مقایسه انواع اسکلت ساختمانی

تقسیم بندی سازه ها از نظر مصالح و اجرا
امروزه متداول ترین مصالحی که در انواع سازه ها بکار می رود، فولاد و بتن می باشد. در میان انواع سازه ها، سازه های معمولی از قبیل سازه های تجاری، اداری، مسکونی، هتل ها، بیمارستانها و پارکینگ های طبقاتی در مقابل سازه های تخصصی از قبیل پلها، مخازن، سیلوها، برجهای خنک کننده و سدها، در دسته ای به نام "سازه های قابی شکل" یا "قاب های ساختمانی" و یا به اختصار "قاب" (Frame ) قرار می گیرند.
قاب های ساختمانی می توانند بتنی یا فولادی باشند. قاب های بتنی خود به دو دسته قاب های بتنی مسلح و قاب های بتنی پیش تنیده تقسیم بندی می شوند. از سوی دیگر، قاب های فولادی به دو دسته جوشی و پیچی تقسیم بندی می شوند. (نمودار ١) در این مقاله قصد داریم به مقایسه فنی، معماری و اقتصادی این چهار دسته قاب (بتنی مسلح، بتنی پیش تنیده، فولادی جوشی و فولادی پیچی) بپردازیم

٢- مقایسه فنی انواع اسکلت ساختمانی
قاب ها دارای دو وظیفه می باشند: تحمل بارهای ثقلی (بارهای مرده و زنده) و تحمل بارهای زلزله و باد. بارهای ثقلی به صورت قائم بر قاب ها وارد می شوند، در حالی که بارهای زلزله و باد به صورت جانبی اثر می کنند. در اینجا به بررسی این دو وظیفه می پردازیم.
٢-١- بارهای ثقلی
بارهای ثقلی بر سقف وارد می شوند و سقف، این بارها را به تیرها، تیرها به ستونها و ستونها با فونداسیون منتقل می کنند. به این مسیر انتقال بار از سقف تا فونداسیون، "مسیر بار" (Load Path) گفته می شود.
٢-٢- بار زلزله مهمترین بحث در مقایسه فنی قابها، بحث عملکرد قاب ها در مقابل زلزله می باشد. در اکثر مواقع، بار باد نقش تعیین کننده ای بازی نمی کند، به همین دلیل از بحث درباره بار باد صرف نظر می کنیم. در بررسی عملکرد قاب ها در مقابل زلزله، آنچه که به عنوان ایمنی سازه در تصور عموم جای گرفته است، "مقاومت کافی در مقابل زلزله"می باشد. در حالی که آنچه که سازه را در مقابل زلزله ایمن می کند، مقاومت کافی نیست، بلکه "شکل پذیری" است. شکل پذیری در مقابل زلزله به این معناست که سازه با تغییر شکل های مناسب و کافی، انرژی زلزله را در خود مستهلک کند. در واقع زلزله یک نیروی ثابت، همانند بارهای ثقلی نیست، بلکه بیشتر شبیه یک انرژی است. برای مستهلک کردن این انرژی، سازه باید به اصطلاح انعطاف پذیر یا شکل پذیر باشد. این به این معناست که قطور کردن تیر و ستونها، نه تنها الزاماً به باربری جانبی سازه در مقابل زلزله کمک نمی کند، بلکه ممکن است با افزایش "سختی" سازه، از شکل پذیری آن در مقابل زلزله بکاهد و موجب تخریب آن شود.
موارد ذکر شده در بالا، همگی به این دلیل می باشند که نیروی زلزله دارای یک ماهیت مستقل و ثابت نیست و بستگی به ابعاد و اندازه های سازه دارد. بار زلزله به صورت جانبی و شتاب دار به سقف هر طبقه وارد می شود. نیرویی که در سقف به این ترتیب تولید می شود، از حاصلضرب جرم سقف در شتاب زلزله بدست می آید:

در نتیجه، هر چه وزن سقف کمتر باشد، نیروی زلزله کمتر می شود. هر چه سازه سخت تر باشد و بخواهد مقاومت بیشتری از خود نشان دهد، نیروی زلزله بیشتر می شود. سختی سازه به ابعاد تیرها و ستونها و دیوارهای آن بستگی دارد.
٢-٢- انواع سیستم های باربر جانبی لرزه ای
قبل از انتخاب مصالح سازه، باید سیستم باربر جانبی لرزه ای سازه مشخص شود. برای مقابله با زلزله، سیستم های باربری مختلفی را می توان انتخاب کرد. مهمترین این سیستم ها عبارتند از: دیوارهای باربر، قاب ساختمانی ساده با مهاربندهای فولادی، قاب خمشی و سیستم های دوگانه (قاب خمشی+دیوار برشی). تفاوت این سیستم ها در وجود یا عدم وجود تیرها، دیوارها و همچنین نحوه اتصالات تیر به ستون در قاب ها می باشد.
در سیستم دیوار باربر، هندسه سازه به صورت قاب (تیر و ستون) نمی باشد و بار زلزله مستقیماً از سقف به این دیوارها انتقال می یابد. این سیستم تنها در سازه های بتنی قابل اجراست. در قاب های ساختمانی با مهاربندهای فولادی، نیروی زلزله از سقف به تیرها، از تیرها به مهاربندها و از مهاربندها به ستونها انتقال می یابد. این سیستم تنها در سازه های فولادی قابل اجراست. در قاب های خمشی، نیروی زلزله از طریق اتصال گیردار تیر به ستون، از سقف به تیر و از تیر به ستون انتقال می یابد. این سیستم هم در سازه های فولادی و هم سازه های بتنی قابل اجراست. سیستم های دوگانه در واقع عملکرد همزمان قاب های خمشی و دیوارهای باربر را دارا هستند. این سیستم نیز در سازه های فولادی و بتنی قابل کاربرد است. بیشترین شکل پذیری را سیستم قاب خمشی تأمین می کند. به همین دلیل برای سازه های مهم، همیشه سیستم قاب خمشی ویژه را انتخاب می کنند. همچنین برای سازه های بلند، استفاده از سیستم های دوگانه اجباری می باشد. انتخاب این سیستم ها باید بر حسب الزامات و محدودیت های معماری و اقتصادی تعیین گردد، چرا که این سیستم ها تفاوت های بسیاری از نظر معماری و اقتصادی با ی کدیگر دارند.
٢-٤- مقایسه انواع اسکلت ها از نظر باربری و ایمنی در آتش سوزی
قاب های فولادی به دلیل وزن کمتر و شکل پذیری بیشتر نسبت به قاب های بتنی مسلح، عملکرد لرزه ای بهتری دارند. قاب های فولادی پیچی، شکل پذیری بیشتری نسبت به قاب های فولادی جوشی دارند.

اما با ورود تکنولوژی پیش تنیدگی به دنیای قاب های بتنی، تحول عظیمی در این دسته از قاب ها اتفاق افتاد که موجب شد با کاهش وزن و افزایش شکل پذیری در قاب های بتنی، این قاب ها را در رقابت با قاب های فولادی قرار دهد و از آنها پیشی بگیرد. پیش تنیدگی همچنین امکان ایجاد هر چه بیشتر سقف صلب را فراهم می کنند. "صلبیت سقف ها" به این معناست که سقف ها خود دچار تغییر شکل نشوند تا بتوانند نیرو ها را به درستی در مسیر بار به تیرها و ستون ها هدایت کنند. به همین دلیل در انتخاب نوع سقف باید دقت کرد. دال بتنی مسلح یکی از بهترین سیستم های سقف صلب می باشد که با انتخاب دال بتنی پیش تنیده به عنوان سیستم سقف، این صلبیت به واسطه کاهش عرض ترک ها و تغییر شکل های داخلی دال، افزایش می یابد.
بزرگترین عیب سازه های فولادی، خطر آتش سوزی در آنهاست که موجب فروریختن سازه به دلیل ذوب شدن تیر و ستون های آن می شود. در حال که در سازه های بتنی، به دلیل احاطه میلگردها توسط بتن، چنین عیبی وجود ندارد.
همچنین خط زنگ زدگی، قاب های فولادی را تهدید می کند که نیاز به رنگ کاری دارند. ولی در قاب های بتنی، میلگردها در بتن محبوس می شوند و مورد تهدید زنگ زدگی قرار نمی گیرند.
٢-٥- مقایسه انواع اسکلت از نظر اجرایی
اجرای قاب های فولادی بسیار مشکل تر از اجرای قاب های بتنی است. در قاب های فولادی، ستونهای تمام طبقات و اتصالات آنها به تیرها، در پای کار سر هم بندی می شوند و با جرثقیل برپا می شوند. اصولاً عملیات جوش کاری، بسیار حساس است و باید با مهارت و دقت خاصی صورت گیرد. سهل انگاری در جوش کاری می تواند عواقب بسیار زیادی داشته باشد. تنظیم ولتاژ، آمپراژ، سرعت مناسب جوشکاری، تمیز کاری اولیه سطوح جوش کاری و پیش گرمایش قطعات، همگی مواردی هستند که نیاز به دقت و مهارت دارند. همچنین، سوراخ کاری در سازه های پیچی، نیازمند دقتی بیش از جوشکاری می باشد، و اصولاً اجرای قاب های پیچی، مشکل تر از قاب های جوشی است.
در این میان، در قاب های بتنی، تیرها و ستون ها، طبقه به طبقه به راحتی با هر هندسه و شکلی، قالب بندی و بتن ریزی می شوند و نیازی به جوش کاری و سوراخ کاری ندارند. در میان قاب های بتنی، قاب های بتنی پیش تنیده مزایای اجرایی فراوانی بر قاب های مسلح دارند. کاهش شدید شبکه های آرماتور گذاری، کاهش تعداد تیرها، کاهش حجم بتن ریزی و قالب بندی یکپارچه سقف بدون آویز تیرها از مهم ترین آنها می باشد. آرماتورگذاری تیرها و سقف ها در قاب های مسلح، عملیات بسیار دشواری است که اغلب بدلیل سختی، با سهل انگاری و اشتباهات خطرناک همراه است. متداول ترین آنها، سهل انگاری در آرایش آرماتورهای تقویتی و سنجاقی ها می باشند. به منظور تأمین شکل پذیری در قاب های مسلح، آرماتور گذاری های ویژه صورت می گیرد که مشکلات اجرایی فراوانی را داراست. پیش تنیدگی، با کاهش وزن سازه، از این آرماتورگذاری ها می کاهد و سهولت اجرا را همزمان با افزایش سرعت اجرا به ارمغان می آورد.
پیش تنیدگی همچنین موجب کاهش خیز، خزش و جمع شدگی بتن می گردد. در سقف هایی که در معرض خطر فرسایش توسط آب و انقباض و انبساط ناشی از شرایط جوی (مانند پارکینگ های طبقاتی) قرار دارند، پیش تنیدگی با از بین بردن عرض ترک ها، از خوردگی آرماتور جلوگیری می کند.
٣- مقایسه معماری انواع اسکلت ساختمانی
قاب های فولادی بسیار سازگار با معماری هستند، در حالیکه قاب های بتنی مسلح دارای ابعاد و اندازه های بزرگی هستند و از فضای مفید ساختمان می کاهند.
قاب های بتنی پیش تنیده، نه تنها ابعاد و اندازه ها را کاهش می دهد، بلکه با خذف تیرها و آویز آنها و افزایش دهانه ها، فضای یکپارچه و وسیعی را فراهم می کند که مهندس معمار می تواند به راحتی در چیدمان تیغ ها و فضاهای مورد نیاز مانور دهد. همچنین با کاهش ضخامت سقف، ارتفاع تمام شده ساختمان را کاهش می دهد تا الزامات آیین نامه های لرزه ای تامین شود. پیش تنیدگی همچنین به دلیل حذف تیرها، امکان ستون گذاری نامنظم را به مهندس معمار می دهد. امکان ایجاد بازشوهای بزرگ به منظور ایجاد چشم اندازهای زیبا از دیگر مزایای پیش تنیدگی است. تمامی این ویژگی ها موجب می شود قاب های بتنی پیش تنیده بسیار بیشتر از قاب های فولادی و بتنی مسلح، مورد پسند معماران قرار گیرد و تمایل آنها به طراحی سازه های پیش تنیده روز به روز بیشتر شود.
٤- مقایسه اقتصادی انواع اسکلت ساختمانی
از نقطه نظر اقتصادی، سازه های فولادی بسیار پرهزینه تر از سازه های بتنی محسوب می شوند. سختی در اجرا و گرانی فولاد، دو دلیل مهم برای این موضوع به شمار می آیند. همچنین در ساخت و سازهای فولادی، هزینه های هنگفتی بصورت یکجا انجام می شود، چرا که همانطور که گفته شد، ستونهای تمام طبقات همگی با هم برپا می شوند. ولی در قاب های بتنی، این هزینه ها سقف به سقف و در طول مدت زمان بیشتری انجام می شود. قاب های پیچی گران تر از قاب های جوشی تمام می شوند. سیستم های باربری قاب خمشی نیز از قاب های مهاربندی پرهزینه تر می باشند.
در قاب های بتنی پیش تنیده، با کاهش شدید هزینه ها نسبت به قاب مسلح مواجه می شویم. کاهش مصرف مصالح و سهولت در اجرا (قالب بندی، آرماتوربندی و بتن ریزی) عوامل مهم این کاهش هزینه می باشند. مزایای معماری سازه های پیش تنیده، به طور غیر مستقیم وارد این صرفه اقتصادی می شوند و با افزایش دهانه ها و فضاها، متراژ مفید و تعداد پارکینگ بیشتری را عرضه می کند. از سوی دیگر معماری زیبا و باز، مخاطب را به وجد می آورد.
٥- جمع بندی
مقایسه فنی، معماری و اقتصادی انواع قاب های ساختمانی بتنی و فولادی را می توان در یک جدول به طور خلاصه مطابق جدول ١ جمع بندی نمود.
شرکت پارس پی بی ال با معرفی و بکارگیری سیستم پیشتنیدگی به روش پس کشیده در ساختمان های مسکونی، قلمرو جدیدی از بکارگیری این سیستم را در زمینه های عمومی در ایران گشوده است. این شرکت تا به حال چندین پروژه مسکونی را با سیستم پس کشیدگی طراحی و اجرا نموده است. به منظور درک مزایای این سیستم در سازه های مسکونی، جدول ٢، مقایسه یکی از پروژه های انجام شده، با و بدون بکارگیری این سیستم را نشان می دهد.

جدول ١

جدول ٢

همچنین به نمودار ١ توجه کنید. همانطور که مشاهده می کنید، از نظر اقتصادی هزینه پس کشیدگی برای دهانه های حدود ٥/٧ متر به بالا، نسبت به بتن مسلح معمولی به تدریج کاهش می یابد. از این نمودار می توان جدول ٣ را استخراج کرد.

جدول ٣

نمودار ١