کتاب ارزیابی لرزه ای ساختمان های اسکلت فلزی

کتاب ارزیابی لرزه‌ای ساختمان‌های اسکلت فلزی: راهنمای جامع طراحی و ایمنی در برابر زلزله

«ارزیابی لرزه‌ای ساختمان‌های اسکلت فلزی» کتابی تخصصی و کاربردی است که به بررسی اصول، روش‌ها و ابزارهای ارزیابی ساختمان‌های اسکلت فلزی در برابر نیروهای لرزه‌ای می‌پردازد. این کتاب با تکیه بر استانداردهای بین‌المللی و ملی، ضمن تحلیل رفتار سازه‌های فلزی در زمان وقوع زلزله، به ارائه راهکارهای عملی برای بهبود عملکرد و افزایش ایمنی این ساختمان‌ها می‌پردازد.

موضوعات کلیدی کتاب

1. مبانی لرزه‌شناسی و زلزله: معرفی اصول و مفاهیم اولیه زلزله و نیروهای لرزه‌ای.
2. رفتار سازه‌های اسکلت فلزی در زلزله: تحلیل رفتار دینامیکی و استاتیکی ساختمان‌های فلزی در برابر زلزله.
3. روش‌های ارزیابی لرزه‌ای: آشنایی با تکنیک‌های مختلف مانند تحلیل طیفی، تحلیل پوش‌آپ و تحلیل تاریخچه زمانی.
4. معیارهای طراحی لرزه‌ای: بررسی استانداردهای طراحی و مقررات ساختمان در برابر زلزله.
5. تقویت و بهسازی ساختمان‌ها: ارائه روش‌های بهسازی لرزه‌ای برای سازه‌های اسکلت فلزی موجود.
6. مطالعات موردی: بررسی نمونه‌های واقعی از ارزیابی و طراحی ساختمان‌های فلزی در برابر زلزله.

ویژگی‌های کتاب

1. جامعیت مطالب: پوشش کامل مفاهیم طراحی، ارزیابی و بهسازی لرزه‌ای سازه‌های فلزی.
2. رویکرد کاربردی: ارائه مثال‌ها و تمرین‌های عملی برای درک بهتر مفاهیم.
3. استناد به استانداردهای معتبر: استفاده از آیین‌نامه‌های بین‌المللی مانند ASCE، Eurocode و مقررات ملی ساختمان.
4. زبان ساده و روان: مناسب برای دانشجویان و مهندسان حرفه‌ای.

اهمیت کتاب

1. افزایش ایمنی ساختمان‌ها: کمک به کاهش آسیب‌های ناشی از زلزله با طراحی و بهسازی مناسب.
2. بهبود دانش فنی: ارتقای مهارت‌های مهندسان عمران و سازه در زمینه طراحی لرزه‌ای.
3. پیشگیری از خسارات: ارائه راهکارهایی برای پیشگیری از تخریب سازه‌های فلزی در برابر زلزله.

مخاطبان کتاب

• مهندسان عمران و سازه.
• دانشجویان رشته‌های مهندسی عمران و معماری.
• پژوهشگران حوزه زلزله و مهندسی لرزه‌ای.
• مدیران پروژه‌های ساخت‌وساز و طراحان سازه‌های فلزی.

نتیجه‌گیری

کتاب «ارزیابی لرزه‌ای ساختمان‌های اسکلت فلزی» یک راهنمای کامل و تخصصی است که به طراحی و ارزیابی ساختمان‌های فلزی در برابر زلزله کمک می‌کند. این اثر نه تنها برای متخصصان، بلکه برای دانشجویان و علاقه‌مندان به مهندسی عمران نیز منبعی ارزشمند محسوب می‌شود.

اگر به دنبال افزایش دانش و مهارت خود در زمینه طراحی و ارزیابی لرزه‌ای سازه‌های فلزی هستید، این کتاب انتخابی عالی برای شما خواهد بود.

 

در ادامه فهرست این کتاب قابل مشاهده است:

عنوان صفحه
فصـل اول 11
مقدمه 12
تحلیل و طراحی سازه های فولادی 13
روش طراحی مقاومت نهایی یا پلاستیک 15
مشخصات برشی در تحلیل و طراحی سازه های فولادی 17
ترمیم ترک در سازه‌های فلزی 27
انواع سیستم های سقف اسکلت فلزی مورد استفاده برای ساخت سازه های فولادی(…) 28
تیرهای سلیم با واحدهای بتنی پیش ساخته 30
بحث شمع‌بندی در سقف کامپوزیت 37
تاثیر مشخصه های معماری طی زمین لرزه بر ساختمان 38
ابعاد و پلان ساختمانها 40
همجواری ساختمانها 41
مجزا کردن ساختمان های نزدیک به هم، توسط درز انقطاع 41
لزوم پیروی از ملاحظات لرزهای موجود در ایین نامه ها 42
اثرات زمین لرزه بر ساختمان 46
علت ایجاد پیچش در ساختمان 48
حفاظت از پی 49
پدیده روان گرایی 50
علل روان شدگی 51
روش های کاهش خطرهای ناشی از روانگرایی و گسترش جانبی 52
الف) تمهیدات سازه ای 52
ب) تمهیدات ژئوتکنیکی 52
پ) تغییر محل خاستگاه 53
محاسبه ساختمانها در برابر نیروی زلزله 54
طبقه بندی نوع زمین 58
ترکیب سیستم ها در پلان 60
ترکیب سیستم ها در ارتفاع 60
طیف طرح استاندارد 62
طیف طرح ویژه ساختگاه 62
روش تحلیل دینامیکی طیفی یا روش تحلیل مدها 64
ترکیب اثر زلزله در امتدادهای مختلف 66
روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی 66
مشخصات سازه از تراز پایه تا روی شالوده 69
سازه های غیر ساختمانی 73
لزوم در نظر گرفتن تمهیدات لازم برای وسایل و تجهیزات 76
علل ایجاد نامنظمی در پلان ساختمان 76
انواع نامنظمی‌ در پلان ساختمان طبق آیین ‌نامه 2800 77
الف – نامنظمی هندسی در پلان 77
تفاوت پس ‌رفتگی با بازشو در پلان 80
آیا وجود بالکن باعث ایجاد نامنظمی در پلان می‌شود؟ 81
آیا ایجاد پخ در پلان سازه می تواند باعث نامنظمی هندسی شود ؟ 82
رده‌ بندی آثار تخریبی برخی از اشکال هندسی نامنظم در پلان 86
ب-نامنظمی پیچشی 87
نحوه ی کنترل نامنظمی پیچشی در ایتبس 87
منظور از تغییر مکان نسبی سقف چیست؟ 88
برون مرکزی اتفاقی چیست؟ 89
پ – نامنظمی دیافراگم 92
بازشو در دیافراگم 93
ت – نامنظمی خارج از صفحه 98
ث – نامنظمی سیستم‌ های غیر موازی 100
محدودیت‌ های آیین‌ نامه‌ای برای منظم بودن یا نبودن پلان سازه 102
آثار نامنظمی در پلان و تمهیدات آن 104
2- نامنظمی پیچشی 105
7مورد از مهمترین ملاحظات در کنترل نامنظمی پیچشی عبارتند از 107
3- نامنظمی در دیافراگم 108
بازشو در دیافراگم 109
نامنظمی خارج از صفحه 109
نامنظمی سیستم های غیرموازی 109
نامنظمی هندسی در ارتفاع 109
نامنظمی جرمی در ارتفاع 110
نامنظمی قطع سیستم باربر جانبی در ارتفاع 110
نامنظمی در سختی جانبی 110
نامنظمی در مقاومت جانبی 111
منبع 112
نوآوری تحقیق 118
هدف از انجام تحقیق 118
فصـل دوم 119
تاریخچه ی ارزیابی احتمالاتی خسارات لرزه ای و کاربرد 119
انواع سیستم های مهاربند برای قاب های فلزی 120
تاریخچه تحقیقات 120
زلزله های مخرب 120
مشخصات تعدادی از زلزله های مخرب 121
فصـل سوم 137
مدلسازی و نرم افزار مورد استفاده 137
مقدمه 138
کلیات 138
جزئیات سازهای قاب های مدل شده 138
بارگذاری 140
مدلسازی در نرم افزار 140
کلیات 140
مشخصات مکانیکی اجزای قاب های مورد مطالعه 142
مهاربند 143
مشخصات مدلسازی و مدل رفتاری مصالح 146
مصالح الاستیک 147
مصالح Steel 147
المان لینک دو گرهی 149
بارگذاری 151
جمع بندی و نتیجه گیری 152
فصـل چهارم 153
توضیح روش های تحلیل و نتایج 153
انواع تحلیل و نتایج 154
انتخاب رکوردهای زلزله 155
منـابع و مآخـذ 159

 

در ادامه بخشی از مطالب این کتاب قابل مشاهده است:

به دلیل غیر قابل اجتناب و غیر قابل پیش بینی بودن بارهای جانبی وارد بر سازه ها از قبیل بار باد و زلزله و تحميل خسارتهای فراوان جانی و مالی، به خصوص زلزله های ویرانگری که در سالهای اخیر در نقاط مختلف دنیا رخ داده اند، مهندسان این حوزه را بر این داشت تا به راه حلی مناسب برای مهار این پدیده ی طبیعی دست یابند. از آن جایی که جلوگیری از وقوع زلزله غیر ممکن است، ایمن سازی ساختمان های موجود در رویارویی با این پدیده طبیعی امری گریزناپذیر است. به همین دلیل، لزوم ارائه روش های مختلف در بهسازی ساختمان ها با توجه به شرایط موجود آنها در آینده ای نزدیک، امری ضروری و غیر قابل چشم پوشی خواهد بود. به طور کلی وظیفه اصلی یک سازه تحمل بارهای موثر بر آن و انتقال آنها به پی و فوندانسیون سازه می باشد. از طرفی نیروهای جانبی وارد به سازه دارای ماهیت دینامیکی می باشند و موجب ایجاد ارتعاش در سازه می شوند. دو دیدگاه برای مقابله ساختمان با ارتعاشات و تحریکات لرزه ای وجود دارد.

دیدگاه اول، بر فراهم کردن مقاومت و ظرفیت شکل پذیری غیر الاستیک کافی برای اعضای سازهای استوار است که این امر با ایجاد و ترکیب اجزای سازهای مختلف مانند دیوارهای برشی، دیافراگم ها خرپاها برای تشکیل سیستم مقاوم در برابر بار جانبی انجام می پذیرد. انتخاب و استفاده از مصالح مرغوب در ساخت سازه از این لحاظ دارای اهمیت می باشد، که مصالح شکل پذیر همانند فولاد، کارکرد بهتری در مقایسه با مصالح شکننده دیگر مانند بتن و آجر دارند.

دیدگاه دوم بیان می کند که استفاده از قاب مهاربندی شده، به طور عمده روی مشخصات لرزه ای سازه و میزان خسارت وارده بر سازه موثر است. بتن و فولاد، مصالحی هستند که به صورت گسترده در ساخت و سازها مورد استفاده قرار می گیرند. مزایای هر دو مصالح امروزه به خوبی شناخته شده است. بتن مصالحی با سختی بالا، ارزان قیمت و مقاومت قابل توجه در برابر آتش سوزی و ضمنا فولاد مصالحی با شکل پذیری و مقاومت بالا و وزن کم است.

تحلیل و طراحی سازه های فولادی

طراحی سازه های فولادی با توجه به انتخاب نوع مقطع، روش ساخت، روش بهره‌برداری و محل ساخت ساختمان، خصوصیات و ویژگی‌های متنوعی برای ساخت اسکلت باربر یک ساختمان به وجود می‌آورد. مزیت‌های هر سیستم سازه‌ای و مصالح موردنیاز آن سیستم را در صورتی می‌توان به کاربرد که خصوصیات و ویژگی‌های آن مصالح و دستگاه‌ها در مرحله طراحی به‌حساب آورده شود و طراح باید در مورد هر یک از مصالح به‌درستی قضاوت کند. این موضوع به‌ویژه در ساختمان‌هایی که اسکلت فولادی دارند ضروری است. سازه فولادی سازه‌های قاب‌بندی شده می‌باشند. نقش قاب در ساختمان پایداری کل سازه و انتقال بارهای مرده، بار زنده، زلزله و بار برف از سازه به پی هست. در محاسبات و تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی و همچنین ستون گذاری آن معیارهایی چون نوع مقطع، روش قرارگیری و آرایش مقطع، فواصل تکیه‌گاهی، نوع مهاربندی، نوع سیستم صلب کننده سازه و محل قرارگیری آن تأثیرگذار می‌باشند. شایان ذکر است که در تحلیل و طراحی سازه های فولادی هر عضوی که از مقطع فولادی باشد توسط نرم‌افزارهایی پیشرفته طراحی می‌شود. نرم افزار های مثل ایتبس، سپ و سیف. که برای یادگیری و  آموزش ایتبس برای طراحی سازه لازم است تا وقت صرف شود.

این اعضا شامل تیرها, ستون‌ها, مهاربندها, سقف کامپوزیت ساده و عرشه فولادی و حتی دیوارهای برشی فولادی می‌شود. منظور از طرح یک سازه تعیین پیکربندی، ابعاد و مشخصات قطعات آن می‌باشد.

خدمات طراحی سازه:

طراحی انواع سازه های فلزی

تحلیل و طراحی سازه های فولادی

سازه‌های فولادی به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند

_ سازه‌های قاب‌بندی با نورد گرم: به مقاطعی که در کارخانه‌های ذوب و ساخت آهن ساخته می‌شود.

_ سازه‌های قاب‌بندی شده با نورد سرد یا LSF: مقاطعی که در خارج از کارخانه‌های عمرانی و توسط ابزارهای مختلف به هم اتصال داده می‌شود؛ این مقاطع بیشتر در ساختمان‌های ویلایی خارج شهر کاربرد دارند.

_ سازه‌های پوسته‌ای مثل مخازن نگه‌داری مایعات و یا گازها.

_ سازه‌های معلق که بیشتر در کارها و طرح‌های پارامتریک معماری استفاده می‌شود.

در تحلیل و طراحی سازه های فولادی هر عضوی که از مقطع فولادی باشد توسط نرم‌افزارهایی پیشرفته طراحی می‌شود. این اعضا شامل تیرها, ستون‌ها, مهاربندها, سقف کامپوزیت ساده و عرشه فولادی و حتی دیوارهای برشی فولادی می‌شود. منظور از طرح یک سازه تعیین پیکربندی، ابعاد و مشخصات قطعات آن می‌باشد به‌نحوی‌که ایمنی، عملکرد خوب و پایایی تأمین گردد. در همین راستا تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی با سه روش زیر صورت می‌گیرد.

_ روش طراحی تنش مجاز (ASD) یا الاستیک

_ روش طراحی مقاومت نهایی یا پلاستیک

_ روش طراحی حالات حدی (LSD)

روش طراحی تنش مجاز (ASD) یا الاستیک

روش تنش مجاز (ASD) دیرینه‌ترین روش تحلیل و طراحی سازه های فولادی بشمار می‌رود. در این روش طراحی سازه های فولادی، اثرات کاهش احتمالی مقاومت اعضا و نیز افزایش احتمالی بارها تنها به کمک یک ضریب (بنام ضریب اطمینان) و فقط در یک مرحله منظور می‌شود. درروش تنش مجاز عناصر سازه باید طوری طراحی شوند که تحت اثر بارهای مفروض بهره‌برداری تنش‌های محاسباتی در آن‌ها از مقادیر مجاز تجاوز نکند.

با افزایش کیفیت مصالح و ارتقاء سطح کیفی اجرا، روش پلاستیک یا مقاومت نهایی LRFD به‌عنوان یک روش علمی‌تر و اقتصادی‌تر در بعضی از کشورها جایگزین روش ASD یا الاستیک گردید.

(ضریب اطمینان>1)/(تنش خرابی یا تنش تسلیم)= تنش مجاز

ضریب اطمینان در رابطه بالا بزرگ‌تر از یک می‌باشد؛ برای ستون‌ها این ضریب عددی میان 1.92 الی 1.97 و برای تیر‌ها، اگر مقطع تیر فشرده باشد برابر با 1.5 و برای مقاطع غیر فشرده 1.67 است. بنابراین در این روش تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی تنها در اثر وارد شدن تنشی بیشتر از تنش مجاز و مرغوب نبودن کیفیت مصالح مصرفی خراب می‌شوند. در این روش به اعضاء سازه‌ها اجازه داده می‌شود براثر بار وارده ناشی از بارگذاری از حد الاستیک خود خارج و به حد پلاستیک یا خمیری خود برسند و همین موضوع باعث افزایش مقاومت اعضاء و کاهش هزینه ساخت و اقتصادی‌تر شدن سازه می‌گردد. این روش به دلیل نیاز به رعایت استانداردهای مصالح و افزایش کیفیت اجرا در بیشتر کشورها ازجمله ایران مورداستفاده قرارگرفته است.

 

روش طراحی مقاومت نهایی یا پلاستیک

در تحلیل و طراحی سازه های فولادی با روش LRFD ایمنی در دو مرحله، افزایش بار به کمک ضرایب بار و تقلیل مقاومت به کمک ضرایب کاهش مقاومت در نظر گرفته می‌شود. درروش ضرایب بار و مقاومت طراحی عناصر سازه چنان صورت می‌گیرد که مقاومت نهایی طرح یا حداکثر ظرفیت باربری عضو در هر مقطع بزرگ‌تر یا مساوی با تلاش‌های موجود در آن مقطع تحت اثر بارهای ضریب دار وارد بر سازه باشد. از منظر ضوابط طراحی و نوع تحلیل سازه هر دو روش از سادگی یا پیچیدگی یکسانی برخوردار هستند. در ساختمان‌های متعارف، چنانچه ترکیبات بارگذاری ثقلی حاکم بر طراحی اعضا باشند، هم در آئین‌نامه AISC و هم در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان برای آن اعضا روش LRFD حدوداً 10 تا 15 درصد سبک‌تر محاسبه می‌شود. ولی اگر ترکیبات بارگذاری زلزله حاکم بر طراحی اعضا باشند و سهم نیروی زلزله در آن ترکیبات بارگذاری بسیار چشمگیر باشد            (مثلاً E/D˃10)، در آئین‌نامه AISC برای آن اعضا روش LRFD حدوداً 20 درصد سنگین‌تر و در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان برای آن اعضا روش LRFD حدوداً 5 درصد سنگین‌تر محاسبه می‌شود. مقایسه نتایج طراحی بر اساس AISC و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان نشان می‌دهد که ترکیبات بارگذاری مندرج در مبحث دهم تفاوت‌های آشکاری با ترکیبات بارگذاری موردنظر آئین‌نامه AISC دارد. با به‌کارگیری این دو روش تحلیل و طراحی و مقایسه نتایج طراحی حاصل از آن‌ها، می‌توان از نتایج طراحی هریک که منجر به سازهای سبک‌تر می‌شود، بهره گرفت.

روش طراحی حالات حدی (LSD)

درروش حالت حدی LSD تحلیل و طراحی سازه‌ های فولادی بدین گونه می‌باشد: قسمتی از ضریب اطمینان دربارها و قسمتی از ضرایب اطمینان در مقاومت‌ها اثر داده می‌شوند؛ یعنی هم‌بارها بزرگ می‌شوند و هم مقاومت‌ها کاهش داده می‌شود. توضیح اینکه عدم اطمینانی که در طراحی وجود دارد هم ناشی از بارها و هم ناشی از مقاومت‌هاست؛ بنابراین بهتر است هر دو عدم اطمینان به‌صورت جداگانه در نظر گرفته شود. در این روش می‌توان با آگاهی بیشتر نسبت به ضرایب اطمینان تصمیم گرفت. در این روش به‌جای استفاده از یک ضریب اطمینان شکسته شده که ضرایب جزئی اطمینان^[1] نامیده می‌شوند استفاده می‌شود.

تحلیل و محاسبات و طراحی سازه‌های فولادی

در محاسبات و تحلیل و طراحی سازه های فولادی و همچنین ستون گذاری آن معیارهایی چون نوع مقطع، روش قرارگیری و آرایش مقطع، فواصل تکیه‌گاهی، نوع مهاربندی، نوع سیستم صلب کننده سازه و محل قرارگیری آن تأثیرگذار می‌باشند. مزیت اصلی در استفاده از سازه فولادی مقاومت بالای آن در برابر کشش می‌باشد. همچنین سازه فولادی نسبت به اسکلت بتنی، از سرعت ساخت بالاتر و سطح مقطع کمتری برخوردار است.

تحلیل و محاسبات و طراحی سازه های فولادی به مشخصات فولاد ساختمانی بستگی دارد. مشخصات فولاد مانند کشش، برش، سختی، خزش، وارفتگی و خستگی.

مشخصات کششی: رده‌های مختلفی از فولادهای ساختمانی وجود دارد که می‌توانند در ساخت ساختمان‌های فولادی استفاده شوند. منحنی تنش-کرنش معمولی برای انواع گوناگون فولاد سازه‌ای که آزمایش کشش فولاد به‌دست‌آمده را می‌توانید در شکل زیر مشاهده کنید.

سرد کاری یا نورد سرد فرآیندی است که شکل‌های مختلف فولاد ساختمانی در دمای اتاق تولید می‌شوند. درنتیجه، شکل‌پذیری فولاد ساختمانی افزایش می‌یابد اما شکل‌پذیری سازه با کاهش روبرو می‌شود. تنش پسماند تنشی است که در عضو فولادی بعدازاینکه ساخته شد، باقی می‌ماند. تا زمانی که آزمایش کشش انجام شود، لازم است مقدار کرنش را در نظر بگیرید زیرا خصوصیات کششی فولاد را تغییر می‌دهد. اگر سازه‌ی فولادی تحت بارهای دینامیکی باشد، باید مقدار کرنش بالایی را در نظر گرفت. هرچند، مقدار نرمال کرنش با در نظر گرفتن بارهای استاتیکی در سازه ارائه می‌شود. توانایی فولاد ساختمانی در جذب انرژی را، چقرمگی گویند.

مشخصات برشی در تحلیل و طراحی سازه های فولادی

مقاومت برشی سازه‌ی فولادی در گسیختگی تحت تنش برشی مشخص می‌شود و حدود 0.57 برابر تنش تسلیم فولاد است. مدول الاستیک برشی، نسبت تنش برشی به کرنش برشی در محدوده‌ی الاستیک فولاد ساختمانی را بیان می‌کند. به‌طورمعمول، مدول الاستیک برشی فولاد ساختمانی می‌تواند 75.84 گیگا پاسکال در نظر گرفته شود یا می‌توان از فرمول زیر برای محاسبه‌ی مدول الاستیک برشی استفاده کرد:

(G =E/2(1+μ

:G مدل الاستیک برشی فولاد

E: مدل الاستیسیته ی فولاد

µ: ضریب پواسون

سختی در طراحی سازه های فولادی

میزان تحمل فولاد ساختمانی در برابر تغییر شکل غیر الاستیک است. روش‌های استاندارد آزمایش و تعاریف برگرفته آزمایش مکانیکی قطعات فولادی (05-A370) سه آزمایش مختلف را برای ارزیابی سختی فولاد مشخص می‌کند: برینل، راکول و پرتابل. هرکدام از این آزمایش‌ها می‌توانند برای برآورد سختی فولاد ساختمانی استفاده شوند. سختی فولاد نه‌تنها برای آزمایش یکنواختی محصولات مختلف، بلکه برای ارزیابی مقاومت کششی فولاد نیز استفاده می‌شود.

خزش در طراحی سازه های فولادی

خزش به‌صورت تغییر تدریجی کرنش فولاد تحت تنش ثابت تعریف می‌شود. خزش در اثر تنش ثابت و یا آتش‌سوزی رخ می‌دهد. خزش در طراحی و ساخت قاب‌سازهای فولادی صرف‌نظر از موردی که باید اثر وجود آتش موردتوجه قرار گیرد، قابل‌چشم‌پوشی است.

وارفتگی: وارفتگی کاهش تدریجی فولاد ساختمانی تحت اثر تنش ثابت است. معمولاً، مقاومت تسلیم فولاد حدود 5 درصد بیشتر از تنشی که کرنش را کاهش می‌دهد، افزایش می‌یابد و سازه فولادی متحمل انبساط طولی پلاستیک که در حدود 0.01 است، خواهد شد.

خستگی

خستگی به‌صورت گسیختگی فولاد ساختمانی به علت شروع و گسترش ترک تحت تأثیر بار سیکلی تعریف می‌شود. آزمایش‌های گوناگونی برای ارزیابی خستگی فولاد ساختمانی ازجمله آزمایش خمش، آزمایش تیر چرخشی و آزمایش بارمحوری.

طراحی سازه های فولادی

طراحی سازه های فولادی با توجه به انتخاب نوع مقطع، روش ساخت، روش بهره‌برداری و محل ساخت ساختمان، خصوصیات و ویژگی‌های متنوعی برای ساخت اسکلت باربر یک ساختمان به وجود می‌آورد. مزیت‌های هر سیستم سازه‌ای و مصالح موردنیاز آن سیستم را در صورتی می‌توان به کاربرد که خصوصیات و ویژگی‌های آن مصالح و دستگاه‌ها در مرحله طراحی به‌حساب آورده شود و طراح باید در مورد هر یک از مصالح به‌درستی قضاوت کند. این موضوع به‌ویژه در ساختمان‌هایی که اسکلت فولادی دارند ضروری است.

معیارهای سازه‌ای زیر اهمیت زیادی در طراحی کلی و ستون گذاری ساختمان دارد:

نوع مقطع

آرایش و روش قرارگیری مقاطع

فواصل تکیه‌گاهی

اندازه دهانه‌های سقف

نوع مهاربندی

نوع سیستم صلب کننده

محل قرارگیری سیستم صلب کننده (سیستم فضاسازی داخلی)

برای استفاده بهینه از خواص مطلوب ساختمان‌های فولادی، سیستم فضاسازی داخلی باید به‌گونه‌ای اختیار شود که: متشکل از قطعات پیش‌ساخته باشد، بدین منظور که سرعت بیشتر نصب و برپایی سازه، موجب کوتاه شدن زمان کلی ساخت می‌شود.

قطعات سبک باشد تا وزن کلی ساختمان به حداقل ممکن برسد.

نوع سیستم انتخاب‌شده، سازگار با سیستم سازه‌ای انتخاب‌شده باشد.

با یک روش اقتصادی قابل محافظت در برابر آتش باشد.

فضاهای داخلی ساختمان فلزی معمولاً شامل: سقف‌ها، بام، دیوارهای خارجی، دیوارهای داخلی، سیستم رفت‌وآمد (پله و آسانسور) می‌باشد که با هماهنگی دقیق و علمی این امکان به وجود می‌آید که اقتصادی‌ترین روش ساخت و اجرای ساختمان به دست آید.

تحلیل و طراحی سازه های فولادی با توجه به روش مهاربندی

تمام ساختمان‌ها باید برای مقاومت در برابر نیروی زلزله و باد و یا دیگر نیروهای افقی صلب شوند سیستم صلب کننده می‌بایست نیروهای جانبی را به فونداسیون منتقل کند و همچنین تغییر مکان‌های افقی را محدود کند. در ساختمان‌های بلند باید ملاحظات ویژه‌ای برای جلوگیری از ایجاد نوسانات ناشی از باد در نظر گرفته شود.بزرگی نیروهای افقی اعمال‌شده در اثر باد به عوامل زیر بستگی دارد:

_ سرعت باد

_ شکل آئرودینامیکی ساختمان

_ وضعیت سطح نما

– روش‌های صلب کردن

یک قاب سازه‌ای فولادی را می‌توان به یکی از روش‌های زیر مهاربندی کرد:

_ سیستم‌های قاب صلب

_ سیستم‌های قاب بادبندی

دیوارهای بتنی به صورت دیوارهای برشی یا هسته‌های بتنی

انتخاب روش صحیح مهاربندی، اهمیت عمده‌ای در طراحی سازه های فولادی دارد و حتی ممکن است کل اندیشه طراحی یک ساختمان بلندمرتبه را تحت تأثیر قرار دهد. مهاربندی به‌وسیله اعضای بادبندی یا دیوارهای بتنی به‌صورت دیافراگم صلب، نقاط ثابتی را در ساختمان ایجاد می‌کند، به‌گونه‌ای که آزادی عمل در جانمایی و معماری داخل ساختمان را محدود می‌کند.

طراحی سازه های فولادی با توجه به اجزای تشکیل‌دهنده فضاهای داخلی ساختمان

انتخاب سیستم مناسب برای اجزای داخلی ساختمان به عوامل مختلفی بستگی دارد. روش‌های زیر به‌طور رایج در ساخت سقف‌های متکی به تیرهای فولادی به کار می‌روند:

_ دال بتنی درجا بر روی قالب مناسب

_ دال بتنی پیش‌ساخته

_ عرشه فولادی با بتن درجا

عملکرد مرکب بین دال بتنی و تیر فولادی که در هر سه روش امکان‌پذیر است، سبب اقتصادی شدن ساخت می‌گردد. مسئله حفاظت قسمت‌های فولادی سقف در برابر آتش‌سوزی باید در اجرای سقف در نظر گرفته شود. استفاده از سقف کاذب می‌تواند این کار را به‌خوبی انجام دهد. در سازه‌های اسکلت فلزی، معمولاً دیوارهای خارجی باربر نیستند، برای ساخت این دیوارها، بنابر شرایط موجود، از مصالح مختلف استفاده می‌شود.

طراحی بهینه اسکلت فلزی – مهندسی ارزش ۲

اجرا, بهینه سازی و طراحی, سازه, سازه‌های اسکلت فلزی, مشاوره

در طراحی بهینه اسکلت فلزی فقط برای وزن کم طراحی نکنید. چنین طراحی ممکن است نیاز به قطعات بیشتر و اتصالات بیشتری داشته باشد و در هر دو کارگاه ساخت اسکلت و محل پروژه بیشتر کار خواهد کرد و احتمالا گران تر خواهد بود.

اتصالات پیچی و جوشی در طراحی بهینه اسکلت فلزی

تولید بیش از حد دقیق و روادای نصب ، به غیر از روش های پیشرفته، احتمالا تعداد پیشنهاد دهندگان را کاهش می‎دهد و هزینه را برای مالک افزایش می دهد. رواداریهای ASTM A36 و آنهایی که توسط ANSI، AWS و AISC ایجاد شده اند به خوبی به صنعت رسیده اند و باید به جز در شرایط فوق العاده مورد توجه قرار گیرند.

پیچ با مقدار مناسب مقاومت بالا انتخاب کنید. کاربرد صحیح هر نوع به خوبی در مشخصات پیچ و مهره فعلی ثبت شده است. مقادیر بحرانی لغزش را با هدف به دست آوردن عامل اضافی ایمنی مشخص نکنید.  از پیچ نوع کنترل کشش (twistoff) با مقاومت بالا استفاده کنید. این پیچ‌ها به اندازه روش‌های دیگر اندازه‌گیری تنش‌های کششی پیچ قابل اعتماد است و کاهش هزینه های نیروی کار را به دنبال دارد.

در طراحی بهینه اسکلت فلزی هر جایی که ممکن باشد، جوش گوشه را به جای جوش شیاری استفاده کنید. جوش های شیار عموما هزینه بیشتری دارند زیرا آماده سازی اتصال لازم است و حجم بیشتری جوش داده می‌شود.  جوش گوشه که می‌تواند در یک پاس، هر جا که ممکن باشد نشان دهید تا استفاده شود. هنگام استفاده از فرآیند جوشکاری قوس با گاز محافظ در موقعیت های افقی و صاف، حداکثر جوش فلزی عملیاتی یک پاسه 5/16″ است.

موقعیت جوش افقی و مسطح را ترجیح دهید. این جوشکاری ها ساده تر و سریعتر هستند و به طور کلی کیفیت بالایی دارند. برای جوش بیشتر در موارد غیر ضروری اصرار نکنید. جوشکاری گرما بیش از حد ایجاد می کند که ممکن است باعث انحطاط و انقباض اعضا شود و صاف کردن پر هزینه داشته باشد.

وصله در طراحی بهینه سازه فلزی

در طراحی بهینه اسکلت فلزی هر کجا که امکان پذیر است، امکان حذف برخی از وصله‌های ستون‌ها را به سازنده واگذار کنید. هزینه تقسیم یک ستون برابر با هزینه حدود 270 کیلوگرم فولاد A36 است. با این حال، سازنده اسکلت فلزی باید با دقت قبل از تصمیم به حذف ستون و نصب شفت سنگین تر تا وصله بعدی – ستون حاصل ممکن است برای نصب بیش از حد طولانی باشد.

از طراحی ستون‌های با وصله در ارتفاع متوسط خودداری کنید. اینها اغلب برای نصاب دارای ارتفاع بسیار زیاد است، بدون اینکه یک اسکافلد یا داربست بزند. اگر وصله می‌تواند بیش از 1.2 متر بالای تیرهای فولادی قرار نگیرد، این هزینه های اضافی را صرفه جویی می کند و هنوز هم در ناحیه از ستون است که نیروهای خمش نسبتا پایین دارد.

وصله ستون را برای مقاومت خمشی کامل ستون کوچکتر متصل طراحی نکنید. به ندرت تنش خمشی ماکزیمم در محل وصله اتفاق می‌افتند و به ندرت این تنش منجر به ایجاد شرایطی می شود که نیاز به ظرفیت کامل وصله باشد. ستون دارای تنش فشاری محوری است. ظرفیت اضافی به تنش‌های خمشی فشاری در یک بال و تنش کششی در بال دیگر اتفاق می افتد اختصاص یافته است. نیروهای فشاری در یک بال به یکدیگر اضافه می شوند در حالی که در بال دیگر نیروی کششی از نیروی فشار کم می‌کند. این طرف دیگر ستون به ندرت به کشش می‌افتد و هرگز به تنش کامل مجاز که نیاز به یک وصله برای مقاومت نهایی داشته باشد نمی‌رسد. هنگامی که در یک زمان، بارهای جانبی بر روی یک سازه منجر به تنش کششی کوچک می شوند، اما تا اندازه ای مورد نیاز برای کشش تا مقاومت نهایی نمی رسد.

از یک فولاد با مقاومت بالاتر برای ستون سنگین استفاده کنید تا نیاز به صفحات دابلر جان یا چشمه اتصال و / یا سخت کننده در مقابل بالهای تیر در قاب خمشی نباشد. یک جفت سخت کننده هزینه تقریبی برابر 9 کیلوگرم فولاد A36 را دارد اگر سخت کننده با جوش گوشه جوش داده شوند. اگر آنها باید جوش شیاری جوش داده شوند، هزینه های صعودی به معادل 36 کیلوگرم فولاد A36 می‌رسد. هزینه یک صفحه دوبلر نصب شده حدود 18 کیلوگرم فولاد A36  است.

اجتناب از طراحی اعضای سنگین و ناخوشایند در بخش‌هایی از سازه که دارای دسترسی محدودتری است. این ممکن است نیاز به تجهیزات بزرگتر و گران قیمت تر را از بین ببرد.

در صورت لزوم سوراخ تیر را تقویت کنید. چندین برنامه نرم‌افزاری، از جمله AISC Web open، به شناسایی و طراحی سوراخ جان تیر کمک میکنند که نیازی به تقویت ندارند. همچنین ممکن است هزینه استفاده از تیر با جان سنگین تر کمتر باشد، برای انتقال بازشو جان به محل کمتر بحرانی یا تغییر ابعاد سوراخ جان برای حل مشکل.

برای مهارنبدی سنگین، که در آن مزیت اجازه می دهد سازنده نقاط کار مهاربند را به طوری که آنها در تقاطع سطوح بال در نسبت به مرکز خط اعضا باشد. به طور کلی، این امر به اتصال فشرده و کارآمد تر منجر می شود.

اجازه استفاده محتاط از سوراخ های بزرگ و اسلات به منظور تسهیل هزینه های نصب و بستن. آنها ممکن است هزینه زیاد باز کردن سوراخ و یا دوباره نصب را کاهش دهند.

اجتناب از استفاده بی مورد از سخت کننده ها. برای جلوگیری از تغییر شکل محلی و / یا انتقال بار از یک قسمت عضو به دیگری لازم است که سخت کننده استفاده شود. اگر اعضای اصلی قادر به مراقبت از خود باشند، هزینه های سخت کننده را می توان ذخیره کرد. در جایی که امکان استفاده از سختی‌های با نصف ارتفاع باشد به کار بردید. سخت کننده‌های کامل عمق می‌توانند دو برابر هزینه های سخت کننده نیمه هزینه داشته باشند.

روند ساخت در طراحی بهینه سازه فولادی

در طراحی بهینه اسکلت فلزی از خصوصیات  که چیزی شبیه به این را باشد، اجتناب کنید: “هر مورد لازم نشان داده شده را ساخته و یا نصب کنید که برای تکمیل چارچوب اسکلت لازم است.” این برای کارفرما غیرمنصفانه است.  اجتناب از مشخصات پنهانی که نیاز به سخت کننده ها را در صورت لزوم دارد، قاب های سقف در صورت نیاز، تقویت سوراخ جان تیر به صورت مورد نیاز و غیره. در مرحله تخمین و قیمت گذاری، تهیه کننده / سازنده به ندرت وقت کافی برای تعیین اینکه چه چیزی و چه چیزی لازم نیست، و بنابراین در پیشنهاد یک کمک هزینه برای اقلام مورد سوال که آیا آنها در نهایت مورد نیاز است. کافرما ممکن است در نهایت برای چیزی که تامین نشده است پرداخت نماید.

از مشخصات محدود کننده اجتناب کنید. محدودیت های بیشتری که در مشخصات اسکلت ذکر شده اند بیشتر احتمال دارد که هیچ کس قادر به پاسخگویی به همه آنها باشد. این کار برخی از رقابت ها را از بین می برد و اغلب منجر به افزایش قیمت می‌شود.

در طراحی بهینه اسکلت فلزی ، طرح کامل را آماده کنید. بخش کثیری از هزینه بالاسری سازنده اسکلت برای تخمین صرف می شود. برای هر شغل او می تواند 10 تا 20 تلاش ناموفق انجام دهد. برخی از مشخصات پروژه به گونه ای نوشته شده است که نیاز است سازنده برای تکمیل بخش قابل توجهی از طراحی اسکلت هزینه پیش بینی کند. اما نیاز به اینکه سازنده اسکلت برای تکمیل بخش قابل توجهی از طراحی اسکلت هزینه پیش بینی نماید زمان را هدر و افزایش هزینه های برآورد را، که به نوبه خود به مشتری منتقل می شود در پی دارد. اگر هشت شرکت ساخت اسکلت فلزی پروژه را دنبال می کنند، این کار طراحی باید هشت بار تکرار شود. سازنده ای که تصمیم می گیرد برای دور زدن طراحی پیش رود، ممکن است با مشکلی جدی همراه با یک پیشنهاد قیمت جلو رود. اما اگر او پیشنهاد خود را برای پوشش شرایط “بدترین حالت” بارگذاری کند، شانس برنده شدن برای این کار را نخواهد داشت. هنگامی که یک شرکت ساخت اسکلت فلزی باید بارها را از طریق تحلیل عضو تعیین کند، نتایج اغلب غیر واقعی خواهد بود. این که آیا عضو بر اساس سختی، زیبایی شناسی، حداقل ضخامت مورد نیاز، یا انحراف طراحی شده است معمولا توسط سازنده شناخته شده نیست.

یک طراحی بهینه اسکلت فلزی کامل بهترین بیمه است که کسانی که باید طراحی را استفاده کنند به صورت دقیق می‌توانند مقصود طراح را تفسیر کنند. در این شرایط احتمال کمتری برای ابهام، تفسیر نادرست، خطا و غفلت وجود دارد. میانبرهای طراحی ممکن است دیگر اعضا تیم ساخت را متضرر کند. یک طراحی مناسب یک مسیر طولانی است که شامل طراح و کارفرما می‌شود.

محافظت سازه های فولادی در برابر حریق، خوردگی و عایق بندی صدا

محافظت سازه های فولادی در برابر حریق و آتش سوزی و همچنین خوردگی می بایست با توجه به نوع سیستم به کار رفته و انتخاب راه حلی معقول و مناسب صورت گیرد. این امر سبب کاهش هزینه جهت عایق بندی حریق و صوتی سازه های فولادی می شود. گرچه المان‌های داخلی ساختمان مانند سقف و دیوارهای داخلی و خارجی آن به‌عنوان یک سیستم محافظت در برابر آتش‌سوزی در ساختمان قابل‌استفاده است لذا تیرها و ستون‌های فلزی می‌تواند به روش مناسب در بین این اجزا مدفون شده و در برابر حریق حفاظت گردند؛ در غیر این صورت باید با روش مناسب اسکلت فولادی ساختمان محافظت شود. برای خوردگی سازه های فولادی در می بایست قطعات بیرونی و اجزایی که در معرض رطوبت هوا قرار دارند محافظت گردند زیرا زنگ‌زدگی در قطعات داخلی ساختمان فولادی با توجه به رطوبت ناچیز موجود در هوا بعید به نظر می‌رسد. مشخصات صوتی یک ساختمان، بستگی به خواص اجزای داخلی مانند مانند نوع سقف و سیستم دیوارهای جداکننده و تیغه‌های آن دارد. دراین‌بین، سیستم اسکلت باربر ساختمان نقش کم‌تری دارد رفتار اسکلت یک ساختمان بتنی و فولادی، با یک سیستم فضاسازی داخلی مشابه، یکسان است.

مزایای سیستم فولادی

مقاومت بالا: فولاد در تحمل انواع تلاش‌های خمشی، فشاری و کششی نسبت به بتن مسلح برتری دارد. این برتری مقاومت مصالح موجب می‌گردد که ابعاد اعضای سازه‌ای کاهش یابد. بتن در تحمل کشش و خمش ذاتا ضعیف است و به همین دلیل نیاز به تسلیح با فولاد دارد.

شکل‎پذیری و عملکرد لرزه‎ای: شکل‎پذیری خاصیت ذاتی مصالح فولادی است و عملکرد لرزه‎ای فولاد بهتر از بتن می‎باشد. این امر در مقاومت در برابر نیروهای فوق‎العاده مانند زلزله کمک موثری به جذب انرژی و حفظ پایداری سازه می‎نماید. البته با حفظ جزئیات و تدابیر ویژه می‌توان شکل‌پذیری اعضای بتنی را نیز تا مقادیر دلخواه افزایش داد. از طرفی در حالت کلی پیوستگی و انسجام سازه‌های بتنی بیش از سازه‌های فولادی است، اما با رعایت جزئیات مناسب در اتصالات می‌توان در سازه‌های فولادی نیز به انسجام دلخواه دست یافت.

حجم و وزن اسکلت: مزیت عمده اسکلت فولادی نسبت به اسکلت بتنی وزن و حجم کمتر اعضای آن است. حجم زیاد بتن امکان بهره‎گیری از فضای آزاد را در بنا محدود کرده و نیاز به فواصل بیشتر در بین درزها ایجاد می‎نماید. خصوصاً در ساختمان‌های نسبتاً بلند، ابعاد بزرگ اجزاء سازه، کاربری فضاها را با مشکلاتی همراه می‌سازد و علاوه بر آن ابعاد بزرگ تیرها و ستون‌ها وزن سازه و به طبع آن نیروهای زلزله را به میزان قابل توجهی افزایش خواهد داد.