سازه مرکب روشی نوین در ساختمان سازی
دسترسی سریع به محتوای مقاله
اسکلت سازه‌ای ساختار اصلی ساختمان است که کل ساختمان با توجه به نوع آن طراحی و بر روی آن بنا می‌شود. سازه‌های متداول در ساختمان‌سازی شامل اسکلت فلزی و اسکلت بتنی می‌شوند. این دو نوع اسکلت با توجه به میزان بودجه، مکان و اقلیم ساخت، تعداد طبقات و زمان مورد نیاز برای اتمام پروژه انتخاب و استفاده می‌شوند. معایب و مزایایی که هر یک از این دو نوع اسکلت دارند مهندسان سازه را واداشت تا سازه مرکب را طراحی کنند. سازه مرکب ترکیبی از سازه فولادی و بتنی است که مزایای هریک را در جهت افزایش مقاومت و شکل‌پذیری به همراه داشته و معایب آن‌ها را برطرف می‌کند. بهبود رفتار و عملکرد در اتصالات، افزایش یکپارچگی سیستم جهت مقابله با گسیختگی و بهبود مقاومت جانبی به وسیله شکل‌پذیری مطلوب از جمله دلایل طراحی سازه مرکب یا استفاده از بتن در سازه‌های فولادی است. در این مقاله سازه مرکب و نحوه رفتار سازه‌ای این ساختار جدید را بررسی می‌کنیم.
اجزا و مصالح به کار رفته در سازه مرکب
اعضای سازه‌ای که از دو یا چند متریال مختلف تشکیل شده‌اند به عنوان عناصر سازه‌ای مرکب شناخته می‌شوند. مزیت اصلی سازه مرکب این است که خواص هر مصالح را می‌توان با هم ترکیب کرد و یک واحد منسجم را تشکیل داد که عملکرد کلی بهتری نسبت به اجزای تشکیل‌دهنده آن به صورت مجزا دارد. متداول‌ترین شکل سازه مرکب در ساخت‌وساز، ترکیب فولاد-بتن است، اما انواع دیگری از ترکیب‌های سازه‌ای وجود دارند که مواردی نظیر فولاد- چوب، الوار- بتن، پلاستیک- بتن و ... را شامل می‌شود. سازه مرکب فولاد و بتن معمولاً شامل تیرهای مرکب، خرپای مرکب، ستون‌های مرکب و دیوارهای مرکب است. به طور کلی اجزای به کار رفته در یک سازه مرکب فولاد- بتن را می‌توان به موارد زیر تقسیم بندی نمود:
- پروفیل فولادی مانند تیرآهن یا قوطی
- مقطع بتنی مانند دال بتنی یا پرکننده بتنی
- اتصال دهنده برشی
- میلگردهای تقویتی برای افزایش ظرفیت کششی
معایب و مزایای بتن و فولاد
بتن و فولاد از جمله پرکاربردترین مصالح در ساختمان‌سازی به شمار می‌روند. هر یک از سیستم‌های سازه‌ای فلزی و بتنی به تنهایی دارای مزایا و معایبی هستند. بتن قیمت مناسبی دارد، در برابر آتش‌سوزی و فشار مقاومت بالایی داشته ولی سنگین بوده و در اجرای سازه‌های بلند، وزن و ابعاد تیر و ستون‌های بتنی مشکل ساز شده و هم‌چنین باعث کاهش فضای مفید می‌شوند. هم‌چنین بتن در مقابل کشش ضعیف است. قیمت تیرآهن نسبت به قیمت بتن مسلح گران‌تراست و به همین دلیل سازه فولادی از بتن گران‌تر می‌شود. تیرآهن وزن ساختمان را سبک می‌کند، سرعت اجرای بالاتری دارد، اما استفاده از آن در سازه‌های بلند تغییر شکل‌های جانبی زیادی داشته و صرفه اقتصادی ندارد. هم‌چنین در برابر آتش‌سوزی آسیب‌پذیر بوده و در اتصالات دچار ضعف می‌شود. از این رو ترکیب این دو متریال می‌تواند سیستم سازه‌ای مؤثرتر و ایمن‌تری را ایجاد کند.
سیستم های سازه ای مرکب
سیستم‌های سازه‌ای مرکب ترکیبی بهینه از ستون بتنی یا فولادی و تیرهای بتنی یا فولادی هستند که سیستم قاب خمشی شامل ستون بتنی و تیر فولادی رایج‌ترین نوع آن است. بتن با توجه به مقاومت فشاری بالا در ستون به بهترین عملکرد سازه‌ای خود می‌رسد. هم‌چنین با تیرآهن فولادی با توجه به مقاومت کششی بالا در تیر یا یک عضو خمشی به بهترین عملکرد خود می‌رسد. از این رو ترکیب ستون بتنی و تیر آهنی ساختمان را مقاوم‌تر و ایمن‌تر خواهد کرد. در روش استفاده از حمال‌های فولادی و ستون‌های مرکب (متشکل از یک هسته فولادی مدفون در بتن محیطی) پس از اجرای کامل اسکلت فولادی ستون‌های فولادی که تنها برای تحمل بار مرده تیر و ستون‌های فولادی طبقات بالایی محاسبه و اجرا شده‌اند را به کمک بتن می‌پوشانند. سطح مقطع ستون بتنی برای تحمل بارهای کل سازه بدون وزن مرده سازه فولادی محاسبه و اجرا می‌شود.
هم‌چنین طراحی اتصالات در سیستم‌های سازه قاب خمشی محیطی متشکل از ستون‌های بتنی و تیرهای فولادی و سقف کامپوزیت بدین گونه است که یا ستون به صورت ممتد اجرا شده و تیر در محل اتصال به ستون قطع می‌شود یا تیر به صورت ممتد اجرا شده و ستون در محل اتصال با تیر قطع می‌شود.
مزایای سازه مرکب
سیستم سازه‌ای مرکب با توجه به نوع مورد استفاده دارای مزایای ویژه‌ای است. آنچه که مشخص است به طور کلی سازه مرکب به دلیل سرعت اجرای بالا دارای صرفه اقتصادی بالایی است. در ادامه با مزایای کلی سیستم‌های سازه‌ای مرکب آشنا می‌شویم.
- سهولت و سرعت در اجرا
- عدم نیاز به شمع بندی در اجرای سقف فلزی مرکب
- کاهش هزینه به دلیل سرعت اجرا و استفاده از بتن در طبقات پایین سازه
- افزایش مقاومت فشاری تیرهای فولادی
- بهبود خواص مکانیکی اعضای سازه‌ای
- امکان اجرای هم‌زمان چند سقف
- مقاومت بیشتر در برابر زلزله
- کاهش بارهای وارده بر روی پی
- افزایش فضای مفید با کاهش ضخامت ستون بتنی
- کاهش وزن مرده ساختمان با کاهش ضخامت و حذف بار تیرهای سنگین
- امکان افزایش طول دهانه به کمک تیرهای فولادی
- مقاومت بیشتر ستون‌ها در برابر آتش‌سوزی به کمک بتن
از معایب سازه مرکب هم می‌توان به کمبود تجربه در ساخت، پیچیدگی‌های اجرایی و نحوه هماهنگی میان عوامل اجرایی و سختی نحوه اتصال و جوشکاری تیرآهن فولادی به ستون بتنی است.
سخن پایانی
سازه‌های بتنی و تیرآهن‌های فولادی پرکاربردترین مصالح مورد استفاده در ساختمان‌سازی هستند. هرچند این دو مصالح مزایای منحصربه‌فردی دارند اما دارای نقص‌هایی هستند که می‌تواند باعث کاهش ایمنی ساختمان‌ها شود. به همین دلیل مهندسان برای بهبود رفتار سازه‌ای و پوشش معایب هریک به ترکیب این دو مصالح پرداخته و سیستم سازه‌ای مرکب را طراحی کرده‌اند که رایج‌ترین آن استفاده از ستون بتنی متصل به تیر فولادی است.