سازه هاي بتني و فولادي

سازه بتني سازه‌اي است که در ساخت آن از بتن يا به طور معمول بتن آرمه (سيمان، شن، ماسه و پولاد به صورت ميلگرد ساده يا آجدار) استفاده شده باشد. در ساختمان در صورت استفاده از بتن آرمه در قسمت ستون‌ها و شاه تيرها و پي، آن ساختمان يک سازه بتني محسوب مي‌شود.
امروزه بسياري از پلها را از بتن آرمه مي سازند. براي استفاده از پل هاي بلندتر و بيشتر شدن فاصله پايه پلها از تير پيشتنيده استفاده مي شود.

•    محتويات روش‌هاي طراحي سازه‌هاي بتن آرمه
 روش تنش مجاز
 روش مقاومت نهايي
 روش طراحي بر مبناي حالات حدي
 پانويس
مزاياي سازه‌هاي بتني
- ماده اصلي بتن که شن و ماسه مي‌باشد ارزان و قابل دسترسي است.
- سازه‌هاي بتني که مطابق با اصول آيين نامه‌اي طراحي و اجرا شده اند، در مقابل شرايط محيطي سخت، مقاومتر از سازه‌هاي ساخته شده با مصالح ديگر هستند.
- به علت قابليت شکل پذيري بالاي بتن، امکان ساخت انواع سازه‌هاي بتني نظير پل، ستون و ... به اشکال مختلف ميسر است.


 مزاياي سازه‌هاي بتني
- سازه‌هاي بتني در مقابل حرارت زياد ناشي از آتش سوزي بسيار مقاوم اند. آزمايشات نشان داده اند که در صورت ايجاد حرارتي معادل ???? درجه سانتي گراد براي يک نمونه بتن آرمه، حداقل يک ساعت طول مي‌کشد تا دماي فولاد داخل بتن، که با يک لايه بتني با ضخامت ??? سانتي متر پوشيده شده است، به ??? درجه سانتي گراد برسد.
روش‌هاي طراحي سازه‌هاي بتن آرمه
به طور کلي هدف از طراحي يک سازه، تامين ايمني در مقابل فروريختگي و تضمين عملکرد مناسب در زمان بهره برداري است. چنانچه مقاومت واقعي يک سازه بطور دقيق قابل پيش بيني بود و در صورتي که بارهاي وارد بر سازه و اثرات داخلي آنها نيز با همان دقت قابل تعيين بودند، تامين ايمني تنها با ايجاد ظرفيت باربري به ميزان جزئي بيش از مقدار بارهاي وارده ممکن مي گشت. ليکن عوامل نامشخص و خطاهاي احتمالي متعددي در آناليز، طراحي و ساخت سازه‌ها وجود دارند که يک حاشيه ايمني را در طراحي سازه‌ها طلب مي‌کنند. مهمترين ريشه‌ها و منابع اين خطاها عبارتند از:
الف: بارهايي که در عمل به سازه وارد مي‌شوند و همچنين توزيع واقعي آنها ممکن است با آنچه در بارگذاري سازه فرض شده است متفاوت باشند.
ب: رفتار واقعي سازه ممکن است با رفتار تئوريک سازه، که بر اساس آن نيروهاي داخلي اعضا محاسبه مي‌شوند، تفاوت داشته باشد.
ج: مقاومت واقعي مصالح به کار رفته در ساخت سازه ممکن است متفاوت از مقادير فرض شده در محاسبات باشد.
د: ابعاد قطعات و محل واقعي ميلگردها ممکن است دقيقاً مطابق آنچه طراح در محاسبات خود فرض کرده نباشد.
بنابراين، انتخاب يک حاشيه ايمني مناسب امر بسيار دشواري است که نحوه منظور نمودن آن، به صورت يکي از مشخصه‌هاي اساسي روش‌هاي طراحي در آمده است. به طور کلي طراحي سازه‌هاي بتن آرمه به سه روش زير صورت مي‌گيرد
 تنش مجاز
 مقاومت نهايي
 روش طراحي بر مبناي حالات حدي
روش تنش مجاز
اين روش که قبلاً روش تنش بهره برداري يا روش تنش بار سرويس ناميده مي‌شد، اولين روشي است که بصورت مدون براي طراحي سازه‌هاي بتن آرمه بکارگرفته شد. در اين روش يک عضو سازه‌اي به نحوي طراحي مي‌شود که تنش‌هاي ناشي از اثر بارهاي بهره برداري (يا سرويس)، که به کمک تئوري‌هاي خطي مکانيک جامدات محاسبه مي‌شوند، از مقادير مجاز تنش‌ها تجاوز نکنند. منظور از بارهاي بهره برداري يا سرويس بارهايي نظير: بار زنده، بار مرده، بار برف و بار زلزله هستند. اين بارها توسط آيين نامه‌هاي بارگذاري، مانند مبحث ششم مقررات ملي ساختمان تعيين مي‌شوند. در اين روش منظور از تنش مجاز تنشي است که از تقسيم تنش حدي ماده، نظير مقاومت فشاري براي بتن و مقاومت تسليم براي فولاد، بر ضريب بزرگتر از واحد، به نام ضريب اطمينان به دست مي‌آيد. تنش‌هاي مجاز مصالح توسط آيين نامه‌هاي محاسباتي تعيين مي‌شوند. به عنوان مثال مطابق آيين نامه ACI مقدار تنش فشاري مجاز بتن  c مي باشد.
بدين ترتيب مراحل اين روش بطور خلاصه به ترتيب زير هستند:
عيين بارهاي وارد بر سازه
 آناليز سازه و تعيين تنش‌ها در مقاطع مختلف به کمک تئوري‌هاي کلاسيک اجسام الاستيک
 تعيين تنش‌هاي مجاز با استفاده از يک آيين نامه محاسباتي
 طراحي نهايي مقطع با اين محدوديت که در هيچ نقطه‌اي از سازه تنش‌هاي ايجاد شده از تنش‌هاي مجاز تجاوز نکنند.
اين روش به دليل سادگي و سهولت کاربرد تا چندي قبل به عنوان قابل استفاده‌ترين روش طراحي سازه‌هاي بتن آرمه مطرح بود. ليکن نقاط ضعف اين روش استفاده از آن را محدود کرده است. مهمترين اين نقاط ضعف عبارتند از:
الف: در اين روش ايمني به کمک تنها يک ضريب (ضريب اطمينان) و در يک مرحله منظور مي‌شود، از آنجا که عواملي که لزوم تامين يک حاشيه ايمني را ايجاب مي‌کنند داراي ريشه‌ها و شدت‌هاي متفاوت هستند، در نظر گرفتن آنها تنها با کمک يک ضريب غير منطقي است.
ب: بتن ماده‌اي است که تنها تا تنش‌هاي معادل نصف مقاومت فشاري آن به صورت الاستيک و خطي عمل مي‌کند. بنابراين با بکار بردن درصدي از مقاومت فشاري بتن در محاسبات نمي‌توان اطلاعي از ضريب اطمينان کلي سازه در مقابل فروريختگي به دست آورد.
ج: به کار بردن اين روش در طراحي بعضي مقاطع با اشکالات تئوريک مواجه است. به عنوان مثال در مقاطع خمشي تنش واقعي فولاد غالباً کمتر از مقداري است که با اين روش محاسبه مي‌شود.
تا سال 1982 ميلادي روش تنش‌هاي مجاز مبناي محاسبات در آيين نامه ACI بود. اين روش از سال 1988 تنها در قسمت ضمائم آيين نامه و تحت عنوان روش ديگر طراحي جا داده شد.[?]
روش مقاومت نهايي
روش مقاومت نهايي که در آيين نامه ACI به نام روش طراحي بر مبناي مقاومت موسوم است، حاصل مطالعات گسترده روي رفتار غير خطي بتن و تحليل دقيق مسئله ايمني در سازه‌هاي بتن آرمه مي‌باشد. روند طراحي در اين روش را مي‌توان به صورت زير خلاصه نمود:
 باربهره برداري به وسيله ضريبي موسوم به ضريب بار افزايش داده مي‌شود، بار حاصله را اصطلاحاً بار ضريبدار يا بار نهايي مي نامند.
 بارهاي ضريبدار بر سازه اعمال مي‌شوند و به کمک روش‌هاي خطي آناليز سازه ها، نيروي داخلي مقاطع محاسبه مي‌شود. به اين نيروي داخلي اصطلاحاً مقاومت لازم گفته مي‌شود. مقاومت لازم در يک مقطع شامل: مقاومت خمشي لازم، مقاومت برشي لازم، مقاومت پيچشي لازم و مقاومت بار محوري لازم است.
 براي هر مقطع، مقاومت طراحي آن از حاصلضرب مقاومت اسمي در ضريبي کوچکتر از واحد به نام ضريب کاهش مقاومت به دست مي‌آيد. مقاومت اسمي، حداکثر مقاومتي است که مقطع قبل از گسيختگي از خود نشان مي‌دهد. مقاومت اسمي يک مقطع مشتمل است از: مقاومت خمشي اسمي، مقاومت برشي اسمي، مقاومت پيچشي اسمي و مقاومت بار محوري اسمي.
 طراحي مقطع به نحوي که در آن مقاومت لازم از مقاومت طراحي کمتر باشد.
روش طراحي بر مبناي مقاومت، امروزه اساس کار طراحي سازه‌هاي بتن آرمه مي‌باشد.
روش طراحي بر مبناي حالات حدي
به منظور تکامل روش مقاومت نهايي، به ويژه از نظر نحوه منظور نمودن ايمني، روش طراحي بر مبتاي حالات حدي ابداع گرديد. اين روش هم اکنون مبناي طراحي در تعدادي از آيين نامه‌هاي اروپايي است، با اين حال اين روش هنوز نتوانسته است جاي روش مقاومت نهايي را در آيين نامه ACI بگيرد. اين روش از نظر اصول محاسبات مربوط به مقاومت، مشابه روش طراحي بر مبناي مقاومت است و تفاوت عمده آن با روش قبل، در نحوه ارزيابي منطقي تر ظرفيت باربري و احتمال ايمني اعضا مي‌باشد. در اين روش نيازهاي طراحي با مشخص کردن حالات حدي تعيين مي‌شوند. منظور از حالات حدي شرايطي است که در آنها سازه مورد نظر خواسته‌هاي طرح را تامين نمي‌کند. طراحي سازه با توجه به سه حالت حدي زير صورت مي‌گيرد[?]:
 حالت حدي نهايي، که مربوط به ظرفيت باربري مي‌شود.
 حالت حدي تغيير شکل (مانند تغيير مکان و ارتعاش اعضا)
 حالت حدي ترک خوردگي يا بازشدن ترک ها
سازه فولادي نوعي سازه است که مصالح اصلي آن که براي تحمل نيروها و انتقال آنها به کار مي‌رود از فولاد است. اتصالات به کار رفته در اين نوع سازه‌ها از نوع جوشي، پرچي و يا پيچ مي‌باشد و بسته به نوع اتصالات قطعات طرح شده و کنترلهاي مربوطه بر روي آنها انجام مي‌شود.
در حال حاضر فولاد از مهمترين مصالح براي ساخت ساختمان و پل و ساير سازه‌هاي ثابت است مقاومت فولاد (تنش تسليم) مورد استفاده در بازه???? تا ???? kgr/cm ? است که براي ساختمانهاي معمولي از فولاد با مقاومت ???? که به آن فولاد نرمه گفته مي‌شود استفاده مي‌گردد.
دسته‌بندي سازه‌هاي فولادي به سه دسته تقسيم مي‌شوند:
•    سازه‌هاي قاب بندي شده:که مجموعه‌اي از اعضاي محوري، خمشي و يا محوري خمشي اند
•    سازه‌هاي پوسته‌اي: منابع تگهداري مايعات و گازها که نيروي محوري حاکم است
•    سازه‌هاي معلق: که در آن نيروي کششي حاکم است
منظور از سازه‌هاي فولادي در عمران معمولاً سازه‌هاي قاب بندي شده است. نقش قاب در ساختمان انتقال بارهاي مرده و بار زنده و زلزله و بار برف از سازه به پي مي‌باشد. و پايداري کلي سازه راحفظ مي‌کند.
براي ساخت سازه‌هاي ساختماني بيشتر از پروفيل‌هاي نورد شده استفاده مي‌شود اگر ابعاد طراحي شده مقادير ديگري باشد مي‌توان با استفاده از ورق‌هاي موجود در بازار پروفيل مربوطه را تهيه کرد.