روش های طراحی سازه های فولادی به صورت کاربردی و به بیان ساده

در این مقاله قصد داریم در رابطه با طراحی سازه های فولادی و نکات مربوط به آن بحث کنیم و اطلاعات مفیدی به شما عزیزان ارائه دهیم. قطعاً در این مقاله نکاتی بیان می‌شود که هر دانشجو عمران باید در رابطه با آن‌ها اطلاعاتی داشته باشد. اگر شما هم در زمینه عمرانی تحصیل کرده و قصد افزایش اطلاعات خود را دارید، حتماً تا به انتها با ما همراه بوده و از این مقاله نکته برداری کنید.

سازه های فولادی و انواع آن

زمانی که می‌خواهیم در رابطه با سازه خاصی بحث کنیم باید حتماً بدانیم که آن سازه از چه موادی تشکیل شده و ماهیت اصلی آن چیست؟ به همین دلیل قبل از بیان هر نکته‌ای باید بگوییم که سازه‌های فولادی که ساخته شده از فولاد هستند در واقع از آلیاژ آهن و کربن که فولاد نامیده می‌شود، ساخته شدند. قطعاً هر یک از متریال و مصالح در امر ساخت و ساز دارای ویژگی خاصی بوده و توانایی متفاوتی دارند.

این سازه‌ها که در بخش های مختلف ساخت و ساز و صنایع گوناگونی کاربرد دارند، دارای انواع متفاوتی هستند. این سازه‌ها به 4 دسته اصلی تقسیم می‌شوند که عبارتند از: سازه‌های قابی یا قاب‌بندی شده (Framed structure)، سازه‌های پوسته‌ای (Shell structure)، سازه‌های معلق (Suspension structure) و سازه‌های خرپا (Truss structure).

1- سازه‌های فولادی قابی

این نوع سازه‌ها شامل ترکیبی از تیرها و ستون‌ها هستند که به صورت عناصر افقی یا قائم بکار می‌روند. سازه‌های قاب‌بندی شده در ساختمان‌های صنعتی یا ساختمان‌های بلند و همچنین در سازه‌های موقت کاربرد دارند، براساس شکل تولید، به دو دسته تقسیم می‌شوند. سازه‌های قاب‌بندی با نورد گرم و سازه‌های قاب‌بندی با نورد سرد یا همان LSF که هریک از آنها کاربرد متفاوتی دارند.

2- سازه‌های فولادی پوسته‌ای

سازه‌های پوسته‌ای به صورت ورقی با ضخامت کم هستند که اغلب دارای شکل هندسی و حجم فضایی مشابه کره یا استوانه هستند. از این نوع سازه‌ها به دلیل نوع ساختی که دارند بیشتر در ساخت سقف‌های گنبدی شکل یا برای مخازن ذخیره و سیلوها استفاده می‌شود.

3- سازه‌های فولادی معلق

یکی دیگر از انواع سازه های فولادی پرکاربرد در سطح شهر، سازه‌های معلق هستند که طبقات آن به وسیله کابل‌های آویزان و تاب‌دار سهمی شکل نگه داشته می‌شوند. در این نوع سازه‌ها نیروی کششی برای استقامت سازه حاکم است. بیشترین کاربرد این سازه‌های نیز در ساخت پل‌های معلق و عرشه پل‌ها می‌باشد.

4- سازه‌های فولادی خرپایی

آخرین دسته از سازه‌های فولادی، خرپاها هستند. خرپا، سازه‌ای است متشکل از تیرها که همراه با سایر عناصر، ساختاری مشبک را تشکیل داده‌اند و نیروهای محوری (کششی یا فشاری) را تحمل نموده و منتقل می‌کنند. در واقع در این نوع سازه‌ها تیرهای مثلثی شکل که به تکیه‌گاه‌ها متصل هستند، نیروها و بارهای وارد بر سازه را به زمین منتقل می‌کنند.

استانداردهای طراحی سازه های فولادی

اگر قصد طراحی سازه های فولادی را دارید لازم است تا با دستورالعمل‌ها، الزامات و استانداردهای این طراحی آشنا باشید. استانداردهای ملی و بین‌المللی متعددی در این زمینه وجود دارد. در ایران، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان با عنوان طرح و اجرای ساختمان های فولادی، مبنای طراحی قرار می‌گیرد. استاندارد اروپا در خصوص این طراحی استاندارد BS EN 1993:2006-EUROCODE 3 می‌باشد. برای این طراحی استاندارد آمریکایی AISC 360 نیز معتبر و قابل استناد است.

استانداردهای دیگری نیز وجود دارد. برای مثال استاندارد استرالیا برای طراحی سازه‌های از نوع فولادی استاندارد AS 4100 می‌باشد. استاندارد بین‌المللی ISO 10721 نیز از معتبرترین استانداردهاست که در دو بخش مواد و طراحی و بخش تولید و برپایی تدوین شده است. به دلیل اهمیت طراحی سازه های فولادی ، استانداردهای مختلفی در این زمینه تدوین و منتشر شده است.   

نقشه‌برداری و طراحی سازه های فولادی

بعد از اینکه شما به‌عنوان مالک سازه تصمیم به اجرای آن گرفتید، باید عملیات نقشه‌برداری را انجام دهید. به عبارتی دیگر باید فضای موردنظر برای اجرای سازه را برای عملیات نقشه‌برداری آماده کنید. نقشه‌برداری به معنی به دست آوردن مختصات چندین نقطه کاربردی است. زمانی که زمین یا فضای موردنیاز برای اجرای سازه شما آماده شد، عملیات نقشه‌برداری به کمک دوربین نقشه‌برداری، شاخص، متر و … انجام خواهد شد.

زمانی که قصد طراحی سازه را دارید، باید حتماً از نقشه‌برداری استفاده کنید که مختصات نقاط موردنیاز را داشته باشید. به عبارتی دیگر برای طراحی پلان و موارد دیگر به مختصات نقاط نیاز داریم. به همین دلیل نقشه‌برداری را انجام داده و به کمک اطلاعات به دست آمده برای طراحی سازه اقدام می‌کنیم. در نظر داشته باشید که در زمان دانشجویی بایستی به‌طور حضوری در مراحل نقشه‌برداری، طراحی و حتی اجرای سازه‌ها حاضر شده باشید که ذهن شما با مراحل آشنا باشد. برای این منظور می‌توانید از آموزش نقشه برداری که در سایت فرادرس عرضه شده است نیز استفاده کنید.

• آموزش مبانی نقشه‌ برداری عمومی – کلیک کنید

در این صورت می‌توانید به نحوه درست برای انجام موارد ذکر شده اقدام کرده و به نتیجه برسید. در ادامه این مقاله اطلاعات بیشتری در رابطه با طراحی سازه به کمک نرم‌افزارهای موجود ارائه خواهیم داد. با ما همراه باشید.

طراحی سازه های فولادی به چه روش‌هایی انجام می‌شود؟

در سطرهای بالاتر دانستیم که طراحی سازه به چه معنی بوده و با دلیل اهمیت فولاد هم آشنا شدیم. اکنون لازم است در رابطه با روش‌های طراحی سازه بحث کنیم و اطلاعات مفیدی به شما عزیزان ارائه دهیم. طراحی سازه‌های فولادی به روش‌های زیر انجام می‌شود:

1. طراحی سازه بر اساس حالات حدی

شاید در این زمینه اطلاعاتی داشته باشید و بدانید که طراحی به کمک حالات حدی به معنی در نظر گرفتن مقدار تمامی نیروهای وارده و مقدار مقاومت مصالح است. به عبارتی دیگر مقدار بارهای وارده به سازه از جمله بار زنده، بار مرده، بار برف، بار باران، بار باد، بار زلزله و … محاسبه شده و مقدار حدودی آن به دست می‌آید. بر اساس این مقدار به دست آمده باید در رابطه با نوع مصالح مصرفی و مقاومت آن‌ها تصمیم‌گیری کنیم.

به عبارتی دیگر یکی از بهترین روش‌های طراحی همین روش بوده و شما با توجه به بارهای محاسبه شده آن سازه را می‌سازید تا بتواند مقاومت قابل قبولی در برابر نیروها داشته باشد. شاید لازم باشد که بدانید در نظام مهندسی کشور ایران این نوع طراحی سازه قابل‌قبول بوده و باید اجرا شود.

2. طراحی سازه بر اساس تنش مجاز

این روش که اصلاً توصیه نمی‌شود به این شکل است که باید مصالح و طراحی شما بر اساس مقدار تنشی باشد که در حالت مجاز به ساختمان وارد می‌شود. در حالت کلی اگر طراحی بر اساس این روش انجام شود، در واقع هیچ مقاومتی در برابر زلزله یا بارهایی مانند بار زنده و … نخواهد داشت. به همین دلیل در رابطه با این روش توضیحات بیشتری ارائه نداده و به شما عزیزان هم توصیه می‌کنیم این روش طراحی را هیچ‌گاه اجرا نکنید.

در این بخش از مقاله لازم به ذکر است که روش دیگری برای طراحی سازه های فولادی وجود دارد اما به دلیل اینکه اهمیت بالایی ندارد، از بیان آن صرفه نظر می‌کنیم. اما جهت یادگیری مباحث بیشتر در زمینه تحلیل و طراحی سازه های فولادی می‌توانید از مجموعه آموزش تحلیل و طراحی سازه که در فرادرس ارائه شده است، استفاده کنید.

طراحی سازه های فولادی به کمک نرم‌افزار

همان‌طور که می‌دانیم این روزها نرم‌افزارهای خوبی روی کار آمده و برای طراحی می‌توان از آن‌ها کمک گرفت. این در حالی است که در گذشته طراحی ساختمان‌ها مانند امروز نبوده و به‌صورت دستی برای انجام آن اقدام می‌کردیم. به همین دلیل باید بگوییم که طراحی دستی به‌شدت سخت و زمان‌بر بوده و از طرفی احتمال خطا در این روش بالا است. از طرفی لازم به ذکر است که طراحی دستی برای ساختمان‌های کوتاه و کوچک قابل‌اجرا بوده و برای ساختمان‌های بلند اصلاً قابل‌اجرا نیست. به همین دلیل با وجود نرم‌افزارهای مهندسی می‌توانیم به‌راحتی برای طراحی ساختمان‌های بلند و مرتفع اقدام کنیم.

اما سؤالی که پیش می‌آید این است که چطور می‌توان طراحی سازه به کمک نرم‌افزار را انجام داد. به همین دلیل باید بگوییم که قطعاً به سیستم و آموزش اولیه نیاز است. در حالت کلی شما باید یاد بگیرید که ستون، تیر و … را چگونه و به کمک چه آیتمی باید طراحی کرد. علاوه بر این باید بدانیم که نرم‌افزارهای زیادی در علم مهندسی وجود داشته و از جمله آن‌ها می‌توان به اتوکد، ایتنبس، سیف و … اشاره کرد.

همان‌طور که انتظار می‌رود هر یک از نرم‌افزارهای ذکر شده دارای قابلیت خاصی بوده و برای عملیات متفاوتی می‌توان از آن‌ها استفاده کرد. به‌طور مثال برای طراحی سازه های فولادی و بتنی باید از نرم‌افزار ایتبس (ETABS) و سیف (SAFE) استفاده کرد. شاید برای شما جالب باشد که برای طراحی سازه‌های دیگر مانند سد، جاده‌ها و … نرم‌افزار خاصی وجود داشته و می توانیم از آنها استفاده کنیم. در ادامه اطلاعات بیشتری در رابطه با نرم‌افزارهای معرفی شده به شما عزیزان ارائه خواهیم داد. ما را تا به انتها همراهی کنید.

نرم‌افزار ایتبس (ETABS)

این نرم‌افزار یکی از مهم‌ترین و کاربردی‌ترین نرم‌افزار طراحی سازه‌های فولادی است و باید حتماً با کارایی آن آشنا شویم. قبل از بیان هر نکته‌ای می‌دانیم که در زندگی روزمره ما زمان عامل بسیار مهمی بوده و تمام تلاش افراد بر این است که سرعت انجام کارها بیشتر شود. به همین دلیل نرم‌افزاری مانند ایتبس کارایی بسیار بالایی داشته و مخاطبان زیادی را جذب کرده است.

در این نرم‌افزار می‌توانیم برای طراحی ستون‌ها و تیرها در مدت زمان بسیار کوتاهی اقدام کنیم. اگر با این نرم‌افزار فعالیت کرده باشید و با محیط آن آشنا باشید، قطعاً می‌دانید که به کمک یکی از آیکون‌های آن می‌توان در مدت زمان بسیار کمی ستون‌های هر طبقه را کشیده و به آن اندازه خاصی بدهیم. به عبارتی دیگر در زمان شروع کار با نرم‌افزار ایتبس برای ستون‌ها موردنظر مقدار خاصی را با نام مشخصی تعریف می‌کنیم.

همچنین می توانیم برای نرم‌افزار مشخص کنیم که ستون تعریف شده از چه مصالح یا متریالی است. بعد از این مورد به‌راحتی ستون‌ها را رسم کنید. شاید برای شما جالب باشد که این امر در چیزی حدود 5 دقیقه انجام خواهد شد. بعد از طراحی ستون نوبت به طراحی تیرها می‌رسد. در طراحی تیرهای ساختمان هم دقیقاً مانند ستون‌ها باید مقادیر و متریال اصلی را تعریف کرده و برای طراحی آن اقدام کنیم.

طراحی تیرها هم زمان بسیار کمی لازم داشته و به‌راحتی طراحی ستون‌ها انجام خواهد شد. نکته لازم به ذکر این است که باید بدانیم برای هر ستون و هر تیر در هر طبقه با توجه به عملکرد موردنیاز چه ابعادی را در نظر بگیریم. به‌طور مثال سایز ستون‌های طبقه اول 50*50 یا 45*45 باشد؟ هر یک از آن‌ها دارای بار مرده خاص خود بوده و در افزایش وزن ساختمان مؤثر خواهد بود.

محاسبه مقدار ابعاد ستون و تیرها باید از قبل به‌صورت دستی انجام شود و اعداد موردنیاز را داشته باشیم. از طرفی در طراحی سازه‌های فولادی در نرم افزا ایتبس لازم است مقدار بار زلزله را هم تعیین کرده و برای اعمال بر روی سازه به نرم‌افزار معرفی کنیم. تمامی این موارد به شما کمک می‌کند تا بدانید مقدار ابعادی که برای ستون و تیر در نظر گرفتید، مناسب بوده یا نیاز به تغییرات خاصی دارد. در این بخش از مقاله سعی داشتیم روند کاربرد نرم‌افزار ایتبس را شرح دهیم. اما جهت آموزش کامل کار با نرم افزار ایتبس به صورت پروژه محور و مدل سازی، تحلیل و طراحی سازه های فولادی می‌توانید از آموزش های ارائه شده در سایت فرادرس استفاده کنید.

• آموزش پروژه محور ETABS – کلیک کنید

روش کار با نرم‌افزار سیف (SAFE) به چه شکلی است؟

همان‌طور که در سطرهای بالاتر با ما همراه بودید، ستون و تیر در نرم‌افزار ایتبس طراحی خواهد شد. از طرفی می‌دانیم که بخش اصلی ساختمان که به‌عنوان اولین مورد برای ساخت انتخاب می‌شود، پی و زیرسازی ساختمان است. به همین دلیل باید بدانیم که وزن و نیروهای موجود در کل سازه چه اندازه است تا پی را به شکلی طراحی کنیم که توانایی مقاومت در برابر آن‌ها را داشته باشد.

به همین دلیل بعد از استفاده از نرم‌افزار ایتبس از طراحی انجام شده خروجی برای نرم‌افزار سیف گرفته و آن را در این نرم‌افزار بالا می‌آوریم تا بتوانیم بر اساس آن پی ساختمان را طراحی کنیم. همه می‌دانیم که بار اصلی ساختمان را پی تحمل کرده و باید این بخش از ساختمان آن‌قدر مقاومت داشته باشد که در برابر تمامی نیروهای احتمالی آسیب ندیده و همچنان برای نگهداری ساختمان باقی بماند.

به این ترتیب برای اجرای پی در نرم‌افزار ایتبس اقدام کرده و اطلاعات لازم را ثبت می‌کنیم. بله همان‌طور که متوجه شدید، نرم‌افزار سیف برای طراحی پی بوده و می‌توانیم به کمک آن انواع پی‌های منفرد، نواری، مرکب و … را طراحی و در صورت مناسب بودن اجرا کنیم. همان‌طور که می‌دانیم پی به نام فوندانسیون هم شناخته شده و می‌توانید با این نام آن را بشناسید. برای آشنایی بیشتر با نرم افزار سیف و آموزش طراحی فونداسیون با این نرم افزار، می‌توانید آموزش طراحی آموزش طراحی شالوده یا فونداسیون سطحی با نرم افزار SAFE را مشاهده کنید.

جمع‌بندی

در این مقاله به بررسی ماهیت اصلی فولاد پرداختیم. فولاد آلیاژی از آهن و کربن بوده که دارای الاستیسیته بسیار خوبی است. علاوه بر این باید بدانیم که طراحی سازه‌های فولادی به کمک نرم‌افزارهایی به نام ایتبس و سیف انجام خواهد شد. ایتبس برای طراحی ستون، تیر و … مناسب بوده و می‌توانید از سیف برای طراحی فوندانسیون استفاده کنید. همان‌طور که می‌دانیم، یادگیری نرم‌افزارها امر واجب بوده و توصیه می‌کنیم هرچه سریع‌تر برای این موضوع اقدام کنید. به امید روزهایی که مهندس‌های عزیز بتوانند ایران عزیزمان را به بهترین شکل ممکن بسازند.