آشنایی با جدیدترین سازه ‌های سبک فلزی و کارایی آنها

یکی از مشکلات ساختمان‌های سنتی، وزن سنگین مصالح و زیادبودن بارهای مُرده ساختمان بوده است. در دهه‌های اخیر مهندسان با تمرکز بر این ویژگی بیش از پیش به سبک‌سازی و سبک‌تر کردن سازه‌های فلزی و بتنی روی آورده‌اند. هدف اصلی سبک‌سازی سازه کاهش وزن ساختمان، افزایش سرعت اجرا، کاهش هزینه‌ها و در پایان مقاوم‌سازی بنا در برابر زلزله و نیروهای برشی است. به این دلیل که با سبک‌سازی مقاومت طبقات پایینی برای تحمل بار طبقات بالایی خود بیشتر می‌شود. بنابراین سبک‌سازی هرگز به معنی کاهش مقاومت تیر و ستون‌ها نیست. در ادامه با انواع ساختمان‌های سبک با اسکلت و سازه‌های فولادی بیشتر آشنا می‌شویم.

انواع سازه ‌های فلزی سبک

عنصر اصلی در پیشرفت سبک‌سازی سازه‌ها، پیشرفت محصولات فولادی مانند لوله فولادی، آرماتور و ورق است. انواع مختلف سازه‌های سبک فلزی ساختمان شامل موارد زیر می‌شود:

سازه‌ فلزی سبک ال اس اف (LSF)

اسکلت فلزی سبک LSF(Lightweight Steel Framing) یا CFS (سازه فولادی شکل دهی سرد –Cold formed steel) از سال 1950 میلادی در جهان و با تأخیر تقریباً 50 ساله از 2003 در ایران مورداستفاده قرار گرفت. این اسکلت مدرن یک سازه ایمن، سازگار با اقلیم‌های مختلف، عایق صوت و گرما و کم هزینه در اجرا است. ورق‌های گالوانیزه فولادی با عرض پروفیل متغیر (معمولاً 89 تا 308 میلی‌متر) نقش اصلی را در این سازه به عهده دارند. گالوانیزه کردن فولاد و ورق‌های آهنی آن‌ها را در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی مقاوم می‌کنند. این سازه به‌صورت تولید صنعتی و اجرای خشک و با اتصالات پیچ، پرچ و گاهی جوش برپا می‌شود.

حداکثر ارتفاع مجاز برای این سازه 5 طبقه و زیر 20 متر است. این سازه براساس طرح معماری موردنظر در کارخانه ساخته می‌شود. سازه پیش‌ساخته‌شده به محل پروژه آورده شده و با استفاده از پیچ‌های سر مته‌ای، بولت‌ها و سایر اتصالات نصب و اجرا می‌شود. در دیوارهای داخلی هم معمولا از قالب‌های گچی و بتنی پیش‌ساخته استفاده می‌کنند.

معایب و مزایا

پی‌سازی ساده و کم‌حجم‌تر، قابلیت جابجایی، تنوع در ضخامت و مصالح، دوام و ثبات کیفیت، هماهنگی با سیستم‌های تأسیساتی، سرعت در مونتاژ و اجرا از مزیت‌های این سازه است. از معایب سازه‌های LSF هم می‌توان به محدودیت در دهانه و ارتفاع، نیاز به نیروی کار متخصص و نیاز به ورق‌های گالوانیزه فولادی ویژه اشاره کرد.

سازه ساختمانی پانلی سبک

در این سازه فلزی یا بتنی سبک، تحمل وزن و نقش اصلی در آن بر عهده پانل‌های پیش‌ساخته است. در این نوع سازه پانل‌‌های پیش‌ساخته به شکل دیوار باربر یا جداکننده یا دیافراگم افقی و به‌عنوان سازه باربر مورد استفاده قرار می‌گیرند. در سازه‌های سنتی این پانل‌های پیش‌ساخته بخشی از بار وارد بر تیر و ستون را به‌عنوان دیوار برشی تحمل می‌کنند. سازه‌های پانلی از دو قسمت لایه شبکه فلزی مش تشکیل‌شده‌اند که در دو سمت یک لایه فوم عایق پلی‌استایرن قرار می‌گیرند و اتصال نهایی این سه لایه توسط مفتول‌های فولادی انجام می‌گیرد.

معایب و مزایا

افزایش عمر مفید ساختمان، کاهش ضخامت دیوارهای خارجی، عایق در برابر صوت، حرارت و رطوبت، افزایش سرعت اجرا، کاهش وزن ساختمان و افزایش مقاومت در برابر نیروهای برشی مانند باد و زلزله از مزیت‌های این سازه است. کاهش مساحت مفید به دلیل افزایش ضخامت دیوارهای داخلی، عدم امکان تعمیر و بازیافت از معایب سازه پانلی است. حداکثر ارتفاع مجاز سیستم پانلی در هر طبقه بدون کلاف میانی 4 متر و با کلاف میانی 6 متر است.

سازه ساختمانی پیش تنیده سبک

عنصر اصلی در این سازه در ظاهر بتن است اما این پیش تنیدگی بتن توسط کابل‌های فولادی صورت می‌گیرد. به صورت کلی این سازه سبک از بتن پیش‌ساخته، پوشش ضدزنگ، مجاری محافظ و کابل‌های فولادی تشکیل‌شده است. سازه پیش تنیده مقاومت فشاری بالا و مقاومت تنشی پایینی دارد و برای اصلاح آن از بتن بیشتری در این سازه نسبت به سایر سازه‌های سبک استفاده می‌کنند. کابل‌های (استرند) فولادی با مقاومت کششی بالا نقش ارتقا یافته میلگردهای آجدار در بتن های مسلح را ایفا می کنند.

در این سازه به کمک کشیدن این کابل‌های فولادی و رها کردن‌شان در بتن نیروی فشاری دائمی ایجاد می‌کنند. این نیروی فشاری به دلیل تمایل کابل‌ها به جمع شدن و رسیدن به حالت اولیه در بتن ایجاد می‌شود. بنابراین با خنثی کردن نیروی بارهای ثقلی میزان تحمل بار در مقطع افزایش می‌یابد. فولادهای استفاده شده در سازه‌های پیش تنیده با آلیاژهای متفاوتی ساخته می‌شوند. این فولاد‌ها به شکل‌های سیم، رشته، کابل و میله در بتن پیش‌ساخته استفاده می‌شوند.

معایب و مزایا

از مزیت‌های این شیوه می‌توان به افزایش مقاومت و کاهش ترک، امکان ساخت بازشو، دهانه و کنسول‌های بزرگ‌تر، کاهش ضخامت دال‌ها، کاهش محدودیت فضایی با حذف تیرها و امکان ستون گذاری نامنظم اشاره کرد. هم‌چنین حمل‌ونقل دشوار، افزایش خطر در هنگام تخریب، پرهزینه بودن برای پروژه‌های کوچک و نیاز به دانش فنی و مهندسی بالا از معایب این شیوه به شمار می‌رود.

سازه فضایی سبک

این سازه سبک فلزی بر مبنای گسترش خرپا در سه بعد با استفاده از مدول‌های یکسان و تکرارشونده با لایه‌های موازی در بالا و پایین ساخته ‌شده است. اجزای این سازه می‌توانند پروفیل و لوله فولادی، کابل فولادی و ترکیب‌های کش بستی باشند که تحت فشار و کشش باعث گسترش دهانه‌ها از دو سمت می‌شوند. عدم محدودیت در ساخت دهانه بدون نیاز به ستون مزیت اصلی این سازه به شمار می‌رود.

معایب و مزایا

به غیراز ساخت دهانه‌های بزرگ، مقاومت بالا، وزن بسیار کم، حمل‌ونقل آسان، امکان عدم ستون گذاری یا ستون گذاری نامنظم، هماهنگی با تأسیسات و امنیت بالا سایر ویژگی‌های مثبت سازه فضایی است. از معایب آن هم می‌توان به مقرون‌به‌صرفه نبودن در دهانه‌های کوچک اشاره کرد. سازه فضایی از نظر ساختار دارای انواع زیر است::

• سازه‌های مسطح
• سازه‌های تاشونده
• سازه‌های قوسی (چلیکی)
• سازه‌های گنبدی
• شبکه‌های ۳ لایه و ۲ لایه
• سازه‌های فرم آزاد

سخن پایانی

سبک‌سازی سازه ساختمان علاوه بر صرفه‌جویی در مصرف مصالحی مانند فولاد و بتن به دلیل عایق بودن باعث مصرف بهینه انرژی هم می‌شود. سرعت اجرا و امنیت ساختمان بیشتر شده و در صورت آسیب، خسارت احتمالی در برابر نیروهای مانند زلزله و طوفان بسیار بسیار کمتر خواهد شد.