بخشی از مقاله
بررسی کاربرد سیستم LSF درساخت وسازو مقایسه آن با دیگر سازه های فولادی(بررسی مزایای برتر LSF)
چکیده
قابهای فولادی سبک نورد سرد شده یکی از انواع سیستمهای ساختمانی است که درکشورهای صاحب تکنولوﮊی به طور گسترده ا ی مورد استفاده قرار می گیرد و درکشور ما نیز مصرف آن رو به فزونی است در این مقاله ضمن بررسی ویژگیهای فنی وعمومی سیستم سازه ای قاب فولادی سبک .(LSF) مزایای استفاده از این سیستم درساخت وسازهای سریع ومقاوم سازی موضعی و برتریهای این سازه نسبت به سازه های فولادی دیگر ارایه شده است . سیستم LSF که از سیستم سازه ای قاب فولادی سبک .(CSF)ساخته می شود در حدود ۰۲سال است که به شکل گسترده در تولید صنعتی انواع ساختمانهای اداری، تجاری و مسکونی به کار می رود و به عنوان جایگزین مناسبی برای روشهای سنتی ساخت ،جایگاه ویژه ای در صنعت ساخت وساز کشورهای پیشرفته یافته است . به منظور بررسی کاربرد سیستم LSF در ساخت و ساز ، روشهای ساخت این سیستم مورد مطالعه قرار گرفته و به دنبال آن سیستم LSF از جنبه های گوناگون با سیستم های سنتی رایج در ساخت وساز به ویژه سازه فولادی معمولی ، مقایسه شده و از طریق این مقایسه مزایای برتر استفاده از این روش نسبت به سازه های فولادی معمولی ارایه شده است . نتایج این بررسی نشان می دهد بهره گیری از سیستم LSF به دلیل دارا بودن قابلیت پیش ساخته سازی وسبک بودن ، بدون ایجاد وقفه ویا اختلال در کاربری محل ، سرعت ساخت وساز را تا ۵,۲برابرافزایش داده و با کاهش ۰۴درصدی در مصرف فولاد نسبت به سازه های فولادی معمولی ، وزن سازه را نیز تا ۰۵درصد کاهش می دهد. همچنین قابلیت معماری بالا و انعطاف پذیری بالا در برابراعمال تغییرات از دیگر ویژگیهای این نوع سازه می باشد . عمر واستحکام ساختمانهای ساخته شده با این نوع سازه نیز در مقایسه با سازه های فولادی معمولی به مراتب بیشتر می باشد .
کلمات کلیدی: قاب فولادی سبک (LSF) ، مقاطع فولادی (CSF) ، سازه های فولادی معمولی ، سرعت ، کیفیت
مقدمه
حرکت به سوی صنعتی شدن به پیشرفت هم زمان تمام صنایع نیاز دارد در این میان صنعت ساختمان بعنوان یک صنعت کهن که هر سال مبالغ هنگفتی از سرمایه های ملی در آن هزینه می شود و در تجربه جهانی نشان داده است در زمانهایی که نیاز به ساخت تعداد زیادی ساختمان و مسکن وجود دارد. تنها انبوه سازی به شیوه های صنعتی با هدف گذاری برنامه ریزی مدیریت و رشد هماهنگ صنایع وابسته میسر است . صنعتی شدن فرآیندی نسبتاً زمان بر است که نیاز به تفکر مهندسی فرهنگی دراز مدت دارد و سیاستی است که همه باید برای گسترش آن همواره تلاش کنند.
امروزه سبک سازی یکی از مفاهیم کاربردی در زمینه ایمنی در زمان وقوع زلزله به شمار می رود . اصلی ترین هدف سبک سازی در ساختمان ها ، کاهش نیروی وارده به ساختمان در هنگام وقوع زلزله است. برای رسیدن به این هدف باید سبک سازی هم در عناصر سازه ای و هم در عناصر غیر سازه ای یک ساختمان لحاظ شود . در اکثر ساختمان ها در ایران ، وزن عناصر غیر سازه ای از وزن عناصر سازه ای بیشتر می باشد . بنابراین برای سبک سازی توجه به اجزای غیر سازه ای یک ساختمان که معمولا قسمت بیشتری از وزن یک بنا را تشکیل می دهند ، مهم تر از بخش اجزا سازه ای می باشد . استفاده از سیستم LSF به دلیل مزایای فراوان از جمله سرعت و کیفیت بالای ساخت و عملکرد لرزه ای مناسب در سال های اخیر در بسیاری از کشورهای دنیا رواج قابل توجهی یافته است .سیستم LSF که از اعضای فولادی با مقاطعCFS ساخته می شود از سال 1946 در صنعت ساختمان وارد شد ، اما به دلیل اقتصادی نبودن کاربرد محدودی یافت .از سال 1990 به دلایل زیاد از جمله افزایش قیمت چوب و محدود بودن منابع تهیه آن، مشکلات زیست محیطی، نیاز به تولید سریع و انبوه مسکن و ضرورت استفاده از پیش ساخته سازی، سیستم LSF کاربرد وسیعی یافت ، به طوریکه امروزه این سیستم در آمریکا، کانادا ، استرالیا ، ژاپن و بسیاری از کشورهای دیگر در احداث ساختما نهای تجاری و مسکونی کوتاه مرتبه و میان مرتبه کاربرد زیادی دارد . (حرمتی،ش 17 ،(55
در این مقاله با توجه به ضرورت و راهکارهای کاهش وزن ساختمان، ملاحظاتی جهت طرح و ساخت قاب سبک فولادی (LSF) با استفاده از مصالح سازه ای سبک ارائه شده است. که توجه به آنها می توان گام بلندی در جهت حفظ و بهره وری منابع ، مواد ، انرژی وحفظ سرمایه ها وثروت ملی و جلوگیری از تلف شدن انرژی برداشت.
معرفی سیستم ساختمانی قاب فولادی سبک(( LSF
سیستم ساخت قاب سبک فولادی Lightweight Steel Framing که به اختصار LSF می نامند، یک سیستم ساختمانی است، که به صورت اجرای خشک وعمدتا با استفاده ار اتصالات پیچی به روش تولید صنعتی اجرا می شود این ساختمانها از 3 جزء اصلی شامل : مقاطع متشکل از ورقهای فولادی سرد نورد شده برای سازه، صفحات گچی یا PVC به عنوان پوشش و لایه عایق حرارتی و صوتی تشکیل می شوند. کاربرد این ساختمان ها به عنوان یک سیستم سازه ای مستقل و اکثرا" در انبوه
سازی ساختمانهای دو یا سه طبقه ، ویلاها ، ساختمانهای کوچک ، واحد های صنعتی و سالن های ورزشی یک طبقه است و برای اجرای ساختمان های عمدتاً کوتاه مرتبه و میان مرتبه (حداکثر تا 5 طبقه) استفاده می شود . این روش یک سیستم سازه ای باربر ثقلی است که قابلیت ترکیب شدن با سیستم های سازه ای دیگر ، مانند دیوارهای بتن مسلح سازه ای (دیوارهای برشی) را دارد و در ساختمانهای کوتاه بصورت سیستم سازه ای مختلط بکار می رود .(مرکز تحقیقات مسکن،1388،(20 و از سیستم های مورد تایید مهندسان عمران در کشورهای توسعه یافته و مدرن می باشد. این سیستم که شباهت زیادی به روش های ساخت ساختمان های چوبی دارد، بر اساس کاربرد اجزایی به نام استاد (Stud) یا وادار و تراک ( Track) یا رانر شکل گرفته است و از ترکیب نیمرخ های فولادی گالوانیزه سرد نورد شده ، ساختار اصلی ساختمان برپا می شود . مقاطع مورد استفاده در این سیستم C و U, Zاست، که معمولاً با اتصالات سرد به یکدیگر متصل می شوند. هر دیوار از تعدادی اجزای عمومی C شکل (استاد) به فواصل 40 تا 60 سانتی متر ، که در بالا و پایین به اجزای افقی ناودانی U یا C شک ل (تراک یا رانر) متصل شده اند، تشکیل می شود . در صورتی که از مقاطع C شکل به عنوان تراک (رانر) استفاده شود ، لازم است برش هایی در محل نصب استاد انجام گیرد. اتصال LSF به شالوده توسط کلاف افقی با مقطع c ، شکل گرفته و اجزای قائم به عنوان عضو باربر ستونی در بارهای ثقلی عمل میکند ، برخی از این اعضا در دهانه مهاربندی جانبی سازه علاوه بر بار ثقلی ، متحمل نیروهای ناشی از بار جانبی هم می باشد که تحت نام (STUD) در سیستم معرفی شده اند. (مرکز تحقیقات مسکن،1388،(20
سقف این سازه ها متشکل از تیرچه های LSF سرد نورد شده می باشد. تیرها و تیرچه ها عمدتا" دارای مقاطع با اشکال C و Z می باشند. پوشش سقف از دال بتنی است ولی درصورت نیاز به یکپارچگی لازم بین بتن و پروفیل فولادی تیرچه ، می تواند به عنوان سقف مرکب فلزی طراحی و اجرا شود. LSF بمنظور باربری جانبی سازه در امتداد اصلی متعامد ، از دهانه های باربرجانبی استفاده شود.((LOADBEARINGWALL (مرکز تحقیقات مسکن،1388،(20
دهانه های باربر به چهار روش ایجاد شده : سیستم دهانه های مهار بندی با اعضای قطری ، سیستم دیوار برشی با ورق فولادی نازک ، سیستم دیوار باربر با پوشش OSB و سیستم دیوار برشی بتن مسلح که مهار بندی با اعضای قطری برای ساختمانهای تا دو طبقه مسکونی و سیستم باربر جانبی دیوار برشی بتن مسلح تا پنج طبقه مسکونی برای آن مجاز است.
انتقال حرارتی کم و عملکرد صوتی دیوارها و سقف های ساخته شده در محدوده رعایت تمهیدات تعیین شده مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان می باشد. موارد تشکیل دهنده LSF بار حریق ندارند و یکی از دلایل کاربرد گچ به عنوان پوشش داخلی رسیدن به این هدف است. (مرکز تحقیقات مسکن،1388،(20 مابین پانل پیش ساخته LSF و بتن سبک از پرلیت پر می شود.
سیستم سازه ای فولادی سبک ( LSF) در انواع ساخت و سازها مانند ویلاها، خانه های ویلایی تک خانه وار و چندخانوار ، ساختمانهای مسکونی و اداری یک، دو و سه طبقه، هتل ها و هتل آپارتمانها، ساختمانهای مدارس و دانشگاهی، رستورانها و ....
دارای کاربرد می باشد.
سیستم سازه های فولادی سبک (LSF) یکی از مناسبترین سیستم های ساختمانی است که امروزه در جهان مورد استفاده قرار می گیرد. اصلی ترین عامل در سازه های فولادی سبک، مقاطع فولادی جدار نازک (LGS) میباشد. مقاطع فولادی جدار نازک، مقاطع فلزی سرد نورد شده ای میباشند که با استفاده از ورقهای فولادی نازک و با استفاده از روش Roll Forming شکل دهی میشوند. داشتن ضخامت یکنواخت در عرض مقاطع و استفاده از روشRoll Forming برای ساخت آنهاست که باعث میگردد، تولید مقاطع در حجم بسیار بالا و با کیفیت مناسب و یکنواخت انجام گیرد.
مقاطع فولادی جدار نازک، سبک بوده و به راحتی قابل حمل میباشند. بخشهای مختلف ساختمان را به راحتی می تواند بااین مقاطع مونتاژ نمود. این عوامل باعث میگردد که عملیات ساخت با این سیستم بسیار سریع باشد.
تاریخچه LSF
بهره گیری از اعضای فولاد سرد نورد شده از دهه 1850 میلادی آغاز گردید، ولی استفاده از آن تا انتشار اولین ضوابط انجمن امریکایی فلزات در 1946 گسترش زیادی پیدا نکرد، اولین استاندارد طراحی بر مبنای تحقیقات انجام یافته در دانشگاه کرنل سال 1939 و با پشتیبانی AISI تدوین گردید . امروزه بدلیل کیفیت مناسب ساخت و سرعت بالا و مقاومت عالی در برابر زلزله از آن در کشورهای انگلستان، آمریکا، کانادا ، استرالیا ، ژاپن و... استفاده میگردد
سیستم LSF که از مقاطع سرد نورد شده فولادی((CFS ساخته میشود در حدود 20 سال است که به شکل گسترده در تولید صنعتی انواع ساختمانهای اداری، تجاری و مسکونی به کار میرود و به عنوان جایگزین مناسبی برای روشهای سنتی ساخت ، جایگاه ویژهای در صنعت ساخت و ساز کشورهای پیشرفته یافته است . نتایج بررسی ها نشان میدهد استفاده از سیستم LSF علاوه بر این که سرعت اجرا را حداقل دو برابر می نماید، منجر به کاهش چهل درصدی در فولاد مصرفی خواهد شد. ای ن 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.
از سال 1990 به دلایل زیاد از جمله افزایش قیمت چوب و محدود بودن منابع تهیه آن، مشکلات زیست محیطی، نیاز به تولید سریع و انبوه مسکن و ضرورت استفاده از پیشساخته سازی سیستم LSF کاربرد وسیعی یافت، به طوریکه امروزه این سیستم در آمریکا، کانادا، استرالیا، ژاپن و بسیاری از کشورهای دیگر در احداث ساختمانهای تجاری و مسکونی کوتاه مرتبه و میان مرتبه کاربرد زیادی دارد.(وثوقی فر،....،(1
مزایای مقاطع فولادی جدار نازک
اغلب مصالح مورد استفاده در سیستم سازه های فولادی سبک قابل بازیافت بوده و 100درصد مصالح پرتی که در طول ساخت سیستم ایجاد میگردد، قابل بازیافت می باشد. مقاطع فولادی جدار نازک مقاطع بسیار مقاومی در مقابل خوردگی، کج شدگی و ایجاد ترک می باشند.
مقاطع مورد نیاز برای ساخت ساختمان با سیستم (LSF) می توانند با طول های دقیق مورد نیاز سفارش داده شوند که این کار باعث می گردد حجم عملیات و تعداد کارگر مورد نیاز در محل سایت کاهش یافته ونیز پرت مصالح به حداقل ممکن برسد. مصالح موردنیاز برای ساخت این سیستم حداقل 67 درصد سبک تر از مصالح مرسوم در ساخت و ساز می باشد. جهت گیری کنونی سازه های فولادی سبک به سمت تکنیک پانل های پیش ساخته (Panelization) است که در این روش دیوارهای ساختمان در محل کارخانه و تحت شرایط کنترل شده مونتاژ شده و سپس به محل سایت جهت نصب منتقل می گردند. این روش باعث بالا رفتن سرعت نصب این سیستم در محل کارگاه می گردد. پروسه شکل دهی و ساخت مقاطع فولادی جدار نازک یک سری سوراخهای استاندارد در جان این مقاطع ایجاد مینمایند که عبور دادن سیم ها و لوله ها از داخل این سوراخها باعث ایجاد تسهیل در نصب سیستم های الکتریکی و لوله کشی ها در داخل دیوار می گردند. این سیستم نسبت به بقیه مصالح مزیت های بالاتری دارد.
برخی از ویژگیهایlsf
الف- انعطاف پذیری
- این مقاطع میتوانند به صورت اعضای تکی و یا اینکه به صورت پانل های آماده شده در کارخانه، به سایت منتقل گردند. تنوع ضخامت و ابعاد مقاطع جدار نازک امکان انعطاف پذیری زیادی را در مرحله طراحی ایجاد می نمایند. به عنوان نمونه در طراحی یک سیستم خاص که ارتفاع تیرچه ها باید محدود باشد ، بدون اینکه فواصل المانهای کف و یا دیوار را تغییر داد ، میتوان با تغییر ضخامت مقطع جدار نازک ، این محدودیت را برآورده نمود.
ب- دوام
-در مقاطع فولادی جدار نازک جمع شدگی و تغییر شکل و کج شدگی مقطع وجود نداشته و لذا مشکلات ایجاد شده برای پانلهای چوبی و پانل های گچی متصل شده به این اجزای فلزی نیز به حداقل ممکن کاهش خواهد یافت . همچنین فلز یک ماده غیراورگانیک بوده و بنابراین در مقابل رطوبت و هجوم حشرات مقاوم بوده و چرخش، کج شدگی، جداشدگی، ترک و خزش در آن ایجاد نخواهد شد.
ج- وزن سبک
- مقاطع فولادی جدارنازک بدلیل سبک بودن به راحتی قابل حمل و جابجایی در محل کارگاه بوده و لذا هزینه مربوط به کارگر را کاهش داده و نیز باعث خستگی مفرط نمی گردد.
د- قوی بودن مقاطع (Strong)
- این مقاطع و سیستم سازه ای به راحتی میتواند بالاترین نیروهای زلزله و باد را تحمل نماید.
ه- دارای ثبات در ابعاد
- بدلیل اینکه فلز ماده ای است که در مقایسه با مصالح اورگانیک ، در مراحل پروسه مختلف شکل می گیرد، بنابراین مقاطع کاملاً صاف ، و هم شکل بوده و دارای کیفیت یکسانی می باشند.
و- مقاوم در برابر آتش
- مقاطع فولادی ، مصالح غیرقابل اشتعال می باشند . این مصالح نمی سوزند و باعث گسترش حریق در فضاهای مختلف ساختمان نمی گردند. بنابراین مالکان می توانند هزینه بیمه کمتری را برای بیمه نمودن ساختمان در برابر آتش بپردازند.
ی - مقاومت((Strength
- مقاطع فولادی جدار نازک سرد نورد شده ، در مقایسه با دیگر مصالح ساختمانی دارای بالاترین نسبت مقاومت به وزن می باشند.
مزایای ساختمانها ی ساخته شده با سیستم (LSF) را میتوان به شرح ذیل برشمرد:
الف- ایمنی در برابر حوادث طبیعی و بخصوص زلزله : به دلیل سبکی و عدم استفاده از مصالح سنتی و سنگین در این نوع سازهها ، ساکنین از امنیت جانی بالاتری در زمان زلزله برخوردارند.
- ایمنی در ساختمان : بحث ایمنی ، از مهمترین مسائل صنعت ساختمان است زیرا با سلامتی انسانها سر و کار دارد . در ساختمانهای سنتی چون ستونها و اسکلت فلزی ، قسمت اعظم بار ساختمان را تحمل میکنند با کنار رفتن یک تیر یا ستون، کل ساختمان به طور ناگهانی فرو میریزد . در روش سازههای پیشساخته سبک چون به جای استفاده از اسکلت فلزی، از شبکههای میلگردی که در تمام سطوح دیوارها توزیع شدهاند استفاده میشود ، فروریزی ناگهانی پیش نمیآید . زیرا اتصالات و مواضع تحمل بار به صورت یکپارچه در تمام ساختمان وجود دارد.
- مقاومت در برابر زلزله : در مناطق زلزلهخیز مانند ایران، یکی از پارامترهای مهم در ساختمان سازی کاهش وزن ساختمان است . زیرا نیروهای زلزله با وزن ساختمان نسبت مستقیم دارد. بنابراین تکنولوژی انتخاب شده باید دارای جهتگیری کاهش وزن باشد . برخلاف شیوه سازههای پیش ساخته سبک در سایر سیستمهای پیش ساخته دیگر، اتصالاتشان
اکثراً به صورت مفصلی و لولایی است و دارای وزن سنگین هستند . تنها در این روش است که با 8 سانتیمتر بتن میتوان نیروهای ساختمان 4 طبقه را در طبقه همکف تحمل کرد. وزن نهایی ساختمان با این روش، نسبت به روشهای پیش ساخته دیگر و همچنین ساختمانهای بتنی، 25 درصد کاهش می یابد ؛ یعنی در هنگام زلزله 25 درصد نیروی کمتر به ساختمان وارد میشود. امروزه سبک سازی ساختمان یکی از شعارهای اصلی در صنعت مسکن است و تجربه های قبلی در طوفانها و زلزله های گذشته نشان می دهد که سازه های LSF ، دارای عملکرد بهتری در برابر بارهای زلزله و طوفان نسبت به سیستم-های ساختمانی دیگر می باشند . بدلیل سبک بودن این سیستم ساختمانی ، نیروی زلزله کمتری به آن اعمال می گردد .
ب- به حداقل رسیدن خطاهای طراحی و اجرا
از آنجا که مراحل طراحی و ساخت این ساختمانها بصورت متمرکز در محل کارخانه و با نظارت متخصصین با سابقه انجام خواهد شد، لذا احتمال بروز خطاها و مشکلات اجرایی ساختمانهای سنتی تا حد زیادی کاهش خواهد یافت. از طرف دیگر اجرای نظام کنترل کیفی (تحت استانداردهای ISO، QS و ...) در رابطه با کلیه طراحیها، ساخت قطعات پیش ساخته و مصالح مصرفی از طریق واحد فنی کارخانه ودفتر مرکزی، اشتباهات مذکور را کاهش داده و ضمناً طی دورههای مختلف، با بازخورد اطلاعات بدست آمده از پروژههای اجرایی ، ضعفها و مشکلات احتمالی نیز برطرف خواهند شد. این در حالیست که چنین شرایطی در رابطه با ساخت و سازهای سنتی در حال انجام مقدور نبوده و سیستم کنترلی دقیقی اجرا نمیگردد . بطور خلاصه با راهکارهای ذیل، خطاهای طراحی و اجرا به حداقل کاهش یافته است :
