برای اینکه ساختمان یا بنایی ساخته شود نیاز به اسکلت دارند . یکی از رایج ترین اسکلت در دنیا استفاده از سازه فولادی می باشد. حال برای آن که اسکلت سازه ای ساخته شوند، نیاز به طراحی دارند. طراحی سازه توسط مهندسان عمران با تخصص سازه صورت می گیرد. برای آن که سازه ای بتواند در برابر بارهای ثقلی و جانبی ناشی از باد و زلزله از خود مقاومت مناسبی نشان دهند و پایداری خود را در همه جهات حفظ کنند، نیاز به یک طراحی مناسب و اصولی دارند. از طرفی این طراحی علاوه بر ایمن بودن می بایست اقتصادی و مقرون به صرفه نیز باشد . کلا طراحی سازه شامل موارد زیر می باشد: 

• طراحی فونداسیون سازه
• طراحی ستون های سازه
• طراحی تیر های سازه 
• طراحی دیوار های سازه ایی
• طراحی سقف ها و  بتازگی طراحی چگونگی اجرای دیوارهای اصلی و پیرامون و نحوه اتصال آنها به اسکلت .

لازم به ذکر است که فولاد یکی از متریال بسیار رایج جهت ساخت پل ها، برج های بلند مرتبه تجاری، اداری و مسکونی، ساختمان های متعارف و صنعتی مانند سوله و سالن کارخانجات و ... می باشد. حتی در سازه های بتنی نیز از فولاد به صورت میلگرد به کار گرفته می شود تا المان های بتنی بتوانند در برابر نیرو های کششی از خود مقاومت مناسبی را نشان دهند. 

در این مقاله از وب سایت آرین تیس به چگونگی طراحی سازه های فولادی می پردازیم. بنابراین برای کسب اطلاعات بیشتر تا انتهای مقاله با ما همراه باشید.

سازه های فولادی:

سازه فولادی سازه ای قاب بندی شده هستند که متشکل از تیرها و ستونهای فولادی می باشند که به نحو مناسبی به یکدیگر متصل شده اند . قاب ها در ساختمان وظیفه پایداری کل سازه و انتقال بارهای مرده و زنده، زلزله ،برف و باد را بر عهده دارند. سازه های فولادی از جمله سازه هایی است که می توانند در برابر زلزله از خود مقاومت خوبی نشان دهند، اما این موضوع به طراحی مناسب  اسکلت فولادی و نحوه اصولی اتصالات اجزای فولادی به یکدیگر و از همه مهمتر جوشکاری مطلوب و حرفه ای اتصالات به یکدیگر می باشد.

طراحی سازه های فولادی:

در محاسبات سازه های فولادی و مخصوصا جهت مقاوم سازی سازه فولادی هر جزئی از سازه که  مقطع آن فولادی باشد، به وسیله نرم افزارهای پیشرفته طراحی می شود. این اجزا سازه ای به صورت زیر می باشند :

• تیرها
• ستون ها
• مهاربند ها
• سقف کامپوزیت ساده
• سقف عرشه فولادی
• دیوارهای برشی فولادی

نکته بسیار مهم در طراحی سازه های فولادی این است که طرح سازه از یک پیکربندی منسجم و اصولی و تقریباً متعادل و یکنواخت برخوردار باشد به نحوی که ابعاد و مشخصات اجزای سازه و قطعات آن تقریباً یکسان و تیپ در آید .

شیوه های طراحی سازه های فولادی:

طراحی سازه‌ های فولادی به سه روش زیر انجام می شود:

• شیوه تنش مجاز یا الاستیک
• شیوه مقاومت نهایی یا پلاستیک
• شیوه طراحی حالات حدی

در آیین نامه فولاد کشور ما ( مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ) تمامی جزئیات مربوط به طراحی سازه های فولادی اعم از طراحی تیر  فولادی ، طراحی ستون های فولادی و ... ارائه شده است تا مهندسان بتوانند با مراجعه به آن از ضوابط و فرمول ها و هم چنین نکات مربوط به طراحی سازه فولادی آگاه گردند. در مطالب زیر به صورت مختصر به تشریح هر کدام از روش های طراحی سازه های فولادی می پردازیم:

شیوه تنش مجاز یا الاستیک:

شیوه تنش مجاز یا الاستیک قدیمی ترین روش یا شیوه برای طراحی سازه های فولادی است. در این روش تأثیرات کاهش احتمالی مقاومت اجزا و بالا رفتن احتمالی بارها با ضریب اطمینان و تنها در یک مرحله مد نظر است. در این روش اجزای سازه باید به شکلی طراحی شوند که تحت تأثیر بار های مفروض بهره بردای تنش های محاسباتی در آن ها از مقدار مجاز خود بیشتر نشود. در این شیوه به اجزای سازه اجازه داده می شود در اثر بار وارد شده ناشی از بارگذاری از حد الاستیک خود بیرون بیایند و به حد پلاستیک یا خمیر خود برسند. همین مسئله موجب بالا رفتن مقاومت اجزا و پایین آمدن هزینه های ساخت می شود. این شیوه به علت نیاز به رعایت استاندارد های مصالح و افزایش کیفیت اجرا در ایران استفاده زیادی دارد.

شیوه مقاومت نهایی یا پلاستیک:

در طراحی سازه های فولادی با این شیوه، ایمنی سازه در دو مرحله ، با افزایش بار به کمک ضرایب بار و کاهش مقاومت به کمک ضرایب کاهش دهنده مقاومت است. در شیوه ضرایب بار و مقاومت، طراحی اجزای سازه به شکلی است که مقاومت نهایی طرح و بیشترین ظرفیت باربری عضو در هر مقطع بزرگ تر یا برابر با تلاش های موجود در آن مقطع در اثر بار های ضریب دار وارد بر سازه باشد. هر دو شیوه سادگی و پیچیدگی برابری از نظر ضوابط طراحی سازه دارند. با استفاده از این دو شیوه و مقایسه نتایج آن  می توان از نتیجه طراحی که به سازه های سبک تری منجر می شود بهره برد.

شیوه طراحی حالات حدی

در شیوه طراحی حالات حدی بخشی از ضریب اطمینان در بارها و بخشی از ضرایب اطمینان در مقاومت ها تأثیر دارند. به این ترتیب، هم بارها بزرگ می شوند و هم مقاومت ها پایین می آیند. بی اطمینانی که در طراحی وجود دارد، از بارها و مقاومت ها ناشی می شود.

در این شیوه می توان با توجه بیشتری نسبت به ضرایب اطمینان تصمیم گیری کرد. هم چنین، به جای استفاده از یک ضریب اطمینان شکسته شده که ضرایب جزئی اطمینان نامیده می شوند، از دو پارامتر کاهنده و افزاینده استفاده برد. امروزه برای طراحی سازه های فولادی بیشتر از حالت حدی استفاده می شود. این روش طراحی یکی از ایمن ترین روش ها برای طراحی سازه فولادی می باشد.

شایان به ذکر است که در امر طراحی سازه های بتنی و همچنین سازه های فولادی نکته بسیار مهمی وجود دارد به این صورت که باید طراحی سازه را به گونه ایی انجام داد که علاوه بر حفظ مقاومت و پایداری، مقرون به صرفه بودن سازه نیز در نظر گرفته شود.

طراحی سازه های فولادی با توجه به عناصر فضاهای داخلی ساختمان:

برگزیدن سیستم مناسب برای عناصر داخلی ساختمان به عوامل زیادی وابسته است. شیوه های زیر در ساخت سقف های متکی بر تیرهای فولادی استفاده می شوند:

• دال بتنی درجا روی قالب مناسب
• دال بتنی پیش ‌ساخته
• عرشه فولادی با بتن درجا

ترکیب دال بتنی و تیر فولادی در هر سه روش انجام پذیر است و از نظر اقتصادی به صرفه تر نیز است. محافظت از بخش نمایان فولاد در سقف در مقابل آتش سوزی باید در زمان اجرای سقف مد نظر باشد. با کار بردن سقف کاذب این کار را می توان به خوبی انجام داد. در سازه های اسکلت فلزی دیوار های بیرونی باربر نیستند ، اما باید با مکانیزم مناسبی مانند وال پست این دیوارها را با توجه به نوع مصالح به سازه اصلی متصل نمود .

محافظت از سازه های فولادی در برابر حوادث:

فولاد متریالی است که در برابر آتش سوزی از خود ضعف نشان می دهد، بنابراین محافظت از سازه های فولادی در برابر حوادثی مانند آتش سوزی و خوردگی باید با توجه به نوع سیستم سازه ای آن انجام  شود. این مسئله موجب کاهش هزینه برای عایق بندی در برابر آتش سوزی و هم چنین عایق صوتی در سازه های فولادی می شود. هرچند که عناصر داخل ساختمان مثل سقف ها و دیوار های داخلی و خارجی در ساختمان در برابر آتش سوزی محافظت می کنند، اما تیرها و ستون های فلزی باید به شیوه مطلوب در میان موادی قرار گیرند که در مقابل آتش سوزی مورد حفاظت قرار گیرند.

در غیر این صورت، از اسکلت فولادی ساختمان باید به شیوه مناسب محافظت شود. برای خوردگی سازه های فولادی باید از قطعات خارجی و اعضایی که در معرض رطوبت هوا یا خاک هستند محافظت شود. به دلیل این که زنگ زدگی در قطعات درونی ساختمان فولادی با توجه به رطوبت کم هوا اتفاق نمی افتد اما برعکس قطعات و اجزای سازه ای فولادی در طبقات تحتانی ساختمان و در محل اتصال به فونداسیون در معرض پوسیدگی و خوردگی می باشند . ویژگی های صوتی یک ساختمان به خواص اعضای داخل آن مثل نوع سقف و سیستم دیوار های جداکننده و تیغه ها بستگی دارد. در این خصوص، سیستم اسکلت باربر ساختمان نقش کمتری دارد. رفتار اسکلت یک ساختمان فولادی و بتنی با یک سیستم فضاسازی و دکوراسیون داخلی مشابه شبیه به هم عمل می کنند.

مقاوم سازی سازه های فولادی:

اگر طراحی سازه های فولادی مناسب باشد و اجرای آن نیز به دقت صورت گیرد، از مقاومت و شکل پذیری خوبی برخوردار خواهند بود. اما چنانچه از نیرو های اجرایی غیر متخصص و ضعیف استفاده شود و یا فرضیات اشتباهی در  ساخت سازه های فولادی در نظر گرفته شود ممکن است ایراد ها و مشکلات بوجود آمده اثر مخربی بر عملکرد سازه بر جای بگذارد . بنابراین برای حل مشکلات مذکور سازه نیاز به مقاوم سازی پیدا خواهند کرد . سازه های فولادی بیشتر مواقع در اثر بارهای لرزه ای به علت کمانش موضعی صدمه می بینند و در این حالت عملکرد مناسبی نخواهند داشت. همچنین بزرگترین معضل در ارتباط با عملکرد سازه های فولادی عدم مونتاژ صحیح اتصالات ، مخصوصاً جوشکاری اجزای فولادی به یکدیگر می باشند . ضمنا عامل خوردگی در فولاد بکار رفته در سازه های فولادی نیازمند مقاوم سازی و بهسازی می باشد.

شیوه های مقاوم سازی سازه های فولادی

• مقاوم‌ سازی تیرهای فولادی تحت کمانش پیچشی جانبی با استفاده از طراحی و اجرای ورقهای سخت کننده فولادی 
• استفاده از ژاکت بتنی
• تقویت اتصالات و عناصر با به کار بردن ورق های مناسب
• به وجود آوردن سختی در طبقه های دارای پتانسیل طبقه نرم
• اضافه کردن ستون
• اضافه کردن دیوار برشی
• اضافه کردن میانقاب
• اجرای دیوار از جنس 3D پانل 
• اجرای دستک فشار و کششی برای مهار کنسول ها
• اجرای تیر فرعی میان ستون ها

شایان ذکر است که ساختمان های فولادی که دچار ضعف هستند، در زمان زلزله با پدیده ها و آسیب های مختلف و حتی فرو ریزش روبه رو می شوند. برای پیشگیری از فرو ریزش و آسیب های جدی به  ساختمان فولادی می بایست با تشخیص و شناسایی اجزای ضعیف نسبت به مقاوم سازی آن اقدام نمود. استفاده از هر شیوه مقاوم سازی باید پس از انجام بررسی ها و بازرسی های لازم صورت  گیرد. متخصصان امر در مقاوم سازی سازه های فولادی می توانند با توجه به شناخت و تشخیص مشکلات سازه به بهترین نحو و با در نظر گرفتن صرفه اقتصادی سازه مورد نظر را مقاوم سازی و بهسازی نمایند .