تاریخچه سازه های فولادی
استفاده از فلز به عنوان مصالح سازه ای ، به ساخت یک پل قوسی در انگلستان به دهانه 30 متر با استفاده از اعضای چدنی بین سال های 1777 تا 1779 بر می گردد. بین سالهای 1780 تا 1820 میلادی ، پل های چدنی متعددی به همین شیوه ساخته شد . تیر اصلی این پل ها خراپاهای قوسی با اعضایی از جنس چدن بود . چدن برای ساخت زنجیرها و آویزهای پل های معلق اولیه تا حدود سالهای 1840 مورد استفاده قرار می گرفت .
حدودا از سال 1840، به تدریج آهن کم کربن (چکش خوار ) جایگزین چدن معمولی درامر ساختمان سازی شد . قدیمیترین مثال مهم دراین زمینه ، پل چهار دهانه بریتانیا در ویلز با دهانه های 70،140،140،70 متر می باشد که برای ساخت آن از ورق ها و نبشی هایی از جنس آهن کم کربن استفاده گردید.
با تولید و نورد نیمرخ های مختلف ازجنس چدن و آهن کم کربن ، استفاده از این دو فلز ، گسترش بیشتری یافت . نورد میلگرد ها درسال 1780 و نورد ریل ها در سال 1820 شروع شد که نهایتا به نورد نیمرخ های I شکل درسال 1870 انجامید .
ابداع روش بسمر درسال 1855 و توسعه و تکامل آن درسال 1870 ، باعث افزایش کاربرد چدن و مشتقات آن درساختمان گردید . ازسال 1890 به تدریج فولاد جایگزین آن کم کربن درامر ساختمان سازی شد . درحال حاضر فولاد از عمده ترین مصالح ساختمانی می باشد که با تنش های جاری شدن (تسلیم ) ، 2400 تا 7000 کیلوگرم برسانتی متر مربع به منظورهای مختلف تولید می شود . مشخصات انواع مختلف فولاد و خواص آنها دربخش های دیگر همین فصل مورد بررسی قرار می گیرد .
ساختمان های فولادی
سازه های فولادی به سه گروه اساسی طبقه بندی می شوند :
الف : سازه های قاب بندی شده که مجموعه ای اعضای محوری ، خمشی و یا محوری – خمشی می باشند .
ب : سازه های پوسته ای که دراعضای آنها نیروی محوری قالب است .
پ : سازه های معلق که دراعضای آنها نیروی کششی حاکم است .
سازه های قاب بندی شده
اکثر سازه های ساختمان های متداول دارای اسکلت قاب بندی شده می باشند . سازه های قاب بندی شده ترکیبی از تیرها و ستون ها می باشند که با استفاده از اتصالات صلب و یا ساده به یکدیگر متصل شده اند . سازه های قاب بندی شده ممکن است به صورت ساختمان های چند طبقه و درشکل 1-2 مثال هایی از ساختمان های صنعتی نشان داده شده است . به طور کلی سازه های قاب بندی شده از ترکیب دو سری قاب صفحه ای عمود برهم بوجود آمده و تشکیل قاب فضایی را می دهند . لیکن عملکرد قاب های موجود درهر امتداد تأثیری بر عملکرد قاب های امتداد دیگر ندارد . بنابراین تحلیل قاب های هر امتداد به طور مستقل به صورت صفحه ای انجام می شود . قاب های ساختمانی باید قادر به حمل نیروهای قائم و جانبی باشند . برای حمل بارهای جانبی یا از اتصالات صلب (شکل 1-1-الف ) و یا ازسیستم مهاربندی (شکل 1-1-ب) استفاده می شود . پل ها نیز از انواع سازه های قاب بندی شده هستند که درشکل 1-3 مثال هایی از آنها نشان داده شده است .
سازه های پوسته ای
سازه های پوسته ای به صور گوناگون از قبیل منابع نگهداری مایعات و گازهای تحت فشار ، سیلور ها ، سقف های گنبدی و موارد مشابه درعمل مورد استفاده قرار می گیرند که درشکل 1-4 مثال هایی از کاربرد آنها نشان داده شده است . مشخصه اصلی این سازه ها این است که فضاکار می باشند یعنی به علت اندرکنش اجزای موجود درامتداد های مختلف ، نمی توان آنها را بصورت ترکیبی از سازه های صفحه ای درنظر گرفت و برای تحلیل باید کل سازه به عنوان یک مجموعه واحد طراحی شود . تحلیل و طراحی چنین سازه هایی احتیاج به مهارت های ویژه ای دارد که هدف از این کتاب پرداختن به چنین موضوعاتی نمی باشد .
مقاومت درمقابل بارهای جانبی مقاومت درمقابل بارهای قائم
الف – اتصالات صلب ب – قاب مهاربندی شده
سازه های معلق
سازه های معلق اغلب درپوشش ها (سقف ها) و پل های دهانه بلند مورد استفاده قرار می گیرند. درچنین سازه هایی یک اسکلت قاب بندی شده وجود دارد (مثلا درپل سازی ، عبورگاه یا عرشه پل و درپوشش ها ، اسکلت سقف ) که توسط آویزهایی از کابل های کششی اصلی آویزان است . استفاده از سازه های معلق درپل سازی بسیار متداول است .
نیمرخ های ساختمانی
برای استفاده از فولاد به عنوان عضو ساختمانی ، باید آن را به شکل مناسب درآورد . برای فرم دادن فولاد ، ازنورد گرم استفاده می نمایند . بدین معنی که شمش های فولاد را تادمای سرخ شدن حرارت می دهند و سپس با عبوردادن آن ازمیان غلتک های مخصوص، شکل مورد نظر را بدست می آورند . هریک از نیمرخ ها دراندازه و مشخصات هندسی متعددی تولید می شود.
نوع دیگری از تولید نیمرخ های ساختمانی وجود دارد که درآن ورق فولادی درحالت سرد با استفاد از پرس به شکل دلخواه فرم داده می شود .
ورق های ضخیم را نمی توان با فرم دادن به شکل نیمرخ دلخواه درآورد . درچنین حالاتی ورق ها درعرض های مورد نظر بریده شده و توسط جوش به یکدیگر متصل می شوند تا نیمرخ دلخواه حاصل گردد. به چنین نیمرخ هایی ، نیمرخ های ورقی گفته می شود .
با ترکیبی از ورق و نیمرخ نورد شده نیز می توان نیمرخ مورد نظر را به دست آورد که درآن صورت نیمرخ مرکب گویند .
نیمرخ های مناسب برای اعضای ساختمانی
اعضای ساختمانی با توجه به نیروی داخلی شان به اعضای فشاری (ستون ها ) ، اعضای خمشی و اعضای فشاری خمشی (تیر-ستون )طبقه بندی می شوند . برای استفاده موثر از مصالح ، به تجربه و تئوری برای هریک از اعضای فوق و نیمرخ های مناسب برای آنها می پردازیم . بطور عمومی نیمرخ های مصرفی ممکن است به صورت تک یا گروهی (که به آنها مرکب گفته می شود ) مشخصات هندسی مورد نظر را تأمین می نمایند .
اعضای کششی
اعضای کششی به صورت اعضای قطری و قائم ویال تحتانی یا فوقانی خرپا ، اعضای مهاربندی ، آویزهای کف و کابل های کششی درساختمان های معمولی و پل سازی مورد استفاده قرار می گیرند . درشکل الف نیمرخ های معمول برای این گونه اعضا نشان داده شده است . دراکثر اوقات وظیفه این نیمرخ ها تأمین سطح مقطع کافی می باشد .
اعضای فشاری (ستون ها )
اعضای فشاری بصورت قطری و قائم ویال تحتانی یا فوقانی خرپاها و ستون درساختمان های معمولی و پل سازی مورد استفاده قرار می گیرند . درشکل زیر نیمرخ های معمول برای اعضای فشاری نشان داده شده است . با توجه به وجود پدیده کمانش دراعضای فشاری ، نیمرخ های مناسب برای آنها باید دارای سطح مقطع
و شعاع ژیراسیون مناسب باشد .
اعضای خمشی
اعضای خمشی به صور مختلف ازقبیل ، تیر نعل درگاهی ، تیرچه سقف ، تیرهای اصلی (شاهتیرها ) ، و لاپه ها مورد استفاده قرار می گیرند . معمول ترین نیمرخ های خمشی ، نیمرخ های نورد شده I شکل هستند . درچنین نیمرخ هایی با قرارگرفتن اجزای مقطع دردورترین فاصله نسبت به تار خنثی ، ممان اینرسی لازم برای مقابله با لنگر خمشی داخلی تأمین می گردد. درصورت بزرگ شدن ابعاد مقطع ، نیمرخ I را با استفاده از ورق و اتصالات جوشی یا پیچی می سازند که دراین صورت به آن تیر ورق گفته می شود . برای کارهای سبک ، از تیرچه های سبک جان تاز استفاده می شود . درشکل زیر نیمرخ های معمول برای اعضای خمشی نشان داده شده است . درگوشه سمت راست و پائین شکل زیر، به استفاده از دال بتنی به عنوان بال فشاری نیمرخ ، اشاره شده است .