون

با وجود ارائه معیار کنترل لاغری برای حالت حدی بهره‌برداری، اگر قلاب‌ها و میله‌های مهاری کششی دارای پیش‌تنیدگی کافی باشند، نیازی به رعایت شرط بالا نخواهد بود.

طراحی اعضای خمشی سازه های فولادی

به عضوی از سازه که معمولا در معرض بارهای عمود بر محور طولی خود قرار دارد، عضو خمشی می‌گویند. تیرها، شناخته شده‌ترین عضوهای ساختمان‌های اسکلت فولادی هستند که تحت بار خمشی قرار می‌گیرند. به عبارت دیگر، طراحی تیر در سازه‌های فولادی، مطابق با الزامات طراحی اعضای خمشی انجام می‌شود. بارگذاری خمشی می‌تواند حالت‌های مختلفی داشته باشد. با این وجود، تمرکز مبحث دهم مقررات ملی ساختمان بر روی طراحی اعضای تحت خمش ساده است.

در خمش ساده، بار، به موازات محورهای اصلی عضو و با عبور از مرکز برش مقطع (عمود بر محور طولی) اعمال می‌شود. البته در صورت عدم رخ دادن پیچش در محل اعمال بار و تکیه‌گاه‌ها، خمش از نوع ساده خواهد بود.

تیر، به عنوان یکی از اعضای خمشی در طراحی سازه‌های فولادی

از مهم‌ترین پارامترهای موثر بر طراحی عضوهای تحت خمش در سازه‌های فولادی می‌توان به شکل سطح مقطع پروفیل، لاغری بال، لاغری جان و حالت حدی مورد بررسی اشاره کرد. حالت‌های حدی مقاطع مختلف برای طراحی عضوهای خمشی در جدول 10-2-5-1 مبحث دهم (1392) آورده شده است.

فرمول مقاومت خمشی طراحی

مقاومت خمشی طراحی با استفاده از فرمول کلی زیر محاسبه می‌شود:

$$
\phi_{ b } M_{ n }
$$

  • Φb: ضریب کاهش مقاومت طراحی
  • Mn: مقاومت خمشی اسمی

در اغلب پروژه‌های ساختمانی، از پروفیل‌های I یا H برای اجرای عضوهای خمشی استفاده می‌شود. نکته مهم در طراحی این عضوها، محور تقارن، فشرده بودن/نبودن بال و فشرده بودن/نبودن جان آن‌ها است. در ادامه، روابط مورد استفاده برای طراحی یکی از متداول‌ترین پروفیل‌های مورد استفاده برای عضوهای خمشی سازه‌های فولادی را معرفی می‌کنیم.

مقاومت خمشی طراحی مقطع I شکل فشرده با دو محور تقارن

به منظور آشنایی با فرآیند تعیین مقاومت خمشی طراحی مقاطع I شکل فشرده با دو محور تقارن، ابتدا باید با مفهوم فشردگی آشنا شد. مقاطع فشرده، به مقاطعی گفته می‌شوند که دارای دو شرط زیر باشند:

  • اتصال سرتاسری و پیوسته بال‌ها به جان یا جان‌ها
  • عدم عبور نسبت پهنا به ضخامت اجزای فشاری از پارامتر λp

پارامتر λp، بر اساس نسبت پهنا به ضخامت (b/t) در مقاطع مختلف تعیین می‌شود. اطلاعات مربوط به نحوه محاسبه این پارامتر در جدول 10-2-2-3 مبحث دهم (1392) آورده شده است. این پارامتر برای بال‌های مقاطع I کل نورده شده غیر فشرده/فشرده به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$
0.38 \sqrt {\frac { E } { F_{ y }}}
$$

  • E: مدول الاستیسیته فولاد (بر اساس جداول اشتال)
  • Fy: مقاومت تسلیم فولاد (بر اساس جداول اشتال)

برای مقطع مورد بررسی در این بخش، اگر خمش حول محور قوی اعمال شود، مقاومت خمشی اسمی برای حالت‌های حدی تسیلم و کمانش پیچشی جانبی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

تعیین مقاومت خمشی اسمی برای حالت حدی تسلیم

فرمول مقاومت خمشی اسمی برای حالت حدی تسلیم برابر است با:

$$
M_ { n } = M_ { p } = F_ { y } Z_ { x }
$$

  • Mn: مقاومت خمشی اسمی عضو
  • Mp: لنگر پلاستیک
  • Fy: تنش تسلیم فولاد
  • Zx: اساس مقطع پلاستیک حول محور x
مقطع I شکل تیر در طراحی سازه های فولادی

لنگر پلاستیک، یکی از خواص مقاطع سازه‌ای است. این ویژگی به عنوان گشتاوری اطلاق می‌شود که در آن، تمام سطح مقطع به تنش تسلیم می‌رسند. از نظر تئوری، لنگر پلاستیک، حداکثر گشتاور خمشی قابل تحمل توسط یک مقطع است. با رسیدن به این نقطه، مفصل پلاستیک رخ می‌دهد. لنگر پلاستیک، همواره بزرگ‌تر از گشتاور تسلیم است. فرمول محاسبه اساس مقطع، به ابعاد و ممان اینرسی شکل مقاطع بستگی دارد. برای تیرهای I شکل، اساس یا مدول مقطع به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$
Z_{ x } = \frac {2 I_{ x }} { H + 2h}
$$

  • Zx: اساس مقطع حول محور x
  • Ix: ممان اینرسی حول محور x
  • H: فاصله بین دو بال
  • h: ضخامت بال

تعیین مقاومت خمشی اسمی برای حالت حدی کمانش پیچشی جانبی

تعیین مقاومت خمشی اسمی برای حالت حدی کمانش پیچشی جانبی، با توجه به رابطه بین فاصله تکیه‌گاه‌های جانبی و طول مهار نشده عضو صورت می‌گیرد. روابط مربوط به این محاسبات در بند 10-2-5-1-5 مبحث دهم آورده شده است. ضریب کاهش مقاومت خمشی طراحی در هر دو حالت حدی برابر 0/9 در نظر گرفته می‌شود. به این ترتیب، پس از محاسبه مقاومت خمشی اسمی، مقاومت خمشی طراحی از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$
0.9 M_{ n }
$$

تسلط بر روی طراحی سازه های فولادی، نیازمند آشنایی کافی با نحوه استفاده از روابط ارائه شده در مبحث دهم و تعیین حالت‌های حدی مناسب است. فرادرس، یک آموزش ویدیویی جامع و کاربردی را تهیه کرده است که بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، به آموزش اصول طراحی عضوهای سازه‌های فولادی از جمله عضوهای کششی، خمشی، فشاری و اتصالات می‌پردازد. لینک مشاهده این آموزش در ادامه آورده شده است:

طراحی اعضای برشی سازه های فولادی

به عضوهایی که تحت تاثیر بارهای جانبی در صفحات داخلی خود قرار می‌گیرند، اعضای برشی می‌گویند. منشا برش در اعضای سازه‌های فولادی می‌تواند خمش، ضربه یا پیچش باشد. بند 10-2-6 مبحث دهم (1392)، به معرفی الزامات عمومی و اختصاصی طراحی مقاطع دارای تقارن یک محوره و دو محوره تحت برش در صفحه جان، مقاطع نبشی تک، مقاطع توخالی و مقاطع دارای یک محوره و دو محوره تحت برش عمود بر محور ضعیف می‌پردازد.

اتصالات برشی
اتصالات برشی

مقاومت برشی طراحی از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$
\phi_{ v } V_{ n }
$$

  • Φv: ضریب کاهش مقاومت برشی طراحی
  • Vn: مقاومت برشی اسمی

ضریب کاهش مقاومت برشی طراحی برابر 0/9 در نظر گرفته می‌شود. البته در صورت برقرار بودن رابطه زیر برای جان مقاطع I شکل نورد شده، ضریب کاهش به عدد 1 تغییر می‌کند:

$$
\frac {h} {t_{ w }} \leq 2.24 \sqrt { \frac{ E } {F_{ y }}}
$$

  • h: فاصله آزاد بین دو بال، منهای شعاع‌های گردی محل اتصال جان به بال
  • tw: ضخامت جان مقطع
  • E: مدول الاستیسیته فولاد
  • Fy: تنش تسلیم فولاد

تقسمیم‌بندی اعضای سازه‌های فولادی به انواع کششی، فشاری، خمشی و برشی محدود نمی‌شود. برخی از اعضا در طول عمر کاربری سازه، تحت ترکیبی از بارهای محوری و خمشی قرار می‌گیرند. الزامات طراحی این اعضا، شباهت زیادی به فرآیندهای طراحی معرفی شده در بخش‌های قبلی دارند. علاوه بر این، سازه‌های فولادی، معمولا از ترکیب فولاد با دیگر مصالح ساختمانی اجرا می‌شوند.

اگر پروفیل‌های فولاد ساختمانی محیط یا محاط در بتن باشند، عکس‌العمل اعضا، به صورت ترکیبی از عکس‌العمل فولاد و بتن خواهد بود. در این حالت، طراحی سازه بر اساس الزامات طراحی اعضای دارای مقاطع مختلط (بند 10-2-8 مبحث دهم، 1392) صورت می‌گیرد. الزامات طراحی اتصالات سازه‌های فولادی نیز در بند 10-2-9 مبحث دهم پوشش داده شده‌اند.

طراحی لرزه ای سازه های فولادی

یکی از مهم‌ترین مراحل تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی، مخصوصا در مناطق لرزه‌خیز و دارای خطرپذیری بالا، توجه به الزامات طراحی لرزه‌ای است. در ایران، طراحی لرزه‌ای سازه‌های فولادی، معمولا بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و استاندارد 2800 صورت می‌گیرد. هدف از رعایت این دستورالعمل‌ها، اجرای سازه‌ای ایمن است که بتواند علاوه بر حفظ استحکام خود در برابر زلزله‌های شدید، تلفات جانی را به حداقل برساند.

تحلیل دینامیک قاب فولادی پیش از طراحی سازه های فولادی
خروجی تحلیل لرزه‌ای قاب در سازه فولادی

طراحی و اجرای سیستم‌های باربر جانبی نظیر قاب‌های خمشی، قاب‌های مهاربندی شده و قاب‌های ترکیبی، از رویکردهای متداول برای مقابله با تاثیرات مخرب بارهای لرزه‌ای بر روی عملکرد ساختمان است. به همین دلیل، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان نیز بر روی این طراحی لرزه‌ای سازه‌های فولادی قابل اجرا توسط این سیستم‌ها تمرکز می‌کند.

در رابطه با ضوابط طراحی لرزه‌ای سازه‌ها، فرادرس، یک فیلم آموزشی مبتنی بر تعریف نکات مهم و حل مسئله تهیه کرده است که می‌تواند در یادگیری این مبحث به شما کمک کند.

طراحی قاب خمشی برای سازه های فولادی

«قاب خمشی» (Moment Frame)، یک سیستم سازه‌ای باربر جانبی است که از اتصال گیردار (صلب) چندین تیر و ستون (قاب) تشکیل می‌شود. صلبیت بالای این سیستم، مقاومت سازه در برابر بارهای لرزه‌ای را افزایش می‌دهد. از انواع اصلی قاب‌های خمشی می‌توان به قاب خمشی معمولی (OMF)، متوسط (IMF) و ویژه (SMF) اشاره کرد. این تقسیم‌بندی، بر اساس شکل‌پذیری مورد انتظار سیستم سازه‌ای انجام می‌گیرد. در طراحی قاب‌های خمشی معمولی، سخت‌گیری زیادی بر روی رعایت الزامات استاندارد اتصالات نمی‌شود. در قاب‌های خمشی متوسط و مخصوصا ویژه، تاکید زیادی بر روی طراحی مناسب اتصالات و رعایت الزامات اتصالات گیردار پیش‌تاییدشده وجود دارد.

بندهای 10-3-2 تا 10-3-9 مبحث دهم (1392) به معرفی الزامات طراحی لرزه‌ای قاب‌های خمشی معمولی، متوسط و ویژه اختصاص می‌پردازند. به عنوان مثال، مهارهای جانبی تیرهای باربر جانبی لرزه‌ای در سیستم‌های قاب خمشی متوسط و ویژه برای حداقل نیروی زیر طراحی می‌شوند:

$$
P_{ bu } = \frac {0.06R_{ y }F_{ y } Z_{ b }} {h_{ o }}
$$

  • Pbu: حداقل نیروی طراحی لرزه‌ای قاب‌های خمشی متوسط و ویژه
  • Ry: نسبت تنش تسلیم مورد انتظار به حداقل تنش تسلیم تعیین شده مصالح
  • Fy: تنش تسلیم فولاد
  • Zb: اساس مقطع پلاستیک
  • ho: فاصله مرکز تا مرکز بارها

طراحی قاب مهاربندی شده برای سازه های فولادی

مهاربند یا بادبند، المانی است که با اتصال اعضای مختلف سازه‌های قابی نظیر تیر و ستون به یکدیگر، باربری جانبی لرزه‌ای را بهبود می‌بخشد. مهاربندها، انواع بسیار متنوعی دارند. این المان‌ها بر اساس شکل‌پذیری به سه نوع اصلی «قاب مهاربندی شده همگرا» (Concentrically Braced Frame) یا «CBF»، «قاب مهاربندی شده واگرا» (Eccentrically Braced Frame) یا «EBF» و «قاب مهاربندی شده زانویی» (Knee Braced Frame) یا «KBF» تقسیم می‌شوند. البته قاب‌های مهاربندی شده همگرا، دو نوع معمولی و ویژه دارد. نوع ویژه این قاب‌ها، به منظور عملکرد تحت اثر بارهای جانبی فراارتجاعی طراحی می‌شوند.

مهاربندی زانویی
قاب KBF

الزامات طراحی قاب‌های مهاربندی شده در بندهای 10-3-2 تا 10-3-6 و 10-3-10 تا 10-3-12 مبحث دهم (1392) آورده شده‌اند. در رابطه با یکی از انواع متداول قاب‌های مهاربندی شده، فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع را تهیه کرده است که می‌تواند در یادگیری مبحث طراحی این سیستم‌های سازه‌ای به شما کمک کند.

بهترین کتاب ها و منابع یادگیری طراحی سازه های فولادی

منابع و کتاب‌های فراوانی در زمینه یادگیری اصول طراحی سازه های فولادی وجود دارند. برخی از شناخته شده‌ترین منابع رسمی و کتاب‌های آکادمیک فارسی زبان در زمینه طراحی سازه های فولادی عبارت هستند از:

  • مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (طراحی و اجرای ساختمان‌های فولادی)
  • کتاب طراحی سازه‌های فولادی به روش حالات حدی و مقاومت مجاز (مجتبی ازهری و رسول میرقادری)
  • کتاب طراحی سازه های فولادی روش تنش مجاز و روش حدی (شاپور طاحونی)

از بهترین کتاب‌های انگلیسی زبان در زمینه طراحی سازه های فولادی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • «Design of Structural Elements» اثر «Chanakya Arya»
  • «Design of Steel Structures» اثر «S K Duggal»
  • «Steel Design» اثر «William T Segui»

با وجود اعتبار بالا و جامع بودن منابع معرفی شده در این بخش، بسیاری از مباحث موجود در آن‌ها، پیچیده هستند و نیاز به تفسیر دارند. به همین دلیل، اغلب علاقه‌مندان به یادگیری در رابطه با این مبحث، به سراغ منابع آموزشی ویدیویی می‌روند.

بهترین نرم افزارهای طراحی سازه های فولادی

استفاده از نرم افزارهای تخصصی، از روش‌های سریع و دقیق برای تحلیل و طراحی سازه های فولادی به شمار می‌رود. نتایج برخی از این نرم افزارها به اندازه‌ای معتبر هستند که مبنای چک لیست‌های طراحی سازمان نظام مهندسی قرار می‌گیرند. از بهترین نرم افزارهای طراحی سازه های فولادی می‌توان به «ایتبس» (ETABS)، «سپ 2000» (SAP2000)، «تکلا استراکچرز» (tekla Structures) و «استاد پرو» (STAAD.Pro) اشاره کرد.

اغلب نرم افزارهای تخصصی مدل‌سازی، تحلیل و طراحی سازه های فولادی، از استانداردهای معتبر بین‌المللی و ملی پشتیبانی می‌کنند. همین موضوع، باعث اعتبار و گسترش کاربری آن‌ها نزد مهندسان و شرکت‌های مهندسی شده است. در ادامه، طراحی سازه های فولادی در این نرم افزارها را به طور خلاصه مورد بررسی قرار می‌دهیم.

طراحی سازه های فولادی در ایتبس

نرم افزار ایتبس، از محبوب‌ترین و معتبرترین نرم افزارهای مدل‌سازی، تحلیل و طراحی ساختمان‌های چند طبقه با اسکلت بتن آرمه و فولادی است. نتایج حاصل از این نرم افزار، معمولا به عنوان مبنای چک لیست طراحی در نظر گرفته می‌شوند. استاندارد انجمن سازه های فولادی آمریکا (AISC)، استاندارد ملی بریتانیا (BS)، استاندارد اتحادیه اروپا (Eurocode) و ایزو (IS)، از استانداردهای مورد استفاده نرم افزار ایتبس در زمینه طراحی سازه های فولادی به شمار می‌روند.

طراحی سازه های فولادی در ETABS
مدل‌سازی، تحلیل و طراحی ساختمان اسکلت فولادی با سیستم دیوار برشی در ایتبس

با وجود قابلیت‌ها فراوان و پشتیبانی از استانداردهای متعدد، ایتبس، از تمام استانداردهای معتبر مربوط به طراحی اتصالات سازه‌های فولادی پشتیبانی نمی‌کند. همین موضوع، باعث تمایل مهندسان به استفاده از دیگر نرم افزارهای تخصصی در کنار ایتبس شده است.

طراحی سازه های فولادی در استاد پرو

استاد پرو، رقیب اصلی نرم افزار ایتبس در طراحی سازه های فولادی است. این نرم افزار، رابط کاربری پیچیده‌تری نسبت به ایتبس دارد. از مزیت‌های استاد پرو می‌توان به پوشش استانداردهای معتبر برای طراحی اتصالات سازه‌های فولادی اشاره کرد. همین ویژگی، این نرم افزار را به گزینه اول طراحی و تحلیل سازه‌های فولادی در بسیاری از پروژه‌ها تبدیل می‌کند.

طراحی سازه های فولادی در STAAD.Pro

طراحی سازه های فولادی در تکلا استراکچرز

نرم افزار تکلا استراکچرز، معمولا به منظور طراحی پروژه‌های متوسط تا بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نرم افزار، از سیستم مدل‌سازی اطلاعات ساختمان (BIM) بهره می‌برد. با وجود قابلیت‌های طراحی و تحلیلی، تکلا بیشتر بر روی نقشه‌کشی و مدل‌سازی مجموعه‌های ورزشی، کارخانه، ساختمان مسکونی، ساختمان تجاری، پل و برج‌های اسکلت فولادی تمرکز دارد.

مدل سازی تیر و ستون، طراحی سازه های فولادی در تکلا
مدل‌سازی تیر و ستون فولادی در تکلا استراکچرز

طراحی سازه های فولادی در سپ 2000

نرم افزار سپ 2000، یکی از نرم افزارهای هم‌خانواده ایتبس (محصول شرکت CSi) است. این نرم افزار، امکان اجرای تحلیل‌های پیشرفته استاتیک و دینامیک بر روی سیستم‌های سازه‌ای را فراهم می‌کند. مزیت سپ 2000 در تحلیل و طراحی سازه های فولادی، عمومی بودن قابلیت‌ها و ابزارهای آن برای طراحی سازه های فولادی و نه فقط ساختمان‌های اسکلت فولادی است.

طراحی سازه های فولادی در SAP2000
تحلیل و طراحی ساختمان اسکلت فولادی در سپ 2000

علاوه بر نرم افزارهای معرفی شده، نرم افزار «سیف» (SAFE) نیز اغلب به منظور تحلیل و طراحی فونداسیون سازه‌های فولادی مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرادرس، در رابطه با نحوه طراحی سازه‌های مختلف توسط این نرم افزارها، چندین فیلم آموزشی جامع و کاربردی را تهیه کرده است که می‌توانند در کسب این مهارت مهندسی به شما کمک کنند. لینک مشاهده این فیلم‌های آموزشی در ادامه آورده شده است:

چک لیست طراحی سازه های فولادی چیست ؟

فهرست بازبینی یا چک لیست طراحی، مجموعه سوالاتی است که به منظور بررسی صحت اجرای سازه‌ها و کنترل معیارهای طراحی مورد استفاده قرار می‌گیرد. سازمان نظام مهندسی ساختمان، متولی تدوین این چک لیست است. برخی از گزینه‌های موجود در این چک لیست، بین سازه‌های بتن آرمه و فولادی، مشترک هستند. برخی دیگر، فقط به یکی از این سازه‌ها اختصاص دارند. به عنوان مثال، سوال مربوط به طراحی بادبند فولادی در چک لیست طراحی سازه عبارت هستند از:

  1. آیا کنترل مقاومت تیرها به درستی انجام شده است؟
  2. آیا جوش اتصال بال به جان به درستی انجام شده است؟
  3. آیا ورق تقویت تیرها به صورت مناسب استفاده شده است؟
  4. آیا کنترل ارتعاش در تیرهای فلزی صورت گرفته است؟
  5. آیا سخت کننده‌های طولی و عرضی برای تیرها طراحی شده‌اند؟
  6. آیا تیرهای لانه زنبوری در سازه طراحی شده‌اند؟
  7. آیا سقف از نوع کامپوزیت طراحی شده است؟
  8. در صورت استفاده از سقف‌های دارای برشگیر، آیا طراحی این ابزار اتصال صورت گرفته است؟
  9. آیا ضخامت ورق‌های موجدار کنترل شده است؟

در صورت تمایل به آشنایی با تمام سوالات چک لیست طراحی سازه های فولادی، مطالعه مطلب «چک لیست طراحی سازه چیست؟ — الزامات کنترل طراحی ساختمان — آموزش جامع» را به شما پیشنهاد می‌کنیم. علاوه بر این مطلب رایگان، فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع و کاربردی را در رابطه با الزامات فنی و حقوقی مهندسان ساختمان تهیه کرده است که می‌تواند به تسلط شما بر روی چک لیست‌های طراحی سازه کمک کند:

معرفی مجموعه فیلم‌های آموزش تحلیل و طراحی سازه‌ها

تحلیل و طراحی سازه‌های بتن آرمه و فولادی، یک مهارت ضروری برای هر مهندس سازه به شمار می‌رود. این مهارت، با مطالعه منابع مناسب و تمرین به دست می‌آید. فرادرس، مجموعه‌ای از چندین فیلم آموزشی جامع و کاربردی را برای دانشجویان و مهندسان عمران تهیه کرده است. این آموز‌ش‌ها، با ارائه مباحث تئوری، عملی و نرم افزاری، مسیر علاقه‌مندان به کسب مهارت تحلیل و طراحی سازه‌ها را هموار می‌کنند.

انواع طراحی سازه های فولادی چه هستند ؟

سازه‌های فولادی، بر خلاف سازه‌های بتن آرمه، همیشه با سیستم صلب (قاب خمشی) ساخته نمی‌شوند. به همین دلیل، با توجه به نوع سیستم و سازه‌ای، روش‌های تحلیل و طراحی سازه های فولادی وجود دارند. نکته مهم در این روش‌ها، نوع اتصالات بین اعضای مختلف است. بر اساس نوع اتصالات، انواع روش‌های طراحی سازه های فولادی به موارد زیر تقسیم می‌شوند:

  • طراحی ساده
  • طراحی پیوسته
  • طراحی نیمه‌پیوسته

طراحی ساده ساز های فولادی

«طراحی ساده» (Simple Design)، مرسوم‌ترین رویکرد طراحی سازه های فولادی است. در این روش، فرض می‌شود که هیچ گشتاوری بین اعضای متصل به هم منتقل نمی‌شود. در طراحی ساده، فقط گشتاور اسمی ناشی از عدم تقارن اتصالات (خروج از مرکز بودن اتصالات) در محاسبات مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در طراحی ساده سازه‌های فولادی، مقاومت در برابر بارهای جانبی معمولا با طراحی مهاربند تامین می‌شود. توجه به فرضیات مرتبط با اتصالات و اطمینان از عدم انتقال گشتاور در میان آن‌ها (با بررسی دیتیل اتصالات)، از اهمیت بالایی برخوردار است.

طراحی پیوسته سازه های فولادی

در «طراحی پیوسته» (Continuous Design)، فرض می‌شود که تمام اتصالات سازه‌های فولادی به صورت صلب هستند و گشتاور را بین اعضای مختلف انتقال می‌دهند. پایداری سازه در برابر حرکت‌های جانبی، توسط نیروی عکس‌العمل قاب (خمش تیر و ستون) تامین می‌شود. به دلیل پیچیدگی تحلیل پیوسته نسبت به تحلیل ساده، اجرای آن معمولا توسط نرم افزارهای تخصصی انجام می‌گیرد. هنگام طراحی قاب‌های پیوسته، باید از ترکیب واقعی الگوهای بارگذاری استفاده شود.

الاستیک یا پلاستیک بودن طراحی پیوسته، بر روی مشخصات اتصالات بین اعضای سازه تاثیر می‌گذارد. در طراحی الاستیک، تعیین سختی کافی (توزیع مناسب نیروها و گشتاورها) بسیار مهم است. در طراحی پلاستیک، تعیین ظرفیت باربری نهایی و مقاومت اتصالات در اولویت قرار می‌گیرند.

طراحی نیمه پیوسته سازه های فولادی

پیچیده‌ترین روش طراحی سازه های فولادی، «طراحی نیمه‌پیوسته» (Semi-Continuous Design) است. در این روش، عکس‌العمل اتصالات به صورت واقع‌گرایانه‌تر نمایش داده می‌شوند. به طور کلی، دو روند ساده‌سازی شده برای طراحی نیمه‌پیوسته برای قاب‌های مهاربندی شده و بدون مهاربندی وجود دارد:

  1. روش گشتاور باد برای قاب‌های مهاربندی نشده: فرض لولایی بودن اتصالات بین تیر و ستون در هنگام تحلیل بارهای ثقلی و صلب بودن اتصالات در هنگام تحلیل بارهای ناشی از باد
  2.  روش طراحی نیمه‌پیوسته قاب‌های مهاربندی‌شده: در نظر گرفتن رفتار واقعی اتصالات برای کاهش تاثیر گشتاور خمشی تیرها و کاهش تغییر شکل‌ها

سوالات متداول در رابطه با طراحی سازه های فولادی

در این بخش، به برخی از سوالات پرتکرار در رابطه با طراحی سازه های فولادی به طور خلاصه پاسخ می‌دهیم.

استاندارد ملی طراحی سازه های فولادی چیست ؟

استاندارد ایران برای طراحی سازه های فولادی، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان یا اصطلاحا آئین نامه طراحی سازه های فولادی است.

روش های طراحی سازه های فولادی کدام هستند ؟

جدیدترین و معتبرترین روش طراحی سازه های فولادی، روش ضرایب بار و مقاومت (LRFD) است. طراحی تنش مجاز (ASD)، به عنوان قدیمی‌ترین روش طراحی سازه های فولادی محسوب می‌شود که جای خود را به روش مقاومت مجاز داده است.

نرم افزارهای طراحی سازه های فولادی چه هستند ؟

«استاد پرو» (STAAD.Pro)، «ایتبس» (ETABS)، «سپ 2000» (SAP2000)، «تکلا استراکچرز» (tekla Structures) و «سیف» (SAFE)، از نرم افزارهای پرکاربرد در طراحی سازه های فولادی هستند.

تعریف حالت های حدی چیست ؟

مطابق با تعریف مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، حالت‌های حدی، به شرایطی اطلاق می‌شوند که اگر تمام یا بخشی از سازه به هر یک از آن حالت‌ها برسند، قادر به انجام وظایف خود نباشند و از حیز انتفاع خارج شوند.

انواع حالت های حدی کدام هستند ؟

بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، حالت‌های حدی به دو حالت حدی مقاومت (تسلیم، گسیختگی، کمانش و غیره) و حالت حدی بهره‌برداری تقسیم می‌شوند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای 11 نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«حسین زبرجدی دانا»، کارشناس ارشد مهندسی استخراج معدن است. فعالیت‌های علمی او در زمینه تحلیل عددی سازه‌های مهندسی بوده و در حال حاضر آموزش‌های مهندسی عمران، معدن و ژئوتکنیک مجله فرادرس را می‌نویسد.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *