طراحی سوله با SAP چگونه انجام می شود؟

در دنیای امروز، نیاز به سازه‌های صنعتی سبک، مقرون ‌به ‌صرفه و درعین‌ حال مقاوم، روز به‌ روز بیشتر می‌شود.

سوله‌ها به ‌عنوان یکی از رایج‌ ترین و کاربردی ‌ترین سازه‌های صنعتی، جایگاه ویژه‌ای در طراحی و اجرای پروژه‌های عمرانی و کارخانه ‌ای دارند.

در این میان، استفاده از نرم‌ افزارهای قدرتمند مهندسی برای تحلیل و طراحی دقیق سوله‌ها ضروری است.

SAP، یکی از پیشرفته ‌ترین نرم ‌افزارهای تحلیل و طراحی سازه است.

در طراحی سوله با SAP، مراحل مختلفی همچون مدل ‌سازی اسکلت فلزی، تعریف مشخصات مصالح و مقاطع، اعمال بارهای متنوع نظیر بار مرده، زنده، باد و زلزله، تحلیل سازه و در نهایت طراحی اتصالات و فونداسیون، همگی در یک محیط منسجم انجام می‌گیرد.

این فرآیند علاوه بر افزایش دقت و ایمنی، موجب صرفه ‌جویی قابل‌ توجهی در زمان و هزینه پروژه می‌شود.

در این مقاله به بررسی فرآیند طراحی سوله با SAP خواهیم پرداخت.

1# طراحی سوله با SAP

برای طراحی سوله با SAP مراحل زیر را دنبال کنید:

1-1# شروع پروژه جدید در SAP

1. ایجاد یک پروژه خالی با انتخاب گزینه New Model
2. تعیین واحدها؛ معمولاً kN و meter
3. تنظیمات اولیه مدل؛ شامل نوع سیستم و قالب مدل

1) تعریف خطوط شبکه (Grid System)

• استفاده از Grid برای ایجاد خطوط راهنما در X و Z یا Y
• تعیین فاصله بین ستون‌ها (مثلاً هر 6 متر یک قاب)
• تعیین ارتفاع سوله (مثلاً 6 متر برای ستون‌ها + شیب سقف)

این خطوط پایه ‌ای برای ترسیم سازه هستند.

2) ترسیم قاب اصلی (قاب شیبدار دوطرفه)

1. استفاده از ابزار Draw Frame Element
2. ترسیم ستون‌های عمودی در طرفین
3. ترسیم تیرهای شیب دار (که به یک نقطه رأس در وسط دهانه ختم می‌شوند.)
4. اتصال تیرهای شیب دار به ستون‌ها در دو طرف

قاب سوله معمولاً به ‌صورت متقارن طراحی می‌شود، پس نیازی به ترسیم دوباره آن نیست؛ از ابزار Mirror استفاده می‌شود.

3) اعمال شرایط مرزی (Supports)

• تعریف تکیه ‌گاه‌های مفصلی در پای ستون‌ها (Pinned)
• در برخی موارد، یکی از ستون‌ها ممکن است به‌صورت غلطکی تعریف شود (Roller) برای در نظر گرفتن حرکت جانبی در تحلیل

4) کپی و تکرار قاب‌ها در طول سوله

• استفاده از دستور Replicate → Linear
• تعیین تعداد قاب‌ها (مثلاً 6 تا 10 قاب) و فاصله بین آن‌ها (مثلاً هر 5 متر)
• تکرار قاب اصلی در راستای محور طولی سوله (معمولاً محور Z)

5) بررسی سه‌ بعدی مدل نهایی

• نمایش مدل در View → 3D View
• بررسی اتصال تیرها و ستون‌ها
• رفع هرگونه اشتباه هندسی یا گره ناصحیح

6) علت اهمیت این مرحله چیست؟

دلیل	توضیح
دقت در مدل ‌سازی	اگر هندسه مدل دقیق نباشد، تحلیل و طراحی به خطا می‌رود.
صرفه‌ جویی در زمان	استفاده از تکرار خودکار، فرایند ساخت مدل را بسیار سریع می‌کند.
پایه ‌گذاری مراحل بعدی	تمامی مراحل بعدی مانند بارگذاری، تحلیل و طراحی، به همین مدل اولیه بستگی دارد.

7) در پایان این مرحله از طراحی سوله با SAP

در ادامه طراحی سوله با SAP مدلی سه ‌بعدی از سوله صنعتی ساخته شده که دارای موارد زیر است:

• قاب‌های شیب دار در طول سوله
• ستون‌های دقیقاً در محل‌های موردنظر
• شبکه گرید منظم
• تکیه ‌گاه‌های تعریف ‌شده

این مدل حالا آماده‌ اعمال بارگذاری و تحلیل است.

2-1# مدل سازی قاب شیب دار در SAP

در این بخش به‌ صورت مفصل به مراحل طراحی سوله SAP می‌پردازیم.

در ادامه، مراحل کلیدی را به‌ صورت گام‌ به ‌گام و با جزئیات بیشتر توضیح می‌دهیم.

1) تنظیمات اولیه مدل در SAP

1. ایجاد مدل جدید:
   • در نرم‌ افزار SAP، یک مدل جدید ایجاد کنید.
   • واحدهای مدل را به کیلو نیوتن (kN) برای نیروها و متر (m) برای ابعاد تنظیم کنید.
   • در صورت نیاز، سیستم مختصات را بر اساس پلان پروژه تنظیم کنید.
2. تعریف سیستم گرید:
   • با استفاده از ابزار Grid، خطوط شبکه‌ای را برای تعیین موقعیت اعضای سازه‌ای مانند ستون‌ها و تیرها تعریف کنید.
   • این شبکه به‌ عنوان راهنمایی برای ترسیم دقیق اعضا عمل می‌کند.

2) مدل ‌سازی هندسی قاب شیب دار (Gable Frame)

• ترسیم ستون‌ها: از ابزار Draw Frame برای ترسیم ستون‌ها استفاده کنید.
  ارتفاع ستون‌ها را بر اساس طراحی معماری وارد کنید.
• ترسیم تیرهای شیب دار (Rafters): تیرهای شیب دار را از نقاط بالای ستون‌ها به سمت مرکز دهانه سوله ترسیم کنید.
  زاویه شیب تیرها باید مطابق با طراحی سقف باشد.
• اتصال تیرها به ستون‌ها: اتصال تیرهای شیبدار به ستون‌ها را با استفاده از مفاصل یا جوش‌های مناسب مدل ‌سازی کنید.
  این اتصالات باید قادر به انتقال نیروهای خمشی و برشی باشند.
• ترسیم تیر راس (Tie Beam): تیر رأس را در بالای قاب، در امتداد محور طولی سوله ترسیم کنید.
  این تیر برای اتصال بالای ستون‌ها و ایجاد پایداری جانبی استفاده می‌شود.
• تکرار قاب‌ها: با استفاده از دستور Replicate، قاب‌های مشابه را در طول سوله با فاصله‌های معین تکرار کنید.
  این کار باعث ایجاد مدل سه‌ بعدی کامل از سوله می‌شود.

3) تعریف ویژگی‌های مصالح و مقاطع

1. تعریف مصالح:
   • در بخش Define → Materials مصالح مورد استفاده مانند فولاد با مشخصات خاص را تعریف کنید.
   • مشخصات باید شامل مدول یانگ، تنش تسلیم، وزن مخصوص و سایر ویژگی‌های فیزیکی باشد.
2. تعریف مقاطع:
   • در بخش Define به Section Properties رفته و مقاطع مورد استفاده مانند IPE ،HEB و لوله‌ای را تعریف کنید.
   • ابعاد و مشخصات مقاطع باید مطابق با استانداردهای طراحی و نیازهای پروژه باشد.

4) اعمال بارگذاری

• تعریف بارهای مرده (Dead Load): وزن اعضای سازه‌ای، پوشش سقف، دیوارها و همچنین سایر اجزای ثابت را به‌ عنوان بار مرده تعریف کنید.
• تعریف بارهای زنده (Live Load): بارهای ناشی از تجهیزات متحرک، نفرات و سایر بارهای متغیر را به‌ عنوان بار زنده تعریف کنید.
• تعریف بار باد (Wind Load): با استفاده از استانداردهای ملی یا بین‌ المللی، بار باد را بر اساس سرعت باد، ارتفاع سوله و سایر پارامترها محاسبه کنید.
• تعریف بار برف (Snow Load): بار برف را بر اساس استانداردهای مربوطه و با توجه به منطقه جغرافیایی که سوله در آن ساخته می‌شود، محاسبه کنید.
• تعریف ترکیب بارها (Load Combinations): ترکیب‌های مختلف بارها را برای تحلیل‌های استاتیکی و دینامیکی تعریف کنید.
  این ترکیب‌ها باید مطابق با آیین ‌نامه‌های طراحی باشند.

5) تحلیل سازه ‌ای

• انتخاب نوع تحلیل: برای تحلیل‌های استاتیکی، از تحلیل استاتیکی خطی استفاده کرده و در صورت نیاز به تحلیل دینامیکی، تحلیل مودال یا طیفی را انتخاب کنید.
• اجرای تحلیل: تحلیل سازه را اجرا کرده و نتایج آن را بررسی کنید.
  نتایج به دست آمده شامل جابجایی‌ها، نیروهای داخلی و برش‌ها است.
• بررسی نتایج: نتایج تحلیل را بررسی کرده و مطمئن شوید که سازه از نظر باربری و پایداری مناسب است.
  در صورت نیاز، مدل را اصلاح کرده و تحلیل را مجدداً اجرا کنید.

6) طراحی اعضا و اتصالات

• طراحی اعضا: با استفاده از استانداردهای طراحی مانند AISC یاEurocode اعضای سازه را از نظر برشی، خمشی و فشاری طراحی کنید.
• طراحی اتصالات: اتصالات تیر به ستون، تیر رأس و سایر اتصالات را طراحی کنید.
  این طراحی باید قادر به انتقال نیروهای ناشی از بارگذاری باشد.
• بررسی مقاطع: مقاطع انتخابی را از نظر ظرفیت باربری و اقتصادی بودن بررسی کنید.
  در صورت نیاز، مقاطع را تغییر داده و طراحی را دوباره انجام دهید.

7) طراحی فونداسیون

• انتخاب نوع فونداسیون: با توجه به نوع خاک و بارهایی که بر سازه وارد می‌شوند، نوع فونداسیون مانند فونداسیون منفرد، نواری یا صفحه‌ای را انتخاب کنید.
• طراحی فونداسیون: ابعاد و مشخصات فونداسیون را از نظر ظرفیت باربری و نشست طراحی کنید.
  این طراحی باید مطابق با استانداردهای طراحی فونداسیون باشد.
• بررسی نتایج: نتایج طراحی فونداسیون را بررسی کرده و مطمئن شوید که فونداسیون قادر به انتقال بارهای سازه به خاک است.
  در صورت نیاز، طراحی را اصلاح کرده و نتایج را دوباره بررسی کنید.

8) تهیه نقشه‌های اجرایی

1. تهیه نقشه‌های سازه‌ای: نقشه‌های اجرایی که شامل پلان‌ها، نماها و برش‌های سازه‌ای است را تهیه کنید.
   این نقشه‌ها باید شامل جزئیات مقاطع، اتصالات و ابعاد باشند.
2. تهیه نقشه‌های فونداسیون: نقشه‌های اجرایی فونداسیون شامل پلان فونداسیون، جزئیات اجرایی و ابعاد را تهیه کنید.
   این نقشه‌ها باید شامل جزئیات آرماتوربندی و اتصالات باشند.
3. تهیه گزارش محاسبات: گزارش محاسبات که شامل نتایج تحلیل، طراحی اعضا و اتصالات و محاسبات فونداسیون است را تهیه کرده به صورتی که این گزارش شامل جداول، نمودارها و توضیحات مربوطه باشد.

3-1# مراحل مدل سازی قاب شیب دار در SAP

قاب شیب دار یا Gable Frame، یکی از رایج‌ ترین انواع قاب‌ها در طراحی سوله‌های صنعتی و همچنین طراحی سوله با SAP است.

این نوع قاب به دلیل سادگی هندسی، عملکرد مناسب در تحمل بارهای جانبی و وزنی و همچنین سرعت ساخت بالا، در صنعت بسیار محبوب است.

مدل سازی دقیق این قاب در نرم ‌افزار SAP برای اطمینان از تحلیل و طراحی اصولی بسیار حیاتی است.

مراحل اصلی مدل سازی قاب شیب دار در SAPبه صورت زیر خواهد بود.

1) شروع پروژه و تنظیمات اولیه

1. یک پروژه جدید در SAP با انتخاب واحدهای مناسب (مثلاً میلیمتر، کیلوگرم و ثانیه) ایجاد کنید.
2. تنظیم سیستم مختصات و Grid: در این مرحله سیستم گرید برای قاب شیب دار تعریف می‌شود که نقش راهنمایی برای قرارگیری اعضا و اجزای سازه دارد.
   معمولاً محورهای اصلی در طول سوله و عرض آن تعریف می‌شوند.

2) تعریف گریدها و نقاط اتصال

• فواصل بین گریدها بر اساس ابعاد واقعی سوله (مثلاً فاصله ستون‌ها و تیرهای شیب دار) را تعیین کنید.
• تعریف نقاط اتصال در محل تقاطع خطوط گرید که محل قرارگیری ستون‌ها و تیرها خواهد بود.

3) ترسیم اعضای ساز ه‌ای قاب

• ستون‌ها را به صورت عمودی در محل گریدهای مشخص شده ترسیم کنید.
• ترسیم تیرهای شیب دار یا خرپا در بالای ستون‌ها به صورت شیب دار که سبب ایجاد سقف شیب دار می‌شود.
• ترسیم تیر رأس (ridge beam) در قسمت بالایی قاب برای این که تیرهای شیب دار به یکدیگر متصل شوند.

4) اتصال اعضا

• بررسی و تنظیم اتصال بین تیرها و ستون‌ها به صورت مفصلی یا گیردار، بر اساس نوع طراحی سازه
• ایجاد اتصالات صحیح برای انتقال نیروها به صورت ایمن

5) تکرار قاب در طول سوله

• استفاده از دستور Copy یا Array در نرم‌ افزار برای تکرار قاب مدل شده در طول سوله
• ایجاد مدل سه ‌بعدی کامل از سوله با تعداد قاب‌های تکراری برای پوشش کل طول پروژه

6) بررسی اولیه مدل

• اطمینان از درست بودن مدل شامل تمام اعضا، اتصالات و گریدها
• بررسی نبود خطا در تعریف هندسه و اتصال‌ها

7) نکات تخصصی و کاربردی در مدل سازی

• دقت در تعریف گریدها برای جلوگیری از خطاهای هندسی
• تعریف نقاط اتصال با دقت برای صحت تحلیل سازه
• توجه به نسبت ارتفاع و طول تیرهای شیب دار برای مدل واقعی‌تر

4-1# تعریف مصالح و مقاطع در SAP

در طراحی سوله با SAP، پس از مدل سازی هندسی، مرحله بسیار مهم بعدی تعریف خواص مصالح و مقاطع اعضا است.

این اطلاعات پایه تحلیل سازه را تشکیل می‌دهند و در تعیین مقاومت، سختی و رفتار اعضا تأثیرگذار هستند.

تعریف صحیح مصالح و مقاطع برای انجام تحلیل دقیق و طراحی اقتصادی ضروری است.

در ادامه به منظور طراحی سوله با SAP به تعریف مصالح می‌پردازیم.

1) انتخاب نوع مصالح

• تعیین نوع مصالح مصرفی در سوله، مانند فولاد، بتن یا چوب
• انتخاب استانداردهای مرتبط با مصالح مثل ASTM ،AISC یا استاندارد ملی

2) وارد کردن مشخصات مصالح

• وارد کردن ویژگی‌های فیزیکی مانند:
  • مدول الاستیسیته
  • چگالی
  • ضریب پواسون
  • مقاومت مصالح (مثلاً مقاومت نهایی فولاد)
• توجه به دقت داده‌ها برای نزدیک شدن به رفتار واقعی مصالح

3) ذخیره مصالح تعریف شده

• ذخیره و نام ‌گذاری مصالح تعریف شده برای استفاده در مراحل بعدی طراحی

4) تعریف مقاطع در SAP

• انتخاب نوع مقطع: بر اساس کاربرد و استاندارد، مثلاً مقاطع IPE ،HEB و مقاطع لوله‌ای
• وارد کردن مشخصات هندسی مقطع: وارد کردن ابعاد دقیق مقطع شامل ارتفاع، عرض بال‌ها، ضخامت‌ها، شعاع‌ها و سایر مشخصات هندسی و همچنین وارد کردن خصوصیات ثانویه مثل مساحت مقطع، ممان اینرسی و شعاع ژیراسیون
• اختصاص مصالح به مقاطع: تعیین مصالح مرتبط با هر مقطع برای ترکیب تحلیل دقیق و تطبیق مقاطع با مصالح فولاد، بتن یا دیگر مصالح تعریف شده
• ذخیره و مدیریت مقاطع: سازماندهی مقاطع در کتابخانه نرم ‌افزار برای دسترسی سریع و استفاده مجدد و امکان اصلاح و به ‌روزرسانی مقاطع در صورت تغییر طراحی
• اهمیت دقت در تعریف مصالح و مقاطع: تعریف دقیق مصالح و مقاطع (که تأثیر مستقیم بر صحت نتایج تحلیل بار، تغییر شکل‌ها و برش‌ها دارد. مقاطع نامناسب یا داده‌های غلط مصالح باعث خطا در طراحی سازه و افزایش هزینه‌ها می‌شود.)

5-1# تنظیم اتصالات سازه‌ای برای طراحی سوله با SAP

در این بخش به صورت گام به گام فرایند تنظیم اتصالات سازه‌ای در نرم‌ افزار SAP را به منظور طراحی سوله با SAP بررسی می‌کنیم که یکی از مهم‌ترین بخش‌های طراحی سوله‌های صنعتی است.

قاب شیب دار معمولاً شامل ستون‌ها، تیرهای شیب دار (پوشش سقف شیب دار) و تیر رأس می‌شود که باید به صورت دقیق در نرم‌ افزار ترسیم و مدل شود تا تحلیل و طراحی سازه‌ ای به درستی انجام گیرد.

1) تنظیم واحدها و ایجاد پروژه جدید

• انتخاب واحد مناسب (میلیمتر، کیلوگرم، ثانیه) برای دقت در مدل‌ سازی
• ایجاد پروژه جدید در SAP

2) تعریف گریدهای سوله

• تعریف خطوط گرید طولی و عرضی متناسب با ابعاد واقعی سوله
• تعیین فاصله گریدها بر اساس فواصل ستون‌ها و قاب‌ها
• ایجاد نقاط گرید برای محل اتصال اعضا

3) ایجاد اعضای قاب شیب دار

• ترسیم ستون‌ها: ستون‌ها به صورت اعضای عمودی در محل تقاطع گریدها ترسیم می‌شوند.
• ترسیم تیرهای شیب دار: این تیرها به شکل مورب و شیب دار روی ستون‌ها رسم می‌شوند تا سقف شیب دار شکل بگیرد.
• ترسیم تیر رأس (Ridge Beam): تیر افقی بالایی که تیرهای شیب دار به آن متصل می‌شوند.

4) ایجاد اتصالات بین اعضا

• نوع اتصال بین ستون‌ها و تیرها (مفصلی یا گیردار) را بسته به نیاز طراحی تنظیم کنید.
• اطمینان از این که اعضا به درستی به هم متصل شده‌ اند تا نیروها به شکل صحیح منتقل شوند.

5) کپی و تکرار قاب در طول سوله

• با استفاده از ابزار Array در SAP قاب مدل شده را در طول سوله به تعداد دلخواه تکرار می‌کنیم.
• فاصله بین قاب‌ها را مطابق با نقشه‌های پروژه تنظیم می‌کنیم.

6) بررسی نهایی مدل

• کنترل هندسه کلی مدل به صورتی که از اتصال صحیح اعضا اطمینان لازم به دست آید.
• چک کردن این که همه قاب‌ها و گریدها درست در جای خود قرار دارند.
• خطاها یا هشدارهای نرم ‌افزار را بررسی کنید.

7) کاربرد تنظیم اتصالات سازه ای در نرم‌ افزار SAP در طراحی واقعی

• این آموزش به مهندسان عمران و طراحان سازه کمک می‌کند تا قاب‌های شیب دار سوله را با دقت بالا و سرعت مناسب مدل سازی کنند.
• مدل ساخته شده در SAP پایه تحلیل بارهای مختلف خواهد بود.
• پس از این مرحله، می‌توان به تحلیل سازه و طراحی مقاطع، اتصالات و فونداسیون پرداخت.

6-1# مدل سازی مقاطع غیریکنواخت (Nonprismatic Sections) در SAP

یکی از چالش‌های طراحی سوله در SAP استفاده از اعضایی است که مقطع‌ آنها در طول‌شان تغییر می‌کند.

این اعضا به ‌اصطلاح مقاطع غیریکنواخت نامیده می‌شوند.

مثل تیرهایی که قطر آنها از یک انتها تا انتهای دیگر کم و زیاد شده یا ستون‌هایی که به صورت مخروطی یا با تغییر ضخامت ساخته می‌شوند.

طراحی سوله با SAP در زمینه مدل ‌سازی مقاطع غیریکنواخت به مهندسان عمران کمک می‌کند تا بتوانند پیچیدگی‌های واقعی سازه‌های صنعتی را به شکلی دقیق و علمی در نرم‌ افزار پیاده‌ سازی کنند.

این مهارت برای انجام تحلیل‌های دقیق و طراحی‌های بهینه حیاتی است.

1) ورود به محیط تعریف مقاطع در SAP2000

• با ورود به منوی Define و انتخاب Section Properties، کاربر می‌تواند انواع مقاطع را تعریف کند.
• برای مقاطع غیریکنواخت باید نوع خاصی از مقطع انتخاب شود که قابلیت تعریف تغییر هندسی در طول عضو را داشته باشد.

2) نحوه ایجاد و تعریف هندسه تغییر پذیر مقطع

1. در ابتدا باید یک مقطع را با ابعاد اولیه تعریف کنید.
2. سپس با استفاده از گزینه‌های موجود، تغییرات ابعاد مقطع را در طول عضو وارد ‌کنید.
   به عنوان مثال تعیین کنید که ضخامت یا عرض مقطع از نقطه شروع تا انتهای عضو به چه میزان تغییر کند.
3. تغییرات باید به صورت پیوسته و منظم وارد شود تا نرم ‌افزار بتواند به درستی محاسبات را انجام دهد.

3) اختصاص مقاطع غیر یکنواخت به اعضای مدل

• پس از تعریف مقطع باید این مقطع را به اعضای سازه مثل تیرها یا ستون‌ها اختصاص دهیم.
• این کار با انتخاب عضو یا اعضای مورد نظر و تنظیم خصوصیات آن‌ها در پنجره Properties انجام می‌شود.

4) نکات مهم و کلیدی در مورد مقاطع غیر یکنواخت

• اهمیت دقت در تعریف مقاطع: هرگونه اشتباه یا بی ‌دقتی در تعریف تغییرات مقطع باعث می‌شود، تحلیل سازه اشتباه شود و نتایج قابل اعتماد نباشد.
• لزوم پیوستگی و نرمی تغییرات هندسی: تغییرات abrupt یا ناگهانی در ابعاد مقطع می‌تواند، باعث خطا در تحلیل شود.
• استفاده کاربردی در سازه‌های صنعتی: مخصوصاً در طراحی سوله‌هایی که تیرهای شیب دار یا ستون‌هایی با شکل خاص دارند، این امکان نرم‌ افزار بسیار مفید است.
• پیشنهاد بررسی و بازبینی نتایج تحلیل: همواره پس از تحلیل، نتایج را با دقت بررسی کرده و در صورت نیاز مدل را اصلاح کنید.

5) کاربردهای عملی مقاطع غیر یکنواخت در طراحی سوله با SAP

• در پروژه‌های واقعی، طراحان باید بتوانند اعضایی با تغییرات هندسی را به خوبی مدل کنند تا سازه از نظر استحکام، پایداری و عملکرد دینامیکی قابل قبول باشد.
• این آموزش امکان تعریف چنین اعضایی را به صورت کاملاً دقیق و استاندارد فراهم می‌کند.
• نتیجه کار، طراحی بهینه ‌تر و سازه‌ ای مقاوم‌ تر در برابر بارهای وارد بر سوله خواهد بود.