ساختمان با اسکلت فلزی چیست؟

اسکلت فلزی، که به اسم اسکلت فولادی یا سازۀ فلزی هم شناخته می‌شود، به مجموعه‌ای از اعضای باربر ساخته‌شده از نیم‌رخ‌های فولادی یا ورق فلزی گفته می‌شود که به کمک اتصالات به یکدیگر وصل می‌شوند. از آن‌جا که روش‌های تولید نیم‌رخ یا همان پروفیل فولادی تکامل یافته شده و آزمون و خطای بسیاری را پشت سر گذاشته است، این مقاطع در اغلب موارد رفتار مطلوب و مناسبی را از خود نشان می‌دهند.

موضوع حائز اهمیت در این سازه‌ها، رفتار اتصالاتی است که برای ساخت اعضای مرکب از پروفیل و ورق در محل گره‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

روش‌های مرسوم اتصالات در سازه‌های فلزی به این شرح است:

• اتصالات سازه‌های فلزی پیچ و مهره‌ای
• اتصالات جوشی
• اتصالات پرچی (که تقریبا در تمام نقاط جهان منسوخ شده است.)

تاریخچۀ اسکلت فلزی

استفاده از اسکلت فلزی در ساختمان‌ها پیشینه‌ای طولانی دارد. در ابتدا برای اجرای چنین سازه‌هایی از چدن استفاده می‌شد اما پس از مدتی آهن کم‌کربن یا همان آهن چکش‌خوار جای چدن را گرفت. با استفاده از اسکلت فلزی ساخت سازه‌هایی با طرح‌ها و شکل‌های مختلف و متنوع امکان‌پذیر شد.

چدن و آهن کم‌کربن هم به مرور جای خود را به فولاد دادند. امروزه فولاد بیشترین کاربرد را در اسکلت فلزی ساختمان‌ها دارد؛ تا جایی که گاه به جای به کار بردن عبارت «اسکلت فلزی» از «اسکلت فولادی» استفاده می‌کنند.

مزایای اسکلت فلزی باعث شده از آن به صورت گسترده در ساخت سوله‌ها و ساختمان‌های بزرگ استفاده کنند. این نوع اسکلت در شلوغ‌ترین و کم‌حجم‌ترین مکان‌ها هم قابل اجراست و به همین دلیل در شهرهای بزرگ با استقبال خوبی از طرف معماران و مهندسان سازه مواجه شده است. اسکلت فلزی کیفیت ساخت را بالا برده و پرتی مصالح را پایین می‌آورد.

بهترین روش اجرای اسکلت فلزی پیچ و مهره است و کشورهای اروپایی جز در متراژ و وزن کم، اجازۀ استفاده از اتصالات جوشی را نمی‌دهند؛ زیرا به نسبت روش پیچ و مهره از مقاومت کمتری برخوردار است.

مزایای اسکلت فلزی برای ساختمان

از مزایای استفاده از اسکت فلزی می‌توان به این موارد اشاره کرد:

• اسکلت فلزی به نسبت اسکلت بتنی وزن کمتری دارد، در نتیجه وزن کلی ساختمان کمتر می‌شود.
• خواص ارتجاعی فولاد با تقریب بسیار خوبی مصداق عملی دارد . فولاد در واقعیت و خارج از شرایط آزمایشگاهی هم تا تنش‌های بزرگی از قانون هوک پیروی می‌کند.
• مقاومت قطعات فلزی زیاد بوده و نسبت مقاومت به وزن آن از مصالح بتنی بیشتر است؛ به همین علت اسکلت فلزی در دهانه‌های بزرگ سوله‌ها و ساختمان‌های مرتفع و همچنین ساختمان‌هایی که در زمین‌های سست اجرا می‌شوند، کاربرد گسترده‌ای دارد.
• اسکلت فلزی برای سازه‌های طویل بسیار مناسب است.
• از آن‌جا که فلز در کارخانه‌های بزرگ و تحت نظارت دقیق تهیه می‌شود، می‌توان به یکنواخت بودن خواص آن اطمینان کرد.
• دوام فولاد بسیار خوب است. اگر از ساختمان‌هایی که اسکلت فولادی دارند به صورت مناسب نگهداری شود، برای مدت طولانی قابل بهره‌برداری خواهند بود.
• از خواص مثبت مصالح فلزی قابلیت شکل‌پذیری بالای آن‌هاست. این ویژگی باعث می‌شود مصالح فلزی تمرکز تنش را که در واقع علت شروع خرابی است و همچنین نیروی دینامیکی و ضربه‌ای را تحمل کنند.
• قطعات فلزی با توجه به موادی که آن‌ها را تشکیل می‌دهند، پیوسته و همگن هستند.
• ساختمان با اسکلت فلزی در برابر انفجار مقاومت بهتری دارد. نیروی تخریبی حاصل از انفجار سطوح حائل را از اسکلت جدا می‌کند و انرژی مخرب آشکار می‌شود؛ ولی ساختمان کلا ویران نخواهد شد.
• اسکلت فلزی قابلیت تقویت‌پذیری و امکان مقاوم‌سازی دارد. اگر به هر علتی مانند محاسبات اشتباه، تغییر مقررات و ضوابط، اجرای نادرست و … اسکلت از مقاومت مطلوب برخوردار نباشد؛ می‌توان با جوش، پرچ یا پیچ کردن قطعات جدید آن را تقویت کرد یا قسمت‌هایی به آن اضافه کرد.
• شرایط ساخت و اجرای اسکلت فلزی ساده است.
• سرعت نصب قطعات فلزی نسبت به اجرای قطعات بتنی سریع‌تر بوده و مدت زمان کمتری طول می‌کشد.
• از آن‌جا که قطعات فلزی از کارخانه تهیه می‌شوند، پرت مصالح در آن نسبت به اسکلت بتنی کمتر است.
• در دو ساختمان یک‌سان از نظر ارتفاع و ابعاد، ستون و تیرهای ساختمان‌های فلزی کوچک‌تر و کم‌حجم‌تر از ساختمان‌های بتنی است. به همین علت سطح اشغال یا فضای مرده در ساختمان‌های بتنی بیشتر از ساختمان فلزی است.

ساختمان اسکلت فلزی به سرعت اجرا می‌شود و وزن تمام‌شدۀ کمتری نسبت به بتن دارد. قطعات فلزی در کارخانه تولید می‌شوند، به همین دلیل نظارت بر استاندارد بودن آن‌ها به خوبی انجام می‌شود. اسکلت فلزی در برابر انفجار مقاومت بالایی دارد و به زودی فرو نمی‌ریزد.

معایب اسکلت فلزی

معایب اسکلت فلزی شاید لیست کوتاه‌تری نسبت به مزایای آن داشته باشد اما هنگام طراحی ساختمان و انتخاب اسکلت‌بندی مناسب آن باید به این معایب نیز توجه کرد:

• ضعف در دمای زیاد و هنگام آتش‌سوزی: مقاومت ساختمان با اسکلت فلزی با افزایش دما نقصان خواهد یافت. اگر دمای اسکلت فلزی به ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجۀ سانتی‌گراد برسد، تعادل و ایستایی ساختمان به خطر می‌افتد .
• خوردگی و فساد فلز در مقابل عوامل خارجی و جوی: قطعات مصرفی در ساختمان فلزی در مقابل عوامل جوی خورده شده و از ابعاد و مقاومت آن کاسته می‌شود؛ به همین علت مخارج نگهداری و محافظت این سازه‌ها بیشتر از سازه‌های بتنی است.
• تمایل قطعات تحت فشار به کمانش: با توجه به این‌که تعداد قطعات فلزی مصرف‌شده زیاد و ابعاد آن‌ها معمولا کوچک است، تمایل به کمانش در این قطعات یک نقطه ضعف به حساب می‌آید.
• جوش نامناسب: اتصال قطعات فلزی به وسیلۀ جوش با توجه به این موارد ممکن است نامناسب و ناکارآمد باشد. مهارت نداشتن جوش‌کاران، استفاده از ماشین‌آلات قدیمی‌، کنترل نشدن دقیق توسط مهندسان ناظر، گران بودن هزینۀ آزمایش جوش و … .
• هزینۀ اولیۀ بالا: در ساختمان‌های فلزی بخش زیادی از هزینۀ ساخت را باید همان ابتدای کار و جهت خرید قطعات فلزی پرداخت کرد. در سال‌های اخیر با توجه به بالا رفتن مداوم قیمت این مصالح و پایین آمدن قدرت خرید سازنده یا مجری طرح، استقبال از ساختمان با اسکلت فلزی در ایران با کاهش مواجه شده است.

ساختمان با اسکلت بتنی چیست؟

ساختمان با اسکلت بتنی یا سازۀ بتنی، سازه‌ای است که برای ساخت آن از بتن یا بتن آرمه (متشکل از سیمان، شن، ماسه و فولاد به صورت میلگرد ساده یا آجدار) استفاده شده باشد. اگر برای اجرای ساختمان و در قسمت ستون‌ها، شاه‌تیرها و پی از بتن استفاده شده باشد، آن ساختمان اسکلت بتنی دارد.

در ساختمان با اسکلت بتنی، اعضای باربر فشاری از جنس بتن آرمه و در محل ساخت سازه قالب‌بندی و اجرا می‌شوند. در این ساختمان‌ها همۀ تیرهای اصلی و حتی دیوارهای برشی با بتن ساخته می‌شوند.

اسکلت بتنی دارای مزایا و معایبی است که انتخاب آن باید با توجه به نوع ساختمان، محل احداث، دسترسی به مصالح ساخت و قیمت آن‌ها، کاربری ساختمان و خصوصیات جوی و زمین‌شناسی منطقه صورت بگیرد.

در ساختمانی که اسکلت بتنی دارد، این بخش‌ها با بتن ساخته و اجرا می‌شوند:

• پی و فونداسیون
• ستون
• تیرهای اصلی
• تیرهای فرعی
• پله
• دیوار برشی
• سقف

تاریخچۀ اسکلت بتنی

در تعریف اولیۀ بتن آمده است که این متریال یک مادۀ چسبنده است که معمولا در نتیجۀ  فعل و انفعال سیمان‌های هیدرولیکی و آب حاصل می‌شود. با توجه به این تعریف، می‌توان اولین استفاده از چنین مصالحی را در چندین قرن پیش هم مشاهده کرد. اما ساخت و اجرای بتن به آن صورت که امروزه می‌شناسیم، به اوایل قرن بیست میلادی برمی‌گردد.

بتن نیز مانند تمام متریال و مصالح دیگر در صنعت ساختمان‌سازی، به صورت مداوم در حال ارتقای کیفیت و کارآیی است و هر روز شاهد اجراهای متفاوتی از این ماده خصوصا در پل‌ها و سدها هستیم.

مزایای اسکلت بتنی

استفاده از اسکلت بتنی با توجه به نوع ساختمان، بودجۀ ساخت و محل قرارگیری آن می‌تواند شامل مزایایی باشد که در ادامه عنوان می‌شود:

• تمام اجزای تشکیل‌دهندۀ بتن به عنوان مصالح بومی و ارزان‌قیمت محسوب می‌شوند. بتن آماده نیز با کیفیت و مشخصات مختلف قابل خریداری است.
• بتن را می‌توان به سهولت به هر شکل دلخواه درآورد. فقط کافی است قالب مناسب را تهیه کرده و سپس تقریبا هر مقطع سازه‌ای و شکل معماری را با بتن آرمه تولید کرد. این موضوع یکی از مزیت‌های بتن در برابر فولاد است؛ زیرا فولاد در کارخانه و در مقاطع و شکل‌های محدود و مشخص ساخته می‌شود.
• بتن مقاومت بسیار مطلوبی هنگام آتش‌سوزی دارد. یک ساختمانبتن آرمه می‌تواند ساعت‌ها در مقابل آتش‌سوزی مهیب مقاومت کند و فرو نریزد.
• این خصوصیت باعث می‌شود فرصت کافی برای مهار حریق و نجات جان افراد داخل ساختمان ایجاد شود. این ویژگی یکی دیگر از مزیت‌های اسکلت بتنی نسبت به اسکلت فلزی است.
• بتن همچنین مقاومت خوبی در مقابل رطوبت و آب دارد. اگر آبی که با بتن در تماس قرار می‌گیرد بدون یون‌هایی از قبیل یون سولفات و یون کلرور باشد، اشکالی برای بتن یا حتی میلگردهای داخل آن ایجاد نمی‌کند.
• بتن باید به صورت یک‌دست و بدون ترک اجرا شود، اگر نه نفوذ آب در ترک‌ها در فصل یخ‌بندان ممکن است باعث آسیب رسیدن به سازه شود.
• اجزایبتن آرمه صلبیت بالایی دارند. به همین دلیل معمولاً ساکنان یک ساختمان بتن آرمه در هنگام وزش شدید باد یا تحرک زیاد همسایگان، لرزه‌ای را احساس نمی‌کنند و آرامش آن‌ها حفظ می‌شود.
• ساختمان با اسکلت بتنی نسبت به ساختمان اسکلت فلزی به نگهداری و محافظت کمتری نیاز دارد. در حقیقت اگر استانداردها و ضوابط لازم هنگام اجرای اسکلت بتنی به خوبی رعایت شده باشد، پس از اتمام کار ساختمان به مراقبت خاصی احتیاج نخواهد داشت.
• بتن پس از سال‌ها استفاده نه تنها مقاومت اولیۀ خود را از دست نمی‌دهد، بلکه با گذر زمان و تحکیم بیشتر سیمان هیدراته‌شده، افزایش مقاومت نیز خواهد داشت. به همین دلیل بتن در مقایسه با سایر مصالح ساختمانی، عمر بهره‌دهی بسیار طولانی دارد.
• بتن در بعضی از اجزای سازه‌ای از قبیل پی‌ها، دیوارهای زیرزمین و شمع‌ها تنها گزینۀ مقرون به صرفه محسوب می‌شود.
• اجرای بتن و سازۀ بتنی در مقایسه با سایر مصالح نظیر فولاد و حتی چوب، به نیروی اجرایی متخصص و کارگر با مهارت بالا نیاز ندارد.
• از مهم‌ترین خصوصیات ساختمان با اسکلت بتنی این است که مصالح آن باید به تدریج خریداری شود. در این حالت فشار اقتصادی کمتری به سازنده یا مجری طرح وارد می‌شود.

بتن طول عمر بالایی دارد و پس از اجرا نیاز به نگهداری و مراقبت خاصی ندارد. مقاومت بالا در برابر آتش‌‌سوزی از جمله مزایای اسکلت بتنی به شمار می‌‌رود.

معایب اسکلت بتنی

مسلما بررسی معایب اسکلت بتنی هم بسیار مهم و حائز اهمیت است. در ادامه به برخی معایب این نوع اسکلت‌بندی می‌پردازیم:

• مقاومت کششی بتن بسیار پایین بوده و در حدود یک دهم مقاومت فشاری آن است. این مسئله استفاده از فولادهای مسلح‌کننده در ناحیۀ کشش بتن را اجتناب‌ناپذیر می‌کند.
• وزن تمام‌شده و بار مردۀ ساختمان با اسکلت بتنی بیشتر از ساختمان با اسکلت فلزی است.
• انتقال گرما و سرما توسط ساختمان‌های بتنی به داخل ساختمان به راحتی انجام می‌گیرد که این یک ضعف است.
• مدت زمانی که برای اجرای یک ساختمان با اسکلت بتنی مورد نیاز است، بسیار بیشتر از ساختمان با اسکلت فلزی است.
• بتن باید بلافاصله پس از ساخت به کار گرفته شده و مصرف شود. بتن در بهترین حالت فقط تا دو ساعت پس از ساخت قابل استفاده است.
• اگر عضوی از ساختمان بتنی معیوب شود، تعویض و ترمیم آن مشکل است.
• شرایط آب و هوایی مانند سردی و گرمی هوا در اجرای آن تأثیر می‌گذارد.
• بتن در برابر انفجار ضعیف عمل می‌کند.
• چون کنترل کیفیت بتن در کارگاه انجام می‌شود، تضمین کیفیت آن نسبت به فولاد که در کارخانه تهیه می شود کمتر است. البته در صورت استفاده از بتن آماده، این نقص تا حد زیادی قابل برطرف شدن است.

بتن متریالی است که ساخت و اجرای آن به آسانی و سرعت انجام می‌پذیرد. ساختمان با اسکلت بتنی ارزان‌تر از اسکلت فلزی است اما حجیم‌تر و سنگین‌تر از آن است و مقاومت کمی در برابر انفجار دارد.

جمع‌بندی

• انتخاب اسکلت‌بندی مناسب برای ساختمان با توجه به عواملی همچون مسائل اقتصادی، شرایط اجرا، خصوصیات آب‌وهوایی محل اجرا، کیفیت اجرا، عوامل فنی سازه‌ای و همچنین درخواست کارفرما صورت می‌گیرد.
• ساختمان اسکلت فلزی دارای چنین مزایایی است: قابلیت اجرا در فضای کم، سبک بودن نسبت به

مصالح بتنی، مناسب برای سازه‌های طویل، سرعت بالای ساخت.

• برخی معایب اسکلت فلزی این موارد است: هزینۀ ساخت و نگهداری بالا، مقاومت کم در برابر آتش‌سوزی، تمایل به کمانش در قطعات.
• ساختمان اسکلت بتنی بسیار ارزان‌تر از اسکلت فلزی تمام می‌شود. چنین ساختمانی در برابر آتش‌سوزی چندین ساعت مقاومت می‌کند. بتن پس از اجرا به مراقبت خاصی نیاز ندارد و به همین دلیل محافظت از آن هزینه‌ای نخواهد داشت.
• از معایب اسکلت بتنی می‌توان به وزن بالای آن و زمان طولانی اجرای ساختمان اشاره کرد. اگر کنترل کیفیت بتن در کارگاه انجام شود، ممکن است میزان خطای محسوسی داشته باشد.