سازه فولادی چیست ؟ اصول طراحی و اجرای سازه های فولادی

سازه فولادی یکی از پرکاربردترین انواع سازه‌های مهندسی است که با استفاده از فولاد ساختمانی اجرا می‌شود. مشخصات مکانیکی فولاد ساختمانی، آن را به گزینه اول در اجرای بسیاری از سازه‌های بزرگ تبدیل می‌کند. در این مقاله، به معرفی تاریخچه سازه فولادی، انواع فولاد ساختمانی و انواع پروفیل ساختمانی می‌پردازیم. در ادامه، اجزا، مراحل اجرا، انواع، مزایا، معایب و اصول طراحی سازه فولادی را مورد بررسی قرار می‌دهیم. فولاد به عنوان مصالح ساختمانی، یک رقیب جدی به نام بتن آرمه دارد که در انتهای مقاله به مقایسه این دو نیز خواهیم پرداخت.

سیستم سازه ای چیست؟

«سیستم سازه ای» (Structural System)، اصطلاحی در مهندسی سازه است که برای اشاره به مجموعه المان‌های باربر یک سازه مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سیستم، روش اجرای المان‌های سازه و نحوه نگهداری یا انتقال بارها توسط آن‌ها را نمایش می‌دهد. سیستم‌های سازه‌ای به منظور نگهداری از کل سازه (ساختمان، پل، تونل و غیره) یا بخشی از آن طراحی می‌شوند. به عنوان مثال، وظیفه سازه اسکلت فولادی، نگهداری از کل ساختمان و تمام المان‌های درون آن است. در حالی که یک سازه فضاکار، فقط وطیفه نگهداری از سقف را برعهده دارد. آشنایی با سیستم‌های سازه‌ای و نحوه عملکرد آن‌ها در شرایط بارگذاری مختلف، از مبانی مهندسی سازه است.

سیستم قاب فولادی
سیستم قاب فولادی، یکی از متداول‌ترین سیستم‌های اجرای ساختمان با اسکلت فولادی است.

انواع سیستم سازه ای کدام هستند؟

تقسیم‌بندی انواع سیستم سازه ای بر اساس نوع بارهای اعمال شده بر مجموعه المان‌های باربر انجام می‌گیرد. برخی از متداول‌ترین و شناخته‌شده‌ترین سیستم‌های سازه‌ای عبارت هستند از:

  • سیستم دیوار باربر یا سازه پیوسته: سازه‌هایی متشکل از دیوارهای پیوسته هستند. دیوارها در این نوع سازه‌ها، وظیفه نگهداری و انتقال بارهای اعمال شده بر سازه را برعهده دارند. مکانیزم دیوار باربر، انتقال فشار مستقیم به فونداسیون و زمین زیر آن است. روش قدیمی اجرای دیوارها در ساختمان مصالح بنایی را می‌توان به عنوان یک سیستم سازه پیوسته در نظر گرفت.
  • سیستم تیر و ستون یا سازه قابی: سازه‌هایی هستند که از ترکیب تیر و ستون (اسکلت چوبی، بتن آرمه، فولادی) برای انتقال بار استفاده می‌کنند. تیرها، وظیفه انتقال بارهای اعمال شده بر سقف، کف و دیوار به ستون را برعهده دارند. ستون‌ها نیز بارهای دریافتی را توسط فونداسیون به زمین انتقال می‌دهند. در واقع، مسیر حرکت بار در این سیستم از تیرهای کف به قاب سازه‌ای است.
  • سازه پوسته ای: سازه‌هایی متشکل از مصالح ساختمانی نازک هستند. این سیستم اغلب به منظور اجرای سقف در سازه‌های نیازمند فضای داخلی بزرگ (بدون دیوار یا ستون) مورد استفاده قرار می‌گیرد. تغییر شکل سازه‌های پوسته‌ای تحت بارهای اعمال شده نسبتا کم است.
  • سیستم کششی یا سازه کابلی: سیستم‌هایی هستند که برخلاف دیگر موارد، پایداری مجموعه را توسط تحمل بارهای کششی و به وسیله المان‌هایی نظیر کابل تامین می‌کنند. پل‌های معلق، نمونه‌ای شناخته‌شده از سیستم سازه کششی هستند.
  • سیستم غشایی یا سازه پارچه‌ای: سازه‌هایی هستند که توسط غشا یا چادرهای تحت کشش، یک فضای بسته را به وجود می‌آورند. این سیستم توسط عضوهای غشایی، میله و کابل تشکیل می‌شود. سیستم غشایی ترکیبی از سیستم کششی و قابی است.
  • سازه خرپایی: سیستم‌هایی هستند که از اتصال چندین المان (به شکل مثلث) تشکیل می‌شوند. این سیستم‌ها به دلیل ظرفیت باربری بالا، کاربرد زیادی در اجرای سازه‌های بزرگ دارند.
سازه خرپایی فلزی
نمونه‌ای از یک سازه خرپایی فلزی

از دیگر سیستم‌های سازه‌ای متداول می‌توان به سیستم قوسی، طاقی، طره‌ای، گنبدی و قاب پرتال اشاره کرد. نحوه اجرای این سیستم‌ها و مکانیزم انتقال بار در آن‌ها با یکدیگر متفاوت است. با این حال، امکان اجرای ترکیبی از سیستم‌های سازه‌ای برای دستیابی به عملکرد مورد انتظار وجود دارد. فولاد به عنوان یک مصالح ساختمانی پرکاربرد، در اغلب سیستم‌های سازه‌ای قابل استفاده است. با این وجود، به دلیل کاربرد گسترده آن در سیستم‌های قابی یا سازه اسکلت فولادی، در ادامه مقاله بیشتر به جنبه‌های مختلف این نوع سازه فولادی خواهیم پرداخت.

سازه فولادی چیست؟

سازه فولادی، یکی از انواع سازه‌های فلزی است که برای اجرای سیستم اسکلت بندی آن از فولاد ساختمانی استفاده می‌شود. بسیاری از ساختمان‌های مسکونی بلند، برج‌های تجاری، سوله‌های صنعتی، پل‌های کابلی و پل‌های معلق دارای اسکلت فولادی هستند. از این‌رو، این سازه‌ها را می‌توان به عنوان مثال‌هایی از سازه های فولادی در نظر گرفت.

اجرای یک سازه فولادی چند طبقه
اجرای یک سازه فولادی چند طبقه

نکته: سازه فولادی، یکی از دروس تخصصی و از عنوان‌های مهم در کتاب های مهندسی عمران است.

تاریخچه سازه فولادی

تاریخچه سازه های فولادی ارتباط بسیار نزدیکی با معرفی فولاد ساختمانی دارد. پیش از اختراع فولاد ساختمانی، آلیاژهای دیگر آهن نظیر «آهن ورزیده» (Wrought Iron)، «چدن» (Cast Iron) و فولاد معمولی در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گرفتند. آهن ورزیده (ترکیب آهن و کمتر از 0.08 درصد کربن)، برای قرن‌ها توسط آهنگران به منظور ساخت راه‌آهن، درب‌های وروردی و تزئینات به کار گرفته می‌شد. در اواخر دهه 1840 میلادی (اواخر دهه 1210 شمسی)، این ماده در آستانه به یک ماده متداول تبدیل شد.

آهن ورزیده
آهن ورزیده

هدف تجاری اختراع چدن (ترکیب آهن و بین 2.1 تا 4 درصد کربن)، جایگزینی چوب در ساخت گاوآهن، ماشین‌های نساجی و ظروف آشپزی بود. با گذشت زمان، این ماده برای ساخت لوله در سیستم‌های پایپینگ و تاسیسات بهداشتی ساختمان نیز مورد استفاده قرار گرفت. با این وجود، مشخصات مکانیکی چدن نظیر مقاومت کششی و انعطاف‌پذیری پایین، مانع از به کارگیری آن به عنوان مصالح ساختمانی می‌شد.

لوله چدنی فاضلاب
نمونه‌ای از لوله و فیتینگ چدنی مورد استفاده برای سیستم فاضلاب ساختمان

در گذشته، آلیاژ فولاد (ترکیب آهن و کمتر از 1.25 درصد کربن) یک ماده گران بود که فقط برای ساخت وسایلی نظیر ساعت، فنر، داس و شمشیر مورد استفاده قرار می‌گرفت. هزینه‌بر بودن روش تولید این آلیاژ، آن را به یک ماده گران تبدیل می‌کرد. این مسئله، مانع از به کارگیری فولاد معمولی به عنوان مصالح ساختمانی می‌شد. با این وجود، مجامع مهندسی از مشخصات مکانیکی بسیار مناسب فولاد برای ساخت سازه‌های مختلف آگاه بودند.

در قرن 19 میلای (قرن 13 شمسی)، آهن ورزیده به دلیل مشخصات مکانیکی قابل قبول و هزینه تولید معقول، به عنوان گزینه مناسبی برای ساخت سازه‌های فلزی در نظر گرفته می‌شد. تا اینکه در سال 1856 میلادی (1235 شمسی)، یک مهندس بریتانیایی به نام «هنری بسمر» (Henry Bessemer)، روشی را برای تولید انبوه فولاد با هزینه بسیار کمتر از روش‌های مرسوم ابداع کرد. به این ترتیب، کاربرد سازه‌ای آهن ورزیده با نزول و به کارگیری فولاد با صعود رو به رو شد. برج ایفل، آخرین سازه عظیم ساخته شده توسط آهن ورزیده است.

برج ایفل از نمای پایین به بالا
برج ایفل

استحکام فولاد، به اندازه کمی از آهن ورزیده بالاتر بود. با این وجود، پیشرفت‌های بیشتر در تولید انبوه آن با هزینه کمتر، باعث برتری این آلیاژ شد. تولید گسترده فولاد در اوایل قرن 20 میلادی (اواخر قرن 13 شمسی)، معرفی عضوهای سازه‌ای پرکاربردی را در پی داشت که امروزه با عنوان تیر بال پهن (W) شناخته می‌شوند. با گذر زمان، استفاده از عضوهای فولادی و سازه های اسکلت فولادی گسترش یافت. استفاده از فولادی ساختمانی، امکان اجرای سازه‌هایی با ارتفاع بیشتر و وزن کمتر را فراهم کرد.

یکی از اولین سازه های فولادی بلند
یکی از اولین سازه های فولادی بلند

امروزه، فولاد، مهم‌ترین مصالح ساختمانی در دنیای مهندسی است. از این‌رو، عملکرد مصالح ساختمانی دیگر معمولا با این ماده مقایسه می‌شود. تنها رقیب سرسخت فولاد در ساخت سازه‌های مختلف، بتن آرمه یا بتن مسلح است. در انتهای مقاله، به مقایسه ساختمان اسکلت فولادی با ساختمان اسکلت بتن آرمه خواهیم پرداخت.

ادامه دارد…..

منبع: فرادرس

سیدعلیرضا ندائی جوان (40)

من سيدعليرضا ندائی جوان هستم. علاقه مند به پژوهش در زمینه مهندسی عمران / فارغ التحصیل کارشناسی ارشد / دبیر آموزش و پرورش ( هنرآموز ساختمان) / ناظر و مجری پایه 2 رشته مهندسی عمران سازمان نظام مهندسی ساختمان و مترور پروژه های عمرانی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *