اسکلت سازه هم چون استخوان‌بندی در بدن انسان‌ها وظیفه حفظ تعادل و پایداری در مقابل بارهای وارد بر سازه را دارد. اسکلت ساختمان انواع مختلفی دارد. دو اسکلت ساختمانی متداول در ایران اسکلت بتنی و فولادی است. یکی از ابتدایی‌ترین تصمیم‌ها انتخاب نوع اسکلت ساختمان و سیستم ساختمانی سازه است. نوع اسکلت ساختمان توسط مهندس محاسب صورت می‌گیرد. در انتخاب نوع اسکلت ساختمان باید به عوامل بسیاری مانند شرایط جوی و آب و هوایی محل، مسائل اقتصادی و هزینه‌ها، شرایط، کیفیت و نیروی اجرای کار، شرایط فنی سازه و درخواست کارفرما توجه کرد. هر کدام از این اسکلت‌ها مزایا و معایب خاص خود را به همراه دارند. اتخاذ تصمیم درست و متناسب با نیازهای پروژه اهمیت دارد چرا که در صورت تغییر انتخاب و بروز مشکلات باید کل اسکلت ساختمان قبلی تخریب شود و در نتیجه زمان و هزینه بسیاری به پروژه تحمیل می‌شود.
دسته‌بندی انواع ساختمان برحسب سیستم‌های سازه
نحوه‌ی انتقال بار به اعضای باربر قائم سازه‌ای، اعضای باربر جانبی و نحوه اتصال آن‌ها به یکدیگر بستگی دارد. به این ترکیب ساختمانی و نحوه انتقال بار سیستم ساختمانی می‌گویند. هر مهندس محاسب بر اساس عوامل مختلفی هم چون لرزه‌خیزی محل، هندسه سازه، شرایط محیطی محل، نیازهای معماری و… سیستم ساختمانی را انتخاب می‌کند. در مبحث 6 مقررات ملی ساختمان، ساختمان‌ها بر اساس سیستم سازه‌ای به چند دسته تقسیم می‌شوند. در مبحث 6 هر کدام از این سیستم‌ها به صورت زیر تعریف می‌شوند:
- سیستم دیوار باربر: سیستم دیوار باربر نوعی سيستم سازه‌ای است كه فاقد قاب‌های ساختمانی برایی باربری قائم است. در اين سيستم، غالباً ديوارهای باربر و يا قاب‌های مهاربندی شده بارهای قائم را تحمل کرده و مقاومت در برابر نيروهای جانبی نيز به وسيله ديوارهای باربر كه به صورت ديوارهای برشی عمل می‌کنند و يا قاب‌های مهاربندی شده صورت می‌گیرد.
- سیستم قاب ساختمانی ساده: سیستم قاب ساختمانی ساده نوعی سيستم سازه‌ای است كه غالباً بارهاي قائم توسط قاب‌های ساختمانی تحمل شده و مقاومت در برابر نيروهای جانبی توسط ديوارهای برشی يا قاب‌های مهاربندی شده تأمين می‌شود. در سيستم قاب ساختمانی ساده، قاب‌های مهاربندی شده را می‌توان به صورت هم محور يا برون محور استفاده کرد.
- سیستم قاب خمشی: قاب خمشی نوعی سيستم سازه‌ای است كه در آن بارهای قائم توسط قاب‌های ساختمانی تحمل شده و مقاومت در برابر نيروهای جانبی توسط قاب‌های خمشی تأمین می‌شود. این سیستم ساختمانی شامل سازه‌های با قاب‌های خمشی كامل و سازه‌های با قاب‌های خمشی در پيرامون و يا در قسمتی از پلان و قاب‌هایی با اتصالات ساده در ساير قسمت‌های پلان است.
- سیستم دوگانه یا ترکیبی: سیستم دوگانه یا ترکیبی نوعی سيستم سازه‌ای است كه قاب‌های ساختمانی عمدتاً بارهاي قائم را تحمل می‌کنند و مقاومت در برابر بارهای جانبی توسط مجموعه‌ای از ديوارهای برشی يا قاب‌های مهاربندی شده همراه با مجموعه‌ای از قاب‌های خمشی صورت می‌گیرد. سهم برش گیری هر يك از دو مجموعه با توجه به سختی جانبی و اندركنش آن دو در تمام طبقات تعيين می‌شود.
- سایر سیستم‌های سازه‌ای: سایر روش‌هایی که جزئی از روش‌های فوق نباشد. هرچند لازم است نحوه‌ی باربری در آن طبق استانداردها و آیین‌نامه‌ها کنترل شود.
در آیین‌نامه 2800 نیز سیستم‌های سازه به 5 دسته تقسیم‌شده‌اند که عبارت است از سیستم دیوار باربر، سیستم قاب ساختمانی، سیستم قاب خمشی، سیستم دوگانه و کنسولی. هر کدام از این سیستم‌ها به چند دسته در مورد سیستم‌های باربر نیروهای جانبی تقسیم می‌شوند.
سیستم‌های سازه‌ای دیگری نیز وجود دارند که به آن‌ها در آیین‌نامه 2800 اشاره نشده است. این سیستم‌ها چندان متداول نبوده و کاربردهای خاصی دارند. سیستم‌های مذکور شامل میراگر، سوپرفریم، جداساز لرزه‌ای و دیوار برشی فولادی است.
انواع اسکلت ساختمان
به طور کلی 5 نوع اسکلت برای سازه‌ها وجود دارد. این اسکلت ساختمان ها شامل بتنی، فلزی (فولادی)، سنگی، چوبی و خشتی است. از این میان عمدتاً اسکلت‌های بتنی و فلزی در ایران رواج دارند.
اسکلت چوبی
اسکلت چوبی در مناطقی که چوب زیادی در دسترس است استفاده می‌شود. اسکلت چوبی سبک و کم هزینه‌تر است و با آب و هوای مرطوب سازگار است اما از سوی دیگر باعث قطع درختان و آسیب‌های زیست‌محیطی شده و در مقابل آتش نیز بسیار آسیب‌پذیر است. اسکلت چوبی در اروپا و آمریکای شمالی استفاده می‌شود.
در مناطقی از کشور به ویژه در گذشته استفاده از اسکلت‌های خشتی رایج بود. سازه‌های خشتی سنگین بوده و مقاومت زیادی به ویژه در برابر زلزله نداشتند اما به دلیل ارزانی و سازگاری با محیط مورد استفاده بودند. اسکلت‌های سنگی در گذشته‌ها مرسوم بوده و در بناهای تاریخی دیده می‌شوند.
این اسکلت ساختمان مقاومت بالایی داشته اما در عین حال بسیار سنگین است. با پیشرفت بشر و تکنولوژی استفاده از اسکلت‌های فلزی مرسوم شده و امروزه نیز کاربرد بسیاری دارد. هم چنین اسکلت بتنی در موارد زیادی استفاده می‌شود. در بسیاری موارد اسکلت بتنی و فلزی در رقابت هستند.
اسکلت بتنی
صنعت بتن همواره در حال پیشرفت است و این مسئله باعث ارتقای کیفیت بتن حاصل و ویژگی‌های آن می‌شود. امروزه بتن و افزودنی‌های آن بسیار متنوع و گسترده است که امکانات بسیاری را به سازندگان ارائه می‌کند. اسکلت بتنی مزایا و معایبی به همراه دارد.
معایب اسکلت بتنی:
- اسکلت بتنی وزن زیادی دارد.
- در مقابل انفجار ضعیف عمل می‌کند.
- این اسکلت ساختمان ارزش کمتری در آینده و زمان تخریب کل سازه خواهد داشت چرا که تبدیل به نخاله ساختمانی خواهد شد.
مزایای اسکلت بتنی:
- اجزای تشکیل دهنده بتن را می‌توان به عنوان مصالح بومی در نظر گرفت و در نتیجه این مسئله قیمت بتن پایین‌تر است.
- فولاد و مقاطع آن در کارخانه ساخته می‌شوند ولی اجرای اشکال مختلف و دلخواه با بتن راحت‌تر خواهد بود.
- در مقایسه با سازه‌های اسکلت فولادی، بتن در مقابل آتش و رطوبت مقاوم‌تر عمل می‌کند.
- در مقام قیاس با فولاد، سازه بتنی نیاز به نگهداری کمتری داشته و هزینه‌های نگهداری آن پایین‌تر است.
|
مزایای اسکلت بتنی |
معایب اسکلت بتنی |
|---|---|
|
امکان استفاده از مصالح بومی و کاهش هزینه تأمین بتن در برخی مناطق |
وزن زیاد سازه |
|
امکان اجرای شکل‌ها و فرم‌های متنوع |
عملکرد محدود در برابر انفجار، بسته به طراحی و شرایط سازه |
|
مقاومت بیشتر در برابر آتش و رطوبت در مقایسه با فولاد بدون حفاظت مناسب |
ارزش بازیافتی کمتر برخی اجزای سازه هنگام تخریب |
|
نیاز کمتر به نگهداری و هزینه‌های پایین‌تر در شرایط بهره‌برداری مناسب |
تبدیل بخش زیادی از سازه تخریب‌شده به نخاله ساختمانی |
لازم به ذکر است اجرای بتن با نیروهایی با تخصص و مهارت کمتر هم ممکن است.
در اجرای سازه‌های بتنی ابتدا پی اجرا شده و نکات مربوط به اجرای فونداسیون رعایت می‌شود. پس از این مرحله ستون‌های سازه آرماتور گذاری و بتن‌ریزی می‌شوند. سپس قالب‌بندی‌ها دیوارها و اجرای میلگردهای سقف صورت می‌گیرد. عمل‌آوری و آرماتوربندی اسکلت دو طبقه اجرا شده و اجرای مرحله به مرحله طبقات دیگر به همین صورت انجام می‌شود.
نهایتاً هم تیغه‌چینی و نازک‌کاری‌های لازم انجام می‌شود. بتن مصرفی در سازه‌های بتنی می‌تواند در محل کارگاه ساخته شود و یا با تجهیزات مناسب همچون تراک میکسرها به محل کارگاه حمل شود. برای این نوع از سازه به قالب و قالب‌بندی نیاز است. قالب‌ها می‌توانند چوبی و یا فلزی باشند.
اسکلت فلزی
برای طراحی سازه‌های فولادی از دو روش تنش مجاز و روش حالت حدی استفاده می‌شود. در اسکلت‌های فلزی اتصالات بسیار مهم هستند. این اتصالات به صورت جوشی، پرچی و پیچ و مهره‌ای اجرا می‌شوند. بهترین نوع اتصال، اتصال از نوع پیچ و مهره است. می‌توان گفت اتصالات پرچی نیز منسوخ شده و کاربرد چندانی ندارند.
همان طور که اشاره شد اتصالات در اسکلت بتنی بسیار تعیین کننده هستند و همین مسئله می‌تواند مانند یک ضعف باشد؛ در نتیجه به کارگیری نیروی متخصص برای اجرای اتصالات و به ویژه جوش مهم است. جوش نامناسب می‌تواند بسیار مخرب باشد.
اسکلت فلزی مزایا و معایبی دارد که عبارت‌اند از:
مزایای اسکلت فلزی:
- وزن کمتری دارد.
- فضای کمتری نسبت به بتن اشغال می‌کند.
- اجرای سازه‌های فلزی سریع‌تر انجام شده و سرعت بیشتری دارد.
- در سازه‌های فلزی نسبت مقاومت به وزن بیشتر است و در نتیجه برای سازه‌های بلند و زمین‌های سست بسیار مناسب است.
- نکته بسیار مهم در مورد سازه‌های فلزی آن است که در صورت بروز مشکل و اشتباه در محاسبه می‌توان مقاوم‌سازی و تقویت را انجام داد.
معایب اسکلت فلزی:
- در دمای بالا اسکلت فلزی ضعف داشته و می‌تواند مقاومت خود را از دست داده و فرو ریزد.
- خوردگی فلز امری اجتناب‌ناپذیر است و باید برای آن تمهیداتی اندیشیده شود.
- هزینه‌ی نگهداری اسکلت فلزی بالاتر است.
- هزینه‌های اجرایی ابتدایی در سازه‌های فولادی بالاتر است.
- بحث کمانش اجزای تحت فشار که نقطه ضعف بوده و باید به دقت بررسی و کنترل گردد.
|
مزایای اسکلت فلزی |
معایب اسکلت فلزی |
|---|---|
|
وزن کمتر نسبت به اسکلت بتنی |
کاهش مقاومت در دماهای بالا و نیاز به حفاظت در برابر آتش |
|
اشغال فضای کمتر توسط اعضای سازه‌ای |
احتمال خوردگی و نیاز به پوشش‌های محافظ و نگهداری مناسب |
|
سرعت بالاتر اجرای سازه |
هزینه‌های اولیه اجرای بالاتر در برخی پروژه‌ها |
|
نسبت مقاومت به وزن بالا و مناسب‌بودن برای سازه‌های بلند |
هزینه نگهداری و حفاظت در برابر خوردگی و آتش |
|
امکان تقویت و مقاوم‌سازی سازه در صورت نیاز |
احتمال کمانش اعضای تحت فشار و ضرورت کنترل آن در طراحی |
ساخت ساختمان‌های اسکلت فلزی با اجرای پی برای سازه آغاز می‌شود. پس از این مرحله ستون‌ها اجرا می‌شوند. جانمایی ستون‌ها با دوربین نقشه‌برداری پیش از اجرای پی کنترل و بررسی می‌شود. پس از این مرحله تیرها اجرا خواهند شد تا بارها را از کف به ستون‌ها انتقال دهند. سپس لازم است تا سیستم سقف انتخاب شود. سیستم سقف می‌تواند به صورت عرشه فولادی، تیرچه‌بلوک و … اجرا شود.
در سازه‌های فلزی می‌توان از مهاربندها جهت کنترل بارهای جانبی استفاده کرد. مهاربندها شکل‌های مختلفی مانند ضربدری، هشتی و K شکل دارند. قاب‌های مهاربندی شده در انواع واگرا، همگرا، زانویی و کمانش تاب قرار می‌گیرند. پس از این مرحله نازک‌کاری‌ها انجام می‌شود. در سازه‌های فلزی از پروفیل‌های (نیم‌رخ‌های) متفاوتی هم چون IPE،IPB ، قوطی، نبشی و ناودانی استفاده می‌شود.
سازه‌های اسکلت فلزی کاربردهای گسترده‌ای داشته و برای سازه‌های بلند، سازه‌های صنعتی، انبارها و سازه‌های مسکونی مناسب بوده و اجرا می‌شود. در واقع توسعه صنعت فولاد و استفاده از آن در ساختمان سازی امکان ساخت آسمان‌خراش‌ها و سازه‌های بلند را فراهم کرده است.
چه عواملی بر مقاومت و پایداری اسکلت ساختمان تأثیر می‌گذارند؟
مقاومت و پایداری اسکلت ساختمان به عواملی مانند کیفیت مصالح، طراحی مهندسی و نحوه اجرای سازه بستگی دارد. در اسکلت فلزی، کیفیت اتصالات جوشی و پیچ‌ومهره‌ای و در اسکلت بتنی، مقاومت بتن و اجرای صحیح آرماتوربندی نقش مهمی در عملکرد سازه دارند. علاوه بر این، شرایط خاک، طراحی فونداسیون و مقاومت سازه در برابر نیروهایی مانند زلزله و باد باید به‌دقت بررسی شوند. اجرای اصولی و نظارت مستمر بر عملیات ساختمانی نیز از بروز خطاهای اجرایی جلوگیری می‌کند و در تأمین ایمنی و پایداری ساختمان مؤثر است.
مراحل اجرای اسکلت ساختمان و نکات کنترل کیفیت
اجرای اسکلت ساختمان فرایندی مرحله‌ای است که باید مطابق نقشه‌های مصوب سازه، مشخصات فنی و ضوابط مقررات ملی ساختمان انجام شود. هرگونه خطا در مراحل اولیه می‌تواند بر ایمنی، کیفیت و هزینه‌های ادامه پروژه تأثیر بگذارد. به همین دلیل، کنترل کیفیت در تمام مراحل اجرای اسکلت فلزی یا بتنی اهمیت دارد.
۱. بررسی نقشه‌ها و آماده‌سازی محل اجرا
پیش از شروع عملیات اجرایی، نقشه‌های معماری و سازه باید از نظر هماهنگی بررسی شوند. کنترل محل ستون‌ها، ترازها، ابعاد فونداسیون و موقعیت اجزای سازه‌ای به جلوگیری از خطاهای اجرایی کمک می‌کند. همچنین باید شرایط خاک و الزامات طراحی پی متناسب با گزارش ژئوتکنیک و محاسبات سازه بررسی شوند.
۲. کنترل کیفیت اجرای فونداسیون
فونداسیون وظیفه انتقال بارهای ساختمان به زمین را بر عهده دارد. کنترل ابعاد و تراز فونداسیون، آرماتوربندی، پوشش بتن، محل بولت‌ها و صفحه‌ستون‌ها و کیفیت بتن مصرفی از جمله موارد مهم این مرحله است. جزئیات اجرایی باید با توجه به نوع اسکلت و نقشه‌های مصوب کنترل شوند.
۳. بازرسی اتصالات و اعضای سازه‌ای
در اسکلت فلزی، کنترل ابعاد و کیفیت مقاطع، شاقولی ستون‌ها، وضعیت پیچ‌ها و کیفیت جوش‌ها اهمیت دارد. بازرسی جوش و انجام آزمایش‌های لازم باید بر اساس مشخصات فنی پروژه و الزامات مربوط انجام شود.
در اسکلت بتنی نیز کنترل قطر، تعداد و آرایش میلگردها، طول مهاری و وصله‌ها، قالب‌بندی، کیفیت بتن و نحوه بتن‌ریزی و عمل‌آوری ضروری است. رعایت جزئیات آرماتوربندی و اجرای صحیح اتصالات تیر و ستون در عملکرد سازه نقش مهمی دارد.
۴. کنترل ایمنی و انطباق با نقشه‌ها
در تمام مراحل اجرا باید انطباق عملیات با نقشه‌های مصوب، الزامات لرزه‌ای و دستورالعمل‌های ایمنی بررسی شود. همچنین پیش از پوشاندن بخش‌هایی که امکان بازرسی مجدد آن‌ها وجود ندارد، لازم است کنترل‌های موردنیاز انجام و مستندات مربوط ثبت شوند.
در نهایت، کیفیت اسکلت ساختمان تنها به انتخاب مصالح مناسب وابسته نیست؛ طراحی صحیح، اجرای اصولی و نظارت مستمر نیز در تأمین پایداری و عملکرد مناسب سازه نقش اساسی دارند.
انتخاب اسکلت فلزی و بتنی
بسته به شرایط پروژه، مسائل اقتصادی و نیاز کارفرما مهندس محاسب تشخیص می‌دهد که اسکلت فلزی مناسب‌تر است یا بتنی. برخی از معیارهای انتخاب به شرح زیر است:
- اگر محل پروژه نزدیک به معدن شن و ماسه باشد اسکلت بتنی و در صورتی که نزدیک به کارخانه فولاد باشد اسکلت فولادی انتخاب بهتری خواهد بود.
- اگر خاک محل پروژه سولفات داشته باشد اجرای اسکلت فلزی مناسب‌تر است.
- اگر سبکی وزن سازه نهایی ملاک مهمی باشد اجرای اسکلت فلزی ارجح خواهد بود.
- در صورتی که آب و هوای محل پروژه مرطوب و بارانی باشد اسکلت بتنی انتخاب هوشمندانه‌تری خواهد بود.
- اگر امکان گسترش و توسعه آتی سازه ملاک باشد انتخاب سازه فلزی عاقلانه‌تر است.
- در صورتی که استفاده بیشتر از فضای داخلی مد نظر باشد، سازه فلزی این نیاز را بهتر تأمین خواهد کرد.
- اگر مقاومت در برابر آتش مهم باشد پس باید به سراغ سازه بتنی رفت.
- در صورتی که عمر مفید بیشتر سازه ملاک باشد از سازه فلزی استفاده می‌شود.
- صلبیت سازه‌های بتنی بیشتر است و در صورتی که صلبیت فاکتور مهمی باشد، لازم است اسکلت بتنی انتخاب گردد.
به طور کلی باید با برآورد هزینه، زمان و خواسته‌های کارفرما و با در نظر گرفتن موارد فوق اسکلت مناسب را در هر پروژه انتخاب کرد.
بررسی اسکلت فلزی و بتنی از نظر مسائل محیط زیستی
امروزه توجه به مسائل محیط زیستی بسیار مورد توجه و استقبال قرار گرفته است. توجه به این مسائل در صنعت ساختمان که آلودگی‌های زیست‌محیطی زیاد آن اجتناب‌ناپذیر است امری بسیار درخور توجه است. بخش ساخت‌وساز بزرگ‌ترین مصرف‌کننده انرژی در ایران است و این میزان مصرف انرژی از استاندارد بسیاری از کشورها بالاتر است. در همین راستا توجه به آلودگی‌های محیط‌زیست در انتخاب اسکلت سازه مهم است.
تحقیقات نشان می‌دهند که سازه‌های بتنی به نسبت سازه‌های فولادی آلودگی بیشتری تولید می‌کنند. پس از تخریب سازه‌های فولادی، نخاله‌های آن قابلیت بازیافت و استفاده دوباره دارند در حالی که نخاله‌های ساختمان‌های بتنی باید به مدفن‌های زباله برده شوند که باعث آلودگی بیشتری برای محیط می‌شود. در واقع اسکلت فولادی به نسبت اسکلت بتنی سازگاری بیشتری با محیط‌زیست دارد.
جمع‌بندی
نکات مهم انواع اسکلت‌های سازه‌ای و سیستم‌های ساختمانی به طور خلاصه مورد بررسی و مطالعه قرار گرفتند. انتخاب اسکلت ساختمانی مناسب به فاکتورهای زیادی مانند هزینه، محیط پروژه، زمان و… ارتباط دارد. این انتخاب در هر پروژه با بررسی شرایط موجود صورت می‌گیرد چرا که اسکلت فلزی و بتنی هر کدام مزایا و معایب به خصوصی به همراه دارند.
تصمیم در مورد اسکلت سازه باید از ابتدا به درستی صورت گیرد چرا که ایجاد تغییرات در آن نیازمند تخریب کلی اسکلت قبلی است که هزینه و زمان زیادی به پروژه تحمیل خواهد کرد. انتخاب یک مجموعه مهندسی مورد اعتماد جهت انجام تصمیم‌گیری‌ها می‌تواند بسیار کارگشا بوده و از بروز بسیاری مشکلات جلوگیری کند.
