سازه فولادی یکی از کاربردیترین انواع سازههای ساختمانی است که و همانطور که از نامش مشخص است، با استفاده از فولاد اجرا میشود.
اسکلت فولادی یکی از کاربردیترین انواع سازههای مهندسی است که با استفاده از گرید های مختلف فولاد ساخته میشود و کاربرد آن بیشتر برای سازههای بلند مرتبه، صنعتی، و یا سازه هایی با بار ثقلی و جانبی زیاد است. در این مطلب، قصد داریم شما را با اسکلت فولادی، اجزای آن، روش ساخت و اجرای آن و در نهایت مزایا و معایب سازه فولادی آشنا کنیم.
اسکلت فولادی چیست؟
با افزایش کاربردهای فولاد همزمان با رشد صنعت فولاد از اواخر جنگ جهانی دوم، سازههای فولادی به یکی از روشهای رایج اسکلتبندی ساختمانی بدل شدند و در موقعیتهای مختلفی برای ساخت انواع سازهها از برجهای تجاری و سولههای صنعتی گرفته تا انواع پل و آسمانخراش به کار بسته شدند.
روش اجرای اسکلت فولادی
اجرای سازه فولادی مراحل گوناگونی دارد که در ادامه به آنها میپردازیم. در اینجا لازم به تاکید است که کلیه فرآیند اجرای اسکلت فلزی باید توسط افراد متخصص و باتجربه در این حوزه انجام شود چراکه هر اشتباه کوچکی در این فرآیند میتواند به وقوع خسارات جانی و مالی بزرگی در آینده بینجامد.
مراحل اولیه اجرای اسکلت فولادی
در گام اول اجرای سازه فولادی، لازم است تا محل و زمین اجرای سازه مورد بررسی قرار بگیرد. در این مرحله بهتر است کیفیت و مقاومت خاک مورد آزمایش قرار بگیرد تا از توان آن برای مقاومت در برابر فشار سازه فلزی اطمینان حاصل شود. بعد از این کار، فرآیند خاکبرداری و تسطیح سطح زمین پروژه انجام میشود.
اجرای فونداسیون
یکی از مهمترین بخشهای اجرای اسکلت فلزی، اجرای فونداسیون است. اجرای صحیح فونداسیون موجب انتقال صحیح و ایمن نیروهای وارد شده از سازه به خاک می گردد و این امر پایداری سازه روی خاک را تامین می کند.
تمامی نکات طرح و اجرای فونداسیون بر اساس ضوابط آیین نامه های مقررات ملی ساختمان شامل ضخامت فونداسیون، تسطیح خاک، آرماتور بندی و بتن ریزی باید رعایت گردند.
نصب بولتهای صفحه ستون
گام بعدی در اجرای سازه فولادی، نصب بولتهای صفحه ستون است که از اهمیت و حساسیت زیادی برخوردار است. برای تعیین محل نصب بولتها معمولا از دوربینهای نقشهبرداری حرفهای توسط مهندسین استفاده میشود و طبعا باید نحوه اجرای بولتها به شکلی باشد که بعد از بتنریزی نیازی به جابجایی آنها نباشد. معمولا از شابلونهایی مخصوص در این فرآیند استفاده میشود. در صورتی که بولت های جابجایی داشته باشند حتی در حد چند میلیمتر، شابلون مطابق با وضعیت نهایی بولت ها برداشت شده و به کارخانه ساخت اسکلت فلزی منتقل می گردد تا سوراخکاری جای بولت در بیس پلیت مطابق آخرین شرایط موجود انجام شود.
نصب ستونها
ستونها از اهمیت زیادی در هر سازه فولادی برخوردارند چراکه وظیفه مهم انتقال بار و فشارهای وارده به پی یا فونداسیون را دارند و برای این موضوع خود باید از مقاومت بالایی برخوردار باشند.
برپایی ستونها نیز مسئله حساسی است و باید توسط تیمهای حرفهای و با جرثقیلهای قدرتمند انجام شود. مهندسان معمولا برای انواع سازههای فلزی ستونهای مربعی و یا H شکل را توصیه میکنند.
نصب تیرها
بعد از نصب ستونها، فرآیند نصب تیرها بین آنها و اتصالشان به ستونها انجام میشود. معمولا انواع تیرآهن، شاهتیر و تیرچه در این بخش مورد استفاده قرار میگیرد. روش اتصال تیرها به ستون نیز میتواند بسته به نوع سازه یا سفارش کارفرما متفاوت باشد.
راه پله
در صورت لزوم، در گام بعدی باید بر اساس محاسبات انجام شده، فرآیند اجرای راهپله فولادی انجام شود. طرح و اجرای راه پله باید به گونه ای باشد که تیر میان طبقه با معماری تداخل نداشته باشد و اجرای آن موجب سختی کار جرثقیل نشود. لذا زمان اجرا و شیوه اجرای آن اهمیت بالایی دارد.
مهاربند یا بادبند
مهاربند یکی از آخرین مراحل اجرای سازه فولادی است و معمولا بعد از نصب ستونها و تیرها اجرایی میشود. این مهاربندها نقش مهمی در تحمل فشارهای جانبی ناشی از طوفان یا زلزله ایفا میکنند و معمولا با استفاده از نبشی، ناودانی، تسمه و نیمرخ ساخته میشوند.
مواد تشکیل دهنده سازه فولادی
فولاد ساختمانی (Structural Steel) به عنوان یکی از انواع فولاد، عمدهترین ماده مورد استفاده در سازههای فولادی گوناگون به شمار میرود. این ماده در گرید ها و اشکال و ابعاد مختلفی شامل تیرآهن، ستون، تیرچه، میلگرد و حتی پیچومهره در سازههای فولادی مورد استفاده قرار میگیرد.
البته لازم به ذکر است که این نوع از فولاد دارای کاربریهای گستردهتری است و به جز سازه فلزی از آن در صنایع معدنی، ترابری، دریایی و صنایع مرتبط با انرژی نیز استفاده میشود.
اساسا، مشخصات مکانیکی فولاد ساختمانی سبب شده تا یکی از گزینههای مناسب و مقاوم برای ساخت انواع ساختمان و پلها باشد. در جدول زیر، ویژگیهای این نوع از فولاد را میبینید:
اجزای سازه فولادی
اجزای سازههای فولادی را میتوان بر اساس عملکردشان در برابر بارهای مختلف به دستههای کششی، فشاری، خمشی، ترکیبی و اتصالات تقسیم کرد که در ادامه به طور مختصر به هر یک میپردازیم.
اجزای کششی سازه فولادی
اعضای کششی اسکلت فولادی عبارتند از آن بخشهایی از سازه که برای تحمل و انتقال بارهای محوری کششی طراحی شدهاند. از جمله مثالهای این اجزای کششی باید به مهاربند، المانهای خرپا، کابلهای سقف کاذب و کابلهای پلهای معلق و بال پایینی تیرها اشاره کرد.
اجزای فشاری سازه فولادی
ستونها عمدهترین عضو فشاری در هر سازه فولادی هستند اما بال فوقانی خرپا و تیرها نیز معمولا در شمار اعضای فشاری اسکلت فولادی قرار میگیرند. وظیفه اجزای فشاری سازههای فلزی، تحمل بارهای محوری فشاری و انتقال آنها از اعضای بالایی سازه به اعضای پایینی آن مانند کف و فونداسیون است.
اجزای خمشی سازه فولادی
اجزایی مانند تیر، شاهتیر، تیرچه و غیره از جمله اجزای خمشی سازههای فولادی هستند که فشار بارهای اعمال شده بر راستای عمود بر محور طولیشان را تحمل میکنند.
اجزای تحت ترکیبی از بارها
در بسیاری از سازههای فولادی، برخی از اعضا تحت فشار ترکیبی از بارهای محوری، خمشی، برشی و پیچشی قرار دارند که به آنها اجزای تحت ترکیبی از بارها میگویند.
انواع سازه فولادی
سازههای فولادی انواع مختلفی دارند اما بر اساس سیستم سازهای، انواع قابی، قوسی، مشبک، معلق، خرپایی و گنبدی را شامل میشوند که در ادامه با هر یک بیشتر آشنا خواهیم شد.
قاب فولادی یا اسکلت فولادی
سیستم قاب فولادی رایجترین روش ساخت سازههای فولادی است که ترکیبی از ستونهای عمودی و تیرهای افقی برای نگهداری سقف، دیوارها و کف ساختمان است.
در این سازهها عمدتا از تیرآهنهای I شکل استفاده میشود و بالهای پروفیل ستون، ضخامت و عرض بیشتری نسبت به بالهای پروفیل تیر دارند. این مسئله سبب میشود که این سازهها از سطح مقطع کافی برای تحمل بارهای فشاری اعمالشده برخوردار باشند.
سازه فولادی خرپایی
اسکلت فولادی خرپایی یکی از انواع رایج سازههای فولادی مورد استفاده برای ساختمانهای فولادی است که با اتصال مجموعهای از المانهای محوری و به شکل مثلث طراحی میشود. المانهای خرپایی معمولا در سقف اسکلت فولادی یا عرشه پل خرپایی به کار میروند. سیستمهای خرپایی در اجرای بادبند نیز کاربرد دارند.
توزیع مناسب تنش توسط المانهای خرپایی، امکان طراحی دهانههای بلند برای انواع سازهها را فراهم میکند. از سویی، ساختار خرپا به طور کلی منجر به بهبود عملکرد سازه در برابر وزش باد و طوفانهای شدید یا زمینلرزه میشود.
سازه فلزی قوسی
در سازه فلزی قوسی، عمده بارهای اعمال شده با استفاده از عملکرد قوس مهار میشود. پل قوسی مهار شده یکی از رایجترین انواع سازههای فلزی قوسی است که در آن معمولا از یک قوس با مهارهای عمودی نگهدارنده بین عرشه و قوس استفاده میشود.
از سازه فلزی قوسی میتوان در اجرای سازههای فولادی با کاربری مجموعه ورزشی، نمایشگاه و دیگر موارد مشابه استفاده کرد. عملکرد این سازهها امکان اجرای دهانههای بزرگتر از 90 متر را فراهم میکند. اسکلت سازههای قوسی نیز معمولا با استفاده از مهاربندهای جانبی یا المانهای خرپایی برپا میشود.
سازه فلزی گنبدی
سازه فولادی گنبدی که معمولا برای ساخت مجموعههای ورزشی، تالار اجتماعات، نمایشگاه و غیره کاربرد دارد با ترکیبی از گنبد و حلقههای فولادی مهارشده با ستون ساخته میشود.
سازه مشبک فضایی
سازههای مشبک فضایی یا فضاکار، سازهای مشابه با سازههای خرپا محسوب میشوند که با اتصال چند المان مستقیم در الگوهای هندسی مختلف طراحی و ساخته میشوند. این سازهها ضمن امکان افزایش دهانه سازه، نیاز کمتری به اجزای نگهدارنده در فضای داخلی ساختمان دارند و در عین حال از استحکام بالایی برخوردارند. این نوع از سازه فلزی عمدتا برای کارگاههای صنعتی، کارخانه، انبار، استخر، سالن کنفرانس، نمایشگاه، استادیوم ورزشی، مراکز فروش، موزه، فرودگاه و غیره کاربرد دارد.
پل با سازه فولادی
یکی از رایجترین کاربردهای سازههای فلزی، ساخت انواع پل است. البته پلها عمدتا ترکیبی از فلز، بتن و دیگر مصالح هستند و در انواع قوسی، شاهتیری، کابلی، معلق و خرپایی ساخته میشوند. با وجود این بخش عمده سازه پلها را فولاد ساختمانی تشکیل داده و با قواعد اسکلت فولادی ساخته میشوند.
مزایا و معایب اسکلت فولادی
سازههای فولادی دارای مزایای زیادی هستند که سبب رونق آنها به عنوان یکی از رایجترین انواع اسکلتبندی ساختمانی شده است. از جمله این مزایا باید به موارد زیر اشاره کرد:
- امکان تقویت سازه فولادی در هر زمانی، حتی بعد از پایان مراحل ساخت نیز وجود دارد.
- سرعت ساختوساز در زمان استفاده از اسکلتبندی فولادی به مراتب بالاتر از روشهای دیگر است.
- فولاد استحکام بسیار بالایی در برابر کشش و فشارهای وارده دارد و در نتیجه مقاومت بالایی برای ساختمان فراهم میکند.
- انعطافپذیری سازههای فولادی، امکان استفاده از آنها در اشکال و برای مقاصد گوناگون را ممکن کرده است.
- اسکلت فولادی فضای کمتری اشغال میکند.
سازههای فولادی البته معایبی نیز دارند. مهمترین این معایب عبارتند از؛
- احتمال بالای خوردگی و فرسودگی سازههای فولادی (البته در شرایط جوی خاص)
- قیمت سازه فولادی نسبت به دیگر انواع اسکلتهای ساختمانی بالاتر است.
- مقاومت ساختمانهایی با اسکلت فولادی در برابر حرارت بالا و آتشسوزی بسیار کمتر است.
کاربرد اسکلت فولادی
همانطور که گفتیم اسکلتهای فولادی یکی از کاربردیترین انواع سازههای فولادی به شمار میروند که برای موارد زیادی از جمله مدرسه، خانه، سوله، انبار، کارخانه، کارگاه تولیدی، فرودگاه/آشیانه هواپیما، سالن ورزشی، دامداری، گلخانه و غیره کاربرد دارند.
بخش عمده سازههای فولادی با استفاده از مقاطع فولادی مختلف ساخته میشود و رایجترین نوع ساخت سازه فولادی نیز، سازه قاب خمشی و مهاربندی است.
سازه فولادی بهتر است یا بتنی ؟
برای این سوال پاسخ دقیقی وجود ندارد چراکه هر دو اسکلت فولادی و بتنی با توجه به شرایط محیط، شرایط ساخت سازه و کاربری مدنظر میتوانند عملکرد متفاوتی داشته باشند. اما سهولت اجرا و سرعت ساخت و نصب سازه فولادی موجب ایجاد مزیت نسبت به سازه بتنی می گردد.
مراحل تولید سازه فولادی در کارخانه
مراحل تولید سازه فولادی در کارخانه بر اساس نقشه طرح یا سازه که بر اساس جزئیات و اندازهگیری دقیقی تهیه میشود انجام میگیرد. این مراحل عبارتند از؛
طراحی سازه
امروزه اولین گام در ساخت هر سازهای، طراحی دقیق نقشه آن است. این نقشه در مورد سازههای فلزی اهمیت زیادی دارد چراکه در تمام مراحل اندازهگیری و ساخت مقاطع فلزی در کارخانه و نهایتا برپایی سازه در محل نصب نقشی اساسی دارد. در نتیجه این نقش اساسی بالای نقشه سازه، طراحی آن بایستی ضرورتا توسط مهندسین متخصص انجام شود که به جزئیترین ظرایف سازه فلزی آگاهند.
تامین متریال
در این مرحله و با توجه به جزئیات نقشه سازه فلزی و برآوردهای دقیق انجام شده از قبل، نسبت به سفارش و خرید مقاطع فلزی مورد نیاز در ساخت سازه اقدام میشود. متریال خریداری شده در این بخش در کارخانه و بر اساس نقشه طرح مورد برشکاری، سوراخکاری، جوشکاری و مونتاژ قرار میگیرند.
تمیزکاری و قطعهزنی
این مرحله شامل باز کردن رولها، تمیزکاری ورق، برشکاری، سوراخکاری و پخزنی است. در مواردی ورقها سطوحی چرب یا زنگزده دارند که میتوانند تاثیری مخرب در عملیات جوشکاری ایفا کنند. پس باید قبل از آغاز به کار سطح ورقها از چربی یا هر نوع آلودگی دیگری زدوده شود.
عملیات سند بلاست، اسیدشویی و به کار بردن برسهای سیمی نیز در همین مرحله جهت افزایش کیفیت جوش قطعات انجام میشود.
برشکاری و پخ زنی
برش ورق با استفاده از گیوتین هیدرولیکی و دستگاه Co2 برش، هوابرش، پلاسما و دیگر روشها انجام میشود. برشکاری دیگر مقاطع فلزی مورد استفاده در سازه فولادی مانند میلگرد، نبشی، تیرآهن و غیره نیز در همین مرحله با استفاده از انواع دستگاه برش از جمله اره لنگ و اره آتشی انجام میشود. بعد از برشهای اصلی، به دستگاه برش حرارتی زاویه داده میشود تا پخ لازم جهت انجام جوشهای شیاری داده شود.
تسمه سازی
تسمهسازی صرفا در مورد قطعات ساخته شده از ورق در سازه فولادی کاربرد دارد. از آنجایی که عمده ورقهای برش نخورده در بازار به شکل رولی و در طول 6 متر موجود هستند و انواع دستگاههای برش گیوتین نیز قابلی برش حداکثر 6 متر را دارند، جهت ساخت آن بخش از اجزای سازه فلزی مانند ستونها یا شاهتیرها که طول بیش از 6 متر دارند به تسمهسازی نیاز است.
در این بخش مونتاژ صحیح تسمهها و رعایت دقیق محل قرارگیری بندهای جوش از اهمیت زیادی برخوردار است.
سوراخ کاری
عملیات سوراخکاری مقاطع فلزی مورد استفاده در سازه فولادی بسته به نوع و ضخامت قطعه به دو روش پانچ و دریل انجام میشود. در این مرحله قطعات با توجه به تعداد و نوع سوراخکاری به بخش مورد نظر در کارخانه ارسال و توسط دستگاه مخصوص شابلون، نشانهگذاری و سوراخکاری میشوند.
مونتاژ تیر و ستون
در این مرحله همه قطعاتی که عملیات تسمهسازی و سوراخکاری روی آنها انجام شده مورد مونتاژ اولیه و جوشکاری قرار میگیرند. در این بخش مونتاژ بال و جان تیرها با روش جوشکاری زیر پودری که از روشهای رایج جوشکاری است انجام میشود.
تکمیل کاری
این بخش شامل مونتاژ قطعات الحاقی به سازه فلزی مانند صفحه ستون و پلیتهای تقویتی، قطعات زیرسری و کله گاوی، سختکنندههای داخل ستون و دیگر الحاقات تقویتی هسته ستون است که معمولا به شکل دستی و توسط افراد متخصص انجام میشود.
ساخت قطعات فرعی
همزمان با پیشرفت عملیات ساخت قطعات اصلی سازه بایستی به طور موازی عملیات ساخت و برش دیگر قطعات فرعی مورد استفاده در سازه مانند ورقهای بادبند و مهاربند، دستک طرهها و غیره نیز انجام شود. قطعات این بخش نیز دقیقا مانند روال تهیه قطعات سازه اصلی تمیزکاری، برشکاری، سوراخکاری و مونتاژ میشوند.
تمیزکاری و رنگآمیزی
بعد از تهیه تمام قطعات سازه فلزی، جهت افزایش کیفیت جوش و مونتاژ نهایی سازه، عملیات تمیزکاری و رنگآمیزی مقاطع انجام میگیرد. معمولا دیگر عایقهای حفاظتی نیز در همین مرحله برای قطعات سازه فلزی مورد استفاده قرار میگیرند.