سازه فلزی چیست؟

منبع

تازیخچه و معرفی سازه فلزی

سازه فلزی چیست؟ به سازه اي كه اصولا رفتار سه بعدي داشته باشد، به طوريكه به هيچ ترتيبي نتوان رفتار كلي آن را با استفاده از يك يا چند مجموعه مستقل دوبعدي تقريب زد، سازه فضاكار ناميده مي شود . با اين تعريف طيف وسيعي از سازه ها يعني حتي برخي از قوس ها و گنبدهاي آجري گذشته نيز جزو سازه هاي فضاكار محسوب مي شوند، اما در اينجا منظور سازه هاي سه بعدي خاص هستند كه معمولا داراي اعضاي مستقيم با اتصالات صلب يا مفصلي مي باشند.

انواع اسکلت های فضا کار

الف – شبكه هاي تخت، به تركيب يك سيستم يك يا چند وجهي با لايه هاي واحد شبكه گفته مي شود . شبكه مسطح تركيبي از يك دو وجهي كه با تيرهاي واحد متصل شده است مي باشد . شبكه هاي تخت مي توانند داراي يك، دو يا سه و حتي چند لايه باشند، ولي بيشتر به صورت دولايه مورد استفاده قرار مي گيرند. شبكه هاي دولايه از دو صفحه موازي كه بوسيله عناصري به هم متصل گرديده اند تشكيل مي شوند  ) نوشين 1380 ). يك نمونه استفاده از اين شبكه ها در آشيانه هواپيماها است.زماني كه اعضا در شبكه دولايه طويل شوند براي جلوگيري از خطر كمانش كردن از شبكه هاي سه لايه استفاده مي شود و با توجه به اينكه نيمي از هزينه هاي سازه هاي فضاكار را پيونده ها تشكيل مي دهند اين نوع سازه ها اغلب غير اقتصادي است . نكته ديگري كه در طراحي شبكه ها ي دولايه و اكثر سازه هاي فضاكار بايد در نظر گرفت اين است كه براي توزيع بهتر نيرو و كششي شدن آن ستون ها در داخل شبكه قرار گيرند و ستون به چند گره متصل شود و بهتر است براي توزيع منظم نيرو در سازه در اطراف كنسول داشته باشيم.

به شبكه اي كه در يك جهت داراي انحنا باشد، چليك مي گويند . اين سازه بيشتر براي پوشش سطوح مستطيلي دالان مانند استفاده شده و بعضا فاقد ستون مي باشند و روي لبه هاي چليك كه به تكيه گاه متصل است، قرار مي گيرند . چليك ها داراي محور مي باشند( نوشين 1382 ).اگر چليك يك لايه باشد اتصالات به شكل صلب است . چليك ها اغلب به شكل تركيبي استفاده مي شوند و تير كمري نقش تركيب كردن چليك ها به يك ديگر را بازي مي كنند. نكته اي كه در طراحي اين نوع سازه ها بايد در نظر گرفت اين است كه انتهاي چليك بايد قوي باشد و اين تقويت را مي شود بوسيله تير، تير و ستون و شكل خورشيد مانند انجام داد. انواع چليك ها در شكل ( 4) نشان داده شده است كه عبارتند از: چليك اريبي، چليك لَمِلا با مقاطع بيضي گون، سهمي گون، هذلولي گون و… (Lamella)

اگر شبكه اي در دو جهت داراي انحنا باشد، گنبد ناميده مي شود . شايد رويه يك گنبد بخشي از يك كره يا يك مخروط يا اتصال چندين رويه باشد . گنبدها سازه هايي با صلبيت بالا مي باشند و براي دهانه هاي بسيار بزرگ تا حدود 250 متر مورد استفاده قرار مي گيرند . ارتفاع گنبد بايد بزرگتر از 15 % قطر پايه گنبد باشد. گنبدها داراي مركز هستند.

انواع گنبد ها و اسکلت ها

امروزه با پيشرفت علوم و تكنولوژي نيازها و خواسته هاي جديدي در زمينه مهندسي سازه فلزی رخ نموده است. عامل زمان در ساخت اسکلت فلزی اهميت دوچندان يافته و اين امر گرايش به سازه فلزی هاي پيش ساخته را افزايش داده است همچنين با افزايش جمعيت جوامع بشري علاقه به داشتن فضاهاي بزرگ بدون حضور ستون هاي مياني خواهان بسيار پيدا كرده است .در اين راستا از اوايل قرن حاضر تعدادي از متخصصين مجذوب قابليت هاي منحصر بفرد سازه هاي فضاكار گشته و پاسخ بسياري از نيازهاي جديد را در اين سازه ها جسته اند و البته به نتايج بسيار مثبتي نيز دست يافتند . با انتشار اين نتايج روز به روز اين عرصه با اقبال بيشتري مواجه گرديد به گونه اي كه با گذشت چندين دهه هنوز هم مطالعه سازه هاي فضاكار در كانون تحقيقات متخصصين و دانشجويان قرار دارد. در اين مقاله منظور از عبارت سازه فضاكار سيستم هاي اسكلت فلزي بوده كه از بافت تعداد زيادي المان يا مدول با شكلهاي استاندارد به يكديگر تشكيل مي شو ند و نهايتا يك سيستم سبك و با صلبيت زياد را ايجاد مي كنند. سازه هاي فضاكار در اشكال بسيار متنوعي ساخته مي شوندكه مهمترين آنها عبارتند از : شبكه هاي مسطح دو يا چند لايه، چليك ها، گنبدها و قوس ها . علاوه بر اين، سازه هاي فضاكار داراي بافتار متنوعي نيز مي باشن د. بدين ترتيب كه با تغيير در آرايش المان ها مي توان بافتار جديد ايجاد كرد و بديهي است كه كارآيي هر بافتار بايد در مقايسه با بافتارهاي ديگر سنجيده شود. مثال هاي متعددي از سازه هاي فضاكاري كه در دنيا و ايران ساخته شده است وجود دارد : از جمله استاديوم هاي ورزشي، مراكز فرهنگي، سالن هاي اجتماعات، مراكز خريد، ايستگاه هاي قطار، آشيانه هاي هواپيماها، مراكز تفريحي، برجهاي راديويي و …

6-a يك نوع گنبد از نوع دنده اي مي باشد. در صورتيكه تعداد دنده ها زياد باشد بايد گنبد به مسئله شلوغي اعضا در راس گنبد توجه شود كه براي اجتناب از اين مسئله بهتر است كه برخي از دنده هاي نزديك راس حذف شود (شکل 6-b-6-c ) نشان داده شده است كه تعداد زيادي از گنبد ديگري به نام اشفدلر (مهندس آلماني) در اين نوع گنبدها بعد از قرن 19 توسط اشفدلر و ديگران ساخته شده است . از ايرادات اين گنبد مي توان به مسئله شلوغي اعضا در راس اشاره كرد، كه براي حل اين مشكل همان راه حل بالا ارائه مي شود. (شكل6-d )نمونه ديگري از گنبدها، گنبد لَمِلا است. اين گنبد را مي توان به نوعي تركيبي از يك يا چند كه با يكديگر متقاطع هستند، دانست. (شكل هاي حلقه 6-f شکل 6-h و 6-g )انوع ديگري از خانواده ي گنبدها را به نام گنبدهاي ديامتيك نشان مي دهد.
در شکل های 6-I  و 6-j  نمونه ديگري از گنبدها را به نام گنبدهاي حبابي ملاحظه مي كنيد.
در شکل های  6-l  و 6-k  نمونه ديگري از گنبدها به نام گنبدهاي ژئودزيك ملاحظه مي شود.
اتصالات در گنبدهاي دنده اي و اشفدلر حتما صلب هستند . از لحاظ پخش منظم نيرو ،گنبدهاي ژئودزيك، ديامتيك و حبابي بسيار مناسب هستند.

سازه فلزی | امتيازات سازه هاي فضاكار
امروزه در سراسر دنيا سازه هاي فضاكار به سرعت در حال پذيرش و مقبوليت در بين طراحان و مهندسين سازه مي باشند ؛ اين امر را نمي توان فقط مرهون جذابيت و زيبايي بيشتر اين سازه ها دانست، بلكه دلايل متعددي كه در ذيل به پاره اي از آنها اشاره مي شود در گسترش محبوبيت اين سازه ها موثر بوده است:
جذابيت و زيبايي بيشتر و قابليت ساخت انواع فرمهاي دلخواه.
ذخيره مقاومتي بيشتر به دليل داشتن درجات نامعيني بالا در مقايسه با ساير سازه هاي متداول.
سختي و صلبيت زياد اين سقف ها قابليت استثنايي براي حمل بارهاي بزرگ متمركز و غير متقارن بوجود مي آورد.
سيستم هاي فضاكار براي پوشش سالن هاي بزرگ اجتماعات، سالن هاي نمايشگاهي، ورزشگاه ها، آشيانه هواپيما، كارخانه هاي صنعتي، مساجد و به طور كلي تمام سازه هايي كه به نحوي محدوديت تكيه گاه هاي مياني دارند، ايده آل بوده و در اين موارد از نظر جلوه هاي ظاهري و مسائل سازه اي حالت منحصر بفردي را نسبت به ساير سيستم هاي جايگزين ايجاد مي كند.
اكثر سيستم هاي فضاكار پيش ساخته بوده و قطعات مورد نياز آنها انبوه سازي مي شوند به همين دليل اين سيستم ها معمولا به سادگي و در زمان كوتاهي توليد و نصب مي شوند.
در آخر مي توان گفت كه اصلي ترين علت گسترش روز افزون سازه هاي فضاكار در جهان، اقتصادي تر بودن اين سيستم ها است.

مقاومت سازه های فلزی

مقاومت قطعات فلزی زیاد بوده و نسبت مقاومت به وزن از مصالح بتن بزرگتر است ، به این علت در دهانه های بزرگ سوله ها و ساختمان های مرتفع ، ساختمانهائی که برزمینهای سست قرارمیگیرند ، حائز اهمیت فراوان می باشد . دوام فولاد بسیار خوب است ، ساختمانهای فلزی که در نگهداری آنها دقت گردد . برای مدت طولانی قابل بهره برداری خواهند بود. فلز در کارخانجات بزرگ تحت نظارت دقیق تهیه می شود ، یکنواخت بودن خواص آن میتوان اطمینان کرد و خواص آن بر خلاف بتن با عوامل خارجی تحت تاثیر قرار نمی گیرد ، اطمینان در یکنواختی خواص مصالح در انتخاب ضریب اطمینان کوچک مؤثر است که خود صرفه جو یی در مصرف مصالح را باعث می شود .

خواص ارتجاعی سازه فلزی چیست؟

خواص مفروض ارتجاعی فولاد با تقریبی بسیار خوبی مصداق عملی دارد . فولاد تا تنشهای بزرگی از قانون هوک بخوبی پیروی می نماید . مثلآ ممان اینرسی یک مقطع فولادی را میتوان با اطمینان در محاسبه وارد نمود . حال اینکه در مورد مقطع بتنی ارقام مربوطه چندان معین و قابل اطمینان نمی باشد .

شکل پذیری: از خاصیت مثبت مصالح فلزی شکل پذیری ان است که قادرند تمرکز تنش را که در واقع علت شروع خرابی است ونیروی دینامیکی و ضربه ای را تحمل نماید ،در حالیکه مصالح بتن ترد و شکننده در مقابل این نیروها فوق العاده ضعیف اند. یکی از عواملی که در هنگام خرابی ،عضو خود خبر داده و ازخرابی ناگهانی وخطرات ان جلوگیری میکند.

پیوستگی مصالح فلزی

قطعات فلزی با توجه به مواد متشکله آن پیوسته و همگن می باشد و ولی در قطعات بتنی صدمات وارده در هر زلزله به پوشش بتنی روی سلاح میلگرد وارد می گردد ، ترکهائی که در پوشش بتن پدید می آید ، قابل کنترل نبوده و احتمالا” ساختمان در پس لرزه یا زلزله بعدی ضعف بیشتر داشته و تخریب شود . مصالح فلزی در کشش و فشار یکسان و در برش نیز خوب و نزدیک به کشش و فشار است .در تغییر وضع بارها، نیروی وارده فشاری ، کششی قابل تعویض بوده و همچنین مقاطعی که در بار گذاری عادی تنش برشی در انها کوچک است ، در بارهای پیش بینی شده ،تحت اثر پیچش و در نتیجه برش ناشی از ان قرار میگیرند. در ساختمانهای بتنی مسلح مقاومت بتن در فشار خوب ، ولی در کشش و یا برش کم است. پس در صورتی که مناطقی احتمالا تحت نیروی کششی قرار گرفته و مسلح نشده باشد تولید ترک و خرابی می نماید. در ساختمانهای بارهای وارده توسط اسکلت ساختمان تحمل شده ، از قطعات پرکننده مانند تیغه ها و دیواره ها استفاده نمی شود . نیروی تخریبی انفجار سطوح حائل را از اسکلت جدا می کند و انرژی مخرب آشکار میشود ، ولی ساختمان کلا” ویران نخواهد گردید . در ساختمانهایی بتن مسلح خرابی دیوارها باعث ویرانی ساختمان خواهد شد .

اعضاء ضعیف ساختمان فلزی را در اثر محاسبات اشتباه ، تغییر مقررات و ضوابط ، اجراء و …. میتوان با جوش یا پرچ یا پیچ کردن قطعات جدید ، تقویت نمود و یا قسمت یا دهانه هائی اضافه کرد .

نصب و راه اندازی سازه فلزی

تهیه قطعات فلزی در کارخانجات و نصب آن در موقعیت ، شرایط جوی متفاوت با تمهیدات لازم قابل اجراء است. سرعت نصب قطعات فلزی نسبت به اجراء قطعات بتنی مدت زمان کمتری می طلبد. با توجه به تهیه قطعات از کارخانجات ، پرت مصالح نسبت به تهیه و بکارگیری بتن کمتر است. ‌میانگین وزن ساختمان فولادی را می توان بین 245 تا 390 کیلوگرم بر مترمربع و یا بین 80 تا 128 کیلوگرم بر مترمکعب تخمین زد ، درحالی که در ساختمانهای بتن مسلح این ارقام به ترتیب بین 480 تا 780 کیلوگرم برمترمربع یا 160 تا 250 کیلوگرم برمترمکعب می باشد. دو ساختمان مساوی از نظر ارتفاع و ابعاد ، ستون و تیرهای ساختمانهای فلزی از نظر ابعاد کوچکتر از ساختمانهای بتنی میباشد ، سطح اشغال یا فضا مرده در ساختمانهای بتنی بیشتر ایجاد میشود .

ضریب نیروی لرزه ای

حرکت زمین در اثر زلزله موجب اعمال نیروهای درونی در اجزاء ساختمان میشود ، بعبارت دیگر ساختمان برروی زمینی که بصورت تصادفی و غیر همگن در حال ارتعاش است ، بایستی ایستایی داشته و ارتعاش زمین را تحمل کند . در قابهای بتن مسلح که وزن بیشتر دارد ، ضریب نیروی لرزه ای بیشتر از قابهای فلزی است . تجربه نشان میدهد که خسارت وارده برساختمانهای کوتاه و صلب که در زمینهای محکم ساخته شده اند ، زیاد است . درحالیکه در ساختمانهای بلند و انعطاف پذیر ، آنهائی که در زمینهائی نرم ساخته شده اند ، صدمات بیشتری از زلزله دیده اند . بعبارت دیگر در زمینهای نرم که پریود ارتعاش زمین نسبتا” بزرگ است ، ساختمان های کوتاه نتایج بهتری داده اند و برعکس در زمینهای سفت با پریود کوچک ، ساختمان بلند احتمال خرابی کمتر دارند. عکس العمل ساختمانها در مقابل حرکت زلزله بستگی به مشخصات خود ساختمان از نظر صلبیت و یا انعطاف پذیری آن دارد و مهمترین مشخصه ساختمان در رفتار آن در مقابل زلزله ، پریود طبیعی ارتعاش ساختمان است.

برتري هاي ساختمانهاي بنائي سازه فلزی

مصالح سنتي با توجه به سابقه استفاده در کشور به اندازه کافي موجود ميباشد، مانند آجر که در اکثر نقاط ايران توليد ميشود و کافيست کيفيت آن استاندارد شود.
درمقايسه با بتن و سازه هاي فولادي نياز به استاد کار سطح بالا وجود ندارد .
مصالح بنايي در مقايسه با بتن حساسيت کمتري در مقابل سرما و گرما دارد و با کمترين تمهيدات قابل اجرا است.
روا داري در سازه هاي بنايي بيشتر است و با توجه به کنترل کم و نظارت غير مستمر ساختمانهاي مسکوني اين مورد يک حسن بشمار مي رود.
با توجه به صرفه جويي در مصرف آهن آلات وابستگي ارزي، کم خواهد بود .
آساني امکان تعمير و ترميم در نقاطي از کشور که کيفيت ساختمان سازي پاييني دارند در صورت بروز اشکال، حتي ترميم مقدور است.
چون در اين سيستم از ديوارهاي ضخيم تر استفاده مي شود از نظر جلوگيري از انتقال حرارت مناسب مي باشد که در نتيجه مصرف انرژي سوخت نيز کاهش پيدا خواهد نمود.
تامين آسايش و آرامش نسبي با توجه به اينکه مساله برودتي و گرمايش نسبتا بطور طبيعي تامين مي شود، مقايسه بازارهاي سنتي با پاساژهاي جديد روشنگر موضوع مي باشد.
کم بودن احتمال پوسيدگي و زنگ زدگي و مقاومت بيشتر در مقابل آتش سوزي در مقايسه با ساختمانهاي فولادي،آجر وسنگ که قسمت اصلي سازه هاي بنائي را تشکيل مي دهند در مقا بل پوسيدگي عمر زيادي دارند و احتمال زنگ زدگي نيز وجود ندارد.
وبا لاخره داشتن هزينه کمتر يعني اقتصادي بودن بعلت مصرف کم آهن آلات.
علي ايحال با توجه به تجربي بودن دستورالعمل ها و آئين نامه هاي اجرايي در اين روش ، مطمئناً هيچ مرجع علمي قادر به تضمين سازه هاي سنتي نيست و لذا تنها اجراي اين نوع سازه ها در مناطق محرم با محدوديت هاي فني و تکنولوژي توصيه مي شود .

ب) سازه هاي بتني :
طراحي سازه هاي بتني در کشور به روش هاي حدي نهايي بوده که در اين روش ضرايب تقليل بار بترتيب به مقاومت بتن و فولاد اعمال مي گردد و ضرايب افزايش بار نيز براساس ترکيب بار منظور مي گردد .
حال به بررسي مزايا و معايب  سازه هاي بتني مي پردازيم :

1- بدليل امکان شکل پذيري آرماتور و بتن تازه و قالب ، اعضاء  سازه هاي بتني را مي توان در مقاطع مختلف اجرا نمود .
2-  سازه هاي بتني در مقابل آتش سوزي از خود مقاومت نشان مي دهند .
3-  سازه هاي بتني در مقابل شرايط مختلف آب و هوايي مقاوم بوده ودر صورت اجراي صحيح پوشش بتن ، رطوبت هيچ آسيبي به آن وارد نخواهد کرد .
4-  سازه هاي بتني نسبت به سازه هاي فلزي از يک صلبيت بيشتري برخوردار هستند .
5- مصالح سنگي و سيمان معمولاً آسان تر از ساير مصالح در دسترس مي باشد .
6- عمر  سازه هاي بتني بدليل مقاومت در مقابل شرايط آب و هوا ، معمولاً بيشتراز ساير سازه بوده است .
7- اتصال تير و ديافراگم سقف درسازه هاي بتني بدليل همگن بودن مناسب تر از ساير سازه ها مي باشد .

معايب سازه هاي بتني

1- اجراي آرماتور بندي و قالب بندي در سازه هاي بتني نياز به تخصص و صرف زمان بيشتري نسبت به ساير سازه ها دارد .
2- بدليل افزايش مقطع اعضاء سازه هاي بتني ، وزن آن بيشتر از سازه هاي فلزي مي باشد .
3- بدليل نياز به آزمايش مستمر بتن ، در محل اجرايسازه هاي بتني بايد آزمايشگاه هاي مکانيک خاک در دسترس باشد .

ج) سازه هاي فلزي :

مزايا سازه های فلزی چیست؟

1- سازه هاي فلزي بعلت امکان مونتاژ اسکلت قبل از نصب و لزوم اجراي همزمان و بدون وقفه اسکلت ، در مقايسه با ساير سازه ها از سرعت عمل بالاتري برخوردار مي باشد .
2- بدليل همگن بودن تيروستون و بادبند بعنوان اعضاء اصلي، اسکلت سازه هاي فلزي داراي يکپارچگي مناسبت تري نسبت به ساير سازه هاي ميباشد و بهمين دليلي نيز نتيجه محاسبات سازه اي فاصله نزديکتري به مقاومت واقعي سازه هاي فلزي دارد .
3- بدليل نوع اتصال اعضاء تير و ستون ، امکان توسعه طبقات در سازه هاي فلزي به شکل مناسبتر و قابل قبول تري وجود دارد .

مقاومت زياد سازه هاي فلزي

مقاومت قطعات فلزي زياد بوده و نسبت مقاومت به وزن از مصالح بتن بزرگتر است ، به اين علت در دهانه هاي بزرگ سوله ها و ساختمان هاي مرتفع ، ساختمانهائي که برزمينهاي سست قرارميگيرند ، حائز اهميت فراوان ميباشد .

خواص يکنواخت سازه هاي فلزي

فلز در کارخانجات بزرگ تحت نظارت دقيق تهيه ميشود ، يکنواخت بودن خواص آن ميتوان اطمينان کرد و خواص آن بر خلاف بتن با عوامل خارجي تحت تاثير قرار نمي گيرد ، اطمينان در يکنواختي خواص مصالح در انتخاب ضريب اطمينان کوچک مؤثر است که خود صرفه جو يي در مصرف مصالح را باعث ميشود .

دوام سازه هاي فلزي

دوام فولاد بسيار خوب است ، اگر در نگهداري ساختمانهاي فلزي دقت گردد  براي مدت طولاني قابل بهره برداري خواهند بود .

سازه هاي فلزي | خواص ارتجاعي سازه هاي فلزي

ممان اينرسي يک مقطع فولادي را ميتوان با اطمينان در محاسبه وارد نمود . حال اينکه در مورد مقطع بتني ارقام مربوطه چندان معين و قابل اطمينان نمي باشد .

سازه هاي فلزي | شکل پذيري سازه هاي فلزي

از خاصيت مثبت مصالح فلزي شکل پذيري ان است که قادرند تمرکز تنش را که در واقع علت شروع خرابي است ونيروي ديناميکي و ضربه اي را تحمل نمايد ،در حاليکه مصالح بتن ترد و شکننده در مقابل اين نيروها فوق العاده ضعيف اند. يکي از عواملي که در هنگام خرابي ، خود خبر داده و ازخرابي ناگهاني وخطرات آن عضو جلوگيري ميکند. و پيوستگي مصالح ، تقويت پذيري و امکان مقاوم سازي ( بهسازي لرزه اي ) ، وزن کم  و اشغا فضاي کمتر.

سر انجام سازه فلزی چیست؟

در اين مقاله تلاش بر اين بود كه اصولي هر چند مجمل درباره سازه هاي فضاكار بيان شود، تا دانشجويان محققين با ا ين نوع سازه و انواع مورد استفاده آن در دنيا بيش از پيش آشنا شوند و همچنين زمينه اي باشد براي تحقيق و پژوهش بيشتر در قبال اين مسئله . با توجه به قابليت هاي سازه هاي فضاكار كه در بالا بيان شده است و
از طرفي ذكر اين نكته كه در كشور ما پيشرفت روزافزون را شاهد هستيم استفاده از اين نوع سازه ها براي پوشش دهنه هاي بزرگ پيشنهاد مي شود هر چند كه به دليل مسائل و مشكلات اقتصادي پيشرفت هاي كمي در مورد نحوه ساخت و نصب و مسائل فني و ايمني اين سازه ها صورت گرفته است اما اميد است با توجه و التفاتي كه استاد گرانقدر جناب آقاي پروفسور نوشين به اين مسئله مبذول فرموده اند شاهد پيشرفت و ترقي روزافزون و استفاده بيشتر و بهتر از اين سازه ها در كشور عزيزمان ايران بشود . البته توجه به اين نكته كه در ايران متخصصين و اساتيدي در اين زمينه كارهاي بزرگي را انجام داده اند لازم و ضروري است و با يد از تجربيات آنها در اين زمينه استفاده شود.