طراحی تیر و ستون فولادی
این مقاله نحوه استفاده از ماژول طراحی تیر و ستون فولادی StatiCAD را شرح می‌دهد. محاسبات بر اساس TBDY 2018 و ÇYTHYE (اصول طراحی، محاسبه و اجرای سازه‌های فولادی ترکیه — رویکرد LRFD (YDKT)) انجام می‌شود: در تیرها خمش (از جمله کمانش جانبی-پیچشی)، برش، اثر ترکیبی و خیز؛ در ستون‌ها کمانش ناشی از فشار محوری و اثر ترکیبی نیروی محوری + خمش دو محوری. نیروهای داخلی مقطع از تحلیل اجزای محدود خود برنامه، همراه با مقادیر پوش و ترکیب‌های بارِ مربوط به آن‌ها، دریافت می‌شود. برای روابط به مقاله مبانی نظری طراحی فولاد و برای مقایسه با محاسبات دستی به مقاله مطالعات صحت‌سنجی سازه‌های فولادی مراجعه کنید.
در کدام نسخه‌ها؟ محاسبات سازه‌های فولادی در نسخه StatiCAD Ultimate موجود است.
دامنه کاربرد: محاسبه ظرفیت باربری برای پروفیل‌های I/H نورد گرم (IPE، IPN، HEA/HEB/HEM، HD/HL/HP) انجام می‌شود. پروفیل‌های U، L، T، قوطی و لوله قابل تخصیص هستند؛ در مدل و در نمای سه‌بعدی نمایش داده می‌شوند. محاسبه پروفیل‌های سردنوردشده (C، Z، Sigma و غیره) در ماژول سازه‌های فولادی سبک انجام می‌شود.
1. روند کلی
- ساختمان را به‌صورت معمول مدل کنید (تیرها به‌صورت کلاف افقی، ستون‌ها به‌صورت کلاف قائم).
- پنجره Özellikler (مشخصات) المان فولادی را باز کنید و با دکمه Kesit Seç (انتخاب مقطع) از فرم Fabrikasyon Kesit Seç (انتخاب مقطع کارخانه‌ای) پروفیل را تخصیص دهید (بخش 2). با تخصیص پروفیل، مصالح فولادی (S235 و غیره) نیز همراه با مقطع به المان اعمال می‌شود.
- در همین پنجره نوع طراحی المان را «Çelik» (فولاد) علامت بزنید (بخش 3) و روی «Tamam» (تأیید) کلیک کنید.
- تحلیل را اجرا کنید. کنترل‌های طراحی فولاد در پایان تحلیل به‌طور خودکار انجام می‌شود.
- در درخت انتخاب گزارش، گروه Çelik Eleman Raporları (گزارش‌های المان فولادی) را علامت بزنید و گزارش را دریافت کنید (بخش 6).
اگر به المانی پروفیل تخصیص داده شده باشد اما نوع طراحی «Çelik» علامت نخورده باشد، المان با مقطع فولادی در مدل حضور دارد (وزن، سختی، نمای سه‌بعدی) اما وارد کنترل طراحی فولاد نمی‌شود.
2. کتابخانه پروفیل‌های کارخانه‌ای و تخصیص مقطع
فرم Fabrikasyon Kesit Seç از دکمه Kesit Seç در پنجره‌های تیر (Hatıl Özellikleri — مشخصات کلاف افقی) و ستون (Düşey Hatıl Özellikleri — مشخصات کلاف قائم) باز می‌شود.
| فیلد فرم | عملکرد |
|---|---|
| Üretim Tipi (نوع تولید) | Hadde (نورد گرم، پیش‌فرض): پروفیل‌های نورد گرم. Cold Formed: پروفیل‌های سردنوردشده (ماژول فولاد سبک). |
| Kategori (دسته) | در حالت Hadde: Tümü / I-Wide Flange / Channel / Tee / Angle / Pipe / Tube. |
| جعبه جست‌وجو | بر اساس نام فیلتر می‌کند (مثلاً «IPE 3»). |
| پیش‌نمایش | مقطع انتخاب‌شده با هندسه واقعی ترسیم می‌شود؛ ابعاد اصلی و مشخصات مقطع فهرست می‌شود. |
| Malzeme... (مصالح) | انتخاب رده فولاد (S235، S275، S355 و غیره). اگر انتخاب نشود، رده فولاد پیش‌فرض به‌کار می‌رود. مصالح همراه با مقطع به المان تخصیص داده می‌شود. |
| Ata (تخصیص) | پروفیل و مصالح را در پنجره باز المان می‌نویسد؛ مقطع به کتابخانه مقاطع پروژه نیز افزوده می‌شود و تصویر مقطع برای گزارش‌ها تولید می‌گردد. |
| Kullanıcı Tanımlı Kesit... (مقطع تعریف‌شده توسط کاربر) | به‌جای کتابخانه کارخانه‌ای، به مسیر مقطع تعریف‌شده توسط کاربر می‌رود. |
همین فرم هم از تیر و هم از ستون باز می‌شود؛ تخصیص بر روی المانی انجام می‌شود که فرم از پنجره آن باز شده است. پروفیل تخصیص‌یافته در کتابخانه پروژه ذخیره می‌شود و همراه با فایل منتقل می‌گردد.
3. انتخاب نوع طراحی
| المان | پنجره | گزینه |
|---|---|---|
| تیر | Hatıl Özellikleri ← گروه نوع طراحی | Çelik (در کنار گزینه‌های بتن مسلح / بنایی / چوب) |
| ستون | Düşey Hatıl Özellikleri ← گروه نوع طراحی | Çelik |
وقتی گزینه علامت زده شود و روی «Tamam» کلیک شود، نوع طراحی المان به‌صورت فولادی ثبت می‌شود؛ در پایان تحلیل این المان‌ها وارد کنترل طراحی فولاد می‌شوند و گروه Çelik Eleman Raporları در درخت گزارش نمایان می‌گردد.
4. محاسبه تیر فولادی
| کنترل | آیین‌نامه | توضیح |
|---|---|---|
| خمش | ÇYTHYE بخش 9 | کمانش جانبی-پیچشی در حالت تسلیم، غیرارتجاعی و ارتجاعی؛ حدود Lp و Lr محاسبه و در گزارش نمایش داده می‌شود. حالت حدی حاکم در گزارش نوشته می‌شود. |
| برش | بخش 10 | Vn = 0.6·Fy·Aw·Cv |
| اثر ترکیبی | بخش 11 | کنترل اندرکنش خمش، نیروی محوری و برش |
| خیز | بهره‌برداری | کنترل f ≤ L/K؛ در گزارش با سطر «Sehim f = ... ≤ L/K = ...» (خیز) نمایش داده می‌شود. |
طول مهار جانبی Lb: اگر فیلدهای مهار جانبی (Le) در پنجره مشخصات المان به‌صورت خودکار رها شوند، طول تیر L (بین گره‌های انتهایی) مبنا قرار می‌گیرد؛ اگر مقداری دستی وارد شود همان استفاده می‌شود. اگر در نقاط میانی تیر مهار جانبی وجود دارد (برای مثال تیر فرعی متصل‌شونده یا مهاربند)، بزرگ‌ترین طول بدون مهار را در فیلد Le وارد کنید.
ضریب تصحیح لنگر Cb: Cb (رابطه 9.1 ÇYTHYE) برای هر ترکیب بار به‌طور جداگانه از نمودار لنگر اجزای محدود همان ترکیب محاسبه می‌شود. از آنجا که Cb با ترکیب تغییر می‌کند، ترکیب تعیین‌کننده، ترکیبی است که بیشترین نسبت تقاضا/ظرفیت را دارد و نه ترکیبی که بزرگ‌ترین لنگر را می‌دهد؛ در گزارش لنگر طراحی، نام ترکیب و Cb متعلق به همین ترکیب است.
- در تیرهای کنسول (تیری که یک انتهای آن به ستون، دیوار یا تیر دیگری متصل نیست) Cb = 1.0 در نظر گرفته می‌شود (ÇYTHYE 9.1(e)).
- اگر در فیلد Le طولی کوتاه‌تر از طول تیر وارد شود، Cb = 1.0 در نظر گرفته می‌شود (در جهت اطمینان).
- انتهای تیر فرعی که به تیر اصلی متصل می‌شود، تکیه‌گاه محسوب می‌شود؛ Cb از نمودار لنگر محاسبه می‌شود.
حد خیز K: برای هر المان و از همان محلی که انتخاب K خیز در تیرهای چوبی تعیین می‌شود، مشخص می‌گردد (پیش‌فرض K = 300؛ بسته به انتخاب 200 / 150 / مقدار واردشده دستی). خیز از لنگر بهره‌برداری (G+Q یا G+S بدون ضریب) محاسبه می‌شود؛ در تیر کنسول از معادل بار انتهایی استفاده می‌شود.
5. محاسبه ستون فولادی
| کنترل | آیین‌نامه | توضیح |
|---|---|---|
| فشار محوری | بخش 8 | کمانش خمشی در محورهای x و y و در مقطع دو‌محور متقارن کمانش پیچشی؛ Fcr و φcPn (φc = 0.90) بر اساس تنش کمانش ارتجاعی حاکم. حالت کمانش حاکم در گزارش نوشته می‌شود. |
| لاغری مقطع | جدول 5.1A | محدودیت‌های b/2tf بال و hw/tw جان کنترل می‌شود. المان با مقطع لاغر در گزارش صراحتاً با عبارت «narin enkesit» (مقطع لاغر) علامت‌گذاری شده و نامناسب محسوب می‌شود. |
| نسبت لاغری | توصیه ÇYTHYE | اگر KL/r > 200 باشد، در گزارش هشدار قرمز «KL/r>200!» نمایش داده می‌شود. |
| اثر ترکیبی | بخش 11.3 | فشار محوری + خمش دو محوری: رابطه 11.3a (Pr/Pc ≥ 0.2) یا 11.3b؛ رابطه به‌کاررفته در گزارش ذکر می‌شود. |
طول مؤثر کمانش KL: به‌طور پیش‌فرض طول ستون در داخل طبقه (ارتفاع طبقه و اختلاف ترازهای پایین/بالا) در نظر گرفته می‌شود و K = 1.0 فرض می‌شود. با وارد کردن دستی مقدار در فیلدهای Le پنجره Düşey Hatıl Özellikleri می‌توان طول کمانش را برای هر محور جداگانه تعریف کرد.
6. ترکیب‌های بار
رویکرد محاسبه LRFD (YDKT) است (φb = φc = φv = 0.90). تقاضاها از پوش ترکیب‌های LRFD (YDKT) آیین‌نامه ÇYTHYE (1.4G؛ 1.2G + 1.6Q + 0.5S؛ 1.2G + 1.6S + 1.0Q؛ در صورت وجود باد 1.2G + 1.0Q + 0.5S + 1.6W و 0.9G + 1.6W) و ترکیب‌های زلزله برنامه (در زلزله 1.2G و Q حداقل 1.0) دریافت می‌شود. این ترکیب‌ها فهرست ترکیب‌های بار پروژه را تغییر نمی‌دهند؛ فقط در طراحی فولاد استفاده می‌شوند. نام ترکیبی که پوش را می‌دهد در گزارش کنار تقاضا نمایش داده می‌شود.
سطر «Çelik kiriş/kolon tasarımında rüzgâr birleşimleri yok» (در طراحی تیر/ستون فولادی ترکیب‌های باد وجود ندارد) در هشدارهای تحلیل نشان می‌دهد که در پروژه حالت بار باد تعریف نشده است. در فهرست ترکیب‌های پیش‌فرض (TBDY) باد وجود ندارد؛ برای اینکه باد وارد محاسبه شود، در زبانه Yük Kombinasyonları (ترکیب‌های بار) حالت‌های بار و ترکیب‌های تعریف‌شده را انتخاب کنید.
7. گزارش‌ها
پس از تحلیل، گروه Çelik Eleman Raporları در درخت انتخاب گزارش نمایان می‌شود:
| گزارش | محتوا |
|---|---|
| Çelik Kiriş hesapları (محاسبات تیر فولادی) | طبقه به طبقه، برای هر تیر یک بلوک: نام مقطع؛ مصالح (Fy)؛ مشخصات مقطع (A، Ix، Wel، Wpl، ry)؛ Lb، Cb، Lp، Lr؛ لنگر طراحی (همراه با ترکیب بار تعیین‌کننده پوش)، Mn، نسبت و حالت حدی حاکم؛ برش طراحی، Vn و نسبت؛ اثر ترکیبی؛ سطر خیز؛ نتیجه: Yeterli / Yetersiz (کافی / ناکافی) |
| Çelik Kolon hesapları (محاسبات ستون فولادی) | مشخصات مقطع (A، Ix، Iy، rx، ry)؛ KLx، KLy، بزرگ‌ترین KL/r (در صورت لزوم هشدار)؛ نیروی محوری (همراه با ترکیب)، φcPn، نسبت و حالت کمانش حاکم؛ لنگرها و ظرفیت‌ها در دو محور؛ رابطه اندرکنش و مقدار آن؛ نتیجه |
کنترل‌های برقرارشده با UYGUN سبز (مناسب) و کنترل‌های برقرارنشده با X قرمز علامت‌گذاری می‌شوند. گزارش‌ها هنگامی که زبان برنامه ترکی است به ترکی و در سایر زبان‌ها به انگلیسی تولید می‌شوند.
8. نمای سه‌بعدی
تیرها و ستون‌هایی که پروفیل به آن‌ها تخصیص داده شده در پنجره سه‌بعدی با هندسه واقعی مقطع (جان–بال I/H، قوطی، لوله، پیرامون مقطع سردنوردشده) ترسیم می‌شوند. المان‌هایی که پروفیل ندارند به‌صورت منشور مستطیلی دیده می‌شوند. تصاویر مقطع به جداول مقطع در گزارش‌ها نیز افزوده می‌شود.
9. نکات مهم
- در ستون‌های با مقطع لاغر، روش سطح مؤثر در این نسخه اعمال نمی‌شود؛ برنامه ظرفیتی تولید نمی‌کند و المان را صراحتاً علامت‌گذاری می‌کند. نتیجه هرگز بی‌سروصدا «ایمن» نشان داده نمی‌شود.
- در محاسبه تیر، Cb از نمودار لنگر هر ترکیب محاسبه می‌شود؛ در کنسول و در Lb کوتاهی که به‌صورت دستی در فیلد Le وارد شده، برابر 1.0 در نظر گرفته می‌شود (رجوع کنید به بخش 4).
- در طول کمانش ستون K = 1.0 فرض می‌شود؛ برای شرایط تکیه‌گاهی متفاوت، مقدار K·L را به‌صورت دستی در فیلدهای Le وارد کنید.
- مدول کشسانی مصالح فولادی از کتابخانه مصالح خوانده می‌شود؛ تعریف آن بر حسب kg/cm² یا MPa تفاوتی ندارد (واحد به‌طور خودکار تشخیص داده می‌شود).
- شرایط شکل‌پذیری مقطع در زلزله مطابق بخش 9 TBDY، نسبت ظرفیت ستون–تیر و المان‌های مهاربندی در دامنه این نسخه نیستند.
10. پرسش‌های متداول
در درخت گزارش «Çelik Eleman Raporları» دیده نمی‌شود. این گروه تنها در صورتی نمایان می‌شود که در پروژه دست‌کم یک تیر یا ستون با نوع طراحی «Çelik» علامت‌خورده وجود داشته باشد و تحلیل انجام شده باشد. مطمئن شوید که گزینه «Çelik» در پنجره مشخصات المان علامت خورده و تحلیل دوباره انجام شده است.
در گزارش «Profil katalogda bulunamadı» نوشته شده است. نام مقطع تخصیص‌یافته به المان به‌طور دقیق در کتابخانه پروفیل‌های کارخانه‌ای یافت نشد (مثلاً نام مقطع به‌صورت دستی تغییر کرده است). مقطع را از فرم Fabrikasyon Kesit Seç دوباره تخصیص دهید.
ظرفیت‌ها بسیار پایین‌تر یا بالاتر از انتظار من درآمد. ابتدا سطر مشخصات مقطع در گزارش (A، Ix، Wpl) را با جدول پروفیل مقایسه کنید؛ سپس به مقادیر Lb، Cb و KL نگاه کنید — ممکن است مهار جانبی یا طول کمانش به‌صورت دستی وارد شده باشد. هماهنگی حالت حدی تیر (تسلیم / کمانش جانبی-پیچشی غیرارتجاعی / ارتجاعی) با Lp و Lr در گزارش قابل مشاهده است.
تیر یا ستون فولادی در نمای سه‌بعدی مستطیلی دیده می‌شود. به المان پروفیل تخصیص داده نشده است. پروفیل را با مراحل بخش 2 تخصیص دهید.
آیا برای یک المان هم کنترل فولادی و هم کنترل بتن مسلح انجام می‌شود؟ خیر؛ نوع طراحی تک‌انتخابی است. المان وارد کنترل همان ماژولی می‌شود که نوع آن علامت خورده است.