طراحی سازه فولادی جوشی

طراحی سازه فولادی جوشی تابع فاکتورهای مختلفی است که از مهم ترین این موارد می توان به نوع مقطع ، آرایش مقطع ، فواصل تکیه گاهی ، نوع سیستم باربر جانبی ، روش ساخت ، روش بهره برداری و محل ساخت ساختمان اشاره کرد.

شرکت عمران مدرن ، برحسب مشخصات پروژه شما، مجرب ترین متخصصان مربوطه جهت طراحی سازه فولادی جوشی را معرفی نموده تا در اسرع وقت و با بالاترین کیفیت و مقرون به صرفه ترین قیمت ، پروژه را به انجام برسانند.

همچنین شما می توانید به طور مستقیم با ارائه دهندگان خدمت طراحی سازه فولادی جوشی در ارتباط بوده و یا ضمن برقراری ارتباط با عمران مدرن ، معرفی بهترین ارائه دهنده را به ما بسپارید.

کیفیت و استحکام سازه‌ های فلزی ، به طراحی و سپس اجرای درست اتصالات آن‌ ها وابسته است. چراکه هرگونه ضعف در اتصالات می تواند خرابی سازه را در پی داشته باشد. اتصال قطعات به وسیله جوشکاری یکی از رایج‌ ترین روش هایی است که به طور وسیع در اسکلت فلزی جوشی به کار می ‌رود.

روش های طراحی سازه فولادی جوشی

مهندسین و متخصین ساختمان همواره در تلاش اند که در طراحی سازه های فولادی دو فاکتور ضریب اطمینان بالا و هزینه طراحی و اجرا را بهینه نمایند. به همین منظور سه روش طراحی سازه فولادی جوشی بر اساس تنش مجاز ، طراحی سازه فولادی جوشی بر اساس مقاومت نهایی و طراحی سازه فولادی جوشی بر اساس حالات حدی مورد استفاده می گیرد.

طراحی سازه فولادی جوشی براساس تنش مجاز 

طراحی سازه های فولادی جوشی بر اساس تنش مجاز یا ASD ، قدیمی ترین روش طراحی است که از قانون هوک تبعیت می کند. به طوری که در طراحی اسکلت فلزی جوشی به روش ASD ، فرض می شود که فولاد و بتن الاستیک بوده و تنش رابطه مستقیمی با کرنش تا نقطه خرابی دارد. 

به عبارتی طراحی سازه فولادی جوشی به روش تنش مجاز به گونه ای است که حتی تحت بدترین حالت ترکیب بار ، تنش های مجاز در هیچ نقطه ای از سازه از مقادیر مشخص تجاوز نکند.

مراحل طراحی سازه های فولادی جوشی به روش بهره برداری شامل تعیین بارهای وارد بر سازه ، تعیین تنش های مجاز با استفاده از آیین های محاسباتی و آنالیز سازه در مراحل مختلف به کمک تئوری الاستیسیته است.

با وجود این که طراحی سازه های فولادی جوشی با روش  ASDیا روش بهره برداری از سهولت بیشتری نسبت به سایر روش های طراحی برخوردار است، اما معایبی نیز دارد.

عدم لحاظ عدم قطعیت بارها و عدم لحاظ ضرایب ایمنی از دیگر معایب طراحی سازه فولادی جوشی به روش تنش مجاز است. از طرفی مقاطع طراحی شده در این روش عمدتا مقرون به صرفه نمی باشد.

طراحی سازه فولادی جوشی براساس مقاومت نهایی

در سال ۱۹۸۰ با افزایش کیفیت مصالح و ارتقاء سطح کیفی اجرا ، طراحی سازه فولادی جوشی براساس مقاومت نهایی یا پلاستیک (LRFD) بر اساس تئوری روش پلاستیک یا مقاومت نهایی به عنوان یک روش علمی تر و اقتصادی تر در بسیاری از کشورها جایگزین روش تنش مجاز گردید.

در روش LRFD ، به جهت طراحی بر مبنای مقاومت نهایی و خارج شدن از محدوده الاستیک تحت بار ناشی بارگذاری ، هزینه های ساخت و ساز به نسبت ASD کاهش می یابد.

مراحل روش مقاومت نهایی که یکی از پر کاربردترین روش های طراحی سازه های فولادی جوشی است، شامل افزایش بار بهره برداری با اعمال ضریب بار ، تعیین مقاومت هر مقطع از سازه با اعمال بارهای ضریب دار شده و طراحی سازه ای با مقاومتی بیشتر از مقاومت در نظر گرفته شده در گام قبل، می باشد.

طراحی سازه فولادی جوشی براساس حالت حدی

طراحی سازه فولادی جوشی براساس حالت حدی در واقع مشابه طراحی سازه فولادی جوشی به روش LRFD است، با این تفاوت که بهبود های بیشتری در این روش حاصل گشته است. 

به طوری که در این روش از طراحی سازه های فولادی جوشی ، ظرفیت باربری و ایمنی اعضای سازه ، با احتمالات منطقی تر ارزیابی می گردد. به گونه ای که طراحی سازه بر مبنای احتمال وقوع شرایطی است که خواسته های طراحی در آن لحاظ نگردد.

در طراحی سازه فولادی جوشی به روش حالت حدی ، حالت حدی فروریزش که شامل حالت حدی فروپاشی در خمش ، فشار ، برش و پیچش است و حالت حدی بهره برداری که شامل حالت حدی تغییر شکل ، ترک خوردگی و ارتعاش است، لحاظ می گردد.

طراحی لرزه ای سازه های فولادی جوشی

انواع سیستم های جانبی معمول در طراحی لرزه ای سازه های فولادی جوشی شامل سیستم قاب ساختمانی ساده با مهاربند ، دیوار برشی ، قاب خمشی و سیستم دوگانه است.

طراحی قاب ساده در سازه فولادی جوشی

در این نوع از طراحی لرزه ای سازه های فولادی جوشی ، از ترکیب قاب ساختمانی جهت تحمل بار ثقلی با مهاربند های همگرا یا واگرا جهت تحمل بار جانبی استفاده می شود. اما نوع مهاربند استفاده شده می تواند در عملکرد لرزه ای سازه بسیار موثر باشد.

لازم به ذکر است که مطابق استاندارد ۲۸۰۰ در سازه های یک و دو طبقه، استفاده از مهاربندهای K شکل به سبب عملکرد نامناسب این نوع از مهاربند ها در زلزله ، مجاز نمی باشد. چراکه در اثر اعمال نیروی جانبی زیاد به سازه ، مهاربندی که تحت نیروی فشاری قرار دارد، کمانش کرده و در نتیجه مقاومت آن شدیدا کاهش پیدا می یابد، اما مهاربندی که تحت نیروی کششی قرار دارد، نهایتا تسلیم می گردد. به همین دلیل اختلاف زیادی بین نیروی محوری مهاربند کششی و فشاری ایجاد شده که باعث ایجاد برش زیاد در ستون می شود.

طراحی مهاربند همگرا در سازه فولادی جوشی

یکی از رایج ترین نوع مهاربند ها که جهت طراحی لرزه ای سازه های فولادی جوشی مورد استفاده قرار می گیرد، مهاربند های هم محور یا همگرا است. مهاربند همگرا در تنش ‌های نه چندان بزرگ و تا زمانی که دارای عملکرد خطی می باشد، سختی و مقاومت مناسبی دارد. اما این مهاربند زمانی که تحت تنش های بزرگ در ناحیه فوق الاستیک قرار می گیرد، احتمال کمانش آن افزایش می یابد.

طراحی مهاربند واگرا در سازه فولادی جوشی

یکی دیگر از سیستم های باربری جانبی سازه های فولادی جوشی ، ترکیب قاب ساختمانی با مهاربند واگرا است. به طوری که در این سیستم قسمت کوچکی از طول تیر بین انتهای دو مهاربند یا بین انتهای یک مهاربند و ستون قرار می گیرد. این قسمت از طول تیر که به آن تیر پیوند گفته می شود، در انتقال نیروهای ایجاد شده در مهاربند نقش اساسی دارد. به طوری که با توجه به نقش قابل توجه تیر پیوند در عملکر لرزه ای سازه ممکن است با مقطعی متفاوت از بخش های دیگر تیر اجرا شود.

در این نوع از سیستم طراحی سازه های فولادی جوشی ، به جهت عملکر لرزه ای مناسب توصیه می شود که تیر دهانه مهاربندی شده به ستون های اطراف آن به صورت صلب متصل گردد. 

طراحی مهاربند BRB در سازه فولادی جوشی

امروزه طراحی لرزه ای سازه های فولادی جوشی با استفاده از مهاربند کمانش تاب (BRB) می تواند به طور موثری در ارتقاء لرزه ای سازه های موجود که دارای عملکرد لرزه ای ناکافی می باشد و یا به جهت حفاظت از سازه ها در زلزله های بزرگ و دستیابی به تراز عملکردی بالا، موثر باشد.

مهاربند کمانش تاب BRB ، هسته ای فولادی و شکل پذیر است که برای جاری شدن در فشار و کشش طراحی شده است. این هسته شکل پذیر درون غلافی از جنس فولاد قرار گرفته و درون آن غلاف با ملات یا بتن پر می شود. 

همچنین در مهاربند کمانش تاب (BRB) یک سطح لغزش بین هسته فلزی و بتن محصور کننده به گونه ای که امکان حرکت نسبی بین هسته فولادی و بتن فراهم شود، ایجاد می گردد. لذا در این سیستم ضمن جلوگیری از کمانش موضعی هسته مهاربند BRB ، امکان تسلیم آن در حالت بارگذاری فشاری فراهم می گردد.

به عبارتی قبل از ریختن ملات ، لازم است یک رابط جدا کننده به جهت کاهش انتقال نیروی محوری بین هسته فولادی و ماده پر کننده در نظر گرفته شود. از طرف دیگر اثر پواسون نیز باعث می شود هسته فولادی تحت فشار منبسط شده و با ماده پر کننده در تماس قرار گیرد که فضای خالی بین هسته فولادی و بتن برای کاهش اثرات این افزایش حجم در نظر گرفته شده است.

بنابراین ترکیب بتن و غلاف فولادی در این نوع از طراحی لرزه ای سازه های فولادی جوشی ، سختی و مقاومت خمشی لازم را برای جلوگیری از کمانش کلی مهاربند فراهم آورده و امکان تحمل بار توسط هسته فولادی را تا حد تسلیم ممکن می سازد.

طراحی دیوار برشی در سازه فولادی جوشی

یکی دیگر از انواع طراحی لرزه ای سازه های فولادی ، سیستم دیوار برشی است که در آن ورق های فولادی در دهانه های مورد نظر از قاب ساختمانی قرار می گیرند. 

در طراحی سازه های فولادی جوشی با دیوار برشی ، اتصال بین تیر ها و ستون ‌ها در مناطق با لرزه خیزی کم به صورت مفصلی و در مناطق با لرزه خیزی زیاد به صورت گیردار می باشد.

اجزای تشکیل ‌دهنده دیوار برشی فولادی شامل دو ستون کناری ، تیر های افقی کف دیوار ، ورق جان با ضخامت بین ۳ تا ۱۰ میلی متر و سخت کننده‌ های افقی و قائم است. ورق جان با قابلیت شکل پذیری زیاد خود، نقش فیوز سازه را در برابر بارهای جانبی لرزه ای ایفا می نماید.

لازم به ذکر است که در طراحی سازه فلزی با دیوار برشی ، عمده لنگر واژگونی ایجاد شده در طبقات توسط ستون های فولادی و نیروی برشی در هر طبقه توسط ورق فولادی تحمل می شود. البته تیرها نیز باعث افزایش مقاومت برشی ورق فولادی و در نتیجه افزایش مقاومت برشی طبقه می شوند.

در این نوع از طراحی سازه های فولادی جوشی ، ضریب رفتار سازه به سبب سختی بالا و عملکرد موثر در کنترل تغییر شکل های سازه ای ، بالا می باشد.

طراحی قاب خمشی در سازه فولادی جوشی

یکی دیگر از سیستم های طراحی لرزه در سازه فولادی جوشی ، استفاده از قابل خمشی است. به طوری که در این سیستم بر خلاف سیستم قاب ساده ، تیر ها از طریق اتصال صلب به ستون متصل می گردند. از طرفی به سبب نبود المان های دیگر نسبت به قاب ساده ساختمانی ، مقاطع استفاده شده و به تبع آن وزن فولاد مصرفی به مراتب بیشتر است.

طراحی سیستم دوگانه در سازه های فولادی جوشی

طراحی سیستم دوگانه در سازه های فولادی جوشی شامل طراحی ترکیبی از دو سیستم باربر جانبی که رفتار ایده آلی در برابر بارهای زلزله دارند، می باشد. لازم به ذکر است هزینه طراحی این نوع از سازه فولادی جوشی به نسبت سایر سیستم ها بیشتر است. 

در این نوع از طراحی سازه های فولادی جوشی ، قاب محیطی خارجی و داخلی، در جهت افقی مشابه اعضای برشی و خمشی عمل می کند اما سختی جانبی بیشتری را منجر می گردد. طراحی سیستم دو گانه در سازه های فولادی عمدتا در ساختمان های بلند کاربرد دارد.

مزایا و معایب طراحی سازه فولادی جوشی

خواص یکنواخت ، دوام ، شکل پذیری و مقاومت مناسب از دیگر مزایای طراحی سازه فولادی جوشی می باشد. چراکه نسبت مقاومت به وزن سازه های فولادی از سازه های بتنی بیش تر است. 

یکی دیگر از مزایای طراحی سازه فولادی جوشی در مقابل طراحی سازه فلزی پیچ و مهره ای ، سهولت طراحی می باشد.

طراحی سازه فلزی پیچ و مهره ای به جهت یکپارچگی اتصال و عدم وجود ریسک جوشکاری نامناسب از مقاومت بالاتری نسبت به طراحی سازه فولادی جوشی برخوردار است. البته عدم پیچیدگی طراحی به نسبت اتصالات پیچ و مهره ای از دیگر مزایای طراحی سازه فولادی جوشی می باشد. به طوری که عمدتا در کشور های اروپایی برای سازه های سبک تر و با متراژ پایین، طراحی سازه فولادی جوشی در دستور کار قرار می گیرد.

از معایب طراحی سازه فلزی می توان به ضعف اتصالات در انقباض و ترک خوردگی و تعمیر و نگهداری دشوار اشاره کرد.

هزینه طراحی سازه فولادی جوشی

بهترین طراحی برای هر نوع سازه ای از جمله سازه های فولادی باید به گونه ای باشد که علاوه بر حفظ ایمنی و مقاومت ساختمان ، میزان استفاده از مصالح ساختمانی را به حداقل ممکن رسانده و در نهایت موجب کاهش هزینه های تحمیلی بر پروژه شود. اما به طور کلی قیمت طراحی سازه فولادی جوشی بر حسب متراژ ساختمان مشخص می گردد که این هزینه می تواند در پروژه هایی با شرایط و طراحی های خاص افزایش یابد.