تقریبا تمامی مهندسین و شاغلین حوزه ساختمان با سوالات متعدد در خصوص تفاوت‌های اسکلت فلزی و بتنی روبرو می‌شوند. در این مقاله تلاش می‌کنیم به چند سوال معروف در این مورد اشاره کنیم.
سازه فلزی مقاوم‌تر است یا سازه بتنی؟
در ابتدا باید گفت این سوال دارای ابهام زیادی است. در علم مقاومت مصالح بیان می‌شود که تعریف مقاومت، ابعاد متفاوتی دارد. ممکن است مصالحی از نظر کششی مقاوم بوده اما در مقابل خمش بسیار ضعیف عمل کند، اگر بخواهیم یک مثال واضح بیان کنیم اسپاگتی یا ماکارونی را می‌توان معرفی کرد که دقیقا ویژگی ذکر شده را داراست.( مسابقه سازه‌های ماکارونی با استفاده از همین ویژگی بنا نهاده شده است).
پس این سوال به نوعی غلط است که مقاومت را بخواهیم در یک بعد بررسی کنیم.
گاهی اوقات از نظرعموم معیار مقاومت، ایجاد ترک، تغییر شکل، مقاومت در مقابل بار جانبی مانند زلزله و باد و… دیده می‌شود.
اما اگر مهندسی بخواهیم به این سوال پاسخ دهیم بهترین جواب این است که هر دو نوع سازه در صورتی که استاندارد طراحی و اجرا شوند، دارای مقاومت کافی هستند و مجاز به ساخت این نوع سازه‌ها هستیم، چرا که در مورد این دو نوع سازه آیین‌نامه‌های داخلی و خارجی به صورت مبسوط بحث کرده‌اند، اما هر یک از سازه‌های فولادی و بتنی ویژگی‌های منحصر به فرد خود را دارند.
یک جمله کلی می‌توان بیان کرد که تمامی دست ساخته‌های بشر در صورتی که اصولی طراحی و اجرا شوند و تمام ابعاد آن دیده شود می‌تواند مقاومت کافی جهت بهره‌برداری داشته باشد. مثلا تمامی سازه‌های باستانی که تا امروز با گذشت زمان باقی‌مانده‌اند، این ویژگی را دارا هستند.
امروزه در کشورهای پیشرفته به خاطر کاهش هزینه و سازگاری با محیط زیست از مصالحی بسیار ضعیف‌‌تر از فولاد و بتن استفاده می‌کنند اما به دلیل محاسبه و اجرای اصولی کاملا قابل بهره برداری‌اند.
می‌توان از هر سقفی در هر سازه‌ای استفاده کرد؟
به طور معمول سقف‌های سازه‌های فلزی شامل: کرومیت، کامپوزیت و عرشه فولادی و سقف‌های سازه‌های بتنی شامل: تیرچه بلوک، دال‌های مجوف، دال‌های بتنی، دال‌های پس‌تنیده استفاده می‌شوند.
دقت کنید که همانطور که از قبل گفتیم به طور معمول در هر سازه از سیستم سقف بیان شده استفاده می‌شود. در گذشته در سازه‌های فلزی از سیستم طاق ضربی هم بعضا استفاده شده ولی امروزه چندان مرسوم نیست.
سیستم‌های باربرجانبی در سازه فلزی و بتنی به چه صورت هستند؟
سیستم های باربرجانبی به طور معمول در سازه فلزی به صورت بادبند و قاب خمشی است. ولی در مواردی از دیوار برشی فلزی استفاده می‌شود.
در سازه بتنی به صورت دیوار برشی و قاب خمشی استفاده می‌شود.
روش‌های طراحی سازه بتنی:
روش تنش مجاز: این روش که قبلاً روش تنش بهره برداری یا روش تنش بار سرویس نامیده می‌شد، اولین روشی است که به صورت مدون برای طراحی سازه‌های بتن آرمه بکارگرفته شد. در این روش یک عضو سازه‌ای به نحوی طراحی می‌شود که تنش‌های ناشی از اثر بارهای بهره برداری (یا سرویس)، که به کمک تئوری‌های خطی مکانیک جامدات محاسبه می‌شوند، از مقادیر مجاز تنش‌ها تجاوز نکنند.
منظور از بارهای بهره برداری یا سرویس بارهایی نظیر: بار زنده، بار مرده، بار برف و بار زلزله هستند. این بارها توسط آیین نامه‌های بارگذاری، مانند مبحث ششم مقررات ملی ساختمان تعیین می‌شوند. در این روش منظور از تنش مجاز تنشی است که از تقسیم تنش حدی ماده، نظیر مقاومت فشاری برای بتن و مقاومت تسلیم برای فولاد، بر ضریب بزرگتر از واحد، به نام ضریب اطمینان به دست می‌آید. تنش‌های مجاز مصالح توسط آیین نامه‌های محاسباتی تعیین می‌شوند. به عنوان مثال مطابق آیین نامه ACI مقدار تنش فشاری مجاز بتن 0.45 می باشد.
بدین ترتیب مراحل این روش بطور خلاصه به ترتیب زیر هستند:
1- تعیین بارهای وارد بر سازه
2- آنالیز سازه و تعیین تنش‌ها در مقاطع مختلف به کمک تئوری‌های کلاسیک اجسام الاستیک
3- تعیین تنش‌های مجاز با استفاده از یک آیین نامه محاسباتی
4- طراحی نهایی مقطع با این محدودیت که در هیچ نقطه‌ای از سازه تنش‌های ایجاد شده از تنش‌های مجاز تجاوز نکنند.
این روش به دلیل سادگی و سهولت کاربرد تا چندی قبل به عنوان قابل استفاده‌ترین روش طراحی سازه‌های بتن آرمه مطرح بود. لیکن نقاط ضعف این روش استفاده از آن را محدود کرده است. مهمترین این نقاط ضعف عبارتند از:
الف: در این روش ایمنی به کمک تنها یک ضریب (ضریب اطمینان) و در یک مرحله منظور می‌شود، از آنجا که عواملی که لزوم تامین یک حاشیه ایمنی را ایجاب می‌کنند، دارای ریشه‌ها و شدت‌های متفاوت هستند. در نظر گرفتن آن‌ها تنها با کمک یک ضریب غیر‌منطقی است.
ب: بتن ماده‌ای است که تنها تا تنش‌های معادل نصف مقاومت فشاری آن به صورت الاستیک و خطی عمل می‌کند. بنابراین با بکار بردن درصدی از مقاومت فشاری بتن در محاسبات نمی‌توان اطلاعی از ضریب اطمینان کلی سازه در مقابل فروریختگی به دست آورد.
ج: به کار بردن این روش در طراحی بعضی مقاطع با اشکالات تئوریک مواجه است. به عنوان مثال در مقاطع خمشی تنش واقعی فولاد غالباً کمتر از مقداری است که با این روش محاسبه می‌شود.
روش مقاومت نهایی: روش مقاومت نهایی که در آیین نامه ACI به نام روش طراحی بر مبنای مقاومت موسوم است، حاصل مطالعات گسترده روی رفتار غیر‌خطی بتن و تحلیل دقیق مسئله ایمنی در سازه‌های بتن آرمه می‌باشد. روند طراحی در این روش را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود:
1- بار بهره برداری به وسیله ضریبی موسوم به ضریب بار افزایش داده می‌شود، بار حاصله را اصطلاحاً بار ضریب‌دار یا بار نهایی می‌نامند.
2- بارهای ضریب‌دار بر سازه اعمال می‌شوند و به کمک روش‌های خطی آنالیز سازه‌ها، نیروی داخلی مقاطع محاسبه می‌شود. به این نیروی داخلی اصطلاحاً مقاومت لازم گفته می‌شود. مقاومت لازم در یک مقطع شامل: مقاومت خمشی لازم، مقاومت برشی لازم، مقاومت پیچشی لازم و مقاومت بار محوری لازم است.
3- برای هر مقطع، مقاومت طراحی آن از حاصلضرب مقاومت اسمی در ضریبی کوچک‌تر از واحد به نام ضریب کاهش مقاومت به دست می‌آید. مقاومت اسمی، حداکثر مقاومتی است که مقطع قبل از گسیختگی از خود نشان می‌دهد. مقاومت اسمی یک مقطع مشتمل است از: مقاومت خمشی اسمی، مقاومت برشی اسمی، مقاومت پیچشی اسمی و مقاومت بار محوری اسمی.
4- طراحی مقطع به نحوی که در آن مقاومت لازم از مقاومت طراحی کمتر باشد.
روش طراحی بر مبنای مقاومت، امروزه اساس کار طراحی سازه‌های بتن آرمه می‌باشد.
مزایا سازه بتنی:
۱- وجود امکان شکل پذیری بالا در آرماتور و بتن تازه و قالب، باعث شده بتوان مقاطع متنوعی را برای سازه های بتنی طراحی نمود.
۲- این سازه‌ها مقاومت بالایی در برابر شوک‌های حرارتی دارند.
۳- این سازه‌ها در مقابل شرایط مختلف آب و هوایی مقاوم بوده و در صورت اجرای صحیح پوشش بتن سطح بالای رطوبت هیچ آسیبی به آن وارد نخواهد کرد.
۴- سازه‌های بتنی پس از رسیدن به مقاومت نهایی صلبیت بیشتری نسبت به سازه‌های فلزی دارند.
۵- مصالح سنگی و سیمان عموما راحت‌تر از سایر مصالح قابل تهیه می‌باشد.
۶- عمر این سازه‌ها به دلیل مقاومت در مقابل شرایط بد جوی معمولا بیشتر از سازه‌های فلزی می‌باشد.
۷- اتصال تیر و بدنه سقف به دلیل همگن بودن مصالح مناسب‌تر از سازه‌های فلزی می‌باشد.
معایب سازه بتنی
۱- زمان اجرای این سازه طولانی‌تر از سازه‌های فلزی می‌باشد.
۲- به خاطر بزرگتر بودن مقطع اصلی این نوع از سازه وزن آن بیشتر از سازه‌های فلزی می‌باشد.
۳- به دلیل نیاز به آزمایش مستمر بتن در محل اجرای این سازه‌ها باید آزمایشگاه‌های مکانیک خاک در دسترس باشد .
روش طراحی سازه‌های فلزی:
روش الاستیک: تا سال ۱۹۵۰این نوع سازه‌ها براساس روش ASD یا تنش مجاز طراحی می‌شدند و به عبارت دیگر طراحی اعضاء فلزی این نوع سازه به‌گونه ای صورت می گرفت که اعضاء براثر بارهای وارده از حد الاستیک خود خارج نشوند و استفاده از این روش تاکنون نیز در اکثر کشو‌های جهان از جمله ایران ادامه داشته و آئین نامه های داخلی کشور ایران و فصل دهم مقررات ملی ساختمان نیز براساس این روش تدوین گردیده است.
ضریب اطمینان بارهای وارده و مقاومت در این روش طراحی به شکل زیر است :
ضریب مقاومت = ضریب بار
برای مثال ضریب اطمینان مقاومت کششی فولاد ۰٫۶ یعنی fb=0.6fy می‌باشد.
روش پلاستیک: از سال ۱۹۸۰ با افزایش کیفیت مصالح و ارتقاء سطح کیفی اجرا روش پلاستیک یا مقاومت نهایی LRFD بعنوان یک روش علمی‌تر و اقتصادی‌تر در بعضی از کشورها جایگزین روش ASD یا الاستیک گردید .
در این روش به اعضاء سازه‌ها اجازه داده می‌شود براثر بار وارده ناشی از بارگذاری از حد الاستیک خود خارج و به حد پلاستیک یا خمیری خود برسند و همین موضوع باعث افزایش مقاومت اعضاء و کاهش هزینه ساخت و اقتصادی‌تر شدن سازه می‌گردد.
ضریب اطمینان بارهای وارده در بارگذاری این نوع سازه‌های و ضریب اطمینان مقاومت به صورت زیر می‌باشد:
ضریب مقاومت = ضریب بار
همانگونه که می‌بینیم ضرایب تنها در بار اعمال می‌شوند.
این روش به دلیل نیاز به رعایت استانداردهای مصالح و افزایش کیفیت اجرا در بیشتر کشورها از جمله ایران مورد استفاده قرار گرفته است.
مزایای سازه فلزی:
۱- سازه‌های فلزی به علت مونتاژ اسکلت در بسیاری از مواقع قبل از نسب و لزوم اجرای همزمان و بدون وقفه اسکلت در مقایسه با سازه‌های بی‌نیاز سرعت عمل بالاتری برخوردار می‌باشد.
۲- به دلیل همسان بودن جنس تیر و ستون و بادبند به عنوان اعضای اصلی اسکلت این نوع سازه‌ها دارای یکپارچگی مناسب‌تری نسبت به سازه‌های بتنی می‌باشد. به همین دلیل محاسبات این سازه ها واقعی‌تر بوده و بیشتر قابل اطمینان می‌باشد.
۳- با توجه به نوع اتصال اعضای تیر و ستون توسعه طبقات در این نوع سازه ها به شکل مناسب‌تر و قابل قبول‌تری امکان‌پذیر می‌باشد.
۴-به دلیل بالاتر بودن نسبت مقاومت به وزن در سازه‌های فلزی استفاده از این نوع سازه در شرایطی که طول دهانه بزرگتر باشد و یا جنس خاک زیر سازه سست باشد توصیه می‌شود.
۵- شکل پذیری این نوع از سازه‌ها بیشتر بوده و در نتیجه امکان مستهلک نمودن نیروی زلزله در این سازه به صورت لرزیدن امکان‌پذیر است.
معایب سازه فلزی:
۱- هزینه بر بودن این نوع از سازه‌ها و همچنین نیاز به نقدینگی بالا در زمان تهیه اسکلت از معایب این نوع سازه می باشد زیرا تهیه تمام اسکلت به صورت یکجا صورت می گیرد.
۲- اطلاعات آماری نشان می‌دهد در زلزله ها آسیب‌های رسیده به سازه‌های فلزی بیشتر از سازه‌های بتنی می باشد که علت این امر عدم اجرای صحیح اتصالات می‌باشد.
۳- امکان اکسید شدن سازه‌های فلزی باعث کاهش عمر مفید این نوع از سازه می‌شود.
۴- در شرایط آتش سوزی سازه‌های فلزی دچار تغییر شکل‌های ناگهانی شده و دچار آسیب دیدگی جدی می‌شود.
منابع:
نشریه پیام ساختمان
فوت و فن ساختمان ، انتشارات نوآور، دکتر چراغی
سازه‌های فولادی ،انتشارات سری عمران
سازه بتنی جلد ۱، انتشارات سری عمران
 |
مپسا | نرم‌افزار آنلاین حسابداری پروژه ساخت و ساز |
|---|