زمانی که صحبت از انواع ساختمان می‌شود، انتخاب مطمئن‌ترین نوع سازه از قبل، یک اقدام واضح و حتمی است. بنابراین، ساختمان‌های با اسکلت فلزی، نوعی از سازه‌ها هستند که کارفرمایان اغلب به دنبال آن هستند چون عملکرد بهتری نسبت به هر نوع سازه ممکن دیگر- بتن، چوب و غیره- دارند.

فولاد ماده اصلی اکثریت سازه های اسکلت فلزی است که خود آلیاژی از دو نوع ماده یعنی کربن و آهن است. فولاد همچنین می‌تواند با افزودن درصد کمی از مواد اضافی دیگری همچون گوگرد، کروم، نیکل، فسفر، منگنز و غیره از خواص ویژه‌ای برخوردار شود. این کار اجازه تولید انواع مختلفی از فولاد را فراهم می‌سازد. مثلاً:

• افزودن مس، خواص مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشد.
• مقاومت تسلیم و مقاومت کششی بالاتر را می‌توان با افزودن منگنز و کربن به دست آورد، اگرچه دو جنبه منفی نیز وجود دارد- فولاد نهایی سختتر و شکل‌پذیری کمتری خواهد داشت.
• هم مقاومت در برابر خوردگی و هم مقاومت در برابر دمای بالا را می‌توان با افزودن نیکل و کروم افزایش داد.
• مقاومت خستگی و قابلیت جوشکاری را می‌توان با افزودن گوگرد و فسفر به ترکیب فولاد، بهبود بخشید.

سازه فولادی، بنا به ماهیت خود سازه‌ای است که از اتصال اجزای فولادی (فولاد سازه‌ای) متعدد به یکدیگر، ساخته می‌شود. از سوی دیگر فولاد سازه‌ای، یک مصالح ساختمانی فولادی است که در شکل و ساختار خاص برای مطابقت با مشخصات و الزامات مد نظر ساخته می‌شود.

مجموعه گسترده‌ای از مقاطع مختلف فولادی وجود دارد که می‌توانند به عنوان بخشی از یک سازه فولادی با اشکال، اندازه‌ها و مشخصات خاص خود استفاده شوند. برخی از اشکال رایج که به عنوان مقاطع فولادی در سازه‌های فولادی استفاده می‌شوند عبارتند از:

• نبشی: مقطعی به شکل حرف انگلیسی L؛
• ورق: یک قطعه فلزی نازک و مسطح معمولاً با ضخامت 8 میلیمتر یا کمتر؛
• صفحه: نوع ضخیم‌تر ورق، ضخیم‌تر از یک چهارم اینچ؛
• مقاطع فولادی توخالی HSS/SHS/CHS: مقاطع فولادی توخالی، مقاطعی به شکل دایره‌ای، مستطیلی، بیضی و مربعی هستند.
• تیرɪ: مقطعی به شکل حرف ɪ انگلیسی و یک مقطع بسیار پرکاربرد که شامل انواع مختلفی از تیرها بسته به کشور محل کاربرد است:

• در اروپا، انواع مختلفی از مقاطع همچون HL، IPE، HD، HE و غیره؛
• در آمریکا، مقاطع H، W و غیره؛
• در بریتانیا، عمدتاً UCها و UBها (Universal Columns & Universal Beams).

• مقاطع ناودانی: مقاطعی به شکل حرف انگلیسی C؛
• راد: قطعات فولادی بلند و نسبتاً باریک؛
• مقطع Z: یکی از انواع مقاطع فولادی است که شکلی مانند حرف انگلیسی Z دارد؛
• مقطع T: مقطعی به شکل حرف T؛
• پروفیل ریل: نوعی از مقطع ɪ که در ماهیت خود نامتقارن است و شامل حداقل چهار نوع مختلف می‌شود:
  • ریل ویگنول؛
  • ریل شیاردار؛
  • ریل راه آهن؛
  • ریل فلنج T.

در حالی که برخی از این مقاطع با جوشکاری صفحات خمیده یا مسطح به یکدیگر ایجاد می‌شوند، اکثر نمونه‌های بالا با نورد سرد یا گرم- عبور دادن قطعات فولادی از بین غلطک برای شکل دادن یا تغییر ضخامت- ایجاد می‌شوند.

هنگامی که یک سازه اسکلت فولادی به درستی ساخته شود، انتظار می‌رود که توانایی مقاومت در برابر بارهای وارده را داشته باشد. برخی از انواع ساختمان‌ها با سازه فولادی عبارتند از: پلها، برجها، پایپ رکها، ساختمان‌های بلندمرتبه، ساختمان‌های صنعتی، بعضی ساختمان‌های زیربنایی و غیره.

مزایا و معایب

سازه‌های اسکلت فولادی مانند هرنوع سازه دیگری مشکلات و مزایای خاص خود را دارند. مزایای سازه‌های فولادی بسیار زیاد است:

• سازه‌های فولادی تمام مزایای تولید انبوه و پیش ساخته سازی را دارا هستند، به استثنای چند مورد؛
• امکانپذیر بودن تقویت سازه‌های فولادی در هر نقطه در آینده، امکانی است در راستای افزایش چرخه عمر سازه.
• شکل‌پذیری- یکی از ویژگی‌های فولاد در برابر تغییر شکل پلاستیک قبل از شکست کامل.
• مقاومت خستگی بالا.
• سرعت ساخت و ساز بالا که این امکان را فراهم می‌سازد که هزینه‌های مرتبط با زمان پروژه را کاهش داد.
• فولاد به طور کلی نسبت مقاومت به وزن قابل توجهی دارد که باعث می‌شود سازه فولادی در مقایسه با وزنی که می‌تواند تحمل کند، سبک باشد.
• بسیاری از خواص فولاد را می‌توان با دقت بسیار بالایی پیش‌بینی کرد که محاسبه سطوح تنش بالقوه و سایر معیارهای مهم را بسیار آسانتر می‌کند.

البته که اگر یک نوع مصالح بخواهد برای هر نوع سازه‌ای مناسب باشد دیگر بازاری برای سایر گزینه‌ها باقی نمی‌ماند. سازه‌های فولادی نیز دارای معایب بالقوه خود هستند، مانند:

• ضدآتش نمودن سازه‌های اسکلت فولادی یک ضرورت است زیرا دمای شدید می‌تواند استحکام کلی فولاد را به شدت کاهش دهد.
• خوردگی فولاد یک عامل منفی بسیار مهم است و سازه‌های فولادی نیز از این قاعده مستثنی نیستند- بخصوص وقتی صحبت از قرار گرفتن چنین سازه‌هایی در معرض آب و هوا ( عمدتاً پل‌ها) باشد. بنابراین تعمیر و نگهداری منظم و مقابله با خوردگی بسیار ضروری است.
• سازه‌های فولادی اغلب گرانتر از سایر انواع سازه‌ها هستند که این امر انتخاب آنها را برای پروژه‌های کوچک با بودجه محدود، سخت می‌کند.

فونداسیون

ساخت فونداسیون، اولین بخش از مراحل ساخت و نصب یک سازه فولادی است. انواع مختلفی از پی برای سازه‌های فولادی وجود دارد اما مهمترین عامل تعیین‌کننده برای انتخاب نوع پی، ظرفیت باربری خاک است.

برای فهمیدن اینکه چه نوع پی برای یک نوع سازه خاص مورد استفاده قرار گیرد، فرآیندی به نام بررسی خصوصیات بستر یا خاک- بررسی سطحی و زیرسطحی خاک محل احداث سازه- انجام می‌گیرد.

بار نهایی کلی سازه فولادی نیز بر انتخاب نوع پی تاثیر زیادی دارد. به عنوان مثال، اگر فرآیند بررسی خاک نشان دهد که استحکام کلی خاک نسبتاً ضعیف است و بار سازه فولادی برنامه‌ریزی شده بالا تخمین زده شود، توصیه می‌شود از پی شمعی استفاده شود. این نوع پی یک نوع پی خاص است که به سازه فولادی اجازه می‌دهد بار خود را به سطح خاک سفت منتقل کند.

از سوی دیگر اگر بار مورد انتظار سازه فولادی کم تا متوسط باشد، می‌توان از فونداسیون نواری یا بالشتک‌های بتن مسلح استفاده کرد زیرا هر دو نوع پی بار خود را مستقیماً به خاک زیر منتقل می‌کنند با این انتظار که می‌تواند باری را که از فونداسیون دریافت می‌کند، تحمل کند.  

ستون

نصب ستون دومین مرحله در فرآیند ساخت و نصب سازه‌های اسکلت فلزی پس از ساخت فونداسیون است. این مرحله خاص نیز می‌تواند بسته به بار کل سازه ساختمان بسیار متفاوت باشد. اندازه ستون‌های سازه فولادی ارتباط مستقیمی با بار نهایی سازه دارد.

دو بخش مهم در این مرحله وجود دارد- اتصال بین فونداسیون و ستون‌ها و اتصال بین خود ستون‌ها (وصله). وقتی صحبت از اتصال فونداسیون و ستون‌ها به میان می‌آید، از جوشکاری برای اتصال انتهای ستون با صفحه ستونها استفاده می‌شود. صفحه ستون‌ها خود می‌توانند اشکال مختلفی داشته باشند، اما مفیدترین آنها مستطیل یا مربع شکل هستند زیرا فاصله بین بولت‌ها در این اشکال از سایرین بیشتر بوده و بنابریان کار با آنها معمولاً ساده‌تر است.

از سوی دیگر وصله بین ستونها، اتصالات پایه‌ای هستند بین ستون‌های فولادی مختلف که در هر دو یا سه طبقه ساختمان انجام می‌شوند. این نوع اتصال اجازه می‌دهد تا بتوان ستون‌های بلندتری را اجرا کرد ولی نه آنقدر بلند که در مراحل ساخت، حمل و نصب مشکل‌ساز شوند. وصله‌ها معمولاً حدود 60 سانتیمتر بالاتر از کف طبقه اجرا می‌شوند و هنگامی که ستونهای فولادی دایره‌ای شکل هستند از جوش برای اتصال بین آنها استفاده می‌شود.

تیرها

نصب تیرهای فولادی، منطقاً مرحله بعدی در فرآیند ساخت سازه‌های فولادی است که عمدتاً برای انتقال بارها از طبقات مختلف ( و همچنین سقف) به ستونها استفاده می‌شوند.

دو گروه از اتصالات وجود دارد که میتوان در مورد نصب تیرهای فولادی از آنها استفاده کرد. گروه اول اتصالات، جهت اتصال تیرها به ستون‌های موجود استفاده می‌شوند و بسته به نوع باری که اتصال مورد نظر تحت تاثیر آن قرار می‌گیرد، به دو گروه تقسیم می‌شوند. اگر بارهای مورد انتظار عمودی باشند، بهترین گزینه استفاده از اتصالات ساده مانند double angle، fin plate و flexible end plate. اگر بار مورد انتظار هم عمودی و هم پیچشی باشد، توصیه می‌شود از انواع مختلف اتصالات مانند extended end plates  یا  full-depth end plates شود.

در مورد اتصال بین خود تیرها، روش اصلی استفاده از اتصال تیر به تیر end plate beam-to-beam است. همچنین جهت اتصال تیرهای فرعی به تیرهای اصلی و تطبیق ارتفاع آنها می‌توان از روش برش قسمتی از تیر فرعی جهت نشستن روی تیر اصلی یا جوش دادن یک براکت به تیر اصلی استفاده کرد بطوری که نیازی به اصلاح تیر فرعی در طول فرآیند اتصال به تیر اصلی نباشد.

سیستم سقف

نصب سیستم کف آخرین قطعه از این پازل ساخت سازه اسکلت فولادی است و انواع مختلفی از سیستم‌های سقف وجود دارد که می‌توان از آنها در فرآیند ساخت سازه فولادی از آنها استفاده کرد. طبقات معمولاً همزمان یا پس از نصب تیرها نصب می‎‌شوند و معمولاً به عنوان یک " دیافراگم" برای سازه و همچنین یک سازه مقاوم در برابر بارهای وارده بصورت عمودی عمل می‌کند. انواع مختلف سیستم‌های سقف عبارتند از:

• تیرهای غیرکامپوزیت با عناصر بتنی پیش‌ساخته
• تیرها و دالهای کامپوزیت با دهانه بلند با اضافه کردن عرشه فولادی
• تیرها و دالهای کامپوزیت سلولی با اضافه کردن عرشه فولادی
• تیرها و دالهای کامپوزیت با دهانه کوتاه با اضافه کردن عرشه فولادی
• تیرهای کامپوزیت با عناصر بتنی پیش‌ساخته
• تیرهای slimflor با عناصر بتنی پیش ساخته
• سیستم سقف slimdeck

سیستم مهاربندی و پوشش فلزی نیز اغلب در چارچوب این موضوع مورد توجه قرار می‌گیرد. مهاربندی برای انتقال نیروی جانبی از خود سازه به ستونها و سپس فونداسیون استفاده می‌شود. از طرف دیگر پوشش فلزی برای محافظت فضای داخلی سازه قاب فولادی استفاده می‌شود و ممکن است به شکل ورق یا آجری باشد.

انواع سازه‌های فولادی با کاربری ساختمانی

نمونه‌های مختلفی از سازه‌های فولادی وجود دارد که پیشتر ارائه کردیم و همه آنها را می‌توان به چهار نوع سازه اصلی تقسیم کرد. ساخت هریک از این سازه‌ها رویکرد خاص خود را می‌طلبد و فقط برای انواع خاصی از ساخت‌و‌سازهای اسکلت فلزی کاربرد دارند. به این ترتیب، این چهار نوع طراحی سازه فولادی عبارتند از:

قاب دروازه‌ای ( steel frame):

 متداول‌ترین نوع سازه‌های سبک فولادی، سیستم قاب دروازه‌ای است که بسیار محبوب بوده و برای مقاومت در برابر نیروی کل سازه، تنها به مقاطع فولادی رایج، لوله‌های فولادی، پروفیل z و ناودانی متکی هستند. این نوه سازه فولادی اغلب برای ساخت بسیاری از انواع ساختمانها با کاربری صنعتی، کشاورزی، تجاری و اداری- البته شاید رایجترین نمونه ممکن سوله‌های انبار و آشیانه هواپیما که در بسیاری از کشورهای دنیا معمول هستند، باشد- استفاده می‌شود.

شبکه فولادی (steel grid):

به طور کلی شبکه فولادی یک ساختار فضایی است که از اتصال میله‌های متعدد به یک شکل و ساختار خاص تشکیل می‌شود. ساختارهای شبکه‌ای زیادی وجود دارد و استانداردهای مختلفی نیز برای آنها وجود دارد. بسیار صلب هستند و مقاومت لرزه‌ای گسترده‌ای را ارائه می‌دهند که آنها را برای ساخت آشیانه‌ها، سالن‌های نمایشگاهی، ورزشی و غیره مناسب می‌سازد.

اسکلت فولادی ساختمانی (steel building frame):

 یکی دیگر از انواع ساختارهای فولادی محبوب که بیشتر برای ساختمانهای چند طبقه مورد استفاده قرار می‌گیرد، اسکلت فولادی ساختمانی است که از ستون و تیر تشکیل شده و قادر به تحمل فشار عمودی و افقی می‌باشد. این نوع اسکلت فولادی برای انواع ساختمان‌های بلندمرتبه، تجاری، سالن‌های کنفرانس و غیره مناسب است.

خرپا فولادی (steel truss):

 ساختار خرپایی از اتصال مقاطع فولادی همچون پروفیل‌های نبشی و ناودانی و قوطی به یکدیگر تشکیل می‌شود. در این ساختار، فولاد کمتری نسبت به ساختارهای دیگر استفاده می‌شود و نسبت به وزن کم سازه نیروی بیشتری را می‌تواند تحمل کند. به همین دلیل است که اغلب برای پلها، سقف‌ها، پل پیاده‌روها یا کوریدورها، برج‌های تلویزیونی، سکوهای نفتی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.

طراحی سازه‌های فولادی

مانند هر سازه‌ای با ابعاد متوسط و  از هر نوع مصالح، در مرحله طراحی، محاسبات زیادی باید انجام شود تا سازه مربوطه پس از ساخت تحت وزن خود فرو نریزد. وقتی صحبت از سازه‌های فولادی می‌شود، دو رویکرد اصلی برای طراحی وجود دارد:

طراحی براساس ضریب بار و مقاومت ( LRFD که طراحی بر مبنای حالت حدی LSD نیز نامیده می‌شود)؛

طراحی براساس مقاومت مجاز (ASD).

از نقطه نظر طراحی، شرایط خاصی وجود دارد که می‌توان از نظر تئوری به سازه‌های فولادی اعمال کرد و حالت حدی نامیده می‌شود. حالت حدی نشان‌دهنده نقطه‌ای است که پس از آن یک جزء یا کل سازه فولادی دیگر قادر به انجام هدفی که برای آن ساخته شده است، نیست.

نمونه‌های مختلفی از حالت‌های حدی وجود دارد که می‌توانند به نوعی به سازه آسیب بزنند و آن را برای استفاده در آینده از دسترس خارج کنند و این موضوعی است که جدای از رویکرد زیبایی شناختی، باید در زمان طراحی سازه مد نظر داشت.

چند نمونه از حالات حدی عبارتند از ترک خوردگی، پیچش، خستگی، برش، خمش، کمانش. برای مقابله با همه این مسائل بالقوه، یک رویکرد خاص در طراحی سازه‌های فولادی وجود دارد که LRFD یا طراحی براساس ضریب بار و مقاومت نامیده می‌شود.

این روشی از مهندسی سازه است که از حالاتی محدود برای تحلیل مسائل بالقوه و طراحی و خلق سازه‌هایی که احتمالاً بتوانند در برابر این مسائل مدت زمان طولانی‌تری دوام بیاورند، استفاده می‌کند. این روش هم مقاومت و هم تغییر در بار را به حساب می‌آورد و به سطوح نسبتاً بالایی از ایمنی برای حداکثر حالات حدی دست می‌یابد.

اگر مفهوم LRFD برای شما بسیار پیچیده به نظر می‌رسد روشی جایگزین به نام ASD- طراحی تنش مجاز- وجود دارد. این روش رویکردی نسبتاً ساده برای ایمنی سازه‌ای ساختمان است و عمدتاً محاسبات خود را بر پایه رفتار الاستیک خطی مصالح مورد نظر- در اینجا فولاد- انجام می‌دهد. این روش براساس تجربه از مشخصات و خصوصیات مصالح استفاده می‌کند و تنها شامل دو فاکتور بزرگ یعنی حداکثر بار بالقوه یک سازه و یک ضریب ایمنی خطی می‌باشد.

هنگامی که صحبت از مقایسه مستقیم بین روش ASD و LRFD در طراحی سازه‌های فولادی به میان می‌آید، ASD ساده‌تر و البته از دقت کمتری برخوردار است در حالی که LRFD پیچیده‌تر اما در محاسبات قابل اعتمادتر است. علاوه بر این LRFD هنگام محاسبات عوامل بیشتری را در طراحی در نظر می‌گیرد مانند مقادیر مختلف برای بارهای زنده و مرده که در مورد ASD اصلاً متفاوت محاسبه نمی‌شوند.

روش‌های طراحی اتصالات سازه‌های فولادی

سه رویکرد اصلی طراحی برای ساخت سازه‌های فولادی وجود دارد که به ترتیب ساده، پیوسته و نیمه پیوسته نامیده می‌شوند. این طرح‌ها نشان می‌دهند که چگونه انواع مختلفی از سازه‌ها با استفاده از چندین رویکرد طراحی متفاوت ایجاد می‌شوند و نه یک روش طراحی واحد.

طراحی سازه فولادی به روش ساده

روش ساده برای طراحی سازه‌های فولادی به احتمال زیاد دارای کمترین پیچیدگی در بین سه روش و همچنین محبوب‌ترین روش طراحی است. این روش بر این فرض استوار است که یک عضو متصل هیچ تکانه‌ای را به عضو دیگر منتقل نمی‌کند، به استثنای تنها ممان‌های اسمی ( خروج از مرکزیت اتصال- Joint  eccentricity)

تدارک مهاربندی، مقاومت سازه در برابر هم بارهای جانبی و هم بارهای ناشی از حرکت جانبی را تضمین می‌کند. از آنجایی که طراحی سازه‌های فولادی به روش ساده فرض می‌کند که تمام اتصالات، مفصلی کامل هستند ( به منظور سهولت محاسبه در سراسر صفحه) طراح پروژه باید مطمئن شود که اتصالات سازه پروژه به گونه‌ای تفصیل شده‌اند که اجازه بوجود آمدن هیچ ممان منفی بالقوه‌ای را نمی‌دهند.

این رویکرد در طراحی به طور کلی برای سالها و هزاران پروژه کارآمدی خود را ثابت کرده است، به همین دلیل است که در این نوع از رویکرد طراحی سازه‌های فولادی رجوع به اتصالات استاندارد بسیار توصیه می‌شود.

طراحی سازه فولادی به روش پیوسته

برخلاف مثال قبلی، طراحی سازه فولادی پیوسته فرض می کند که اتصالات هم صلب هستند و هم قادر به انتقال ممان از ابتدا هستند. علاوه بر این، خم شدن تیرها، ستون‌ها ( عملکرد قاب) چیزی است که پایداری کلی قاب را تضمین می‌کند که تحت تاثیر  بارهای ناشی از حرکت جانبی قرار می‌گیرد.

طراحی به روش پیوسته در مقایسه با روش طراحی ساده وابستگی بسیار بیشتری به محاسبات نرم‌افزاری دارد، به خصوص زمانی که صحبت از عملیات آنالیز فریم یا قاب می‌شود. دلیل اصلی این تفاوت، پیچیدگی کلی سازه‌های پیوسته است و معمولاً طراحی آنها نیز بسیار پیچیده‌تر از سازه‌های ساده است.

علاوه بر این، بسته به روش طراحی که برای کل قاب استفاده می‌شود، کل این رویکرد در طراحی را می‌توان به دو دسته پلاستیک و الاستیک تقسیم کرد. این دو رویکرد با یکدیگر متفاوت هستند و خود این تفاوت‌ها نیز می‌توانند جدی و موثر باشند.

به عنوان مثال طراحی پلاستیک، مقاومت اتصال را به عنوان بزرگترین عامل تعیین کننده ظرفیت باربری کلی سازه می شناسد. مکانیسم فروپاشی سازه تا حد زیادی به ایجاد مفصل های پلاستیک در اعضا یا در اتصالات، بستگی دارد. اگر مفصل پلاستیک در اتصالات رخ دهد، خود اتصال باید از قبل، با تامین شکل‌پذیری کافی، خود را با چرخش‌های حاصل تطبیق دهد. در عین حال، سختی اتصال در محاسبات سایر عناصر سازه، مانند مقاومت در برابر حرکات جانبی و همچنین حرکت جانبی و خمیدگی‌های تیر اهمیت دارد.

از سوی دیگر، طراحی الاستیک به این معنی است که هر اتصال باید بتواند به تنهایی مقادیر زیادی از جمله نیرو، ممان و برش را که ممکن است پس از فرآیند آنالیز قاب ایجاد شود، تحمل کند. اتصالات همچنین باید دارای سختی دورانی کافی باشند تا اختلاف بین توزیع نیروی واقعی و محاسبه شده، خیلی زیاد نباشد.

طراحی سازه فولادی به روش نیمه پیوسته

رویکرد نیمه پیوسته در طراحی سازه‌های فولادی، در بین هر سه رویکرد، هم پیچیده‌تر است و هم در صنعت ساخت‌وساز جدیدتر. یکی از اصلی‌ترین دلایل پیچیدگی رویکرد طراحی نیمه پیوسته این است که مستلزم محاسبه بسیار دقیق‌تر عکس‌العمل اتصالات، نسبت به دو روش دیگر است. از آنجایی‌که محاسبه رفتار اتصالات با سطح دقت بسیار بالا دشوار، نیازمند صرف زمان زیاد و استفاده از نرم‌افزارهای کامپیوتری بسیار خاص است، این روش نسبت به دو روش دیگر، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این روش طراحی بسته به نوع قاب یعنی مهاربندی‌شده یا بدون مهار، می‌تواند به دو روش جداگانه تقسیم شود. قاب‌های بدون مهار آنهایی هستند که از طریق لنگرهای خمشی در تیرها یا ستونها مقاومت ایجاد می‌کنند. از سوی دیگر، قاب‌های مهاربندی‌شده دارای یک هسته یا سیستم مهاربندی هستند که در برابر بارهای جانبی مقاومت ایجاد می‌کند.

در ادامه توضیح بسیار ساده شده‌ای در مورد نحوه عملکرد هر دو قاب مهاربندی‌نشده و مهاربندی‌شده و تفاوت آنها ارائه شده است:

در هنگام محاسبه بارهای ثقلی، قابهای بدون مهار، اتصالات ستونها یا تیرها را مفصل شده در نظر می‌گیرند. اما این فرض نیز وجود دارد که اتصالات زیر بارهای باد، صلب هستند و عملکرد قاب بارهای جانبی را تحمل می‌کند.

قابهای مهاربندی شده از رفتار واقعی اتصال برای کاهش خمیدگی و همچنین ممان خمشی که در غیر این صورت به تیرها با نیروی کامل اعمال می‌شود، استفاده می‌کند.

سازه‌های فولادی چگونه طراحی می‌شوند- یک راهنما

هریک از فرآیندهای طراحی به طور کامل، از قسمت‌ها و تفاوت‌های منحصربه‌فرد خود برخوردار است اما به جرات می‌توان گفت که حداقل 6 مرحله کلی در فرآیند طراحی یک سازه فولادی وجود دارد:

1. دریافتن اینکه آیا اصلاً امکان ساخت سازه خاص مورد نظر با استفاده از فولاد وجود دارد یا خیر. فولاد به عنوان یک ماده آنقدرها هم که در نگاه اول به نظر می‌رسد جهانی نیست و ساخت برخی از سازه‌ها با فولاد ممکن است در بعضی نقاط دنیا، بهترین رویکرد ممکن نباشد. در واقع فولاد، برای ساخت قاب‌های پیچیده با دهانه‌های بزرگ و ارتفاع بلند، مانند انبارها، آشیانه‌ها، کارخانه‌ها، پلها، استادیوم‌های ورزشی و غیره بسیار پرکاربرد و مناسب است.
2. گام بعدی نیز باید نسبتاً واضح باشد- تعیین طرح و نوع اسکلتی که قرار است تولید شود. این انتخاب معمولاً با همکاری مهندسان حرفه‌ای انجام می‌شود، زیرا پارامترهای زیادی همچون بار برف و باران، فشار باد، انتخاب قاب نشیمنگاهی صحیح، امکان ترکیب فولاد با بتن و غیره، وجود دارد که باید در اینجا در نظر گرفته شوند. در این مرحله طرح کلی سازه، سختی یکنواخت در طول صفحه، محاسبه صحیح توزیع بار، پارامترهای سازه‌ای موثر در بلندمدت و موارد دیگر تصمیم‌گیری می‌شود. بارهای متحرک و سنگین باید به راحتی به فونداسیون منتقل شوند، تکیه‌گاه ضدلغزش باید به طور مساوی بین تمام ستونها توزیع شود و غیره. در این مرحله در صورت لزوم، طراحی تیرهای فرعی نیز، صورت می‌گیرد.
3. آنالیز یکپارچگی سازه و سایر پارامترهای مشابه، گام بعدی این فرآیند است و این گام بطور خاص عموماً به عنوان مبنایی برای سایر فرآیندهای آنالیزی دقیقتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. بسته به نوع سازه ممکن است بتوان برخی از پارامترها مانند نیروهای داخلی یا تغییر شکل را، بدون کمک نرم‌افزار آنالیز- که منحصراً از دستورالعمل‌های مکانیکی یا سایر کتابهای مرجع اقتباس شده‌اند- به دست آورد.
4. قضاوت مهندسی نقش زیادی در طراحی کلی هر سازه فولادی دارد زیرا می‌تواند به ترتیب برای تایید یا رد انتخاب‌های طراحی از بعد قابلیت انجام مورد استفاده قرار گیرد. اگر نرم‌افزار مورد استفاده برای محاسبات از قبل به درستی تنظیم شده باشد، در بیشتر موارد باید تصمیمات مهندسی را مد نظر قرار داد. هر فرد تازه‌کاری در این زمینه باید از این تصمیمات مهندسی، در اکثر موارد پیروی کند و فقط طراحان با تجربه ممکن است از برخی از تصمیمات مهندسی استفاده نکنند. در عین حال، این قضاوت‌های مهندسی نباید با هزینه مفاهیم، شروط یا انواع سازه انتخاب شده، اعمال شوند. محاسبات مهندسی (کمی) اهمیت کمتری نسبت به مفهوم وفاداری به مفهوم اصلی ساختمان دارد. بنابراین استفاده بیش از حد از نرم‌افزارهای مهندسی توصیه نمی‌شود و سودآورترین اقدام، توجه دقیق هم به قضاوت‌های مهندسی و هم به طراحی مفهومی به عنوان یک امر کلی و پایه‌ای است.
5. انتخاب مصالح یکی دیگر از مراحل قابل توجه در این فرآیند است زیرا فولاد به خودی خود آلیاژی است که می‌تواند به روش‌های مختلف اصلاح شود و تنوع زیادی را در انتخاب نوع فولاد ایجاد می‌کند. آلیاژهای مختلف فولاد موارد استفاده، نقاط قوت و ضعف متفاوتی دارند و حتی نرم‌افزارهایی وجود دارد که می‌توانند تعدادی از پارامترهای پروژه را بسته به مشخصات مصالح انتخابی، مجدداً محاسبه کند. حتی نرم‌افزارهایی وجود دارد که به کاربران اجازه می‌دهد درصورتی‌که مشخصات مصالح قبلی با مشخصات پروژه مطابقت نداشته باشد، مشخصات مصالح را بهبود داده تا جایی که پارامترهای مورد نظر پروژه تامین شود. به این ترتیب، می‌توان تعدادی از آلیاژهای فولاد مشابه را قبل از یافتن آلیاژی که برای پروژه مناسب‌تر است انتخاب کرد. این نوع نرم‌افزارها همچنین میزان کار معماران در این بخش پروژه را به شدت کاهش می‌دهند.
6. آخرین مرحله که البته از اهمیت بالایی هم برخوردار است، آماده‌سازی نقشه‌ها است. نقشه‌های نهایی شامل دو بخش کاملاً متفاوت است، نقشه‌های اولیه و نقشه‌های تفضیلی. نقشه‌های تفضیلی مبنای عملیات ساخت‌وساز خواهند بود. الزامات طراحی، داده‌های فنی، داده‌های بارگذاری و آرایش سازه‌ای تنها برخی از عناصر اطلاعاتی هستند که می‌‌توانند در فرآیند تهیه نقشه‌های اجرایی مورد استفاده قرار گیرند.

استانداردهای طراحی برای سازه‌های فولادی

از آنجایی‌که فرآیند طراحی سازه‌های فولادی به طور کلی با مدلها، استانداردها و روش‌های مختلفی سروکار دارد و سازه‌های کوچک و بزرگ با کاربرهای متنوع و بعضاً استراتژیک و حیاتی بوسیله آن، طرح و ساخته می‌شوند، طبیعی است که استانداردهای واقعی که توسط دولتها تهیه و تنظیم و بروزرسانی می‌شوند، وجود داشته باشد. در کشور ما دو استاندارد زیر برای طراحی و اجرای سازه‌های فولادی وجود دارد:

1. مبحث دهم مقررات ملّي ساختمان- طرح و اجراي ساختمان‌هاي فولادي (تهیه کننده: سازمان برنامه و بودجه- معاونت امور فنی- دفتر امور فنی و تدوین معیارها)
2. نشریه شماره 169- آیین نامه طراحی سازه‌های فولادی به روش حالات حدی ( تهیه کننده: وزارت راه و شهرسازی- معاونت مسکن و ساختمان- دفتر امور مقررات ملی ساختمان)