ساختمان های فولادی

فولاد در ساختمانهای بلند

معماری تاریخی و طاق نصرت های ساختاری روزهای گذشته ، مانند اهرام کشور مصر ، معبدهای یونان ، پل های بتنی رم ، از سنگ یا برخی از بناهای ساختمانی ، ساخته شده اند آرشیتک ها و مهندسان امروزی ، از موادی در ساختمان استفاده می کنند که برتری و مزیت دارند فولاد ساختاری ساختاری ، بطور مثال یکی از این مواد است که مدت زمان طولانی است که از آن استفاده می کنند این ها ( فولاد ساختاری ) متنوع و اقتصادی هستند در دو دهه گذشته تولیدکنندگان فولاد ، برای آرشیتکتها  و طراحان ساختاری طیف وسیعی از فولاد را برای آنان تهیه و در شکل های متنوع که دارای درجات بالایی از مقاومت تولید شده اند فولادهای هوازده شده که از خودشان محافظت کرده و در برابر فرسایش مقاوم هستند که ؟ آن بیشتر از همه ، مورد استفاده قرار می گیرد تکنیک های محافظت در برابر آتش و متدهای جدیدی بکار گرفته شده در تولید و ساخت آنان که دلایلی می باشد جهت استفاده کردن از فولاد در ساختارهای متنوع در مکانهای کم ارتفاع مانند پارکینگ ها و آسمانخراش های 100 طبقه ، اساساً ، سیستمهای ساختاری جدید فولاد ، در برابر زلزله و نیروی باد و لرزش و تکان مقاوم هستند در بسیاری از موارد طراحی های خوب ، زیبایی و استقامت فولاد را به نمایش می گذارد اگر چه کاربرد فولاد را در ساختارها ، می توان به سال 1856 ارجاع داد زمانیکه فرایند ساخت فولاد بسمر (Bessemer) ، معرفی شد و برای ساختارهای بلند مورد استفاده قرار گرفت مثلاً در برج ایفل که در سال 1889، ساخته شده است بعد از آن در قرن 19(نوزدهم ) چندین ساختمان بلند ، ساخته شد ( فوت 286 یا 87 متر ارتفاع) مانند ساختمان Flatiron (فلتیرون ) در سال 1902 با ( فوت 1046 یا 319 متر ارتفاع) یا ساختمان Chrysler (کریسلر) که در سال 1929 در قسمت مرکزی شهرهای شیکاگو و منمهتن ، ساخته شد رکورد بلندترین ارتفاع بوسیله ساختمان امپایر استیت در سال 1931 ، شکسته شد با (فوت 1250 یا 381 متر ارتفاع) و همین طور برجهای دو قلوی یا ساختمانهای مرکز تجاری دنیا در سال 1972 ( با 1450 فوت و یا 412 متر ارتفاع ) و بدنبال آن بلافاصله برج Sears (سیرز) در شیکاگو ساخته شد در سال 1974 با (1450 فوت یا 442 متر ارتفاع ) اما هنوز هم معماران در پی ساخت بلندترین ساختمانها هستند شاید برای اینکه پیش بینی کنیم آیا بلندترین ساختمان فولادی در این دهه ساخته خواهد شد یا نه ، باید به توپ کریستال (مخصوص فال بین ها) خیره شویم نمایش قابل قبول و مناسب فولادها در ساخت ساختمان های بلند ، ارائه وعرضه شده است نقش فولاد فقط در ساختارهای اولیه به انتقال دادن بارگذاری نیروی ثقل ، ارجاع شده جهت شامل کردن سیستمهای بادی و سیستمهای ساختاری جدید و تنظیم کردن قاب بندی ، برای ساختارهای لوله مانند .

امروزه تولید و ساخت بهبود یافته و تکنیک های فرسایشی با تکنیکهای تحلیلی پیشرفته ترکیب شده که توسط کامپیوترها طراحی شده و در ساخت فولادها استفاده می شود البته فقط در سیستمهای ساختاری درست و منطقی برای ساختمانهای بلند .

مزیت های ساختمان فولادی 

آیا استفاده از فولاد ، انتخاب مناسبی برای قاب بندی ساختمانهای چند طبقه می باشد ؟

این تصمیمی است که همواره نیازهای مطالعات تطبیقی را بهبود می بخشد در اینجا برخی از دلایلی که بطور طبیعی با مزیتهای رقابتی فولاد و بتن ارتباط دارند ذکر شده اند :

1. سرعت ساخت ، بویژه همراه با ، مدت زمان میزان سوددهی بالا .قاب بندی فولادی بسیار سریع صورت می گیرد که هزینه های مالی ساخت را بطور محسوسی کاهش می دهد و بدنبال آن درآمد زیادی تولید می شود بطور مثال ، 20 میلیون دلار وام با 5/13 درصد سود ، موجب صرفه جویی (حدوداً) 250 هزار میلیون دلار سود و هزینه انتقال (حمل و نقل ) می شود در هر ماه و همینطور زمان تکمیل پروژه کاهش می یابد.
2. قابلیت استفاده از فولاد در طبقات و شکل های مختلف ، برای قاب بندی اقتصادی فاصله دو تکیه گاه تیر ( دهانه ) کوتاه و بلند ، مناسب می باشد.
3. بکارگیری طرح اقتصادی و پیشنهادهای فولاد ، برای بهبود سازی و احیاء پروژه ها مفید است فولاد می تواند براحتی تغییر شکل دهد بسط داده شود یا در آینده نیازهای مالکان و مستاجران را برطرف کند بهمین خاطر ، یک قاب بندی فولادی ، اغلب بعنوان یک قاب بندی قابل تغییر مورد استفاده قرار می گیرد.
4. در موقعیتهای فونداسیون مشکل ، امکان دارد ساختمان فولادی هزینه های فونداسیون را به دلیل وزن سبک آن ، کاهش دهد قاب بندی فولاد ، بطور نرمال و طبیعی 25 تا 35 درصد سبک تر از قاب بندی بتنی است و می توان با استفاده از فولاد سیستمهای گران فونداسیون را ارزان کرد مثلاً در مرکز شهر هوستون ، اساس و شالود با خاک رس نرم و متراکم شده می باشد که این ساختمان بلند دارای سیستم فونداسیون با مواد سخت می باشد انواع فونداسیون نیاز دارند تا وزن خاک حذف شود در نتیجه زیربنای ساختمان نباید کمتر از درصد بارگذاری باشد که برای خاک بوسیله ساختار کامل شده بکار گرفته شده است یعنی ساختار واقعی سنگین تر است و بطور افزایشی مقدار آن بیشتر از خاکی می باشد که حذف شده بدلیل ؟ فشار خالص بر خاک با ساختمان بتنی ، بطور نمونه ساختمانهایی که حدوداً 5/1 میلیون فوت مربع از فضا در یک ساختمان 50 طبقه دارند تقریباً کمتر از 3 درجه سطوح نیاز دارند با تغییر دادن سیستم قاب بندی بتنی برای فولاد ، بطور نمونه فقط ، نیاز به دو پی ( پی ساختمان) می باشد با اینکار نه تنها هزینه های زیر بنا کاهش می یابد بلکه نصب سیستم نگهدارنده و هزینه های آب گیری نیز کاهش می یابد.
5. افزایش یافتن پذیرش بوسیله بدنه های کد – کنترل کننده متدهای صحیح برای طراحی کردن با فولاد ساختمان ظاهری (بیرونی ) ایمن از آتش ، این متدها ، شیوه هایی را برای محاسبه کردن انتقال گرما و تعیین کردن دمای فولاد در نقاط حساس توصیف می کنند .
6. در شرایط آب و هوای سرد ، قاب بندی فولاد ساختاری ترجیح داده می شود بخاطر شرایط های بد جوی یعنی شرایط برفی و یخی . البته باید در اینجا متذکر شد که برای محافظت از سرمای زمستان و همچنین باد نیاز به گرمای مصنوعی است که دمای فولاد را حداقل 45 F ( فارنهایت ) افزایش دهد یعنی در اینجا اسپری ضد آتش را می توان بکار برد این دما حداقل 24 ساعت دوام دارد حتی با استفاده از اسپری ضد آتش .

سیستم های ساختاری در فولاد

یکی از سوالات اساسی مهندسی ساختاری پاسخ به این پرسش است که آیا سیستم ساختاری برای ساختمان از نظر اقتصادی دارای اهمیت است با یک ارزیابی مقدماتی این واقعیت آشکار می شود که هزینه ساختاری ساختمانهای فولادی ، نه تنها در تناژ ( وزن کلی بار ) فولاد مورد استفاده قرار می گیرد بلکه هزینه های فرسایش و ساخت نیز در نظر گرفته می شود اگر چه هزینه فرسایش و ساخت فولاد گران است اما این هزینه ها می توانند بر هزینه های دیگر مشابه نقشه ها یا طرحهای ساختاری مختلف نیز تاثیر گذارند البته این کار آسان یا سهل انگاشتن شرایط واقعی است اما نقطه آغاز گزینش یا انتخاب طرح ساختاری است بنابراین ، هدف پیدا کردن یک سیستم ساختاری است که برای مقدار مینیمم فولاد بدون در نظر گرفتن گرانی آن ، استفاده می شود در قانون کلی ، چیزهای دیگر مساوی است در ساختمانهای بلند نیاز بیشتر جهت تعیین کردن سیستم مناسب برای مقاومت بارگذاری جانبی می باشد این پروژه اولین بار توسط معماران در اصطلاح ضمنی بکار گرفته شد یعنی تعیین کردن شکل کلی ساختمان ، با تعداد تقریبی طبقات و سایز (اندازه ) و مکان یابی . مهندسی ساختاری ، در این مرحله یک سیستم اختیاری را آشکار می کند که نه تنها یک ساختار اقتصادی است بلکه با ؟ خاصی همراه است نیازی نیست که بگوییم ، هر ساختمان یک محصول از سری توافق بین کشمکشها و درخواست ها  ،گزینش نقشه یا طرح ساختاری می باشد.

با تعیین کردن سیستم قاب بندی اقتصادی ، ضروری است که سیستم قاب بندی طبقه افقی و عناصر عمودی قاب بندی ساختاری ارزیابی شود به سیستمهای قاب بندی جانبی که در این فصل شرح می دهیم توجه کنید البته قاب بندی طبقه ، در بخش های بعدی این کتاب توصیف شده اند . ساختارهای بلند ، معمولاً دفاتر کاری یا ساختارهای مسکونی (آپارتمانها ، هتل ها ) می باشند و یا در برخی از موارد ترکیب هر دو .

اغلب اوقات آنها ، شامل گاراژها و پارکینگ ها هستند مطالعات صورت گرفته بر سیستم های ساختاری در ارتباط با ساختارهای ویژه نشان می دهد که نتایج حاصل شده در شرایط های مشابه کافی نیستند امروزه ، سیستمهای فولادی ساختاری زیادی وجود دارند که می توانند برای مهار بندی جانبی ساختمانهای بلند مورد استفاده قرار گیرند البته اینکار بیهوده است که سعی کنیم همه این سیستمها را طبقه بندی کنیم بصورت مجزا ، هر چند ، برای این اهداف ارائه شده ، سیستمهای ساختاری مختلف بطور معمول در طراحی ساختمانهای بلند استفاده می شوند که بصورت ذیل طبقه بندی شده اند :

1. قاب بندی های نیمه سفت
2. قاب بندیهای محکم
3. قاب بندی های مهاربندی شده
4. قاب بندی محکم و قاب بندی مهار بندی شده با اثر متقابل
5. سیستمهای تسمه ای و خرپا (نیمه مشبک ) پایه
6. ساختارهای لوله ای قاب بندی شده با لوله هایی به شکل منظم
7. ساختارهای لوله ای قاب بندی شده با لوله هایی به شکل نامنظم
8. لوله های مهاربندی شده بیرونی (خارجی ) با شکل های منظم
9. لوله های مهاربندی شده بیرونی (خارجی ) با شکل های نامنظم
10. ساختارهای لوله ای روزنه دار
11. ساختارهای مگابایت

قاب بندیهای سفت و محکم

اتصالات سفت و سخت آنهایی هستند که بقدر کافی محکم می باشند و زوایا را بین اعضای اصلی و غیر قابل تغییر تحت نظر بارگذاری نگه می دارند یک قاب بندی که شامل اتصالاتی است که توصیف شده اند مانند یک قاب بندی سخت و یا قاب بندی مهار نشده . قاب بندیهای محکم ، پایدار که براحتی تغییر شکل نمی یابند البته در محل اتصال در محل تقاطع ستونها و شاه تیرها . بطور کلی ، قاب بندیهای محکم تشکیل شده از یک مستطیل سخت تیرهای افقی و ستونهای عمودی با سطوح مشابه که بطور محکم متصل شده اند احتمالاً قاب بندی در سطوح هموار داخلی دیوار ساختمان و یا در سطوح هموار نمای بیرونی ساختمان صورت می گیرد بدلیل پیوستگی اعضا در محل اتصال ، قاب بندی محکم  و سخت ، واکنش بارگذاری جانبی و اصلی بوسیله خمیدگی تیرها و ستونها می باشد که بصورت خلاصه در تصویر 4.15 ، مشخص شده است این ویژگی پیوسته قاب بندی سخت ، بستگی به پایداری چرخشی اتصالات عضوی دارد که هنوز مجوز اینکار داده نشده است .

سازه یا مولفه خمش تیر آزاد (پیشامدگی)

این پدیده همچنین به نام chord drift (وتر یا قوس رانه ) معروف است عملکرد بارگذاری بادی از طریق صورت یا نمای عمودی ساختمان ، موجب خمش کلی گشتاور بر هر بخش افقی ساختمان می شود این گشتاور که مقدار آن به حداکثر می رسد در پارچه و اساس ساختمان موجب می شود ستون بادپناه ساختمان بچرخد و آن را لنگر واژگونی می نامند در این پایداری لنگر واژگونی ، قاب بندی همانند یک تیر سرآزاد عمودی است که به خمش و دفرمه شدن محوری ستونها ، واکنش نشان می دهد این لنگر واژگونی موجب تراکم در ستونهای جان پناه و کشش و یا بالا رفتن ستونهای بادگیر می شود ستونهای جان پناه ساختمانها بلند و نمای جان پناه ، کوتاه می شود تغییر طول ستون موجب چرخش ساختمان شده و اینکار از سازه یا مولفه وتر رانه ، ناشی می شود که مربوط به خمیدگی جانبی است این روش دفرمه شدن در حدود 90 تا 95% مربوط به خمیدگی کلی در یک تیر پیشامدگی مناسب می باشد در مواردی که قاب بندیها سخت و سفت هستند این پدیده در حدود 20% از رانه (یخرف drift) کلی ساختار محاسبه شده است .

قاب بندی های مهاربندی شده

سیستمهای قاب بندی سخت و خالص برای ساختمان هایی که بیشتر از 30 طبقه دارند کافی نیستند زیرا سازه یا مولفه برش توری مشبک خمیدگی تولید شده توسط خمش ستونها و تیرهای مرکب صورت می گیرد که موجب شده رانه (drift) ساختمان بسیار بزرگ باشد همانگونه که قبلاً متذکر شدیم ضعف اصلی در اینجا انعطاف پذیری تیرهای مرکب است یک قاب بندی مهاربندی شده برای بهبود و پیشرفت راندمان عملکرد قاب بندی سخت و خالص توسط حذف کردن عوامل خمش ستون و تیر مرکب این مهم با افزودن اعضای خرپا (truss) مانند آنالوگ بین سیستم طبقه ای انجام می شود حالا برش ، توسط آنالوگ ها جذب شده البته نه ، توسط تیرهای مرکب . آنالوگ ها مستقیماً نیروهای جانبی را در عملکرد محوری بطور عالی انتقال می دهند و با اینکار حرکت یا وضعیت توری مشبک را بهبود می بخشند همه اعضا فقط برای بارهای محوری در اینجا بکار گرفته شدند بنابراین ایجاد یک سیستم ساختاری کافی بنظر می رسد .

سیستم خرپا (تقویتی) شطرنجی

اغلب ساختارهای انواع مسکونی بلند مانند آپارتمانها و هتل ها معمولاً در مجاورت 60 تا 150 ft تا ft200 بلندی هستند بطور طبیعی طرح طبقات آنان بصورت کریدورهای بارگذاری دوبل در حدود 6 تا 8 ft است البته در پهنا ، یک بررسی انجام گرفته در انستیتوی ماساچوست تکنولوژی در نیمه دهه 1960 تحت حمایت اتحادیه فولاد U.S صورت گرفته بود برای هدف توسعه دادن یک سیستم قاب بندی اقتصادی برای ساختارهای باریک و بلند . سیستم خرپا (تقویتی) شطرنجی شامل پژوهش های بعمل آمده است که توسط اداره و سازمان معماری و مهندسی در MIT صورت گرفته . نتیجه آن یک سیستم است برای ساختارهای بلند که اقتصادی و کارآمد است و از فولاد ساختاری و ترکیب شده با بازدهی و انعطاف پذیری واجد طرح اولیه ، ساخته شده است پهنای برج باریک ، مجاز است که از خرپا یا (تقویتی) برای طبقات بلند استفاده می کند و بطور اقتصادی در مسیر تراگذار (نورسنجی ) بین ستونها در بخش بیرونی ساختمان به صرفه است انعطاف پذیری مورد نیاز در واحد طرح اولیه با تنظیم کردن خرپاها در یک طرح شطرنجی در طبقات متناوب ، بطور خلاصه در تصویر 4.18 ، مشخص شده است عملکرد سیستم طبقه ای همانند دیافراگم بارهای جانبی را انتقال می دهد در مسیر کوتاه برای خرپا(تقویتی ) بارهای جانبی با قطرهای خرپا ، پایدار و تقویت می شوند و به صورت مستقیم بارها را در ستونها ، انتقال می دهند بنابراین ستونها ، هیچگونه خمش گشتاور را دریافت نمی کنند.

ساختارهای نهایی با کارآمد بالا

جالب است که یادآوری کنیم هیچگونه جهش یا پرش کوانتوم در ارتفاع ساختمانهای بلند وجود ندارد که امروزه مقایسه بر آن اساس صورت گیرد ؛ زیرا آنها در دهه 1940 و 1930 ساخته شده اند مثلاً‌ساختمان امپایر استیت ، که آسمان خراش در 1/250ft موفقیت در ساخت چنین ساختمانهایی اعتبار جهانی و قدرت خاصی به طراحان آنها داده است اجازه دهید چگونگی بکارگیری مواد سبک وزن را برای کمک به بهبود بخشیدن پایداری برای بارهای جانبی مورد آزمایش قرار دهیم سیستم لوله ای با ویژگیهای بکار گرفته شده ستونها در پیرامون ساختمان نیاز جداگانه ای بین نماهای بادپناه و بادگیر ساختمان برای پایداری لنگر واژگونی ایجاد میکند هر چند  ستونهای بیرونی بویژه در یک لوله قاب بندی شده نزدیک به یکدیگر قرار گرفتند و محیط های ریزابه برای جمع آوری ثقل بارها، کوچک هستند. بنابراین ، تاثیر ثقل بار در برخورد و مواجهه با نیروهای کششی مربوط به ستون ها است که تا حدی محدود شده اند. اول به دلیل مواد نستباً سبک که در ساخت از آن استفاده شده و دوم اینکه نواحی ریزابه، برای ستون ها بیرونی محدود شده اند. اگر، ما تا حدی بتوانیم ثقل بارها را بصورت این ستون ها، الق کنیم. آیا می توانیم کارایی سیستم را بهبود دهیم؟

این دقیقاً ایده ای است در ساختارهایی با کارآمدن هایی و بالا که اولین بار توسط دکتر Fazlur Khan (خان) ابداع شد. یک ساختار نهایی با کارآمد. بالا که ثقل بار را بطور عملی برای پایداری ستون ها در لنگر واژگونی انتقال می دهد.توجه کنید این ایده، به صورت روتین توسط مهندسین مورد استفاده قرار می گیرد. البته زمانی که، با نیروهای بالا برنده، مواجه شده، در حالی که طراحی کردن ساختمان های قاب بندی شده هسته- داخلی با جدایی محدود شده بین ستون های بادگیر و باد چنان، محدود شده اند. آنها بطور طبیعی مجدداً نظم و تربیت یافته اند در فرم گیری کف یا طبقه که موجب کسب ثقل بارها بصورت بادی می شود. یک روش مشابه و امکان پذیر، در یک ساختمان لوله ای، حذف کردن بسیاری از ستون های داخلی است و شاید همه این ستون ها و جمع آوری وزن کل ساختمان از طریق ستون بیرونی. این روش قدرت ثقل بارها را نگه می دارد و کارآیی را افزایش می دهد.

• فولاد در ساختمانهای بلند ۵
• مزیت های ساختمان فولادی ۷
• سیستم های ساختاری در فولاد ۹
• ۴٫۲ . قاب بندیهای نیمه سفت (سخت ) ۱۱
• ۴٫۲٫۲٫ مروری بر وضعیت اتصالات ۱۳
• ۴٫۲٫۳ مفاهیم ضمنی خط (لاین ) تیر ۱۶
• ۴٫۲٫۴ اتصال بادی نوع ۲ ۲۰
• ۴٫۲٫۵ تفسیر نتیجه گیری ۳۰
• ۴٫۳ قاب بندیهای سفت و محکم ۳۱
• ۴٫۳٫۱ معرفی ۳۱
• ۴٫۳٫۲ ویژگیهای خمیدگی ۳۲
• مولفه یا سازه برش شبکه توری (racking) 33
• 4.3.3 متدهای تجزیه و تحلیل ۳۵
• ۴٫۳٫۴ محاسبه رانه (یخرفت )drift 36
• 4.4 قاب بندی های مهاربندی شده ۳۷
• معرفی ۳۷
• ۴٫۴٫۲ انواع مهاربندی ۳۷
• ۴٫۵ سیستم خرپا (تقویتی ) شطرنجی ۴۰
• ۴٫۵٫۱ معرفی ۴۰
• ستون ها ۴۵
• خرپاها (تقویت کننده ها) ۴۷
• ۴٫۶ سیستمهای مهاربندی خارج از مرکز ۴۹
• ۴٫۶٫۲ قابلیت شکل پذیری ۵۱
• ۴٫۶٫۳ رفتار یا وضعیت قاب بندی ۵۲
• ۴٫۶٫۴ مشخصه های ضروری رابط ۵۴
• ۴٫۶٫۵ تجزیه و تحلیل و مسائل طراحی ۵۵
• ۶-۶-۴- مسائل و موضوعات خمیدگی ۵۹
• ۷-۶-۴- K‌عامل نیروی افقی ۶۰
• ۸-۶-۴- نتیجه گیریها ۶۱
• ۷-۴- سیستم اثر متقابل مهاربندی شده و قاب بندیهای سخت ۶۲
• ۱-۷-۴- معرفی ۶۲
• ۲-۷-۴- رفتار و یا وضعیت فیزیکی ۶۴
• ۸-۴- سبک (اعضای سازنده) و سیستم های تقویت کننده (خرپای) نواری ۶۸
• ۲-۸-۴- وضعیت فیزیکی ۶۸
• ۳-۸-۴- متد تجزیه و تحلیل ۷۱
• ۴-۸-۴- مکان بهینه برای یک خرپا (تقویت کننده) جداگانه ۷۸
• ۶-۸-۴- مکانهای بهینه برای دو تقویت کننده (خرپا) ۷۹
• راه حل های کامپیوتری ۸۰
• توصیف یا توضیح نمودارها ۸۱
• ۷-۸-۴- پروژه های نمونه ۸۳
• ۹-۴- سیستم لوله ای قاب بندی شده ۸۵
• ۲-۹-۴- وضعیت لوله ای قاب بندی شده ۸۸
• ۳-۹-۴- پدیده تاخیر (lag) برش ۹۱
• ۴-۹-۴- شکل های لوله ای نامنظم ۹۴
• ۵-۹-۴- سیستمهای لوله ای با جابجا سازی ( امنیت ) ستون ۹۶
• ۶-۹-۴-انتقال ستون در ساختمانهای لوله ای ۹۹
• ۱۰-۴- سیستم لوله ای تقویت کننده (‌خرپا ) ۱۰۳
• ۱۱-۴- ساختارهای لوله ای سلولی ۱۰۹
• ۱۲-۴- ساختارهای نهایی با کارآمد بالا ۱۱۳