تیر، یکی از عضوهای سازه‌ای است که وظیفه تحمل بارهای خمشی، برشی و وزن خود را بر عهده دارد. طراحی تیر، از بخش‌های مهم در طراحی سازه‌های فولادی محسوب می‌شود. در این مقاله، به معرفی اصول طراحی دستی تیر فولادی می‌پردازیم.

طراحی دستی تیر فولادی چگونه انجام می‌شود؟

طراحی دستی تیر فولادی مطابق با استانداردها و آیین‌نامه‌های مختلف نظیر مقررات ملی ساختمان انجام می‌شود. از این‌رو، پیش از شروع طراحی، باید استاندارد مناسب برای انجام محاسبات را انتخاب کرد. آیین‌نامه‌های ایران برای طراحی دستی تیر فولادی عبارت هستند از:

  • مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (بارهای وارد بر ساختمان): تعیین نوع، میزان و ضرایب بارها
  • مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی): تعیین مشخصات و الزامات طراحی تیر فولادی
  • استاندارد 2800 (طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله): تعیین بارهای لرزه‌ای و ضرایب دینامیکی

از آیین‌نامه‌های بین‌المللی برای طراحی دستی تیر فولادی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • استاندارد اروپا Eurocode 3 – EN1993: با عنوان «طراحی سازه‌های فولادی» (Design of Steel Structures)
  • استاندارد بریتانیا BS5950: با عنوان «استفاده سازه‌ای از عضوهای فولادی در ساختمان» (Structural Use of Steelwork in Building)
  • استانداردهای آمریکا ASCE-07-16: با عنوان «حداقل بارهای طراحی و معیارهای مربوطه برای ساختمان‌ها و دیگر سازه‌ها» (Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures)
  • استاندارد آمریکا ANSI/AISC-360: با عنوان «الزامات ساختمان‌های اسکلت فولادی» (Specification for Structural Steel Buildings)
  • استاندارد ASTM A36: برای تعیین نوع ماده سازنده تیر

مراحل طراحی دستی تیر فولادی کدام هستند؟

به طور کلی، طراحی دستی تیر فولادی طی پنج مرحله و با انتخاب پارامترهایی نظیر عیار فولاد (مقاومت تسلیم تیر)، شکل تیر، ابعاد دهانه، نوع بار و روش طراحی صورت می‌گیرد. در ادامه، به معرفی مراحل طراحی دستی تیر فولادی می‌پردازیم.

عیار فولاد چیست و چگونه انتخاب می‌شود؟

عیار فولاد معیاری برای تشخیص مقاومت تسلیم است. فولاد بر اساس نوع ماده مورد استفاده در آن، معمولا به چهار گروه فولاد کربنی، فولاد آلیاژی، فولاد ضد زنگ و فولاد ابزاری تقسیم می‌شود. عیارهای مختلفی برای فولاد وجود دارند که برای هر نوع تیر، یک عیار مخصوص مورد استفاده قرار می‌گیرد.

طراحی دستی تیر فولادی
نمونه‌ای از یک تیر I شکل

متداول‌ترین تیر مورد استفاده در سازه‌های فولادی، تیر I شکل نوع W (بال پهن) است. در این نوع تیر، معمولا از فولاد با عیارهای زیر استفاده می‌شود:

  • A36: مقاومت تسلیم 250 مگاپاسکال
  • A572: مقاومت تسلیم بین 290 تا 410 مگاپاسکال (معمولا مقاومت تسلیم 340 مگاپاسکال)
  • A588: مقاومت تسلیم مشابه A572
  • A992: مقاومت تسلیم بین 340 تا 450 مگاپاسکال

نکته: طبق جدیدترین استاندارد ASTM، باید از تیرهای بال پهن با عیار A992 در ساخت سازه‌های ساختمانی استفاده کرد.

انتخاب شکل و ابعاد تیر چگونه انجام می‌شود؟

انتخاب شکل و ابعاد تیر، توسط جدولی با عنوان «پروفیل اشتال» (Stahlbau Profile) یا اصطلاحا جدول اشتال صورت می‌گیرد. تیرهای فولادی مورد استفاده در ساختمان‌ها دارای شکل و ابعاد بسیار متنوعی هستند. تیرهای I شکل، به عنوان متداول‌ترین تیرهای مورد استفاده در ساختمان‌ها نیز از این قاعده مستثنی نیستند. به همین دلیل، انتخاب شکل و ابعاد، یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی دستی تیر فولادی است. استفاده از جدول اشتال، فرآیند انتخاب را ساده‌تر می‌کند. این جدول شامل مشخصات استاندارد مقاطع انواع عضوهای فولادی مورد استفاده در ساختمان است.

جدول اشتال
بخشی از یک جدول اشتال، حاوی مشخصات ارتفاع، عرض، مدول مقطع، ضخامت و وزن بر واحد طول

با افزایش وزن تیر، هزینه مورد نیاز برای تهیه آن نیز افزایش می‌یابد. به همین دلیل، باید ابعاد تیر را به گونه‌ای انتخاب کرد که با کمترین وزن ممکن، معیارهای طراحی (نظیر مقاومت) قابل دستیابی باشند. در صورت کافی نبودن مقاومت به دست آمده از محاسبات، می‌توان شکل و ابعاد تیر را تغییر داد و محاسبات را دوباره تکرار کرد.

در رابطه با یادگیری نحوه طراحی سازه‌های فولادی و عضوهای آن‌ها (تیر، ستون و غیره) بر اساس الزامات مقررات ملی ساختمان، یک فیلم آموزشی جامع در مجموعه فرادرس تهیه شده است که می‌تواند شما را با نحوه طراحی سازه‌های فولادی آشنا کنند. لینک این فیلم در ادامه آورده شده است.

دهانه تیر چیست و چه اهمیتی در طراحی تیر دارد؟

دهانه تیر، فاصله بین دو نقطه نگهدارنده تیر است. در طراحی دستی تیر فولادی، معمولا «تیر یک دهانه» (Single Span Beam) مورد بررسی قرار می‌گیرد. تیرهای یک دهانه، تنها در دو نقطه (ابتدایی و انتهایی) نگهداری می‌شوند. تیر ساده، از انواع تیر یک دهانه به شمار می‌رود. البته در برخی از موارد، امکان بررسی تیرهای پیوسته (نگهداری در چند نقطه از طول تیر) یا تیر ساده با انتهای آزاد نیز وجود دارد.

تیر یک دهانه
نمونه‌ای از یک تیر یک دهانه که در معرض بار یکنواخت گسترده قرار گرفته است.

تیر، به عنوان یک عضو خمشی در سازه محسوب می‌شود. بنابراین، هر چه طول دهانه بیشتر باشد، لنگر خمشی اعمال شده بر تیر بیشتر خواهد بود. به این ترتیب، انتخاب تیر مورد تحلیل از نظر نوع و طول دهانه نیز در طراحی دستی تیر فولادی اهمیت بالایی خواهد داشت.

بارهای اعمال شده بر تیر کدام هستند؟

تعیین نوع و مقدار بارهای اعمال شده، از مهم‌ترین مراحل طراحی دستی تیر فولادی است. بارهای اعمال شده بر تیرهای فولادی دارای انواع مختلفی هستند که در ادامه، به معرفی هر یک از آن‌ها می‌پردازیم.

بارهای اعمال شده بر تیر بر اساس منشا بارگذاری چه هستند؟

تیر فولادی می‌تواند در معرض بارهای مختلف با منشا متفاوت (بار مرده، زنده و غیره) قرار گیرد. در ادامه، به معرفی انواع بارگذاری با توجه به منشا بار می‌پردازیم.

بار مرده اعمال شده بر روی تیر چیست؟

بار مرده، باری است که از وزن اجزای دائمی ساختمان به وجود می‌آید. مقدار بار مرده اعمال شده بر سازه، همیشه ثابت است. از بارهای مرده وارد بر تیر فولادی می‌توان به وزن دال بتنی و دیوار اشاره کرد. این بارها همیشه بر روی تیر حضور دارند و مقدار آن‌ها تغییری نمی‌کند. مطابق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، کلیه تیغه‌ها و دیوارها با وزن هر متر مربع بیش از 1 کیلونیوتن بر متر مربع، به عنوان بار مرده در نظر گرفته می‌شوند. در طراحی دستی تیر فولادی می‌توان مقدار فرضی بار مرده را 2 کیلونیوتن بر متر مربع در نظر گرفت.

بار مرده تیر فولادی
وزن دیوار و کف به عنوان بارهای مرده اعمال شده بر روی تیر فولادی

بار زنده اعمال شده بر تیر چیست؟

بار زنده، باری غیردائمی است که در حین استفاده از ساختمان به اجزای مختلف آن وارد می‌شود. مقدار بار زنده اعمال شده بر سازه متغیر است. این نوع بار به وزن وسایل و افراد حاضر بر روی سازه بستگی دارد. البته، بار حین ساخت را نیز می‌توان به عنوان یکی از انواع بارهای زنده در نظر گرفت. حداقل بار زنده برای طراحی دستی تیر فولادی باید مطابق با جدول 6-5-1 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان تعیین شود. به عنوان مثال، حداقل بار زنده اعمال شده بر ساختمان‌های مسکونی در هر اتاق برابر با 2 کیلونیوتن بر متر مربع است.

بار زنده
نمایش بارهای دائمی (مرده) و غیر دائمی (زنده) اعمال شده بر اجزای سازه

بار سقف اعمال شده بر تیر چیست؟

ماهیت بار سقف مشابه بار زنده است. اگرچه، این نوع بار معمولا به عملیات‌های ساخت و ساز یا نگهداری و تعمیرات سازه مربوط می‌شود.

بارهای دیگر اعمال شده بر تیر کدام هستند؟

بارهای دیگری نظیر برف، باد، زلزله با ارتعاش، باران، محصورشوندگی و غیره در طراحی تیر وجود دارند. در صورت اعمال هر یک از این بارها بر روی تیر، باید مقدار آن را در طراحی لحاظ کرد.

بارهای اعمال شده بر تیر بر اساس نحوه بارگذاری چه هستند؟

تیر، عضوی از سازه است که معمولا تحت نیروی برشی و گشتاور خمشی قرار می‌گیرد. در ادامه، به معرفی انواع بارهای اعمال شده بر روی تیر بر اساس نحوه بارگذاری می‌پردازیم.

بار یکنواخت چیست؟

بار یکنواخت یا بار گسترده، باری است که به صورت یکنواخت بر روی تمام بخش‌های تیر توزیع می‌شود. به عبارت دیگر، مقدار بار در تمام بخش‌ها یکسان است. بارهای یکنواخت با یکای نیرو بر واحد طول (کیلونیوتون بر متر در سیستم SI) نمایش داده می‌شوند. این بارها معمولا برای ساده‌سازی نمایش بارهای نقطه‌ای نزدیک به هم (تیرچه‌های کف و تیرهای شیروانی سقف) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بار یکنواخت
بارگذاری یکنواخت گسترده بر روی تیر

به منظور محاسبه صحیح بار یکنواخت اعمال شده بر تیر، باید سطح تاثیر تیر را در بار سطحی مناسب ضرب کرد. مطابق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، در صورتی که بار تیغه یا دیوار بین 1 تا 2 کیلونیوتن بر متر مربع باشد، بار معادل را می‌توان به صورت بار گسترده یکنواخت در نظر گرفت.

بار خطی چیست؟

بارهای خطی بسیار مشابه بارهای یکنواخت هستند. با این تفاوت که این بارها با یک مقدار ثابت نمایش داده می‌شوند. به علاوه، مقدار بارهای خطی در امتداد طول تیر تغییر می‌کند. یکای این نوع بار نیز نیرو بر طول است.

بار خطی
بار خطی گسترده اعمال شده بر روی تیر

بار نقطه ای یا بار متمرکز چیست؟

بار نقطه‌ای یا بار متمرکز، بار یاست که بر یک ناحیه بسیار کوچک اعمال می‌شود. اگر ناحیه بارگذاری نسبت به طول تیر کوچک باشد، بار اعمال شده به عنوان بار نقطه‌ای در نظر گرفته می‌شود. یکای بارهای نقطه‌ای، نیرو است.

بارگذاری نقطه ای
نمونه‌ای از یک بارگذاری نقطه‌ای

گشتاور چیست؟

گشتاور یا کوپل، باری است که باعث ایجاد دوران در محور تیر می‌شوند. یکای گشتاور، نیرو در طول است. از بین موارد معرفی شده در این بخش، بارهای یکنواخت نقش مهم‌تری در طراحی دستی تیر فولادی دارند.

ضرایب بار چه هستند؟

ضرایب بار، نسبت‌هایی هستند که به منظور مقایسه مقاومت تئوری با حداکثر بار قابل انتظار در سازه نهایی (بار واقعی) مورد استفاده قرار می‌گیرند. در تحلیل سازه، ضرایب بار با توجه به روش طراحی و برای تعیین مقاومت طراحی استفاده می‌شوند. در ادامه، روش‌های مرسوم طراحی و ضرایب بار به کار رفته در هر روش را ارائه می‌کنیم.

روش های طراحی دستی تیر فولادی کدام هستند؟

به منظور طراحی دستی تیر فولادی معمولا یکی از دو روش «طراحی حالت حدی» (Limit State Design) یا «طراحی تنش مجاز» (Allowable Stress Design) مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه، به معرفی خلاصه‌ای از اصول این روش‌ها می‌پردازیم.

طراحی حالت حدی یا طراحی ضرایب بار و مقاومت چیست؟

طراحی بر اساس حالت حدی، یکی از روش‌های طراحی در مهندسی سازه است. حالت حدی، وضعیتی است که با گذر از آن، مشخصات سازه دیگر در معیارهای طراحی صدق نمی‌کند. این وضعیت می‌تواند به میزان و نحوه بارگذاری بر روی سازه ارتباط داشته باشد؛ در حالیکه معیارهای طراحی به یکپارچگی سازه، مطابقت با کاربری، دوام و دیگر الزامات طراحی مربوط می‌شوند.

به طراحی در حالت حدی، «طراحی با ضرایب بار و مقاومت» (Load And Resistance Factor Design) یا به طور خلاصه «LRFD» نیز می‌گویند. در این روش طراحی، مقدار مقاومت مورد نیاز برای طراحی دستی تیر فولادی بر اساس ترکیبات بارگذاری مختلف محاسبه می‌شود. مطابق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (بند 6-2-3-2 در ویرایش 1398)، در طراحی به روش ضرایب بار و مقاومت، سازه‌ها، عضوها و شالوده‌های آن‌ها باید به گونه‌ای طراحی شوند که مقاومت طراحی آن‌ها، بزرگ‌تر یا برابر با اثرات ناشی از ترکیب بارهای ضریب‌دار زیر باشد:

1.4D

1.2D + 1.6L + 0.5(Lr یا S یا R)

1.2D + 1.6(Lr یا S یا R) + (0.5(1.6W) یا L)

1.2D + 1.6W + L + 0.5(Lr یا S یا R)

1.5D + E + L + 0.2S

0.9D + 1.6W

0.9D + E

  • D: بار مرده
  • L: بار زنده
  • Lr: بار زنده بام
  • S:‌بار برف
  • R: بار باران
  • W: بار باد
  • E: بار زلزله طرح

طراحی تنش مجاز چیست؟

طراحی بر اساس تنش مجاز، یکی از روش‌های طراحی سازه‌ها با توجه به بار سرویس (بهره‌برداری) است. در این روش، طراحان با استفاده از مفهوم ضریب ایمنی، از قرارگیری رفتار سازه در محدود الاستیک اطمینان حاصل می‌کنند. به کارگیری این روش، مگر در موارد خاص، با روش ضرایب بار و مقاومت جایگزین شده است. مطابق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (بند 6-2-3-3 در ویرایش 1398)، طراحی به روش‌های تنش مجاز باید با در نظر گرفتن ترکیب بارهای زیر انجام شود:

D

D + L

D + (Lr یا S یا R)

D + 0.75L + 0.75(Lr یا S یا R)

D + W

D + 0.75L + 0.75W + 0.75(Lr یا S یا L)

D + 0.7E

D + 0.75L + 0.75(0.7E) + 0.75S

0.6D + W

0.6D + 0.7E

معرفی فیلم آموزش سازه‌های فولادی

طراحی سازه های فولادی

یکی از نکات مهم در ساخت سازه‌های فولادی، طراحی عضوهای آن‌ها نظیر تیر و ستون بر اساس اصول، استانداردها و آیین‌نامه‌های موجود است. در ایران، معمولا از استانداردها و مقررات ملی نظیر مبحث دهم (طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی) و مبحث ششم (بارهای وارد بر ساختمان) این منظور استفاده می‌شود. به منظور آشنایی دانشجویان و فارغ‌التحصیلان مهندسی عمران، سازه و علاقه‌مندان به طراحی سازه‌های فولادی، فرادرس، آموزش جامعی را در قالب پنج درس به مدت 6 ساعت و 14 دقیقه تهیه کرده است.

درس یکم تا پنجم این فرادرس به ترتیب به آموزش مبانی طراحی سازه‌های فولادی (بارهای وارده بر ساختمان، استانداردها و روش‌های طراحی)، طراحی اعضای کششی (مانند بادبند)، طراحی اعضای خمشی (مانند تیر)، طراحی اعضای تحت فشار (ستون) و طراحی اتصالات می‌پردازد.

جمع‌بندی

در این مقاله، به معرفی اصول طراحی دستی تیر فولادی پرداختیم. تیرهای فولادی دارای انواع مختلف با شکل و ابعاد متنوع هستند. علاوه بر این، شرایط بارگذاری هر تیر با توجه به مشخصات و نوع کاربری آن تغییر می‌کند. از این‌رو، به منظور آشنایی بیشتر با طراحی دستی تیر فولادی با استفاده از مثال‌های کاربردی، مطالعه مطالب زیر را به شما پیشنهاد می‌کنیم:

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

حسین زبرجدی دانا (+)

«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.

بر اساس رای 1 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

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