كيف يتم اختيار الهياكل الفولاذية الاقتصادية للمباني والمنشآت؟
هناك العديد من أنظمة الهياكل الفولاذية الهيكلية التي يمكن للمصممين من خلالها اختيار النوع الأكثر اقتصادا لمبنى معين. كما يختلف تعقيد واقتصاد كل نظام إطار، حيث ستوفر هذه المقالة إرشادات بشأن الاختيار الاقتصادي لنظام الإطار الفولاذي الهيكلي لمبنى معين. ويجب أن تشمل الأنواع المختلفة من الإطارات الفولاذية الهيكلية الاقتصادية ما يلي:
- إطارات مثبتة في بناء بسيط.
- إطارات مثبتة مع بناء مستمر.
- إطارات تأثير غير مثبتة.
- إطارات ثبات منفصلة.
1. إطارات مثبتة في بناء بسيط:
هذا النوع من الإطارات الفولاذية هو الأكثر اقتصادا والأقل تعقيدا من بين الأنواع الأخرى. حيث تستخدم الإطارات الداعمة شعاعًا بسيطًا لتوصيلات العمود. كما أنه يوفر العديد من المزايا مثل البساطة والعوارض الاقتصادية للاتصال بالعمود والأعمدة صغيرة الحجم والكتلة.
تخضع العوارض في هذا النظام لحظات ترهل فقط، وهذا هو السبب في أن البناء المركّب سيكون مناسبًا إلى حد كبير للاستخدام. كما يمكن استخدام التحليل البسيط للإطار الفولاذي لأن الهيكل محدد لهذا السبب يمكن تحسين كل من العوارض والأعمدة بسهولة.
بصرف النظر عن المزايا المقدمة، هناك عدد من العيوب. على سبيل المثال، ستكون العوارض في الإطارات المقواة مكلفة إذا كانت إمكانية الخدمة تحكم تصميم إطار الهيكل الفولاذي. كما أنه ليس خيارًا مناسبًا للهيكل الصغير الحجم عندما يكون التصميم محكومًا بالقوة.
يزداد حجم عنصر الدعامة مع زيادة ارتفاع المبنى ويزداد عدد الطوابق. وهذا قد يجعل عنصر التدعيم غير اقتصادي. لذلك، من الضروري أن تتناسب مع عناصر التدعيم بعناية.
2. إطارات مثبتة مع بنية مستمرة:
هذا النوع من الإطارات الفولاذية مناسب اقتصاديًا للحالة التي تتحكم فيها صلابة الأرضيات في التصميم. حيث أن الاعتبارات التي يجب مراعاتها هي نفسها تلك الخاصة بالإطارات المقواة ذات البناء البسيط.
يعتبر الإطار ذو الدعامات ذات البناء البسيط أكثر اقتصادا من الإطار الداعم مع البناء المستمر. حيث تتمثل إحدى أهم مزايا الإطارات المقواة مع البناء المستمر في أن صلابة نظام الأرضية قد تحسنت بشكل كبير بسبب تواصل العارضة مع وصلات العمود.
ومع ذلك، فإنّ اتصال العارضة المستمرة بالعمود غير اقتصادي ويجب أن تكون كتلة الأعمدة الخارجية كبيرة إلى حد كبير لتكون قادرة على تحمل اللحظات المفروضة. أخيرًا، لا يمكن تحسين العارضة والأعمدة بسبب طريقة التحليل المعقدة المناسبة لهذا النظام.
3. إطارات تأثير غير مثبتة:
يؤخذ في الاعتبار نظام إطار التأرجح غير المدعم عندما لا يمكن استخدام نظام التدعيم لأنه غير ممكن من الناحية المعمارية. لذلك، يجب استخدام نظام إطار فولاذي صلب جزئيًا أو مستمر لمقاومة القوى الأفقية. ولكن يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن بناء إطار شبه صلب مكلف للغاية.
علاوة على ذلك، فإنّ تعقيد وتكلفة إطار التأرجح غير المدعم أكبر من كلٍّ من البناء البسيط والمدعوم بإطار البناء. ولجعل إطارات التأثير غير المدعمة اقتصادية، يلزم تغيير حجم العناصر الهيكلية بشكل صحيح. حيث يمكن إنشاء التكوين المعماري دون استخدام عناصر تقوية.
على الرغم من هذه الميزة، هناك بعض العيوب التي يجب أن يأخذها المصممون في الاعتبار. على سبيل المثال، اتصال الحزمة بالعمود ليس بسيطًا ولا اقتصاديًا، يجب استخدام الأعمدة الخارجية ذات الكتل الكبيرة لتحمل اللحظات المطبقة، ولا يمكن تحسين حجم العناصر الفولاذية الهيكلية بسهولة لأن التحليل معقد إلى حد كبير.
4. إطارات ثبات منفصلة:
يعتبر من أكثر أنواع الإطارات الفولاذية تعقيدًا وتعقيدًا مقارنة بالآخرين الموضحة أعلاه. ومن الناحية المعمارية، يُعد إطار الاستقرار القوي المنفصل مناسبًا لتحمل القوى الأفقية وتوفير الاستقرار الكافي.
من الضروري استخدام عوارض وأعمدة قوية إلى حد كبير لأن إطار الاستقرار المنفصل يجب أن يوفر صلابة كاملة وكافية ومقاومة للتأرجح. وعندما يتم النظر في إطارات الاستقرار المنفصلة، فإنّ الأعمدة القوية تحتاج إلى دعم اللحظات المطبقة وقد يتم تقليل توصيل العوارض إلى العمود.
وبالتالي، سيتم إنشاء إطار أكثر اقتصادا مقارنة بالحالة التي يتم فيها تخصيص هيكل الإطار بالكامل لمقاومة القوة الأفقية لأن جميع الحزم والأعمدة يجب أن تكون قوية في هذه الحالة. علاوة على ذلك، يمكن إنشاء التكوينات المعمارية بدون دعامة مثلثة. كما تعتبر توصيلات العوارض إلى العمود في إطار جزئي مكلفة ومعقدة.
لا يمكن تحسين حجم العناصر الفولاذية بسبب تعقيد التحليل المستخدم. حيث يجب أن تكون كتل الأعمدة الخارجية في إطار جزئي كبيرة إلى حد كبير لتكون قادرة على تحمّل اللحظة.
