انتخاب مواد اولیه مناسب برای پروژه های ساختمانی بسیار مهم است. مزایای سازه فولادی چه هستند؟ فولاد یکی از مواد همه کاره است که می توان از آن برای سازه های ساختمانی استفاده کرد. سازه های فولادی مزایا و معایبی دارد که سازندگان و پیمانکاران باید در نظر داشته باشند. در ادامه بخوانید تا بدانید چرا از فولاد در ساخت و ساز استفاده می شود، مزایا(مزایای سازه فولادی؟) و معایب آن و نحوه انتخاب نوع فولاد مناسب برای سازه ها.
پل‌ها، سدها، آپارتمان‌های بلند، تونل‌ها – به اطراف خود نگاه می‌کنید و سازه‌های فولادی مختلفی را در اطراف خود خواهید دید. فولاد یک ماده همه کاره و یک ماده خام رایج در پروژه های ساختمانی و زیرساختی است. چندین مزایا و معایب سازه های فولادی وجود دارد که دانستن انواع مختلف فولاد موجود در بازار، ویژگی ها و کاربردهای آن را برای اطمینان از اینکه هنگام استفاده از فولاد برای ساخت سازه ها به درستی از مزایای آن استفاده می شود، مهم می سازد.
مزیت سازه های فولادی آنها را به یکی از متداول‌ترین گزینه‌های مهندسان و پیمانکاران در قرن اخیر تبدیل کرده است. در این بخش، به معرفی بهترین ویژگی‌های سازه فولادی می‌پردازیم.
قابل اطمینان
سازه های فولادی، به دلیل پیوستگی و همگن بودن مشخصات مکانیکی، کنترل کیفیت خوب در حین تولید، الاستیسیته بالا و شکل‌پذیری مناسب، از قابلیت اطمینان بالایی بهره می‌برند. در اغلب موارد، اختلاف بین نتایج آزمون‌های آزمایشگاهی و برجا بر روی عضوهای سازه فولادی بسیار کمتر از عضوهای سازه بتنی است. به همین دلیل، طراحی و تحلیل سازه فولادی با اطمینان بالاتری انجام می‌شود.
مقاومت و دوام
اعضای ساخته شده توسط فولاد ساختمانی از استحکام بالاتر و وزن پایین‌تری نسبت به اعضای بتنی یا چوبی باربر بهره می‌برند. پروفیل‌های فولادی، بین 30 تا 50 درصد نسبت به عضوهای چوبی با ظرفیت باربری مشابه سبک‌تر هستند. دوام و عمر مفید فولاد ساختمانی در شرایط بارگذاری بالا یا وضعیت آب و هوایی بد نظیر زلزله، بادهای شدید، طوفان و برف‌های سنگین بیشتر است. علاوه بر این، فولاد ساختمانی زنگ نمی‌زند و نسبت به سازه‌های بتن آرمه، مقاومت بیشتری در برابر آتش دارد.
تولید صنعتی
تولید پروفیل‌های فولادی در کارخانه انجام می‌گیرد. گاهی اوقات، سر هم کردن برخی از عضوهای سازه فولادی نیز در کارخانه انجام می‌شود. این فرآیند، خطای انسانی را کاهش داده و سرعت اجرای سازه را افزایش می‌دهد.
وزن سازه
هنگام مقایسه فولاد با مواد دیگری نظیر چوب یا بتن، وزن فولاد به دلیل چگالی بالا، بیشتر خواهد بود. با این وجود، طراحی اسکلت فولادی به گونه‌ای است که باعث سبک‌تر شدن سازه نسبت به اسکلت‌های چوبی یا بتنی مشابه می‌شود.
معماری
انعطافپذیری فولاد، دست مهندس معمار را برای عملی کردن طراحی‌های منحصر به فرد باز می‌گذارد. اجرای سازه فولادی گزینه مناسبی برای بهره‌مندی از کاربری مورد نیاز به همراه معماری مورد نظر با دهانه‌های بلند است. انعطافپذیری در اجرای دهانه، نورپردازی، ایجاد شکل‌های منحنی، گزینه‌های متنوع برای پوشش‌دهی و غیره از جنبه‌های مثبت سازه های فولادی از منظر معماری هستند.
سازگاری بالا
با توجه به استفاده از اتصالات پیچی در اکثر سازه های فولادی، تغییر پیکربندی المان‌ها برای تغییر کاربری سازه آسان می‌شود. مشخص بودن مسیر بارگذاری، امکان تقویت سازه و پایین بودن وزن، امکان توسعه سازه (افزودن طبقات بیشتر در آینده) را فراهم می‌کند. علاوه بر این، به دلیل دهانه‌های بلند سازه های فولادی، استفاده حداکثری از فضای داخلی یا تغییر فضاهای داخلی بدون تغییر کلی سازه (حداقل تغییر ممکن) را در پی دارد.
مزایای دیگر
سازه های فولادی با توجه به مصالح مورد استفاده و روش اجرا می‌توانند مزایای بیشتری را به همراه داشته باشند. مزایای دیگر این سازه‌ها عبارت هستند از:
- نصب ساده و سرعت اجرای بالا
- ابعاد متنوع
- مقاومت در برابر حشرات
- مقاومت در برابر آتش
- مقاومت در برابر رطوبت و عوامل جوی
- صرفه اقتصادی
- راندمان بالای انرژی
- کیفیت ساخت بالا
- امکان اجرای سازه‌های موقت
- ایمن و مقاوم
- سازگار با محیط زیست
معایب سازه فولادی چه هستند؟
سازه های فولادی نیز مانند تمام سازه‌های دیگر عاری از اشکال نیستند. با توجه به نوع پروژه، مقیاس آن، شرایط محیطی و پارامترهای دیگر، انتخاب این سازه‌ها می‌تواند همراه با محدودیت‌های متعدد باشد. از اصلی‌ترین محدودیت‌های سازه فولادی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- نیاز به نگهداری زیاد
- هزینه اولیه بالا
- احتمال رخ دادن کمانش
- شکست ناشی از خستگی
- نیاز به پوشش ضد آتش
- آسیب پذیری در دمای بالا
طراحی سازه فولادی چیست و چگونه انجام می‌شود؟
طراحی سازه های فولادی یکی از حوزه‌های مهم در مهندسی سازه است. اصول این حوزه به منظور طراحی و ساخت سازه‌هایی نظیر مدرسه، خانه، پل، مرکز تجاری، برج، هواپیما، کشتی و مجموعه‌های ورزشی مورد استفاده قرار می‌گیرند. متداول‌ترین سیستم اجرای این سازه‌ها استفاده از قاب یا اسکلت فولادی است. در این بخش، به معرفی خلاصه‌ای از اصول طراحی اعضای سازه‌های فولادی می‌پردازیم. در انتهای بخش نیز، برخی از پرکاربردترین نرم افزارهای این حوزه را معرفی می‌کنیم.
استاندارد سازه فولادی چیست؟
استاندارد سازه فولادی، مرجعی است که مهندسان و طراحان با استفاده از آن، اقدام به طراحی و اجرای سازه‌ها و عضوهای فولادی می‌کنند. به منظور شروع طراحی و اجرا، ابتدا باید با دستورالعمل‌های موجود را تهیه کرد و بر اساس آنها پیش رفت. استاندادرهای بین‌المللی و ملی متعددی برای طراحی سازه‌های فولادی وجود دارند. در ایران، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی)، به عنوان مبنای طراحی عضوهای ساختمان اسکلت فولادی در نظر گرفته می‌شود. از استانداردهای بین‌المللی طراحی سازه های فولادی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- BS EN 1993:2006 – Eurocode 3: استاندارد اروپا با عنوان «طراحی سازه های فولادی» (Design of Steel Structures)
- AISC 360: استاندارد آمریکا با عنوان «مشخصات ساختمان های فولادی» (Specification for Structural Steel Buildings)
- ISO 10721: استاندارد بین المللی در دو بخش با عنوان‌های «مواد و طراحی» (Materials and Design) و «تولید و برپایی» (Fabrication and Erection)
- AS 4100: استاندارد استرالیا با عنوان «سازه های فولادی» (Steel Structures)
علاوه بر استانداردهای بالا، مشخصات پروفیل‌های ساختمانی در استانداردهای مختلف بر اساس مواد سازنده و روش تولید (نورد سرد یا گرم) نیز ارائه می‌شوند. نمونه‌هایی از این استانداردها عبارت هستند از:
- EN 10025: مجموعه استاندارهای پروفیل‌های فولاد ساختمانی نورد گرم
- ASTM A36: استاندارد ورق و پروفیل‌های ساختمانی از جنس فولاد کربنی
تقسیم بندی مقاطع برای طراحی سازه فولادی
به منظور طراحی اعضای سازه های فولادی، پروفیل ساختمانی از نظر کمانش موضعی برای فشار محوری و کمانش موضعی برای خمش مورد بررسی قرار می‌گیرد. برای فشار محوری، عضو کششی را می‌توان به دو نوع لاغر و غیر لاغر تقسیم‌بندی کرد. بررسی لاغری اعضای کششی مطابق با جدول 10-2-2-1 و 10-2-2-2 مبحث دهم (1392) انجام می‌گیرد. بر این اساس، اگر نسبت پهنا به ضخامت (b/t) از λr�r بیشتر باشد، مقطع با اجرای لاغر محسوب می‌گردد. برای خمش، عضو کششی به سه گروه مقاطع فشرده، غیر فشرده و با اجزای لاغز تقسیم می‌شود. بر اساس جداول 10-2-2-3 و 10-2-2-4 مبحث دهم (1392) داریم:
- مقاطع فشرده: اتصال بال‌ها به طور سرتاسری و پیوسته به جان/جان‌ها و کوچکتر بودن نسبت پهنا به ضخامت از λp�p
- مقاطع غیر فشرده: بزرگتر بودن نسبت پهنا به ضخامت از λp�p برای یک یا چند جز فشاری از مقطع عضو و کوچکتر بودن نسبت پهنا به ضخامت از λr�r
- مقاطع با اجرای لاغر: بزرگتر بودن نسبت پهنا به ضخامت از λr�r برای حداقل یک جز فشاری از مقطع عضو
نکته: به طور کلی، استفاده از اجرای فشاری لاغر در اعضایی تحت تنش فشاری ناشی از خمش مجاز نیست.
طراحی اعضای کششی سازه فولادی
طراحی اعضای کششی سازه فولادی بر اساس سطح مقطع خالص موثر و نوع اتصالات انجام می‌گیرد. در این اعضا، مقاومت به عنوان معیار طراحی در نظر گرفته می‌شود. کنترل معیار لاغری، صرفا بخاطر فراهم کردن شرایط بهره برداری مناسب انجام می‌گیرد. به طور کلی، حداکثر ضریب لاغری اعضای کششی نباید از 300 تجاوز کند. طراحی اعضای کششی باید به گونه‌ای باشد که عضو و اتصالات آن فقط تحت کشش قرار گیرند و خمشی بر آنها اعمال نشود.
سطح مقطع خالص موثر
مطابق با بند 10-2-3-3 مبحث دهم (92)، سطح مقطع خالص موثر برای اعضای کششی با اتصالات و وصله‌های پیچی به صورت زیر محاسبه می‌شود:
Ae=UAn��=���
برای اتصالات و وصله‌های جوشی داریم:
Ae=UAg��=���
و برای ورق‌های وصله‌های پیچی نیز رابطه زیر مورد استفاده قرار می‌گیرد:
Ae=An≤0.85Ag��=��≤0.85��
در روابط بالا:
- Ae: سطح مقطع خالص موثر عضو
- U: ضریب تاخیر برش (مطابق با جدول 10-2-3-1 مبحث دهم، ویرایش 1392)
- Ag: سطح مقطع کلی عضو
- An: سطح مقطع خالص عضو
مقاومت کششی
بر اساس بند 10-2-3-4 مبحث دهم (1392)، مقاومت کششی طراحی ($$\phi_{t} P_{n} \$$) در اعضای تحت کشش باید برابر کوچک‌ترین مقدار محاسبه شده بر اساس حالت‌های حدی تسلیم کششی در مقطع کلی، مقطع خالص و مقطع خالص موثر باشد. برای تسلیم کششی در مقطع کلی عضو داریم:
Pn=FyAg��=����
و
ϕt=0.9 ��=0.9
گسیختگی کششی در مقطع خالص عضو، به صورت زیر محاسبه می‌شود:
Pn=FuAn��=����
و
ϕt=0.75 ��=0.75
گسیختگی کششی در مقطع خالص موثر عضو نیز برابر است با:
Pn=FuAe��=����
و
ϕt=0.75 ��=0.75
در روابط بالا:
- Pn: مقاومت کششی اسمی عضو
- ϕc��: ضریب کاهش مقاومت
- Fy: تنش تسلیم فولاد
- Fu: تنش کششی نهایی فولاد
- Ag: سطح مقطع کلی عضو
- An: سطح مقطع خالص عضو
روابط و محدودیت‌های محاسبه مقاومت کششی اعضای کششی دارای تسمه لولا شده با مغزی و تسمه سر پهن در بندهای 10-2-3-6 و 10-2-3-7 مبحث دهم (1392) آورده شده‌اند.
مزایای سازه های فولادی
اجازه دهید با نگاهی به مزایای سازه های فولادی شروع کنیم. در زندگی شخصی خود، اگر از ظروف استیل (مانند کارد و چنگال استیل) استفاده کرده اید، می توانید با برخی از ویژگی های فولاد ارتباط برقرار کنید.
دوام: یکی از مزیت‌ترین ویژگی‌های فولاد استحکام و دوام است. فولاد در مقایسه با سایر مواد، توانایی بهتری در مقاومت در برابر بلایای طبیعی مانند طوفان و زلزله دارد. همچنین به دلیل دوام آن شناخته شده است و با نگهداری کمی می تواند بیش از 30 سال دوام بیاورد.
سبک وزن: اگر تیرهای I ساخته شده از فولاد برای قاب بندی استفاده شود با مقدار مشابهی از چوب استفاده شده برای همان هدف مقایسه شود، فولاد سبک تر از چوب خواهد بود. طراحی I-beam آنها را از نظر ساختاری سالم و سبک تر از بسیاری از مواد مورد استفاده برای قاب بندی می کند. علاوه بر این، حمل و نقل آن نیز آسان است. به راحتی می توان آن را با جرثقیل بلند کرد. این باعث می شود که به معنای واقعی یک ماده همه کاره باشد.
مقرون به صرفه: فولاد در طولانی مدت یک ماده مقرون به صرفه است. هزینه اولیه آن ممکن است بالاتر از سایر مصالح ساختمانی باشد، اما در طولانی مدت انتخاب مقرون به صرفه ای است. از این رو، به طور گسترده ای برای پروژه های ساختمانی انتخاب می شود.
انعطاف پذیری: کار با فولاد آسان است و از این رو، انعطاف پذیری را برای دستیابی به طرح های دلخواه می دهد. در نتیجه، فولاد یک انتخاب محبوب مصالح برای طراحان در صنعت ساخت و ساز است.
مقاومت در برابر آتش: ویژگی مهم دیگری که فولاد ارائه می دهد، مقاومت در برابر آتش در مقایسه با سایر مواد سنتی است. سازه های چوبی بسیار قابل احتراق هستند و می توانند به سرعت آتش بگیرند. اگرچه ممکن است خواص فولاد حرارتی تغییر کند، اقدامات اضافی مانند عملیات شیمیایی و غیره می تواند به شما در مقاوم سازی فولاد در برابر آتش کمک کند.
قابلیت بازیافت: امروزه تاکید بیشتری بر مواد سازگار با محیط زیست که شامل مواد بازیافتی و قابل بازیافت است، شده است. مزیت فولاد این است که یک ماده قابل بازیافت است و هنگامی که سازه به هر دلیلی برچیده شد، فولاد می تواند بازیافت شود و برای اهداف دیگر مورد استفاده مجدد قرار گیرد. همه این عوامل سازه های فولادی را به گزینه مطلوب در ساخت و ساز تبدیل می کند. این بدان معنا نیست که سازندگان از مواد دیگری استفاده نمی کنند – به سادگی به این معنی است که سهم و نقش فولاد در ساخت و ساز قابل توجه و متنوع است.
همه این عوامل سازه های فولادی را به گزینه مطلوب در ساخت و ساز تبدیل می کند. این بدان معنا نیست که سازندگان از مواد دیگری استفاده نمی کنند – به سادگی به این معنی است که سهم و نقش فولاد در ساخت و ساز قابل توجه و متنوع است.
معایب سازه های فولادی
ما نگاهی انداخته‌ایم به آنچه که فولاد را به یک انتخاب عالی برای ساخت و ساز تبدیل می‌کند – اجازه دهید به نکاتی که هنگام کار با فولاد باید در نظر داشته باشید نیز نگاهی بیندازیم.
هزینه اولیه: هزینه اولیه ساخت سازه های فولادی در مقایسه با RCC بسیار بیشتر است. علاوه بر این، به نیروی کار ماهر، نظارت و تجهیزات تخصصی برای جابجایی و پردازش نیاز دارد. همه اینها به هزینه اولیه اضافه می شود.
خوردگی: یکی دیگر از معایب عمده فولاد این است که یک ماده بسیار خورنده است. این باعث می شود که فولاد برای بسیاری از کاربردها مواد بی ارزش باشد. با این حال، مشکل را می توان با درمان ضد خوردگی حل کرد. اگر از فولاد در محیط بیرونی یا مناطق مرطوب استفاده شود، چنین عملیاتی به ویژه مورد نیاز است. روش دیگر، درمان اضافی می تواند بر بخش هزینه یابی نیز تأثیر بگذارد.
درمان نسوز: اگرچه فولاد در مقایسه با چوب در برابر آتش بهتر مقاوم است، اما کاملاً در برابر آتش مقاوم نیست. همانطور که قبلا ذکر شد گرمای شدید می تواند بر خواص فولاد تأثیر بگذارد و ساختار را ضعیف تر کند. در نتیجه، درمان اضافی برای مقاوم کردن آن در برابر آتش ضروری است و هزینه مواد خام را افزایش می دهد.
کمانش: این یکی دیگر از معایب فولاد است. اگر بار روی فولاد بیشتر از بار مورد انتظار باشد، فولاد به راحتی کمانش می کند. کمانش به متغیر بستگی دارد
السقيفة القياسية العراقية
سازه فولادی قابی
اجزای سازه فولادی
سازه اسکلت فولادی
طراحی سازه فولادی
پروفیل فولادی چیست
تاریخچه سازه فولادی
سازه فولادی قاب سبک
فولاد ساختمانی چیست
انواع فولاد ساختمانی
پروفیل ساختمانی چیست
اعضای خمشی سازه فولادی
اعضای کششی سازه فولادی
اعضای فشاری سازه فولادی
برپایی سازه فولادی چیست
مقایسه سازه بتنی و فولادی
علامت اختصاری پروفیل فولادی
مزایا و معایب سازه های فولادی
