دانلود مقاله سیستم های جانبی ساختمان های فولادی

معرفی :

فولاد در ساختمان های 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 تولید کنندگان فولاد ، برای آرشیتک ها  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 دلائلی 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 فرآیند 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 (فلاتیرون ) 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 ساختماهای چند طبقه می باشد ؟

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

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.

قابلیت استفاده از فولاد در طبقات و شکل های مختلف ، برای قاب بندی اقتصادی فواصل دو تکیه گاه تیر ( دهانه ) کوتاه و بلند ، مناسب می باشد.

بکارگیری طرح اقتصادی و پیشنهادهای فولاد ، برای بهبودسازی و احیاء پروژه ها مفید است فولاد می تواند براحتی تغییر شکل دهد بسط داده شود یا در آینده نیازهای مالکان و مستأجران را برطرف کند بهمین خاطر ، یک قاب بندی فولادی ، اغلب بعنوان یک قاب بندی قابل تغییر مورد استفاده قرار می گیرد.

در موقعیتهای فونداسیون مشکل ، امکان دارد ساختمان فولادی هزینه های فونداسیون را بدلیل 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 اینوع 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.

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 .

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 .

یستمهای ساختاری در فولاد :

یکی از سؤالات 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 تأثیر گذارند البته اینکار 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 ساختمان های بلند استفاده می شوند که بصورت ذیل طبقه بندی شده اند :

قاب بندی های نیمه سفت

قاب بندیهای محکم

قاب بندیهای مهار بندی شده

قاب بندی محکم و قاب بندی مهار بندی شده با اثر متقابل

سیستمهای تسمه ای و خرپا (نیمه مشبک ) پایه

ساختارهای لوله ای قاب بندی شده با لوله هایی به شکل منظم

ساختارهای لوله ای قاب بندی شده با لوله هایی به شکل نامنظم

لوله های مهار بندی شده بیرونی (خارجی ) با شکل های منظم

لوله های مهاربندی شده بیرونی (خارجی ) با شکل های نامنظم

10- ساختارهای لوله ای روزنه دار

11- ساختارهای مگاباتی

توصیف کردن هر سیستم و کاربرد آنان در بخش های بعدی ، ارائه شده است .

4.2 . قاب بندیهای نیمه سفت (سخت ):

معرفی :

استفاده از قاب بندیهای اصلی ، که از اجتماع یا مجموع تیرها و ستونهای تشکیل شده اند یکی انواع بسیار متداول سیستم های مهاربندی است که در طراحی ساختمانهای بلند مورد استفاده قرار می گیرد بدلیل مینیمم ممانعت یا جلوگیری برای طراحی معماری بوجود آمده توسط این سیستم در ساختمانهایی که ارتفاع معمولی و ارتفاع بلند دارند این ساختارها ، زیاد سست و ضعیف نیستند و احتمال دارد که نیروهای جانبی مقاوم از طریق خمش تیرها و ستونها ، صورت می گیرد برای عملکرد ماکزیمم قاب بندی ، اتصالات در محل تقاطع تیرها و ستونهای مورد نیاز باید محکم باشد بدین صورت که هر تغییر شکلی در اتصالات باید جزیی باشند در ساختمانهای بلند ، حدوداً 30 طبقه و یا بیشتر معمولاً اقتصادی است که قاب بندی جهت مقاومت کامل قاب بندی توسعه و گسترش یابد زمانیکه قاب بندیهای مقاومت گشتاور ، بعنوان مهاربندی باد ، مورد استفاده قرار می گیرند چنین اتصالات با قاب بندی های محکم ، معمولاً در ساختمانهایی با قاب بندی سفت و محکم (خشک ) استفاده می شوند هر چند برای ساختمانهایی که کمتر از 25 تا 30 طبقه دارند به قاب بندی محکم نیازی نیست این بدلیل عناصر اتصالات سنگین تر است که به تنهایی با جوشکاری ایجاد شده اند یا اتصال کننده های بزرگ که نیاز به تثبیت ثابت شده دارند علاوه براین گشتاور ثقل (گرانش) موجب می شود که ستونهای داخلی بارگذاری شده بصورت نامتقارن خمیده شوند که این مزیت خمیدگی تیرها را کاهش داده و همینطور وزن تیرها نیز کاهش می یابد از طرف دیگر در انتهای طیف دیگر قاب بندی ساده و خیلی کوچک صورت می گیرد با هر مقاومتی که جهت خمیدگی مورد نیاز باشد مشروط بر اینکه ، بارگذاری جانبی در یک ساختمان بلند انجام گیرد هر دیوار برشی ، قاب بندیهای مهاربندی شده و یا برخی از سیستم های مهاربندی جانبی دیگر ، نیاز به طراحی ساختمان دارد اتصالات نیمه محکم (نیمه سفت)  می توانند بعنوان اتصالاتی توصیف شوند که وضعیت بینابینی بین اتصالات ساده و کاملاً محکم باشد چنین اتصالاتی از محدودیتها جلوگیری بعمل می آورند جهت گشتاور انتهایی و اینکار می تواند بقدر کافی گشتاور فضای میانی را در تیر بارگذاری شده ثقل کاهش دهد هر چند آنها ، بقدر کافی محکم نیستند ولی می توانند مانع چرخش انتهای تیر شوند اگر چه وضعیت واقعی مربوط به اتصال پیچیده است ولی روشهای ساده و تغییر یافته ای نیز وجود دارند که در طراحی چنین اتصالاتی بکار گرفته می شوند البته چندین ویژگی مانند AISC ، بریتش و کدهای استرالیایی ، برای اتصال نیمه محکم پیشنهاد شده اند که طراح بدلیل مشکل بدست آوردن یک مدل تحلیلی معتبر جهت پیشگویی واکنش پیچیده اتصالات قبلاً مورد استفاده قرار داده است هر چند موفقیت منطقی و ؟ با انواع دیگر اتصالات نسبتاً محکم نیز بدست آمده که آن AISC است نوع 2 با اتصال باد ، همراه با شروط مشابه پیدا شده در بریتش و کدهای استرالیایی . در بخش های بعدی یک توصیف کوتاه از وضعیت هر نوع از اتصالات ارائه شده که بر طراحی نوع 2 اتصال بادی تأکید می کند .