سازه های فولادی سبک ساختاری مناسب برای ساختمان سازی در مناطق زلزله زده ایران

چکیده

کلمات کلیدی: سازه سازه فولادی سبک زلزله ایران

مقدمه

طبق آمار مرکز لرزه نگاری کشوری در سه ماهه اول سال ۱۳۹۸ حدود ۲۸۸۰ زمین لرزه در ایران و نواحی مرزی ثبت و تعیین محل شده است. بزرگترین زمین لرزه ها با بزرگی بین ۴ تا ۵/۱ ریشتر در استان کرمانشاه و حوالی آن رخ داده است. علاوه بر این به طور میانگین در ایران هر ۷ سال یک زلزله قوی و دارای خسارت جانی و مالی بالا روی داده است. با توجه به خسارتهای ناشی از زلزله صنعت ساختمان سازی به منظور محافظت بهتر در برابر نیروهای لرزه ای به سمت سبک سازی و ساخت صنعتی سازه های فولادی پیش رفته است. به همین منظور سازه های سبک فولادی به عنوان یکی از بهترین راهکارهای صنعتی سازی و سبک سازی توسط مهندسین به کار گرفته شده است. این سیستم نوین ساختمانی در کشورهای پیشرفته با استقبال گسترده مواجه شده است و جایگزین سیستمهای سنتی شده است. از این سیستم می توان برای بازسازی در مناطق زلزله زده و ساختمان سازی در مناطق زلزله خیز استفاده کرد. این مطالعه با هدف مروری بر ویژگیهای سازه های فولادی سبک برای استفاده در مناطق زلزله خیز و زلزله زده انجام شد

تاریخچه

استفاده از سازه‌های فولادی سرد نورد شده یا سیستم قاب فولادی سبک (LSF)از دهه ۱۸۸۱ میلادی در صنعت ساختمان آغاز به کار نمود. با این حال در آمریکا استفاده از این مقاطع در ساختمان سازی تا نشر اولین چاپ ضوابط انجمن آمریکایی آهن و فولاد در سال ۱۹۴۱ گسترش زیادی پیدا نکرد.اولین استاندارد طراحی بر مبنای تحقیقات انجام یافته در دانشگاه کرنل از سال ۱۸۹۴ و با پشتیبانی AISI تدوین گردید. این استاندارد به تناوب توسط کمیته AISI و به منظور بازتاب پیشرفتهای فنی و نتایج تحقیقات جاری در سالهای ۱۸۸۱، ۱۹۱۱، ۱۹۱۵ و ۱۹۵۱ مورد بازبینی و تجدید نظر قرار گرفت. در سال ۱۹۴۱ اولین ضوابط مربوط به طراحی اعضای سازه ای فولاد سرد نورد شده بر اساس روش ضریب بار مقاومت توسط AISI انتشار یافت.در سال ۱۹۴۱ ضوابط مربوط به طراحی به روش تنش مجاز (ASD)و طراحی به روش ضریب بار مقاومتLRFD) در یک مدرک گردآوری گردیدند. این سیستم از سال ۱۹۴۶ در صنعت ساختمان وارد شد.اما آن زمان به دلیل اقتصادی نبودن کاربرد محدودی یافت. از سال ۱۹۹۰ میلادی به دلایل متعددی از جمله افزایش قیمت مصالح معمول و همچنین محدود بودن منابع تهیه آن مشکلات زیست محیطی و نیاز به تولید سریع و انبوه مسکن استفاده از سیستم پیش ساخته قاب فولادی سبک کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده است به طوری که امروزه این سیستم در آمریکا استرالیا ژاپن و بسیاری از کشورهای دیگر در احداث ساختمان های تجاری و مسکونی کوتاه و میان مرتبه کاربرد گسترده ای دارد. نتایج بررسی‌ها نشان می‌دهد استفاده از سیستم LSF علاوه بر این که سرعت اجرا را حداقل دو برابر مینماید منجر به کاهش ۹۱ درصدی در فولاد مصرفی خواهد شد. این سیستم 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.

معرفی

قاب فولادی سبک یکی از انواع سیستمهای نوین ساختمانی است که هر چند اخیرا نمونه‌های بلند مرتبه آن در خارج از کشور اجرا شده است اما در داخل کشور برای اجرای ساختمان‌های کوتاه مرتبه و میان مرتبه (حداکثر تا پنج طبقه) استفاده می‌شود.در این سیستم تمام اتصالات از نوع پیچ و مهره میباشد سوراخهای مربوط به اتصالات همزمان با تولید مقاطع فولادی و با دقت بسیار زیاد به وسیله دستگاه‌های مخصوص بر روی بال و یا جان مقاطع در مختصاتی که طراح تعیین کرده است در کارخانه اجرا می‌شوند.این سیستم بیشتر در آمریکای شمالی اروپا و اقیانوسیه استفاده شده است .

موارد مورد استفاده در سیستم سازه‌های فولادی LSF

سازه‌های LSF یک سیستم ساخت و ساز است که از مواد خشک تشکیل شده است.این سیستم عمدتا برای ساختمانهای مسکونی کم ارتفاع به کار می‌رود . این سیستم ساخت و ساز خشک میتواند توسط سه جزء اصلی که در دیوارها و اسلب ها (Slabs) مورد استفاده قرار می‌گیرد مشخص شود بخشهای فولادی سرد شکل گرفته شده برای تحمل بار پانلهای پوشیده شده و مواد عایق. مواد دیگری برای اتصال و مواد ضد آب هم نیاز است. بخشهای سرد شکل گرفته میتوانند با استفاده از سه فرآیند نقشه برداری drawing خم کردن (bending) و رول کردن (rolling) تولید شوند.

اجزاء تشکیل دهنده سیستم قاب فولادی سبک

سازه‌های LSF به صورت پانل تولید شده و اجزای تشکیل دهنده ی هر پانل عبارتند از:

• اعضای قائم باربر یا وادار

  اعضای عمودی در این سیستم ستونک نام دارند و بارهای قائم را به شالوده انتقال می‌دهند برخی از این اعضا که در دهانه

  مهاربندی جانبی سازه قرار می‌گیرند علاوه بر بار قائم متحمل نیروهای ناشی از بارهای جانبی نیز می‌شوند.

• – اعضای همبند قاب (ترک )

  مقاطع u شکل که به صورت افقی در سازه نصب می‌شوند را نرها هستند که وظیفه یکپارچگی و اتصال قطعات استاد به یکدیگر

  و تشکیل پانل‌های دیواری و تقویت سازه را بر عهده دارند و کشش را تحمل می‌نمایند.

  اعضای خمش سقف

  مقاطع C شکل که به صورت افقی در سازه مورد استفاده قرار میگیرند و برای بتن ریزی سقف و کف استفاده می‌شوند.

• اعضای باربر جانبی
  

  سیستم ساختمانی LSF از سه جزء اصلی شامل مقاطع فولاد فرم داده شده در حالت سرد پانل‌های گچی و پشم شیشه یا پشم سنگ شکل گرفته است. دیوارهای باربر و غیر باربر این سیستم ساختمانی از تعدادی اجزای عمومی C شکل (استاد) به فواصل ۴۰ تا ۶۰ سانتی متر که در بالا و پایین به اجزای افقی ناودانی U یا C شکل ترک (رانر) متصل شده اند تشکیل می‌شود که به شکل پانلی بارهای جانبی و عمودی را به تکیه گاه انتقال می‌دهند این استادها را معمولا از پایین و بالا به رانرها اتصال می‌دهند برای مقاومت کافی در برابر بارهای جانبی معمولا دیوارها پس از اتصال استادهای فولادی به رانرها بادبندی می‌شوند و با نصب پانل‌های گچی به شکل پانلی ساخته می‌شوند نعل درگاه در این سیستم به شکل تیر I که از دو مقطع C شکل که از پشت به هم اتصال می‌یابند تشکیل می‌شود اتصالات این سیستم به شالوده توسط کلاف افقی با مقطع C شکل انجام می‌گیرد.

   

روش‌های اجرای سازه‌‎های فولادی LSF

سه روش برای اجرای سازه های LSF موجود است که شامل مونتاژ در محل اجرا ، سیستم برافراشتن و سیستم جعبه‌ای است.

• مونتاژ در محل اجرا سازه‌های‌ فولادی
  

  در این روش مقاطع فولادی به صورت برش خورده و شماره گذاری شده به محل اجرای طرح منتقل می‌شوند و در محل اجرا با اتصالات سرد پیچ و مهره به یکدیگر متصل می‌شوند میتوان یک دیوار را به صورت افقی روی زمین اجرا کرد و سپس آن را بلند کرد و در محل خود نصب نمود این روش از دقت بالایی برخوردار است.

• سیستم برافراشتن

  در این روش ابتدا قطعه مورد نظر مانند دیوار قاب و قطعات نما در محل پروژه به صورت افقی اجرا می‌شود و سپس به وسیله جرثقیل به مکان مورد نظر حمل و در محل مورد نظر نصب می‌شود.

• سیستم جعبه‌ای

  این روش برای ساخت فضاهای ساختمانی محدود و کوچک مانند سرویس‌ها یا کانکس ها استفاده می‌شود در این روش قاب فولادی سبک به صورت جعبه‌های پیش ساخته پس از انتقال به کارگاه کنار هم چیده شده و به یکدیگر متصل می‌شوند در مرحله بعد قطعات دیواره و سقف و دیوارهای خالی اجرا می‌شوند.

نتیجه گیری

سازه‌های فولادی سرد نورد شده در طول سال‌های اخیر به طور گسترده‌ای در ساختمان سازی در بسیاری از کشورها خصوصا در مناطق زلزله خیز مانند آمریکا قسمت‌هایی از اروپا و اقیانوسیه برای تولید صنعتی انواع ساختمان‌های اداری، تجاری و مسکونی به کار می‌روند اما در ایران هنوز کاربرد محدودی دارند و به استفاده در ساخت مسکن مهر در برخی از نقاط کشور محدود شده است. کاربرد محدود این سازه باعث شده بین عامه مردم این تصور ایجاد شود که این سازه ها صرفا مناسب افراد کم درآمد است و شاید صرف هزینه کمتر برای ساخت آن دلیل بر عدم کارایی است در حالیکه چنین برداشتی کاملا نادرست است هزینه اثر بخشی مقاومت در مقابل زلزله مقاومت در مقابل سرما و گرما و دوستدار محیط زیست بودن بخشی از مزایای استفاده از این سازه‌ها در مقایسه با سازه‌های سنتی است. مسئولان بایستی استفاده از این نوع سازه را با توجه به ویژگیها و فواید برشمرده شده برای آن در اولویت برنامه های ساخت و ساز خصوصا برای مناطق زلزله زده و زلزله خیز قرار دهند همچنین از سازمان نظام مهندسی انتظار می‌رود. مشخصات مطلوب و مقررات مناسب برای ساختمان سازی در مناطق زلزله زده با استفاده از این سازه‌ها را تدوین و در دستور کار قرار دهند.