حوزه سازه

به ساختاری معماری یا مهندسی ثابت که مجزا از دیگر ساختارها قابل تشخیص باشد یک سازه یا ابنیه فنی می‌گویند. سازه بخشی از حجم است که بارهای وارده را تحمل و به محیط اطراف منتقل می‌سازد. شایان ذکر است که در سازه‌های معماری نیروها (بارهای مرده، زنده، زلزله، برف و باد) از طریق تیرچه‌ها به تیر اصلی و از تیر اصلی به ستون‌ها و از ستون‌ها به پی منتقل می‌شود و پی‌ها نیروها را به خاک منتقل می‌کنند؛ به عبارت دیگر، سازه حافظ فرم خارجی اجسام در برابر بارهای وارده است.

خدمات قابل ارائه در زمینه مهندسی سازه عبارتند از:

  • طراحی و اجرای سازه‌های صنعتی
  • طراحی و اجرای سازه‌های ساختمانی
  • پیشگیری از آسیب‌های لرزه‌ای
  • بهینه‌سازی طرح
  • تست مصالح

1- ساختمان‌های بتنی

ساختمانی است که برای اسکلت اصلی آن از بتن آرمه (سیمان، شن، ماسه و فولاد به صورت میلگرد ساده یا آجدار) استفاده شده باشد.

در این نوع ساختمان، سقفها به وسیله تاوه (دال)های بتنی پوشیده می‌شود، یا از سقف‌های تیرچه بلوک یا سایر سقف‌های پیش‌ساخته استفاده می‌شود.
برای ساخت دیوارهای جداکننده (پارتیشن‌ها) ممکن است از انواع آجر مانند سفال تیغه‌ای، آجر ماشینی سوراخ دار، آجر معمولی فشاری، فوم استاندارد ضد حریق، تیغه گچی یا چوب استفاده شود.
همچنین ممکن است از دیوارهای بتن آرمه هم استفاده شود که در این صورت نوع این دیوارها دیوار برشی می‌باشد.
در این نوع ساختمان برای ساخت شاه تیرها و ستون‌ها از بتن آرمه (بتن مسلح) استفاده می‌شود. ساختمان‌های بتونی استحکام زیادی در برابر حوادث طبیعی دارند.

2- ساختمان‌های فلزی

در این نوع ساختمان‌ها برای ساختن ستون‌ها و پل‌ها از پروفیل‌های فولادی استفاده می‌شود.
در ایران معمولاً برای ساختن ستون‌ها از تیر آهن‌های  دوبل یا بال پهن‌های تکی استفاده می‌نمایند.
برای اتصالات از نبشی-تسمه و برا س ل سیب ی زیر ستون‌ها از صفحه فولادی (بیس پلیت) استفاده می‌شود و معمولاً دو قطعه را به وسیله جوش به هم متصل می‌نمایند (استفاده از پرچ یا پیچ و مهره نیز متداول است).
در این نوع ساختمان برای مقابله با زلزله از باد بندهای فلزی استفاده می‌شود.

مزایای ساختمان‌های فلزی

  1. مقاومت بالا: مقاومت فولاد بالا بوده و نسبت مقاومت به وزن آن از بتن بزرگتر است. این موضوع در سوله‌های با دهانه‌های بزرگ و ساختمان‌های مرتفع و ساختمان هائی که بر روی زمین‌های سست احداث می‌شوند، از اهمیت بیشتری برخوردار است.
  2. مقاومت متعادل مصالح: مقاومت فولاد در کشش و فشار یکسان و در برش نیز خوب و نزدیک به کشش و فشار است. در تغییر وضع بارها، نیروی وارده، فشاری و کششی قابل تعویض بوده و مقاطع به خوبی عکس‌العمل نشان می‌دهند؛ ولی مقاومت بتن در فشار مناسب بوده و در کشش یا برش کم است. پس اگر مناطقی تحت نیروی کششی قرار گرفته و مسلح نشده باشند، تخریب می‌شوند.
  3. خواص ارتجاعی: به علت همگن بودن فولاد، خواص ارتجاعی محاسباتی آن با تقریب بسیار خوبی مصداق عملی دارد. به عنوان مثال، ممان اینرسی یک مقطع فولادی را می‌توان با اطمینان در محاسبات وارد نمود. حال اینکه در مورد بتن این ارقام خیلی معین و قابل اطمینان نیستند.
  4. ضریب نیروی لرزه‌ای: در قالب‌های بتن مسلح به علت وزن بیشتر، ضریب نیروی لرزه‌ای از قاب‌های فلزی بزرگتر است.
  5. شکل‌پذیری: یکی از خواص مهم مصالح فلزی شکل‌پذیری آنهاست. فلزات قادرند تمرکز تنش را که در واقع علت شروع خرابی است و نیروهای دینامیکی و ضربه‌ای را تحمل نمایند، در حالیکه بتن ترد و شکننده بوده و عملکرد آن در مقابل این نیروها بسیار ضعیف است.

معایب ساختمان‌های فلزی

  1. ضعف در برابر حرارت: مقاومت فلز با افزایش دما کاهش می‌یابد. اگر دمای اسکلت فلزی به حدود ۶۰۰ درجه سانتی گراد برسد، تعادل ساختمان به خطر می‌افتد.
  2. خوردگی فلز در مقابل عوامل خارجی: ساختمان‌های فلزی در مقابل عوامل جوی دچار خوردگی شده و از ابعاد مفید آن‌ها کاسته می‌شود. ضمناً مخارج نگهداری و محافظت آن‌ها هم زیاد است.
  3. تمایل قطعات فشاری به کمانش: با توجه به اینکه تعداد قطعات فلزی زیاد بوده و ابعاد آن‌ها معمولاً کوچک است، تمایل به کمانش در این قطعات زیاد بوده و این موضوع یک نقطه ضعف محسوب می‌شود.
  4. جوش نامناسب: استفاده از پیچ و مهره و تهیه قطعات در کارخانه، اقتصادی‌ترین و فنی‌ترین کار می‌باشد که در کشور ما برای ساختمان‌های متداول انجام چنین کاری مقدور نیست. استفاده از جوش برای اتصالات، به علت مهارت کم جوشکاران، قدیمی بودن ماشین آلات، عدم کنترل دقیق توسط مهندسین ناظر، گران بودن هزینه آزمایش جوش و … برزگترین ضعف اسکلتهای فلزی می‌باشد.

3- ساختمان‌های بنایی

منظور از ساختمان‌های بنایی ساختمان‌هایی هستندکه مصالح آنهااز آجر، بلوک سیمانی ویا سنگ ساخته شده اندودر آن‌ها تمام یاقسمتی از بارهای قائم توسط دیوارهای با مصالح بنایی تحمل می‌شود. برای ساختمان‌های کوچک که از ۲ طبقه تجاوز نمی‌نمایندو یا حدکثر ارتفاع آن‌ها از صفر صفر زمین ۸ متر می‌باشد می‌توان از این نوع ساختمان استفاده نمود.

اسکلت اصلی این نوع ساختمان‌ها آجری بوده و برای ساختن سقف‌ها در ایران معمولاً از پروفیل‌های فولادی شکل و آجر به صورت طاق ضربی استفاده می‌گردد؛ یا از سقف تیرچه و بلوک استفاده می‌شود.
در این نوع ساختمان برای مقابله با نیروهای جانبی (نظیر زلزله) باید حتماً از شناژهای روی کرسی چینی و زیر سقف‌ها استفاده شود؛ همچنین در ساختمان‌های آجری معمولاً دیوارهای حمال در طبقات مختلف روی هم قرار می‌گیرند و اغلب پارتیشن‌ها نیز همین دیوارهای حمال می‌باشند.
حداقل عرض دیوارهای حمال نباید از ۳۵ سانتی‌متر کمتر باشد. یا به عبارت دیگر برای دیوارهای با مصالح بنایی، حداقل نسبت ضخامت به ارتفاع نباید از یک دهم برای دبوارهای مهار نشده کمتر باشد

4- ساختمان‌های خشتی و گلی

اسکلت اصلی این نوع ساختمان‌ها از خشت خام و گل می‌باشد و تعداد طبقات آن از یک طبقه تجاوز نمی‌کند و در مقابل نیروهای جانبی همانند زلزله به هیچ وجه مقاومت نمی‌نمایند.

5- ساختمان‌های چوبی

این نوع ساختمان‌ها در مناطقی که چوب با قیمت ارزان در دسترس است ساخته می‌شوند، مانند شهرهای جنوبی کشور اتریش، بعضی ایالت‌های کشور آمریکا و …
ساختمان‌های چوبی در ایران به علت کمبود منابع کمتر ساخته می‌شود.

6- ساختمان‌های ترکیبی

ممکن است ساختمانی از دو یا چند نوع از انواع فوق ساخته شود مانند ساختمان‌های فلزی-بتنی یا فلزی-آجری و ….

تحلیل سازه، فرآیند محاسبه و تعیین اثرات بارها و نیروها بر روی یک سازه، ساختمان یا یک شیء است. تحلیل سازه از اهمیت زیادی برای مهندسین طراح سازه جهت شناخت کامل مسیرهای بار و اثرات بارها بر روی طرح مهندسی آن‌ها برخوردار است. تحلیل سازه به مهندسین و طراحان این امکان را می‌دهد تا ایمنی استفاده از یک سازه یا تأسیسات و همچنین مقاومت آن‌ها جهت استفاده تحت اثر بارهای اعمالی برآورد شده را تضمین کنند. می‌توان تحلیل سازه را در طی طراحی، ارزیابی یا پس از ساخت انجام داد که این فرآیند به طوری کلی شامل مصالح استفاده شده، هندسه سازه و بارهای اعمالی است.

انواع تحلیل سازه

 روش‌های مختلفی وجود دارند که جهت انجام تحلیل سازه با توجه به میزان دقت مورد نیاز توسط یک مهندس مورد استفاده قرار می‌گیرند. می‌توان تحلیل سازه را به صورت یکی از روش‌های زیر تعریف کرد:

1- محاسبات دستی

محاسبات ساده دستی به عنوان یک راه سریع و ساده جهت ارزیابی اثرات نیروهای ساده بر روی سازه‌های ساده به شمار می‌آیند. به طور مثال، محاسبه لنگر خمشی بر روی یک تیر افقی با استفاده از محاسبات دستی انجام می‌شود. این دسته از محاسبات پوش به عنوان رویکردهای اجرایی استاندارد برای مهندسانی که قصد صرف ساعات طولانی برای طراحی سازه را نداشته و مایل به دانستن نیروهایی که یک تیر ناشی از بارهای اعمالی تحمل می‌کند می‌باشند، محسوب می‌شود.

2- آنالیز المان محدود

آنالیز المان محدود (FEA) به عنوان یک روش عددی پیچیده جهت حل مسائل پیچیده که دارای تعداد زیادی متغیر مانند شرایط مرزی، بارهای اعمالی و شرایط تکیه گاهی است، محسوب میشود. این روش، یک روش دقیق‌تر و در عین حال بسیار پیچیده‌تر از محاسبات دستی جهت تحلیل سازه محسوب میشود. در طی انجام روش FEA ، سازه به قسمتهای کوچکتر (المان) تقسیم میشود که به صورت جزئی برای انجام برآورد دقیق‌تر جواب قابل بررسی و ارزیابی می‌باشند. اجرای این فرآیند بسیار دشوار و زمان‌بر است. یک مدل FEA در برگیرنده هزاران درایه ماتریسی است که این موضوع موجب غیرممکن شدن انجام محاسبات توسط انسان میگردد. این روش به عنوان یک روش بسیار قدرتمند و دقیق در تحلیل سازه محسوب شده و به عنوان سنگ بنای بسیاری از نرم افزارهای تحلیل سازه به شمار می‌آید.

3- نرم‌افزار تحلیل سازه

تعداد قابل توجهی از نرم افزارهای تحلیل سازه وجود دارند که قادر به اجرای محاسبات دقیق FEA بدون انجام محاسبات دستی دشوار و فرآیندی پیچیده میباشند. این روش به عنوان رایجترین و بهینهترین روش جهت ارزیابی یک سازه با دقت بالا و زمان محاسباتی کم به شمار می‌آید. برخی از موانع استفاده از نرم افزارهای استاندارد، در دسترس نبودن و یا گران بودن آنها است.