فرمول محاسبه ستون فلزی
فهرست مطالب
فرمول محاسبه ابعاد ستون فلزی در سازه ها
متریال استفاده شده در ساخت ستون‌ها
دستورالعمل ساخت ستون فلزی
ستون فلزی در سازه چیست؟
بررسی انواع ناپایداری‌ها و کمانش در ساخت ستون
فرمول محاسبه ستون فلزی با پایداری بالا
فرمول محاسبه ابعاد ستون فلزی در سازه ها
در ابتدا باید با مفهوم ستون‌ها آشنا شوید. ستون‌ها در سازه بخش‌هایی هستند که وظیفه‌ی انتقال بار به زمین و همینطور به تعادل رساندن بارهای وارد بر سازه را برعهده دارند. پس اگر بخواهید اقدام به ساخت هر نوع سازه ای بکنید، در ابتدا باید به فرمول محاسبه ستون فلزی در سازه بپردازید. برای این کار فرمول‌ها خاصی وجود دارد که در ادامه با آن‌ها آشنا می‌شوید.
وظیفه‌ی دیگری که ستون‌ها در سازه دارند تحمل بار فشاری در سازه است. فرض کنید فشاری بر سازه اعامل شده است در این شرایط اگر ستون‌های ساختمان قوی نباشند، امکان مقابله با این فشارها فراهم نمی‌شود. پس برای داشتن یک سازه‌ی مستحکم و با مقاومت بالا، لازم است که ستون‌های قوی برای سازه تعبیه شود.
ساخت هرگونه ستون در سازه باید طبق قوانین و آیین نامه‌های تعیین شده از جانب سازمان نظام ساخت و ساز کشوری تعیین شود. ستون در سازه باید در برابر زلزله پایداری خود را حفظ کند تا باعث آوار شدن و تخریب بخش‌های مختلف سازه به خصوص سقف‌ها نشود. همین امر باعث شده است که از فرمول فرمول محاسبه ستون فلزی بهره گرفته شود.
متریال استفاده شده در ساخت ستون‌ها
برای ساخت ستون‌های فلزی در سازه باید از مقاطع مختلف فولادی از جمله تیرآهن، ورق، میلگرد و سنگ آهن استفاده شود. به همین دلیل قیمت هر کدام از این مقاطع فولادی تاثیر زیادی بر هزینه‌ی تمام شده در پروژه دارند. اگر شما قصد ساخت و ساز دارید و از نحوه محاسبه ستون‌های سازه اطلاعاتی ندارید، حتما تا انتها با همکار آهن همراه شوید.
دستورالعمل ساخت ستون فلزی
برای اینکه در سازه فلزی ستونی احداث شود، آیین نامه‌های داخلی و بین المللی خاصی تعبیه شده است. یکی از مهم ترین آیین نامه‌های داخلی که برای ساخت و ساز تعبیه شده است، مبحث ششم مقررات ملی ساختمان است. این مبحث تمامی بارهایی که بر سازه وارد می‌شوند را مورد بررسی قرار می‌دهد. این مورد را در نظر داشته باشید که هر چه میزان بار وارده بر سازه افزایش یابد، نحوه‌ی طراحی ستون نیز متفاوت خواهد بود.
آیین نامه داخلی دیگری که باید آن را بدانید مبحث دهم مقررات ملی ساختمان است. این قانون به نحوه ی اجرای سازه‌های فلزی پرداخته است. در این مبحث هر آنچه که برای ساخت یک سازه یا ساختمان فلزی نیاز داشته باشید؛ وجود دارد. در این قانون تمام جزئیات برای فرمول محاسبه ستون فلزی در سازه آمده است.
یک آیین نامه دیگر نیز وجود دارد که بیشتر بر روی مباحث زلزله تاکید دارد. این آیین نامه به استاندارد 2800 مشهور است. در حالت کلی ستون‌های سازه فلزی باید در برابر فشارهای وارده بر آن مقاوم باشد. در شرایط وقوع زلزله یکسری فشارهای اضافه تری بر سازه وارد می‌شود که برای تحمل آن‌ها باید نوعی از تمهیدات ویژه اعمال شود. به این تمهیدات مقاومت سازه در برابر زلزله می‌گویند.
برای طراحی سازه‌هایی به سبک مدرن و امروزی نیازمند وجود دسته‌ای دیگر از آیین نامه‌ها یعنی آیین نامه‌های بین المللی است. این دسته از قوانین هم برای طراحی و هم برای اجرای ستون در سازه استفاده می‌شود. از جمله مهم ترین آیین نامه‌های بین المللی در این زمینه می‌توان به استاندارد اروپا Eurocode 3 – EN1993، استاندارد بریتانیا و استاندارد آمریکا با نام ANSI/AISC-360 اشاره کرد. لازم به ذکر است که سایر آین نامه‌های بین المللی استفاده‌ی کمتری در ایران دارند.
باید گفت که رعایت تمامی این استانداردها برای این مورد است که ستون‌های سازه در برابر انواع بارها از جمله بار فشاری و کمانش مقاوم باشد. اگر این مقاومت‌ها در هنگام ساخت ستون به درستی اعمال شود، این عضو مهم در سازه دیگر دچار شکست یا خمش نمی‌شود. پس با در نظر گرفتن این مورد برای فرمول محاسبه ستون فلزی در سازه عملیات راحت تری خواهید داشت.
قبل از اینکه بخواهیم به بررسی فرمول محاسبه انواع ستون در سازه بپردازیم لازم است با مفاهیم پایه‌ای دیگری آشنا شوید. این مفاهیم کمک زیادی در اجرای درست ستون برای سازه می‌کند و با بهره گیری از آن‌ها می‌تواند طراحی هوشمندانه‌ای داشته باشید.
ستون فلزی در سازه چیست؟
ستون‌های فلزی در سازه‌ها نقش حیاتی در انتقال بارهای عمودی به پی ساختمان دارند و به‌عنوان اجزای اصلی در سازه‌های فلزی و مختلط استفاده می‌شوند. این ستون‌ها از فولاد ساخته شده و به دلیل خواص مکانیکی بالا، توانایی تحمل بارهای سنگین را دارند. ستون‌های فلزی معمولاً به شکل‌های مختلفی مانند مقاطع H، I، و مربعی طراحی می‌شوند که هر کدام بسته به نوع بارگذاری و شرایط سازه‌ای کاربرد خاصی دارند. این ستون‌ها مقاومت بالایی در برابر نیروهای فشاری دارند و با استفاده از جوش، پیچ و مهره به دیگر اجزای سازه متصل می‌شوند. همچنین، ستون‌های فلزی در برابر زلزله و نیروهای جانبی مقاومت خوبی نشان می‌دهند. با این حال، نیاز به پوشش‌های ضد حریق و ضد زنگ دارند تا در شرایط خاص از خرابی جلوگیری شود. استفاده از ستون‌های فلزی در سازه‌ها سرعت ساخت را نیز افزایش می‌دهد.
بررسی انواع ناپایداری‌ها و کمانش در ساخت ستون
کمانش در زبان انگلیسی Buckling است. کمانش در حقیقت نوعی رفتار در ستون سازه ها است. در حقیقت این مفهوم فقط محدود به ستون‌های سازه نیست و تمامی اعضایی که فشار را تحمل کنند مثل، دیوارها، مهار بند و حتی ستون‌ها گفته می‌شود. رفتاری که این اعضا در برابر انواع فشارها و بارهای وارده از خود نشان می‌دهند را کمانش می‌گویند.
اعضاهایی که در سازه تحت تنش قرار می‌گیرند یا به اصطلاح فشاری را تحمل می‌کنند، اگر مقاومت بالایی نداشته باشند دچار شکت می‌شوند و علاوه بر آسیبی که به خودشان وارد می‌شود، به سایر بخش‌هخا نیز آسیب وارد می‌کنند. این اعضا پیش از آن که به بالاترین حد از مقاومت فشاری خود برسند، یعنی در مرحله‌ای که تنش فشاری بر آن‌ها وارد می‌شود، تحت اثری که نیروی کمانش بر آن‌ها می‌گذارد دچار شکست می‌شوند.
در این بین برای فرمول محاسبه ستون فلزی در سازه باید این مورد در نظر گرفته شود؛ زیرا مقاومت ستون در برابر تنش‌های تسلیمی امر مهمی در حفظ ثبات و یکپارچگی سازه دارد. مقاومت فشاری به ظرفیت تحملی که یک جسم در برابر انواع نیروهای فشاری که به صورت محوری بر سازه وارد می‌شوند؛ می‌گویند. این مورد را در نظر بگیرید زمانی که فشار و نیرویی به حدی باشد که بالاتر از آستانه‌ی مقاومت فشاری ماده قرار بگیرد، آن جسم به طور کامل از بین می‌رود. این مورد را نیز باید گفت که اندازه گیری میزان و مقدار مقاومت فشاری با روش‌ها و آزمایش‌های خاصی صورت می‌پذیرد.
معمولا در ساخت ستون‌های سازه از تیراهن استفاده می‌شود. البته از انواع میلگرد ساده نیز در ساخت ستون بهره گرفته می‌شود که بسته به ارتفاع آن نوع میلگرد متفاوت خواهد بود. برای ساخت اغلب ستون‌های فلزی از تیرآهن لاغر استفاده می‌شود. برای مفهوم تیرآهن لاغر باید گفت که اگر طول تیران از حد معمول خود بلندتر باشد و یا سطح مقطع آن بسیار کوچکتر از حد معمول باشد؛ این نام را به آن می‌دهند. اگر از تیرآهن لاغر به مقدار زیاد استفاده شود، در صورت وارد شدن فشارهای بیش از حد به ساده امکان وقوع پدیده‌ی کمانش در آن ستون بیشتر می‌شود. توجه داشته باشید برای ساخت ستون به صورت اصولی و درست نیاز است که از تیرآهن لاغر و معمولی به تناسب استفاده شود. این امر نیز یکی از مهم ترین مباحث در هنگام فرمول محاسبه ستون فلزی در سازه است.
برای اینکه بهتر این موضوع قابل درک شود، به ارائه‌ی یک مثال می‌پردازیم، یک سازه‌ای را در نظر بگیرید که با استفاده از ماکارونی ساخته شده باشد. اگر سه طول مختلف 10، 20، 30 سانتی متر داشته باشیم و روی هر کدام از این طول‌های وزنه‌‌ی 100 گرمی بگذاریم، قطعا سازه‌ی 30 سانتی متری دچار کمانش شدیدتری می‌شود و احتمال شکست آن افزایش می‌یابد. حالا اگر در مرحله‌ی بعد هر سه طول‌ها را به یکدیگر نزدیک تر کنیم به طوری که به یکدیگر چسبیده باشند؛ در این شرایط تاثیر نیروی کمانش بر این سازه های ماکارونی به حد قابل توجهی کاش می‌یابد. در این مثال به خوبی می‌توان تاثیر طول و سطح مقطع را بر روی نیروی کمانش مشخص کرد. دقیقا همان چیزی که برای تیرآهن‌هایی با طول زیاد و سطح مقطع کم گفتیم.
محاسبه ستون فلزی با پایداری بالا
اولین و اصلی ترین فرمولی که برای محاسبه‌ی ستون‌های فلزی سازه از آن استفاده می‌شود، مربوط به مقاومت فشاری آن ساختمان است. در این فرمول دو معیار مهم یعنی فشار وارده بر سازه و ستون فلزی سطح مقطع در نظر گرفته می‌شود. عددی که در نهایت از این فرمول به دست می‌ِآید نشان دهنده مقاومت فشاری است که بر سطح مقطع ستون اعمال می‌شود. بعد از اینکه عدد حاصل را به دست آوردیم، این مقدار را با مقاومت فشاری سازه که از قبل اندازه گیری کرده بودیم مقایسه می‌کنیم در این شرایط، می‌توان نتیجه گرفت که آیا مقاومت فشاری برای ستون سازه مشکل ساز می‌شود؟
در حالت کلی فرمولی که برای تعیین مقدار مقاومت فشاری ستون مورد استفاده قرار می‌گیرد برای محاسبه تیر و ستون فلزی؛ به قرار زیر خواهد بود: σ = P/A در این فرمول، P نشان دهنده‌ی نیروهایی است که بر ستون‌های سازه وارد می‌شود. این نیرو بر حسب کیلو نیوتن برآورد می‌شود. A نیز سطح مقطع بر حسب متر است. به این مورد توجه کنید که در بعضی شرایط، ستون‌های سازه به صورت توخالی ساخته می‌شوند. برای فرمول محاسبه ستون فلزی در شرایطی که زا ستون‌های توخالی استفاده شده باشد باید مساحت بخش داخلی از مساحت بخش خارجی کم شود.
فرض کنید یک ستون توخالی دارید که بخش داخلی آن ارتفاع 5 متر و طولی برابر با 100 میلی متر دارد. بخش خارجی این ستون به شکل مربع با اضلاع 120 میلی متر باشد، عدد A در فرمول، 0/0044 متر مربع خواهد بود. توجه داشته باشید اگر بر این ستون فشاری معادل با 250 کیلو پاسکال اعمال شود، σ نهایی آن چیزی حدود 57000 کیلو نیوتون بر متر مربع می‌شود. حالا این عدد بدست آمده ( یعنی 57000) را با 250 مقایسه می‌کنید و نتیجه گیری این خواهد شد: " ستون مقاومت خوبی در برابر انواع فشارها و نیروهای وارده دارد و دچار شکستگی نمی‌شود".