مبحث دهم مقررات ملی ساختمان: راهنمای جامع طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی

مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران، با عنوان “طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی”، مرجع فنی اصلی برای طراحی، ساخت و نصب سازه‌های فولادی در کشور است. با توجه به مزایای فولاد از جمله مقاومت بالا، سرعت اجرا و قابلیت شکل‌پذیری، استفاده از این نوع سازه‌ها در ساختمان‌های مختلف رایج است. مبحث دهم با ارائه ضوابط دقیق برای مصالح، تحلیل، طراحی اعضا و اتصالات، ساخت، نصب و کنترل کیفیت، چارچوبی جامع برای تأمین ایمنی، قابلیت بهره‌برداری و دوام سازه‌های فولادی فراهم می‌کند.

الزامات طراحی در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان

۱. کلیات و مبانی طراحی

دامنه کاربرد: این مبحث طراحی، اجرا و کنترل سازه‌های فولادی گرم‌نورد شده، شامل اعضا و اتصالات آن‌ها را پوشش می‌دهد.
مصالح: مشخصات فولادهای ساختمانی (انواع، رده‌بندی بر اساس تنش تسلیم و مقاومت نهایی)، پیچ‌ها (معمولی و پرمقاومت)، مصالح جوش (الکترود، سیم جوش) و سایر مصالح مرتبط باید مطابق استانداردهای مورد تایید (اشاره شده در مبحث پنجم و فصل دوم این مبحث) باشند.
مبانی طراحی:
- حالات حدی: طراحی بر اساس دو حالت حدی اصلی انجام می‌شود: حالت حدی مقاومت (تأمین ایمنی در برابر گسیختگی یا کمانش) و حالت حدی بهره‌برداری (کنترل تغییرشکل، ارتعاش و …).
- روش‌های طراحی: دو روش مجاز است:
  - روش حالات حدی یا LRFD (ضرایب بار و مقاومت): مقاومت مورد نیاز (Ru) ≤ مقاومت طراحی (φRn). از ضرایب بار (طبق مبحث ۶) و ضرایب کاهش مقاومت (φ) استفاده می‌شود. این روش، روش اصلی و ارجح این مبحث است.
  - روش تنش مجاز یا ASD: مقاومت مورد نیاز (Ra) ≤ مقاومت مجاز (Rn/Ω). از بارهای بدون ضریب و ضرایب اطمینان (Ω) استفاده می‌شود.
- ترکیب بارها: ترکیب بارهای مختلف (مرده، زنده، باد، زلزله و…) مطابق مبحث ششم برای هر دو روش طراحی باید در نظر گرفته شود.
- طبقه‌بندی مقاطع: مقاطع فولادی بر اساس نسبت پهنا به ضخامت اجزای فشاری (بال و جان) به سه دسته فشرده، غیرفشرده و لاغر تقسیم می‌شوند. این طبقه‌بندی در تعیین مقاومت خمشی و فشاری و نیاز به مهاربندی مؤثر است.

۲. طراحی اعضا

اعضای کششی: طراحی بر اساس دو حالت حدی کنترل می‌شود:
- تسلیم مقطع کلی: نیروی کششی مورد نیاز ≤ مقاومت تسلیم طراحی (φt Ag Fy یا Ag Fy / Ωt).
- گسیختگی مقطع خالص مؤثر: نیروی کششی مورد نیاز ≤ مقاومت گسیختگی طراحی (φt Ae Fu یا Ae Fu / Ωt). (Ae سطح مقطع خالص مؤثر با لحاظ اثر تأخیر برش).
- گسیختگی برش قالبی (Block Shear): کنترل گسیختگی ترکیبی برشی و کششی در انتهای عضو و اتصالات.
اعضای فشاری (ستون‌ها): طراحی بر اساس مقاومت فشاری طراحی (φc Pn یا Pn / Ωc) که با در نظر گرفتن کمانش کلی عضو (خمشی، پیچشی یا خمشی-پیچشی) تعیین می‌شود. مقاومت فشاری اسمی (Pn) به نسبت لاغری مؤثر (KL/r)، تنش تسلیم (Fy) و تنش کمانش الاستیک (Fe) بستگی دارد. طول مؤثر (KL) با استفاده از ضریب طول مؤثر (K) تعیین می‌شود. ضوابط خاص برای اعضای ساخته شده (مرکب).
اعضای خمشی (تیرها): طراحی بر اساس مقاومت خمشی طراحی (φb Mn یا Mn / Ωb) که با در نظر گرفتن حالات حدی زیر تعیین می‌شود:
- تسلیم: برای مقاطع فشرده با مهار جانبی کافی.
- کمانش جانبی-پیچشی (LTB): برای مقاطع غیرفشرده یا مقاطع فشرده با طول مهار نشده زیاد. مقاومت به طول مهار نشده (Lb)، شکل مقطع و نوع بارگذاری بستگی دارد.
- کمانش موضعی بال (FLB) و کمانش موضعی جان (WLB): برای مقاطع غیرفشرده یا لاغر.
اعضای تحت برش: طراحی بر اساس مقاومت برشی طراحی (φv Vn یا Vn / Ωv) که عمدتاً توسط جان مقطع تأمین می‌شود. در نظر گرفتن پدیده کنش میدان کششی (Tension Field Action) برای افزایش مقاومت برشی در تیرورق‌ها با سخت‌کننده‌های عرضی.
اعضای تحت نیروهای ترکیبی و پیچش:
- ترکیب نیروی محوری و خمش: استفاده از معادلات اندرکنش برای کنترل مقاومت تحت ترکیب بار محوری (کششی یا فشاری) و لنگر خمشی (یک یا دو محوره). در نظر گرفتن اثرات مرتبه دوم (P-Δ و P-δ).
- ترکیب برش و خمش: در مقاطعی که مقاومت برشی زیادی نیاز است، ممکن است مقاومت خمشی کاهش یابد.
- پیچش: طراحی برای ترکیب پیچش با سایر نیروها (خمش، برش، محوری).

۳. طراحی اتصالات

اصول کلی: اتصالات باید مقاومت و سختی کافی برای انتقال نیروها بین اعضا را داشته باشند. انواع اتصالات از نظر رفتار: ساده (مفصلی)، صلب (گیردار) و نیمه‌صلب.
جوش‌ها:
- انواع: شیاری، گوشه، کام، انگشتانه.
- طراحی: محاسبه مقاومت طراحی جوش (φ Rn یا Rn / Ω) بر اساس نوع جوش، اندازه، طول مؤثر و مقاومت فلز جوش و فلز پایه.
- الزامات: انتخاب الکترود مناسب، رعایت جزئیات اجرایی (آماده‌سازی، پیش‌گرمایش).
پیچ‌ها:
- انواع: معمولی (رده‌های ۴.۶، ۵.۶، …) و پرمقاومت (رده‌های ۸.۸، ۱۰.۹).
- طراحی: کنترل مقاومت کششی و برشی طراحی پیچ (φ Rn یا Rn / Ω). کنترل مقاومت اتکایی و پارگی ورق در محل سوراخ پیچ.
- اتصالات اتکایی: انتقال برش از طریق تماس بدنه پیچ با جداره سوراخ.
- اتصالات اصطکاکی (لغزش بحرانی): انتقال برش از طریق اصطکاک بین سطوح اتصال، تحت نیروی پیش‌تنیدگی در پیچ‌های پرمقاومت. مقاومت لغزش به ضریب اصطکاک، نیروی پیش‌تنیدگی و تعداد سطوح تماس بستگی دارد. الزامات پیش‌تنیدگی و آماده‌سازی سطح.
عناصر اتصال (ورق اتصال، نبشی و…): طراحی برای نیروهای وارده (کشش، فشار، برش، خمش) و کنترل گسیختگی برش قالبی.
انواع گره‌های سازه‌ای: طراحی اتصالات مفصلی (برشی)، اتصالات گیردار (خمشی)، اتصالات مهاربندها، کف ستون‌ها و میله‌های مهار (انکربولت‌ها).

۴. دیافراگم‌ها و جمع‌کننده‌ها:

دیافراگم: کف‌ها و سقف‌ها باید برای عملکرد به عنوان دیافراگم (انتقال نیروهای جانبی به سیستم باربر جانبی) طراحی شوند. کنترل مقاومت و سختی دیافراگم.
جمع‌کننده‌ها (کلکتور): اعضایی که نیروهای دیافراگم را جمع‌آوری و به سیستم باربر جانبی منتقل می‌کنند.

۵. تحلیل و طراحی پایداری

الزامات عمومی: در نظر گرفتن الزامی اثرات تغییرشکل‌های سازه بر توزیع نیروها (اثرات مرتبه دوم P-Δ و P-δ).
روش‌های تحلیل:
- روش تحلیل مستقیم (Direct Analysis Method): روش ارجح که مستقیماً اثرات مرتبه دوم و ناکاملی‌های اولیه (هندسی و مصالح) را در تحلیل لحاظ می‌کند. نیاز به کاهش سختی اعضا در تحلیل و استفاده از بارهای فرضی جانبی (Notional Loads) دارد. طول مؤثر (K) برابر ۱ در نظر گرفته می‌شود.
- روش طول مؤثر (Effective Length Method): روش سنتی که از ضریب طول مؤثر (K) برای محاسبه مقاومت فشاری ستون‌ها استفاده می‌کند و اثرات مرتبه دوم با استفاده از تحلیل مرتبه دوم یا روش‌های تقریبی (مانند ضریب B1 و B2) منظور می‌شود.
- روش تحلیل مرتبه اول: فقط برای سازه‌های خاص و با محدودیت‌های زیاد مجاز است.
الزامات مهاربندی: تأمین مهاربندی کافی برای جلوگیری از کمانش اعضای فشاری (ستون‌ها) و اعضای خمشی (تیرها). محاسبه مقاومت و سختی لازم برای سیستم مهاربندی (جانبی و پیچشی).

۶. طراحی برای بهره‌برداری

کنترل تغییرشکل: محدود کردن خیز قائم تیرها و دال‌ها و تغییر مکان جانبی نسبی طبقات (Drift) تحت بارهای سرویس برای جلوگیری از آسیب به اجزای غیرسازه‌ای و تأمین آسایش بهره‌برداران.
کنترل ارتعاش: طراحی کف‌ها برای جلوگیری از ارتعاش نامطلوب ناشی از راه رفتن یا فعالیت‌ها.
پیش‌خیز (Camber): ایجاد خیز اولیه در تیرها برای جبران خیز ناشی از بار مرده.
کنترل آب‌ماندگی (Ponding): بررسی پایداری سقف‌های کم‌شیب در برابر تجمع آب باران یا برف ذوب‌شده.

۷. خستگی:

طراحی برای مقاومت در برابر بارهای تکرارشونده (مانند جراثقال‌ها، پل‌ها) با کنترل دامنه تنش در جزئیات حساس به خستگی.

۸. ضوابط لرزه‌ای

کلیات: طراحی سازه‌های فولادی در مناطق لرزه‌خیز باید علاوه بر الزامات عمومی، ضوابط ویژه لرزه‌ای (مطابق فصل ۱۰ این مبحث، استاندارد ۲۸۰۰ و مبحث ۶) را برآورده کند تا شکل‌پذیری و اتلاف انرژی کافی تأمین شود.
سیستم‌های باربر لرزه‌ای:
- قاب‌های خمشی: معمولی (OMF)، متوسط (IMF)، ویژه (SMF).
- قاب‌های مهاربندی شده: همگرا (معمولی OCBF، ویژه SCBF)، واگرا (EBF).
- سیستم دیوارهای باربر فولادی.
- سیستم‌های ترکیبی.
الزامات ویژه: هر سیستم لرزه‌ای دارای الزامات خاصی برای مصالح (نسبت مقاومت کششی به تسلیم، محدودیت تنش تسلیم)، طراحی اعضا (نسبت لاغری، مهاربندی جانبی، مقاطع فشرده لرزه‌ای)، طراحی اتصالات (مقاومت و شکل‌پذیری کافی، الزامات جوش و پیچ)، طراحی چشمه اتصال (در قاب‌های خمشی)، الزامات وصله ستون‌ها و طراحی کف ستون‌ها است. تأکید بر اصول طراحی ظرفیتی (Capacity Design) برای اطمینان از وقوع مفاصل پلاستیک در محل‌های مورد نظر (معمولاً تیرها).

الزامات ساخت، نصب و کنترل در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان

۹. مصالح

دریافت و نگهداری: کنترل گواهینامه فنی مصالح، تطابق با مشخصات طرح، جداسازی و علامت‌گذاری، نگهداری مناسب برای جلوگیری از آسیب و زنگ‌زدگی.
ردیابی مصالح: امکان شناسایی قطعات و مصالح به کار رفته در سازه.

۱۰. ساخت

آماده‌سازی: نقشه‌های کارگاهی دقیق، صافکاری و تمیزکاری قطعات.
برشکاری: روش‌های مجاز (حرارتی، مکانیکی)، کنترل کیفیت لبه‌های برش.
سوراخکاری: روش‌های مجاز (مته، پانچ)، کنترل ابعاد و موقعیت سوراخ‌ها.
صافکاری و خم‌کاری: کنترل دما و شعاع خمش.
مونتاژ پیچی: رواداری‌های مجاز، استفاده از واشر مناسب.
مونتاژ جوشی: رعایت دستورالعمل جوشکاری (WPS)، کنترل پیش‌گرمایش، توالی جوشکاری، کنترل اعوجاج.
رواداری‌های ساخت: حدود مجاز برای ابعاد قطعات ساخته‌شده.

۱۱. نصب

شرایط کارگاه: کفایت فضای کار، دسترسی ایمن، شرایط مناسب جوی.
روش نصب: ارائه طرح نصب دقیق شامل توالی نصب، مهاربندی موقت و تجهیزات.
پایداری حین نصب: تأمین پایداری سازه در تمام مراحل نصب با استفاده از مهاربندی‌های موقت.
تنظیم و رواداری‌ها: کنترل شاقولی بودن ستون‌ها، تراز بودن تیرها و رواداری‌های مجاز نصب.
اتصالات کارگاهی: اجرای جوشکاری و پیچ‌کاری در محل مطابق ضوابط.
نصب کف ستون: تمیزکاری سطح بتن، استفاده از گروت مناسب (با انبساط کنترل‌شده یا بدون جمع‌شدگی) و تراز دقیق صفحه کف ستون.

۱۲. کنترل کیفیت و بازرسی

برنامه کنترل کیفیت: تدوین برنامه جامع شامل مراحل بازرسی و آزمایش‌ها.
صلاحیت‌ها: تأیید صلاحیت جوشکاران، بازرسان جوش و آزمایشگاه‌ها.
بازرسی اتصالات پیچی: کنترل نوع و مشخصات پیچ و مهره و واشر، پیش‌تنیدگی پیچ‌های پرمقاومت (با روش‌های آچارکشی مدرج، چرخش مهره و …)، بازرسی چشمی و گشتاورسنجی.
بازرسی اتصالات جوشی: بازرسی چشمی (قبل، حین و بعد از جوشکاری)، آزمایش‌های غیرمخرب (NDT) شامل تست مایع نافذ (PT)، ذرات مغناطیسی (MT)، اولتراسونیک (UT) و رادیوگرافی (RT) بر اساس اهمیت اتصال و الزامات طرح. معیارهای پذیرش عیوب جوش.
گزارش‌دهی: ثبت نتایج بازرسی‌ها و آزمایش‌ها.
عدم انطباق و تعمیرات: رویه‌های مشخص برای برخورد با موارد عدم انطباق و انجام تعمیرات لازم.

مطالعه بیشتر:

نتیجه‌گیری:

مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، به عنوان آیین‌نامه مرجع برای سازه‌های فولادی، با پوشش دادن طیف وسیعی از موضوعات از مشخصات مصالح و اصول تحلیل و طراحی گرفته تا الزامات دقیق ساخت، نصب و کنترل کیفیت، نقشی اساسی در ارتقای سطح فنی و ایمنی ساختمان‌های فولادی در ایران دارد. این مبحث با معرفی روش‌های نوین تحلیل پایداری و ارائه ضوابط لرزه‌ای دقیق برای سیستم‌های مختلف سازه‌ای، مهندسان را در طراحی سازه‌های فولادی مقاوم، شکل‌پذیر و کارآمد یاری می‌کند. پایبندی به الزامات این مبحث توسط طراحان، سازندگان، نصابان و ناظران، تضمین‌کننده عملکرد مطلوب و ایمن سازه‌های فولادی در برابر بارهای وارده خواهد بود.