پاورپوینت اصول طراحی و اجرای ساختمان های فلزی

به نام خدا

اصول طراحی و اجرای ساختمان های فلزی

فهرست 1- طراحی ساختمانهای فولادی 2- سازه فولادی 3- مقدمه 4- آهن 5-تهیه فولاد 6- انواع فولاد 7- پروفیل های فولادی 8- مقادیر هندسی پروفیل های فولادی 9- مشخصات مکانیکی پروفیل های فولادی 10- کلیات طراحی سازه های فولادی 11- طراحی و اجرا با شکل

انتخاب نوع مقطع ، روش ساخت ، روش بهره برداری و محل ساخت ساختمان ، خصوصیات و ویزگیهای متنوعی برای ساخت اسکلت باربر یک ساختمان بوجود می آورد. مزیتهای هر سیستم سازه ای و مصالح مورد نیاز آن سیستم را در صورتی می توان بکار برد که خصوصیات و ویژگیهای آن مصالح و سیستمها در مرحله طراحی به حساب آورده شود و طراح باید در مورد هر یک از مصالح به درستی قضاوت کند. این موضوع بویژه در ساختمانهایی که اسکلت فولادی دارند ضروری است. معیارهای سازه ای زیر اهمیت زیادی در طراحی کلی و ستون گذاری ساختمان دارد : – نوع مقطع  – آرایش و روش قرار گیری مقاطع  – فواصل تکیه گاهی  – اندازه دهانه های سقف  – نوع مهاربندی  – نوع سیستم صلب کننده  – محل قرارگیری سیستم صلب کننده
طراحی ساختمانهای فولادی

 نوعی سازه است که مصالح اصلی آن که برای تحمل نیروها و انتقال آنها به کار می رود از فولاد است. اتصالات به کار رفته در این نوع سازه ها  از نوع جوشی، پرچی و یا پیچ می باشد و بسته به نوع اتصالات قطعات طرح شده و کنترل های مربوطه بر روی آنها انجا
در حال حاضر فولاد از مهمترین مصالح برای ساخت ساختمان و پل و سایر سازه های ثابت است مقاومت فولاد (تنش تسلیم) مورد استفاده در بازه۲۴۰۰ تا ۷۰۰۰ kgr/cm است که برای ساختمانهای معمولی از فولاد با مقاومت ۲۴۰۰ که به آن فولاد نرمه گفته می شود استفاده می گردد.

سازه فولادی

مقدمه:

فولاد الیاژی از آهن ، کربن و چند فلز دیگر است

آهن فلزی بسیار ناپایدار است، خالص آن وجود ندارد، بسیار گران و دارای مقاومت کم و نرم و نامناسب است.

آهن با اضافه شدن کربن پایدار میشود. به آهن پر کربن چدن گویند

فولاد ساختمانی دارای 0/2 درصد کربن است

آهن:

آهن – آیرون Iron – آیزن Eisen آلمانی

پنج درصد پوسته زمین آهن است- 95 درصد تولید فلز دنیا آلیاژ آهن یعنی فولاد است.

درکوه‏های آیدا واقع درسرزمین تروا (ترکیه) و درکناردریای اژه جنگل انبوه وسیعی آتش می‏گیرد. گفته می‏شود که سطح زمین آن نواحی ازآهن غنی بوده است. به ‏این جهت حرارت حاصل ازحریق سبب ذوب آهن موجود در منطقه شده و کربن ناشی از سوختن چوب پس از اتمام حریق فولاد منجمد شکل‏پذیر در محل باقی می‏ماند

آهن ازسنگ آهن‏های زیراستخراج می‏شود

1- سنگ معدن ماگنتیت: این سنگ معدن که حاوی ماگنتیت به فرمول (اکسیدفروفریک) است، پرعیارترین سنگ معدن آهن می‏باشد و دارای تا 65 درصد آهن است. رنگ این کانی سیاه است.
2- سنگ معدن هماتیت: این سنگ معدن حاوی کانی هماتیت به فرمول (اکسیدفریک) است. 0 تا60 درصدآهن دارد. این سنگ معدن دربیشترکشورها یافت می‏شود. رنگ این کانی قرمزاست. (بافق، گل گهر سیرجان، خراسان )

3-سنگ معدن‏های هیدراته: این سنگ‏ها حاوی کانی‏های لیمونیت هستند و اغلب در نقاط باتلاقی یافت می‏شوند. این نوع سنگ ‏آهن می‏تواند تا50 درصد سنگ‏ آهن داشته باشد. رنگ کانی لیمونیت قهوه‏ای مایل به زرد است. (بندر عباس، نطنز، کردستان، آذربایجان غربی)

4- سنگ معدن کربناته: این سنگ معدن حاوی سیدریت به فرمول (کربنات آهن) است وحداکثر تا 45 درصد آهن دارد. رنگ کانی این سنگ آهن سیاه مایل به قهوه‏ای است.

تهیه فولاد:

فولادهای ساختمانی بیشتر ازکوره‏های بلند تهیه می‏شود. جهت سوزاندن کربن آهن خام مذاب از هوای داغ و یا اکسیژن صنعتی استفاده می‏شود. درروش هوای داغ، هوای داغ بافشاری بین07 تا2 کیلوگرم برسانتیمترمربع به‏مدت 18 تا20 دقیقه به‏درون مبدل دمیده می‏شود. هوای مورد نیاز500 مترمکعب به‏ازای هرتن فلز مذاب است. درصورتی که از اکسیژن صنعتی استفاده شود، اکسیژن ازطریق لوله‏ای که به فاصله075 تا 3.6 متر بالای فلز مذاب قرارگرفته است، با فشار به داخل فلز مذاب دمیده می‏شود. دراین روش دمای فلزمذاب تا3000 درجه سانتیگراد هم می‏رسد.

درکارخانهذوب آهن اصفهان فلزمذاب حاصل ازکوره بلند را پس ازخالی شدن از کوره درظرف‏های خمره ‏مانند ریخته و به‏ وسیله واگن‏های مخصوص به ‏قسمت مبدل می‏برند. دراین قسمت درحدود80 تن فلز مذاب به ‏مدت 45 دقیقه تحت دمش اکسیژن از بالا قرارگرفته وتبدیل به فولاد می‏شود.

انواع فولاد:

مقدار کربن فولاد مهم‏ترین عامل تعیین‏کننده خواص مکانیکی آن است. باکم و زیاد کردن کربن می‏توان فولادهایی بااستحکام و شکل‏پذیری مختلف به ‏دست آورد.
زیاد شدن کربن استحکام فولاد را افزایش می‏دهد درحالی‏که شکل‏پذیری آن ‏را کاهش می‏دهد.
1- فولادنرم(ساختمانی) که دارای0.09 تا0.29 درصدوزنی کربن است.
2- فولادباکربن متوسط(فولاداعلای ساختمانی) که دارای0.30 تا0.59 درصد وزنی کربن است.
3- فولادپرکربن(فولادابزار) که دارای 0.6 تا1.7 درصد وزنی کربن است.
فولادهای نرم وبا کربن متوسط ضمن داشتن استحکام قابل توجه از نظر قابلیت تغییرشکل و نرمی نیزخواصی که درکارهای ساختمانی و صنعتی مورد نظراست را برآورده می‎نمایند.

ازفولاد باکربن زیاد درساختن ابزارماشین‏کاری، چاقو، اره، ساچمه، فنر و نظایرآن استفاده می‏نمایند. وجود منگنز در فولاد باعث بالارفتن استحکام آن می‏شود و از طرف دیگر منگنز سختی فولاد را بالا برده وشکل دادن آن را دشوار می‏سازد.

شکل دهی فولاد (ریخته گری)

دراین روش فولاد مذاب را به‏ صورت شمش، شمشال ویا لوحه (ورق ضخیم) درمی‏آورند.

برای تهیه شمش، فولاد مذاب را در قالب‏هایی به حجم تا 800 لیتر ازجنس چدن با پوششی ازآجرهای نسوز می‏ریزند.

بااستفاده ازریخته‏گری مداوم به‏صورت پیوسته، از فولاد مذاب نیمرخ‏های طویلی با ضخامت5 تا 30 سانتیمتر ساخته می‏شود.

شکل دهی فولاد (نورد)

هرگاه یک قطعه فولادتحت اثرچنان تغییر شکلی قرار گیردکه پس از حذف عامل تغییرشکل‏دهنده، شکل اولیه خود راپیدا نکند، این تغییرشکل راتغییرشکل خمیری می‏نامند.
درنورد گرم، قطعات نورد برحسب نوع فولاد و محصول مورد نیاز 900 تا1150 درجهسانتیگراد گرم میشود تا فولاد مقاومت دربرابر تغییرشکل خود را تاحد مناسبی ازدست بدهد. دراین ‏صورت با مصرف انرژی کمتر قادر به نوردکردن می شود.
درروش نورد، پس ازگرم‏کردن فولاد تا دمای مناسب، آن ‏رابه دفعات متعدد از بین استوانه‏های درحال دوران می‏گذرانندکه پس از طی مراحل لازم به شکل مورد نظردرمی‏آید.
درشکل1، مراحل مختلف نوردتیرآهن نشان داده شده است.

مراحل مختلف نوردتیرآهن

پروفیل های فولادی گرم نورد شده
نورد:
نورد گرم
نورد سرد

ریخته گری:
قالب ریزی
فشاری

نقشه های معماری( پلانها، نماها، مقاطع)
انتخاب نوع ساختمان
انتخاب سیستم ساختمان
تعیین محل ستونها
تعیین جهت تیرریزی
محاسبات زلزله
بارگذاری قابها
تحلیل قابها
طراحی بادبندها
طراحی ستونها
طراحی تیرها

کلیات طراحی سازه فولادی

سایت پلان
پلان پارکینگ
پلان طبقات
پلان شیب بندی بام
نمای شمالی
نمای جنوبی
مقطع
جزئیات معماری
معماری

انتخاب نوع ساختمان

معماری
ارتفاع کل ساختمان
دهانه ها
اتفاع طبقه همکف
نورگیری
پارکینگ
زمان ساخت
آتش سوزی
اقتصادی

برای سیستم ساختمانی در یک ساختمان فولادی یکی از سه حالت زیر مطرح است:

1-قاب بادبندی-قاب بادبندی
2-قاب بادبندی- قاب خمشی
3-قاب خمشی- قاب خمشی
انتخاب سیستم ساختمانی

بارهای جانبی بعلت پیوستگی اعضا بوسیله خمش در تیرها وستونها تحمل شده وبه تکیه گاه منتقل می شود.
ازلحاظ سازه ای، قابهای خمشی بعنوان سیستم مقاوم باربر جانبی، دارای انعطاف پذیری مناسبی می باشند. تغییرشکل باعث جذب انرژی در قاب شده ودر نتیجه مقاومت در برابر نیروهای برشی افزایش می یابد ونیروهای لرزه ای توسط ضریبR کاهش می یابد.
این نوع قابها ازلحاظ معماری از سهولت و آزادی عمل بالایی برخوردارند و بعلت عدم وجود اعضای قطری تقسیم بندی فضاهای داخلی براحتی انجام می شود.

قاب خمشی(مزایا)

تغییر شکل جانبی وتغییر شکل نسبی بین طبقات زیاد است وبرای افزایش سختی لازم است تعداد ستونها افزایش یابد.
طراحی و اجرای اتصالات از ضوابط خاصی برخوردار بوده و بطور معمول پر هزینه تر و مشکلتر از اتصالات مفصلی است و باید بطور دقیق طراحی و اجرا شوند.
رفتار دینامیکی آنها بعلت اثر نیروی شلاقی وتناوب ارتعاش پیچیده است.
در یک ردیف بودن ستونها در این قابها از اهمیت بیشتری نسبت به قابهای بادبندی برخوردار است.
قاب خمشی(معایب)

سختی خوب دربرابر بارهای جانبی
ساده بودن اتصالات و سرعت اجرای آن
مقاومت بسیار خوب در برابر بارهای جانبی استاتیکی
قاب بادبندی(مزایا)

این قابها در مناطق با زلزله خیزی بالا توصیه نمی شوند زیرا عناصر فشاری آنها مانند ستونها و مهاربندها در بارهای تناوبی ضعیف عمل کرده و در سیکلهای متعدد بارگذاری و باربرداری تا حدود زیادی مقاومت خود را از دست می دهند به عبارت دیگر این نوع قابها با وجود مقاومت خوب در برابر بارهای استاتیکی مثل باد، بدلیل عدم شکل پذیری مناسب، از لحاظ جذب انرژی در برابر بارهای متناوب زلزله ضعیف عمل می کنند. ولی به علت مسائل اجرایی در اتصالات ترجیح داده میشود که سیستم ساختمان فولادی در یک جهت بادبندی باشد.
قاب بادبندی(معایب)

با در نظر گرفتن کلیه مسائل اجرایی و طراحی و ایمنی ساختمانهای فولادی بیشتر از 5 طبقه ، بهترین سیستم برای این نوع سازه ها سیستم قاب خمشی-قاب بادبندی می باشدکه قاب خمشی بصورت شرقی-غربی و قاب بادبندی بصورت شمالی-جنوبی قرار میگیرند. اما برای سازه های کمتر از 5 طبقه بدلیل اجرای مشکل اتصالات گیردار و عدم نظارت کافی سیستم دو جهت بادبند توصیه میگردد.
بهترین سیستم ساختمانی

در تعیین محل ستونها باید به نکات ذیل توجه کرد:
نقشه معماری
فضای پارکینگ که بتوان تعداد لازم وسیله نقلیه سواری را بدون مزاحمت قرارداد.
حداکثر طول دهانه ها(5 تا 6 متر)
زیبایی فضای داخلی(قرار دادن ستونها در بین دیوارها و مخفی کردن آنها در پلان)
در یک راستا بودن ستونها که تشکیل قاب مستوی دهند.
تعیین محل ستونها

در تعین جهت تیریزی سازه ها را به دو دسته تقسیم میکنیم:

1-سازه ها با سیستم دو جهت یکسان
2-سازه ها با سیستم دو جهت متفاوت
تعیین جهت تیرریزی

در این سازه ها باید جهت تیرریزی بگونه ای باشد که بار به دهانه های کوتاهتر منتقل شود چون لنگر بیشینه علاوه بر مقدار بار به طول دهانه نیز بستگی دارد پس باید بار بیشتر را به دهانه کوچکتر انتقال داد که بین تیرها ازلحاظ ابعاد مقطع تعادل بر قرار شود
1-برای سازه ها با سیستم دو جهت یکسان

در این سازه ها باید همیشه بار را به قابهای بادبندی منتقل کرد چون نیروی زلزله در این قابها توسط بادبندها تحمل می شود وتیرها فقط بارهای مرده و زنده را تحمل می کنند در صورتیکه در قابهای خمشی کلیه بارها توسط تیر و ستونها تحمل میشود بنابراین بهتر است سهم قابهای خمشی از
بارهای زنده و مرده کمتر شود و این قابها
بیشتر نیروی زلزله را تحمل کنند تا تعادل
در ابعاد مقاطع بر قرار گردد.
2-برای سازه ها با سیستم دوجهت متفاوت

بارهای وارد به سازه ها به دو دسته تقسیم میشوند:

1-بارهای عمودی
2-بارهای جانبی

بارگذاری قابها

بارزنده: با توجه به کاربری سازه از جداول آیین نامه ها بر اساس مقدار بار بر متر مربع تعیین میشوند و به صورت بارگسترده در هر طبقه به سازه اعمال می شوند.
بار مرده: با توجه به جزئیات سقف و دیوارها و وزن تیرها و ستونها محاسبه میشوند و به صورت بارگسترده درهرطبقه به سازه اعمال می شوند.
بار برف: با توجه به منطقه و شیب بام و…محاسبه و بر روی بام و بر اساس مقدار بار بر متر مربع تعیین میشوند وبه صورت بارگسترده اعمال میگردد

1-بارهای عمودی

باگذاری بارهای عمودی(مرده و زنده) با توجه به جهت تیر ریزی انجام میگیرد.تیرهایی که جهت تیرریزی به سمت آنهاست نیمی از بارزنده و مرده دهانه را از هر طرف تحمل میکنند و تیرهایی که موازی با جهت تیرریزی هستند فقط به اندازه 0.5 متراز هر طرف باربری دارند.
بارگذاری بارهای عمودی(مرده و زنده)

با توجه به چشمه باربر هر تیر قابها
با بارهای گسترده بارگذاری می گردند
بارگذاری بارهای عمودی(مرده و زنده)

بار زلزله: به یکی از روشهای استاتیکی یا دینامیکی طیفی یا تاریخچه زمانی محاسبه میشوند و به صورت جانبی به سازه اعمال می شوند.
بار باد: با توجه به هندسه سازه و منطقه وارتفاع آن به روشهایی که در آیین نامه ها آمده است محاسبه و به صورت بار بر متر مربع (فشار) به سازه وارد میشوند.
*هر کدام از این دو بار که تاثیر بیشتری روی سازه داشته باشند مد نظر قرار میگیرد.
2-بارهای جانبی

بارهای جانبی بصورت بار متمرکزبه سقفها اعمال میشوند و بسته به تعداد قاب در جهت موازی با نیرو بین قابها تقسیم میشود.
بارگذاری بارهای جانبی

بدلیل معین بودن این قابها تحلیل آنها بسیار ساده است بارهای جانبی کاملا توسط بادبندها تحمل می شود وبارهای عمودی نیز توسط تیرها به ستونها منتقل میشود. ستونها فقط دارای بار محوری هستند وتیر ها نیز دارای لنگر بیشینه وبرش بیشینه
هستند و تحلیل میتواند بصورت کاملا دستی صورت پذیرد
تحلیل قابهای بادبندی

برای تحلیل این قابها باید چند حالت بارگذاری زیر را در نظر گرفت و آن حالت که بیشترین اثر را روی سازه می گذارد را انتخاب کرد.
1)DL
2)DL+LL
3)DL+E
4)DL-E
تحلیل قابهای خمشی

تحلیل این قابهای خمشی بدلیل نامعینی آنها ساده نیست و باید توسط یکی از روشهای تحلیل سازه های نامعین مانند شیب افت توزیع لنگر،کانی ویا روشهای تحلیل ماتریسی تحلیل گردند.
ویا برای راحتی وسرعت عمل بیشتر میتوان از نرم افزارهای تحلیل سازه مثلSAP2000-ETABS استفاده نمود
لازم به ذکر است چون در این روشها به مشخصات تقریبی مقاطع نیار است استفاده از یکی ازروشهای تحلیل تقریبی مانند پرتال یا کانتلیور الزامی است.
تحلیل تقریبی طراحی تقریبی تحلیل دقیق طراحی نهایی

تحلیل قابهای خمشی

بادبند بصورت یک عضو کششی طراحی میگردد، ابتدا باید برش طبقه در راستای بادبند تصویر شود.
طراحی بادبندها

گامهای طراحی بادبند
1- بدست آوردن نیروی موثر بر بادبند:

2- بدست آوردن سطح مقطع لازم:

3-انتخاب مقطعی از نبشی، ناودانی، دوبل نبشی، دوبل ناودانی و… بصورتیکه:
4-کنترل لاغری:

طراحی ستونها بسته به اینکه در قاب بادبندی هستند یا خمشی متفاوت است. ستونهای قابهای خمشی دارای لنگر و بار محوری هستند ولی ستونها در قابهای بادبندی فقط دارای بار محوری هستند.
طراحی ستونها

1 – تعیین

2 – فرض تنش

3 – (واقعی)

4 –

5 –

مقطع ضعیف است باید مقطع جدید در نظر گرفت و گامهای طراحی را تکرار کرد.

گامهای طراحی ستونها تحت بار محوری تنها

1 – تعیین
2 – محاسبه مقدار واقعی k
3 – فرض تنش
4 – حدس مقطع
5 – کنترل رابطه 1

6 – کنترل رابطه 2

گامهای طراحی ستونها تحت بار محوری و لنگر خمشی

*با فرض اینکه خمش تک محوره است و مقطع دارای 2 محور تقارن است.
1- محاسبه
2- محاسبه
3- انتخاب مقطع

طراحی تیرها

موتور جوش

ایجاد سطح صاف برای کار

برش توسط هوا برش

تسمه برای تنظیم فاصله دو پروفیل

ورق تقویتی پای ستون

اتصال دو پرفیل توسط تسمه

اتصال به وسیله ورق سراسری

تغییر مقطع در ورق تقویتی

جوش شیاری مناسب

جوش شیاری نامناسب

جوش نامناسب

جوش گوشه با فواصل مطابق با آئین نامه

جوش ضعیف:کنده شدن ورق تقویت قبل از بارگذاری

جوش کام

اجرای جوش مناسب در محل سوراخ ها به ورق

اجرای برشگیر برروی تیر

بولت

اتصال ستون به بیس پلیت (استیفر)

مدفون کردن استیفنرها در بتن برای جلوگیری کردن از زنگ زدگی

دپوی نبشی و لچکی

نبشی نشیمن +لچکی

نشیمن نامناسب برای تیر

محل اتصال بادبند به تیروستون

اتصال نادرست بادبند درمحل برخورد عضوها

اجرای بادبند بدون لقمه

اجرای لقمه با فواصل مناسب

بادبند بدون اتصال ورق به ستون

اتصال تیر فرعی به تیر اصلی

محل جوش شمشیری پله

مراحل انتقال واتصال تیردر یک سازه

اتصال صلب

اتصال صلب با استفاده از نبشی

اتصالات پیچی

اتصال بادبند به وسیله پیچ

اتصال تیر فلزی به ستون بتنی

ورق تقویتی در لانه زنبوری

شاغول نبودن ستون

منابع
 کباری، سیاوش. دیتیل های ساختمانی. دانش و فن.
فروتن، سام. مصالح شناسی. مرکز مطالعات معماری.
 حامی، احمد. مصالح شناسی. نغمه نواندیش.

با تشکر از توجه شما