در مورد سازه های فلزی بیشتر بدانیم

سازه فلزی و اسکلت فلزی

امروزه با پيشرفت علوم و تكنولوژي نيازها و خواسته هاي جديدي در زمينه مهندسي سازه فلزی رخ نموده است. عامل زمان در ساخت اسکلت های فلزی اهميت دوچندان يافته و اين امر گرايش به سازه فلزی هاي پيش ساخته را افزايش داده است همچنين با افزايش جمعيت جوامع بشري علاقه به داشتن فضاهاي بزرگ بدون حضور ستون هاي مياني خواهان بسيار پيدا كرده است .در اين راستا از اوايل قرن حاضر تعدادي از متخصصين مجذوب قابليت هاي منحصر بفرد سازه هاي فضاكار گشته و پاسخ بسياري از نيازهاي جديد را در اين سازه ها جسته اند و البته به نتايج بسيار مثبتي نيز دست يافتند. با انتشار اين نتايج روز به روز اين عرصه با اقبال بيشتري مواجه گرديد به گونه اي كه با گذشت چندين دهه هنوز هم مطالعه سازه هاي فضاكار در كانون تحقيقات متخصصين و دانشجويان قرار دارد.

در اين مقاله منظور از عبارت سازه فضاكار سيستم هاي اسكلت فلزي بوده كه از بافت تعداد زيادي المان يا مدول با شكلهاي استاندارد به يكديگر تشكيل مي شوند و نهايتا يك سيستم سبك و با صلبيت زياد را ايجاد مي كنند. سازه هاي فضاكار در اشكال بسيار متنوعي ساخته مي شوندكه مهمترين آنها عبارتند از : شبكه هاي مسطح دو يا چند لايه، چليك ها، گنبدها و قوس ها . علاوه بر اين، سازه هاي فضاكار داراي بافتار متنوعي نيز مي باشند . بدين ترتيب كه با تغيير در آرايش المان ها مي توان بافتار جديد ايجاد كرد و بديهي است كه كارآيي هر بافتار بايد در مقايسه با بافتارهاي ديگر سنجيده شود. مثال هاي متعددي از سازه هاي فضاكاري كه در دنيا و ايران ساخته شده است وجود دارد : از جمله استاديوم هاي ورزشي، مراكز فرهنگي، سالن هاي اجتماعات، مراكز خريد، ايستگاه هاي قطار، آشيانه هاي هواپيماها، مراكز تفريحي، برجهاي راديويي و...

.

سازه فلزی | مقاومت زیاد سازه فلزی

مقاومت قطعات فلزی زیاد بوده و نسبت مقاومت به وزن از مصالح بتن بزرگتر است ، به این علت در دهانه های بزرگ سوله ها و ساختمان های مرتفع ، ساختمانهائی که برزمینهای سست قرارمیگیرند ، حائز اهمیت فراوان می باشد .

سازه فلزی | خواص یکنواخت سازه فلزی

فلز در کارخانه ساخت اسکلت فلزی بزرگ تحت نظارت دقیق تهیه می شود ، یکنواخت بودن خواص آن میتوان اطمینان کرد و خواص آن بر خلاف بتن با عوامل خارجی تحت تاثیر قرار نمی گیرد ، اطمینان در یکنواختی خواص مصالح در انتخاب ضریب اطمینان کوچک مؤثر است که خود صرفه جو یی در مصرف مصالح را باعث می شود .

سازه فلزی | دوام سازه فلزی

دوام فولاد بسیار خوب است ، ساختمانهای فلزی که در نگهداری آنها دقت گردد . برای مدت طولانی قابل بهره برداری خواهند بود .

سازه فلزی | خواص ارتجاعی سازه فلزی

خواص مفروض ارتجاعی فولاد با تقریبی بسیار خوبی مصداق عملی دارد . فولاد تا تنشهای بزرگی از قانون هوک بخوبی پیروی می نماید . مثلآ ممان اینرسی یک مقطع فولادی را میتوان با اطمینان در محاسبه وارد نمود . حال اینکه در مورد مقطع بتنی ارقام مربوطه چندان معین و قابل اطمینان نمی باشد .

سازه فلزی | شکل پذیری سازه فلزی

از خاصیت مثبت مصالح فلزی شکل پذیری ان است که قادرند تمرکز تنش را که در واقع علت شروع خرابی است ونیروی دینامیکی و ضربه ای را تحمل نماید ،در حالیکه مصالح بتن ترد و شکننده در مقابل این نیروها فوق العاده ضعیف اند. یکی از عواملی که در هنگام خرابی ،عضو خود خبر داده و ازخرابی ناگهانی وخطرات ان جلوگیری میکند.

سازه فلزی | پیوستگی مصالح سازه فلزی

قطعات فلزی با توجه به مواد متشکله آن پیوسته و همگن می باشد و ولی در قطعات بتنی صدمات وارده در هر زلزله به پوشش بتنی روی سلاح میلگرد وارد می گردد ، ترکهائی که در پوشش بتن پدید می آید ، قابل کنترل نبوده و احتمالا” ساختمان در پس لرزه یا زلزله بعدی ضعف بیشتر داشته و تخریب شود .

سازه فلزی | مقاومت متعادل مصالح،مقاومت سازه فلزی

مصالح فلزی در کشش و فشار یکسان و در برش نیز خوب و نزدیک به کشش و فشار است .در تغییر وضع بارها، نیروی وارده فشاری ، کششی قابل تعویض بوده و همچنین مقاطعی که در بار گذاری عادی تنش برشی در انها کوچک است ، در بارهای پیش بینی شده ،تحت اثر پیچش و در نتیجه برش ناشی از ان قرار میگیرند. در ساختمانهای بتنی مسلح مقاومت بتن در فشار خوب ، ولی در کشش و یا برش کم است. پس در صورتی که مناطقی احتمالا تحت نیروی کششی قرار گرفته و مسلح نشده باشد تولید ترک و خرابی می نماید.

سازه فلزی | انفجار سازه فلزی

در ساختمانهای بارهای وارده توسط اسکلت ساختمان تحمل شده ، از قطعات پرکننده مانند تیغه ها و دیواره ها استفاده نمی شود . نیروی تخریبی انفجار سطوح حائل را از اسکلت جدا می کند و انرژی مخرب آشکار میشود ، ولی ساختمان کلا” ویران نخواهد گردید . در ساختمانهایی بتن مسلح خرابی دیوارها باعث ویرانی ساختمان خواهد شد .

سازه فلزی | تقویت پذیری و امکان مقاوم سازی سازه فلزی

اعضاء ضعیف ساختمان فلزی را در اثر محاسبات اشتباه ، تغییر مقررات و ضوابط ، اجراء و …. میتوان با جوش یا پرچ یا پیچ کردن قطعات جدید ، تقویت نمود و یا قسمت یا دهانه هائی اضافه کرد .

سازه فلزی | شرایط آسان ساخت و نصب سازه فلزی

تهیه قطعات فلزی در کارخانجات و نصب آن در موقعیت ، شرایط جوی متفاوت با تمهیدات لازم قابل اجراء است .

سازه فلزی | سرعت نصب سازه فلزی

سرعت نصب قطعات فلزی نسبت به اجراء قطعات بتنی مدت زمان کمتری می طلبد .

با توجه به تهیه قطعات از کارخانجات ، پرت مصالح نسبت به تهیه و بکارگیری بتن کمتر است .

‌میانگین وزن ساختمان فولادی را می توان بین 245 تا 390 کیلوگرم بر مترمربع و یا بین 80 تا 128 کیلوگرم بر مترمکعب تخمین زد ، درحالی که در ساختمانهای بتن مسلح این ارقام به ترتیب بین 480 تا 780 کیلوگرم برمترمربع یا 160 تا 250 کیلوگرم برمترمکعب می باشد .

سازه فلزی | اشغال فضا سازه فلزی

دو ساختمان مساوی از نظر ارتفاع و ابعاد ، ستون و تیرهای ساختمانهای فلزی از نظر ابعاد کوچکتر از ساختمانهای بتنی میباشد ، سطح اشغال یا فضا مرده در ساختمانهای بتنی بیشتر ایجاد میشود .

سازه فلزی | مزایای سازه فلزی پیش ساخته

از مهمترین مزایای سازه فلزی پیش ساخته میتوان به موارد ذیل اشاره کرد:
1. صرفه جویی در مصالح در ساخت سازه فلزی
2. صرفه جویی و سرعت بالا در مدت ساخت و نصب سازه فلزی
3. استفاده بیشتر از فضای زیر پوشش
4. مقاومت زیاد سازه فلزی
5. دوام زیاد سازه فلزی
6. خواص ارتجاعی در سازه فلزی
7. پیوستگی مصالح
8. تقویت پذیری و امکان مقاوم سازی در سازه فلزی
9. شرایط آسان ساخت و نصب سازه فلزی
10.سازه فلزی دارای وزن کمی است.
11. سازه فلزی مزیت اشغال کمتر فضا را داراست.
12. ضریب نیروی لرزه ای سازه فلزی
13. قیمت مناسب
و مزایا و ویژگی های متعدد فنی و مهندسی دیگر در سازه فلزی

سازه با اسکلت بتني بهتر است يا اسکلت فولادي ؟

هر روز هنگام عبور از خيابان‌هاي شهر شاهد ساخت و سازه هاي روز افزوني هستيم، ساختمان‌هاي مختلف از يک طبقه تا چند طبقه که جلوي آنها انواع مصالح ديده مي‌شود؛ سازه هايي که گاه از بتن ساخته مي‌شوند و گاه از فولاد.

دهها  سال است که بحث و اختلاف سليقه در بين ساختمان سازان و مهندسين سازه در انتخاب و برتري سازه هاي فولادي و سازه های بتني نسبت به يکديگر باعث گرديده که اين سئوال و ابهام همواره ذهن متخصصين و حتي مردم عادي رابه خود جلب نمايد و بهمين دليل کارفرمايان و سازندگان بعضاً تا آخرين لحظات قبل از طراحي سازه خود در انتخاب نوع سازه با ترديد مواجه ميشوند .

شايد استمرار اين ابهام به اين دليل باشد که اصولاً انتخاب نوع سازه تابعي است از مسائل اقتصادي ، اقليمي ، فني ، اجرايي و دلايل ديگر و به عبارتي هيچکدام از اين نوع سازه ها برتري مطلقي نسبت به يکديگر نداشته باشند ، بلکه در هر شرايطي هر کدام به يک برتري نسبي بر ديگري دست يابند.

در ابتدا يک تقسيم بندي کلي از سازه هاي متداول در کشور نموده و سپس بررسي اجمالي از را مي نمائيم :

الف) سازه هاي سنتي ( سازه هاي با مصالح بنايي )
ب) سازه هاي بتني
ج) سازه هاي فلزي

الف) سازه هاي سنتي ( سازه هاي با مصالح بنايي ):

همانگونه که از نام اين سازه هاي سنتي پيداست طراحي و محاسبات در سازه هاي سنتي بر خلاف سازه هاي بتني و سازه های فلزي بيشتر از اينکه محاسباتي و علمي باشد تجربي بوده و آئين نامه ها و محدوديت هاي اجرايي در سازه هاي سنتي نيز بر اساس نمونه هاي آماري و تجربي تعيين گرديده است .

که در سازه هاي سنتي بايد حداقل هاي آئين نامه 2800 طراحي در برابر زلزله و مبحث هشتم مقررات ملي ساختمان را  رعايت نموده که حداکثر طبقات مجاز در سازه هاي سنتي در تمام شرايط و مناطق دو طبقه حداکثر ارتفاع مجاز هشت متر از سطح زمين مي باشد بعلاوه در طراحي و اجراي پلان معماري بايد محدوديت و ضوابط مربوطه به سازه هاي سنتي بر اساس آئين نامه 2800 ايران رعايت گردد .در سازه هاي سنتي وظيفه تحمل بارهاي قائم بر عهده ديوارها مي باشد وکلاف و شناژهاي قائم و افقي نيز با دو هدف ذيل اجراميشوند .

1 ) زنجير کردن و اتصال تمام اعضاء افقي و عمودي سازه شامل ديوارها و سقف به يکديگر
2) ايجاد اتصال مناسب و تراز و توزيع مناسب بار سقف بر روي ديوار که اين وظيفه بيشتر توسط کلاف يا شناژ هاي افقي ، تأمين مي گردد .

سازه فلزی | برتري هاي ساختمانهاي بنائي سازه فلزی

مصالح سنتي با توجه به سابقه استفاده در کشور به اندازه کافي موجود ميباشد، مانند آجر که در اکثر نقاط ايران توليد ميشود و کافيست کيفيت آن استاندارد شود.
درمقايسه با بتن و سازه هاي فولادي نياز به استاد کار سطح بالا وجود ندارد .
مصالح بنايي در مقايسه با بتن حساسيت کمتري در مقابل سرما و گرما دارد و با کمترين تمهيدات قابل اجرا است.
روا داري در سازه هاي بنايي بيشتر است و با توجه به کنترل کم و نظارت غير مستمر ساختمانهاي مسکوني اين مورد يک حسن بشمار مي رود.
با توجه به صرفه جويي در مصرف آهن آلات وابستگي ارزي، کم خواهد بود .
آساني امکان تعمير و ترميم در نقاطي از کشور که کيفيت ساختمان سازي پاييني دارند در صورت بروز اشکال، حتي ترميم مقدور است.
چون در اين سيستم از ديوارهاي ضخيم تر استفاده مي شود از نظر جلوگيري از انتقال حرارت مناسب مي باشد که در نتيجه مصرف انرژي سوخت نيز کاهش پيدا خواهد نمود.
تامين آسايش و آرامش نسبي با توجه به اينکه مساله برودتي و گرمايش نسبتا بطور طبيعي تامين مي شود، مقايسه بازارهاي سنتي با پاساژهاي جديد روشنگر موضوع مي باشد.
کم بودن احتمال پوسيدگي و زنگ زدگي و مقاومت بيشتر در مقابل آتش سوزي در مقايسه با ساختمانهاي فولادي،آجر وسنگ که قسمت اصلي سازه هاي بنائي را تشکيل مي دهند در مقا بل پوسيدگي عمر زيادي دارند و احتمال زنگ زدگي نيز وجود ندارد.
وبا لاخره داشتن هزينه کمتر يعني اقتصادي بودن بعلت مصرف کم آهن آلات.
علي ايحال با توجه به تجربي بودن دستورالعمل ها و آئين نامه هاي اجرايي در اين روش ، مطمئناً هيچ مرجع علمي قادر به تضمين سازه هاي سنتي نيست و لذا تنها اجراي اين نوع سازه ها در مناطق محرم با محدوديت هاي فني و تکنولوژي توصيه مي شود .

ب) سازه هاي بتني :
طراحي سازه هاي بتني در کشور به روش هاي حدي نهايي بوده که در اين روش ضرايب تقليل بار بترتيب به مقاومت بتن و فولاد اعمال مي گردد و ضرايب افزايش بار نيز براساس ترکيب بار منظور مي گردد .
حال به بررسي مزايا و معايب  سازه هاي بتني مي پردازيم :

سازه فلزی | مزايای سازه های بتنی

1- بدليل امکان شکل پذيري آرماتور و بتن تازه و قالب ، اعضاء  سازه هاي بتني را مي توان در مقاطع مختلف اجرا نمود .
2-  سازه هاي بتني در مقابل آتش سوزي از خود مقاومت نشان مي دهند .
3-  سازه هاي بتني در مقابل شرايط مختلف آب و هوايي مقاوم بوده ودر صورت اجراي صحيح پوشش بتن ، رطوبت هيچ آسيبي به آن وارد نخواهد کرد .
4-  سازه هاي بتني نسبت به سازه هاي فلزي از يک صلبيت بيشتري برخوردار هستند .
5- مصالح سنگي و سيمان معمولاً آسان تر از ساير مصالح در دسترس مي باشد .
6- عمر  سازه هاي بتني بدليل مقاومت در مقابل شرايط آب و هوا ، معمولاً بيشتراز ساير سازه بوده است .
7- اتصال تير و ديافراگم سقف درسازه هاي بتني بدليل همگن بودن مناسب تر از ساير سازه ها مي باشد .

سازه فلزی | معايب سازه هاي بتني

1- اجراي آرماتور بندي و قالب بندي در سازه هاي بتني نياز به تخصص و صرف زمان بيشتري نسبت به ساير سازه ها دارد .
2- بدليل افزايش مقطع اعضاء سازه هاي بتني ، وزن آن بيشتر از سازه هاي فلزي مي باشد .
3- بدليل نياز به آزمايش مستمر بتن ، در محل اجرايسازه هاي بتني بايد آزمايشگاه هاي مکانيک خاک در دسترس باشد .

ج) سازه هاي فلزي :

سازه فلزی | مزايا سازه فلزی

1- سازه هاي فلزي بعلت امکان مونتاژ اسکلت قبل از نصب و لزوم اجراي همزمان و بدون وقفه اسکلت ، در مقايسه با ساير سازه ها از سرعت عمل بالاتري برخوردار مي باشد .
2- بدليل همگن بودن تيروستون و بادبند بعنوان اعضاء اصلي، اسکلت سازه هاي فلزي داراي يکپارچگي مناسبت تري نسبت به ساير سازه هاي ميباشد و بهمين دليلي نيز نتيجه محاسبات سازه اي فاصله نزديکتري به مقاومت واقعي سازه هاي فلزي دارد .
3- بدليل نوع اتصال اعضاء تير و ستون ، امکان توسعه طبقات در سازه هاي فلزي به شکل مناسبتر و قابل قبول تري وجود دارد .

سازه فلزی | مقاومت زياد سازه هاي فلزي

مقاومت قطعات فلزي زياد بوده و نسبت مقاومت به وزن از مصالح بتن بزرگتر است ، به اين علت در دهانه هاي بزرگ سوله ها و ساختمان هاي مرتفع ، ساختمانهائي که برزمينهاي سست قرارميگيرند ، حائز اهميت فراوان ميباشد .

سازه فلزی | خواص يکنواخت سازه هاي فلزي

فلز در کارخانجات بزرگ تحت نظارت دقيق تهيه ميشود ، يکنواخت بودن خواص آن ميتوان اطمينان کرد و خواص آن بر خلاف بتن با عوامل خارجي تحت تاثير قرار نمي گيرد ، اطمينان در يکنواختي خواص مصالح در انتخاب ضريب اطمينان کوچک مؤثر است که خود صرفه جو يي در مصرف مصالح را باعث ميشود .

سازه هاي فلزي | دوام سازه هاي فلزي

دوام فولاد بسيار خوب است ، اگر در نگهداري ساختمانهاي فلزي دقت گردد  براي مدت طولاني قابل بهره برداري خواهند بود .

سازه هاي فلزي | خواص ارتجاعي سازه هاي فلزي

ممان اينرسي يک مقطع فولادي را ميتوان با اطمينان در محاسبه وارد نمود . حال اينکه در مورد مقطع بتني ارقام مربوطه چندان معين و قابل اطمينان نمي باشد .

سازه هاي فلزي | شکل پذيري سازه هاي فلزي

از خاصيت مثبت مصالح فلزي شکل پذيري ان است که قادرند تمرکز تنش را که در واقع علت شروع خرابي است ونيروي ديناميکي و ضربه اي را تحمل نمايد ،در حاليکه مصالح بتن ترد و شکننده در مقابل اين نيروها فوق العاده ضعيف اند. يکي از عواملي که در هنگام خرابي ، خود خبر داده و ازخرابي ناگهاني وخطرات آن عضو جلوگيري ميکند. و پيوستگي مصالح ، تقويت پذيري و امکان مقاوم سازي ( بهسازي لرزه اي ) ، وزن کم  و اشغا فضاي کمتر

سازه فلزی | معايب سازه های فلزی

1- تجربه و مطالعات بعمل آمده بر روي زلزله هاي دهه هاي اخير در نقاط مختلف دنيا اين نتيجه را در برداشته است که علي رغم اينکه از نظر طراحي و محاسبات ، سازه هاي فلزي مطلوبتر و مقاوم تر از سازه هاي ديگر بنظر مي رسند و ليکن در عمل بيشتر تخريب هاي ناشي از زلزله متوجه سازه هاي فلزي بوده است و براساس اين تحقيقات دليل اصلي ضعف سازه هاي فلزي در مقابل زلزله عدم اجراي صحيح اتصالات بوده است چرا که اجراي جوش در تمام اتصالات براساس محاسبات مربوط و رعايت آئين نامه اجراي جوش شامل انتخاب نوع باري ، آمپر مناسب ، شرايط آب و هوا و تخصص کافي جوشکاران ، مخصوصاً در مناطق محروم و کشورهاي در حال توسعه تقريباً غير ممکن بنظر مي رسد و بر همين اساس اتصالات جوش را در سازه هاي فلزي بايد بعنوان ضعف اصلي اين نوع سازه ها به حساب آورد و راهکار برطرف نمودن اين نقطه ضعف اساسي ، استقاده از پيچ و مهره در اتصالات سازه هاي فلزي مي باشد .
2- با توجه به اينکه تيرو ستون و بادبند سازه هاي فلزي فلزي بوده و ليکن ديافراگم سقف بصورت بتني دال يک طرفه يا دو طرفه اجرا مي گردد اين موضوع باعث ايجاد يک نوع ناهمگني ميان تير و سقف گرديده که اتصال صحيح و کامل آنها را با مشکل مواجه مي نمايد و جهت رفع اين نقص مي بايست تمام نکات فني و آئين نامه اي محل اتصال تير و سقف رعايت گردد .
3- بدليل تأثير شرايط آب و هوايي بر کيفيت جوش و افزايش سرعت زنگ زدگي اسکلت و لزوم اجراي اتصالات در شرايط مناسب آب و هوايي ، معمولاً اجراي اسکلت سازه هاي فلزي با يک محدوديت آب و هوايي مواجه مي گردد .
4- بدليل تغيير شکل اسکلت فلزي در حرارت بالا ، در زمان آتش سوزي سازه هاي فلزي با يک تغيير شکل و تخريب ناشي از آن مواجه خواهند شد .
5- بدليل زنگ زدگي و پوسيدگي ناشي از اکسيد شدن ، سازه هاي فلزي در دراز مدت دچار پوسيدگي عميق و کاهش سطح مقطع شده وبا کاهش مقاومتسازه هاي فلزي نسبت به بارهاي وارده مواجه خواهند شد .

سازه فلزی | خلاصه و نتيجه گيری

در اين مقاله تلاش بر اين بود كه اصولي هر چند مجمل درباره سازه هاي فضاكار بيان شود، تا دانشجويان محققين با ا ين نوع سازه و انواع مورد استفاده آن در دنيا بيش از پيش آشنا شوند و همچنين زمينه اي باشد براي تحقيق و پژوهش بيشتر در قبال اين مسئله . با توجه به قابليت هاي سازه هاي فضاكار كه در بالا بيان شده است و
از طرفي ذكر اين نكته كه در كشور ما پيشرفت روزافزون را شاهد هستيم استفاده از اين نوع سازه ها براي پوشش دهنه هاي بزرگ پيشنهاد مي شود هر چند كه به دليل مسائل و مشكلات اقتصادي پيشرفت هاي كمي در مورد نحوه ساخت و نصب و مسائل فني و ايمني اين سازه ها صورت گرفته است اما اميد است با توجه و التفاتي كه استاد گرانقدر جناب آقاي پروفسور نوشين به اين مسئله مبذول فرموده اند شاهد پيشرفت و ترقي روزافزون و استفاده بيشتر و بهتر از اين سازه ها در كشور عزيزمان ايران بشود . البته توجه به اين نكته كه در ايران متخصصين و اساتيدي در اين زمينه كارهاي بزرگي را انجام داده اند لازم و ضروري است و با يد از تجربيات آنها در اين زمينه استفاده شود