مقدمه
ساختمانها بر حسب مصالح استفاده شده جهت سیستم باربر آنها به چند دسته کلی تقسیم می‌شوند: ساختمانهای بتنی، فولادی و مصالح بنائی. بخش قابل توجهی از ساختمانها در دنیا دارای اسکلت فولادی می‌باشند. در این نوع ساختمانها برای ساختن اسکلت ساختمان به‌عنوان سیستم باربر آن از فولاد استفاده می‌شود. اسکلت ساختمان مجموعه‌ای از عناصر افقی، عمودی و مورب هستند که وظیفه انتقال نیروها از ساختمان به پی زیر آن را دارند. اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای آهن که بین 0.002 درصد تا 2.1 درصد وزن خود کربن دارند بکار می‌رود. فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ‌دهنده موجود در آن بستگی دارد. فولاد پرمصرف‌ترین فلز صنعتی است و مصرفش پیوسته افزایش می‌یابد. امروزه تولید فولاد جهان نزدیک به هزار و سیصد میلیون تن در سال است. گفته می‌شود فولاد سازی از کشور هندوستان به ایران آمده است. برای ساختن فولاد، کربن آهن خامِ سفید را می‌سوزانند، تا از3.5تا %60 به 0.2 تا %1.5 وزنش کاهش یابد، عنصر‌های دیگر را نیز در آن اندازه می‌کنند تا فولاد موردنظر ساخته شود.
اولین نشانه‌های استفاده از آهن به زمان سومریان و مصریان بر می‌گردد که تقریبا" 4000 سال قبل از میلاد با آهن کشف شده از شهاب سنگ‌ها اقلام کوچکی مثل سر نیزه و زیورآلات می‌ساختند. آهن برای اولین بار در اواسط هزاره دوم قبل از میلاد از کانی فلزی استخراج و مورد استفاده قرار گرفت. فراوانی ماده اولیه و قابلیت‌های فراوان آن از عواملی هستند که سبب شدند آهن در مدت کوتاهی جایگزین فلزات و مواد دیگر در ساخت بسیاری از ادوات و اشیا شود. این استفاده تاثیر زیادی بر ساختارهای مختلف تمدن بشری، بویژه ساختارهای اقتصادی گذاشت. بر اساس شواهد و قرائن موجود اقوام ساکن در آسیای صغیر اولین کسانی بودند که موفق به تولید آهن از سنگ آهن شدند.
سر هنری بسمر، مهندس انگلیسی متولد 19 ژانویه 1813، و مخترع فرآیند تولید فولاد است. وی همچنین، بیش از 100 اختراع دیگر نیز در زمینه شیشه، آهن و فولاد انجام داد اما هیچ‌کدام از اختراعاتش مانند فرآیند تولید فولاد، برای بشر منشاء خدمات نبود. در سال‌های دهه 1850 معرفی مراحل تولید بسمر، تولید انبوه فولاد (شکل سخت‌تر و در عين حال با تسليم قابل توجه و بادوام‌تر ) را امکان‌پذیر نمود. در مدت کوتاهی در آمریکا و بریتانیا فولاد در سطح وسیعی جای آهن را در زمینه‌های مختلفی چون صنایع کشتی‌سازی، خطوط راه‌آهن و معماری گرفت. گرچه طلوع عصر فولاد به خودی خود بر اندوخته علمی مهندسان ذوب فلزات عنصر تازه‌ای اضافه نکرد اما صرفاً از یک فلز قدیمی، فلز موثرتری به وجود آورد. بنابراین، در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم شاهد معرفی و عرضه فلزات جدید و ترقی فاحش تعداد آلیاژهای قابل دسترس بودیم. این اختراع بسمر، انقلاب عظیمی در صنعت ساختمان‌سازی ایجاد کرد زیرا ظهور این فلز مستحکم، باعث شد امکان احداث ساختمان‌هایی با ارتفاعات بالاتر، میسر شود.
رشد چشمگیر جمعیتی در جوامع بشری و کمبود زمین علی‌الخصوص در کلان شهرها مهندسان را مجبور به روی آوری به بلند مرتبه‌سازی نمود. به علت ارتباط تنگاتنگ ساختمان‌سازی با جان و مال مردم، حکومت‌ها بر آن شدند تا با تدوین قوانین و دستور‌العمل‌هایی سازندگان را به رعایت حداقل موضوعات ایمنی در حین ساخت و بهره‌برداری بنمایند. در کشور ما نیز آیین‌نامه‌هایی در این زمینه تدوین شده است. عمده‌ترین آیین‌نامه‌ای که در این زمینه در کشور ما موجود است، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان است. این آیین‌نامه یکی از مباحث بیست و یک‌گانه‌ای است که مقررات ملی ساختمان نامیده می‌شود و اجرای آن در کلیه ساخت و سازها در سطح کشور ایران اجباری است. این آیین‌نامه در زمانهای مختلف به دلیل نیازهای روز و تغییراتی که در آیین‌نامه‌های معتبر دنیا از جمله آیین‌نامه فولاد آمریکا (AISC) ایجاد شده بود، دچار تغییراتی شده است. در سال 1387 ویرایش جدیدی از مبحث 10 ارائه گردید که در آن روش طراحی تنش مجاز و روش حدی (LRFD) بطور همزمان ارائه شده بود، در سال 1392 ویرایش نهایی مبحث 10 ارائه شد که در آن روش طراحی تنش مجاز آورده نشده و روش طراحی حدی (LRFD) به عنوان روش نهایی و قابل قبول طراحی سازه‌های فولادی ارائه گردید.
همچنین در این نسخه از آیین‌نامه، روش حدی نسبت به ویرایش قبل (1387) تغییرات قابل ملاحظه‌ای داشته و بطور کلی تطابق بسیار زیادی به آیین‌نامه AISC 2010 داشته است. این تغییرات باعث گردیده در حال حاضر مرجع کاربردی و جامعی برای این درس وجود نداشته باشد لذا بر آن شدیم تا مرجعی نسبتاً کامل به همراه مثالهای کاربردی از تمامی فصول آیین نامه در قالب 3 جلد جهت استفاده دانشجویان و مهندسین عزیز کشور ارائه نماییم.
در جلد اول کتاب، به طراحی المانهای اصلی سازه، شامل اعضای کششی، فشاری، خمشی، برشی ، تیر- ستون و صفحه ستون پرداخته شده است. در جلد دوم، بطور کلی به مباحث تیروق و اتصالات می¬پردازیم و نهایتا در جلد سوم مباحث تکمیلی شامل ضوابط لرزه¬ خیزی بیان می¬گردد.
در پايان بر خود لازم مي‌دانيم از زحمات مهندس نيما شعبانيان و مهندس عليرضا حق‌طلب كه در اصلاح و پيشبرد كتاب ما را ياري رسانده‌اند تشكر و قدرداني به عمل آوريم.
قطعا این اثر نیز مشابه هر اثر دیگر دارای ایرادات و ضعف¬هایی می‌باشد که امید است با مطالعه آن توسط دانشجویان و مهندسین عزیز، مشخص گردد تا در چاپ‌های بعدی اصلاح گردد. لذا خواهشمند است هرگونه نظرات و انتقادات خود را به ایمیل مولفین جهت بهبود کتاب ارائه فرمایید.
milad-shabanian-2000@yahoo.com
arjafavi2004@gmail.com
فهرست مطالب
فصل 1 روشهاي طراحي سازه‌هاي فلزي 1
1.1 كليات 2
1.2 روش‌های طراحی 3
1.3 روشهاي آيين‌نامه‌اي 4
فصل 2 كمانش موضعي 11
2.1 كليات 12
2.2 لنگر الاستیک و پلاستیک مقطع 22
فصل 3 طراحي اعضاي كششي 31
3.1 كليات 32
3.2 طراحی یک عضو کششی 32
3.3 مقاومت کششی طرح در حالت حدي 43
3.4 مقاومت برشی قالبی در حالت حدی 46
3.5 اعضای کششی مرکب از چند نیمرخ یا نیمرخ و ورق 55
3.6 مقاومت کششی اعضای کششی با تسمه لولا شده با خار مغزی 57
3.7 مقاومت کششی اعضای کششی با تسمه سر پهن 59
فصل 4 طول موثر كمانشي 67
4.1 کلیات 68
4.2 محاسبه ضريب K 69
4.3 كليات 69
4.4 مشخصات هندسی مقاطع (یادآوری) 79
4.5 مقاومت فشاری طرح در روش حالت حدی 81
4.6 اعضاي فشاري مرکب (ساخته شده از پروفیل و ورق) 105
فصل 5 اعضاي خمشي (تيرها) 131
5.1 كليات 132
5.2 مقدمه بر طراحی حالت حدی. 133
5.3 ضریب اصلاح کمانش پیچشی- جانبی ( ) (ضریب یکنواختی لنگر) در روش حالت حدی. 135
5.4 مقاومت خمشی اسمی اعضایی با مقاطع I شکل با دو محور تقارن و ناودانی تحت خمش حول محور قوی، با اعضای، (بال و جان) فشرده 137
5.5 مقاومت خمشی اسمی اعضایی با مقاطع I شکل با دو محور تقارن و با بالهای غیرفشرده و جان فشرده حول محور قوی 145
5.6 مقاومت خمشی اسمی اعضایی با مقاطع I شکل با یک یا دو محور تقارن و با بالهای فشرده یا غیرفشرده و جان فشرده یا غیرفشرده حول محور قوی. 150
5.7 مقاومت خمشی اسمی اعضایی با مقاطع I شکل با یک یا دو محور تقارن و با بالهای فشرده یا غیر فشرده و جان لاغر حول محور قوی 159
5.8 مقاومت خمشی اسمی اعضایی با مقاطع I شکل و ناودانی حول محور ضعیف 165
5.9 مقاومت خمشی مقاطع قوطی شکل حول محورهای قوی و ضعیف 168
5.10 مقاومت خمشی اسمی اعضایی با مقاطع لوله¬ای شکل 170
5.11 مقاومت خمشی اسمی اعضایی با مقاطع سپری و نبشی جفت با بارگذاری در صفحه تقارن 174
5.12 مقاومت خمشي اسمي اعضاي با مقطع نبشي تك 179
5.13 مقاومت خمشي اسمي اعضاي با مقطع توپر دايره‌اي و چهارگوش 183
5.14 مقاومت خمشي اسمي اعضاي با مقطع نامتقارن 187
5.15 تناسبات ابعادی مقطع اعضای خمشی 190
فصل 6 طراحي اعضا براي برش 227
6.1 كليات 228
6.2 یادآوری 228
6.3 مقررات عمومی 229
6.4 مقاومت برشی اسمی 230
فصل 7 طراحي اعضاء براي تركيب نيروي محوري لنگر خمشي و پيچشي 239
7.1 كليات 240
7.2 بررسی چند موضوع مهم 241
7.3 روش تحلیل مرتبه دوم از طریق تحلیل الاستیک مرتبه اول تشدید یافته 246
7.4 روش¬های قابل قبول تحلیل و طراحی 250
7.5 طراحی اعضایی تحت اثر همزمان لنگر خمشی و نیروی محوری فشاری 256
7.6 اعضایی تحت اثر لنگر پیچشی و ترکیب پیچش، خمش، برش با یا بدون نیروی محوری 273
فصل 8 طراحي اعضاء مختلط(كامپوزيت) 281
8.1 كليات 282
8.2 مقاومت اسمي اعضاي محوری با مقطع مختلط 282
8.3 اعضاي خمشی با مقطع مختلط 311
8.4 اعضاي خمشی با مقطع مختلط و ورق فولادی (سقف عرشه فولادي) 333
فصل 9 ضوابط بهره‌برداري 359
9.1 كليات 360
9.2 خيز 360
9.3 ارتعاش 361
9.4 پیش خیز 362
فصل 10 طراحي صفحه ستون 365
10.1 كليات 366
10.2 طراحی صفحه ستون با عملکرد گیردار 368
10.3 روند طراحی صفحه ستون با فرض برقراری 369
10.4 روند طراحی صفحه ستون با فرض برقراری 391
10.5 روند طراحی صفحه ستون با فرض برقراری 395
10.6 روند طراحی صفحه ستون با خروج از مرکزیت و توزیع تنش یکنواخت 401
