طراحی سازه های فولادی

طراحی سازه های فولادی :

طراحی سازه های فولادی همیشه یک راه حل دارد! در ۱۹ دسامبر سال ۲۰۱۸ بود که در مسکو روسیه کنفرانسی تحت عنوان موارد مورد نیار هر مهندس عمران برای طراحی سازه های فولادی در سال ۲۰۱۹ برگذار شد.اسپانسر این سمینار ۱۵۰۰ نفری شرکت Mostotrest (یکی از برترین شرکت های عمرانی در روسیه) و اولین سخنران این سمینار پروفسور Nirjhar Dhang بودند.

اولین جمله ای که تمامی ما مهندسان عمران در این سمینار شنیدیم ، جمله “The Steel always have solution” بود و منظور از این جمله این میباشد که در طراحی سازه های فولادی همیشه یک راه‌حل میباشد.

تاکنون سازه های بسیاری در سرتاسر دنیا طراحی شده اند.طبق آمار تقریبی از دپارتمان مهندسی عمران دانشگاه هاروارد ، در کل جهان تنها ۳۵ درصد از سازه ها فولادی و ۶۰ در صد بتنی و تنها ۵ درصد سازه های متفرقه میباشد اما از میان سازه های خاص ( برج های بلند ، استادیوم های ورزشی ، مخازن آب ، سالن های چند صد هزار نفری و…) ۷۰ درصد فولادی و تنها ۳۰ درصد بتنی میباشد.

گزینه های روی میز طراحی :

طراحی سازه های فولادی تنها یکی از گزینه های روی میز هر مهندس عمران میباشد.ما در شهر نوین عمران ومعماری موارد پیش روی خود برای طراحی را به چهار گزینه تقسیم میکنیم.

• سازه‌های بتنی (Concrete Structures)
• سازه‌های فولادی (Steel Structures)
• مواد کاپموزیتی (Carbon fiber reinforced carbon composite)
• سازه‌های متفرقه  (Other Structures)

در این مقاله تنها قصد داریم تا در مورد  طراحی سازه‌های فولادی صحبت کنیم.

 

 

 

طراحی سازه های فولادی :

طراحی سازه های فولادی و در مقیاس جامع‌تر معنا پیدا کردن سازه فولادی دقیقا همزمان با استفاده از ریل های آهنی در حدود سال‌های ۱۸۰۰ میلادی میباشد.در سال ۱۸۵۵با نوآوری آقای هنری بسمر (Sir Henry Bessemer) در کشور انگلیس تولیدات سازه‌های فولادی افزایش یافت و با سروع جنگ جهانی در سال ۱۹۳۹ آلمانی ها ،مصرف این فولاد ها را به اوج رساندند.

پس از پایان یافتن جنگ جهانی دوم و پیشرفت فضای صنعتی آن زمان ، قیمت فولاد به شدت کاهش یافت و از اینجا بود که فولادی ساختمانی وارد زندگی ما مهندسان عمران شد.پس از آزمایش های گسترده بر روی فولادی ساختمانی در کشورهای کانادا ، ژاپن ، آمریکا محققین به این نکته دست پیدا کردند که استفاده از فولاد و طراحی سازه های فولادی نه تنها بد نیست بلکه در اکثر مواقع نسبت به سازه های بتنی عملکرد بهتری را دارد.

دقیقا به دلیل همین اهمیت طراحی لرزه ای سازه های فولادی بود که در شهر نوین عمران ومعماری ما تصمیم گرفتیم تا یک بانک اطلاعاتی کامل از مطالب مربوط به سازه های فولادی تدارک ببینیم و به رایگان در خدمت جامعه مهندسی بگذاریم.

 

تاریخچه طراحی سازه های فولادی :

به طور کلی برای ما انسان ها ۳ نوع آهن شناخته شده است:

• آهن فرفوژه

آهن فرفوژه که برای آهنگران نامی آشنا دارد در دوره ویکتوریا به عنوان یک مصالح ساختمانی شناخته میشد اما امروزه برای ما تنها کاربرد های زینتی دارد.

• چدن

چدن سخت و قوی ، اما در عین حال شکننده بود و بیشتر در کشا.رزی و ساخت وسایل پخت و پز کاربرد داشت.

• فولاد

فولاد برای ما مهندسان عمران معنایی جدید داشت و این ماده سبک جدیدی از طراحی ، به نام طراحی سازه های فولادی را به ما مهندسان عمران اعطا کرد.سازه های فولادی نوعی ساختار خلق شده به دست بشر میباشد که جنس مواد و مصالحی اصلی آن که برای تحمل بارها و انتقال بارها در آن به کار میرود عمدتا از فولاد میباشد.

طراحی سازه های فولادی و استفاده از فلز برای اولین بار به یک پل قوسی شکل در انگلستان با دهانه ی ۳۰ متر و با استفاده از عناصر چدنی در سال های ۱۷۷۷ تا ۱۷۹۰ برمیگردد و در این سال ها بود که استفاده از چدن برای ساخت پل های قوسی شکل با دهانه های متفاوت رایج شد.

 

 

پس از آن به تدریج آهن کم کربن (چکش خوار) جایگزین چدن معمولی شد واستفاده از این مصالح ساختمانی در پل ها ، ساختمان ها و ریل های راه آهن گسترش یافت. از معروف ترین سازه های این دوران میتوانیم به پل چهار دهانه بریتانیا اشاره کنیم.

پس از استفاده های اولیه از فولاد در ریل های راه‌آهن ، در سال ۱۸۵۵ بود که آقای هنری بسمر (Sir Henry Bessemer) در کشور انگلستان ، امکان تولید فولاد به استحکام کششی مناسب را فراهم کرد.علم بشر مدام در حال پیشرفت بود تا اینکه به سال ۱۸۷۹ رسیدیم و ، سیدنی توماس روشی را به جامعه معرفی کرد که بتوان فسفر اضافه را از فولاد جدا کرد و نتیجه این امر افزایش کیفیت و در عین حال ارزانتر تمام شدن فولاد ها بود.

با کیفیت تر شدن و ارزانتر تمام شدن فولاد دو بازوی بسیار قوی بودند که در نهایت به رواج فولاد و طراحی سازه های فولادی در سطح بین‌المللی کمک کرد.در کنار این مسائل ، آتش سوزی بزرگی که در سال ۱۸۷۱ در شیکاگو آمریکا رخ داد و موجب از بین رفتن هزاران خانه چوبی شده بود ، کمک کرد تا نظام مهندسی کشور آمریکا قانون استفاده از مصالح مقاوم در برابر آتشسوزی را امضا کند و به طراحی سازه های فولادی جانی جدید بخشید.

میتوان گفت که ساختمان بیمه در شیکاگو (insurance building in chicago) اولین سازه فولادی طراحی شده به همراه بتن مسلح در سطح جهانی بود.که در سال ۱۸۸۵ طراحی شد اما پس از اتمام این ساختمان ۱۰ طبقه زمانی که ناظران دولتی از وزن بسیار بالا این ساختمان با خبر شدند ، دستور تخریب آن را در سال ۱۹۳۱ دادند.

 

 

پس از آن باید نام برج ایفل را نیز به عنوان یک سازه فولادی در نظر گرفت که در سال ۱۸۸۹ ، اجرای آن تمام شد.

اما اینبار نوبت به  بورنهام و روت پیشکسوت علم طراحی سازه های فولادی رسید و ساختمان رند مک نبالی را در سال ۱۸۹۰ در شیکاگو ، با استفاده از قاب خمشی فولادی طراحی کرد.

علم بشر مدام در حال پیشرفت بود تا اینکه در سال ۱۹۱۳ با طراحی برج ۶۰ طبقه وولورث (Woolworth Building) در نیویورک که مدتی بلند ترین ساختمان جهان بود ، فولاد به صورت رسمی سلامی به آسمان خراش های جهان کرد و وارد دوره ای حرفه ای طراحی سازه های فولادی شد.

اما آشنا شدن با تاریخچه ساختمان های فولادی در ایران هم خالی از لطف نیست. در سال ۱۳۴۰ بود که نخستین بنای بلند مرتبه دارای اسکلت فولادی در چهار راه استانبول تهران رقم خورد.این ساختمان ۱۶ طبقه که در سال های ۱۳۳۹ تا ۱۳۴۰ توسط مهندسین خارجی طراحی و اجرا شد ، شروع علم بزرگی  به نام طراحی سازه های فولادی در ایران میباشد.

دو سال بعد ساختمان تجاری آلومینیم نیز با اسکلت فلزی در خیابان جمهوری ، با سرمایه مالک ساختمان پلاسکو ساخته شد.

 

مقدمه طراحی سازه های فولادی:

سازه های فولادی به سه گروه اساسی طبقه بندی میشوند :

1. سازه های قاب بندی شده
2. سازه های پوسته ای
3. سازه های معلق

اکثر ساختمان های متداول دارای اسکلت قاب بندی شده میباشند.سازه های قاب بندی شده ترکیبی از تیرها و ستون ها میباشند که با استفاده از انواع اتصالات (صلب و یا ساده) به هم متصل میشوند.اگر یک مقدار بیشتر بررسی کنیم متوجه میشویم که قاب های فضایی که ما در طراحی سازه های فولادی استفاده میکنیم در واقع از دو قاب عمود بر هم تشکیل میشود که عملکرد هر قاب در هر جهت به عملکرد قاب دیگر مربوط نمیشود.بنابراین تحلیل قاب ها در هر امتداد به صورت مستقل انجام میشود.

سازه های پوسته ای همانند مخازن آب هوایی و یا پوسته های گوناگون میباشد که برای نگهداری مایعات و نخاله های صنعتی به کار میرود.بر خلاف سازه های قاب بندی شده ، سازه های پوسته ای را باید به صورت یک سازه کلی در نظر گرفت و آن را تحلیل کرد.

از سازه های معلق نیز درنیز در پوشش ها (سقف ها ) و پل های دهانه های بلند ، استفاده میشود.

 

مشخصات فولاد ساختمانی :

در هنگام طراحی سازه های فولادی ، مشخصات فولادی که از آن در مقاطع استقاده میکنیم برای ما مهندسان بسیار مهم و حائز اهمیت میباشد.بههمیندلیل آزمایش های بسیاری را روی فولاد انجام میدهند تا به مخصات درونی فولاد ها پی ببرند.

یکی از آزمایش های مهمی که ما مهندسان عمران در آزمایشگاه ها انجام میدهیم آزمایش مقاومت کششی میباشد.به صورتی که همانند شکل مزیر یک قطعه فولادی با ابعاد مشخص را دردرون جک ها فرار میدهیم و به گونه ای این کار را انجام میدهیم که قطعه فولادی در درون فک های جک قفل شود و سپس دو فک نیرویی مخالف جهت همدیگر به صورت کششی به قطعه فولادی اعمال میکند.همانطور که در تصویر زیز مشاهده میکنید دو قطعه گیج هم به بدنه فولاد متصل میشود تا تغییرشکل فولاد قابل محاسبه باشد.پس از آن کرنش حاصل از این تغییر شکل ها را تنش وارده به فولاد در هم میآمیزیم و نمودار تنش و کرنش (strain and stress diagram) را ترسیم میکنیم که این نمودار از ارکان مهم طراحی سازه های فولادی میباشد.

 

توضیح قسمت های نمودار :

ناحیه خطی (ناحیه الاستیک) : ناحیه ی ابتدایی نمودار که در آن ارتباط تنش – کرنش به صورت خطی مباشد ، ناحیه خطی و یا الاستیک نامیده شده و ارتباط تنش – کرنش با رابطه زیر مشخص میشود که به آن قانون هوک میگویند.در این رابطه پارامتر E برابر  ضریب الاستیسیته میباشد که معمولا برای تمامی فولاد ها برابر ۲۰۰ گیگا پاسکال میباشد.

 

تنش تسلیم و یا جاری شدن : تنش متناظر با نقطه ای که نمودار به حالت افقی در میآید ، به تنش جاری شدن و یا تنش تسلیم و یا YieldStress معروف میباشد.معمولا برای فولاد های کربن دار و پر مقاومت کم آلیاژ ، پله تسلیم به خوبی مشخص بوده وتقریبا منطبق بر حد خطی میباشد اما در فولاد های آبدیده  این پله پرش به خوبی مشخص نمیباشد .البته در قسمت نکات مربوط به این نمودار مهم جهت طراحی سازه های فولادی ، نکته ای را بیان کردیم که این مشکل را برطرف میکند.

 

ناحبه خمیری (پلاستیک) : در نمودار فوق ، خطوط مربوط به فولاد های نرمه وپرمقاومت کم آلیاژ ، بعد از تنش تسلیم ناحبه ای تقریبا مسطح و افقی وجود دارد که طول آن در حدود ۱۵ تا ۲۰ برابر کرنش نظیر ناحیه الاستیک میباشد.به این ناحیه ، محدوده خمیری (پلاستیک) میگویند و این ناحیه در طراحی سازه های فولادی از خواص آن در طراحی پلاستیک بسیار استفاده میشود.

لازم به ذکر است که در خطوط مربوط به فولاد خشکه این ناحیه وجود ندارد و برای همین میباشد که تاکنون اجازه تحلیل پلاستیک له این گونه فولاد ها داده نشده است.

سخت شدگی مجدد : پس از ناحیه پلاستیک ناحیه ای وجود دارد که تنش مجددا با افزایش کرنش ازدیاد پیدا میکند ، لیکن با شیب به مراتب بسیار کمتر از ناحیه الاستیک. به این ناحیه در علم طراحی سازه های فولادی ناحیه سخت شدگی و یا Strain Hardening میگویند.

 

اما این نمودار بدست آمده دارای نکات فوق‌العاده مهمی میباشد که در زیر به عنوان نکته خدمت شما عرض کرده ایم:

1. نمودار مقابل مربوط به سه نوع فولاد متفاوت با نام های (A36 , A572 , A852) میباشد.اما صرفنظراز نام فولاد ها و تفاوت آن ها در مقدار کربنی که درآن ها وجود دارد ، میتوان نمودار های مقابل را برای کلیه فولاد ها در نظر گرفت.
2. سیر نموداری تمامی فولاد ها اکثرا تا یک جایی خطی هستند و به اصطلاح به این ناحیه ، الاستیک میگویند.این نکته، این معنی را میدهد  که ارتباط بین تنش و کرنش در ناحیه الاستیک ، خطی است.
3. در مرحله بعد فولاد تسلیم میشود و اصطلاح کش میآید.در این حالت مقطع فولادی ما به تنش تسلیم خود میرسد که با نماد Fy آن را نشان میدهد و میتوان گفت که این نقطه و یا تنش تسلیم ، پارامتری بسیار مهم در طراحی سازه های فولادی  میباشد.
4. در مرحله بعدی تنش مقطع فولادی اهش مییابد اما دانستن این نکته بسبار ضروری است که دلیل این کاهش تنش کاهش مقاومت اسمی نیست بلکه کاهش سطح مقطع ، مقطع فولادی میباشد.