کتاب رفتار سازه‌‌های سبک فولادی در برابر عوامل طبیعی

فهرست
عنوان صفحه
مقدمه 7
فصـل اول 15
معرفی سازههای سبک فولادی 15
تعریف سیستم قاب سبک فولادی 15
مصالح مورد استفاده در سازههای سرد نورد شده 16
مقاطع مورد استفاده در سازههای سرد نورد شده 16
اجزای اصلی این نوع از ساختمانها 17
اجزای تشکیلدهنده‌ی سازه‌ی اصلی 17
تاریخچه‌ی سازههای سبک فولادی 21
روشهای ساخت سازههای سبک فولادی 22
روش ساخت همانند ساخت و اجرای سازههای چوبی 22
روش ساخت پانلی 23
ساخت مدولار 24
روش‌های اجرایی ساختمانهای سبک فولادی سرد نورد شده 25
سیستمهای مقاوم در مقابل نیروهای جانبی 26
پوشش کف 28
محدودیتهای ضخامت اعضا [نشریه 612، 1392] 29
مزایای سازههای سبک فولادی 31
معایب سازههای سبک فولادی 32
مراحل اجرای سازههای سبک فولادی 32
آییننامههای طراحی سازههای سبک فولادی 33
ترکیبات بار [نشریه 612، 1392] 33
ترکیبات بار روش طراحی بر اساس مقاومت مجاز (ASD) [نشریه 612، 1392] 34
ترکیبات بار روش طراحی بر اساس ضریب بار و مقاومت (LRFD) 34
بار زلزله [ نشریه 612، 1392] 35
ملاحظات بهرهبرداری [نشریه 612، 1392] 35
تغییر مکانهای قائم 35
تغییر مکان جانبی دیوارها 36
طراحی برای تغییر مکان درازمدت 36
فصـل دوم 37
مبانی تحلیل و طراحی سازههای سرد نورد شده 37
کمانش ستونکها 37
عرض مؤثر و تنش بحرانی کمانش موضعی 37
کمانش موضعی 39
کمانش موضعی با طول موج بلند-کمانش اویلر و کمانش پیچشی-خمشی 40
تیرهای سرد نورد شده 41
کمانش اعوجاجی 41
کمانش برشی 42
لهیدگی جان 42
کمانش پیچشی جانبی 44
حالت تعامل (کمانش ترکیبی) 44
روشهای تحلیل 45
روش مقاومت مستقیم 45
روش اجزای محدود 46
روش نوار محدود 46
تئوری کلی تیر 46
فصـل سوم 47
مدلسازی، تحلیل استاتیکی و مقایسه‌ی رفتار سازههای فولادی سرد نورد شده، گرم نورد شده و سازههای بتنی در یک، سه و پنج طبقه 47
معرفی قاب فولادی سرد نورد شده‌ی مهاربندی شده با مهاربند قطری 48
مطالعات در مورد قابهای با مهاربند قطری 49
تحلیل استاتیکی معادل 51
معرفی سازه‌ی مدلسازی شده 52
طراحی پروژههای یک، سه و پنج طبقه با استفاده از نرمافزار SAP 2000 52
محاسبه بار زلزله [آیین نامه 2800] 55
ترکیبات بار 68
ملاحظات بهرهبرداری 69
طراحی ساختمان یک طبقه با استفاده از سیستمهای فولادی سرد نورد شده، فولادی گرم نورد شده و بتنی 69
طراحی ساختمان سه طبقه با استفاده از سیستمهای فولادی سرد نورد شده، فولادی گرم نورد شده و بتنی 71
طراحی ساختمان پنج طبقه با استفاده از سیستمهای سرد نورد شده، فولادی متعارف و سیستم بتنی 73
مقایسهی برش پایه‌ی سه نوع سیستم سازهای 75
مقایسهی زمان ساخت 76
نیروی باد وارد بر سیستم سبک فولادی و سیستمهای سنتی 77
مقایسهی کاهش مصالح مصرفی 80
استفاده از نتایج مدلسازی المان محدود قاب سبک فولادی در بهینهسازی و مدلسازی سازه‌ی سبک فولادی و تحلیل و بررسی مدل بهینه شده 81
مدلسازی قاب سبک فولادی یک طبقه با مهاربند لوزی دوبل 82
مدل سازی قاب سبک فولادی سه طبقه با مهاربند لوزی دوبل 83
مدلسازی قاب سبک فولادی پنج طبقه با مهاربند لوزی دوبل 85
فصـل چهارم 89
آنالیز بار کمانشی مدل المان محدود ستونکها با مقاطع مختلف 89
مراحل مختلف مدلسازی مقاطع و مشبندی و بارگذاریها 89
انتخاب المان 90
مدلسازی اعضاء 90
مشخصات مصالح 90
المانبندی و تنظیمات تحلیل 91
مرحله اول مدلسازی و بارگذاری 92
مرحله دوم مدلسازی و بارگذاری 102
مرحله سوم مدلسازی و بارگذاری 111
مرحله چهارم مدلسازی و بارگذاری 120
مرحله پنجم مدلسازی و بارگذاری 126
مرحله ششم مدلسازی و بارگذاری 133
فصـل پنجم 137
بررسی عددی رفتار لرزهای پانلهای سبک فولادی با آرایشهای مختلف مهاربندی 137
مطالعات 138
پانلهای مهاربندی شده‌ی سازه‌ی سبک فولادی 138
مراحل مختلف مدلسازی مقاطع و مشبندی و بارگذاریها 140
مشخصات مصالح 141
روش‌شناسی 142
نتایج تحلیل عددی پانلها 143
مدل اجزای محدود قاب سبک فولادی بدون مهاربند 143
مدل اجزای محدود قاب سبک فولادی با مهاربند 7 شکل 146
مدل اجزای محدود قاب سبک فولادی با مهاربند 8 شکل 148
مدل اجزای محدود قاب سبک فولادی با مهاربند ضربدری 150
مدل اجزای محدود قاب سبک فولادی با مهاربند لوزی 152
مدل اجزای محدود قاب سبک فولادی با مهاربند ضربدری دوبل 154
مدل اجزای محدود قاب سبک فولادی با مهاربند لوزی دوبل 156
فصـل ششم 159
نتیجهگیری 159
منـابع و مآخـذ 163
منابع فارسی 163
منابع غیر فارسی 165

تاریخچه‌ی سازه‌های سبک فولادی
قاب های چوبی از قرن 17 میلادی توسط مهندسان و معماران آمريکايی ابداع شده بود. در سال 1914 برای نخستین بار در انگلستان از مقاطع C شکل سرد نورد شده به نام ستونک در قاب های ساختمان استفاده شد و قاب بندی فلزی را شکل داد. اين قاب بندی آغاز تحول در قاب های ساختمانی و گسترش صنعت جديدی در ساختمان بود که با استقبال زيادی از مجامع مهندسی به ويژه در آمريکا روبرو گرديد.
تکنولوژی سازه های ساختمانی با مقاطع سرد نورد شده با داشتن مزيت های فراوان از جمله مزايای سبک بودن، سريع الاجرا بودن، مقاوم بودن، پس از کسب جايگاهش نزد مهندسان و معماران در دهة 20 میلادی در بريتانیا و به ويژه آمريکا، رفته رفته مورد بررسی های بیشتر قرار گرفت و اين امر منتهی به تشکیل تیم ويژه تحت سرپرستی پروفسور جورج وينتر از سال 1939 در دانشگاه های کرونل و واشنگتن و نهايتا در سال 1946 نخستین نسخة استانداردهای طراحی سازه های سرد نورد منتشرگرديد.
در اوايل دهة 60 ساخت مسکن مخصوصا انبوه سازی و مجتمع های مسکونی و در فرآيند آن، پیش ساخته سازی مسکن بخش عمده ای از سرمايه گذاری مسکن در کشورهای دارای توسعة اقتصادی نظیر آمريکا، کانادا و دولت های اروپای غربی به ويژه بريتانیا، فرانسه، بلژيک، نروژ، سوئیس، سوئد و آلمان غربی به خود اختصاص داد. جايگاه قاب های فلزی سرد نورد شده به دلیل دارا بودن شرايط ايده آل و مناسب برای پیش ساختگی و مزايای خاص و فراوانش به عنوان يک گزينه ايده آل در جهت پیش ساخته سازی مسکن مطرح گرديد. راحتی و سرعت اجرای بالا نسبت به ديگر سازه ها، حمل سريع تر و آسان تر و سبکی، نخستین دلايل تشکیل نخستین مجتم عهای مسکونی آپارتمانی در سال 1966 در فلوريدای آمريکا با اين سیستم بود.
پس از آن طرح مباحثی از جمله حفاظت از محیط زيست و جنگل ها در آمريکا اين نوع ساخت و ساز را به عنوان جايگزينی مناسب و ايده آل در برابر مصالح چوبی قرار داد و مورد توجه معماران قرار گرفت و در طی سالهای 1966 تا 1980 مباحث مديريتی توسعه يافت و موارد جديدی همچون بازيافت، منع تولیدات پسماندهای مخرب، صرفه جويی در انرژی و مباحث پايداری در دانش مديريت صنايع، مديريت پروژه و مديريت تولید در مديريت، پا به عرصه مهندسی گذاشتند.
هم اکنون سازه های با مقاطع سرد نورد شده در میان مهندسان ساختمان به ويژه در آمريکای شمالی يکی از ايده آل ترين گزينه ها در شرايط مناسب آن به شمار می رود و در دانشگاه های بزرگی نظیر کرنل، میزوری، جانزهاپکینز، واشنگتن، ام آی تی و میشیگان در آمريکا و دانشگاه اتاوا و ويلی در کانادا به تربیت متخصصینی در سطح کارشناسی ارشد و دکترا می پردازند.
روش‌های ساخت سازه‌های سبک فولادی
قابهای ساختمانی با فولاد سرد نورد شده به سه روش ساخته می شوند. انتخاب روش ساخت به عوامل متعددی از جمله موقعیت سازه، محل ساخت، تجهیزات، شرايط و عوامل محیطی، شرايط و عوامل اقتصادی و زمانی، بستگی دارد. لذا کارفرمايان و مجريان طرح با توجه به عوامل تاثیرگذار، روش ساخت مناسب را انتخاب می کنند.
لازم به ذکر است که هر يک از اين سه روش دارای محاسن و معايبی می باشند. در اين قسمت انواع روش ساخت سازه های سرد نورد شده و مزايا و معايب آنها شرح داده می شود.
روش ساخت همانند ساخت و اجرای سازه‌های چوبی
در اين روش تمامی اجزا و مقاطع مختلف در محل پروژه، ساخته و در محل خود نصب می شوند. مطابق شکل 1-7، تمامی قطعات در محل اجرا، تولید و بدون نیاز به تجهیزات خاص از جمله جرثقیل يا ماشین آلات سنگین در محل خود نصب می شوند.

مزایای سازه‌های سبک فولادی
 مقاومت مطلوب سازه در برابر زلزله
 امکان ايجاد مقاطع مختلف جهت دستیابی به حداکثر بازده مقاومتی
 عمر مفید بیش از 75 سال
 سهولت در تعمیر و تعويض اعضاء
 دقت بالا در اجرای جزئیات
 اجرای سريع و آسان
 عدم نیاز به قالب بندی
 عدم توقف ساخت و نصب در انواع شرايط آب و هوايی
 قابلیت عدم اشتعال
 کاهش هزينه انرژی و عايق بندی با وجود مصالح نوين
 سرعت اجرای بسیار بالا
 کیفیت بالا و يکنواخت محصول نهايی
 سبکی و در نتیجه کاهش نیروی زلزله وارد بر سازه
 کیفیت بالای اجرای اتصالات
 مقاومت و سختی بالا
 حمل و نقل آسان
 قابلیت بازيافت بخش عمدة مصالح
 امکان تولید انبوه ساختمان
 مقاومت و دوام بالا در برابر شرايط محیطی نامطلوب
 امکان اجرا در شرايط آب و هوايی نامطلوب و کاهش زمان توقف کار
 سهولت اجرای تاسیسات برقی و مکانیکی
 عملکرد صوتی خوب
 به حداقل رسیدن میزان پرت مصالح
 نیاز به فضای کم کارگاهی و ايمنی بیشتر در کارگاه
معایب سازه‌های سبک فولادی
 مقاومت کم در برابر آتش سوزی
 مقاومت کم اعضاء در کمانش موضعی
 دشوار بودن جوشکاری مقاطع
 نیاز به نیروی کار متخصص
 عدم توانايی استفاده از تحلیل خمیری در اين نوع از سازه ها
 امکان آسیب ديدگی حین حمل و نقل
 ايجاد سر و صدا در سازه بر اثر انقباض و انبساط
 عدم استفاده از اين نوع از سازه ها در سازه های بلند
مراحل اجرای سازه‌های سبک فولادی
 اجرای فونداسیون سازه به صورت گسترده يا نواری و با ضخامت کم
 اجرای اسکلت ساختمان (عناصر باربر ثقلی و جانبی)
 اجرای سقف
 اجرای عناصر غیرسازهای متشکل از مقاطع سرد نورد شده (پارتیشن ها، راه پله ها، اجزای معماری)
 اجرای تاسیسات مکانیکی و برقی
 نصب درب ها و پنجره ها
 نصب پانل های پوشش خارجی و داخلی
 عملیات نازک کاری

آیین‌نامه‌های طراحی سازه‌های سبک فولادی
آیین نامه فولاد آمريکا AISI&ASD(2003&LRFD)
آیین‌نامه طراحی سازه‌های سرد نورد شده استرالیا و نیوزلند AS/NZS 4600(2005)
آیین نامه فولاد انگلستان (2003)8 – BS5590
اروپا (3-1- ENV(1993
ايران
آیین نامه 2800، مبحث 6 مقررات ملی ساختمان، نشريه 612 و 613

ترکیبات بار [نشریه 612، 1392]
سازه و اجزای آن بايد برای ترکیبی از بارها که بیشترين اثر را در آن ها ايجاد می کند طراحی شوند.
علائم به کار رفته در اين بندها عبارتند از:
=D بار مرده
=E بار زلزله
 بار زلزله با علامت مثبت و منفی در نظر گرفته می شود و شامل مولفة قائم نیز می باشد.
=H فشار جانبی خاک
L = بار زندة طبقات به جز بام
Lr = بار زنده بام
= S بار برف
W = بار باد
بارهای فوق به استثناء بار زلزله بايد بر اساس مفاد آخرين ويرايش مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ايران تعیین شود، همچنین بار زلزله بايد بر اساس مفاد آخرين ويرايش آیین نامه 2800 تعیین شود.