آموزش طراحی سازه های فولادی — راهنمای صفر تا صد + معرفی منابع

پیش نیاز طراحی سازه های فولادی اینست که ابتدا به ساکن با خود سازه های فولادی آشنایی داشته باشید. برای همین آغاز این مقاله را به خود سازه های فولادی اختصاص خواهیم داد و در ادامه اگر فرصتی فراهم شود بیشتر وارد اصول طراحی سازه های فولادی خواهیم شد. سازه های فولادی انواع و اقسام مختلفی دارند. در این میان ساختمان های مسکونی و اداری را می توان جزء رایج ترین و مهمترین انواع این نوع سازه ها دانست. اگر نگاهی به ساختمان های بزرگ در شهرهای مختلف بیندازید، قطعاً ساختمان های اسکلت فلزی بسیاری را خواهید دید و ستون ها و مهار بندهای آنها اولین قسمت هایی از این نوع سازه ها هستند که توجه بیننده را به خودش جلب می کند. وجود این ستون ها و مهاربندها به سازۀ فولادی کمک می کند تا در برابر نیروهای وزن، باد، زلزله و ... مقاومت کنند. از دیگر انواع سازه های فولادی رایج می توان به پل ها اشاره کرد. در مورد پل ها کاری که در اصول طراحی سازه های فولادی انجام می دهیم اینست که اجزائی از آن که تحت فشار و کشش قرار می گیرند را طراحی می کنیم. معمولاً در پل ها سازه فولادی برجسته تر از ساختمان ها است، چرا که در ساختمان ها بخشی از اسکلت فلزی در داخل ساختمان پنهان می شود و دور از دید قرار می گیرد، اما در پل ها سازه به وضوح قابل مشاهده است. در خیلی از اوقات اسکلت سازه ها در ساختمان ها زیاد مشهود نیستند، چرا که با اجزاء معماری پوشانده شده اند. سازه های مرتبط با پل ها دارای تنوع زیادی هستند، پل های قوسی، پل های خرپایی و ... از انواع پل ها می باشند. اگر در این زمینه مشتاق یادگیری بیشتر و یا تازه سازی دانش تان هستید، می توانید از آموزش "سازه فولادی چیست ؟ اصول طراحی و اجرای سازه های فولادی" استفاده کنید.

سازه فولادی چیست ؟ — کلیک کنید

پروفیل I شکل، پروفیل نبشی و پروفیل ناودانی

در مقدمۀ این مقاله به دو تا از انواع رایج سازه های فولادی، که ساختمان ها و پل ها بودند اشاره کردیم. از سایر انواع سازه های فولادی می توان به استادیوم های ورزشی، برج ها، ساختمان های صنعتی و سوله ها نیز اشاره کرد. یکی از خصوصیاتی که سازه های فولادی دارند، اینست که نسبت به نمونه های بتنی شان، وزن بسیار کمتری دارند و در واقع خیلی سبک تر هستند و در ضمن فضای کمتری را هم نسبت به سازه های بتنی اشغال می کنند. گاهی اوقات معماران سازه های فولادی را با اشکال هندسی پیچیده تری هم می سازند، هر چند به لحاظ مقاومت ساختمان، اشکال سادۀ هندسی بسیار بهتر عمل می کنند، اما اینگونه ساختمان های دارای معماری پیچیده که از اشکال هندسی نامنظم تشکیل یافته اند نیز بسیار مرسوم هستند و یکی از اهداف اصلی شان نیز مطرح کردن نام برندهای مختلف می باشد. گاهی از این نوع سازه ها برای مطرح کردن نام و نشان یک شخص یا شرکت یا نام یک شهر و یا حتی مطرح کردن نام یک کشور استفاده می شود.

اگر در ارتباط با طراحی سازه های فولادی و به طور کل طراحی انواع سازه ها، مشتاق یادگیری بیشتری هستید، می توانید از مجموعه آموزش تحلیل و طراحی سازه‌ ها که در فرادرس انتشار یافته است، استفاده کنید.

مجموعه آموزش تحلیل و طراحی سازه‌ ها --کلیک کنید

تا اینجای کار به برخی از انواع سازه های فلزی اشاره داشتیم. بد نیست نگاهی آماری هم به مهمترین تولید کنندگان فولاد در جهان بیندازیم. طبق آمارها، چین با تولید \(31\) درصد از فولاد جهان در رتبۀ نخست قرار دارد و به دنبال آن اتحادۀ اروپا قرار دارد. در ادامه کشورهای هند، ژاپن، ایالات متحدۀ آمریکا، کرۀ جنوبی، روسیه، آلمان، ترکیه، بزریل و ایران قرار دارند. بله کشور عزیزمان ایران به لحاظ تولید فولاد در جایگاه دهم جهان قرار دارد و از این لحاظ رتبۀ خوبی را کسب کرده است. البته یک نکته را هم باید مورد اشاره قرار دهیم که به دلیل وجود منابع سرشار انرژی گاز طبیعی در ایران، وجود این امر میسر شده است و توجیه اقتصادی خوبی دارد. بد نیست بدانید در گذشته تولید فولاد اهمیت استراتژیک بسیار بالایی داشته است و کشورهای صنعتی نیاز شدید و فراوانی به فولاد داشته اند. اخیراً با رشد فناوری ترجیح بر آن بوده است که صنایع سنگین را به کشورهایی منتقل کنند که کمتر صنعتی هستند اما در مقابل به منابع اولیه سوخت دسترسی خوبی دارند. به همین دلیل انتظار می رود که در سال های آینده، تولید فولاد در کشورهای همسایه ما همچون ترکیه، و کشورهای عربی رشد چشمگیری داشته باشند. طی فرآیندهایی که در کارخانه های تولید فولاد صورت می پذیرد، ابتدا فولاد مذاب را نورد می کنند و از آن انواع پروفیل های فولادی مختلف را می سازند که رایج ترینشان در ساختمان سازی پروفیل I شکل می باشد.

قطعات نورد شدۀ فولادی اشکال مختلفی دارند، بیشترین نوع پروفیلی که در کارهای ساختمان سازی مورد استفاده قرار می گیرد، پروفیل های I شکل می باشند. به پروفیل هایی که شبیه نصف I شکل هستند، پروفیل ناودانی گفته می شود. پروفیل های ناودانی هم بسیار پر کاربرد هستند، نوع رایج دیگر پروفیل های فولادی، پروفیل های نبشی می باشند. در واقع پر مصرف ترین نوع پروفیل در ساخت و ساز، همان پروفیل معروف I شکل است و در کنار آن از سایر انواع پروفیل ها همچون پروفیل های ناودانی و نبشی برای اتصالات استفاده می شود. بعدها که در موضوع طراحی سازه های فولادی جلوتر بروید، خواهید دید که ایجاد اتصالات خرپا با پروفیل I شکل بسیار دشوار است و اینجاست که سایر انواع پروفیل ها به کمک ما می آیند. دلیل پر طرفدار بودن پروفیل I شکل به خاطر اینست که به نسبت مساحتش ممان اینرسی بالاتری دارد، در واقع دلیل رواج این نوع پروفیل، مباحث مرتبط با مکانیک جامدات می باشد. اگر بخواهیم این مقایسه را ساده تر بیان کنیم، باید بگوییم در این نوع پروفیل تحت لنگر خمشی مساوی، تنش کمتری ایجاد می شود. اگر در ارتباط با ممان اینرسی نیازمند اطلاعات بیشتری هستید، توصیۀ من به شما استفاده از آموزش ممان اینرسی در استاتیک می باشد که در فرادرس ارائه شده است.

آموزش ممان اینرسی در استاتیک - حل مسائل تکمیلی (رایگان) --کلیک کنید

پروفیل قوطی و پروفیل لوله ای

از سایر انواع پروفیل ها می توان به پروفیل قوطی اشاره کرد که برای ستون ها مناسب می باشند. نوع دیگری از پروفیل با نام پروفیل سپری وجود دارد که آنهم نصف پروفیل I شکل است و همچون پروفیل های نبشی و ناودانی، در بحث اتصالات سازه های فولادی کاربرد دارد. یک نوع رایج دیگر از پروفیل ها ورق های فولادی می باشند که به آنها تسمۀ فولادی نیز گفته می شود. این نوع پروفیل ها هم برای اتصالات و هم برای ساختن قطعات مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. پروفیل لوله نیز از پروفیل های خوب است، این پروفیل به دلیل شکل دایره ای شکلش از دیدگاه مکانیک جامدات مزایای خاصی دارد. اگر جایی صورت مسئله نیروی محوری باشد و بخواهیم مصالح حول تمام محورها از مرکز دور شوند، به لحاظ نظری، دایره بهترین شکل هندسی ممکن است. البته این را هم بگوییم که به دلیل مشکل بودن ایجاد اتصالات در پروفیل های لوله ای، کم کاربردتر هستند و به سایر انواع پروفیل ها نمی رسند. هنگامی که بخواهید دو پروفیل لوله ای را به هم اتصال بدهید، هندسۀ پیچیده ای را ایجاد می کند، اگر سعی کنید دو پروفیل لوله ای را به یکدیگر برخورد بدهید، شکلی که به لحاظ هندسی ایجاد می شود بسیار عجیب و غریب خواهد بود، و در نتیجه جوشکاری و برشکاری آن نیز مشکل می گردد. البته امروزه ماشین های برش کامپیوتری که با نام CNC شناخته می شوند، تا حدودی این کار را ساده تر کرده اند.

یکی از نمونه های سازه های فلزی مشهور در ایران که پروفیل لوله ای در آن بسیار به کار رفته است، پل طبیعت واقع در بزرگراه مدرس تهران می باشد، در تصویر زیر این سازه را می بینید. اگر از نزدیک به اتصالات پروفیل های لوله ای به کار رفته در این سازه دقت کنید، متوجه خواهید شد که ایجاد اتصالات در آن به هیچ وجه کار ساده ای نبوده است. حتی اگر در آنها دقیق تر شوید، خواهید دید که برخی جاها مجبور شده اند با جوشکاری فاصله های خالی را در این اتصالات پر کنند، که در نتیجۀ آن هم هزینه و زمان تولید افزایش پیدا کرده است و نسبتاً هم دردسر ساز است.

اگر به دنبال مرجع آموزشی جامعی برای آموزش های مهندسی عمران هستید، رهنمون من به شما استفاده از مجموعه آموزش مهندسی عمران است. این آموزش ها در فرادرس منتشر شده اند.

مجموعه آموزش مهندسی عمران --کلیک کنید

جداول اشتال

پروفیل های فولادی که در ایران به کار می روند، در کتابچه ای بنام جداول اشتال مستند شده اند. بد نیست بدانید اشتال یک واژۀ آلمانی و معادل کلمۀ انگلیسی steel یا همان فولاد خودمان است. از آنجا که در گذشته صنعت فولاد بیشتر توسط مهندسان آلمانی وارد ایران شد، استانداردهای آلمانی در صنایع فولاد ایران بسیار متداول هستند. بسیاری از واژگانی که در بازارهای آهن می شنوید، مانند تیر آهن \(16\) یا تیر آهن \(18\)، بر اساس آیین نامۀ اشتال می باشند. البته دانستن این موضوع خالی از لطف نیست که بعدها، آیین نامۀ آلمان به عنوان استاندارد اروپا پذیرفته شد و در حال حاضر کل اروپا از این آیین نامه که به شکل استاندارد ایزو در آمده است استفاده می کنند. جداول اشتال در ایران توسط نویسنده های مختلفی به نگارش در آمده اند که نمونه ای که بنده استفاده کرده ام و تبع آن پیشنهاد می کنم، توسط جناب آقای دکتر پهلوانی تألیف و ترجمه شده است که بسیار کیفیت مطلوبی هم دارد، البته اگر شما از آثار سایر نویسنده ها هم استفاده کنید مشکلی ایجاد نخواهد کرد. در آینده خواهید دید که از جدوال اشتال در طراحی سازه های فولادی بسیار استفاده خواهید کرد. برای کسب اطلاعات بیشتر در ارتباط با سازه های فولادی، توصیۀ من به شما استفاده از مجموعه آموزش های زیر می باشد.

در اینجا می خواهیم مثالی بزنیم که چگونگی کار با جداول اشتال را برای شما جا بیندازد. یک پروفیل I شکل را در نظر بگیرید، تصویر زیر به شما در این تجسم کمک می کند. همانطور که در تصویر هم می بینید، چندین پارامتر هندسی در یک پروفیل I شکل وجود دارد که از آن در طراحی استفاده می شود.

یکی از این پارامترهای مهم ارتفاع این پروفیل می باشد. اساساً اسم پروفیل ها در برخی استانداردها از همان پارامتر ارتفاع آنها می آیند. به عنوان مثال وقتی نام پروفیل تیر آهن \(18\) را بر زبان می آوریم، در واقع در حال اشاره به پروفیلی هستیم که ارتفاع آن \(18\) سانتیمتر می باشد. البته در جدول اشتال این اندازه ها در واحد میلیمتر ارائه شده اند. در جدول اشتان این نوع پروفیل را با نام IPE نامگذاری کرده اند. وقتی شما این نام را ذکر می کنید، تمامی مهندسان اطراف شما به خوبی می دانند که در حال صحبت کردن دربارۀ چه چیزی هستید. چون تمامی اندازه های مرتبط با این پروفیل در جدول اشتان ذکر شده است. لذا لازم نیست توضیح بیشتری دربارۀ ابعاد هندسی آن بدهید.

برای بزرگنمایی تصویر روی آن کلیک کنید

همانطور که همۀ ما می دانیم، امروزه هیچ رشتۀ دانشگاهی را نمی توانیم بیابیم که رایانه در آن تأثیر گذار نباشد. امروزه حتی اساتید ادبیات هم از رایانه برای کارهایشان استفاده می کنند. چه بسا اگر استاد بزرگوار و تاج سر بنده، دهخدای عزیز هم به رایانه های مشابه امروزی دسترسی داشت، مجبور نمی شد این همه سال را صرف تألیف لغت نامۀ ارزشمندش کند و به سادگی و با یک جستجوی ساده می توانست مثال های فراوانی را که در کتابش زده است، از لابلای تمامی دیوان های شعرا و سایر آثار ادبی استخراج کند. طبیعتاً برای طراحی سازه های فولادی هم می توانید از رایانه ها مدد بگیرید. در همین راستا توصیۀ من به شما استفاده از آموزش ترسیم نقشه های سازه فلزی با نرم افزار اتوکد می باشد که در فرادرس منتشر شده است.