عرشه­ها و پانل­های باربر می­توانند سطوح مناسبی برای ساخت کف­ها، سقف­ها و دیوارها فراهم آورد.

عرشه­ها و پانل­های باربر نه تنها در برابر بارهای عمود بر سطوح آن­ها مقاومت می­ کنند، بلکه می­توانند به عنوان دیافراگم­های برشی برای مقاومت در برابر نیروی داخل صفحه­ای آن­ها، درصورتی­که به اندازه کافی و به خوبی به هم و به اعضای تکیه­گاهی متصل باشند، عمل کنند.]۲۳[
شکل ۴-۱: مقاطع سرد­نورد شده
در مقایسه با سایر مصالح، برای فولاد سرد نورد شده می­توان خصوصیات متعددی از جمله سبکی، مقاومت و سختی بالا، کیفیت یکنواخت، قابلیت بازیافت مصالح و غیره را متصور شد.
ترکیب مزیت­های فوق می ­تواند منجر به صرفه­جویی اقتصادی قابل توجه در ساخت شود.

تعریف اصطلاحات عمومی

اصطلاحات تعریف­شده در زیر در طراحی فولاد سرد نورد شده استفاده می­ شود ]۲۳[:

جزء فشاری سخت­نشده^[۴۲] :

یک جزء فشاری سخت­نشده، جزء فشاری تختی است که فقط در یک لبه موازی جهت تنش سخت شده باشد. علاوه برآن، بخشی از ورق پوششی در مقطع ساخته­شده به طرف بیرون از مرکز اتصال نیز به عنوان جزء فشاری سخت­نشده در نظر گرفته می­ شود چناچه فواصل وسایل اتصال به اندازه کافی به هم نزدیک باشد.

شکل ۴-۲: جزء فشاری سخت­نشده

جزء فشاری سخت­شده یا قسمتی سخت­شده^[۴۳] :

یک جزء فشاری سخت­شده یا قسمتی سخت­شده، جزء فشاری تختی است که در هر دو لبه موازی جهت تنش به وسیله جان، بال، لبه سخت کننده، سخت کننده میانی یا موارد مشابه سخت شده باشد.

شکل ۴-۴: جزء فشاری سخت­شده چندگانه
شکل ۴-۳: جزء فشاری سخت­شده

جزء سخت­شده چند­گانه^[۴۴] :

یک جزء سخت­شده چند­گانه جزئی است که بین جان­ها، یا بین جان و لبه سخت­کننده، به وسیله سخت­کننده­ های میانی که موازی جهت تنش هستند، سخت شده باشد. بخش بین سخت­کننده­ها یا بین جان و سخت­کننده میانی یا بین لبه و سخت­کننده­ های میانی زیر جز^[۴۵] نامیده می­ شود.
زیرجزء

عرض تخت^[۴۶] :

عرض تخت که در طراحی اعضای فولادی سرد نورد استفاده می­ شود، عرض قسمت تخت جزء بوده و شامل بخش خم­شده مقطع نمی ­باشد. برای بال­های غیر سخت­شده، عرض تخت w عرض پیش آمده بال می­باشد که از انتهای خم نزدیک جان تا لبه آزاد بال اندازه ­گیری می­ شود.

شکل ۴-۵: عرض تخت

عرض موثر طراحی^[۴۷] :

عرض موثر طراحی ،b، عرض کاهش ­یافته طراحی برای محاسبه خواص مقطع اعضای خمشی و فشاری می­باشد، چنانچه نسبت عرض تخت به ضخامت جزء از حد مشخصی تجاوز کند.

شکل ۴-۶: عرض موثر طراحی

شکل­پذیری فولاد سرد نورد شده

شکل­پذیری به صورت «محدوده­ای که مصالح می ­تواند تغییر شکل پلاستیک را بدون پارگی تحمل کند» تعریف می­ شود. شکل­پذیری نه تنها در مرحله شکل دادن مورد نیاز است، بلکه برای باز توزیع تنش پلاستیک در اعضا و اتصالات، هنگامی که تمرکز تنش وجود داشته باشد، لازم است. شکل­پذیری مورد نیاز برای اعضای سازه­ای سرد نورد شده اساسا بستگی به نوع کاربرد و مناسب بودن مصالح دارد.]۲۳[
شکل­پذیری می ­تواند توسط آزمایش کشش، آزمایش خمش و آزمایش ضربه در قطعه دارای شکاف، اندازه ­گیری می­ شود. میزان تغییر طول نسبی ماندگار قطعه در آزمایش کشش به طور وسیع برای نشان دادن شکل­پذیری استفاده می­ شود.
اندازه ­گیری شکل­پذیری در آزمایش کشش استاندارد دربرگیرنده شکل­پذیری موضعی و شکل­پذیری یکنواخت می­باشد. شکل­پذیری موضعی به تغییر طول موضعی در ناحیه شکست نهایی اطلاق می­ شود. شکل­پذیری یکنواخت قابلیت نمونه کششی مشخصه را برای فراهم کردن تغییر شکل­های نسبی پلاستیک قابل توجه در تمام طول عضو قبل از باریک­شدگی مقطع نشان می­دهد.
برای تفکیک تقریبی فولادهای با شکل­پذیری کم از فولادهای با شکل­پذیری زیاد پیشنهاد می­ شود که: ۱) حداقل تغییر طول نسبی در نمونه آزمایشی به طول ۲ اینچ حداقل برابر ۱۰% باشد و ۲) حداقل مقاومت کششی به نقطه جاری شدن ( Fu/Fy ) برابر ۰۸/۱ باشد. این محدودیت­ها در بخش A-3-3-1 ویرایش سال ۱۹۸۶ ضوابط AISI بیان شده است و برای اعضای سازه­ای و اتصالات به­کار می­رود. این الزامات حداقل، شکل­پذیری کافی را تضمین می­ کند. ]۲۲[

اصول طراحی

موسسه آهن و فولاد آمریکا دو نوع ضوابط جداگانه برای طراحی اعضای سازه­ای فولادی سرد نورد شده، اتصالات و مجموعه­های سازه­ای منتشر کرد]۲۲[. یکی مربوط به روش تنش مجاز طراحی^[۴۸] (ASD) و دیگری مربوط به روش ضریب بار و مقاومت^[۴۹] (LRFD) می­باشد. این دو ضابطه طراحی در سال ۱۹۹۶ در قالب استاندارد واحدی با هم ترکیب شد. هر دو روش اکنون به یک اندازه مورد قبول طراحی سازه­های سرد نورد می­باشد، هر چند منجر به نتایج طراحی یکسانی نشود.

طراحی به روش تنش مجاز ( ASD )

در این روش، مقاومت­های مورد نیاز (نیروهای محوری، لنگر خمشی، نیرو برشی و غیره) برای اعضای سازه­ای و اتصالات، با در نظر گرفتن بارهای سرویس در تمام ترکیب بارهای آیین­ نامه­ای محاسبه می­ شود.
مقاومت مجاز طراحی به وسیله مقاومت اسمی و ضریب اطمینان معلوم تعیین می­ شود که مقاومت اسمی یا ظرفیت جزء یک عضو برای یک حالت حدی یا یک مود گسیختگی مورد نظر می­باشد که با داشتن روابط موجود با بهره گرفتن از خواص مقاطع و خواص مصالح محاسبه می­ شود. ضرایب اطمینان برای جبران عدم قطعیت­های ذاتی در طراحی، ساخت و نصب اجزای سازه­ای و اتصالات و هم­چنین عدم قطعیت در تخمین بارهای وارده می­باشد.

طراحی به روش ضریب بار و مقاومت طراحی ( LRFD )

در طراحی به روش LRFD از ضرایب دوگانه بار و مقاومت استفاده می­ شود، تا این که بهبودی در طراحی فراهم آید که در آن درجات متفاوت عدم قطعیت­ها و تغییرات تحلیل، طراحی، بارگذاری، خواص مواد و ساخت به حساب آورده شود. شکل طراحی برای تامین نیاز ایمنی سازه با معادله ۴-۱ بیان می­ شود:
۴-۱
مقاومت اسمی R_n ، کل مقاومت جزء یا عضو برای حالت حدی مورد نظر می­باشد، که با بهره گرفتن از خواص مقطع و مصالح، مطابق معیارهای قابل کاربرد طراحی محاسبه می­ شود. ضریب مقاومت ، مربوط به عدم قطعیت­ها و تغییرات ذاتی در R_n می­باشد که معمولا کم­تر از واحد می­باشد. اثرات بار Q_i نیروهایی در مقطع می­باشند که از تحلیل سازه مشخص می­شوند و ضرایب بار مربوط می­باشد که برای به حساب آوردن عدم قطعیت­ها و تغییرات بارهای اعمالی به کار برده می­ شود. ضرایب بار معمولا بیش­تر از واحد می­باشد.
مزیت­های روش LRFD عبارتند از : ۱) عدم قطعیت­ها و تغییرات انواع بارهای متفاوت و مقاومت­ها با احتساب ضرایب مختلف منظور می­ شود و ۲) با بهره گرفتن از تئوری احتمالات، تمام طراحی­ها به طور ایده­آل به قابلیت اطمینان متناسب دست پیدا می­ کند. بنابراین، روش LRFD بستری برای طراحی منطقی­تر و صحیح­تر نسبت به طراحی به روش تنش مجاز فراهم می­آورد.

مقاومت پس از کمانش و عرض موثر طراحی

برخلاف اعضای سازه­ای یک بعدی مانند ستون­ها، اجزای سخت­شده فشاری ورق­ها در تنش کمانشی گسیخته نمی­ شود. بار اضافی توسط عضو، پس از کمانش از طریق بازتوزیع تنش تحمل می­ شود. این پدیده به مقاومت پس از کمانش مشهور است و در نسبت بزرگ عرض به ضخامت (w/t) دارای اهمیت بیشتری است.
مکانیزم عمل پس از کمانش به آسانی در مدل ورق نشان داده شده در شکل ۴-۷ قابل مشاهده است. در لحظه­ای که ورق شروع به کمانش می­ کند، میله­های افقی در شبکه مدل همانند میله­های مهاری برای تقابل با افزایش تغییر مکان میله­های فشاری طولی عمل می­ کند.

شکل ۴-۷: مدل ورق مربعی برای عملکرد پس از کمانش
توزیع تنش در ورق قبل از کمانش یکنواخت می­باشد که در شکل ۴-۸-الف نشان داده شده است. بعد از کمانش، بخشی از بار قبل از کمانش ناحیه مرکزی نوار به بخش لبه­ای ورق منتقل می­ شود. در نتیجه، توزیع تنش غیر یکنواختی ایجاد می­ شود که در شکل ۴-۸-ب نشان داده شده است. باز توزیع تنش تا وقتی­که تنش لبه­ای به نقطه جاری شدن فولاد برسد، ادامه می­یابد و آنگاه ورق شروع به گسیخته شدن می­ کند. این حالت نیز در شکل ۴-۸-پ نشان داده شده است.

( پ )
(ب )
( الف )