مقاله بررسی تطبیقی سازه فولادی سبک و اسکلت فلزی از دیدگاه فنی و اقتصادی

بخشی از مقاله

بررسی تطبیقی سازه فولادی سبک و اسکلت فلزی از دیدگاه فنی و اقتصادی

چکیده

در این مقاله ضمن بررسی ویژگی های فنی و اقتصادی سیستم های سازه ای قاب فولادی سبک LSF مزایای استفاد از این سیستم در ساخت سازه های سریع و مقاومت سازی ارائه شده است. قاب فولادی سبک نورد سرد یکی از انواع سیستم های ساختمانی است که در کشورهای صاحب تکنولوژی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. که در کشور ما مصرف آن رو به فزونی است. که در این راستا در این مطالعه بین این سیستم ساختمانی و سیستم های اسکلت فلزی مورد استفاده در کشور مقایسه هایی از جنبه فنی و اقتصادی صورت گرفته است. سیستم های LSF که از مقاطع سرد نورد شده فولادی ساخته می شود در حدود 20 سال است که به شکل گسترده در توصیه صنعتی انواع ساختمان های اداری، تجاری و مسکونی به کار می رود و به عنوان جایگزینی مناسبی برای روش های قدیمی مانند اسکلت فلزی است و از طریق این مقایسه، مزایای استفاده از این روش ارائه شده است. بدون ایجاد وقفه و یا اختلال در کاربری محل، سرعت ساخت ساز را تا 2,5 برابر افزایش داده و با کاهش 40 درصدی در مصرف فولاد نسبت به سازه های فولادی معمولی، و در نتیجه وزن سازه را تا 50 درصد کاهش می دهد. که نتایج حاصل نشان داده است که این سیستم مزایایی زیادی نسبت به سیستم های ساختمانی اسکلت فلزی را دارد. که یکی از راه حل های مناسب برای تولید صنعتی و انبوه ساختمان سازی می باشد.

کلید واژه: سیستم قاب فولادی سبک (LSF)، اسکلت فلزی، ساخت و ساز سریع، دیدگاه فنی و اقتصادی

-1 مقدمه

ساختمانهای پیش ساخته فولادی سبک (Light Weight Steel Frame) به LSF موسوم بوده که بصورت خشک وعمدتاَ با استفاده از اتصالات پیچی بکار می روند. این ساختمانها از سه جزء اصلی شامل: مقاطع متشکل از ورق های فولادی سرد نورد شده برای سازه، صفحات تخته گچی به عنوان پوشش رویه درونی و لایه عایق حرارتی و صوتی تشکیل می شوند.[1] استفاده از روش نورد سرد ورق و مقاطع تهیه شده در ساختمان سازی از دهه 1850 میلادی در آمریکا و انگلستان شروع شد اما گسترش استفاده از این مقاطع در صنعت ساختمان از دهه 1940 و پس از انتشار اولین ویرایش های ضوابط و استانداردها AISI برای اعضای سازه فولادی سرد نورد شده.[1] اجزای ساختمانهای اسکلت فلزی به آگاهی از یک سری مسائل فنی که به علم رشته های مختلف ساختمانی بستگی دارد، نیازمند است. بطور کلی، منظور از ساختمان فلزی ساختمانی است که ستونها و تیرهای اصلی آن از پروفیل های مختلف فلزی بوده و بار سقفها و دیوارها و جداکننده ها (پارتیشن ها) به وسیله تیرهای اصلی به ستون منتقل شده و وسیله ستونها به زمین منتقل گردد. ستونها از مهمترین و حساس ترین اجزاء ساختمانهای فلزی می باشد. فولاد بعنوان ماده ای با مشخصات خاص و منحصر بفرد، مدتهاست در ساخت ساختمانها کاربرد دارد. قابلیت اجرای دقیق، رفتار سازه ای معین، نسبت مقاومت به وزن مناسب، در کنار امکان اجرای سریع سازه های فولادی همراه با جزئیات و ظرافتهای معماری، فولاد را بعنوان مصالحی منحصر و ارزان در پروژه های ساختمانی مطرح نموده است؛ به نحوی که اگر ضعفهای محدود این ماده نظیر مقاومت کم در برابر خوردگی و عدم مقاومت در آتش سوزیهای شدید به درستی مورد توجه و کنترل قرار گیرند، امکانات وسیعی در اختیار طراح قرار می دهد که در هیچ ماده دیگر قابل دستیابی نیست.[2] با استفاده از علم جدید و تکنولوژی موجود در صنعت ساختمان می توان با در نظر گرفتن کیفیت خانه های پیش ساخته کمک بزرگی در ساخت و ساز کشور به خصوص از نظر کیفیت و انبوه سازی و فنی اقتصادی داشته باشیم.[3] استفاده از صنعت خانه های پیش ساخته در کشوری مثل ایران که دائما در جریان حوادث غیر مترقبه بوده و نیاز مبرم به مسائل باز سازی شهرها و روستاهای آسیب دیده دارد ﻻزم و ضروری به نظر می رسد. سیستم سازه های فولادی سبک (LSF) یکی از مناسبترین سیستم های ساختمانی است که امروزه در جهان مورد استفاده قرار می گیرد. اصلی ترین المان در سازه های فولادی سبک، مقاطع فولادی جدار نازک (LGS) می باشد.[5] مقاطع فولادی جدار نازک، مقاطع فلزی سرد نورد شده ای می باشند که با استفاده از ورقهای فولادی نازک و با استفاده از روش Roll Forming شکل دهی می شوند.[1] داشتن ضخامت یکنواخت در عرض مقاطع و استفاده از روش Roll Forming برای ساخت آنهاست که باعث می گردد، تولید درحجم بسیار بالا و کیفیت مناسب و یک نواخت انجام گیرد. مقاطع فولادی جدار نازک، سبک بوده و به راحتی قابل حمل می باشد. بخش های

مختلف ساختمان را به راحتی می توان با این مقاطع مونتاژ نمود. این عوامل باعث می گردد که عملیات ساخت با این سیستم بسیار سریع باشد.[2]

-2 سازه فولادی سبکLSF

این سیستم به دلیل مزایای فراوان از جمله سرعت و کیفیت بالای ساخت و عملکرد لرزهای مناسب در سالهای اخیر در بسیاری از کشورهای دنیا رواج قابل توجهی یافته است. سازه های LSF به نسبت نوع طراحی سازه ای دارای محدودیت هایی در ارتفاع می باشد که برای ساختمان های بلند مناسب نبوده و نمی توان از آن به صورت سازه ای باربر استفاده نمود اما در کنار سازه ی اصلی که می تواند از هر نوع سازه ای با توانایی بلند مرتبه سازی باشد، به عنوان سازه های غیربار در میان قابها (Infillwall) و تیغه های جداکننده داخلی (Partition) یا دیوارهای پوشش خارجی (Curtainwall) از آن استفاده نمود که در این صورت تأثیرات بسزایی در رفتار لرزه ای سازه، سبکی سازه، صرفه جویی اقتصادی، صرفه جویی انرژی و تعمیر و نگهداری ساختمان خواهد داشت. به همین علت سازه های LSF در هر موقعیتی نسبت به نوع شرایط حاکم می تواند مزایای خود را در اختیار مهندسان و معماران قرار دهد.[1]

شکل:1 احداث ساختمان با استفاده از سازه های فولادی سبک[5]

2-1 روش های ساخت سازه هایLSF

در حالت ساخت درجا (Stick Built) که به آن ساخت در محل (On-Site) نیز می گویند، نخست رانرهای پایین و در تراز عمودی آن رانرهای بالا جاگذاری شده و سپس استادها به طور تراز در شاقول رانرهای پایین و بالا به ترتیب جاگذاری می گردند. این شکل ساخت عمدتا برای دیوارهای غیرباربر و جدا کننده های داخلی (Partition) مورد استفاده قرار می گیرد. اما در شرایط هم که تغییراتی در ساختمان به وجود آمده باشد امکان نصب دیوار پیش ساخته نباشد یا دشوار باشد، و ساخت درجا سهل تر و قابل کنترل تر باشد، برای ساخت دیوارهای باربر مورد استفاده قرار می گیرد.[5] عمده شکل ساخت دیوار در سیستم LSF به صورت پنل های پیش ساخته Precast, Prefabricated)می) باشد که اصطلاحاً به آن پنلایز (Panelize) و ساخت غیر محل (Off-Site) نیز می گویند و روش اجرای چنین دیوارهای پیش ساخته را تیلت آپ (Tilt-Up) می نامند. دیوارهای ساختمان پس از طراحی پلان ساختمان به شکل پنل های جدا از هم طراحی و شماره گذاری می گردند و سپس طبق شماره های محل طراحی به صورت پنل های آماده در کارگاه ساخته می شوند و آماده ی حمل و نصب در محل اجرای ساختمان می شوند.[5] در حالت پیش ساخته می توان بسیاری از عملیات نظیر عبور کابل ها و لوله ها، عایق کاری، پوشش خارجی و حتی نمای دیوار را در مرحله ی تولید پیش ساخته انجام داد و تنها نصب پوشش های داخلی را به محل اجرای ساختمان موکول نمود. به دلیل اجرایاِتصالاتی که باید داخل سازه انجام گیرند نمی توان پوشش های داخلی را در مرحله ی پیش ساخته انجام داد. اما پیش ساختگی در کارگاه و نیاز به کمترین زمان حضور و عملیات کارگاهی در محل اجرا یکی از مزیت های بسیار عمده ی سیستم ساختمانی LSF می باشد. گرچه پیش ساختگی در سازه های بتنی نیز مورد آزمون قرار گرفت و طی دهه ی 70 ساختمان های بسیاری ساخته شد ولی وزن بسیار زیاد و افزایش هزینه ی ترانزیت اثر بهره وری اقتصادی آن را کاهش داد و به مرور با افزایش هزینه های حامل های انرژی و هزینه های حمل و نقل از ردیف صنایع ساختمانی حذف گردید. سیستم ساختمانی LSF با وزن بسیار کم و حمل و نقل آسان و کم هزینه پیش ساختگی را دوباره وارد صنعت ساختمان نمود و مورد استقبال فراوان صنعت ساختمان قرار گرفت. هم اکنون به طور عمده سیستم LSF با همان دیوارهای پنلایز پیش ساخته شناخته می شود.[5]

×

2-2- مزایای سیستم ساختمانیLSF

2-2-1 مزایای اقتصاد

از مزایایی اقتصادی می توان به گزینه های زیر اشاره کرد.[1]
- کاهش هزینه های اجرایی ساختمان به دلیل سرعت اجرا
- کاهش هزینه ها در مصالح مصرفی حین ساختمان
- کاهش هزینه های انرژی در طول بهره برداری ساختمان
- بازگشت سرمایه پس از تخریب با بازیافت سازه و مصالح ساختمان
- کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری به دلیل راحتی سرویس

- اجرا و رسیدن سریع به دوره بهره برداری و بازگشت سریع سرمایه

2-2-2 مزایای فنی

مزایایی فنی سیستم سازه های سبک فولادی.[1]

- سبکی بسیار زیاد ساختمان LSF نسبت به ساختمان های فولادی، بتنی و رفتار سازه ی مناسب

- قابلیت های اجرایی گوناگون بسته به نوع و شرایط پروژه به صورت:
ساخت درجا در محل پروژه Stick-Built
قاب های پیش ساخته Precast Frame, Prefabricated, Panelized, Cassette
اتاق پیش ساخته Modular
- سرعت اجرایی بالا به دلیل پیش ساخته یا مدولار بودن، بهره برداری سریع
- عایق کاری حرارتی ساختمان بسته به نوع و شرایط اقلیمی پروژه
- عایق کاری صوتی ساختمان بسته به نوع طراحی و کاربری
- عمر مفید ساختمان تا 100 سال به دلیل:
برقراری شرایط پایداری سازه ای در حوادث طبیعی مانند زلزله و طوفان به دلیل سبکی و مقاومت بالا کندی روند فرسودگی سازه به دلیل پوشش زینک G60) و 275 و (G90 180

کاهش بسیار زیاد خستگی سازه و ساختمان با شرایط طراحی سازه ای و معماری
- فقدان آوار و قطعات کشنده یا آسیب زا در حین زلزله یا تخریب ساختمان
- فقدان نخاله های ساختمانی در حین اجرای پروژه
- راحتی بسیار در عبور و نصب تأسیسات الکتریکال و مکانیکال
- راحتی دسترسی به تمام قسمت های سازه ای جهت تعمیر و نگهداری
- راحتی بسیار در ایجاد تغییرات معماری و سازه ای پس از بهره برداری
- کنترل راحت سازه، مقاوم سازی و رفع بسیار آسان ایرادات و نواقص سازه ای
- فقدان نفوذ آب و رطوبت و حشرات موذی

شکل:2 استفاده از رانر، استاد و پانل های گچی در سازه های فولادی سبک[1]

2-3 مزایای LSF در مسیر توسعه پایدار

سازه های فولادی سبک در مسیر توسعه پایداری.[1]
- فقدان نخاله های ساختمانی آوار پس از تخریب و عدم آلودگی زیست محیطی
- ایجاد سیکل مصرفی و دوره ی حیات مجدد مصالح و کاهش نیاز به تولید مصالح از منابع جدید
- کاهش مصرف انرژی و گردش اقتصادی در تولید مصالح نو و کاهش هزینه های تولید و مصرف
- کاهش آلایندگی جوی و زیست محیطی ناشی از تولید مصالح ساختمانی آلاینده نظیر سیمان و فولاد

2-4 نقشه های اجرایی

به گروه های مختلف به شرح ذیل تقسیم می شوند :

نقشه دیوارها و سقف ها و اتصالات مربوطه شامل اندازه اعضای سازه ای، ضخامت ورقها، فواصل اعضاء، محل دیوارهای باربر و غیر باربر، جزئیات اتصالات و ملاحظات مربوط به نکات آیین نامه ای.

نقشه بام و خر پاها ( در صورت لزوم ) و اتصالات مربوطه شامل نقشه های تولید خرپاهـا، بادبنـدی بـام هـا، اتصالات و نکات آیین نامه ای.[1]

2-5 مراحل طراحی و ساخت

- مرحله مدل سازی Modeling

- مرحله طراحی مجاز Virtual Framing

- مرحله پانل Panelized

- مرحله اولویت بندی Sequencing

- تولید پانل Component Assembly

- نصب در محل On-site in stallation

2-6 مزایای کلی بر اسا س روند کار

- سرعت در اجرا 4) برابر سریعتر نسبت به سازه های فولادی رایج)
- دوام و پایایی (عمر مفید 100سال، مقاوم در برابر خوردگی)
- وزن کم 60%) کاهش وزن سازه)
- مقاوم در برابر زلزله (کاهش جرم سازه)

- صرفه جویی در انرژی 40%) کاهش اتلاف انرژی)
- کاهش فولاد مصرفی (30%-40%)
- راحتی در نصب تاسیسات
- سازگار با محیط زیست 100%) قابل بازیافت)

شکل:3 سازه فولادی سبک[4]

-3 سازه های اسکلت فلزی

به طور کلی سازه های فلز سه نوع می باشد: سازه های قابی که نیرو های وارد آمده را به همراه خمش تحمل و منتقل می کند، سازه های خرپائی که اعضای آن نیروهای وارد آمده را به صورت کشش یا فشار تحمل و منتقل می کند و سازه های کابلی که نیرو های وارده را به صورت کشش تحمل و منتقل می کند. سازه های اسکلت فلزی به علت مزایای زیاد، کاربرد فراوان پیدا کرده است. از آن جمله است؛ استحکام و خواص خوب مکانیکی و مقاومت بالای فولاد در کشش و فشار، همچنین به علت تولید فولاد در کارخانه و شرایط بهتر کنترل کیفیت آن از بتن و سایر مصالح بنایی، مناسب تر از کار در می آید. از دیگر مزایای اسکلت فلزی می توان به امکان توسعه سازه، اتصال چند قطعه به یکدیگر، امکان پیش ساخته کردن قطعات، سرعت نصب و اشغال فضای کمتر، هزینه کمتر و قابلیت کاربرد در ارتفاع زیاد اشاره کرد. حساسیت فولاد در برابر رطوبت هوا منجر به زنگ زدگی می شود، در نتیجه، لازم است برای حفاظت از آن اقداماتی از قبیل

رنگ آمیزی با ضد زنگ و سایر روشهای حفاظتی خصوصا در مناطقی نظیر بنادر مبادرت نمود؛ همچنین بر

حفاظت فولاد در مقابل آتش سوزی و به کارگیری دقت لازم وکافی در ایجاد اتصالات مناسب و با کیفیت جوشکاری خوب تاکید شود.[6]

شکل:4 سازه های اسکلت فلزی[2]

3-1 مزایا و معایب ساختمانهای فلزی

احداث ساختمان به منظور رفع احتیاج انسانها صورت گرفته و مهندسین، معماران مسئولیت تهیه اشکال و اجراء مناسب بنا را برعهده دارند؛ محور اصلی مسئولیت عبارت است از:

الف)ایمنی ب)زیبائی ج)اقتصاد

با توجه به اینکه ساختمان های احداثی در کشور ما اکثرا" بصورت فلزی یا بتنی بوده و ساختمانهای بنایی غیر مسلح با محدودیت خاص طبق آئین نامه 2800 زلزله ایران ساخته میشود، آشنایی با مزایا و معایب ساختمانها می تواند درتصمیم گیری مالکین، مهندسین نقش اساسی داشته باشد.[3]

3-1-1 مزایای ساختمان فلزی

مقاومت زیاد: مقاومت قطعات فلزی زیاد بوده و نسبت مقاومت به وزن از مصالح بتن بزرگتر است، به این علت در دهانه های بزرگ سوله ها و ساختمان های مرتفع، ساختمانهائی که برزمینهای سست قرارمیگیرند، حائز اهمیت فراوان میباشد.[3]

خواص یکنواخت: فلز در کارخانجات بزرگ تحت نظارت دقیق تهیه میشود، یکنواخت بودن خواص آن میتوان اطمینان کرد و خواص آن بر خلاف بتن با عوامل خارجی تحت تاثیر قرار نمی گیرد، اطمینان در یکنواختی خواص مصالح در انتخاب ضریب اطمینان کوچک مؤثر است که خود صرفه جویی در مصرف مصالح را باعث میشود.