طراحی سازه فولادی

طراحی سازه فولادی


ساختمان‌های فولادی به دلیل برخی مزیت‌های بارز آن در بین برخی از کارفرمایان از محبوبیت ویژه‌ای برخوردار است. ساختمان‌های فولادی علی‌رغم هزینه بالاتر اسکلت آن به نسبت سازه‌های بتنی اما به دلیل کاهش چشم‌گیر ابعاد ستون‌ها، سرعت اجرای بالا، عملکرد لرزه‌ای مطلوب‌تر، اجرای دقیق‌تر و ... می‌تواند یک انتخاب مناسب خصوصاً برای ساختمان‌های بلندمرتبه محسوب شود. در چند دهه گذشته آیین‌نامه‌های طراحی ساختمان‌های فولادی نظیر مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و آیین‌نامه فولاد کشور آمریکا (AISC) با تغییرات زیادی همراه بوده‌اند.
 
ساختمان‌های فولادی از اجرای متعددی به‌صورت زنجیروار تشکیل می‌شوند و طراحی و جزئیات بندی دقیق آن‌ها بسیار مهم و ضروری است. اجزای اصلی در یک ساختمان فولادی را می‌توان به سقف، تیر، ستون، مهاربند یا دیوار برشی و مجموعه اتصالات تقسیم‌بندی کرد. طراحی و جزئیات بندی هر یک از اجزای گفته‌ شده به دانش و تجربه مهندسی کافی نیاز دارد. همچنین به‌روز بودن دانش مهندسی در طراحی سازه‌های فولادی امروزی بسیار مهم و تأثیرگذار است. بدون داشتن دانش فنی و تخصص کافی نمی‌توان یک ساختمان فولادی منطبق بر ضوابط طراحی و اجرا کرد.
شرکت مهندسی آبا با در اختیار داشتن افراد متخصص و باتجربه توانایی طراحی سازه‌های فولادی با هر نوع سیستم سازه‌ای را دارا است. این شرکت با داشتن دانش مهندسی با سطح کیفی بالا توانسته است در بیش از 20 شهر ایران و چند شهر عراق ساختمان‌های کوتاه مرتبه و بلندمرتبه را طراحی و رضایت کارفرمایان را جلب نماید. مسلماً بدون داشتن دانش مهندسی و تسلط بر روی روابط و ضوابط همچنین دستاوردی میسر نبوده است.


شرکت مهندسی آبا با تکیه‌بر دانش فنی و مهندسی درزمینهٔ مهندسی سازه و زلزله قادر به طراحی سازه‌های فولادی از کوتاه مرتبه تا بلندمرتبه است و با داشتن افراد متخصص درزمینهٔ مهندسی عمران، امکان طراحی کاملاً فنی، بهینه و دقیق ساختمان‌ها را خواهد داشت. ازجمله خدمات این شرکت می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
  1. ارائه مشاوره دقیق در مورد ساختمان مدنظر به لحاظ انتخاب نوع سیستم سازه، نوع سقف، جانمایی ستون‌ها و مهاربندها، افزایش یا کاهش ستون‌ها و ... به جهت دستیابی به یک سازه کاملاً مهندسی و بهینه
  2. ارائه طرح‌های توجیهی به جهت شناخت کارفرمایان محترم از نوع سازه و هزینه‌های تقریبی آن
  3. ارائه طرح فاز اول به‌صورت کامل و جامع
  4. ارائه طرح فاز دوم به همراه دفترچه محاسبات، نقشه‌های اجرایی و فایل‌های محاسباتی
  5. طراحی دقیق دیافراگم‌ها (سقف‌ها) برای انتقال صحیح نیروی زلزله از سقف به تیر، ستون و دیوارهای برشی
  6. طراحی اختصاصی و دقیق اتصالات در سازه‌های فولادی به همراه دفترچه محاسبات با کمک نرم‌افزار قدرتمند RAM
  7. امکان نظارت عالیه بر روی پروژه‌های طراحی شده به جهت اجرای دقیق سازه منطبق بر نقشه‌های اجرایی

  

معرفی سازه های فولادی

سازه فولادی نوعی سازه است که مصالح اصلی آن که برای تحمل نیروهای ثقلی و جانبی (همانند نیروی طبیعی باد و زلزله) و انتقال آنها به کار می رود از جنس فولاد است. اتصالات به کار رفته در این نوع سازه ها (منظور از اتصالات، اتصال تیرها به هم، اتصال تیرها به ستون ها و ... می باشد) از نوع جوشی پرچی و یا پیچ می باشد و بسته به نوع اتصالات قطعات طرح شده و کنترل های مربوطه روی آنها براساس الزامات آیین نامه ای هر کشور انجام می شود. در حال حاضر فولاد از مهم ترین مصالح برای ساخت ساختمانها، پل ها و سایر سازه های ثابت به شمار می آید.
سازه های فولادی به سه دسته تقسیم می شوند که عبارت اند از:
  • سازه های قاب بندی شده که مجموعه ای از اعضای محوری، خمشی و یا محوری - خمشی اند
  • سازه های پوسته ای، "منابع نگهداری مایعات و گازها که نیروی محوری در آنها حاکم است"
  • سازه های معلق، "سازه هایی به شمار می آیند که در آنها نیروی کششی حاکم است"
منظور از سازه های فولادی در مهندسی عمران، معمولا سازه های قاب بندی شده است. نقش قاب در ساختمان ها، انتقال بارهای ثقلی (بار مرده و بار زنده) و بارهای جانبی (بار زلزله و یا بار باد) از سازه به پی می باشد و پایداری کلی سازه را حفظ می کند. برای ساخت سازه های ساختمانی بیشتر از نیمرخ های نورد شده استفاده می شود. اگر ابعاد طراحی شده مقادیر دیگری باشد می توان با استفاده از ورق های موجود در بازار نیمرخ مربوطه را تهیه کرد. شکل های ۱.۱ و۲.۱ شمای کلی از نحوه انتقال بارهای وارده به پی توسط عناصر فولادی را نشان میدهد. در شکل
در شکل 1.1 مسیر انتقال بارهای ثقلی توسط اعضای فولادی نمایش داده شده است (مسیر ۱ تا ۶ را طی کنید).
در شکل 2.1  مسیر انتقال بارهای جانبی (مثلا بارهای زلزله) توسط اعضای فولادی نمایش داده شده است (مسیر ۱ تا ۶ را طی کنید). در حالت بارهای جانبی، چنانچه سقف سازه حالت صلب داشته باشد
(که این فرض برای سقف های بتنی همانند سقف های کامپوزیت، تیرچه بلوک و ... فرض غلطی نمی باشد) نیروی جانبی در تراز طبقه و به دیافراگم ها اعمال شده و در نهایت این نیرو بین عناصر باربر جانبی که در سازه های فولادی قاب مهاربندی شده، به بادبندها و در سازه های فولادی قاب خمشی، به اتصالات و یا ترکیبی از این دو به طور همزمان تقسیم و منتقل خواهد شد که در نهایت کل بارها توسط عناصر باربر جانبی به پی ها منتقل خواهد شد.
 
شکل 1.1 انتقال بارهای ثقلی به پی
 
 
شکل 1.2 انتقال بارهای جانبی به پی
 
 

مشخصات مکانیکی فولادها 

فولاد یکی از مهم ترین مصالح ساختمانی به شمار می آید. فولاد از احیا شدن سنگ آهن ، به همراه کک و اکسیژن در کوره های بلند با درجه حرارت زیاد به دست می آید. آهن خام که به این ترتیب به دست می آید بین 3 تا 4 درصد کربن دارد.
 
 
 مهم ترین مشخصه مکانیکی فولاد نمودار تنش- کرنش آن می باشد که از روی آن، تنش تسلیم و یا تنش جاری شدن به دست می آید. فولاد به عنوان ماده ای با مشخصات خاص و منحصر به فرد، مدت هاست در ساخت ساختمان های متعارف کاربرد دارد. قابلیت اجرای دقیق، رفتار سازه ای معین، نسبت مقاومت به وزن مناسب، در کنار امکان اجرای سریع سازه های فولادی همراه با جزئیات و ظرافت های معماری، فولاد را به عنوان مصالحی منحصر و ارزان در پروژه های ساختمانی مطرح نموده است؛ به نحوی که اگر ضعف های محدود این ماده نظیر مقاومت کم در برابر خوردگی و عدم مقاومت در آتش سوزی های شدید به درستی مورد توجه و کنترل قرار گیرند، امکانات وسیعی در اختیار طراح قرار می دهد که در هیچ ماده دیگر قابل دستیابی نیست. آنچه فولاد را به عنوان یک مصالح ساختمانی مناسب معرفی کرده می تواند شامل موارد زیر باشد :
  • تغییر شکل در اثر بارگذاری و ایجاد تنش یکنواخت
  • وجود خاصیت الاستیک و پلاستیک
  • شکل پذیری
  • خاصیت چکش خواری و تورق
  • خاصیت خمش پذیری
  • خاصیت فنری و جهندگی
  • خاصیت چقرمگی
  • خاصیت سختی استاتیکی و دینامیکی
  • مقاومت نسبی بالا
  • ضریب ارتجاعی بالا
  • جوش پذیری
  • همگن بودن
  • امکان استفاده از ضایعات
  • امکان تقویت مقاطع در صورت نیاز
در شکل 3.1  نمودار تنش- کرنش سه نوع فولاد کربن دار نرمه، فولاد پرمقاومت و کم آلیاژ و فولاد آب دیده نشان داده شده است.
 
 

فولادهای نرمه

 فولادهای کربن دار ساختمانی که در رده کربن ملایم قرار دارند فولاد نرمه تلقی خواهند شد و با علامت ST37 به معنی تنش گسیختگی نهایی برابر  Fu = 3700 kgf/cm نمایش داده می شود. به عنوان مثال در این نوع فولاد حداکثر درصد کربن برابر0.25 تا 0.29 درصد می باشد در شکل ۳۰۱ نمودار تنش - کرنش برای این نوع فولاد با نمودار (الف) به همراه تنش تسلیم نمایش داده شده است. تنش تسلیم فولادهای نرمه(ST37) مابين 2200 تاFy = 2400 kgf/cm2 می باشد .
 
شکل 1.3 نمودار تنش ـ کرنش انواع مختلف فولاد
 

فولادهای پر مقاومت کم آلیاژ

این نوع فولادها با افزودن ناچیز آلیاژ به فولادهای کربن دار به دست می آیند . در شکل 3.1نمودار تنش - کرنش این نوع فولادها با نمودار (ب) نمایش داده شده است، علامت اختصاری این نوع فولادها ST52 که به معنی تنش گسیختگی نهایی برابر
انواع مختلف فولاد فولادهای پرمقاومت کم آلیاژ این نوع فولادها با افزودن ناچیز آلياژ به فولادهای کربن دار، به دست می آیند. در شکل۳.۱ نمودار تنش - کرنش این نوع فولادها با نمودار (ب) نمایش داده شده است، علامت اختصاری این نوع فولادها ST52 که به معنی تنش گسیختگی نهایی برابرFu = 5200 kgf/cm2بوده، می باشد. تنش تسليم فولادهای پر مقاومت کم آلیاژ (ST52)مابين 2800 تا  Fy = 4800 kgf/cm2 می باشد.

فولادهای پرمقاومت کم آلیاژ با اصلاح گرم

 چنانچه فولادهای پرمقاومت کم آلیاژ را آب داده و سپس باز پخت کرد، تنش تسلیم آن به 5500 تا kgf/cm27600 می رسد. نمودار تنش- کرنش به دست آمده برای اینگونه فولادها در شکل ۳۰۱ و به طور خاص در نمودار (ب) نمایش داده شده است. نمودار فوق نشان میدهد که هیچگونه نقطه تنش تسلیمی برای این فولادها وجود ندارد. برای تعریف تنش جاری شدن، از کرنش0.2 درصدیا به عبارتیεs=0.002  خطی به موازات امتداد اولیه نمودار تنش- کرنش رسم می شود. نقطه تلاقی این خط به نمودار تنش- کرنش، تنش تسلیم نامیده می شود.

نتیجه گیری

همان طور که قبلا گفته شد، فولادهای مورد استفاده در پروژه ها و ساختمان های معمولی فولادهای نرمه (ST37) باتنش تسلیم برابر Fy = 2400 kgf/cm2 و تنش گسیختگی نهایی برابرFu = 3700 kgf/cm2 می باشد و در این کتاب نیز از این نوع فولاد برای طراحی سازه های فولادی استفاده خواهیم کرد

مشخصات مهندسی مصالح فولادی

 مشخصات مهندسی فولادها، به مشخصاتی از قبیل مدول الاستیسیته فولاد، تنش ها و کرنش های الاستیک، تنش ها و کرنش های پلاستیک و نهایی، ضریب انبساط حرارتی، ضریب الاستیسیته برشی، ضریب پواسون و ... اطلاق می شود که لازم است در ادامه به این مشخصات پرداخته شود. شکل ۴۰۱ نمودار ابتدایی تنش - کرنش را با مقیاس بزرگ برای انواع فولادها نمایش می دهد .

ناحيه خطی - ضریب الاستیسیته (E)

 ناحية ابتدایی نمودار تنش - کرنش در شکل4.1 نمایانگر ناحية الاستیک (خطی) می باشد. شیب نمودار تنش - کرنش نیز مقدار مدول الاستیسیته یا مدول یانگ را گزارش خواهد داد. با توجه به رابطه خطی بین تنش و کرنش در این ناحیه، قانون هوک برقرار خواهد بود. همان طور که از شکل 4.1 پیداست، شیب ابتدایی تمامی فولادها در ناحيه خطی یکسان بوده و این بدان معناست که مقدار ضریب مدول الاستیسیته برای کلیه فولادها تقریبا مساوی می باشد. مقدار این ضریب مطابق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش ۱۳۹۲ برابرE = 2x106 kgf/cm2 می باشد.
 
شکل 4.1 نمودار تنش ـ کرنش ابتدایی با مقیاس بزرگ شده

تنش جاری شدن یا تنش تسلیم (Fу یا σу)  


تنش در نقطه ای که در آن نمودار تنش کرنش شکل 4.1 از حالت خطی تغییر یافته و تقریبا به حالت افقیتبدیل می شود تنشجاری شدن یا تنش تسلیم نامیده میشود. همان طور که از پیش گفته شد، برای فولادهای کربن دار و پرمقاومت کم آلیاژ، تغییر آهنگ نمودار به خوبی مشخص بوده و می توان نقطه تسلیم را مشخص کرد. اما برای فولاد خشکه، نقطه مشخصی برای جاری شدن وجود ندارد و غالبا از کرنش0.2 درصد، خطی موازی با شیب اولیه نمودار ترسیم می کنیم و نقطه ای که این خط نمودار تنش- کرنش را قطع می کند نقطه نظیر تنش تسلیم خواهد بود. این روش به روش افست شناخته می شود. روشی دیگر وجود دارد، بدین ترتیب که از نقطه کرنش برابر0.5 درصد خطی عمودی ترسیم کرده و نقطه قطع شده در نمودار تنش - کرنش به عنوان تنش تسلیمشناخته می شود. همان طور که از قبل گفته شد، عمده فولادهای مورد استفاده در پروژه های معمولی از نوع فولادهای کربن دار ST37 می باشد که در این حالت تنش جاری شدن یا به عبارتی تنش تسلیم برابر 2400kgf/cm2 می باشد.

ناحيه خمیری (پلاستیک)

چنانچه به شکل 4.1 مراجعه کنیم، بعد از نقطه تسلیم، نمودارهای (الف) و (ب) تقریبا مسیری مستقیم را طی خواهند کرد که طول آن حدود 15 تا 20 برابر کرنش نظیر حد خطی می باشد که به این ناحیه، ناحیه خمیری (پلاستیک) گفته می شود. از خاصیت این ناحیه برای طراحی به روش پلاستیک استفاده خواهیم کرد. چنانچه به نمودار (پ) در شکل 4.1 مراجعه کنیم، چنین ناحیه ای مشاهده نخواهیم کرد و از این رو تا کنون اجازه تحلیل پلاستیک برای اینگونه فولادها داده نشده است.

دیگر مشخصات مهندسی فولادها  

از دیگر مشخصات مهندسی فولادها می توانیم به ضریب پواسون اشاره کنیم. برای فولادها مطابق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش ۱۳۹۲ این ضریب برابر 0.3 می باشد. ضریب الاستیسیته برشی فولاد نیز از جمله مشخصات مهندسی به شمار می آید. این ضریب وابسته به مدول الاستیسیته و ضریب پواسون است که از رابطه زیر محاسبه می گردد:
 
چنانچه مقادیر مدول الاستیسیته و ضریب پواسون را در رابطه اخیر جایگزین کنیم مقدار فوق تقریبا برابر خواهد بود:
G = 0.8x10+6kgf/cm2

ضریب انبساط حرارتی نیز از جمله مشخصات مهندس مصالح فولادی می باشد. ضریب انبساط حرارتی فولاد برابر  درجه سانتی گراد می باشد مشخصات دیگری نیز وجود دارد که از ارائه آنها خودداری می شود.

معرفی سیستم های سازه ای در ساختمان های فولادی

ساختمان های فولادی برخلاف ساختمان های بتنی تنوع بیشتری در انتخاب نوع سیستم های باربر دارند. این خاصیت هم در سیستم های باربر ثقلی و هم در سیستم های باربر جانبی صادق است. در ادامه به معرفی سیستم های باربر ثقلی و جانبی خواهیم پرداخت.

سیستم های باربر ثقلی

سیستم های باربر ثقلی وظیفه حمل بارهای عمودی ناشی از وزن را خواهند داشت (شکل1.1 را ببینید). در ساختمان های فولادی چندین سیستم بارير تقلی وجود دارد که بدین شرح اند:
  • سقفهای تیرچه بلوک با تیرچه های بتنی
  • سقف های کرومیت
  • سقف های کامپوزیت
  • سقف های کامپوزیت با عرشه فولادی
  • سقف های طاق ضربی و....
موارد ۱ تا ۴ مقبولیت بیشتری دارند. سقف های طاق ضربی امروزه تقریبا به دلیل صلبیت کمی که دارند منسوخ شده اند. سقف های اشاره شده در بندهای ۱ تا ۴ از اصلیت قابل قبولی برخوردار هستند به طوری که می توانیم نیروی زلزله را مستقیما به مرکز جرم طبقات منتقل نماییم، تعیین صلبیت کف ها را باید مطابق ایین نامه ها و استانداردها مورد ارزیابی قرار داد ولی به طور کلی می توان گفت که صلبیت این سقف ها قابل قبول بوده و این فرض، فرضی باطل نخواهد بود. در شکل5.1 نمونه جزئیات انواع سقف های مورد اشاره را مشاهده خواهیم کرد.
         
                                                                                                                                             
شکل5.1 انواع سیستم‌های باربر ثقلی الف) سقف‌های کامپوزیت با عرشه‌های فولادی؛ ب) سقف‌های کامپوزیت معمولی؛ ج) سقف‌های تیرچه بلوک
 

سیستم های باربر جانبی

سیستم های باربر جانبی به سیستم هایی گفته میشود که نیروهای جانبی (ناشی از زلزله و یا باد) را به طرق مناسب به زمین منتقل می کنند (شکل2.1 را ببینید). انتخاب سیستم باربر جانبی در سازه های فولادی تنوع بیشتری نسبت به سازه های بتنی دارد. بدین معنی که سیستم های بیشتری جهت استفاده در تحمل بارهای جانبی در استاندارد ۲۸۰۰ و مبحث دهم ویرایش1392 معرفی شده است که این امر می تواند دست طراح را برای انتخاب هر کدام از این سیستم ها باز نماید. البته باید خاطرنشان کرد که هر کدام از این سیستم ها که در ادامه به معرفی آنها خواهیم پرداخت دارای یک سری مزیت ها و یکسری معایب ها هستند و انتخاب هر کدام از این سیستم ها باید با در نظر گرفتن کلیه شرایط و به خصوص ضوابط آیین نامه ای باشد و نمی توان به صورت چشم بسته یک سیستم باربر جانبی را برای طراحی سازه مورد استفاده قرار داد. واضح است که انتخاب نوع سیستم باربر جانبی از اهمیت بیشتری نسبت به سیستم های باربر ثقلی برخوردار است.
سازه های فولادی سه دسته سیستم های باربر جانبی دارند که عبارت اند از:
  1. سیستم های قاب خمشی فولادی
  2. سیستم های قاب ساختمانی ساده (استفاده از مهاربندها)
  3. سیستم های ترکیبی یا دوگانه
که در ادامه به معرفی هر کدام از سه دسته فوق خواهیم پرداخت.

 سیستم های قاب خمشی فولادی

قاب های خمشی یا قاب های پیوسته به سیستم هایی اطلاق می شود که در آن کلیه اتصالات یا اکثر اتصالات آن قاب، اتصال گیردار دارد به طوری که در تغییر شکل های قاب (تغییر زاویه اولیه بین تیر و ستون) بدون تغییر باقی می ماند. استفاده از این قاب ها در همه شرایط بارگذاری اعم از ثقلی و جانبی و مجاز است
مطابق استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم، سیستم های قاب خمشی فولادی خود به سه قسمت تقسیم بندی می شوند که عبارت اند از:
  1. قاب های خمشی فولادی با حد شکل پذیری ویژه
  2. قاب های خمشی فولادی با حد شکل پذیری متوسط
  3. قاب های خمشی فولادی با حد شکل پذیری معمولی
انتخاب هر کدام از این سه حالت کاملا به نوع سازه و محل قرارگیری سازه روی زمین محل احداث از لحاظ لرزه خیزی و همچنین درجه اهميت سازه بستگی دارد که ضوابط آنها در استاندارد 2800 بیان شده است. شکل۶.۱ یک قاب دوطبقه خمشی فولادی را نمایش می دهد. سیستم های قاب خمشی فولادی به طور کلی دارای سختی جانبی کمتر نسبت به دیگر سیستم های مهاربندی جانبی و همچنین دارای شکل پذیری بیشتر نسبت به دیگر سیستم ها می باشد. از این رو انتظار تغییر شکل های جانبی زیادی از این نوع سیستم ها می رود.

شکل 6.1 قاب خمشی فولادی
 

سیستم های قاب ساختمانی ساده

قاب های ساختمانی ساده یا به عبارتی قاب های مهاربندی شده به قاب هایی اطلاق می شود که در آن کلیه اتصالات تیر به ستون از نوع مفصلی اختیار می شود در واقع در این قابها فرض می شود اتصالات تیر به ستون بدون صلبیت است و اتصال تیرها و شاهتيرها به ستون فقط برای انتقال برش ناشی از بار قائم طراحی شده و می تواند تحت اثر آن، آزادانه دوران کند، دستگاه و یا سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی نظیر بار زلزله و یا بار باد دهانه های مهاربندی شده و یا دیوارهای برشی می باشند به طوری که پایداری ساختمان و اعضای تشکیل دهنده آن در مقابل تمام بارهای وارده در حد قابل قبولی باشند و ظرفیت تیرهاو شاهتيرها فقط برای بار قائم (
بارهای ثقلی)تعیین شده و نیز تنش های وارده به جوش ها و یا پیچ ها تحت اثر حالات مختلف بارگذاری در حد مجاز باقی بماند به طوری که اتصالات تیر به ستون ظرفیت کافی در دوران ارتجاعی داشته باشد.
مطابق استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم، سیستم های قاب ساختمانی ساده (مهاربندی) شده خود به چند قسمت تقسیم بندی می شوند که مهم ترین آنها عبارت اند از:
  1. قاب های مهاربندی شده هم محور
  2. قاب های مهاربندی شده برون محور
  3. قاب های مهاربندی شده کمانش تاب
  4. قاب های مهاربندی شده با استفاده از دیوارهای برشی
سیستم های قاب مهاربندی شده هم محور (همگرا) در استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم در دو سطح شکل پذیری ویژه و معمولی معرفی شده است که انتخاب هر کدام از این دو سیستم باید با آگاهی کامل و شناخت به ضوابط آنها در مبحث دهم باشد. این سیستم ها در کل از سختی بیشتری نسبت به دیگرسیستم ها برخوردار هستند و لذا انتظار تغییر شکل جانبی کمتری از سازه در صورت استفاده از این سیستم ها خواهیم داشت. در شکل ۷.۱ یک قاب مهاربندیشده نمایش داده شده است.
 
شکل 1.7 قاب مهاربندی هم‌محور (همگرا) ضربدری
 
قاب های مهاربندی هم محور علاوه بر حالت مهاربندهای ضربدری (شکل ۷.۱) انواع دیگری همانند مهاربندی های ۷ و ۸ شكل (معروف به مهاربندهای شورن) نیز شامل می شوند. این مهاربندها در شکل8.1 نمایش داده شده است .  


شکل 1.8 قاب مهاربندی هم‌محور 7 و 8

مهاربندهای شورن امروزه مورد استقبال اکثر طراحان قرار گرفته است، به دلیل فضایی که برای قرار دادن پنجره ها نیاز خواهد شد این سیستم ها می تواند مفید واقع شوند. سیستم های مهاربند شورن دارای سختی جانبی کمتری نسبت به سیستم های مهاربند ضربدری هستند سیستم مهاربند برون محور (یا به عبارتی دیگر سیستم های واگرا) نوعی سیستم مهاربندی جانبی تلقی می شود که امروزه به طور وسیع از این نوع سیستم استفاده و استقبال می شود. این نوع سیستم ها مطابق استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش جدید تنها در یک سطح شکل پذیری ویژه معرفی شده اند. در مبحت دهم ویرایش ۱۳۹۲ نیز تنها به ضوابط این نوع مهاربند با سطح شکل پذیر ویژه پرداخته است. در حالی که استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش سوم و مبحث دهم ویرایش ۱۳۸۷ این سیستم را با سطح شکل پذیری معمولی نیز معرفی کرده بودند که در ویرایشجدید این سیستم با سطح شکل پذیری معمولی حذف شده و تنها ضوابط سطح شکل پذیری زیاد مورد توجه قرار گرفته است. در آیین نامه AISC نیز این سیستم تنها با سطح شکل پذیری ویژه معرفی شده است. قابل ذکر است که این سیستم دارای ضوابط زیادی مطابق مبحث دهم ویرایش ۱۳۹۲ و همچنین آیین نامه AISC می باشد که لازم است ابتدا دید مناسبی از این سیستم ها داشته باشیم و در نهایت از این سیستم ها استفاده کرد. گاهی اوقات استفاده از این سیستم به خاطر ضوابط خاصی که دارند باعث بالا رفتن سایر المان های متصل به خود (تیرهای متصل به بادبند، ستون های متصل به بادبند) خواهد شد. این سیستم ها دارای سختی کمتر از دو سیستم عنوان شده در امراحل قبلی می باشد و به تبع آن دارای شکل پذیری بهتری خواهند بود. در شکل9.1  نمایی از یک قاب مهار شده به وسيله بادبندهای واگرا (EBF) را مشاهده خواهیم کرد.
 
شکل 1.9 قاب مهاربندی برون محور (واگرا)

مهاربندهای کمانش تاب همان مهاربندهای همگرایی می باشد که در آن از کمانش عضو فشاری ممانعت شده است. از آنجا که کمانش مهاربندها در فشار، عامل اصلی عملکرد نامطلوب قاب های مهاربندی شده همگرای متداول است. تحقیقات بسیاری به منظور توسعه مهاربندهایی با رفتار الاستوپلاستیک بهتر انجام شده است. ابداع و توسعه مهاربندهای کمانش تاب یکی از نتایج این تحقیقات بوده است. قسمت اصلی مهاربند کمانش تاب، هسته فلزی معمولا فولادی است که با سازوکاری خارجی از کمانش آن در فشار جلوگیری می شود. تاکنون روش های مختلفی برای جلوگیری از کمانش هسته در فشار پیشنهاد شده است که متداول ترین روش، قرار دادن هسته بتنی در یک غلاف فولادی و پر کردن محیط مابين غلاف با ملاتی پرکننده (همانند بتن) می باشد. مهاربندهای کمانش تاب طوری ساخته می شوند که هسته بتواند در راستای طولی مستقل از ساز و کار جلوگیری از کمانش عمل کند. به بیان دیگر، تمام نیروی محوری که به مهاربند وارد می شود توسط هسته تحمل می شود. با جلوگیری از کمانش هسته، این المان می تواند در فشار همانند کشش جاری شده و بدین ترتیب توانایی جذب انرژی آن به طور چشمگیری افزایش می یابد . شکل ۱۰۰۱ یک نمونه از قاب مهار شده توسط مهاربندهای همگرای کمانش تاب را نمایش می دهد.

سیستم های دوگانه یا ترکیبی

سیستم های مهاربندی جانبی به سیستم هایی گفته می شود که در آنها به طور همزمان در هر جهت سازه از سیستم قاب خمشی فولادی و سیستم قاب ساختمانی ساده استفاده کرده باشد. بدین ترتیب سختی جانبی اینگونه سیستم ها جمع سختی جانبی سیستم های قاب خمشی به اضافه سیستم های مهاربندی شده خواهد بود. پرواضح است که سختی جانبی اینگونه سیستم ها بیشتر از دو سیستم قاب خمشی و قاب ساختمانی ساده می باشد، که این امر باعث کاهش شکل پذیری و کاهش تغییر شکل جانبی سازه خواهد شد. اینگونه سیستم ها برای سازه هایی که مشکل کنترل جابه جایی طبقات را دارند بسیار مفید خواهند بود.

شکل 1.10 قاب مهار شده توسط مهاربندهای همگرای کمانش تاب
 

مبانی طراحی سازه های فولادی

 در این قسمت به مبانی طراحی سازه های فولادی مطابق با آنچه که مبحث دهم مقررات ملی در چند سال اخیر طی ویرایش های متعددی که انجام داده مجاز دانسته شده است، خواهیم پرداخت.

انواع روش های طراحی

 اساس و بنیاد روش هایطراحی سازه های فولادی در آیین نامه های مختلف جهان بر دو فلسفه روش تنش مجاز (ASD) و روش حالت حدی استوار بوده است. روش تنش مجاز روشی قدیمی و روشطراحی حدی روشی نسبتا جديدتر از روش تنش مجاز می باشد. آیین نامه فولاد امریکا AISC از سال ۲۰۰۵ با نگرشی متحدانه به هر دو روش طراحی، آیین نامه را براساس هر دو فلسفه و به صورت یکپارچه بازنویسی کرده است. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان نیز در ویرایش ۱۳۸۷ این اقدام را انجام داد ولی در ویرایش ۱۳۹۲ روش تنش مجاز را حذف و فقط روشحدی نهایی را برای طراحی سازه های فولادی مجاز دانسته است. در ادامه به کلیات روش های طراحی خواهیم پرداخت.

طراحی به روش تنش مجاز

 روش تنش مجاز که روشی سنتی است، نوعی روش برای طراحی سازه های فولادی می باشد که براساس تلاش های داخلی تحت بارگذاری سرویس (یارهای بدون ضریب )پایه ریزی شده است. در روش تنش مجاز مقاطع به گونه ای انتخاب می شوند که تنش وارده تحت بارهای سرویس در هیچ نقطه از تنش مجاز فراتر نرود. تنش مجاز نیز از تقسیم مقدار تنش تسلیم فولاد بر یک ضریب اطمینان بزرگتر از یک حاصل می شود. بنابراین به عنوان یک اصل کلی می توان گفت:

که در این رابطه
= مجموع تلاشهای وارده بر سازه
 = مقاومت اسمی عضو
= ضریب اطمینان که همزمان اثر افزایش بار و کاهش مقاومت عضو را در نظر می گیرد.

بر مبنای یک فرضیه ساده، چنانچه احتمال افزایش بارها 40 درصد و احتمال کاهش مقاومت عضو 15 درصد باشد در این حالت ضریب اطمینان برابر است با:
مقدار به دست آمده می تواند مبنای تعیین ضریب اطمینان 𝛺 درطراحی اعضای کششی و یا خمشی باشد که در آیین نامه مبتنی بر روش تنش (همچنین مبحث دهم ویرایش ۱۳۸۷) استفاده شده است.
همان طور که پیشتر گفته شد، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش ۱۳۹۲ روش تنش مجاز را حذف و روش حدی نهایی که در ویرایش ۱۳۸۷ نیز این روش وجود داشت معرفی کرده است. لذا در این کتاب با توجه به اینکه محوریت آن براساس آیین نامه های ایران است روش حدی نهایی مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

طراحی به ضرایب بار و مقاومت (روش حدی)

 این روش طراحی تقریبا از سال ۱۹۸۶ میلادی توسط انجمن فولاد آمریکا به نام روشLRFD به رسمیت شناخته شد و به مرور زمان در متن آیین نامه فولاد قرار گرفته شد.کلیات این روش با روش تنش مجاز از پایه متفاوت می باشد. بدین صورت که در روش ضرایب بار و مقاومت، بارها با یک ضریب بزرگتر از 1 افزایش
یافته و مقاومت و مشخصات مصالح یا یک ضریب کوچکتر از 1 کاهش می یابند. به عبارتی نحوه اعمال ضریب اطمینان در دو روش متفاوت است. ضرایب بار معمولا توسط آیین نامه های بارگذاری هر کشور تعیین می شود. در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش ۱۳۹۲ نیز این ضرایب برای سازه های فولادی که به روش حدی طراحی می شوند ارائه شده و در مبحث دهم تنها اشاره ای به این ترکیب بارها شده است و برای جزئیات دقیق تر به مبحث ششم ارجاع داده شده است.
بنابراین در این روش مقاومت طراحی عضو را به گونه ای انتخاب می کنیم که از نیروهای ضریب دار کمتر نشود. برای هر عضو یک مقاومت اسمی با ظرفیت نهایی به نام  Rn که براساس اصول مکانیک جامدات تعیین می شود، خواهیم داشت. برای دستیابی به مقاومت طراحی عضو کافیست که مقاوت اسمی را در ضرایب کاهش مقاومت  ضرب نماییم. قابل ذکر است که ضریب کاهش مقاومت بسته به نوع تلاش داخلی در عضو، مقدار متفاوتی دارد. این ضریب براساس تئوری احتمالات و به دلیل موارد زیر در نظر گرفته میشود:
  1.  عدم اطمینان به صحت کامل مقاومت مشخص شده برای مصالح
  2.  مشکلاتی که ممکن است در اجرا به خاطر ضعف های اجرایی به وجود آید
  3.  خطاهای ناشی از نیروی انسانی
در تعیین مقدار ضریب کاهش مقاومت موارد بالا نقش دارند. این ضرایب در هر دو آیین نامه AISC و مبحث دهم ویرایش ۱۳۹۲ مقدار یکسانی دارند که در جدول ۱.۱ قابل مشاهده و استفاده خواهند بود.
برای ضریب کاهش مقاومت در حالت برش، انتخاب عدد 0.9 یا 1.0باید مطابق مبحث دهم و بند 10-2-6-1انتخاب شود. مطابق بند فوق برای کلیه مقاطع تحت برش ضریب کاهش مقاومت برابر 0.9 بوده، به جز برای جان مقاطع  شكل نورد شده با نسبت ,   این ضریب برابر1.0 باید در نظر گرفته شود. همچنین یک سری ضرایب کاهش مقاومت برای جوشها، پیچ ها و ... وجود دارد که در جدول 1.1 عنوان نشده است. بهتر است که در مقالات بعدی و در مرحله طراحی اتصالات به این ضرایب اشاره شود.
پس از اینکه با ملزومات اولیه روش طراحی حدی آشنا شدیم، حال می توانیم مبنای طراحی سازه های فولادی به این روش را مطرح کنیم، مطابق روش حدی نهایی، مقاطع فولادی براساس رابطه زیر طراحی می شوند:

که در این رابطه :
      = تلاش های داخلی در اعضای فولادی که تحت ترکیب بارهای ضریب دار به وجود می آید. این تلاش ها ممکن است لنگر خمشی، برش، پیچش و یا نیروی محوری باشد.
    = مقاومت اسمی عضو فولادی که برای هر نیروی وارده باید مقاومت خاص آن محاسبه شود.
   = ضریب کاهش مقاومت که مطابق جدول1.1 تعیین می شود. همان طور که واضح است روش حالات حدی روشی است که برخلاف روش تنش مجاز ضرایب اطمینان را در دو مرحله اعمال خواهد کرد. یکی ضرایب افزایش بار و دیگری ضرایب کاهش مقاومت که این ضریب برای حالات مختلف نیز مقداری متفاوت دارد. در حالی که روش تنش مجاز تنها از یک ضریب اطمینان واحد استفاده می کند. بدیهی است که این روش از طراحی، رفتار واقع بینانه تری نسبت به روش تنش مجاز دارد.