سازه فولادی چیست؟ مراحل ساخت و نرم‌افزارهای کاربردی

سازه‌های فولادی به دلیل ویژگی‌های خاصی که دارند، استفاده گسترده‌ای در ساختمان‌ها، پل‌ها و سازه‌های صنعتی دارند. این سازه‌ها از جنس فولاد ساخته شده و به دلیل مقاومت و استحکام بالایی که دارند، می‌توانند بارهای سنگین را تحمل کنند و از این رو در ساختمان‌های بلند و پرخطر از اهمیت بسزایی برخوردارند. این سازه‌ها قابل بازیافت هستند که از جنبه‌های محیطی نیز بسیار حائز اهمیت است. به طور کلی، سازه‌های فولادی به عنوان یکی از بهترین گزینه‌ها برای ساخت‌وساز در دنیای امروز شناخته می‌شوند.

مفهوم سازه فولادی

سازه فولادی، یکی از انواع سازه‌های مهم در علم مهندسی عمران است که از فولاد به عنوان مواد اصلی برای اجرای سیستم اسکلت بندی آن استفاده می‌شود. این نوع سازه به دلیل ویژگی‌های فولاد از جمله مقاومت بالا در برابر فشار و کشش، انعطاف‌پذیری و سرعت بالا در اجرا، بسیار مناسب برای ساختمان‌های بلند، برج‌های تجاری، سوله‌های صنعتی و سازه‌های پلی است.

اسکلت فولادی به دلیل وزن سبک و قابلیت حمل‌ونقل آسان، برای پل‌های کابلی و معلق نیز بسیار مناسب است؛ بنابراین، سازه فولادی به عنوان یکی از پرکاربردترین و مؤثرترین انواع سازه‌ها در عمران شناخته می‌شود.

سیستم تیر و ستون یا سیستم قابی (اسکلت فولادی)، به عنوان یکی از متداول‌ترین سیستم‌های استفاده شده برای طراحی و اجرای سازه‌های فولادی شناخته می‌شود. این سیستم از تیرها و ستون‌های فولادی که به یکدیگر متصل شده‌اند، تشکیل شده است. تیرها به عنوان عناصر افقی عمل می‌کنند که بارهای عمودی را به ستون‌ها منتقل می‌کنند و ستون‌ها به عنوان عناصر عمودی عمل می‌کنند که بارها را به سازه‌های پایه‌ای انتقال می‌دهند.

این سیستم به دلیل سهولت و سرعت اجرا، هزینه کمتر نسبت به سایر سیستم‌ها و امکان تغییرات و اصلاحات آسان، بسیار موردتوجه است. امکان اجرای سازه‌های فولادی با سیستم‌های دیگر نیز وجود دارد، اما سیستم تیر و ستون به عنوان یکی از پرکاربردترین و بهینه‌ترین روش‌ها برای طراحی و اجرای این نوع سازه‌ها شناخته می‌شود.

مطلب پیشنهادی: سیستم پنوماتیک چیست؟

اعضای تشکیل‌دهنده در سازه‌های فولادی

اتصال تیر و ستون در سازه‌های فولادی، یکی از اجزای حیاتی است که بر عملکرد و استحکام کل سازه تأثیر می‌گذارد. در این اتصالات، تیر به ستون متصل می‌شود تا بتواند بارهای عمودی و افقی را به ستون منتقل کند. اتصالات مختلف مانند پیچ، جوش و پرچ برای ایجاد این اتصالات استفاده می‌شود که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند.

طراحی این اتصالات باید با دقت و با توجه به نوع بارهای وارده بر سازه انجام شود تا استحکام و پایداری سازه تضمین شود. به همین دلیل، انتخاب نوع اتصال، مواد استفاده شده و روش اجرای آن‌ها اهمیت زیادی دارد.

بر اساس بارهای مورد انتظار، اعضای سازه‌های فولادی به چند دستهٔ اصلی تقسیم می‌شوند: اعضای کششی، اعضای فشاری، اعضای خمشی و اعضای ترکیبی.

اعضای کششی

اعضای کششی در سازه‌های فولادی، نقش بسیار مهمی را ایفا می‌کنند. این اعضا برای تحمل و انتقال بارهای محوری کششی استفاده می‌شوند و از جمله آن‌ها می‌توان به کابل، میلگرد، پروفیل، مهاربند و خرپا اشاره کرد. این اعضا به دلیل ویژگی‌های خاص خود به عنوان اعضای کلیدی در سازه‌های فولادی مورداستفاده قرار می‌گیرند. هر کدام از این اعضا وظیفه‌های مختلفی را بر عهده دارند و با همکاری و ارتباط با سایر اعضا، سازه را به شکلی کامل و پایدار شکل می‌دهند.

اعضای فشاری

اعضای فشاری در سازه‌های فولادی نقش بسیار مهمی را ایفا می‌کنند. این اعضا، مانند ستون، پست و یال فوقانی خرپا، برای تحمل و انتقال بارهای محوری فشاری استفاده می‌شوند. اعضای فشاری باید به گونه‌ای طراحی شوند که بتوانند نیروهای فشاری را به صورت ایمن تحمل کنند و از تخریب سازه جلوگیری کنند. استفاده از المان‌های فشاری باکیفیت و استحکام مناسب، می‌تواند پایداری و ایمنی سازه‌ها را تضمین کند.

اعضای خمشی

اعضای خمشی یکی از اجزای اصلی سازه‌های فولادی هستند که وظیفه تحمل بارهای اعمال شده بر راستای محور طولی خود و انتقال این بارها به سازه دیگر را دارند. این اعضا معمولاً از المان‌هایی مانند تیر، شاه‌تیر و تیرچه تشکیل شده‌اند.

اعضای ترکیبی

اعضای ترکیبی، یکی از اجزای حیاتی در سازه‌های فولادی هستند که در معرض تأثیرات چندین نوع بار قرار می‌گیرند. این اعضا ممکن است با بارهای کششی، فشاری، خمشی و دیگر نیروها مواجه شوند که باعث تحمل و انتقال وزن و فشار سازه می‌شوند. به عنوان مثال، در یک پل، اعضای ترکیبی می‌توانند بارهای ترکیبی از وزن خودروها، باد و زلزله را تحمل کنند تا ایمنی و استحکام سازه تضمین شود.

طراحی سازه‌های فولادی به چه معناست؟

طراحی سازه‌های فولادی، یک فرایند حیاتی است که نیازمند دقت و دانش فنی قوی است. این فرایند شامل محاسبه بارهای مورد انتظار و تعیین ابعاد مناسب اعضای مختلف سازه برای تحمل این بارها می‌شود. از آنجایی که فولاد ساختمانی یکی از مصالح پرکاربرد برای ساخت سازه‌های مختلف است، این فرایند بسیار مهم است.

سازه‌های فولادی می‌توانند در ساختمان‌های مسکونی، پل ها، مراکز تجاری، برج ها و حتی هواپیماها استفاده شوند. با توجه به نوع سازه، شرایط بارگذاری متفاوتی وجود دارد که هر کدام نیاز به طراحی خاصی دارند، اما با رعایت استانداردهای مربوطه، می توان به طراحی صحیح و ایمنی سازه‌های فولادی دست یافت.

به عنوان مثال، هواپیماها معمولاً با بارهای پویا ناشی از برخورد با باد مواجه می‌شوند، در حالی که ساختمان‌ها اغلب با بارهای استاتیک ناشی از وزن خود و تجهیزات داخلی آن‌ها مواجه هستند. هر یک از این سازه‌ها بر اساس استانداردهای خاص خود طراحی می‌شوند.

مطلب پیشنهادی: ضریب نفوذ پذیری خاک چیست؟

اصول و استانداردهای طراحی صحیح سازه‌های فولادی

استانداردهای طراحی سازه‌های فولادی از اهمیت بسیاری برخوردارند، زیرا این استانداردها اطمینان می‌دهند که سازه‌های فولادی به درستی طراحی و اجرا شده‌اند. این استانداردها شامل مواردی مانند نیروهای استاتیک و دینامیک، تحلیل‌های سازه‌ای، نحوه اجرای اتصالات فولادی، استفاده از مواد مناسب و سایر موارد مربوط به طراحی و اجرای سازه‌های فولادی هستند. با رعایت این استانداردها، امکان ایجاد سازه‌هایی با عمر طولانی و ایمنی بالا وجود دارد که به جامعه و محیط‌زیست خدمت کنند و از لحاظ اقتصادی نیز بهینه باشند.

این استانداردها توسط نهادهای بین‌المللی معتبری مانند ANSI/AISC، ASCE، Eurocode، BS، ISO و AS تهیه و منتشر می‌شوند. هر یک از این نهادها قوانین، مقررات و راهنماهایی را برای طراحان و مهندسین فولادی ارائه می‌دهند که به آن‌ها کمک می‌کند تا سازه‌هایی باکیفیت و ایمن بسازند.

مبحث ششم مقررات ملی ساختمان که در مورد بارهای وارد بر ساختمان صحبت می‌کند، به مهندسان کمک می‌کند تا بتوانند بارهای مختلف را به درستی در نظر بگیرند و ساختمان‌هایی با استحکام مناسب طراحی کنند. همچنین، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان که درباره طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی است، به مهندسان کمک می‌کند تا با استفاده از استانداردهای مناسب، ساختمان‌هایی ایمن و مقاوم را ایجاد کنند. استفاده از استاندارد ۲۸۰۰ که درباره آیین‌نامه ایمنی ساختمان‌ها در برابر زلزله است نیز، به مهندسان کمک می‌کند تا ساختمان‌هایی را طراحی کنند که در مواقع بحرانی همچون زلزله، ایمنی ساکنان را تضمین کند.

انجام مراحل طراحی سازه‌های فولادی

در طراحی سازه‌های فولادی، دو روش اصلی برای محاسبه و طراحی استفاده می‌شود. این روش‌ها، طراحی بر اساس تنش مجاز/مقاومت مجاز یا طراحی با ضرایب بار و مقاومت است.

روش طراحی تنش مجاز یا ASD در طراحی سازه‌های فولادی از ضریب ایمنی به منظور تعیین حاشیه اطمینان استفاده می‌کند. این روش، بر اساس اعمال تنش‌های مجاز برای مواد سازه و ترکیبات مختلف استوار است. در واقع، طراحی تنش مجاز معمولاً بر اساس تحمل تنش‌های فولادی تعیین شده توسط استانداردهای ملی و بین‌المللی انجام می‌شود. این روش به طراحان اجازه می‌دهد تا با استفاده از تنش‌های مجاز، سازه‌هایی با ایمنی و عملکرد مطلوب ایجاد کنند. در نهایت، عبور تنش‌ها از حد الاستیک، نشان‌دهنده قرارگیری سازه در حالت ایمن و استوار است.

روش طراحی مقاومت مجاز یا ASD، به عنوان یک روش جایگزین برای طراحی تنش مجاز در سازه‌های فولادی مورداستفاده قرار می‌گیرد. این روش، توسط استاندارد AISC در ویرایش چهاردهم معرفی شده است و به جای روش قدیمی طراحی تنش مجاز استفاده می‌شود. با این تغییر، بسیاری از سازه‌های قدیمی که به روش طراحی تنش مجاز ساخته شده بودند، نیاز به تطبیق با الزامات جدید (مخصوصاً الزامات طراحی با ضرایب بار و مقاومت) داشتند. از این رو، استاندارد AISC تصمیم گرفت تا روش طراحی مقاومت مجاز را معرفی کند. این روش از یک رویکرد مشابه تعیین ضریب ایمنی برای ارزیابی مقاومت مجاز سازه استفاده می‌کند و باعث بهبود کیفیت و ایمنی سازه‌های فولادی می‌شود.

در طراحی به روش مقاومت مجاز، محاسبه مقاومت نهایی المان‌ها و عناصر سازه بدون درنظرگرفتن نحوه تعیین ترکیبات بارگذاری (ASD یا LRFD) صورت می‌گیرد. ابتدا مقاومت نهایی به روش قدیمی محاسبه می‌شود و سپس با استفاده از ضریب‌هایی مانند امگا، مقاومت نهایی کاهش می‌یابد و با ترکیبات بارگذاری ASD مقایسه می‌شود. این روش باعث به‌دست‌آوردن یک فرمول ریاضی مشابه به فرمول روش تنش مجاز می‌شود، اما مهم‌ترین تفاوت این دو روش در این است که در طراحی به روش مقاومت مجاز، ظرفیت سازه بدون توجه به سطوح الاستیک مورد بررسی قرار می‌گیرد، در حالی که در روش تنش مجاز، تغییر شکل‌های الاستیک نیز در نظر گرفته می‌شود. این تفاوت‌ها نشان از تفاوت فلسفی و فرایندی این دو روش دارد.

رویکرد LRFD در طراحی سازه‌های فولادی از ضرایب بار و مقاومت برای اطمینان از ایمنی و عملکرد بهتر در شرایط حدی استفاده می‌کند. در این رویکرد، ضرایب ایمنی برای بارها و مقاومت‌ها در نظر گرفته می‌شوند تا از احتمال وقوع حوادث ناخواسته جلوگیری شود. این ضرایب ایمنی بر اساس عواملی نظیر عدم اطمینان در تخمین بارها و تغییرات در مشخصات مصالح و ابعاد مقطع تعیین می‌شوند. به این ترتیب، طراحان سازه می‌توانند با استفاده از روش LRFD، سازه‌هایی باکیفیت بالا و ایمنی مناسب را طراحی کنند که با شرایط حدی مقاومت کنند و عملکرد بهینه داشته باشند.

بهترین نرم‌افزارها برای طراحی سازه‌های فولادی

امروزه نرم‌افزارهای مهندسی سازه، نقش بسیار حیاتی در فرایندهای طراحی و مدل‌سازی سازه‌های فولادی دارند. این نرم‌افزارها به دلیل قابلیت‌های متنوع و پیشرفته‌ای که دارند، به طور گسترده‌ای در صنعت ساخت‌وساز استفاده می‌شوند. کتیا، یکی از محبوب‌ترین نرم‌افزارهای مهندسی سازه است که قابلیت مدل‌سازی انواع پروفیل‌ها را دارد.

تکلا استراکچرز و نرم‌افزار رویت نیز ابزارهای متنوعی برای مدل‌سازی و تحلیل سازه‌ها در اختیار کاربران خود قرار می‌دهد. این نرم‌افزارها به طراحان و مهندسان اجازه می‌دهند تا به وسیله آن‌ها به راحتی و با دقت بالا سازه‌های فولادی پیچیده را طراحی و مدل‌سازی کنند.

یادگیری رویت با کمترین هزینه

جمع‌بندی

سازه‌های فولادی از جمله سازه‌های محبوب در صنعت ساخت‌وساز به شمار می‌روند. این سازه‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، مانند سبکی، قدرت بالا، انعطاف‌پذیری و زمان کوتاه ساخت، همواره توجه سازندگان را به خود جلب کرده‌اند. فولاد به عنوان یکی از مواد ساختمانی پرکاربرد، دارای خصوصیاتی است که آن را از سایر مواد متمایز می‌کند. این خصوصیات شامل مقاومت بالا، انعطاف‌پذیری، قابلیت ساختاردهی و پایداری است. تحقیقات نشان داده‌اند که سازه‌های فولادی در مقایسه با سازه‌های بتنی، دارای وزن کمتر و زمان ساخت کمتری هستند، اما انتخاب بین سازه‌های فولادی و بتنی به شرایط محیطی، مالی، زمانی و تکنیکی مربوط می‌شود و هرکدام مزایا و معایب خود را دارند.