تاريخچه سازه هاي فولادي

استفاده از فلز به عنوان مصالح سازه اي ، به ساخت يك پل قوسي در انگلستان به دهانه ۳۰ متر با استفاده از اعضاي چدني بين سال هاي ۱۷۷۷ تا ۱۷۷۹ بر مي گردد. بين سالهاي ۱۷۸۰ تا ۱۸۲۰ ميلادي ، پل هاي چدني متعددي به همين شيوه ساخته شد . تير اصلي اين پل ها ‏ خراپاهاي قوسي با اعضايي از جنس چدن بود . چدن براي ساخت ز

نجيرها و آويزهاي پل هاي معلق اوليه تا حدود سالهاي ۱۸۴۰ مورد استفاده قرار مي گرفت .
حدودا از سال ۱۸۴۰، به تدريج آهن كم كربن (چكش خوار ) جايگزين چدن معمولي درامر ساختمان سازي شد . قديميترين مثال مهم دراين زمينه ‏، پل چهار دهانه بريتانيا در ويلز با دهانه هاي ۷۰،۱۴۰،۱۴۰،۷۰ متر مي باشد كه براي ساخت آن از ورق ها و نبشي هايي از جنس آهن كم كربن استفاده گرديد.
با توليد و نورد نيمرخ هاي مختلف ازجنس چدن و آهن كم كربن ، استفاده از اين دو فلز ، گسترش بيشتري يافت . نورد ميلگرد ها درسال ۱۷۸۰ و نورد ريل ها در سال ۱۸۲۰ شروع شد كه نهايتا به نورد نيمرخ هاي I شكل درسال ۱۸۷۰ انجاميد .

ابداع روش بسمر درسال ۱۸۵۵ و توسعه و تكامل آن درسال ۱۸۷۰ ، باعث افزايش كاربرد چدن و مشتقات آن درساختمان گرديد . ازسال ۱۸۹۰ به تدريج فولاد جايگزين آن كم كربن درامر ساختمان سازي شد . درحال حاضر فولاد از عمده ترين مصالح ساختماني مي باشد كه با تنش هاي جاري شدن (تسليم ) ، ۲۴۰۰ تا ۷۰۰۰ كيلوگرم برسانتي متر مربع به منظورهاي مختلف توليد مي شود . مشخصات انواع مختلف فولاد و خواص آنها دربخش هاي ديگر همين فصل مورد بررسي قرار مي گيرد .

 

ساختمان هاي فولادي
سازه هاي فولادي به سه گروه اساسي طبقه بندي مي شوند :
الف : سازه هاي قاب بندي شده كه مجموعه اي اعضاي محوري ، خمشي و يا محوري – خمشي مي باشند .
ب : سازه هاي پوسته اي كه دراعضاي آنها نيروي محوري قالب است .
پ : سازه هاي معلق كه دراعضاي آنها نيروي كششي حاكم است .
سازه هاي قاب بندي شده
اكثر سازه هاي ساختمان هاي متداول داراي اسكلت قاب بندي شده مي باشند . سازه هاي قاب بندي شده تركيبي از تيرها و ستون ها مي باشند كه با استفاده از اتصالات صلب و يا ساده به يكديگر متصل شده اند . سازه هاي قاب بندي شده ممكن است به صورت ساختمان هاي چند طبقه و درشكل ۱-۲ مثال هايي از ساختمان هاي صنعتي نشان داده شده است . به طور كلي سازه هاي قاب بندي شده از تركيب دو سري قاب صفحه اي عمود برهم بوجود آمده و تشكيل

قابفضايي را مي دهند . ليكن عملكرد قاب هاي موجود درهر امتداد ‏ تأثيري بر عملكرد قاب هاي امتداد ديگر ندارد . بنابراين تحليل قاب هاي هر امتداد به طور مستقل به صورت صفحه اي انجام مي شود . قاب هاي ساختماني بايد قادر به حمل نيروهاي قائم و جانبي باشند . براي حمل بارهاي جانبي يا از اتصالات صلب (شكل ۱-۱-الف ) و يا ازسيستم مهاربندي (شكل ۱-۱-ب) استفاده مي شود . پل ها نيز از انواع سازه هاي قاب بندي شده هستند كه درشكل ۱-۳ مثال هايي از آنها نشان داده شده است .

سازه هاي پوسته اي
سازه هاي پوسته اي به صور گوناگون از قبيل منابع نگهداري مايعات و گازهاي تحت فشار ، سيلور ها ، سقف هاي گنبدي و موارد مشابه درعمل مورد استفاده قرار مي گيرند كه درشكل ۱-۴ مثال هايي از كاربرد آنها نشان داده شده است . مشخصه اصلي اين سازه ها اين است كه فضاكار مي باشند يعني به علت اندركنش اجزاي موجود درامتداد هاي مختلف ، نمي توان آنها را بصورت تركيبي از سازه هاي صفحه اي درنظر گرفت و براي تحليل بايد كل سازه به عنوان يك مجموعه واحد طراحي شود . تحليل و طراحي چنين سازه هايي احتياج به مهارت هاي ويژه اي دارد كه هدف از اين كتاب پرداختن به چنين موضوعاتي نمي باشد .

مقاومت درمقابل بارهاي جانبي مقاومت درمقابل بارهاي قائم
الف – اتصالات صلب ب – قاب مهاربندي شده
سازه هاي معلق
سازه هاي معلق اغلب درپوشش ها (سقف ها) و پل هاي دهانه بلند مورد استفاده قرار مي گيرند. درچنين سازه هايي يك اسكلت قاب بندي شده وجود دارد (مثلا درپل سازي ، عبورگاه يا عرشه پل و درپوشش ها ، اسكلت سقف ) كه توسط آويزهايي از كابل هاي كششي اصلي آويزان است . استفاده از سازه هاي معلق درپل سازي بسيار متداول است .

نيمرخ هاي ساختماني
براي استفاده از فولاد به عنوان عضو ساختماني ، بايد آن را به شكل مناسب درآورد . براي فرم دادن فولاد ، ازنورد گرم استفاده مي نمايند . بدين معني كه شمش هاي فولاد را تادماي سرخ شدن حرارت مي دهند و سپس با عبوردادن آن ازميان غلتك هاي مخصوص، شكل مورد نظر را بدست مي آورند . هريك از نيمرخ ها دراندازه و مشخصات هندسي متعددي توليد مي شود.
نوع ديگري از توليد نيمرخ هاي ساختماني وجود دارد كه درآن ورق فولادي درحالت سرد با استفاد از پرس به شكل دلخواه فرم داده مي شود .

ورق هاي ضخيم را نمي توان با فرم دادن به شكل نيمرخ دلخواه درآورد . درچنين حالاتي ورق ها درعرض هاي مورد نظر بريده شده و توسط جوش به يكديگر متصل مي شوند تا نيمرخ دلخواه حاصل گردد. به چنين نيمرخ هايي ‏، نيمرخ هاي ورقي گفته مي شود .
با تركيبي از ورق و نيمرخ نورد شده نيز مي توان نيمرخ مورد نظر را به دست آورد كه درآن صورت نيمرخ مركب گويند .
نيمرخ هاي مناسب براي اعضاي ساختماني
اعضاي ساختماني با توجه به نيروي داخلي شان به اعضاي فشاري (ستون ها ) ‏، اعضاي خمشي و اعضاي فشاري خمشي (تير-ستون )طبقه بندي مي شوند . براي استفاده موثر از مصالح ، به تجربه و تئوري براي هريك از اعضاي فوق و نيمرخ هاي مناسب براي آنها مي پردازيم . بطور عمومي نيمرخ هاي مصرفي ممكن است به صورت تك يا گروهي (كه به آنها مركب گفته مي شود ) مشخصات هندسي مورد نظر را تأمين مي نمايند .

اعضاي كششي
اعضاي كششي به صورت اعضاي قطري و قائم ويال تحتاني يا فوقاني خرپا ، اعضاي مهاربندي ، آويزهاي كف و كابل هاي كششي درساختمان هاي معمولي و پل سازي مورد استفاده قرار مي گيرند . درشكل الف نيمرخ هاي معمول براي اين گونه اعضا نشان داده شده است . دراكثر اوقات وظيفه اين نيمرخ ها تأمين سطح مقطع كافي مي باشد .

اعضاي فشاري (ستون ها )
اعضاي فشاري بصورت قطري و قائم ويال تحتاني يا فوقاني خرپاها ‏و ستون درساختمان هاي معمولي و پل سازي مورد استفاده قرار مي گيرند . درشكل زير نيمرخ هاي معمول براي اعضاي فشاري نشان داده شده است . با توجه به وجود پديده كمانش دراعضاي فشاري ، نيمرخ هاي مناسب براي آنها بايد داراي سطح مقطع و شعاع ژيراسيون مناسب باشد .