با مبانی انتخاب سازه بیشتر آشنا شوید

در این مطلب قصد داریم شما عزیزان را با مبانی انتخاب سازه آشنا کنیم. ولی قبل از هر چیز باید با مفهوم سازه آشنا شوید. سازه نوعی سیستم باربری است که بارها و نیروهای ناشی از وزن و وسایل و تاسیسات و سایر بارهای زنده را جذب و به زمین منتقل می کند. این سیستم باید باید تحمل بار مرده و سر بارهای زنده و نشست‌های مجاز پی را در حد الاستیک، بدون ایجاد تغییر شکل‌ها داشته باشد. عوامل و بارهایی که در باید طراحی مورد توجه قرار گیرند عبارتند از: بارهای مرده و زنده، فشار ناشی از خاک یا مایعات، اثر باد و دیگر عوامل مستقیم. اثرات زلزله، ارتعاشات، تغییرات دما، نشست تکیه گاه‌ها و دیگر عوامل غیرمستقیم. عواملی از قبیل: وزن داربست، قالب بندی و بتن ریزی طبقات که به عوامل حین ساخت مشهورند.

این عوامل باید در مورد بارهایی مانند زلزله و باد مورد توجه قرار گیرند. سازه تحمل زلزله‌های با ریشتر کم را بدون خسارت دارد و تنش‌های ایجاد شده در زلزله‌های کوچک مکرر در حد ارتجاعی باقی خواهد ماند. خسارت سازه ای در مورد زلزله‌هایی با ریشتر متوسط کم اهمیت است. میزان خسارت وارده نیز مختصر و قابل تعمیر خواهد بود. اما در زلزله‌هایی با ریشترهای بزرگ که ویران کننده هستند، سزه باید طوری طراحی شود که بتواند لرزش ها را بدون فروریختن تحمل نماید. به عبارتی نباید هیچ خطر جانی برای ساکنین ایجاد شود. در چنین شرایطی تغییر شکل‌ها و ترک‌های بزرگ در ساختمان ایجاد می شود که قابل پیش بینی است و سازه در محدوده پلاستیک مواد مقاوم خواهد بود.

نکته

لازم به ذکر است معیارهایی که در بالا به آن ها اشاره شد، تنها آثار ناشی از حرکت و ارتعاش زمین را مودر توجه قرار می دهد. اثرهای منفی ناشی از لغزش و نشست خاک و گسل‌های فعال در مجاورت سازه که ممکن است به همراه یک زلزله باشد ممکن است در نظر گرفته نشود. در یک طراحی صحیح و منطقی، به حداقل رساندن اثرهای ناشی از همه عوامل فوق باید هدف اصلی طرح باشد. سازه مورد نظر باید با حصول ایمنی کافی در امر ایستادگی در برابر بارهای عادی و فوق العاده همراه باشد. همچنین باید شرایط اقلیمی و دیدگاه‌های اقتصادی در انتخاب سازه مناسب را بسیار مورد توجه قرار داد.

در طراحی و مبانی انتخاب سازه باید موارد زیر مورد توجه قرار گیرند:

بهره برداری در رابطه با طرح اصلی باید امکان پذیر باشد

برای این که طراحی سازه صحیح و منطقی و بهره برداری در رابطه با طرح اصلی امکان پذیر باشد، باید اجرای سازه از نظر مصالح مصرفی و همچنین امکانات تهیه آن ها و کاربرد نیروهای فنی در رابطه با اجرای سازه اقتصادی باشد. نوع سازه انتخاب شده با توجه به امکانات محلی از نظر نوع مصالح و تخصص‌های اجرایی و همچنین نحوه و سیستم اجرا باید از سرعت اجرایی و حداقل زمان اجرا برخوردار باشد. باید هماهنگی با تاسیسات برقرار باشد تا اخلالی در اجرای تاسیسات حرارتی، برودتی و الکتریکی ایجاد نشود. ایمنی باید از حداکثر درجه در طراحی و ساخت سازه برخوردار باشد. باید از مصالح موجود حداکثر استفاده را کرد. سهل الوصول بودن مصالح نیز نکته بسیار مهمی در سرعت اجرا است. باید با طرح و هدف اصلی بنا در حد بهینه آن هماهنگی لازم وجود داشته باشد.

به طور کلی سازه‌ها به 3 دسته مصالح بنایی، سازه های فلزی و بتنی تقسیم می شوند. مصالح بنایی شامل دیوارهای باربر از قبیل: سنگ و آجر و بلوک سیمانی و… می باشند. سازه های فلزی شامل اجرای درجا و بصورت پیش ساخته هستند. سازه های بتنی نیز شامل اجرای درجا و پیش ساخته و نیمه پیش ساخته می باشند. در تمامی سازه های بتنی، فولاد وجود دارد و به صورت مسلح اجرا می شوند.

مبانی انتخاب سازه: عملکرد سیستم سازه و بارگذاری

سازه ها از نظر عملکرد انواع مختلفی دارند: دیوار باربر که به صورت دیوار بتنی و برشی با مصالح بنایی مسلح می شود. قاب فضایی ساده که مقاومت آن ها در برابر باد و زلزله به وسیله دیوار برشی بتن آرمه یا سیستم‌های بادبندی شده و همچنین دیوارهای برشی از مصالح بنایی مسلح افزایش می یابد. سازه هایی با قاب فضایی خمشی که به صورت فولادی و یا بتن آرمه طراحی می شوند. سازه های مختلط نیز شامل قاب خشمی و دیوار برشی یا بادبند می باشند. سازه مطلوب به سازه ای اطلاق می شود که توان باقی ماندن در مقابل بارهای وارده در طول عمر خود را در حد مطلوب داشته باشد. بارهای وارده به سازه باید ابتدا با توجه به ویژگی‌های بهره‌برداری و مشخصات معماری تعیین گردد.

بارگذاری ثقلی‌ به دو بخش بارهای مرده و بارهای زنده تقسیم می شود. ‌بار مرده به وزن اجزای دائمی ساختمان که اثرات آنها ثابت است گفته می شود. مانند: وزن تیرها، ستون‌ها، کف‌ها، دیوارها، بام‌ها، راه پله‌، تیغه‌ها و وزن تجهیزات و تاسیسات که در محاسبات سازه‌ای، وزن واحد حجم مصالح بکار رفته در ساختمان از جداول آیین نامه مقررات ملی ساختمان مبحث ششم استخراج می‌ گردد. ‌بار زنده به بارهای غیردائمی که در حین استفاده و بهره برداری از ساختمان به آن وارد می‌شوند‌، گفته می شود. توجه داشته باشید، بار زنده شامل بار ناشی از برف، باد یا زلزله نمی‌شود. تعیین بارهای زنده سازه با توجه به نوع کاربری ساختمان‌ یا هر بخش از آن و همچنین مقداری که احتمال دارد در طول عمر ساختمان به آن وارد شود، صورت می گیرد.

بار زلزله چیست؟

ایران کشوری است که تمامی نقاط آن روی کمربند زلزله قرار دارد. از این رو طراحی سازه‌ها باید به گونه ای باشد که توان مقابله در برابر نیروی زلزله را داشته باشد. برای بارگذاری زلزله، آیین نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله، نشریه شماره ۲۵۳، مورد استفاده قرار می گیرد. محاسبه نیروی زلزله در ساختمان‌ها نیز از طریق شرایط مندرج در آیین نامه ۲۸۰۰ امکان پذیر است. برای محاسبه نیروی زلزله در ساختمان‌های منظم که کمتر از ۵۰ متر ارتفاع دارند، ساختمان‌های نامنظمی که ارتفاع آن ها حداکثر ۱۸ متر است و ساختمان‌هایی که سختی جانبی قسمت فوقانی در آنها کمتر از سختی جانبی قسمت تحتانی نیست، می‌توان به روش‌های استاتیک معادل روی آورد.

از روش‌های تحلیل دینامیکی برای کلیه ساختمان‌ها می توان استفاده کرد. برای سازه‌هایی که مشمول بند‌های فوق نیست باید حتما از این روش ها استفاده کرد. در مواردی نیز با تعبیه درز انقطاع بی‌نظمی در پلان ساختمان می توان تا حدودی ای مورد را رفع کرد. بدین ترتیب نیروها و تنش‌های ناشی از انبساط و انقباض طولی ساختمان و همچنین نیروی زلزله تقلیل یافته و متعادل می شود. لازم به ذکر است عرض این درزها باید حداقل برابر 1/100 ارتفاع ساختمان باشد. روش تحلیل استاتیکی معادل برای تحلیل سازه ‌ساختمان مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش نیروی جانبی زلزله به صورت استاتیکی رفت و برگشتی به سازه اعمال خواهد شد. حداقل نیروی برشی پایه بسته به پارامترهایی از قبیل: وزن کل ساختمان‌، شتاب مبنای طرح، ضریب بازتاب ساختمان، ضریب اهمیت ساختمان و ضریب رفتار ساختمان متغیر خواهد بود.

مبانی انتخاب سازه: شتاب مبنای طرح

نسبت شتاب مبنای طرح بر مبنا و اساس میزان خطر لرزه خیزی مناطق مختلف تعیین می‌شود. اگر سازه ای در پهنه با خطر نسبی متوسط قرار گیرد این شتاب برابر با 0/25 گرم می باشد.

مبانی انتخاب سازه: ضریب سازه

ضریب بازتاب ساختمان‌ نشان دهنده و بیانگر نحوه پاسخ ساختمان به حرکت زمین است. این ضریب بسته به نوع زمین و میزان خطر لرزه خیزی منطقه متغیر است. تعیین نوع زمین با آزمایش ژئوتکنیک صورت می گیرد. ضریب اهمیت ساختمان نیز با توجه به طبقه بندی ساختمان از نظر اهمیت و با توجه به موارد مندرج در آئین نامه ۲۸۰۰ مشخص می شود. این ضریب با توجه به تقسیم بندی این آئین نامه‌، معادل ۱ در نظر گرفته می‌شود. ‌ضریب رفتار ساختمان شامل آثار عواملی مانند: شکل پذیری‌، درجه نامعینی و اضافه مقاومت موجود در سازه است. ضریب رفتار با توجه به نوع سیستم باربر سازه تعیین می شود.

منظور از بار باد چیست؟‌

طراحی و ساخت ساختمان‌ها، سازها و تمامی اجزا و پوشش های آن ها باید بر اساس ضوابط مندرج در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان برای اثر ناشی از باد صورت گیرد. با توجه به حداکثر ارتفاع و شکل هندسی ساختمان‌ها، شیب سطح بادگیر، مقدار فشار حاصل از باد و سرعت باد‌ با افزایش ارتفاع و درجه حرارت نقصان می‌یابد. برای این که بتوان اثر ناشی از باد را تعیین کرد، باید فرض شود که باد به صورت افقی و در هر یک از امتدادها به ساختمان اثر می کند.

در طراحی سازه باید اثر باد در دو امتداد عمود بر هم‌، در امتداد محور‌های اصلی ساختمان، به طور غیر همزمان مورد بررسی قرار گیرد. لازم است بدانید در طراحی اعضای سازه، اثر ناشی از بار باد با بار زلزله جمع نمی‌ شود. از این رو تمامی اجزای سازه باید برای اثر هر یک از این دو که بیشتر باشد، طراحی شوند. در سازه های سبک، اهمیت بار باد بیشتر از بار زلزله است.

مبانی انتخاب سازه: سیستم سازه باربر و انتخاب آن

یکی از اساسی ترین مراحل مطالعات و محاسبات سازه ساختمان، انتخاب بهترین و مناسب ترین سیستم سازه باربر است. سازه ساختمان باید دارای خصوصیات فنی کافی باشد تا بتواند جوابگوی تمامی نیازهای پروژه باشد: ایمنی و مقاومت کافی در مقابل نیروهای ثقلی و جانبی ناشی از باد و زلزله، تغییر شکل‌ها و حرکت جانبی محدود داشته و کارایی آن تحت تاثیر بارهای عادی مطلوب باشد. در سازه باید معماری و فضاهای مورد نیاز متناسب و هماهنگ با سازه در حد امکان حفظ شود. توجه به جنبه‌های اقتصادی پروژه نیز بسیار مهم است. امکانات اجرایی، سهولت و سرعت کار نیز باید لحاظ گردد.

یکی از فاکتورهای مهم طرح، سختی سازه است که بستگی به نوع سیستم و هندسه ساختمان دارد. بازده اقتصادی هر سازه با مقدار مصالح مصرف شده و کیفیت آن ارتباط مستقیم و تنگاتنگی دارد. با این تفاسیر، بهینه کردن سیستم سازه برای شرایط هندسی و فضایی، یعنی با حداقل وزن و تامین سختی متناسب با ساختمان در کنار ایمنی سازه، یکی از اصول و پایه های طراحی سازه است. تامین همه جانبه نیازهای فوق با عنوان هنر اصلی طراحی شناخته می شود. توجه داشته باشید، سختی بیش از حد سازه، ضریب زلزله و نیروهای جانبی را افزایش می دهد. سختی کم سازه نیز منجر به افزایش ناپایداری دینامیکی آن می شود.

مبانی انتخاب سازه: سیستم متشکل از قاب مفصلی و خرپا

خرپاها ساده‌ترین اعضای باربر سازه‌ها به شمار می روند. خرپاها به طور کلی عملکرد خمشی دارند و در سقف ها، پل ها و سازه های هوا فضا استفاده می شوند. به دلیل نبود نیروی برشی و لنگر خمشی در تک تک اعضا در این گونه سازه ها، سطح مقطع هر یک از اعضا کاهش می یابد و منجر به کاهش وزن کل سازه می شود. خرپاها بارهای خمشی و برشی را جهت باربری به نیروهای محوری تبدیل می کنند. برای این منظور باید ارتفاع سازه جهت تامین بازوی مقاوم در برابر نیرو‌های خمشی و برشی حتماً افزایش یابد. امروزه در انواع سازه از خرپاها به صورت گسترده‌ای استفاده می شود.

دلایل استفاده گسترده از خرپاها در صنعت ساختمان سازی

از مهمترین دلایل کاربرد خرپاها در ساخت و ساز سازه های ساختمان می توان به: ایجاد استحکام متناسب با نیاز طراحی، امکان پرهیز از عیوب ذاتی سازه‌های تیر ورقی در خرپاها و همچنین طراحی و اجرای سازه‌هایی با ابعاد بزرگ و قابل توجه، ایجاد فونداسیون سبک‌‌تر در قیاس با سازه‌هایی مشابه تیرورق، سبکی قابل توجه سازه، ایمنی زیاد در برابر عوامل مخرب محیطی مانند زلزله و انعطاف پذیری زیاد، توانایی اجرای سازه‌هایی با اشکال متنوع و در نهایت امکان استفاده از پرفیل‌های متنوع در ساخت خرپا اشاره کرد.

خرپا در 3 نوع: دو بعدی، سه بعدی یا فضایی و چندگانه یا ساندویچی وجود دارد. در خرپای دو بعدی، تمامی اعضای خرپا در یک صفحه جای داد‌ه می شود. به این دلیل که اختلاف بعدی در نحوه قرارگیری و جهت گیری اعضای خرپا از نظر هندسی وجود ندارد. بسیاری از طرح‌های کلاسیک خرپا از نوع دو بعدی هستند. خرپای سه بعدی یا فضایی شامل شبکه‌ای از اعضا و اتصالات است که روی حجمی را در برمی گیرد و در امتداد هر سه محور مختصات امتداد می یابد. در خرپاهای چندگانه یا ساندویچی طراحی لینک‌های وسط به صورت تکی و لینک‌های بالا و پایین به صورت دوگانه یا چندگانه می باشد.

مبانی انتخاب سازه: سازه های فضایی

سازه‌های فضایی یا اسپیس فریم به اشکال هندسی منظمی گفته می شود که در کنار یکدیگر تکرار می شوند. با اتصال مکرر این اجزا یک شبکه یکپارچه و مستحکم با ساختاری سه بعدی به وجود می آید. از این رو به سازه های فضایی، خرپای سه بعدی نیز گفته می شود. این اجزا از المان‌های طولی‌ با مقاطع‌ مربعی، دایره‌ای، مثلثی و غیره و اتصال‌هایی تشکیل می‌شود. المان‌های طولی از جنس های مختلف و متنوعی ساخته می شوند. جنس آن ها به نوع مصرف آن ها بستگی دارد. بیشتر آن ها از جنس پلاستیک و پروفیل فولاد و آلومینیوم هستند.

مهم ترین شکل سازه‌های فضایی یا فضاکار عبارتند از: شبکه‌های تخت یا مسطح دو یا چند لایه، چلیک‌ها، گنبدها و قوس که در ادامه بیشتر به بررسی آن ها می پردازیم:

شبکه‌های مسطح دو یا چند لایه

ترکیب یک سیستم حداقل یک وجهی با لایه‌های واحد، شبکه نام دارد. ترکیبی از یک دو وجهی که با تیرهای واحد وصل شده، شبکه مسطح نام دارد. این شبکه‌های مسطح از حداقل یک لایه تشکیل می شوند، ولی بیشتر آن ها دو لایه هستند. شبکه‌های دو لایه متشکل از دو صفحه موازی که توسط عناصری به یکدیگر وصل شده اند، می باشند. زمانی از لایه سوم برای شبکه های تخت استفاده می شود که اعضا در شبکه دو لایه طویل شوند. سه لایه شدن برای جلوگیری از خطر کمانش کردن است. شبکه‌های تخت دو و چند لایه برای دهانه‌های ۲۰ الی ۱۲۰ متری به کار می روند.

توسط این شبکه‌ها بدون استفاده از ستون های میانی می‌توان فضای زیادی را پوشش داد. به طور کلی حذف ستون ها بیش از اندازه، توصیه نمی شود و مقرون به صرفه نیست. به طور کلی سازه های فضاکار در دسته سازه‌های غیر اقتصادی قرار دارند. در طراحی شبکه‌های تخت دو لایه و بیشتر سازه‌های فضایی، برای توزیع بهتر نیرو و کششی شدن آن، بهتر است که ستون‌ها درون شبکه قرار گیرند و ستون به چند گره وصل شود. همچنین توصیه می شود از کنسول در اطراف برای توزیع منظم نیرو در سازه استفاده شود.

‌مبانی انتخاب سازه: چلیک و گنبد

چلیک به شبکه‌ای اطلاق می شود که در یک جهت دارای انحنا باشد. چلیک ها معمولاً برای پوشش سطوح مستطیلی و دالان مانند مورد استفاده قرار می گیرند. بعضی از آن ها ستون ندارند و روی لبه‌های چلیک که به تکیه گاه وصل است‌، قرار می‌گیرند‌. این سازه ها دارای محور هستند و چلیک های یک لایه دارای اتصالات به شکل صلیب می باشند. بیشتر این سازه ها را به صورت ترکیبی مورد استفاده قرار می دهند. تیر کمری برای ترکیب کردن چلیک‌ها به یکدیگر به کار گرفته می شود. قوی بودن انتهای چلیک باید در طراحی این نوع سازه‌ها در نظر گرفته شود. برای این منظور می توان از تیر، تیر و ستون و شکل خورشید مانند استفاده کرد.

‌گنبد‌ها‌ نیز مانند چلیک ها دارای انحنا هستند، با این تفاوت که انحنای آن ها در دو جهت می باشد. رویه یک گنبد می تواند قسمتی از یک کره و یا یک مخروط یا اتصال چندین رویه به یکدیگر باشد. گنبدها، سازه‌هایی هستند که از صلبیت بالایی برخوردارند و برای دهانه‌های بزرگ تا ۲۵۰ متر از آن ها استفاده می شود. لازم است بدانید، ارتفاع گنبد باید بزرگتر از ۱۵ % قطر پایه گنبد در نظر گرفته شود.

مبانی انتخاب سازه: قاب‌های صنعتی با مقطع متغیر

سیستم قاب‌های صنعتی به صورت یک یا چند دهانه و معمولاً یک طبقه با سقف‌های شیبدار وجود دارند. این قاب ها برای پوشش دهانه‌های بزرگ در کارخانجات صنعتی، کشاورزی، انبارها، تعمیرگاه‌ها، پارکینگ، آشیانه‌های هواپیما و سالن‌های ورزشی مورد استفاده قرار می گیرند. در گذشته از سازه هایی به شکل خرپا برای پوشش دهانه‌های بزرگ استفاده می شد. این قاب‌ها دارای مقطع متغیر و اتصالات ممان گیر هستند و در ساخت چنین سازه‌هایی، بسیار از آن ها استفاده می شود. با استفاده از اعضا با مقطع متغیر در قاب‌های صنعتی شیبدار در محل‌هایی که دارای لنگرهای خمشی زیادتری هستند، ممان اینرسی بیشتر و در نتیجه اساس مقطع بزرگتری ایجاد می شود.

از نیمرخ های نورد شده ای که در بازار وجود دارد برای قاب‌های صنعتی می‌توان استفاده کرد. ولی این قاب‌ها را بیشتر با ورق‌های فولادی می سازند. این باعث می شود تا مقطع متغیر را اعضایی‌ که در آن ها ابعاد بال در طول عضو ثابت هستند، بهتر فراهم کند. به طور کلی، سطح مقطع قاب‌های صنعتی به شکل ارتفاع، بسته به اندازه لنگر خمشی عضو متغیر باید در نظر گرفته شود. اجرای سقف قاب‌های صنعتی به شکل مستقیم و شیبدار و یا به صورت قوسی انجام می شود. گوشه‌های قاب‌های صنعتی در محل اتصال تیرها به ستون و همچنین راس آن ها نیز می‌توانند اتصالاتی بصورت ماهیچه‌های خطی یا منحنی شکل با مقطع متغیر داشته باشند. در سیستم قاب های صنعتی، قاب فولادی متشکل از اعضاء با مقطع متغیر و دارای اتصالات صلب خمشی است. این اعضا توامان، تحت تاثیر نیروی محوری، نیروی برشی و لنگر خمشی هستند.

‌نکته

نام دیگر قاب‌های صنعتی با مقطع متغیر، سوله است. فاصله قاب های صنعتی متناسب با طول ساختمان‌، میزان بار وارده بر آن با توجه به تغییرات درجه حرارت محیط، وجود درزهای انبساط و نیز لا‌په‌های موجود و طول دهانه آن تعیین و مشخص می‌شود. این فاصله در ساختمان‌های صنعتی با طول دهانه بیش از ۳۰ متر، 1/5 تا 1/6 طول دهانه در نظر گرفته می شود. فاصله قاب ها از یکدیگر در طول ساختمان با توجه به طول ۶ متری لایه‌ها، ۶ متر در نظر گرفته می‌شود‌. محاسبه و طراحی قاب‌های انتهایی باید طوری انجام شود که توسعه و گسترش ساختمان در جهت طولی امکان پذیر باشد.