بخشی از مقاله
بررسی سیستم ساختمانی قاب سبک فولادي (LSF) در سبک سازي سازه ها
چکیده
سیستم سازه هاي سبک فولادي LSF ، تکنولوژي مدرنی است که در اغلب کشورهاي پیشرفته دنیا نظیر آمریکا, کانادا, استرالیا و ژاپن بصورت گسترده در حال استفاده است، بطوریکه در برخی ایالتهاي آمریکا تا بخش عمده ساخت و ساز توسط این روش صورت می پذیرد. این تکنولوژي چندین سال است که به عنوان راه حلی مناسب براي انبوه سازي و سریع سازي در این کشورها مورد استفاده قرار گرفته است. در این مقاله به معرفی سیستم قاب سبک فولادي (LSF)، مراحل اجرایی ، سیستم هاي سازه اي مورد استفاده در این فناوري، مزایا و معایب LSF و در نهایت به مقایسه این سیستم با سیستم هاي اسکلتی رایج کشور اعم از فلزي و بتنی خواهیم پرداخت. براي قیاس بین سازه LSF با سیستم هاي رایج ساخت و ساز در کشور ، ابتدا به مدلسازي ، بارگذاري و طراحی یک ساختمان 2 طبقه با سیستم قاب سبک فولادي توسط نرم افزار SAP2000 پرداخته و سپس نتایج آن با یک ساختمان فولادي و یک ساختمان بتنی که از نظر تعداد طبقات و زیر بنا سازه و همچنین محل قرارگیري ساختمان مشابه سازه LSF بوده و با نرم افزار ETABS مدلسازي و طراحی شده اند، مورد مقایسه قرار گرفته است. در پایان تحقیق باید در صدد پاسخ به این سوال برآییم که استفاده از سیستم قاب سبک فولادي (LSF) در ساختمانهاي کوتاه و میان مرتبه در مقایسه با سیستم هاي رایج سنتی کشور داراي چه مزایا و برتریهایی می باشد؟
واژههاي کلیدي: فناوریهاي نوین ، سیستم قاب سبک فولادي (LSF) ، سبک سازي ساختمان ، صنعت ساخت و ساز
-1 مقدمه
همواره سبک سازي سازه بهترین راهکار براي کاهش نیروي زلزله می باشد که خود مهمترین عامل در کاهش وزن اسکلت ساختمانهاست. سبک سازي علاوه بر کاهش نیروي زلزله باعث افزایش سرعت ساخت ، کاهش مصرف انرژي و کاهش مصرف مصالح می شود که به تبع آن هزینه احداث ، تعمیر ، نگهداري و بازسازي کاهش می یابد.
از آنجایی که کشورمان روي کمربند فعال زمین لرزه در جهان واقع شده است لذا سبک کردن ساختمان به روشهاي نوین از اهمیت خاصی برخوردار می باشد. هرچند عواملی که ذکر شددلیل بر این مدعا نمی باشد که هر چه سازه سبکتر ایمنی آن بیشتر ، بلکه محدودیت هایی در امر سبک سازي با توجه به آیین نامه ها وجود دارد که با در نظر گرفتن آن کاهش وزن ساختمان تاجایی مجازاست که محدودیت ضریب اطمینان در مقابل واژگونی رعایت گردد.
هدف عمده و اصلی استفاده از فناوري نوین LSF در صنعت ساخت و ساز کاهش وزن ساختمان است. مقاطع فولادي جدار نازکی که در این سیستم استفاده می شود، سبک بوده و به راحتی قابل حمل می باشند و بخشهاي مختلف ساختمان را به راحتی می توان با این مقاطع مونتاژ نمود. این عوامل باعث میگردد که عملیات ساخت با این سیستم بسیار سریع باشد.
در ایران این سیستم حدود 12 سال است که وارد کشور شده و اولین آیین نامه بومی این سیستم تحت عنوان نشریه 608 - ض توسط مرکز تحقیقات راه و شهر سازي و نشریات 612 و 613 توسط معاونت راهبردي ریاست جمهوري به چاپ رسیده است. مطالعات در بخشهاي سازه, معماري, تاسیسات برقی و مکانیکی این سیستم منجر به بومی نمودن روشهاي طراحی, ساخت و نصب آن گردید. سیستم قاب سبک فولادي بعنوان یکی از تکنولوژي هاي نوین ساختمان در کشور به طور رسمی معرفی شده است، هر چند سهم آن از ساختمان سازیهاي گسترده این سالها جز چند پروژه کوچک و آن هم توسط چند شرکت محدود بیشتر نبوده است.
-2 معرفی سیستم قاب سبک فولادي
سیستم قاب سبک فولادي (Lightweight Steel Framing) که به اختصار به آن LSF می گویند، براي اجراي ساختمانهاي عمدتا کوتاه و میان مرتبه مورد استفاده قرار می گیرد (شکل .(1 البته امروزه با پیشرفت این سیستم و بکارگیري تکنولوژي هاي نوین و استفاده از نرم افزارهاي اختصاصی و تولید CAD/CAM شاهد آن هستیم که در برخی از کشورهاي مدرن دنیا ساختمانهایی با تعداد طبقات و ارتفاع بیشتر به وسیله این سیستم ساخته می شوند. (شکل (2
اعضاي تشکیل دهنده این سیستم، ورقهاي فولادي سرد نورد (CFS) می باشدکه با استفاده از ورقهاي فولادي نازك گالوانیزه و به روش Roll Forming شکل دهی می شوند. داشتن ضخامت یکنواخت در عرض مقاطع و استفاده از روش Roll Forming براي ساخت آنهاست که باعث می گردد، تولید مقاطع درحجم بسیار بالا و با کیفیت مناسب و یکنواخت انجام گیرد.
این سیستم که شباهت هاي زیادي به روشهاي ساخت ساختمانهاي چوبی دارد، بر اساس کاربرد اجزایی به نام استاد (Stud)یا وادار و تراك (Track) یا رانر شکل گرفته است و از ترکیب نیمرخ هاي فولادي گالوانیزه سرد نورد شده (CFS)، ساختار اصلی ساختمان برپا می شود. مقاطع مورد استفاده در این سیستم C ، U ، Z است، که به صورت خشک و بااتصالات سرد به یکدیگر متصل می شوند. اعضاي C شکل (C-Studs and Joists) به عنوان استادهاي عمودي ، تیرهاي افقی و تیر بام مورد استفاده قرار می گیرد و همچنین اعضاي U شکل (tracks) در بالا و پایین چارچوب دیوار و براي نگهداري استاد ها مورد استفاده قرار می گیرند (شکل . (3
به دلیل سبک بودن قطعات سیستم ، ماشین آلات سنگین براي اجراي آن مورد نیاز نمی باشد. مهمترین ابزار و ماشین آلات مورد نیاز براي نصب سیستم LSF انواع مته هاي برقی ، تنفگ هاي شلیک میخ ، پیچ هاي خودکار ، بالابر و اره هاي برش فولاد و برش تخته هاي سیمانی (نظیر تخته گچی) می باشند. (شکل (4
طراحی کلیه اجزاء و اتصالات بر اساس استاندارد(AISI (American iron and steel institute و طرح سازه اي و لرزه اي آن بر اساس آئین نامه هايASCE 2005-7، IBC 2003 و ویرایش هاي بعد از آن انجام می گیرد. آیین نامه AISI توسط پروفسور جورج وینتر در سال 1946 تدوین شده که تا امروز هم تنها مرجع اساسی تمام استانداردهاي معتبر سایر کشورها در زمینه سازه هاي سرد نورد می باشد.
-3 مراحل اجراي LSF
ساختمان هاي فولادي سبک سرد نورد شده به دو روش کلی قاب بندي طبقه اي و قاب بندي دیواري ممتد اجرا می شوند. در روش اجراي طبقه اي ابتدا پی بعد آن دیوار طبقه و سپس سقف و پس از تکمیل قاب بندي دیوار و سقف، دیوار طبقه فوقانی اجرا می شود. حال آن که در روش اجراي دیواري، دیوارها در چند طبقه ساخته و نصب شده و سپس سقف طبقات اجرا می شود . (شکل (5
با توجه به گستره کاربرد روش قاب بندي طبقه اي در اکثر موارد به دلیل سادگی اجرا از این روش استفاده می شود که مراحل برپایی ساختمان در هر طبقه به وسیله این روش عبارتند از:
الف) اجراي پی ب) اجراي اسکلت ساختمان
ج) اجراي پوشش سقف و نصب پانلهاي پوشش خارجی د) نصب لایه عایق حرارتی، رطوبتی و صوتی و نصب پانل هاي پوششی داخلی ه) اجراي عملیات تاسیسات الکترونیکی و مکانیکی ي) عملیات نازك کاري
-4 سیستم هاي سازه اي
در سیستم ساختمانی LSF دهانههاي باربر به 3 روش ایجاد میشود که عبارتند از سیستم دهانههاي مهاربندي شده با تسمه هاي قطري و یا بادبندهاي K و مورب بین دو استاد متشکل از قطعات C و U شکل سرد نورد، سیستم دیوار برشی با ورق فولادي نازك و سیستم دیوار برشی با صفحات تخته گچی.
در حال حاضر در کشور ایران استفاده از سیستم دهانههاي مهاربندي شده براي ساختمانها تا 3 طبقه مسکونی و سیستم باربر جانبی دیوار برشی با صفحات پوشش براي ساختمانهاي تا 5 طبقه مجاز میباشد.
سیستم دهانه مهاربندي شده با تسمه هاي قطري مشابه سیستم بادبندي ضربدري در سازه هاي فولادي است. با این تفاوت که تعداد اعضاي فشاري در دهانه مهاربندي شده ، بیش از دو عضو ابتدا و انتها را شامل می شود. در این سیستم اعضاي فشاري در طول دهانه توزیع شده و اعضاي قطري نیز به آنها متصل می شود , در نتیجه اعضاي فشاري علاوه بر باربري ثقلی ، در تحمل نیروهاي جانبی باد و زلزله نیز شرکت می نماید. (شکل (6
عملکرد سیستم دیوار برشی با ورق فولادي نازك و صفحات تخته گچی ، مشابه سیستم مهاربندي شده است با این تفاوت که در این سیستم اعضاي قطري وجود نداشته و صفحات پوشش، تمامی اعضاي فشاري دهانه باربر را شامل می شوند. از ویژگیهاي استفاده از این سیستم مهاربندي، جلوگیري از کمانش اعضاي فشاري به دلیل وجود صفحات فلزي و گچی است. (شکل (7
-5 مزایا و معایب LSF
سیستم ساختمانی LSF داراي مزایاي بسیاري نسبت به سازه هاي متعارف از قبیل سازه هاي بتنی و فولادي رایج می باشد. طراحی بسیار آسان تر نسبت به دیگر سازه ها، تولید پیش ساخته، عملیات اجرایی کمتر، سرعت در نصب، کاهش قابل توجه هزینه هاي اجرایی ساختمان، نیروي کار بسیار کمتر، کاهش مصرف انرژي، راحتی بسیار زیاد در تعمیر و نگهداري، پایداري سازه اي و رفتار لرزه اي بسیار مناسب، توانایی تغییر و جابجایی آسان در بخش هاي سازه و ساختمان، تخریب بسیار آسان، بازیافت کامل تمام مصالح به کار رفته و فقدان نخاله در حین ساختمان و پس از تخریب، تعدادي از مزایاي این سیستم ساختمانی می باشند؛ اما باید توجه داشت که مزیت هر پدیده اي در شرایط خود قابل سنجش است و هیچ پدیده اي همانطور که خود محض نبوده و اصل عدم قطعیت در مورد آن ها صادق است، داراي مزایاي محض نبوده و همواره مزایاي آن ها مطلق می باشند.
از جمله معایب این سیستم می توان به محدودیت ابعاد دهانه، محدودیت هاي ارتفاعی و تعداد طبقات قابل ساخت، نیاز به نیروي کار متخصص و آموزش دیده ، هزینه بالاي قطعات فلزي گالوانیزه تولید شده در کارخانه و ناشناخته بودن این سیستم در کشور نام برد.
همانطور که اشاره شد سازه هاي LSF به نسبت نوع طراحی سازه اي داراي محدودیت هایی در ارتفاع می باشد که براي ساختمان هاي بلند مناسب نبوده و نمی توان از آن به صورت سازه اي باربر استفاده نمود اما در کنار سازه ي اصلی که می تواند از هر نوع سازه اي با توانایی بلندمرتبه سازي باشد، به عنوان سازه هاي غیربار در میانقاب ها و تیغه هاي جداکننده داخلی یا دیوارهاي پوشش خارجی از آن استفاده نمود که در این صورت تأثیرات بسزایی در رفتار لرزه اي سازه، سبکی سازه، صرفه جویی اقتصادي، صرفه جویی انرژي و تعمیر و نگهداري ساختمان خواهد داشت. به همین علت سازه هاي LSF در هر موقعیتی نسبت به نوع شرایط حاکم می تواند مزایاي خود را در اختیار مهندسان و معماران قرار دهد.
-6 مقایسه سیستم LSF با سیستم هاي رایج ساخت
براي قیاس بین سازه LSF با سیستم هاي رایج ساخت و ساز در کشور ، ابتدا به مدلسازي ، بارگذاري و طراحی یک ساختمان 2 طبقه با سیستم قاب سبک فولادي توسط نرم افزار SAP2000 پرداخته و سپس نتایج آن با یک ساختمان فولادي و یک ساختمان بتنی که از نظر تعداد طبقات و زیر بنا سازه و همچنین محل قرارگیري ساختمان مشابه سازه LSF بوده و با نرم افزار ETABS مدلسازي و طراحی شده اند، مورد مقایسه قرار گرفته است.
1 - 6 مشخصات کلی پروژه ها
-1 ساختمان در شهر رشت واقع است.
-5 زیربناي ساختمان 86/4 متر و پلان ساختمان در تمام طبقات تیپ و به صورت شکل زیر می باشد.(شکل (8
-2 کاربري ساختمان در تمام طبقات مسکونی است.
-3 ساختمان داراي 2 طبقه و هر طبقه به ارتفاع 3 متر است.
-4 سیستم سازه در 2 ساختمان فلزي و بتنی دو طرف قاب خمشی و در سازه LSF سیستم مقاوم در برابر نیروهاي جانبی سیستم مهاربندي می باشد.
2 - 6 بارگذاري
جزییات بارگذاري در جداول زیر ارایه شده است:
همانطور که در جداول خلاصه بارهاي ثقلی مشاهده می کنیم، بارهاي به مراتب کمتري بدلیل جزییات خاص بارگذاري سازه هاي LSF بر آن وارد می شود.
بدلیل عدم وجود منابع کافی در خصوص نحوه مدلسازي این سیستم ابتدا شرح مختصري از آن ارایه خواهد شد و سپس به ارایه نتایج مقایسه می پردازیم.
3 -6 مدلسازي سیستم LSF
امروزه براي مدلسازي و طراحی سازه هاي LSF از نرم افزارهاي طراحی اختصاصی این سیستم استفاده می شود که اکثر مراحل مدلسازي و طراحی توسط خود نرم افزار تا چندین طبقه انجام می شود. ولی متاسفانه این نرم افزارها در اختیار برخی شرکت هاي ساخت و اجراي سیستم ساختمانی LSF می باشد و در اختیار داشتن آن مستلزم صرف هزینه هاي گزاف بوده که براي یک کار تحقیقاتی صرف چنین هزینه هایی به هیچ عنوان مقرون به صرفه نمی باشد. به همین دلیل از نرم افزار SAP که قابلیت مدلسازي و طراحی این سیستم در آن گنجانده شده و ضوابط طراحی AISI 96 را دارا بوده ولی داراي محدودیت هایی که در ادامه به آنها اشاره خواهیم کرد می باشد، استفاده می نماییم. مختصري از مراحل گام به
