با گسترش نیازهای عمرانی و توسعه زیرساخت‌های شهری، انتخاب مصالح مناسب برای ساخت سازه‌ها به یکی از چالش‌های اساسی مهندسان و معماران بدل شده است. در این میان، فولاد با ویژگی‌هایی چون مقاومت بالا، شکل‌پذیری مطلوب و سرعت اجرای مناسب، جایگاهی منحصربه‌فرد در صنعت ساختمان پیدا کرده است. سازه‌های فولادی، به‌ویژه با استفاده از اتصالات پیچ و مهره یا جوش، توانسته‌اند تحولی اساسی در ساخت انواع ساختمانها، پلها و سازه‌های بلندمرتبه ایجاد کنند. از آسمان‌خراش‌های مدرن گرفته تا پروژه‌های صنعتی و تجاری، اسکلت فولادی به‌عنوان یک راهکار هوشمندانه و کارآمد شناخته می‌شود که ضمن افزایش ایمنی، امکان طراحی‌های خلاقانه و انعطاف‌پذیر را نیز فراهم می‌آورد. این مقاله به بررسی ساختار، مزایا و روند به‌کارگیری سازه‌های فولادی در پروژه‌های عمرانی مدرن می‌پردازد.
سازه فولادی چیست؟
در دنیای امروز که زمان، ایمنی و کارایی در پروژه‌های عمرانی حرف اول را می‌زند، سازه فولادی به‌عنوان یک انتخاب هوشمندانه، جایگاه ویژه‌ای در میان مهندسان و سازندگان پیدا کرده است. این نوع سازه با تکیه بر مقاومت بالا، اتصال‌پذیری دقیق و قابلیت اجرای سریع، نه‌تنها ساخت‌وساز را تسهیل می‌کند، بلکه امکان طراحی‌های پیچیده و مرتفع را نیز فراهم می‌سازد. قاب‌های فولادی، با تکیه بر تیر و ستون‌های مهندسی‌شده، بارهای وارده را با دقت به زمین منتقل می‌کنند و نقش حیاتی در ایمنی ساختمانها ایفا می‌نمایند. در این مقاله، به بررسی مفاهیم کلیدی، مزایا، کاربردها و دلایل محبوبیت روزافزون اسکلت فولادی در صنعت ساخت‌وساز مدرن خواهیم پرداخت.
آنچه فولاد را به عنوان یک مصالح ساختمانی مناسب معرفی کرده می تواند شامل موارد زیر باشد:
- تغییر شکل در اثر بارگذاری و ایجاد تنش یکنواخت
- وجود خاصیت الاستیک و پلاستیک
- شکل پذیری
- خاصیت چکش خواری و تورق
- خاصیت خمش پذیری
- خاصیت فنری و جهندگی
- خاصیت چقرمگی
- خاصیت سختی استاتیکی و دینامیکی
- مقاومت نسبی بالا
- ضریب ارتجاعی بالا
- جوش پذیری
- همگن بودن
- امکان استفاده از ضایعات
- امکان تقویت مقاطع در صورت نیاز
طراحی ساختمان های فولادی
انتخاب نوع مقطع، روش ساخت، روش بهره برداری و محل ساخت ساختمان، خصوصیات و ویژگی‌های متنوعی برای ساخت اسکلت باربر یک ساختمان به وجود می آورد. مزیت های هر سیستم سازه ای و مصالح مورد نیاز آن سیستم را در صورتی می‌توان به‌کار برد که خصوصیات و ویژگی‌های آن مصالح و سیستم‌ها در مرحله طراحی به‌حساب آورده شود و طراح باید در مورد هریک از مصالح به‌درستی قضاوت کند. این موضوع به‌ویژه در ساختمان‌هایی که اسکلت فولادی دارند ضروری است. معیارهای سازه‌ای زیر اهمیت زیادی در طراحی کلی و ستون گذاری ساختمان دارد:
- نوع مقطع
- آرایش و روش قرار گیری مقاطع
- فواصل تکیه گاهی
- اندازه دهانه های سقف
- نوع مهاربندی
- نوع سیستم صلب کننده
- محل قرارگیری
سیستم صلب کننده (سیستم فضاسازی داخلی)
برای استفاده بهینه از خواص مطلوب ساختمانهای فولادی، سیستم فضاسازی داخلی باید به‌گونه‌ای اختیار شود که:
- متشکل از قطعات پیش ساخته باشد، بدین منظور که سرعت بیشتر نصب و برپایی سازه موجب کوتاه شدن زمان کلی ساخت می شود.
- قطعات سبک باشد تا وزن کلی ساختمان به حداقل ممکن برسد.
- نوع سیستم انتخاب شده، سازگار با سیستم سازه ای انتخاب شده باشد.
- با یک روش اقتصادی قابل محافظت در برابر آتش باشد.
فضاهای داخلی ساختمان فلزی معمولا” شامل:
- سقف‌ها
- بام
- دیوارهای خارجی
- دیوارهای داخلی
- سیستم رفت و آمد (پله و آسانسور) است که با هماهنگی دقیق و علمی این امکان بوجود می‌آید که اقتصادی‌ترین روش ساخت و اجرای ساختمان به‌دست آید.
طراحی با توجه به روش مهاربندی
تمام ساختمانها باید برای مقاومت در برابر نیروی زلزله و باد و یا دیگر نیروهای افقی صلب شوند سیستم صلب کننده باید:
- نیروهای جانبی را به فونداسیون منتقل کند.
- تغییر مکانهای افقی را محدود کند.
در ساختمانهای بلند باید ملاحظات ویژه‌ای برای جلوگیری از ایجاد نوسانات ناشی از باد در نظر گرفته شود. بزرگی نیروهای افقی اعمال شده در اثر باد به‌عوامل زیر بستگی دارد:
- سرعت باد
- شکل آیرودینامیکی ساختمان
- وضعیت سطح نما
- روش‌های صلب کردن
یک قاب سازه‌ای فولادی را می‌توان به یکی از روش‌های زیر مهاربندی کرد :
- سیستم‌های قاب صلب
- سیستم‌های قاب بادبندی
– دیوارهای بتنی بصورت دیوارهای برشی یا هسته های بتنی
انتخاب روش صحیح مهاربندی، اهمیت عمده ای در طراحی سازه ای دارد و حتی ممکن است کل اندیشه طراحی یک ساختمان بلند مرتبه را تحت تاثیر قرار دهد. مهاربندی به‌وسیله اعضای بادبندی یا دیوارهای بتنی به‌صورت دیافراگم صلب، نقاط ثابتی را در ساختمان ایجاد می‌کند، به‌گونه‌ای که آزادی عمل در جانمایی و معماری داخل ساختمان را محدود می‌کند.
طراحی با توجه به اجزای تشکیل دهنده فضاهای داخلی ساختمان
انتخاب سیستم مناسب برای اجزای داخلی ساختمان به عوامل مختلفی بستگی دارد. روش‌های زیر به‌طور رایج در ساخت سقف‌های متکی به تیرهای فولادی به‌کار می‌روند:
- دال بتنی درجا بر روی قالب مناسب
- دال بتنی پیش ساخته
- عرشه فولادی با بتن درجا
عملکرد مرکب بین دال بتنی و تیر فولادی که در هر سه روش امکان پذیر است، سبب اقتصادی شدن ساخت می‌شود. مسئله حفاظت قسمت‌های فولادی سقف در برابر آتش سوزی باید در اجرای سقف در نظر گرفته شود. استفاده از سقف کاذب می‌تواند این کار را به‌خوبی انجام دهد. در سازه‌های اسکلت فلزی، معمولا دیوارهای خارجی باربر نیستند، برای ساخت این دیوارها، بنابر شرایط موجود، از مصالح مختلف استفاده می‌شود.
لزوم محافظت در برابر حریق ، خوردگی و عایق بندی صوتی
اغلب اظهار می‌شود که هزینه لازم برای محافظت ساختمانهای فلزی دربرابر آتش سوزی و خوردگی و عایق‌بندی صوتی بسیار زیاد است، ولی استفاده از راه‌های معقول و مناسب برای هر ساختمان، باتوجه‌به سیستم بکار رفته در آن، می‌تواند باعث کاهش این هزینه شود. ایجاد یک سیستم محافظت دربرابر آتش‌سوزی در تمام ساختمانهای فلزی لازم و ضروری است. آنچه از اقتصادی در این مسئله حائز اهمیت است، استفاده از روش صحیح حفاظت اجزای فلزی است. اغلب المان‌های داخلی ساختمان مانند سقف و دیوارهای داخلی و خارجی آن به‌عنوان یک سیستم محافظت دربرابر آتش سوزی در ساختمان قابل استفاده است. تیرها و ستون‌های فلزی می‌تواند به‌روش مناسب در بین این اجزا مدفون شود در غیر اینصورت باید با روش مناسب اسکلت فولادی ساختمان محافظت شود.
از آنجایی‌که زنگ زدگی در قطعات داخلی ساختمان فولادی باتوجه‌به رطوبت ناچیز موجود در هوا بعید به‌نظر می‌رسد، محافظت دربرابر خوردگی برای این قطعات یک مشکل جدی محسوب نمی‌شود. بنابراین حفاظت دربرابر خوردگی فقط برای قطعات بیرونی و اجزایی که در معرض رطوبت هوا قرار دارند لازم و ضروری است.
مشخصات صوتی یک ساختمان بستگی به خواص اجزای داخلی آن دارد مانند نوع سقف و سیستم دیوارهای جداکننده و تیغه‌ها. در این بین، سیستم اسکلت باربر ساختمان نقش کمتری دارد رفتار اسکلت یک ساختمان بتنی و فولادی با یک سیستم فضاسازی داخلی مشابه یکسان است.
توجیه اقتصادی سازه های فولادی
در ارزیابی اقتصادی یک ساختمان فولادی، فقط در نظر گرفتن قیمت مصالح ساختمانی و نیروی انسانی کفایت نمی کند و بقیه عوامل موثر در این موضوع باید موردبررسی قرار گیرد.
موارد زیر در اقتصاد یک ساختمان موثر است:
- قیمت زمین: به دلیل کوچک بودن مقاطع عرضی در ساختمانهای فولادی فضای کمتری توسط اسکلت سازه اشغال شده و در مقایسه با سازه های بتنی، ساختمانهای فلزی در پلان دارای سطح موثر بیشتری هستند. بنابراین هزینه زمین در هر متر مربع مفید ساختمان در ساختمانهای فلزی کمتر خواهد بود.
- مصالح در دسترس
- ارزش نهایی ساختمان: هرچه مدت زمان ساخت یک ساختمان کوتاهتر باشد هزینه نهایی آن ساختمان کمتر خواهد بود. باتوجه‌به روش‌های مختلف ساخت سازه، متوجه می شویم که در مقایسه با سایر روش‌ها، ساخت سازه های فلزی زمان کمتری صرف می‌کند.
- هزینه اسکلت اصلی سازه (سفت کاری)
- تاثیر نازک کاری
- تاثیر نصب تجهیرات و تاسیسات
- نحوه تاثیر این عوامل در بهره برداری بهینه از ساختمان
- هزینه ایجاد تغییرات داخلی و بهسازی در ساختمان
- هزینه تخریب (در ساختمانهای با عمر کوتاه)
بررسی میزان مصرف فولاد در ساختمانهای فلزی
در ساختمانهای فلزی، هزینه با توجه به میزان مصرف فولاد در هر متر مربع مساحت کف ( تصویر افقی ) یا متر مکعب ساختمان محاسبه می‌شود. هزینه ساخت و میزان مصرف فولاد به عوامل زیر بستگی دارد:
- تعداد طبقات
- بار اعمال شده به طبقات ( مرده و زنده )
- دهانه‌ها در اطراف ستون
- ضخامت سقف
- سیستم سازه‌ای ( سیستم انتقال بارهای قائم و جانبی )
انتقال بار در سازه های فولادی
سازه های فولادی مشتمل بر تعدادی تیر و ستون به شکل قاب و نیز شامل تعدادی تقویت‌کننده به‌منظور ایستایی بیشتر است. بدیهی است انتقال بارهای افقی و قائم از طریق این اجزاء صورت می گیرد. به این صورت‌که:
- سقف بارهای عمودی را تحمل کرده و به‌صورت افقی از طریق تیرها به تکیه گاههای تیر منتقل می کند.
- سیستم باربر قائم ( ستونها)، بارها را از تکیه گاههای دو سر تیر به فونداسیون انتقال می‌دهد.
- همچنین سیستم‌های مهاربندی قائم و افقی، بارهای جانبی ناشی از باد، زلزله ، فشار زمین و … را به فونداسیون‌ها منتقل می‌نمایند.
ماهیت انتقال بار از طریق تیرها به تکیه‌گاه‌ها و روش قرارگیری تیرها ( تیر ریزی ) به‌عوامل زیر بستگی دارد:
- نوع مقطع قابل استفاده باتوجه‌به طراحی معماری
- فواصل تکیه گاه‌ها و طول دهانه تیر باتوجه‌به طراحی سازه ها
- روش انتقال بار توسط اجزای باربر
- سیستم تکیه گاهی انتخاب شده ( صلب ، نیمه صلب ، ساده )
ستون فلزی چیست؟
ستون عضوی است كه معمولا به صورت عمودي در ساختمان نصب مي شود و يارهاي كف ناشي از طبقات به وسيله تير و شاه تير به آن منتقل مي گردد و سپس به زمين انتقال مي يابد.
شكل ستونها
شكل سطح مقطع ستونها معمولا به مقدار و وضعيت بار وارد شده بستگی دارد. براي ساختن ستونهاي فلزی از انواع پروفيلها و ورق‌ها استفاده مي شود.عموما ستونها از لحاظ شكل ظاهری به دو گروه تقسيم مي شوند:
- نيمرخ (پروفيل) نورد شده شامل انواع تيرآهنها و قوطي‌ها: بهترين پروفيل نورد شده براي ستون، تيرآهن با پهن يا قوطيهاي مربع شكل است؛ زيرا از نظر مقاومت بهتر از مقاطع ديگر عمل مي كند. ضمن اينكه در بيشتر مواقع عمل اتصالات تيرها به راحتي روي آنها انجام مي گيرد.
- مقاطع مركب: هرگاه سطح مقطع و مشخصات يك نيمرخ (پروفيل ) به تنهايي براي ايستايي ( تحمل بار وارد شده و لنگر احتمالي ) يك ستون كافي نباشد از اتصال چند پروفيل به يكديگر، ستون مناسب آن (مقاطع مركب ) ساخته مي شود.
چگونگي ساخت ستون (مقاطع مركب)
ستونها ممكن است بر حسب نياز با تركيب و اتصالات متنوع از انواع پروفيلهاي مختلف ساخته شوند اما رايج ترين اتصال براي ساخت ستونها سه نوع است:
- اتصال دو پروفيل به يكديگر به طريقه دوبله كردن: ابتدا دو تيرآهن را در كنار يكديگر و بر روي سطح صاف به هم چسبيده گردند؛ سپس دو سر و وسط ستون را جوش داده و ستون برگردانده شده و مانند قبل جوشكاري صورت مي گيرد؛ آن گاه ستون معكوس و در قسمت وسط جوشكاري مي شود. همين كار را در سوي ديگر ستون انجام مي دهند و به ترتيب جوشكاري ادامه مي يابد تا جوش مورد نياز ستون تامين گردد. اين شيوه جوشكاري براي جلوگيري از پيچش ستون در اثر حرارت زياد جوشكازي ممتد مي باشد در صورتيكه در سرتاسر ستون به جوش نيازي نباشد، دست كم جوشها بايد به اين ترتيب اجرا شود:
- حداكثر فاصله بين طول‌های جوش در طول ستون به صورت غير ممتد از 60 سانتيمتر تجاوز نكند.
- طول جوش ابتدايي و انتهايي ستون بايد برابر بزرگترين عرض مقطع باشد و به‌طور يكسره انجام گيرد.
- طول موثر هر قطعه از جوش منقطع نبايد از 4 برابر بعد جوش يا 40 ميليمتر كمتر باشد.
- تماس ميان بدنه دو پروفيل نبايد از يك شكاف 5/1 ميليمتری بيشتر باشد، اما از 6 ميليمتر كمتر نباشد؛ ضمنا بررسی‌های فنی نشان دهد که مساحت كافي برای تماس وجود ندارد؛ در آن صورت اين بادخور بايد با مصالح پر كننده مناسب شامل تيغه های فولادی با ضخامت ثابت پر شود.
- اتصال دو پروفيل با یک ورق سراسری روی بال‌ها: در مقاطع مركبي كه ورق اتصال بر روي دو نيمرخ متصل مي شود تا مقاطع مركب تشكيل بدهد؛ فاصله جوشهاي مقطع (غير ممتد) كه ورق را به نيمرخها متصل مي كند نبايد از 30 سانتيمتر بيشتر شود. اندازه حداكثر فاصله فوق الذكر در مورد فولاد معمولي به صورت t22 كه t در آن ضخامت ورق است درمی‌آيد.
- اتصال دو پروفيل با بستهای فلزی (تسمه): متداولترين نوع ستون در ايران ستونهاي مركبي است كه دو تيرآهن به فاصله معين از يكديگر قرار مي گيرد و قيدهای افقی يا چپ و راست اين دو نيمرخ را به هم متصل مي كند؛ البته بستهای چپ و راست كه شكلهاي مثلثي را به وجود مي آورند دارای مقاومت بهتري نسبت به قيدهاي موازي مي باشند. در مورد اينگونه ستونها به‌ويژه ستون با قيد موازی مسائل زير را بايستی رعايت كرد:
- ابعاد بست (وصله) افقي ستون كمتر از اين مقادير نباشد:
L : طول وصله حداقل به فاصله مركز تا مركز دو نيمرخ باشد.
B : عرض وصله از 42 درصد طول آن كمتر نباشد.
T : ضخامت وصله از 35/1 طول آن كمتر نباشد.
- در اطراف كليه وصله‌ها و در سطح تماس با بال نيمرخها عمل جوشكاری انجام گيرد مجموع طول خط جوش در هر طرف صفحه نبايد از طول صفحه كمتر شود.
- فاصله قيدها و ابعاد آن براساس محاسبات فني تعيين مي شود.
- در قسمت انتهايی ستون، بايد حتما از ورق باطول حداقل برابر عرض ستون استفاده كرد تا علاوه‌بر تقويت پايه، محل مناسبي برای اتصال بادبندها به ستون به‌وجود آيد.
- در محل اتصال تير يا پل به ستون لازم است قبلا ورق تقويتی به ابعاد كافی روی بال‌های ستون جوش شده باشد.
روش نصب نبشی بر روی كف ستون ها (بيس پليت) برای استقرار ستون
هنگام محاسبه ابعاد كف ستونها بايد حداقل فاصله ميله مهاري از لبه كف ستون و محل جاگذاری نبشی با ضخامت جوش لازم برای نگه داشتن ستون، همچنين ضخامت پليت انتهايی ستون و ابعاد ستون را با دقت بررسی كرد؛ سپس باتوجه‌به موارد يادشده به‌نصب نبشی و استقرار ستون به اين صورت اقدام نمود. بر روی بيس پليت‌ها محل كف ستون و محل آكس را كنترل مي كنيم؛ سپس نبشيی‌های اتصال را به‌صورت عمود بر هم بر روی بيس پليت جوش داده، آنگاه ستون را مستقر و اقدام به نصب دگر نبشی‌های لازم كرده و آنها را به بيس پليت جوش می‌دهيم.
از مزاياي عمود برهم بودن دو نبشی روی بيس پليت علاوه‌بر سرعت عمل و استقرار بهتر به‌علت تماس مستقيم ستون به‌بال نبشی اتصال جوشكاری به‌گونه‌ای درست‌تر و اصولی‌تر صورت می‌گيرد. روشن است كه قبل از جوشكاري بايد ستونها را هم محور و قائم نموده و عمود بودن در دو جهت كنترل گردد. پس از نصب ستونها باتوجه‌به ارتفاع ستون و آزاد بودن سر ستون ممكن است تا زمان نصب پلها، ستونها در اثر شدت باد و وزن خود حركتهايی داشته باشند كه احتمالا تاثير نامطلوب و ايجاد ضعف در جوشكاری و اتصالات كف ستونها خواهد داشت. به اين سبب بايد پس از نصب، فورا به مهاربند موقت ستونها به‌وسيله ميلگرد يا نبشی به‌صورت ضربدری اقدام كرد.
طويل كردن ستونها
سازهاي فلزي را اغلب در چندين طبقه احداث مي كنند، طول پروفيلها براي ساخت ستون محدود است. با در نظر گرفتن بار وارده و دهانه بين ستونها و نحوه قرار گرفتن ستونهاي كناري، مقاطع مختلفي براي ساخت ستونها به دست مي ايد. ممكن است در هر طبقه ابعاد مقطع ستون با طبقه ديگر تفاوت داشته باشد؛ بنابراي بايد اتصال مقاطع با ابعاد مختلف براي طويل كردن با دقت زيادي انجام شود. محل مناسب براي وصله ستونها به هنگام طويل كردن آنها حداقل در ازتفاع 45 تا 60 سانتي متر بالاتر از كف هر طبقه يا 6/1 ارتفاع طبقه مي باشد. اين ارتفاع اندازه حداقلي است كه از نظر دسترسي به محل اجراي جوش و نصب اتصالات مورد نياز براي ادامه ستون يا اتصال بادبند لازم است.
نحوه طويل كردن ستونها
ابتدا سطح تماس دو ستون را به‌خوبی گونيا می‌كنند و با سنگ زدن صاف می‌نمايند تا كاملا در تماس با يكديگر يا صفحه وصله قرار گيرد. درصورتی‌كه پروفيل دو ستون يكسان نباشد، بايد اختلاف دو نمره ستون را با گذاردن صفحات لقمه (هم سو كننده) بر ستون فوقانی را پر نمود؛ سپس صفحه وصله را نصب كرد و جوش لازم را انجام داد. اگر ابعاد مقطع دو نيمرخ كه به‌يكديگر متصل می‌شوند تفاوت زياد داشته باشند به‌طوری‌كه قسمت بزرگي از سطح آن دو در تماس با يكديگر قرار نگيرد، دراين‌صورت بايد یک صفحه تقسيم فشار افقي بين دو نيمرخ به‌كار برد. اين صفحه معمولا بايد ضخيم انتخاب شود تا بتواند بدون تغيير شكل زياد عمل تقسيم فشار را انجام دهد. كليه ابعاد و ضخامت صفحه و مقدار جوش لازم را بايد طبق محاسبه و براساس نقشه‌های اجرایی انجام داد.
ستونها با مقاطع دايره‌ای
معمولا مقاطع لوله اي (دايره‌ای) از قطر 2 تا 12 اينچ براي ستونها بيشتر مورداستفاده قرار می‌گيرند. مقطع لوله در مواقعی كه به‌وسيله اتصال جوش باشد آسانتر به‌كار می‌رود. كاربرد لوله بيشتر در پايه‌های بعضی منابع هوايی، دكل‌های مختلف و خرپاهای سبك است. اين مقطع‌ها به‌طوركلی مقاومترند برای اينكه ممان انرسی آنها در تمام جهات يكسان است. با تغيير ضخامت مقاطع لوله‌ای می‌توان اينرسی‌های مختلف را به‌دست آورد.
چرا سازه‌های فولادی قلب تپنده ساخت‌وساز هستند؟
همان‌طور که دیدیم، سازه‌های فولادی به‌دلیل استحکام بالا، اجرای سریع و قابلیت اطمینان در برابر نیروهای جانبی، به بخش جدایی‌ناپذیر صنعت ساخت‌وساز مدرن تبدیل شده‌اند. استفاده از اسکلت فلزی نه‌تنها در پروژه‌های بزرگ شهری، بلکه در ساختمانهای مسکونی و صنعتی نیز رایج است و روزبه‌روز بر دامنه کاربرد آن افزوده می‌شود. اگر در حال برنامه‌ریزی برای اجرای سازه فولادی در پروژه خود هستید، توجه به نکاتی مانند انتخاب مصالح استاندارد، نوع اتصال (پیچ و مهره‌ای یا جوشی)، و تیم اجرایی باتجربه، نقش مهمی در کیفیت نهایی سازه خواهد داشت. همچنین می توانید جدیدترین لیست قیمت سازه فلزی را در جداول موجود در آهن آنلاین مشاهده کنید.
