طراحی اسکلت سازه

اسکلت بتنی (Concrete frame)

در ساخت و ساز های شهری و نوین امروزی ، اجرای اسکلت سازه ای با بتن مسلح ( بتن آرمه ) بسیار مرسوم و مورد پسند سازندگان است ،

هدف از طراحی سازه بتنی

میتوان گفت هدف از طراحی سازه ای آن است که ساختمان ما در برابر انواع بار های استاتیکی و دینامیکی بتواند رفتار و مقاومت صحیحی داشته باشد و در زمان اجرای پروژه و بهره برداری از آن کیفیت های لازم را دارا باشد

لذا مهندسان طراح با درنظر گیری تمامی بار ها شامل : زلزله ،  باد ، زنده ، مرده ، فشار جانبی خاک ،  سیل ،  باران و برف و… اقدام به تحلیل و طراحی سازه با ضرایب اطمینان مناسب مینمایند .

مراحل ساخت یک ساختمان با اسکلت بتنی مختصرا به شکل زیر است :

  • انجام عملیات تخریب و گود برداری
  • رگلاژ کف گود و اجرای بتن مگر
  • آرماتور بندی ، قالب بندی و بتن ریزی فونداسیون
  • آرماتور بندی ، قالب بندی و بتن ریزی ستون های روی فونداسیون
  • آرماتور بندی ، قالب بندی و اجرای سقف تیر ها و سقف بتن آرمه
  • اجرای رمپ پله
  • تکرار مراحل فوق برای طبقات بعدی
  • در صورتی که در پروژه دیوار حائل و دیوار برشی نیز وجود داشته باشد ، هم زمان با اجرای ستون ها ، دیوار ها نیز اجرا میگردند .

همانطور که مستحضر هستید در تمام مراحل مصالحی همچون میلگرد و بتن ( متشکل از سیمان ، شن ، ماسه و آب ) برای تشکیل المان های اسکلت بتنی استفاده میگردد و برای ایجاد احجام نیز از قالب استفاده میشود .

علت استفاده از میلگرد آن است که بتن در برابر نیرو های فشاری مقاومت خوبی دارد اما در برابر کشش ضعیف است ، لذا در قسمت هایی از سازه که بتن تحت کشش واقع میشود نیاز به میلگرد های فولادی بیشتری میباشد تا نیرو کششی وارد شده را تحمل کنند .

همچنین عملگرد سازه در خمش و برش و مقاومت در برابر تنش های حرارتی ، نیازمند به کارگیری آرماتور های فولادی با قطر های مختلفی میباشد.

تکنسین در حال بتن ریزی سقف توسط پمپ بتن

قالب برداری بتن

بعد از اتمام عملیات قالب بندی و بتن ریزی ، نوبت به عمل آوری بتن و همچنین باز کردن قالب ها مطابق با  مدت زمان لازم ذکر شده در نقشه های اجرایی است ، مدت زمان لازم برای سخت شدن بتن در نقشه های اجرایی آورده نشده باشد ، ملاک عمل جدول مبحث نهم مقررات ملی است که در زیر آورده شده است :

همانطور که در جدول بالا مشاهده میکنید هرچه هوای محیط سردتر بشد ، مدت زمان بیشتری قالب ها و پایه های اطمینان باید در زیر کار بمانند تا بتن به سختی و مقاومت لازم برسد و بتواند وزن خود و نیرو های وارده را بدون نیاز به جک و قالب تحمل کند  .

در صورتی که در مدت زمان سخت شدن بتن ، دمای پیرامون به زیر صفر درجه سیلسیوس تنزل کند ، زمان های آورده شده در جدول باید به تناسب و حداقل به میزان مدت زمان یخبندان افزایش پیدا کند.

عمل آوری بتن

یکی از موارد بسیار مهم در کسب مقاومت و دوام بتن ، عمل آوری یا کیورینگ بتن می‌باشد ، روش های متنوعی برای عمل آوری وجود دارد از جمله : غرقاب کردن بتن ، استفاده از پوشش پلی اتیلن ، استفاده از تجهیزات قالب بندی و سیستم بخار و… که هر کدام از این روش ها مزایا و معایب خاص خود را دارند

متداول ترین روش در عمل آوری ، همان سیستم آبدهی به بتن است ، این روش در صورتی که منظم و صحیح انجام شود بیشترین اثر بخشی را در بتن خواهد داشت و واکنش شیمیایی هیدراتاسیون که نیازمند رطوبت است ، به خوبی در بتن انجام میگیرد

لازم به ذکر است که در چند روز ابتدایی بتن ریزی ، سرعت واکنش هیدراتاسیون بالا است ، لذا باید با دقت و کیفیت آبدهی انجام شده و رطوبت بتن حفظ گردد.

مزایا اسکلت بتنی

  • شکل پذیری بالا
  • ارزان بودن هزینه های اجرای این سازه نسبت به اسکلت فولادی
  • امکان مدیریت بهتر هزینه ها در این اسکلت در مقایسه با اسکلت فولادی که یک جا خریداری میگردد
  • مقاومت مناسب در برابر آتش سوزی
  • پدیده کمانش در سازه های بتنی کمتر از فولادی رخ میدهد
  • اسکلت بتنی در مقایسه با فولادی مشکلات اجرایی کمتری در بحث اتصالات دارد

معایب اسکلت بتنی

  • هدر رفت مصالح در این اسکلت نسبت به اسکلت فولادی بیشتر میباشد
  • وزن این سازه نسبت به اسکلت فولادی بالاتر میباشد
  • این سازه در بحث انتقال گرما و سرما به خارج از ساختمان نیازمند عایق کاری هستند
  • در صورت بروز انفجار این سازه مستعد تخریب پذیری بالایی میباشد
  • ضعف در تحمل نیرو های کششی

اسکلت فلزی  (Steel frame)

یکی از مراحل اصلی ساخت و ساز ، اجرای اسکلت فولادی ست که در ساختمان های مسکونی ، اداری و تجاری قابل استفاده است

اسکلت فولادی پیچ و مهره ای سرعت ساختمان سازی را بالا برده و دیگر به جوشکاری نیازی نیست و در مقایسه با اسکلت بتنی ، سرعت آن بسیار بالاتر و مراحل اجرایی آن کمتر و کم دردسر تر است .

پروفیل های فولادی از قبل داخل کارخانه اندازه گیری و تولید میشوند و محل دقیق پیچ و مهره ها مطابق نقشه مشخص میشود و در نهایت پروفیل ها به محل پروژه منتقل و نصب میگردند .

اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای چیست؟

اسکلت فولادی پیچ و مهره‌ای جهت انتقال تمامی بار های ساختمان به پی ، طراحی و اجرا میگردد ، سرعت ساختمان سازی با این نوع اسکلت پیش ساخته بالاتر از اسکلت بتنی و یا اسکلت فلزی جوشی است و تنها با ارائه نقشه ها به کارخانه اسکلت سازی ، المان های مختلف ساخت و به محل پروژه منتقل میگردند.

امروزه سازندگان و طراحان بسیاری به این روش اجرای اسکلت علاقه‌مند هستند ، البته باید دانست که اگر در برپایی این اسکلت با دقت و نظارت کافی به ارمغان نیاید ، ممکن است با اتصالات ضعیف و نامناسب پیچ و مهره ها ، سازه مقاومت لازم را نداشته باشد و در آینده خطرات متعددی بوجود آید ؛ همچنین بروز خطا در برش و ساخت مقاطع و تعیین جای پیچ و مهره ها مشکلات فراوانی را در هنگام نصب ایجاد میکند و اتصالات ضعیف ممکن است حتی باعث ریزش ساختمان گردد .

اتصالات پیچی چیست؟

در اجرای اسکلت فولادی بسته به طراحی آن ، پیچ های مختلفی استفاده میگردد که از نظر ابعاد ، رفتار و جنس با یکدیگر تفاوت دارند ؛

انواع پیچ ها عبارت اند از:

  • پیچ معمولی :

این پیچ ها معمولا ترکیبی از فولاد نرمه با کربن کم هستند ، ابعاد آنها از قطر 12 تا 36 میلیمتر موجود است و اکثرا در سازه های سبک خرپایی و سازه های موقت استفاده شده و عملکرد اتصال آنها به صورت اتکایی است.

این پیچ ها با نام پیچ های غیرخودکار نیز شناخته میشوند و در استاندارد آمریکا با علامت A307 مشخص میشوند که در قسمت شش ضعلی روی پیچ حک گردیده است ؛

انواع پیچ های معمولی عبارت اند از : پیچ استوانه ای ، پیچ شش گوش ، پیچ جوشی ، پیچ آلن و…

بر اساس استاندارد DIN آلمان تقسیم بندی پیچ ها توسط دو عدد انجام میشود ، عدد اول ضربدر 100 نشانگر مقاومت نهایی بر حسب MPAو حاصل ضرب عدد دوم در عدد اول در 10 ، نشان دهنده تنش تسلیم پیچ بر حسب MPA باشد :

 

  • پیچ های پر مقاومت:

این پیچ ها از فولاد و با کربن متوسط مرغوب سازی میگردند ( حرارت دهی و کاهش حرارت ) و از آنجا که توانایی پیش‌تنیدگی دارند ، تحمل نیروی بیشتری داشته و کاربرد فراوانی در اتصالات اصطکاکی دارند .

در جدول زیر فرمول مطرح شده جهت دستیابی به تنش Fy و Fu بر حسب مگاپاسکال را مشاهده میکنید:

اعمال نیرو پیش تنیدگی در پیچ های پر مقاومت

در آیین‌نامه ی ” مشخصات فنی اتصالات با استفاده از پیچ های ASTM A325 , A490 ” تحت عنوان یکی از پیوست های آیین نامه طراحی سازه های فولادی AISC ، میزان نیرو لازم جهت ایجاد اتصال اصطکاکی نیازمند حداقل 70 درصد نیرو گسیختگی پیچ است و به چهار روش پیچ ها میتوانند پیش تنیده شوند:

  • استفاده از آچار کالیبره (Calibrated Wrench)
  • روش چرخش مهره (Turn of Nut)
  • استفاده از پیچ های کنترل گشتاور با قطعه جدا شونده ( Twise – Off – Bolis )
  • استفاده از نشانگر های مستقیم کشش ( Direct Tension Indicator )

در اتصالات اصطکاکی باید دقت گردد تا در محدوده فاصله 25 میلیمتر از بستن پیچ ، سطح باید کاملا عاری از هرچونه زنگ زندگی ، پاشش جوش ، رنگ و روغن باشد ؛

درصورتی که پیچ در سوراخ جا نرود باید از برقو جهت افزایش قطر استفاده کرد و به کار بردن دستگاه هوابرش مجاز نمیباشد  ؛

پیچ های اصطکاکی یک بار مصرف بوده و درصورت باز کردن آنها ، باید از پیچ جدیدی استفاده کرد .

مزایا اسکلت فلزی پیچ و مهره ای 

  • کاهش هزینه ساخت و ساز نسبت به اسکلت بتنی و فلزی جوشی
  • افزایش سرعت ساخت و ساز با اتصالات پیچ و مهره ای
  • کاهش سر و صدای اجرایی برای همسایگان
  • کاهش پرتی مصالح
  • کاهش وزن سازه ای نسبت به اسکلت بتنی
  • افزایش دوام و پایداری ساختمان نسبت به اسکلت بتنی
  • کاهش حجم فونداسیون به علت سبک تر بودن اسکلت
  • افزایش زیربنای مفید به علت کوچک تر بودن ابعاد ستون ها

معایب اسکلت فلزی پیچ و مهره ای

  • هزینه اضافه جهت اجرای ضد زنگ
  • هزینه اضافه جهت اجرای مواد مقاوم در برابر حریق
  • احتمال کمانش اعضا سازه فلزی نسبت به بتنی بیشتر است
  • در صورت افزایش دمای اسکلت به بالای 500 درجه ، تعادل ساختمان ممکن است به خطر بیافتد
  • درصورتی که در ساخت اسکلت خطا رخ دهد ، اجرای آن با مشکل مواجه میشود
  • در صورتی که اتصالات به نحوی صحیح اجرا و نظارت نشود رفتار سازه ای اسکلت خطر آفرین میشود

اسکلت فلزی جوشی

اجرای اسکلت فلزی جوشی یکی از پرکاربردترین و رایج ترین روش های ساخت و ساز است ، به طور کلی اجرای اسکلت فلزی به سه روش : جوشی ، پیچ و مهره ای و پرچی انجام میگردد که با توجه به شرایط هر پروژه و تصمیم مهندسان و کارفرما ، یکی از این روش های اجرایی انتخاب میگردد

به طور کلی یک سازه معمول ، متشکل از فونداسیونی بتنی ، ستون و تیر های فلزی و سقف سازه ای است ، که اتصال میان فونداسیون به ستون ، ستون ها به یکدیگر و تیر ها به ستون ها ، توسط جوشکاری انجام میگردد

انواع روش های جوشکاری در ساخت و اجرای اسکلت فلزی :

  • جوشکاری قوس الکتریکی دستی
  • جوشکاری قوس الکتریکی خودکار
  • جوشکاری محافظ گازی با CO2 به صورت اتوماتیک و نیمه اتوماتیک
  • جوش کاری قوس الکتریکی خود محافظ

در برپایی اسکلت فلزی ، جوشکاری به صورت دستی توسط افراد متخصص آن حوزه انجام میگیرد و رایج ترین روش جوشکاری ، قوس الکتریکی محافظ است .

در نهایت بازرسی های لازم توسط تست های مواد نافذ (PT)، داریوگرافی (RT) ، آزمون فراصوتی (UT) و یا بازرسی چشمی (VT) ، برحسب نیاز انجام میگیرد .

اسکلت فلزی جوشی ضمن داشتن مقاومت و استحکام بالا ، شکل پذیری و سرعت اجرایی مناسبی نیز دارد و در اجرای ساختمان های بلند ، سوله های صنعتی و ساختمان های مسکونی ، پارکینگ ، پل ، صنایع نفت ، گاز و پتروشیمی و …. مورد استفاده قرار میگیرد .

در مقایسه با اسکلت پیچ و مهره ای ، اسکلت جوشی از نظر قدرت و استحکام در رتبه بالاتری قرار میگیرد و نبودن سوراخ برای اتصالات نوعی مزیت در مقاومت آن است ، از نظری دیگر اسکلت پیچ و مهره ای سرعت بالاتری در اجرا دارد و هزینه جوشکاری از آن کاسته میشود .

مراحل اجرای اسکلت فولادی

  • نصب و اجرای صفحه ستون ها در فونداسیون
  • ساخت و نصب ستون ها بر روی صفحه ستون
  • ساخت و نصب تیر های اصلی به ستون ها مطابق با طول جوش و نحوه اتصال در نقشه های اجرایی
  • کنترل شاقولی ستون ها
  • ساخت و نصب تیر های فرعی
  • ساخت و نصب مهاربند ها

مزایا اسکلت فلزی جوشی

  • اسکلت فلزی نسبت به اسکلت بتنی سبک تر است
  • سرعت اجرای اسکلت فلزی نسبت به بتنی بیشتر است
  • تعمیر و جایگزینی در این اسکلت آسان تر است
  • پرتی مصالح در این اسکلت کمتر است
  • اسکلت فلزی ضد حشرات و حیوانات موزی است
  • اسکلت فلزی جوشی مقاومت و استحکام بیشتری نسبت به پیچ و مهره ای دارد

معایت اسکلت فلزی جوشی

  • این اسکلت رسانای حرارت است و برای عایق کاری باید تدابیر لازم انجام شود
  • این اسکلت در برابر حریق تاییدیه لازم را نداشته و نیاز به اجرای پوشش های ضد حریق است
  • امکان انعطاف پذیری در محل ساخت وجود ندارد زیرا پروفیل ها از پیش در کارخانه ساخته شده است