طراحی سازه های فولادی شامل انتخاب نوع مقطع، روش ساخت، بهره برداری و محل ساخت ساختمان می‌شود. طراحی در ساختمان‌هایی با اسکلت فولادی امری بسیار ضروری به حساب می‌آید. در ادامه با طراحی این سازه‌ها بیشتر آشنا خواهیم شد.

طراحی سازه های فولادی

برای اینکه بتوان مصالح مورد نیاز سازه‌ها را بدست آورد باید به یک مرحله از ساخت که مرحله تحلیل و طراحی سازه است توجه بسیاری داشت. وقتی هم ساختمان از نوع اسکلت فولادی باشد طراحی و تحلیل سازه‌های فولادی اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند. این سازه‎ها از نوع قاب بندی شده‌اند و نقش قاب در آنها پایداری کل سازه و انتقال بارهای مرده، بار زنده، زلزله و بار برف از سازه به پی است.

در محاسبات و تحلیل و طراحی و مقاوم سازی سازه‌های فولادی و ستون گذاری این سازه‌ها باید به معیارهایی مثل نوع مقطع، روش قرارگیری و آرایش مقطع، فواصل تکیه‌گاهی، نوع مهاربندی، نوع سیستم صلب کننده سازه و محل قرارگیری سازه بیشترین توجه را نشان داد.

این تحلیل‌ها به طور معمول با نرم افزارهای پیشرفته طراحی می‌شود. نرم افزار هایی مثل ایتبس، سپ و سیف برای این کار استفاده می‌شوند. به طور کلی منظور از طرح یک سازه تعیین پیکربندی، ابعاد و مشخصات قطعات آن می‌باشد. برای تحلیل و بررسی ابتدا باید انواع سازه‌های فولادی را شناخت.

انواع سازه‌های فولادی

سازه‌های قاب‌بندی با نورد گرم: مقاطعی که در کارخانه‌های ذوب و ساخت آهن ساخته می‌شود.

سازه‌های قاب‌بندی شده با نورد سرد یا LSF: مقاطعی که در خارج از کارخانه‌های عمرانی و با ابزارهای مختلف به هم اتصال داده می‌شود؛ این مقاطع بیشتر در ساختمان‌های ویلایی خارج از شهر کاربرد دارند.

سازه‌های پوسته‌ای مثل مخازن نگه‌داری مایعات و یا گازها

سازه‌های معلق که بیشتر در کارها و طرح‌های پارامتریک معماری استفاده می‌شود

انواع روش‌های تحلیل و طراحی سازه‌ های فولادی

تحلیل و طراحی سازه‌ های فولادی با سه روش زیر انجام می‌شود:

• روش طراحی تنش مجاز (ASD) یا الاستیک
• روش طراحی مقاومت نهایی یا پلاستیک
• روش طراحی حالات حدی (LSD)

در ادامه با هر یک از این روش‌ها به طور جداگانه آشنا خواهیم شد.

روش طراحی تنش مجاز (ASD) یا الاستیک

روش تنش مجاز از قدیمی‌ترین روش‌های تحلیل و طراحی سازه های فولادی است. در این روش تاثیرات کم شدن احتمالی مقاومت و افزایش احتمالی بارها به کمک یک ضریب به نام ضریب اطمینان و تنها در یک مرحله انجام می‌شود. در این روش عناصر سازه طوری طراحی می‌شوند که تحت اثر بارهای مفروض بهره‌برداری تنش‌های محاسباتی در آن‌ها از مقادیر مجاز تجاوز نکند. فرمول این روش به صورت زیر است.
(ضریب اطمینان>1)/(تنش خرابی یا تنش تسلیم)= تنش مجاز

روش طراحی مقاومت نهایی یا پلاستیک (LRFD)

در روش LRFD ایمنی در دو مرحله انجام می‌شود و افزایش بار به کمک ضرایب بار و تقلیل مقاومت به کمک ضرایب کاهش مقاومت در نظر گرفته می‌شود. در این روش باید مقاومت نهایی طرح یا حداکثر ظرفیت باربری عضو در هر مقطع بزرگ‌تر یا مساوی با تلاش‌های موجود در آن مقطع تحت اثر بارهای ضریب دار وارد برسازه باشد.

روش طراحی حالات حدی (LSD)

در این روش قسمتی از ضریب اطمینان در بارها و قسمتی از ضرایب اطمینان در مقاومت‌ها اثر داده می‌شوند. به این معنی که هم بارها بزرگ می‌شوند و هم مقاومت‌ها کم می‌شوند. عدم اطمینانی که در طراحی وجود دارد هم ناشی از بارها و هم ناشی از مقاومت‌هاست؛ بنابراین بهتر است هر دو عدم اطمینان به‌صورت جداگانه در نظر گرفته شود.

طراحی و تحلیل سازه با توجه به مشخصات فولاد

طراحی و تحلیل سازه‌های فولادی باید بر اساس مشخصات فولاد مثل کشش، برش، سختی، خزش، وارفتگی و خستگی انجام شود. در ادامه به ذکر این موارد و تاثیر آن‌ها در طراحی و تحلیل سازه‌های فولادی خواهیم پرداخت.

مشخصات برشی در تحلیل و طراحی سازه های فولادی

مقاومت برشی به طور معمول در گسیختگی تحت تنش برشی مشخص می‌شود. این مقاومت باید حدود ۰٫۵۷ برابر تنش تسلیم فولاد باشد. مدول الاستیک برشی، نسبت تنش برشی به کرنش برشی در محدوده‌ی الاستیک فولاد ساختمانی را بیان می‌کند. معمول آن بدین صورت است که مدول الاستیک برشی فولاد ساختمانی می‌تواند ۷۵٫۸۴ گیگا پاسکال در نظر گرفته شود یا می‌توان از فرمول زیر برای محاسبه‌ی مدول الاستیک برشی استفاده کرد:

(G =E/2(1+μ

• :G مدل الاستیک برشی فولاد
• E: مدل الاستیسیته ی فولاد
• µ: ضریب پواسون

سختی در طراحی سازه های فولادی

سختی به میزان تحمل فولاد ساختمانی در برابر تغییر شکل غیرالاستیک گفته می‌شود. به طور معمول استاندارد آزمایش و تعاریف برگرفته از آزمایش مکانیکی قطعات فولادی (۰۵-A370) سه مدل آزمایش مختلف را برای ارزیابی سختی فولاد مشخص می‌کنند. این آزمایش‌ها شامل آزمایش برینل، آزمایش راکول و آزمایش پرتابل می‌شوند.

این آزمایش‌ها قادرند میزان سختی فولاد ساختمانی را برآورد کنند. تعیین سختی فولاد نه‌تنها برای آزمایش یکنواختی محصولات مختلف، بلکه برای ارزیابی مقاومت کششی فولاد نیز استفاده می‌شود.

خزش در طراحی سازه های فولادی

میزان خزش با توجه به تغییر تدریجی کرنش فولاد تحت تنش ثابت تعریف می‌شود. در برخی موارد خزش براثر تنش ثابت یا ناشی از آتش سوزی هم رخ می‌دهد. البته کارشناسان گهگاه بر این نظر توافق دارند که در طراحی و ساخت قاب سازه‌های فولادی می‌توان از خزش صرف نظر کرد. اما در مورد تاثیر خزش بر آتش سوزی نمی‌توان از این مورد چشم پوشی کرد.

تحلیل و طراحی سازه های فولادی با توجه به روش مهاربندی

یکی از انواع تحلیل و طراحی سازه های فولادی با توجه به روش مهاربندی انجام می‌شود. مهاربندی امری بسیار مهم و ضروری برای بالابردن مقاومت ساختمان در برابر زلزله و باد است. در این حالت باید یک سیستم صلب کننده نیروهای افقی روی ساختمان ایجاد شود تا نیروهای جانبی را به فونداسیون منتقل کند و تغییر مکان‌های افقی را محود کند.

بزرگی نیروهای افقی اعمال‌شده در اثر باد به عوامل زیر بستگی دارد:

• سرعت باد
• شکل آئرودینامیکی ساختمان
• وضعیت سطح نما
• روش‌های صلب کردن

یک قاب سازه‌ای فولادی را می‌توان به یکی از روش‌های زیر مهاربندی کرد:

• سیستم‌های قاب صلب
• سیستم‌های قاب بادبندی

طراحی سازه های فولادی با توجه به اجزای تشکیل‌دهنده فضاهای داخلی ساختمان

انتخاب سیستم مناسب برای اجزای داخلی ساختمان به عوامل مختلفی بستگی دارد. روش‌های زیر به‌طور رایج در ساخت سقف‌های متکی به تیرهای فولادی به کار می‌روند:

• دال بتنی درجا بر روی قالب مناسب
• دال بتنی پیش‌ساخته
• عرشه فولادی با بتن درجا