معرفی سازه‌های فولادی و انواع آن به همراه محاسن و معایب

,

تاریخچه‌ی سازه‌های فولادی: استفاده کردن از فلز به عنوان عضوی از مصالح سازه‌ای ساختمان سازی، نخستین بار با ساخت یک پل قوسی به دهانه ۳۰ متر و با بهره گیری از مصالح چدنی، در حد فاصل سال‌های ۱۷۷۷ تا ۱۷۷۹ آعاز شد و پس از آن رواج پیدا کرد. شکل زیر اولین پل فلزی جهان را نشان می‌دهد.

نخستین پل فلزی جهان

بعدها و از سال ۱۸۴۰، چدن معمولی جای خود را در سازه‌ها کم کم به آهن کم کربن با قابلیت شکل پذیری بالا داد. قدیمی‌ترین مثالی که در این زمینه می‌توان به اشاره کرد مربوط به پل چهار دهانه‌ای با دهانه‌های ۱۴۰،۱۴۰،۷۰ و ۷۰ می‌باشد که برای ساخت آن‌ها از نبشی‌ها و ورق‌هایی از جنس آهن کم کربن استفاده شد.

با پیشرفت صنعت و با تولید و نورد پروفیل‌های گوناگون از جنس فولاد و چدن، بهره گیری از این دو فلز بسیار گسترش پیدا کرد. فرایند نورد میلگردها نخستین بار در سال ۱۷۸۰ و همچنین نورد ریل‌ها نیز برای اولین بار در سال ۱۸۲۰ آغاز شد که سرانجام به نورد پروفیل‌های I شکل در سال ۱۸۷۰ منتهی گردید.

در سال ۱۸۵۵ بسمر روش خود را برای تولید فولاد، ارائه داد که با تکامل و گسترش این روش در سال ۱۸۷۰، استفاده از فولاد در ساختمان سازی افزایش چشمگیری پیدا کرد و سرانجام در سال ۱۸۹۰ آهن کم کربن به تدریج جای خود را در ساختمان‌ها، به فولاد داد. امروزه فولاد یکی از مهم‌ترین و کاربردی‌ترین مصالح ساختمانی است که برای مصارف گوناگون و با استحکام‌های تسلیمی در حدود ۲۴۰ تا ۷۰۰ مگاپاسکال (۲۴۰۰ تا ۷۰۰۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع) تولید و عرضه می‌شود.

انواع سازه‌های فولادی

سازه‌های فولادی را می‌توان به ۳ گروه اصلی تقسیم کرد:

الف) سازه‌های قابی (Framed structure): این سازه‌ها اغلب شامل مجموعه‌ای از ستون‌ها (اعضای قائم) و تیرها (اعضای افقی) می‌باشند.

ب) سازه‌های پوسته‌ای (Shell structure): از ورقی پیوسته با اشکال هندسی مخصوصی مانند کره و استوانه تشکیل می‌شود.

ج) سازه‌های معلق (Suspension structure): نیروی کششی در اعضای این سازه حاکم است.

د) سازه‌های خرپایی (Truss structure): اعضای این سازه نیز، نیروهای کششی و فشاری را تحمل و منتقل می‌کنند.

سازه‌های قاب بندی شده (قابی)

این دسته از سازه‌ها ترکیبی از ستون‌ها و تیرها هستند که با بهره گیری از اتصالات ساده و یا صلب به همدیگر اتصال یافته‌اند. سازه‌های قابی می‌توانند به صورت ساختمان‌های صنعتی و یا ساختمان‌های چند طبقه باشند. اغلب ساختمان‌های رایج امروزی، اسکلت قابی دارند.

به طور کلی سازه‌های قاب بندی شده، ترکیبی از دو سری قاب صفحه‌ای عمود بر هم هستند که منجر به تشکیل قاب فضایی می‌شوند. دو شکل بعد، نمونه‌هایی از ساختمان‌های چند طبقه‌ی دارای اسکلت قابی را نشان می‌دهد.

سازه‌ی قابی یک ساختمان صنعتی

سازه‌ی قابی سوله‌ی یک کارخانه صنعتی

سازه‌ی قابی یک ساختمان چند طبقه

سازه‌ی قاب‌بندی شده ساختمان چند ظبقه‌بندی شده

همچنین قاب های ساختمانی باید بتوانند نیرو های قائم و جانبی را نیز تحمل کنند. نمونه‌ی دیگری از سازه‌های قاب‌بندی شده، پل‌ها هستند که در تصاویر زیر تعدای از آن‌ها نمایش داده‌شده است.

سازه یک پل در مرحله‌ی ساخت

قسمت‌هایی از یک پل فولادی

سازه‌­های پوسته­‌ای

از سازه‌های پوسته‌ای به اشکال مختلف در ساخت سازه‌های مهمی مانند مخازن نگهداری سیالات تحت فشار، سقف‌های گنبدی، سیلوها و موارد نظیر آن استفاده می‌گردد. نمونه‌ای از یک سازه‌ی پوسته‌ای در شکل زیر آورده شده است.

سازه‌ی پوسته‌ای یک مخزن آمونیاک واقع شده در مجتمع پتروشیمی

سازه­‌های معلق

کاربرد این دسته از سازه‌ها در پل‌های با دهانه‌ی بلند و در طرح پوشش‌ها (سقف‌ها) می‌باشد. در این مدل سازه‌ها، یک اسکلت قابی وجود دارد که به وسیله‌ی آویزهایی از کابل‌های کششی اصلی، معلق شده است. استفاده از این سازه‌ها در ساخت پل‌های معلق بسیار پر کاربرد می‌باشد. همچنین در اسکلت سقف و یا پوشش‌ها و عرشه‌ی پل نیز می‌توان از آن‌ها استفاده کرد. دو شکل بعد، نمونه‌هایی از دو سازه‌ی معلق را نمایش می‌دهد.

یک سازه‌ی معلق

پل معلق

سازه­‌های خرپایی

به مجموعه‌ای که نیروها را به وسیله‌ی ترکیبی مثلثی شکل از اعضا با اتصال مفصلی به تکیه گاه‌ها انتقال می‌دهد، خرپا (Truss) می گویند. در اعضای سازه‌ی خرپایی، صرفاً نیروی محوری کششی و فشاری ایجاد می‌گردد اما در عمل، امکان دارد یک تنش خمشی در میان اتصالات به مقدار اندکی به دلیل اصطحکاک آن‌ها و بارهای اعمالی و پخش شده در اعضا، به وجود آید که البته می‌توان از آن صرف نظر کرد. تصویر زیر، نمونه‌ای از سازه‌های خرپایی را نشان می‌دهد.

محاسن و معایب سازه‌های فولادی

استفاده از سازه‌های فولادی بسیار مفید و مناسب است. البته نقاط ضعف معدودی هم وجود دارد که می‌توان آن-ها را با راه حل‌های مناسب، برطرف کرد.

محاسن سازه‌های اسکلت فولادی

همانطور که گفتیم، کاربرد سازه‌های فولادی امروزه بسیار گسترش یافته است و دلیل آن هم مزایای زیاد این سازه‌ها می‌باشد. از جمله‌ی این مزایا می‌توان به خواص مکانیکی مناسب مانند استحکام بالا و مقاومت زیاد در مقابل کشش و فشار اشاره کرد. علاوه بر این به دلیل امکان کنترل کیفیت فولاد در کارخانه به هنگام تولید، نسبت به بتن و مصالح بنایی دارای ویژگی‌های مناسب‌تری است.

اسکلت فولادی دارای محاسن دیگری هم است مانند امکان توسعه‌ی سازه، امکان پیش ساخته کردن قطعات، سرعت نصب، فضای اشغالی کمتر، قابلیت استفاده در فواصل زیاد از سطح زمین و اتصال چند قطعه به یکدیگر توسط جوش یا پیچ.

شکل زیر عملیات اجرای اسکلت فولادی در ارتفاع زیاد را نشان می‌دهد.

اجرای اسکلت فولادی در ارتفاع زیاد

معایب سازه‌های اسکلت فولادی

فولاد در برابر رطوبت هوا حساس اس و این منتج به زنگ زدگی اسکلت فولادی می‌شود. لذا برای جلوگیری از این اتفاق، باید از روش‌هایی مانند رنگ آمیزی با رنگ‌های ضدزنگ و دیگر روش‌های حفاظتی به خصوص در مناطقی مثل بنادر استفاده کرد. احتمال اتصالات بد با کیفیت نامطلوب در جوشکاری و مقاومت کم در برابر حریق، از دیگر معایب سازه‌های فولادی می‌باشد. با این حال مهندسین سراسر جهان با ارائه‌ی راهکارهای مناسب اکثر این مشکلات را برطرف کرده‌اند. به عنوان مثال در کشور ژاپن با وجود زلزله‌های فراوان، مهندس‌ها موفق شدند سازه‌های طراحی کنند که کمترین آسیب را در اثر زلزله متحمل شوند.

 منبع : ساختمان ۱۱۵