بررسی ضوابط آیین نامه ای مقاطع ستون فولادی

برای طراحی و انتخاب المان مناسب  برای هر مقطع  باید طبق ضوابط آیین نامه ای عمل کنیم و حق انتخاب هر نوع مقطعی برای هر المانی را نداریم . اگر به آیین نامه مبحث 10 که آیین نامه سازه های فولادی می باشد مراجعه کنید، با تعداد بسیاری بند و ضابطه رو به رو خواهید شد، که تعدادی از آنها هنگام تعریف مقاطع و تعدادی از آنها هنگام اجرای سازه فولادی باید در نظر گرفته شوند. در این مقاله قصد داریم در خصوص ضوابطی که در طراحی مقاطع فولادی باید در نظر داشته باشید  صحبت کنیم.

قبل از آنکه بخواهیم در خصوص ضوابط صحبت کنیم باید درباره تغییراتی که چند سال اخیر در ضوابط مربوط به ستون های فولادی اتفاق افتاد توضیح بدهیم

تغییر ضوابط مربوط به المان ستون ها فولادی در گذر زمان

در سال های قبل ساختمان های که با مقاطع فولادی ساخته میشدند، در بیشتر مواقع مخصوصا ساختمان های کوتاه مرتبه و میان مرتبه برای ستون ها از دوبل IPE استفاده می کردند به صورتی که دو عدد پروفیل IPE  را با جوش کارگاهی  به یک دیگر متصل میکردند و گاهی از ورق ها تقویتی در بال و جان پروفیل ها نیز استفاده میکردند و مقطعی نزدیک به مربع یا مستطیل ایجاد میکردند.این مقاطع در محاسبات دستی و یا نرم افزاری پاسخگوی تنش های احتمالی بودند ولی در زلزله های اخیر با بررسی ساختمان ها تخریب شده دریافتند که این نوع از مقاطع ستون ها در بیشتر مواقع هیچ عکس العمل صحیحی از خود نشان نمیدهد بلکه باعث تخریب پیش رونده نیز میشوند.

با توجه به عملکردی که از این نوع مقاطع در تجربه های اخیر دیده شد سازمان نظام مهندسی استفاده از نوع مقاطع را مگر در شرایط خواص ممنوع اعلام کرد.

سازمان نظام مهندسی یک دفترچه راهنما برای مهندسان طراح قرار داده است که آخرین ویرایش آن برای سال 1396 می باشد، که با نام دفترچه راهنمای نکات حائز اهمیت در محاسبات و نقشه های سازه می باشد.

در ادامه توضیحی این دفترچه راهنما در خصوص عدم  استفاده از دوبل IPE را با هم بررسی میکنیم.

ورق پیوستگی

ورق پیوستگی ورقی می باشد که هنگام اتصال تیر به ستون به جان مقطع ستون، اتصال داده می شود.

• توزیع نیروهای بال تیر در جان ستون
• تقویت جان ستون
• کاهش تمرکز تنش بین بال تیر و ستون
• اطمینان از انتقال درست نیروهای لرزه ای

همان طور که در شکل مشخص هست ورق پیوستگی کار انتقال نیرو از تیر به ستون را انجام میدهد.

یکی از ضوابطی که در خصوص ورق های پیوستگی وجود دارد این است که باید ضخامت آن حداقل اندازه ورق های اتصال  تیر به ستون باشد و این به این معناست که ضخامت آن حداقل 2 سانتی متر میشود.حال این ورق پیوستگی باید با جوش  نفوذی یا گوشه دو طرفه  به جان ستون متصل شود و چون ضخامت جان ستون بسیار کم است این جوش امکان پذیر نمیباشد.

•  از طرفی از آنجایی که نیروی که از تیر به ستون انتقال پیدا میکند بسیار زیاد است و در ستون های دوبل که با ورق تقویتی ساخته میشوند تیر مستقیم به ورق تقویتی متصل میشود و این ورق ها در اثر نیروی وارده مقاومت کافی از خود نشان نمیدهند و عملا ورق پیوستگی در انتقال نیرو شرکت نمیکند. 

   

   

   

  • طبق مبحث 10 تمام جوشکاری ها باید در کارخانه سرپوشیده و مجهز انجام شود در این حالت در صورتی که قرار به ساخت ستون دوبل در کارخانه باشد هزینه این ستون ها از هزینه ساختم ستون های باکش و یا شکل بیشتر میشود.

   

  با وجود تمام ضوابط و محدودیت هایی که بیان شد آیا استفاده از مقاطع دوبل IPE  به طور کامل منسوخ شده و برای ساختمان های کوتاه مرتبه هم امکان استفاده از این مقاطع وجود ندارد؟

  در ادامه تمام محدودیت ها در شرایط خاص ضوابط این اجازه را میدهند که برای ساختمان های کوتاه مرتبه به شرطی که ستون دوبل بدون ورق تقویتی پاسخگو باشد و تمام محاسبات انجام شود و ورق پیوستگی امکان اجرا داشته باشد میتوان از این مقاطع استفاده کرد.

   

  با تفاسیر بالا استفاده از 2IPE برای مقاطع ستون ها توصیه نمی شود.

  پس از چه مقاطعی برای ستون های فولادی می توان استفاده کرد؟

  در ادامه به شما گفته خواهد شد که چه مقاطعی برای ستون های فولادی شما کاربردی و طبق ضوابط آیین نامه ای و نظام مهندسی خواهد بود.

  امروزه بیشترین مقطعی که برای ستون های فولادی استفاده می شود مقاطع باکس (Box) و H شکل میباشند که در کارخانه ساخته شده باشند .

  حال مقاطع باکس چه هستند؟ 

  مقاطع باکس ورق هستند که خریداری شده و در کارخانه طبق اندازه مقاطع بریده شده و جوش می شود و تشکیل یک مقطع باکس با ابعاد مورد نظر می دهد.

  مقاطع باکس به دو صورت مربعی و مستطیل تولید می شوند.

  مقاطع مستطیلی در مکان های که محدودیت معماری وجود دارد، استفاده می شود که در این محدودیت ما قادر به افزاش عرض نمی باشیم ؛ اما میتوانیم طول آن را زیاد کنیم.

  مقاطع باکس نیز دارای محدودیت و ضوابط خاص خود می باشد که در آیین نامه مبحث 10 سازه های فولادی به آن اشاره شده است.

  که به صورت زیر می باشد:

  (10-3- 13 – 1) بند هشتم

• این بند به این معنی می باشد که محل اتصال تیر به ستون فولای 30 سانتی متر بالا و 30 سانتی متر پایین این تیر، تمامی جوش ها باید از نوع نفوذی از نوع نفوذ کامل و جوش گوشه تقویتی باشد.این محدودیت در بخش اتصالات می باشد که همین محدودیت باعث می شود که ما مقاطع ستون خود را به روش خاصی تولید کنم .توجه داشته باشید که طبق این بند ما نمی توانیم همزمان از جوش گوشه و جوش نفوذی استفاده کنیم و این کار اجرایی نمی باشد به همین دلیل باید كل مقطع باکس را از جوش نفوذی استفاده کنیم.

  محدودیت دوم برای مقاطع ستون فولادی این می باشد که می باست از چه ابعاد و ورقی استفاده شود؟

  برای مقاطع باکس ستون از ورقع کمتر از 0.8 سانتی متر ضخامت استفاده نکنید. زیرا ورق با ضخامت کمتر مثل ورق جان تیر های IPE می باشد و جوش پذیری کم آن باعث ذوب شدن آن می شود .

  برای تعریف مقاطع باید ورق های موجود در بازار را بشناسید که ورق با ضخامت های 0.8، 1، 1.2 ، 1.5 ، 2 و 3 ، 3.5 سانتی متر و حداکثر از ورق 4 سانتی متر می توان استفاده کرد که در بازار موجود می باشند. توجه داشته باشید ورق با ضخامت بین این اعداد وجود ندارد. ورق هایی که توسط کارفرما خریداری می شوند، دارای ابعاد بازاری هستند و باید برش خورده و طبق ابعاد مقاطع در آورده شوند و بعد از آن داخل کارگاه جوش داده شوند. حال هر ورق می بایست به چه تعدادی برش داده شود؟

  نقشه های Shop Drain یا Shop Pan

  این نقشه ها تعداد برش های لازم هر ورق را مشخص‌ می کنند، به این صورت که با نرم افزار Tekla تیرها و ستون ها را مدل کرده و خود نرم افزار با توجه به ابعادی که مقاطع دارند به شما خروجی می دهد؛ که چه تعداد ورق احتیاج می باشد. هر ورق با توجه به خروجی نرم افزار برش داده می شود و نرم افزار برای هر برش اسم گذاری نیز می کند.

  به عنوان مهندس طراح باید ابعادی را برای مقاطع خود انتخاب کنید که در هر ورق کمترین پرتی را داشته باشید.

  ورق های موجود در بازار ابعادی به طول 6 متر و طبق ضخامت آنها با عرض های 150 سانتی متر و 200 سانتی متر وجود دارند که برای مقاطع ستون که ارتفاع بیشتری دارند، از طول ورق برش می دهند و شما باید طوری ورق خود را تقسیم بندی کنید که پرتی کمتری داشته باشید.

   

  فشردگی مقاطع

  سومین محدودیت برای مقاطع باکس فولادی نسبت ضخامت به طول ورق می باشد )    (.

  به این معنی که اگر طول ورق افزایش پیدا کند ضخامت نیز باید بیشتر شود تا مقاومت ورق و باکس افزایش پیدا کند.

  در صفحه 28 و 29 ، 30 و 31 آیین نامه مبحث 10 چهار جدول

  موجود می باشد که با توجه به اسامی بالای هر جدول باید طبق آن از اعضایی که آیین نامه مشخص کرده است استفاده کرد و طبق آنها طراحی انجام شود.

  جدول 10-3-4-1 در صفحه 202 یک جدول دیگر نیز وجود دارد که نیز باید در نظر گرفته شود.

  جدول های صفحه 28 تا 31 اعضا را تحت اثر بار ثقلی بررسی می کند.

  اعدادی که در جدول صفحه 202 وجود دارند تحت اثر لرزه ای مقاطع را بررسی می کند.

  اعدادی که در جدول صفحه 202 وجود دارند بحرانی تر هستند و ملاک عمل را اعداد این صفحه برای تعریف مقاطع قرار می دهیم. قسمتی که برای تعریف باکس ستون ها می باشد قسمت چهارم این جدول در صفحه 203 می باشد که باید به موارد آن توجه شود.

  مقاطع باکس هر چهار طرف انها بال و جان هستند. و مثل مقاطع I شکل نمی باشند.

  در قسمت یادداشت های پایین جدول آیین نامه یک ارفاق به مهندسان شده است و در قسمت سوم این بند می گوید که:

  نسبت پهنا به ضخامت در بال های مقاطع تو خالی مستطيلی شکل (HSS) و بال های مقاطع قوطی شکل ساخته شده از ورق در صورتی که به عنوان تیر یا ستون مورد استفاده قرار گیرد ، می تواند به

  محدود شود که در جدول این عدد:  می باشد. با این عدد می توان از مقاطع بیشتری جواب گرفت .

   

  در قسمت ششم جدول 10-3-4-1 برای جان مقاطع باکس ورق محدودیتی قرار داده شده است اما هیچ کاربردی ندارد و به هیچ عنوان بحرانی نیست زیرا اعداد خواسته شده در این قسمت از   بزرگتر هستند و بحرانی نمی باشند.

  برای انتخاب مقاطع خود باید نسبت طول به ضخامت آن ورق )    (از 32 کمتر باشد زیرا عبارت   برابر با 32 خواهد بود.

  اگر این مورد رعایت شود ورقی می باشد که در فشردی لرزه ای در آن رعایت شده و کاملا درست است.

مقطع H شکل

مقطع H شکل شبیه مقاطع I شکل می باشد فرق آن این است که این مقطع توسط ورق ساخته می شود و به یکدیگر جوش می شوند.

1) در بیش تر گفتیم که ما از مقاطع 2IPE استفاده نمی کنیم به این دلیل که جان انها ضخامت کمی دارد. اما در مقاطع H شکل ما می توانیم ضخامت جان و بال مقطع را تغییر داده و با هر ابعادی که احتیاج می باشد مقطع مورد نظر خود را تشکیل دهیم.

2) مقاطع H شکل ابعاد بال و جان آن به یک اندازه هستند و همین موضوع باعث می شود که عملکرد بهتری نسبت به مقاطع I شکل داشته باشند.

3) زمانی که در سازه بادبند وجود دارد بهتر است که از مقاطع H شکل استفاده شود آن سمتی که بادبند می باشد، به سمت جان زده شود و قسمتی که قاب خمشی می باشد، به سمت بال زده شود.

محدودیت های این نوع مقطع مانند مقطع باکس، ابعاد می باشد؛ که باید رعایت شود و محدودیت فشردگی مقاطع H شکل نیز رعایت شوند.

در جدول 10-3-4-1 قسمت اول برای بال مقاطع H شکل که در آیین نامه مقاطع I شکل ساخته شده از ورق می باشد محدودیتی وجود دارد که برای بال آن باید عدد    چک شود.

در مقاطع H شکل بال و جان آن باید جداگانه چک شوند.

جان مقطع باید با عدد    چک شود، چون عدد Ca را نداریم.

مقطع انتخابی باید از بال و جان مناسبی برخوردار باشد که دچار شکستگی نشود.

امیدواریم که در این مقاله مطالب مفید و آموزنده ای برای شما قرار داده باشیم.