بررسی سازه های LSF از نظر کیفیت، زمان و هزینه

چکیده

هر چند استفاده از اعضای فولادی سرد نورد شده از دهه ۱۸۵۰ میلادی آغاز گردید اما استفاده از آن تا انتشار اولین ضوابط انجمن آمریکایی آهن در ۱۹۴۰ گسترش زیادی پیدا نکرد. امروزه به دلیل کیفیت مناسب ساخت و سرعت بالا و مقاومت مناسب در برابر زلزله از آن در کشورهای توسعه یافته به عنوان جایگرین مناسبی برای روش‌های سنتی ساخت ارایه و کاربرد وسیع آن آغاز شده است. در این مقاله بررسی کاربرد سیستم سازه‌ای قاب فولادی سبک (LSF) و نقش آن در سبک سازی سازه ها در قیاس با سیستم‌های رایج ساخت و ساز در کشور ارایه شده است. سیستم LSF در سالیان اخیر به شکل گسترده و در تولید صنعتی انواع ساختمان‌های اداری تجاری و مسکونی بکار گرفته شده است. نتایج این بررسی‌ها نشان می‌دهد استفاده از سیستم LSF به دلیل دارا بودن قابلیت‌های کاهش تغییر مکان نسبی کاهش وزن سازه تا حدود ۴۰ درصد نسبت به سیستم فلزی رایج کاهش مصرف بتن تا حدود ۶۰ درصد نسبت به سازه‌های بتنی رایج و ۳۰ درصد نسبت به سیستم فلزی رایج دارای عملکرد مناسب لرزه ای و قابلیت بسیار مناسب و در عین حال ایمن می‌باشد که استفاده صحیح همراه با بومی سازی آن و آموزش این سیستم در بخشهای مختلف تصمیم گیری از جمله مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن توصیه می‌شود.

واژه های کلیدی: سازه های سبک فولادی ، LSF ، فولاد سرد نورد شده، انواع سیستم قاب ساختمانی

مقدمه

 در ساختمان‌های رایج، علیرغم طراحی مناسب سازه، معمولاً اجرای آنها از کیفیت مناسبی برخوردار نمی‌شود. رفتار واقعی سازه در مواقع سرویس دهی با طراحی متفاوت است و این نیاز به نظارت دقیق بر کیفیت اجرا و تطبیق با جزئیات محاسبه شده را ضروری می‌کند. ساختمان‌های پیش‌ساخته در کارخانه، به دلیل طی نمودن مراحل کنترل کیفیت و تولید مطابق با نقشه‌های محاسباتی، در مواقع سرویس دهی با رفتار مناسبی مواجه خواهند بود. در این بین، قاب‌های سبک فولادی (LSF) با کیفیت ساخت کارخانه‌ای و اتصالات ساده، از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. نیاز روزافزون کشور به افزایش زیربنای مسکن، آموزش، تسهیلات بهداشتی درمانی، رفاهی، تاسیسات صنعتی و تجاری، نیازمند استفاده از روش‌های جدید در ساختمان‌سازی است. این روش‌ها باعث کاهش زمان ساخت و هزینه با حفظ کیفیت مطلوب می‌شوند. سیستم ساختمانی سریع با ساخت سریع و بررسی‌های فنی و اقتصادی جامع طراحی و معرفی شده است.

سیستم‌های ساختمانی این نوع در زلزله‌های شدید نیروی جانبی کمی دریافت می‌کنند و به دلیل دو خاصیت ویژه، یعنی پیش‌ساخته بودن اعضای سازه و عایق حرارتی مناسب، در کشورهای پیشرفته به عنوان گزینه‌ای برای ساخت منازل مسکونی استفاده می‌شوند. در حالی که در سازه‌های سبک فولادی، به دلیل پیش‌ساختگی و سهولت اجرا، مشکلات زیادی در اتصالات وجود ندارد و اجرای سازه با تطابق بیشتری با طراحی نرم‌افزاری انجام می‌شود.

سازه‌های فولادی سبک یا LSF، یکی از سیستم‌های نوین ساختمانی است که معمولاً برای ساخت ساختمان‌های با طبقات محدود تا ۸ طبقه استفاده می‌شود. این سیستم از ورق‌های فولادی نورد شده برای تأمین پایداری ساختمان، صفحات و تخته‌های گچی به عنوان پوشش درونی، و قطعات دیواره خارجی به عنوان نما تشکیل شده است. این سیستم قابلیت ترکیب با سیستم‌های سازه‌ای دیگر را دارد و با استفاده از آن می‌توان وزن سازه را تا پنجاه درصد کاهش داد، که این امتیاز بزرگترین مزیت آن در مقابل زلزله است.

در این راستا، تحقیقات مختصری در زمینه سازه‌های سبک فولادی انجام شده و مزایا و محاسن استفاده از این سیستم مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین، برخی از معایب مرتبط با استفاده از این فناوری در صنعت ساختمان مورد ارزیابی قرار گرفته و راه‌کارها و ضرورت‌های گسترش آن در ایران بررسی شده‌اند. در پایان، با مقایسه نتایج حاصل از طراحی پروژه‌های مختلف با استفاده از سیستم‌های مختلف، نیازمندی‌های کشور در زمینه ساختمان‌سازی بررسی شده و تفاوت‌های این سیستم با روش‌های سازه‌ای رایج مورد نقد و بررسی قرار گرفته‌اند.

تاریخچه سیستم قاب فولادی سبک LSF

این صنعت ابتدا در ساخت پل‌ها، هواپیما سازی و اتومبیل سازی با استفاده از خم کردن ورقه‌های نازک سرد استفاده می‌شد. تا سال ۱۹۲۰ هنوز برای استفاده در ساختمان به صورت هاله‌ای از ابهام بود در سال ۱۹۳۳ در نمایشگاه بین المللی عصر پیشرفت در شیکاگو طراحی به نام هوارد فیشر معمار و مجری این طرح بود سیستم LSF به دلیل مزایای فراوان از جمله سرعت و کیفیت بالای ساخت و عملکرد لرزه ای مناسب در سال‌های اخیر در بسیاری از کشورهای دنیا رواج قابل توجهی یافته است. استفاده از سیستم LSF در سال ۱۹۴۶ در صنعت ساختمان وارد شد از سال ۱۹۹۰ به دلایل زیاد از جمله افزایش قیمت چوب و محدود بودن منابع تهیه آن مشکلات زیست وسیعی یافت به طوری که امروزه این سیستم در آمریکا، کانادا، استرالیا ژاپن و بسیاری از کشورهای دیگر در احداث ساختمانهای تجاری و مسکونی کوتاه مرتبه کاربرد زیادی دارد.

شرح سازه های سبک فولادی سرد نورد شده و مراحل اجرای سازه

به صورت اجرایی LSF موسوم به Light Weight Steel Frame ساختمان‌های پیش ساخته فولادی سبک خشک و عمدتا با استفاده از اتصالات پیچی و به روش تولید صنعتی به کار گرفته می‌شود سیستم‌های قاب فلزی سبک متشکل از مقاطع فولادی سرد نورد شده CFS از ورق گالوانیزه به شکل Stude C و به شکل Runner U به عنوان ستونک ها و تیرک‌ها است که ضخامت ورق‌های گالوانیزه برای تولید ۱/۲ تا ۳/۲ میلی متر می‌باشد و در عرض ۱/۵ متر به صورت رولی در کارخانجات بوسیله غلطک هایی به شکل نواری عبور داده میشود علیپور باغی و همکاران ۱۳۹۳ نمونه ای از سازه LSF اجرا شده در شکل (۱) نشان داده شده است.

اجزای تشکیل دهنده سیستم LSF

سیستم ساختمانی LSF از سه نوع مصالح شامل فولاد فرم داده شده در حالت سرد، پانل‌های گچی، و پشم شیشه یا پشم سنگ تشکیل شده است. این اجزاء به شکل پانل‌های باربر و غیر باربر معروف به استادها و رانرها اتصال می‌یابند. دیوارهای باربر بارهای عمودی و جانبی ساختمان را به تکیه‌گاه منتقل می‌کنند و همچنین بارهای جانبی نظیر باد و زلزله را جذب می‌کنند. دیوارهای غیر باربر معمولاً برای جداسازی فضاهای داخلی بنا استفاده می‌شوند.

در این سیستم، استادهای فولادی به رانرهای فولادی بادبندی شده و با نصب پانل‌های گچی به شکل پانلی ساخته می‌شوند. این روش با اضافه کردن بادبند، مقاومت در برابر بارهای جانبی نظیر باد و زلزله را بهبود می‌بخشد. نصب نعل درگاه‌ها به شکل تیر و از دو مقطع C شکل پشت به پشت چسبیده شده باعث تشکیل و ساخته می‌شود. استفاده از استادهای Kingstuds درجهت نصب و اجراء استفاده می‌شود.

موسسه سوئدی ۵ SBI سه روش اجرائی برای جلوگیری از انتقال صدا بین واحدهای آپارتمانی به شرح ذیل معرفی کرده است:

• دیوارهای جداکننده با دو قاب جدا از هم.
• دیوارهای جداکننده با رانرهای عریض تر از استادها ( استادها یکی در میان در دو سمت از رانرها کار گذاشته می‌شوند.)
• دیوارهای با استادهای آکوستیکی.

بررسی خصوصیات سازه های LSF

اغلب مصالح مورد استفاده در سیستم سازه های فولادی سبک قابل بازیافت بوده و ۱۰۰ درصد مصالح پرتی که در طول

ساخت سیستم ایجاد میگردد قابل بازیافت می باشد.

 انعطاف پذیری

این مقاطع می‌توانند به صورت اعضای تکی و یا اینکه به صورت پانلهای آماده شده در کارخانه به سایت منتقل گردند. تنوع ضخامت و ابعاد مقاطع جدار نازک امکان انعطاف پذیری زیادی را در مرحله طراحی ایجاد مینمایند به عنوان نمونه در طراحی یک سیستم خاص که ارتفاع تیرچه ها باید محدود باشد بدون اینکه فواصل المان‌های کف و یا دیوار را تغییر داد میتوان با تغییر ضخامت مقطع جدار نازک این محدودیت را برآورده نمود.

 دوام

در مقاطع فولادی جدار نازک جمع شدگی و تغییر شکل و کج شدگی مقطع وجود نداشته و لذا مشکلات ایجاد شده برای پانل‌های چوبی و پانل‌های گچی متصل شده به این اجزای فلزی نیز به حداقل ممکن کاهش خواهد یافت. همچنین فلز یک ماده غیر اورگانیک بوده و بنابراین در مقابل رطوبت و هجوم حشرات مقاوم بوده و چرخش کج شدگی جدادگی ترک و خزش در آن ایجاد نخواهد شد.

وزن سبک

مقاطع فولادی جدار نازک بدلیل سبک بودن به راحتی قابل حمل و جابجایی در محل کارگاه بوده و لذا هزینه مربوط به کارگر را کاهش داده و نیز باعث خستگی مفرط نمی‌گردد بدلیل اینکه فلز ماده ای است که در مقایسه با مصالح اورگانیک در مراحل پروسه مختلف شکل میگیرد بنابراین مقاطع کاملاً صاف و هم شکل بوده و دارای کیفیت یکسانی می‌باشند.

 مقاوم در برابر آتش

مقاطع فولادی مصالح غیر قابل اشتعال میباشند. این مصالح نمی‌سوزند و باعث گسترش حریق در فضاهای مختلف ساختمان نمی‌گردند. بنابراین مالکان می‌توانند هزینه بیمه کمتری را برای بیمه نمودن ساختمان در برابر آتش بپردازند.

 مقاومت (Strength)

مقاطع فولادی جدار نازک سرد نورد شده در مقایسه با دیگر مصالح ساختمانی دارای بالاترین نسبت مقاومت به وزن می‌باشند

انعطاف در طراحی

برای وجود تنوع زیاد در شکل مقاطع فولادی جدار نازک و اجزایی که برای تکمیل این سیستم ساختمانی تولید می‌گردد. امکانات نامحدودی را برای طراح جهت ارائه ایده های مختلف طراحی ایجاد می‌نماید. لذا طراح میتواند از این سیستم در انواع پروژه های ساختمانی با کاربری‌های متنوع بدون نیاز به تولید مقاطع و مصالح خاص استفاده نماید.

تنوع در مصالح نما (Variety of Finishes)

سطح بیرونی ساختمان با سیستم LSF می‌تواند با انواع پوشش‌های نمایی که معمار میخواهد پوشش داده شود. از نماهای قابل استفاده میتوان به مصالح بنایی و آجر انواع سنگ‌های نما نماهای آلومینیومی نماهای چوبی مصالح سرامیکی نمای پی وی سی و… اشاره نمود.

 برآورده نمودن الزامات استانداردهای مربوط به عملکرد ساختمان

سیستم سازه‌های فولادی سبک به راحتی میتواند بالاترین ضوابط استانداردهای مربوط به طراحی سازه انرژی مقاومت در برابر آتش و عملکرد صوتی را برآورده نماید عدالتی و همکاران ۱۳۹۳ نمونه هایی از سازه LSF اجرا شده اتصالات بادبند در شکلهای (۳) و (۴) نشان داده شده است.

مقایسه موردی سازه های LSF با دیگر روش‌های موجود

به منظور مشخص شدن تفاوت‌های سیستم LSF با سیستم‌های سنتی رایج در کشور در ساخت ساختمان‌های کوتاه مرتبه و میان مرتبه در این قسمت نتایج حاصل از چندین پروژه ی مختلف با استفاده از سیستم سازه فولادی معمولی سازه بتنی و سیستم LSF به دست آمده و با یکدیگر مقایسه می‌شوند پروژهای انجام شده شامل انواع ساختمان‌هایی است که بتوانند مثال مناسبی از انواع ساختمانهای کوتاه متوسط مرتبه باشند. بدین منظور از نتایج حاصل از محاسبات و طراحی سه ساختمان دو طبقه سه طبقه و پنج طبقه که با استفاده از سه سیستم مختلف طراحی و اجرا شده اند استفاده شده است. در جدول (۱) مشخصات پروژه‌های طراحی شده ملاحظه می‌شود.

استفاده از سیستم LSF در ساخت انواع ساختمانهای ۲ و ۳ و ۵ طبقه مسکونی به دلیل مزایای فراوان از جمله سبک بودن اقتصادی بودن مصرف کم مصالح ساختمانی افزایش فضای مفید داخلی عملکرد صوتی مطلوب و اتلاف کم انرژی در بسیاری از کشورهای دنیا مرسوم می‌باشد ساختمان مسکونی دو طبقه مورد بحث دارای مساحت زیربنای ۹۲ متر مربع در هر طبقه است که در منطقه ی با خطر لرزه خیزی زیاد قرار دارد این ساختمان با استفاده از روش‌های مورد نظر در این مقاله طراحی شده و نتایج حاصل از روش‌های مختلف ساخت با یکدیگر مقایسه شده است.

نتایج به دست آمده از بررسی طراحی صورت گرفته و محاسبات این پروژه در جدول ۳ ارائه شده است. لازم به ذکر است که در محاسبه ی مقادیر مندرج در جدول شماره (۲) مصالح به کار رفته در شالوده ی ساختمان نیز در نظر گرفته شده است. همان طور که ملاحظه می‌شود استفاده از سیستم LSF منجر به کاهش قابل ملاحظه در وزن نیروی زلزله مصالح مصرفی و زمان صرف شده برای ساخت ساختمان شده است.

در جداول (۳) و (۴) به ترتیب نتایج بدست آمده از مقایسه ویژگی‌های سیستم LSF با سیستم ساختمانی بتنی و فولادی سه و پنج طبقه ارائه شده است.

مقایسه اقتصادی سیستم LSF با سیستم های اسکلتی رایج در کشور

در این قسمت مقایسه اقتصادی از سیستم LSF با سیستم‌های سنتی ساخت ارائه شده است با توجه به برخی مزایای ارائه شده برای سیستم LSF در قسمت قبل از جمله سرعت در اجرای سیستم سهولت در نصب سیستم‌های تاسیساتی زمان کم توقف و پیش ساخته بودن به طور کلی استفاده از این سیستم منجر به کاهش ۰/۸۱ در زمان ساخت سیستم خواهد شد. در جدول ۵ زمان لازم برای ساخت سیستم سنتی و سیستم LSF با یکدیگر مقایسه شده است.

همان طور که در مقدمه اشاره شد استفاده از سیستم LSF منجر به کاهش قابل ملاحظه در میزان مصالح مصرفی برای ساخت می‌گردد. در نمودار (۱) و (۲) به ترتیب مقدار فولاد و بتن در سیستم‌های مختلف با یکدیگر مقایسه شده است.

همچنین در نمودار (۳) هزینه ساخت سیستم‌های مختلف با یکدیگر مقایسه شده است. کاهش هزینه نیروی کار نیاز کم به تجهیزات هزینه های بهره برداری کمتر نسبت به دیگر سیستم‌ها نیاز کمتر به استفاده از مصالح و قابل بازیافت بودن مصالح ساختمانی در سیستم LSF از جمله دلایلی است که سبب میشود هزینه ساخت سیستم LSF نسبت به دیگر سیستم ها کاهش یابد.

نتایج بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهند که میزان برش پایه در سیستم LSF در مقایسه با سیستم بتن مسلح ۵۵/۵ درصد و در مقایسه با سیستم فلزی ۳۸/۱ درصد کاهش می‌یابد میزان بیشترین تغییر مکان مرکز جرم پشت بام در سیستم LSF در مقایسه با سیستم بتن مسلح ۵۶/۲ درصد و در مقایسه با سیستم فلزی ۳۸/۱ درصد کاهش می‌یابد. میزان وزن کل ساختمان در سیستم LSF در مقایسه با سیستم بتن مسلح ۷۲/۸ درصد و در مقایسه با سیستم فلزی ۵۸/۷ درصد کاهش می‌یابد میزان وزن اسکلت ساختمان در سیستم LSF در مقایسه با سیستم بتن مسلح ۷۲/۴ درصد و در مقایسه با سیستم فلزی ۵۵/۸ درصد کاهش می‌یابد میزان بتن مصرفی در سیستم LSF در مقایسه با سیستم بتن مسلح ۷۸/۹ درصد و در مقایسه با سیستم فلزی ۵۶ درصد کاهش می‌یابد. مقدار فولاد و آرماتور مصرفی در سیستم LSF در مقایسه با سیستم بتن مسلح ۷۸/۹ درصد و در مقایسه با سیستم فلزی ۵۶ درصد کاهش می‌یابد مقدار فولاد و آرماتور مصرفی در سیستم LSF در مقایسه با سیستم بتن مسلح ۲۴/۵ درصد و در مقایسه با سیستم فلزی ۵۴/۳ درصد کاهش را به همراه دارد.

نتیجه گیری

امروزه از فناوری‌های مختلف به منظور ایجاد آسایش امنیت بیشتر و صرفه جویی در هزینه‌ها به خصوص در مصرف منابع انرژی بهره های فراوان برده می‌شود از بررسی انجام شده در قسمتهای قبل و مقایسه صورت گرفته بین سیستم LSF با دیگر سیستم‌ها نتایج زیر به دست می‌آید:

• استفاده از مقاطع سرد نورد شده فولادی مزایای زیادی به دنبال دارد که از مهم ترین آنها می‌توان به مواردی چون تولید راحت این مقاطع بدون نیاز به استفاده از عملیات حرارتی عدم وجود تنش‌های حرارتی پسماند در مقاطع امکان ایجاد مقاطع با شکل‌های متنوع و دلخواه جهت دستیابی به حداکثر بازده مقاومتی ممکن در مقطع سبک بودن مقاومت و سختی بالا دقت بالا در اجرای جزئیات و نصب سریع و آسان اشاره نمود.
• تلاش در جهت ترویج بکارگیری این نوع ساخت و سازها می‌تواند راهکاری برای صنعتی کردن ساختمان سازی باشد و این تاثیر بسیاری در تقلیل مصرف مصالح ساختمان و انرژی نیز می‌گذارد. صنعت ساختمان سازی کشور می‌باید توجه خاصی به این سیستم نموده و از پتانسیل‌های متعدد آن برای پاسخگویی به فن آوری مورد نیاز از آن جمله برای ساخت دیوارهای دو جداره بهره برداری مناسب بنماید.
• از جداول مورد بررسی در قسمت‌های مختلف چنین بر می آید که استفاده از این نوع ساخت و ساز نیازمند توجهات زیادی به بخش خاصی از سازه مورد نظر است از جمله میتوان به اهمیت بالای اتصالات در سازه های سرد نورد شده اشاره کرد.
• نتایج این بررسی‌ها نشان میدهد استفاده از سیستم LSF به دلیل دارا بودن قابلیت‌های کاهش تغییر مکان نسبی کاهش وزن سازه تا حدود ۴۰ درصد نسبت به سیستم فلزی رایج کاهش مصرف بتن تا حدود ۶۰ درصد نسبت به سازه های بتنی رایج و ۳۰ درصد نسبت به سیستم فلزی رایج دارای عملکرد مناسب لرزه ای می‌باشد.

پیشنهادات

بهره گیری از روشهای علمی فناوری‌های نوین و مصالح جدید یکی از ضرورت های اساسی جهت ارتقاء کیفی صنعت ساختمان در کشور به شمار می‌رود نیازهای کمی و کیفی ساختمان طی دهه‌های گذشته نشان می‌دهد که بهترین راهکارهای تحقق اهداف مسکن برای اقشار مختلف جامعه به کارگیری روشهای نوین در احداث ساختمان است. یکی از روش های اجرای ساختمان‌ها استفاده از مقاطع فلزی جدار نازک LSF در اسکلت ساختمان می‌باشد که نه تنها امکان تولید صنعتی آن وجود دارد بلکه سبک بودن سیستم باعث کاهش نیروها در هنگام زمین لرزه خواهد شد.