تحقیق سيستمهاي جانبي ساختمانهاي فولادي

دسته بندي : فنی و مهندسی » عمران

سيستمهاي جانبي : ساختمانهاي فولادي
معرفي :
فولاد در ساختمانهاي بلند
معماري تاريخي و طاق نصرت هاي ساختاري روزهاي گذشته ، مانند اهرام کشور مصر ، معبدهاي يونان ، پل هاي بتني رم ، از سنگ يا برخي از بناهاي ساختماني ، ساخته شده اند آرشيتک ها و مهندسان امروزي ، از موادي در ساختمان استفاده مي کنند که برتري و مزيت دارند فولاد ساختاري ساختاري ، بطور مثال يکي از اين مواد است که مدت زمان طولاني است که از آن استفاده مي کنند اين ها ( فولاد ساختاري ) متنوع و اقتصادي هستند در دو دهه گذشته توليد کنندگان فولاد ، براي آرشيتک ها و طراحان ساختاري طيف وسيعي از فولاد را براي آنان تهيه و در شکل هاي متنوع که داراي درجات بالايي از مقاومت توليد شده اند فولادهاي هوازده شده که از خودشان محافظت کرده و در برابر فرسايش مقاوم هستند که ؟ آن بيشتر از همه ، مورد استفاده قرار مي گيرد تکنيک هاي محافظت در برابر آتش و متدهاي جديدي بکار گرفته شده در توليد و ساخت آنان که دلائلي مي باشد جهت استفاده کردن از فولاد در ساختارهاي متنوع در مکانهاي کم ارتفاع مانند پارکينگ ها و آسمانخراش هاي 100 طبقه ، اساساً ، سيستمهاي ساختاري جديد فولاد ، در برابر زلزله و نيروي باد و لرزش و تکان مقاوم هستند در بسياري از موارد طراحي هاي خوب ، زيبايي و استقامت فولاد را به نمايش مي گذارد اگر چه کاربرد فولاد را در ساختارها ، مي توان به سال 1856 ارجاع داد زمانيکه فرآيند ساخت فولاد بسمر (Bessemer) ، معرفي شد و براي ساختارهاي بلند مورد استفاده قرار گرفت مثلاً در برج ايفل که در سال 1889، ساخته شده است بعد از آن در قرن 19(نوزدهم ) چندين ساختمان بلند ، ساخته شد ( فوت 286 يا 87 متر ارتفاع) مانند ساختمان Flatiron (فلاتيرون ) در سال 1902 با ( فوت 1046 يا 319 متر ارتفاع) يا ساختمان Chrysler (کريسلر) که در سال 1929 در قسمت مرکزي شهرهاي شيکاگو و منمهتن ، ساخته شد رکورد بلندترين ارتفاع بوسيله ساختمان امپاير استيت در سال 1931 ، شکسته شد با (فوت 1250 يا 381 متر ارتفاع) و همين طور برجهاي دو قلوي يا ساختمانهاي مرکز تجاري دنيا در سال 1972 ( با 1450 فوت و يا 412 متر ارتفاع ) و بدنبال آن بلافاصله برج Sears(سيرز) در شيکاگو ساخته شد در سال 1974 با (1450 فوت يا 442 متر ارتفاع ) اما هنوز هم معماران در پي ساخت بلندترين ساختمانها هستند شايد براي اينکه پيش بيني کنيم آيا بلندترين ساختمان فولادي در اين دهه ساخته خواهد شد يا نه ، بايد به توپ کريستال (مخصوص فال بين ها) خيره شويم نمايش قابل قبول و مناسب فولادها در ساخت ساختمان هاي بلند ، ارائه وعرضه شده است نقش فولاد فقط در ساختارهاي اوليه به انتقال دادن بارگذاري نيروي ثقل ، ارجاع شده جهت شامل کردن سيستمهاي بادي و سيستمهاي ساختاري جديد و تنظيم کردن قاب بندي ، براي ساختارهاي لوله مانند .
امروزه توليد و ساخت بهبود يافته و تکنيک هاي فرسايشي با تکنيکهاي تحليلي پيشرفته ترکيب شده که توسط کامپيوترها طراحي شده و در ساخت فولادها استفاده مي شود البته فقط در سيستمهاي ساختاري درست و منطقي براي ساختمانهاي بلند .
مزيت هاي ساختمان فولادي :
آيا استفاده از فولاد ، انتخاب مناسبي براي قاب بندي ساختماهاي چند طبقه مي باشد ؟
اين تصميمي است که همواره نيازهاي مطالعات تطبيقي را بهبود مي بخشد در اينجا برخي از دلائلي که بطور طبيعي با مزيتهاي رقابتي فولاد و بتن ارتباط دارند ذکر شده اند :
1- سرعت ساخت ، بويژه همراه با ، مدت زمان ميزان سوددهي بالا .قاب بندي فولادي بسيار سريع صورت مي گيرد که هزينه هاي مالي ساخت را بطور محسوسي کاهش مي دهد و بدنبال آن درآمد زيادي توليد مي شود بطور مثال ، 20 ميليون دلار وام با 5/13 درصد سود ، موجب صرفه جويي (حدوداً) 250 هزار ميليون دلار سود و هزينه انتقال (حمل و نقل ) مي شود در هر ماه و همينطور زمان تکميل پروژه کاهش مي يابد.
2- قابليت استفاده از فولاد در طبقات و شکل هاي مختلف ، براي قاب بندي اقتصادي فواصل دو تکيه گاه تير ( دهانه ) کوتاه و بلند ، مناسب مي باشد.
3- بکارگيري طرح اقتصادي و پيشنهادهاي فولاد ، براي بهبودسازي و احياء پروژه ها مفيد است فولاد مي تواند براحتي تغيير شکل دهد بسط داده شود يا در آينده نيازهاي مالکان و مستأجران را برطرف کند بهمين خاطر ، يک قاب بندي فولادي ، اغلب بعنوان يک قاب بندي قابل تغيير مورد استفاده قرار مي گيرد.
4- در موقعيتهاي فونداسيون مشکل ، امکان دارد ساختمان فولادي هزينه هاي فونداسيون را بدليل وزن سبک آن ، کاهش دهد قاب بندي فولاد ، بطور نرمال و طبيعي 25 تا 35 درصد سبک تر از قاب بندي بتني است و مي توان با استفاده از فولاد سيستمهاي گران فونداسيون را ارزان کرد مثلاً در مرکز شهر هوستون ، اساس و شالود با خاک رس نرم و متراکم شده مي باشد که اين ساختمان بلند داراي سيستم فونداسيون با مواد سخت مي باشد اينوع فونداسيون نياز دارند تا وزن خاک حذف شود در نتيجه زيربناي ساختمان نبايد کمتر از درصد بارگذاري باشد که براي خاک بوسيله ساختار کامل شده بکار گرفته شده است يعني ساختار واقعي سنگين تر است و بطور افزايشي مقدار آن بيشتر از خاکي مي باشد که حذف شده بدليل ؟ فشار خالص بر خاک با ساختمان بتني ، بطور نمونه ساختمانهايي که حدوداً 5/1 ميليون فوت مربع از فضا در يک ساختمان 50 طبقه دارند تقريباً کمتر از 3 درجه سطوح نياز دارند با تغيير دادن سيستم قاب بندي بتني براي فولاد ، بطور نمونه فقط ، نياز به دو پي ( پي ساختمان) مي باشد با اينکار نه تنها هزينه هاي زير بنا کاهش مي يابد بلکه نصب سيستم نگهدارنده و هزينه هاي آب گيري نيز کاهش مي يابد.
5- افزايش يافتن پذيرش بوسيله بدنه هاي کد – کنترل کننده متدهاي صحيح براي طراحي کردن با فولاد ساختمان ظاهري (بيروني ) ايمن از آتش ، اين متدها ، شيوه هايي را براي محاسبه کردن انتقال گرما و تعيين کردن دماي فولاد در نقاط حساس توصيف مي کنند .
6- در شرايط آب و هواي سرد ، قاب بندي فولاد ساختاري ترجيح داده مي شود بخاطر شرايط هاي بد جوي يعني شرايط برفي و يخي . البته بايد در اينجا متذکر شد که براي محافظت از سرماي زمستان و همچنين باد نياز به گرماي مصنوعي است که دماي فولاد را حداقل 45 F ( فارنهايت ) افزايش دهد يعني در اينجا اسپري ضد آتش را مي توان بکار برد اين دما حداقل 24 ساعت دوام دارد حتي با استفاده از اسپري ضد آتش .
يستمهاي ساختاري در فولاد :
يکي از سؤالات اساسي مهندسي ساختاري پاسخ به اين پرسش است که آيا سيستم ساختاري براي ساختمان از نظر اقتصادي داراي اهميت است با يک ارزيابي مقدماتي اين واقعيت آشکار مي شود که هزينه ساختاري ساختمانهاي فولادي ، نه تنها در تناژ ( وزن کلي بار ) فولاد مورد استفاده قرار مي گيرد بلکه هزينه هاي فرسايش و ساخت نيز در نظر گرفته مي شود اگر چه هزينه فرسايش و ساخت فولاد گران است اما اين هزينه ها مي توانند بر هزينه هاي ديگر مشابه نقشه ها يا طرحهاي ساختاري مختلف نيز تأثير گذارند البته اينکار آسان يا سهل انگاشتن شرايط واقعي است اما نقطه آغاز گزينش يا انتخاب طرح ساختاري است بنابراين ، هدف پيدا کردن يک سيستم ساختاري است که براي مقدار مينيمم فولاد بدون در نظر گرفتن گراني آن ، استفاده مي شود در قانون کلي ، چيزهاي ديگر مساوي است در ساختمانهاي بلند نياز بيشتر جهت تعيين کردن سيستم مناسب براي مقاومت بارگذاري جانبي مي باشد اين پروژه اولين بار توسط معماران در اصطلاح ضمني بکار گرفته شد يعني تعيين کردن شکل کلي ساختمان ، با تعداد تقريبي طبقات و سايز (اندازه ) و مکان يابي . مهندسي ساختاري ، در اين مرحله يک سيستم اختياري را آشکار مي کند که نه تنها يک ساختار اقتصادي است بلکه با ؟ خاصي همراه است نيازي نيست که بگوييم ، هر ساختمان يک محصول از سري توافق بين کشمکشها و درخواست ها ،گزينش نقشه يا طرح ساختاري مي باشد.
با تعيين کردن سيستم قاب بندي اقتصادي ، ضروري است که سيستم قاب بندي طبقه افقي و عناصر عمودي قاب بندي ساختاري ارزيابي شود به سيستمهاي قاب بندي جانبي که در اين فصل شرح مي دهيم توجه کنيد البته قاب بندي طبقه ، در بخش هاي بعدي اين کتاب توصيف شده اند . ساختارهاي بلند ، معمولاً دفاتر کاري يا ساختارهاي مسکوني (آپارتمانها ، هتل ها ) مي باشند و يا در برخي از موارد ترکيب هر دو .
اغلب اوقات آنها ، شامل گاراژها و پارکينگ ها هستند مطالعات صورت گرفته بر سيستم هاي ساختاري در ارتباط با ساختارهاي ويژه نشان مي دهد که نتايج حاصل شده در شرايط هاي مشابه کافي نيستند امروزه ، سيستمهاي فولادي ساختاري زيادي وجود دارند که مي توانند براي مهار بندي جانبي ساختمانهاي بلند مورد استفاده قرار گيرند البته اينکار بيهوده است که سعي کنيم همه اين سيستمها را طبقه بندي کنيم بصورت مجزا ، هر چند ، براي اين اهداف ارائه شده ، سيستمهاي ساختاري مختلف بطور معمول در طراحي ساختمانهاي بلند استفاده مي شوند که بصورت ذيل طبقه بندي شده اند :
1- قاب بندي هاي نيمه سفت
2- قاب بنديهاي محکم
3- قاب بنديهاي مهار بندي شده
4- قاب بندي محکم و قاب بندي مهار بندي شده با اثر متقابل
5- سيستمهاي تسمه اي و خرپا (نيمه مشبک ) پايه
6- ساختارهاي لوله اي قاب بندي شده با لوله هايي به شکل منظم
7- ساختارهاي لوله اي قاب بندي شده با لوله هايي به شکل نامنظم
8- لوله هاي مهار بندي شده بيروني (خارجي ) با شکل هاي منظم
9- لوله هاي مهاربندي شده بيروني (خارجي ) با شکل هاي نامنظم
10- ساختارهاي لوله اي روزنه دار
11- ساختارهاي مگاباتي
توصيف کردن هر سيستم و کاربرد آنان در بخش هاي بعدي ، ارائه شده است .
4.2 . قاب بنديهاي نيمه سفت (سخت ):
معرفي :
استفاده از قاب بنديهاي اصلي ، که از اجتماع يا مجموع تيرها و ستونهاي تشکيل شده اند يکي انواع بسيار متداول سيستم هاي مهاربندي است که در طراحي ساختمانهاي بلند مورد استفاده قرار مي گيرد بدليل مينيمم ممانعت يا جلوگيري براي طراحي معماري بوجود آمده توسط اين سيستم در ساختمانهايي که ارتفاع معمولي و ارتفاع بلند دارند اين ساختارها ، زياد سست و ضعيف نيستند و احتمال دارد که نيروهاي جانبي مقاوم از طريق خمش تيرها و ستونها ، صورت مي گيرد براي عملکرد ماکزيمم قاب بندي ، اتصالات در محل تقاطع تيرها و ستونهاي مورد نياز بايد محکم باشد بدين صورت که هر تغيير شکلي در اتصالات بايد جزيي باشند در ساختمانهاي بلند ، حدوداً 30 طبقه و يا بيشتر معمولاً اقتصادي است که قاب بندي جهت مقاومت کامل قاب بندي توسعه و گسترش يابد زمانيکه قاب بنديهاي مقاومت گشتاور ، بعنوان مهاربندي باد ، مورد استفاده قرار مي گيرند چنين اتصالات با قاب بنديهاي محکم ، معمولاً در ساختمانهايي با قاب بندي سفت و محکم (خشک ) استفاده مي شوند هر چند براي ساختمانهايي که کمتر از 25 تا 30 طبقه دارند به قاب بندي محکم نيازي نيست اين بدليل عناصر اتصالات سنگين تر است که به تنهايي با جوشکاري ايجاد شده اند يا اتصال کننده هاي بزرگ که نياز به تثبيت ثابت شده دارند علاوه