انواع طراحی سازه فولادی

طراحی سازه فولادی چیست و چگونه انجام می شود؟
طراحی سازه های فولادی یکی از حوزه های مهم در مهندسی سازه است. اصول این حوزه به منظور طراحی و ساخت سازه هایی نظیر مدرسه، خانه، پل، مرکز تجاری، برج، هواپیما، کشتی و مجموعه های ورزشی مورد استفاده قرار می گیرند.

متداول ترین سیستم اجرای این سازه ها استفاده از قاب یا اسکلت فولادی است. در این بخش، به معرفی خلاصه ای از اصول طراحی اعضای سازه های فولادی می پردازیم.

استاندارد سازه فولادی چیست؟
استاندارد سازه فولادی، مرجعی است که مهندسان و طراحان با استفاده از آن، اقدام به طراحی و اجرای سازه ها و عضوهای فولادی می کنند.

به منظور شروع طراحی و اجرا، ابتدا باید با دستورالعمل های موجود را تهیه کرد و بر اساس آن ها پیش رفت. استاندادرهای بین المللی و ملی متعددی برای طراحی سازه های فولادی وجود دارند.

در ایران، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمان های فولادی)، به عنوان مبنای طراحی عضوهای ساختمان اسکلت فولادی در نظر گرفته می شود.

از استانداردهای بین المللی طراحی سازه های فولادی می توان 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 عنوان های «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 پروفیل های ساختمانی در استانداردهای مختلف بر اساس مواد سازنده و روش تولید (نورد سرد یا گرم) نیز ارائه می شوند.

نمونه هایی از این استانداردها عبارت هستند از:

• EN 10025: مجموعه استاندارهای پروفیل های فولاد ساختمانی نورد گرم.
• ASTM A36: استاندارد ورق و پروفیل های 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 می گیرد.

برای فشار محوری، عضو کششی را می توان به دو نوع لاغر و غیر لاغر تقسیم بندی کرد. بررسی لاغری اعضای کششی مطابق با جدول 10-2-2-1 و 10-2-2-2 مبحث دهم (1392) انجام می گیرد.

بر این اساس، اگر نسبت پهنا به ضخامت (b/t) ازλrبیشتر باشد، مقطع با اجرای لاغر محسوب می گردد.

برای خمش، عضو کششی به سه گروه مقاطع فشرده، غیر فشرده و با اجزای لاغز تقسیم می شود. بر اساس جداول 10-2-2-3 و 10-2-2-4 مبحث دهم (1392) داریم:

• مقاطع فشرده: اتصال بال ها به طور سرتاسری و پیوسته به جان/جان ها و کوچک تر بودن نسبت پهنا به ضخامت ازλp.
• مقاطع غیر فشرده: بزرگ تر بودن نسبت پهنا به ضخامت ازλpبرای یک یا چند جز فشاری از مقطع عضو و کوچک تر بودن نسبت پهنا به ضخامت ازλr.
• مقاطع با اجرای لاغر: بزرگ تر بودن نسبت پهنا به ضخامت ازλrبرای 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:
مهم ترین مسئله در طراحی اعضای کششی سازه های فولادی، مفهوم کمانش است. تعیین مقاومت فشاری طراحی این اعضا توسط ϕcPn انجام می گیرد (ϕc=0.9).

برای اعضای فشاری با مقطع بدون اجزای لاغر، مقاومت فشاری اسمی (Pn) برابر با کوچک ترین مقدار محاسبه شده از حالت های حدی کمانش خمشی، کمانش پیچشی و کمانش خمشی-پیچشی در نظر گرفته می شود.

طراحی اعضای خمشی سازه فولادی:
طراحی اعضای خمشی، پیچیده تر از طراحی اعضای تحت بار محوری (کششی یا فشاری) است.

به این منظور، رفتار مقاطع با توجه به شکل، محور تقارن، فشردگی و شرایط بارگذاری مورد بررسی قرار می گیرد.