سازه فولادی چیست؟ انواع آن کدام است؟
پس از تولید فولاد به روش صنعتی و دسترسی ساده تر و کم هزینه تر به آن، این فلز ارزشمند توانست با ویژگی های منحصر به فرد خود در تمام شاخه های صنعت و ابعاد زندگی انسان وارد شود. یکی از موارد کاربرد فولاد استفاده از آن در ساخت سیستم های سازه ایست. منظور از یک سیستم سازه ای مجموعه ای از المان هاست که به یکدیگر متصل شده اند و می توانند بارهای وارد شده بر آن را تحمل کنند. وظیفه ی طراحی یک سیستم سازه ای و به طور خاص یک سازه ی فولادی بر عهده ی شاخه ای علم مهندسی عمران تحت عنوان مهندسی سازه است. امروزه عنوان مختلفی از سیستم های سازه ای و سازه های فولادی طراحی و به کار گرفته می شوند. از سازه های قاب خمشی گرفته تا سازه های پیش ساخته. در این مقاله ما ضمن معرفی انواع سیستم های سازه ای به طور خاص به بررسی سازه های فولادی خواهیم پرداخت.
تاریخچه طراحی سازه فولادی
درگذشته ی نه چندان دور برای ساخت ساختمان ها از مصالحی که در طبعیت در دسترس بودند ما سنگ و چوب استفاده می شد. چوب در برابر حمله حشرات موذی آسیب پذیر بود. می توانست دچار حریق شود و از استحکام بالایی نیز برخوردار نبود. سنگ با آنکه دوام و استحکام بالایی داشت اما سنگین بود و در حوادث طبیعی مانند زلزله و ... می توانست خسارات زیادی به همراه داشته باشد. از طرفی جابجایی و تامین آن نیز دشوار بود.
بشر سالیان طولانی با این مشکلات دست و پنجه نرم کرد تا اینکه متریالی به نام فولاد به عرصه ی ساخت سازه ها وارد شد.
فولاد به دلیل خواص فیزیکی منحصر به فرد مانند استحکام بالا، دوام، فرم پذیری و ... مهمترین متریالی ست که در ساخت و ساز مورد استفاده قرار می گیرد. از جمله کاربردهای هم فولاد می توان به استفاده از آن در ساخت سازه های مختلف مانند سازه های ساختمانی اشاره کرد.
سازه فولادی چیست؟
سازه فولادی به سیستم‌های ساختاری اطلاق می‌شود که اجزای اصلی آن از فولاد ساخته شده‌اند. فولاد یکی از پرکاربردترین و مقاوم‌ترین مصالح ساختمانی است که به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی و مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع سازه‌ها معمولاً برای ساختمان‌های صنعتی، تجاری، پل‌ها، برج‌ها، اسکلت‌های فلزی و سازه‌های بلندمرتبه استفاده می‌شود.
ویژگی‌های سازه فولادی:
- مقاومت بالا: فولاد دارای مقاومت کششی و فشاری بالاست که باعث می‌شود به عنوان یک ماده ساختاری مناسب برای تحمل بارهای سنگین و فشارهای مکانیکی انتخاب شود.
- سبک بودن: فولاد نسبت به مصالح دیگر مانند بتن، سبکتر است که در نتیجه باعث کاهش وزن کلی سازه می‌شود.
- انعطاف‌پذیری: فولاد می‌تواند تحت تغییرات شکل تغییر کند بدون اینکه ترک بخورد یا شکسته شود.
- سرعت اجرا: به دلیل پیش‌ساخته بودن اجزای سازه‌های فولادی، نصب آن‌ها سریع‌تر از سایر سازه‌ها صورت می‌گیرد.
- دوام و پایداری: فولاد در برابر شرایط محیطی مانند زنگ زدگی مقاوم است، به ویژه اگر پوشش‌های محافظتی مانند رنگ‌های ضدزنگ استفاده شود.
انواع سازه فولادی
سازه‌های فولادی را می‌توان به چند دسته مختلف تقسیم‌بندی کرد. هر کدام از این انواع ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.
1. سازه فولادی تک‌طبقه
این نوع سازه‌ها برای ساختمان‌هایی که تنها یک طبقه دارند طراحی می‌شوند. معمولاً در پروژه‌هایی مانند انبارها، فروشگاه‌های بزرگ و کارخانجات استفاده می‌شوند. این سازه‌ها به دلیل سادگی در طراحی و ساخت، گزینه مناسبی برای چنین پروژه‌هایی هستند.
2. سازه فولادی چندطبقه
این نوع سازه‌ها معمولاً در ساختمان‌های اداری، تجاری، مسکونی و برج‌ها به کار می‌روند. ویژگی این سازه‌ها، استفاده از تیرها و ستون‌های فولادی به همراه دال‌های بتنی است. این سازه‌ها به دلیل توانایی تحمل بارهای زیاد و امکان طراحی با ارتفاع زیاد، کاربرد وسیعی در شهرها دارند.
3. سازه فولادی قاب‌خیز
در این نوع سازه، از قاب‌های فولادی برای انتقال بار به زمین استفاده می‌شود. این قاب‌ها معمولاً برای ساختمان‌های صنعتی، تجاری و اداری به کار می‌روند. به دلیل استحکام بالا و امکان استفاده از مقاطع بزرگ‌تر، این سازه‌ها می‌توانند بارهای سنگین‌تری را تحمل کنند.
4. سازه فولادی خرپایی
این نوع سازه‌ها از سیستم خرپا برای تقسیم بارها و نیروها استفاده می‌کنند. خرپاها به دلیل مقاومت بالا در برابر کشش و فشار، به طور گسترده در ساخت پل‌ها، سقف‌های بزرگ و سقف‌های شیبدار استفاده می‌شوند.
5. سازه فولادی پیش‌ساخته
در این نوع سازه‌ها، اعضای فولادی در کارخانه ساخته شده و سپس به محل پروژه منتقل می‌شوند. این روش باعث سرعت بیشتر در اجرا و کاهش هزینه‌های کارگاهی می‌شود. سازه‌های پیش‌ساخته بیشتر در پروژه‌هایی با زمان اجرای محدود و نیاز به دقت بالا استفاده می‌شوند.
6. سازه فولادی ضد زلزله
در این نوع سازه‌ها، اعضای فولادی به گونه‌ای طراحی می‌شوند که بتوانند نیروهای لرزه‌ای را جذب و به زمین منتقل کنند. این سازه‌ها معمولاً در مناطق زلزله‌خیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. با توجه به ویژگی‌های فولاد در انعطاف‌پذیری، سازه‌های فولادی ضد زلزله معمولاً قادر به تحمل نیروهای لرزه‌ای به صورت بهتر و ایمن‌تری هستند.
سیستم های سازه ای و مهندسی سازه
پیش از ادامه ی بحث در خصوص سازه های فولادی یک مفهوم کلی تر به نام سیستم سازه ای که سازه های فولادی زیر مجموعه ای از آن هستند را معرفی خواهیم کرد.
سیستم سازه ای به مجموعه ای از المان ها گفته می شود که به یکدیگر متصل شده و وظیفه ی تحمل و انتقال بارهای وارد شده را بر عهده دارند. یک سیستم سازه ای از کل سازه نگهداری میکند و در واقع مانند اسکلت و استخوان بندی بنا به شمار می آید. هر ساختمانی اعم از ساختمان، پل، سد و ... نیاز به یک سیستم سازه دارد. حال به کسی که وظیفه ی طراحی سیستم های سازه ای را برعهده دارد مهندس سازه می گویند. مهندس سازه، سیستم سازه ای را به گونه ای طراحی می کند که در برابر نیروهای گوناگون وارد بر سازه مقاومت کند و همچنین باربری زا نیز تامین نماید. لازم به ذکر است که مهندسی سازه یکی از گرایش های بسیار پر طرفدار مهندسی عمران است.
انوع سیستم های سازه ای
امروزه انواع مختلفی از سیستم های سازه ای بر حسب نوع بارهایی که بر المان های باربر وارد می شود تعریف شده اند. برخی از مهمترین سیستم های سازه ای عبارتند از:
- سیستم سازه ای با دیوار باربر
- سیستم تیر و ستون
- سازه ی پوسته ای
- سیستم کششی یا کابلی
- سیستم غشایی
- سازه خرپایی
- سیستم قوسی
- سیستم طاقی
- سیستم طره ای
- سیستم گنبدی
- سیستم قاب پرتال
هر چند سیستم های سازه ای بسیار متنوع هستند اما فولاد به عنوان یکی از مهمترین متریال هاییست که قابلیت استفاده در اکثر این سیستم ها را دارد.
سازه فولادی چیست؟
سازه ی فولادی، یک سازه ی فلزی است که اجزای مختلف آن از فولادهای به هم متصل ساخته شده است. معمولا سازه های فولادی تحمل بارهای بسیار زیادی را دارند و از استحکام و دوام بالایی نیز برخوردارند. سازه های فولاد انواع مختلف دارند. البته استفاده از فولاد برای ساخت سازه ها در کنار مزایایی که دارد با معایبی نیز همراه است. امروزه طراحی سازه های فولادی می بایست مطابق با اصول و استانداردهای تعریف شده انجام پذیرد. در این مقاله ما به معرفی انواع سازه فولادی، انواع مقاطع مورد استفاده در سازه های فولادی، مزایا و معایب سازه های فولادی و همچنین اصول کلی طراحی سازه های فولادی خواهیم پرداخت.
اجزای سازه فولادی
سازه‌های فولادی از اجزای مختلفی تشکیل شده‌اند که هرکدام وظیفه خاص خود را دارند:
- ستون‌ها: این اجزا وظیفه تحمل بارهای عمودی را دارند و به عنوان پایه‌های اصلی سازه عمل می‌کنند.
- تیرها: تیرها برای تحمل بارهای افقی و انتقال آن به ستون‌ها طراحی می‌شوند.
- پروفیل‌ها: این مقاطع فولادی برای انتقال بارها به اعضای مختلف سازه استفاده می‌شوند.
- اتصالات: اتصالات وظیفه پیوستن اجزای مختلف سازه به یکدیگر را دارند. این اتصالات می‌توانند جوشی، پیچی یا پرچی باشند.
- دال‌ها و کف‌ها: این اجزا برای ایجاد سطوح افقی در سازه‌های فولادی استفاده می‌شوند.
مراحل اجرای سازه فولادی
اجرای سازه فولادی به‌طور کلی شامل مراحل زیر است:
- طراحی و محاسبات: در این مرحله، مهندسین با توجه به نوع پروژه، بارگذاری‌ها و الزامات دیگر، طراحی سازه را انجام می‌دهند.
- ساخت اعضای فولادی: در این مرحله، اعضای مختلف فولادی مانند تیرها، ستون‌ها و پروفیل‌ها در کارخانه تولید می‌شوند.
- حمل و نقل: پس از ساخت، اعضای فولادی به محل پروژه منتقل می‌شوند.
- نصب و برپایی: در این مرحله، اعضای فولادی با استفاده از جرثقیل و تجهیزات دیگر به محل مورد نظر منتقل و نصب می‌شوند.
- اتصال و جوشکاری: در این مرحله، اتصالات پیچی یا جوشی بین اعضای سازه انجام می‌شود.
- کنترل کیفیت: پس از نصب و اتصال، مراحل کنترل کیفیت به منظور اطمینان از صحت اجرا و ایمنی سازه انجام می‌شود.
تاریخچه ی فولاد
فولاد یکی از مهمترین آلیاژهای فلزی است که تاریخچه‌ای طولانی و پیچیده دارد. تولید فولاد به بیش از 4000 سال پیش باز می‌گردد و به تدریج در تمدن‌های مختلف از جمله ایران باستان، روم و چین به شکلی پیشرفته‌تر تولید می‌شده است. اولین نمونه‌های فولاد در حدود 1800 سال قبل از میلاد در ایران و چین ساخته شدند. در دوران امپراطوری روم و اسپارت‌ها، فولاد بیشتر برای ساخت سلاح‌ها و ابزارهای جنگی مورد استفاده قرار می‌گرفت. در چین باستان نیز تولید فولاد نقشی اساسی در صنعت و نظام داشت. فرآیند تولید فولاد به مرور زمان بهبود یافت و تا قرن 19 میلادی، روش‌هایی مانند کوره‌های ذغال‌سنگی و روش بسمر برای تولید فولاد به کار گرفته شد. این تحول‌های صنعتی باعث شد تا فولاد به ماده‌ای حیاتی در ساخت و ساز، ماشین‌آلات و سلاح‌ها تبدیل شود. تولید فولاد امروزه به‌عنوان یک صنعت پیشرفته و ضروری در جهان شناخته می‌شود.
فولاد ساختمانی
مقاطع فولادی ساختمانی به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. این مقاطع می‌توانند به صورت ورق‌های فلزی، میلگرد، تیرآهن، نبشی، ناودانی و پروفیل‌های دیگر تولید شوند. هرکدام از این مقاطع در قسمت‌های مختلف سازه‌های فولادی به کار می‌روند و برای انواع پروژه‌های عمرانی و ساختمانی مناسب هستند. به طور کلی، مقاطع فولادی ساختمانی به دلیل ویژگی‌هایی همچون مقاومت بالا در برابر بارهای مختلف، شکل‌پذیری مناسب و قابلیت اتصال آسان، جزو پرکاربردترین مصالح در ساخت و ساز به شمار می‌آیند. این مقاطع معمولاً طبق استانداردهای خاصی طراحی و تولید می‌شوند تا ایمنی و کارایی سازه را تضمین کنند. از مهمترین مقاطع فولادی می‌توان به تیرآهن‌ها برای تحمل بارهای خمشی، میلگردها برای تقویت بتن و نبشی‌ها و ناودانی‌ها برای تقویت اتصالات و گوشه‌های سازه اشاره کرد. به طور کلی، تولید این مقاطع با توجه به نیازهای مختلف پروژه‌ها و استانداردهای بین‌المللی انجام می‌شود که به افزایش کیفیت و دوام سازه‌های فولادی کمک میکند.
انواع پروفیل های فولادی
برای ساخت یک سازه فولادی لازم است تا مقاطع فولادی استفاده شود. به مقاطع فولادی که سطح مقطع مشخص و ثابت دارند در اصطلاح پروفیل گفته می شود. پروفیل های فولادی انواع مختلفی دارند و متناسب با نوع سازه و مشخصات فیزیکی و مکانیکی که دارند در سازت سازه های فولادی به کار می روند. تعدادی از مهمترین پروفیل های فولادی که از آن ها در ساخت سازه های فولادی استفاده می شود عبارتند از:
برای اشنایی با هر کدام از پروفیل های ساختمانی می توانید بر روی نام آن کلیک کنید تا به مقاله ی مربوط به آن هدایت شوید.
اجزای سازه فولادی
اجزای سازه فولادی را بر حسب نوع نیرویی که به آن ها وارد می شود می توان تقسیم بندی کرد. برخی از اجزای سازه تحت فشار قرار دارند که به آن ها اجزای فشاری گفته می شود. اجزای کششی، خمشی، ترکیبی و اتصالات از دیگر اجزای یک سازه فولادی به شمار می آیند.
اجزای کششی
المان های کششی در سازه فولادی تحت بارهای کششی قرار دارند. از نمونه اجزای کششی می توان به کابل و سیم ها در دکل، بالابر، جرثقیل و ... اشاره کرد.
اجزای فشاری سازه
متداول ترین عنصر فشاری در سازه های فولادی ستون است.
اجزای خمشی سازه
المان های خمشی اجزایی هستند که نیرو به صورت عمودی بر محور طولی آن ها وارد می شود. تیرها، تیرچه ها و ... جز المان های خمشی به شمار می آیند.
اجزای ترکیبی
در مورد بیشتر اجزای یک سازه ی فولادی به طور هم‌زمان نیروهای متعددی به آن وارد می شود در واقع در معرض ترکیبی از بارهای محوری، خمشی و ... قرار دارند.
انواع سازه های فولادی
گفته شد که سیستم های سازه ای انواع مختلفی دارند بر همین اساس می توان سازه های فولادی را نیز تقسیم بندی کرد. سیستم قابی، قوسی، مشبک، معلق، خرپایی و گنبدی از انواع مختلف سیستم های سازه ی فولادی به شمار می آیند.
سیستم قاب فولادی
این سیستم متداولترین سازه ی فولادی ست که در آن از مجموعه ای تیرها و ستون های فولادی برای ساخت اسکلت سازه استفاده می شود. برای ساخت قاب فولادی بیشتر از تیرآهن های اروپایی یا IPE استفاده می شود.
سیستم قاب خمشی
قاب خمشی سیستمی ست که از ستون، تیر و اتصالات تشکیل شده است. در قاب خمشی اتصالات صلب و تکیه گاه ها گیردار می باشند. سیستم های قاب خمشی آزادی عمل بالایی را در اختیار معمار برای طراحی قرار می دهند. انعطاف بالایی دارند و برای سازه های با طبقات زیاد مناسب می باشند.
سیستم های LSF
برای آشنایی با سیستم سازه ای LSF یا سازه قاب فولادی سبک به مقاله مربوطه در وب سایت آرتا فولاد آریا راد مراجعه نمایید.
سازه های پیش ساخته فولادی
این نوع سیستم سازه ای در کارخانه ساخته می شوند و در محل اجرا نصب می شوند. از سازه های پیش ساخته معمولا در ساختمان های با تعداد طبقات کم استفاده می شود. از مزیت سیستم های پیش ساخته می توان به سرعت اجرای بالا به همراه وزن کم آن اشاره کرد.
مزایایی سازه فولادی
از مزیت های سازه فولادی می توان به مقاومت و استحکام بالا، قابلیت اطمینان، در دسترس بودن مواد اولیه، سبکتر شدن سازه در مقایسه با سازه های بتنی، انعطاف در طراحی و معماری، سازگاری بالا، نصب سریع وساده تر، مقاومت در برابر حشرات، سازگاری با محیط زیست و ... اشاره کرد.
معایب سازه فولادی
البته که هر سیستمی معایب خاص خود را نیز دارد. از جمله معایب سیستم های سازه ی فولادی می توان موارد زیر را نام برد:
- هزینه بیشتر
- نیاز به نگهداری بیشتر
- آسیب پذیری در برابر آتش سوزی
- احتمال خوردگی در اجزای سازه
مزایا و معایب سازه فولادی
مزایا:
- سرعت اجرای بالا
- قابلیت انعطاف‌پذیری و طراحی‌های متنوع
- مقاومت بالا در برابر نیروهای مختلف
- کاهش وزن سازه
- پایداری و دوام بالا
معایب:
- هزینه اولیه بالا
- نیاز به پوشش ضد زنگ برای مقاومت در برابر خوردگی
- حساسیت به شرایط محیطی (در مناطق مرطوب و زلزله‌خیز)
نتیجه‌گیری
سازه فولادی به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردی چون مقاومت بالا، سرعت در اجرا و قابلیت طراحی‌های متنوع، یکی از انتخاب‌های اصلی در ساخت سازه‌ها است. با توجه به نیازهای پروژه، انواع مختلف سازه‌های فولادی می‌توانند برای کاربردهای گوناگون مناسب باشند. از ساختمان‌های تجاری و مسکونی گرفته تا پل‌ها و سازه‌های صنعتی، فولاد به عنوان یک مصالح بنیادی در صنعت ساخت و ساز استفاده می‌شود.
