سبک سازی سازه فولادی با فولاد سرد نورد شده
سبک سازی سازه فولادی
انتخاب سبک سازی سازه فولادی ساختمان به عنوان روشی تجربه شده و نظام مند جهت نیل به این هدف مورد نظر عوامل دخیل در ساختمان سازی بوده است. دستیابی به گزینه ای که علاوه بر رعایت مقررات ملی و ضوابط فنی از مشخصه سرعت و دقت کافی در اجرا برخوردار باشد مطلوب و مناسب با نیازهای رو به افزایش مسکن است.
از میان سیستم های ساختمانی برخی متناسب و همخوان با روشهای تولید صنعتی بوده و مؤلفه های اجرایی آنها در بستر مزبور توسعه یافته است. یکی از سیستمهای ساختمانی که در سالیان اخیر توسعه مناسبی در سطح جهانی داشته است. سیستم ساختمانی فولادی سبک سرد نورد شده میباشد.
در ساختمانهای رایج سازه علیرغم طراحی پیشرفته معمولا از اجرای ضعیفی در ایران برخوردار است به این معنی که رفتار واقعی سازه در مواقع سرویس دهی با آنچه طراحی شده کاملا متفاوت است. لذا نظارت دقیق بر کیفیت اجرا و تطبیق با جزییات محاسبه شده امری کاملا ضروری میباشد.
از این رو ساختمانهای پیش ساخته شده در کارخانه به دلیل طی نمودن مراحل کنترل کیفیت و تولید مطابق با نقشه های محاسباتی رفتار مناسب در موقع سرویس دهی خواهد داشت.
در این بین قابهای سبک فولادی (LSF) با کیفیت ساخت کارخانه ای و اتصالات ساده مطمئن مستحکم و سریع از اهمیت ویژه ای برخوردار میباشند.
همچنین نیاز روز افزون کشور به سطح زیربنای بیشتر در امر مسکن آموزش تسهیلات بهداشتی درمانی رفاهی تأسیسات صنعتی و تجاری که عمدتا از افزایش جمعیت و توسعه ناشی می شود.
ایجاب مینماید که از روشهای جدیدی در ساختمان سازی استفاده گردد. در این روشها علاوه بر کاهش زمان ساخت با صرفه جویی در مصرف مصالح ساختمانی سنتی هزینه ساخت نیز با حفظ کیفیت مطلوب کاهش می یابد به منظور دستیابی به اهداف فوق سیستم ساختمانی ساخت سریع با بررسیهای فنی و اقتصادی جامعی که در آن امکانات و شرایط موجود در نقاط مختلف کشور منظور گردیده است طراحی شده و به عنوان سیستم ساختمانی سریع معرفی میگردد.
این سازه از ورقهای فولادی نورد شده برای تامین پایداری ساختمان، صفحات و تخته های گچی به عنوان پوشش درونی و قطعات دیواره خارجی به عنوان نما تشکیل شده است. این سیستم توانایی ترکیب با سیستمهای سازه ای دیگر را دارا میباشد. استفاده از این سیستم وزن سازه را تا پنجاه درصد کاهش میدهد و این بزرگترین امتیاز در برابر زلزله میباشد. این سیستم که شباهت زیادی به روشهای ساخت ساختمانهای چوبی دارد.
بر اساس کاربرد اجزایی به نام استاد (Sud) یا وادار و تراک (Track) با رانر شکل گرفته است و از ترکیب نیمرخ های فولادی گالوانیزه سرد نورد شده ساختار اصلی ساختمان برپا می شود.
با وجود مزایای استفاده از سازه های فولادی سبک و استفاده روز افزون از این روش در کشورهای پیشرفته متاسفانه در کشور ما ایران مورد غفلت واقع شده است و به صورت انحصاری اغلب در ساختن ویلاها و ساختمان های غیر ضروری از این روش استفاده میشود. رواج استفاده از این نوع سیستم در بخش ساختمانهای متعارف شهری یک ضرورت محسوب میشود که موضوع این پژوهش را شامل میشود.
همچنین سیستم قاب سبک فولادی یک سیستم ساختمانی است که برای اجرای ساختمانهای عمدتا کوتاه مرتبه و میان مرتبه حداکثر تا ۵ طبقه استفاده میشود و یکی از سیستمهای ساختمانی مورد قبول از منظر باربری ثقلی و جانبی مهندسان عمران در کشورهای توسعه یافته و مدرن میباشد که در سرزمین پهناور ما ایران مانند بعضی از کشورها محدودیت ساخت افقی شهری ندارد و با توجه به وسعت سرزمینی میتوان از این نوع سازه ها به راحتی استفاده کرد.
نیاز گسترده و روزافزون جامعه به ساختمان و مسکن ضرورت استفاده از سیستمهای ساختمانی و مصالح جدید به منظور افزایش سرعت ساخت سبک سازی افزایش عمر مفید و نیز مقاوم نمودن ساختمانها در برابر زلزله را بیش از پیش مطرح ساخته است. در این راستا ارتقاء سطح علمی و تخصصی جامعه مهندسی کشور و اشنایی با سیستم ها و مصالح جدید ساختمانی امری اجتناب ناپذیر میباشد.
حل مشکلاتی نظیر زمان طولانی اجراء عمر مفید کم و با هزینه زیاد اجرای ساختمانها در بخش مسکن نیازمند ارائه راهکارهایی به منظور استفاده عملی از سیستم های ساختمانی نوین و مصالح ساختمانی جدید جهت کاهش وزن کاهش زمان ساخت، دوام بیشتر و نهایتا کاهش هزینه اجرا میباشد. این اقدامات در دراز مدت موج بهینه سازی ساخت افزایش تولید مسکن در کشور و رسیدن به شرایط اجرایی مطلوب خواهد شد.
کشور ما در حال حاضر نیاز به ساخت سالیانه یک و نیم میلیون واحد مسکونی دارد با توجه به جوان بودن کشور ما و کمبود شدید مسکن استفاده از روشهای سنتی دیگر نمیتواند پاسخ گوی نیازهای جامعه باشد و برای تأمین مسکن کشور چاره ای جز حرکت به سمت صنعتی سازی وجود ندارد. در حال حاضر حدود 2 یا 3 در تولید مسکن به روش صنعتی سازی انجام میگیرد که با توجه به جوان بودن کشور ما این مقدار باید در آینده حداقل به 30 درصد برسد. سیستم قاب فولادی سبک یکی از بهترین روشهای ساخت و ساز در مقایسه با روشهای سنتی می باشد.
در تحقیق حاضر سازه های سبک فولادی بر اساس نشریه ۱۶۲ تحلیل و طراحی شده و از بابت ضوابط طراحی بررسی و نسبت به سازه های بتنی و فولادی مقایسه شده و محدودیت طراحی و اجرای سازه های سبک فولادی بررسی و مقایسه شده است.
در این پژوهش یک ساختمان مسکونی متعارف شهری تا ۴ طبقه را با استفاده از سیستم سازه ای سبک فولادی طراحی خواهد شد که در آن شرایط و ضوابط آئین نامه ها مانند پارکینک به نسبت واحدها) رعایت شده باشد. بطوری که موجب راهنمایی کلی برای دانشجویانی که میخواهند در این عرصه فعالیت کنند بشود.
همچنین مشخص خواهد شد که با توجه به اندازه ی دهانه ها چه المان تیری در چه فاصله ای قرار گیرد تا سازه بتواند پایداری خود را حفظ کنند.
سیستم ساختمانی فولادی سبک سرد نورد شده از جمله سیستمهایی است که گرچه پیدایش آن ریشه در دغدغه های زیست محیطی و به تبع آن تعریف گزینه جایگزین برای ساختمانهای چوبی داشته است.
اما به تدریج جایگاه ویژه ای در میان سیستم های دارای ظرفیت تولید صنعتی یافته است. همگام با میل به توسعه صنعتی سازی ساختمان در کشور انجام پروژه های تک سازی و انبوه سازی با قطعات فولادی سبک سرد نورد شده نیز رواج یافته و با توجه به ظرفیت بالای تولید فولاد در کشور و مزیتهایی همچون انعطاف بالا وزن کم سازه و متعلقات و روش تولید سریع باعث شده است که ساختمانهای فولادی سبک سرد نورد گزینه ای قابل اعتنا در صنعت ساختمان سازی کشور شود. در این فصل به آیین نامه های موجود و تحقیقات انجام گرفته در این موضوع پرداخته شده است.
تاریخچه و دلایل به کارگیری سیستم های (LSF)
فولاد فرم داده شده در حالت سرد یا CES از سال ۱۸۵۰ در کشور انگلستان و آمریکا با به کارگیری در ساخت لوازم اتومبیل آغاز شد ولی تا قبل از جنگ جهانی اول در ساختمان سازی بکار گرفته نمیشد. از سال ۱۹۳۰ به بعد با بکارگیری قطعات فولادی LSF در ساختمانهای تجاری و صنعتی شروع شد اما به دلیل ارزانی چوب نتوانست با آن به عنوان سیستم رایج مسکن سازی رقابت اقتصادی کند.
از سال ۱۹۹۰ گران شدن چوب و مطرح شدن مشکلات زیست محیطی در صنعت ساختمان سازی سبب گردید که سیستم ساختمانی LSF که با استفاده از قطعات فولاد CFS از نوع گالوانیزه بر پا می گردد. برای ساخت واحدهای مسکونی بکار گرفته شود. این سیستم ساختمانی تا به حال توانسته در کشورهای مختلفی گواهینامه ساخت در چند طبقه دریافت نماید و از جمله در ایران فعالیتهای گسترده ای در این حوزه مخصوصا در شهر پرند و تهران انجام پذیرفته است.
بکارگیری سیستم ساختمانی LSF برای ساخت و ساز مسکن بعد از جنگ جهانی دوم در استرالیا هم آغاز شد. در صورتی که پیش از آن ساخت و ساز مسکن عمدتا با استفاده از قاب چوبی انجام می شد. در ادامه تحولات ساختمانی در آمریکا در این کشور نیز تحولاتی صورت گرفت که عمده آن به کارگیری این سیستم در کشور استرالیا بود.
این سیستم به دلیل سرعت بالا و مقاوم توانست رشد قابل توجهی در صنعت سازه کشور استرالیا داشته باشد و هم اکنون بهترین ماشین آلات رول فرم دنیا در انحصار آن کشور قرار دارد در کشور سوند چوب رایج ترین مصالح ساختمانی بود اما به دلیل کاهش متوسط عمر درختان از دهه ۹۰ سازندگان ساختمان اقدام به جایگزین کردن سیستم LSF در آن کشور کردند. در حال حاضر در کشور هلند نیز سیستم LSF در ساخت سازه های مسکونی و مدارس نقش عمده ای دارد.
در سال ۱۹۸۹ بنیاد تحقیقات ساختمان هلند SBR پتانسیل استفاده از سیستم LSF را برای خانه سازی مورد بررسی قرار داد و نتیجه بررسیها مشخص نمود که به کارگیری این سیستم ساختمانی تسهیل در طراحی و فواید زیست محیطی را به دنبال دارد ولی کمی گران تر از سازه های چوبی است در کشور فرانسه هم در سالهای اخیر این سیستم سبک به شکلی محدود به جای سیستمهای فولادی و بتونی قرار گرفته است در کشور کرد.
اجر و بتن تا سال ۱۹۹۶ به عنوان مصالح اصلی در ساخت و ساز بودند و در ساختمانهای بلند مرتبه از سیستم های بتن درجا استفاده میشد تا در فوریه سال ۱۹۹۶ شرکت POSCO برای اولین بار استفاده از سیستم LSF را در شهر فوانگ با احداث ۷۰۰ ویلای دو تا پنج طبقه شروع نمود.
در سال ۱۹۹۵ داویس و همکاران استفاده از فولاد جدار نازک را در ساختمانهای مدولار کوتاه و متوسط بررسی کرده اند.
در سال ۱۹۹۶ سرته و همکاران عملکرد دینامیکی دیوارهای برشی را در قابهای سبک فولادی مورد بررسی قرار داده اند. در همان سال داویس و همکاران رفتار برشی اتصالات فشرده را در سازه های با قاب سبک فولادی بررسی کرده اند.
در سال ۱۹۹۷ درایور و همکاران رفتار لرزه ای را در دیوارهای برشی فولادی مورد بررسی قرار داده اند. در سال ۱۹۹۸ پی وکیتی مقاومت برشی را در اتصالات فشرده فولادی مورد بررسی قرار دادند.
در همان سال لنون و همکاران به مقایسه تعدادی از اتصالات مکانیکی در فولاد سرد نورد شده پرداختند. همچنین در همان سال الکالی و همکاران نیز به تحلیل رفتار دیوارهای برشی فولادی نازک پرداختند.
در سال ۱۹۹۹ لاوسون ساخت مدولار را با استفاده از قاب سبک فولادی بررسی کرده است. در سال ۲۰۰۰ اوبل و همکاران عملکرد دیوارهای برشی سخت نشده را تحت بارگذاری متناوب بررسی کرده اند. در سال ۲۰۰۴ دوبینا به بررسی عملکرد پانلهای برشی دیوارهای استادی سرد نورد تحت بارگذاری یکنواخت و متناوب پرداخته است.
در همان سال تیان و همکاران به بررسی مقاومت گسیختگی و سختی قابهای دیوارهای فولادی سرد نورد پرداخته اند. در سال ۲۰۰۵ پاستور و رودریگز به مدل سازی پسماند دیوارهای برشی با مهاربندی ضربدری شکل در دیوارهای نازک سازه ها پرداخته اند. در همان سال الخراط و راجرز مدل آزمایشگاهی قاب فولادی سبک که به وسیله دیوارهای مهاربندی تقویت شده پرداخته اند.
در سال ۲۰۰۶ ولکوویچ و یوهانسون مدل طراحی سنتی در دیوارهای با صفحات کچی تک لایه و منبسط شونده با دولایه که در مقابل آتش مقاوم میباشند را بررسی نموده اند.
کور کلوسکی یک روش ساده را برای محاسبه شاخص بو والوو در قابهای سبک ارایه نموده است. این روش جدید بر اساس تحقیقات انجام شده به وسیله بازگشت به اصول اولیه در استفاده از مدل سازی المان محدود در تحلیل سیالهای حرارتی در میان ساخت قاب سبک میباشد. کا سافت و همکاران آزمایشات آزمایشگاهی گردها را در طراحی لرزه ای سازه های سبک پرداخته اند.
بلاژ به بررسی آزمایشگاهی و تحلیلی پانل دیوارهای برشی ۹ میلی متری قاب فولادی سبک پرداخته اند. دبینا و همکاران عملکرد لرزه ای خانه های با قاب سبک فولادی بررسی کرده اند. لاندولفو و همکاران به مطالعه آزمایشگاهی و نظری عملکرد لرزه ای قابهای سبک فولادی نورد سرد شده در ساختمانهای کوتاه پرداخته اند. رکاس پانل دیوارهای برشی فولادی سبک را مورد آزمایش قرار داده است.
در سال ۲۰۰۷ فیورینو و همکاران آزمایشاتی را بر روی اتصالات پیچ شده میان پانلهای بر پایه گچ با چوب و پروفیلهای استد در خانه سازی با قاب سبک فولادی انجام داده است.
در همان سال هانگ و همکاران به بررسی آزمایشهای متناوب اتصالات پیچی قاب خمشی فولادی ویژه سازه های نورد سرد شده پرداخته اند. در این نمونه ها پاسخ سه مود گسیختگی گسیختگی اتصالات کمانش بال و کمانش ستون مورد بررسی قرار گرفته است.
در همان سال لاندولفو و همکاران پاسخ لرزه ای قابهای فولادی نورد سرد را در ساختمانهای کوتاه مورد بررسی قرار داده اند در سال ۲۰۰۸ رونق و مقیمی به بررسی مدهای گسیختگی سیستمهای مختلف و ضرایب موثر محاسباتی در پاسخ شکل پذیری دیوارهای CES پرداخته اند.
در ساختمانهای رایج سازه علیرغم طراحی پیشرفته معمولا از اجرای ضعیفی در ایران برخوردار است به این معنی که رفتار واقعی سازه در مواقع سرویس دهی با آنچه طراحی شده کاملا متفاوت است. لذا نظارت دقیق بر کیفیت اجرا و تطبیق با جزییات محاسبه شده امری کاملا ضروری میباشد.
از این رو ساختمانهای پیش ساخته شده در کارخانه به دلیل طی نمودن مراحل کنترل کیفیت و تولید مطابق با نقشه های محاسباتی رفتار مناسب در موقع سرویس دهی خواهد داشت. در این بین قابهای سبک فولادی ال اس اف با کیفیت ساخت کارخانه ای و اتصالات ساده مطمئن مستحکم و سریع از اهمیت ویژه ای برخوردار میباشند.
نیاز روز افزون کشور به سطح زیربنای بیشتر در امر مسکن آموزش تسهیلات بهداشتی درمانی رفاهی تأسیسات صنعتی و تجاری که عمدتا از افزایش جمعیت و توسعه ناشی میشود ایجاب می نماید که از روشهای جدیدی در ساختمان سازی استفاده گردد.
در این روشها علاوه بر کاهش زمان ساخت با صرفه جویی در مصرف مصالح ساختمانی سنتی هزینه ساخت نیز با حفظ کیفیت مطلوب کاهش مییابد به منظور دستیابی به اهداف فوق سیستم ساختمانی ساخت سریع با بررسیهای فنی و اقتصادی جامعی که در آن امکانات و شرایط موجود در نقاط مختلف کشور منظور گردیده است طراحی شده و به عنوان سیستم ساختمانی سریع معرفی می گردد.
فولاد سرد نورد شده
فولاد سرد نورد شده. در ساختمانهای فولادی دو خانواده اصلی اعضای سازه ای وجود دارد ۱ دسته مقاطع گرم نورد شده و اعضای ساخته شده از ورق که بسیار برای عموم آشنا میباشد. ۲ دسته دوم که کمتر شناخته شده ولی دارای رشد قابل توجه مقاطع سرد نورد شده فولادی (CFS) هستند که از ورق نوار یا تسمه های صاف در ماشینهای غلتک یا پرس با دستگاههای خم کن در دمای محیط شکل داده میشود.
ضخامت این ورقها یا نوارهای فولادی بین ۴ میلیمتر تا ۶۴ میلیمتر است. قطعات CES که اعضای اصلی تشکیل دهنده سیستم LSF می باشد معمولا از ورقهای گالوانیزه فولادی بر اساس استاندارد CFS2989 تهیه و به کار گرفته میشوند در حال حاضر بر اساس استانداردهای اروپا در قاره اروپا 10147 – 10142 BS EN تولید میشود. این نوع ورقها معمولا در عرض ۱٫۵ متر در کارخانجات ذوب آهن مخصوصی تولید و به صورت رولی و پرسی عرضه میگردد تا در ساخت به اشکال مورد نظر درآید اندازه قطعات در جا CES بین ۱۲ تا ۳٫۲ میلیمتر میباشد.
فرم دادن ورق فولادی آن را به صورت نواری از بین یک سری غلتک ها عبور میدهند. این حرکت در بین غلتکها سبب تغییر شکل ورقها میشود و تعداد غلتکهای به کار رفته بستگی به پیچیدگی قطعات دارند. این قطعات را میتوان قبل یا بعد از عبور دادن در بین غلتکها برش داد.
این شیوه عمل معمولا در سطح بالا و با دقت زیاد توسط کامپیوتر کنترل میشود. قطعات با طولهای کوتاه و مقدار محدود را میتوان به وسیله پرس فرم داده و یا خم کرد. این تکنیک معمولا برای قطعات ساده مانند نبشی و C شکل مناسب می باشد. سوراخ کاری هایی نیز در مرحله فرم دادن ورق فولادی انجام میشود که برای کارگذاری تأسیسات در بنا انجام میشود.
ساختمانهای پیش ساخته فولادی سبک (Light Weight Steel frame موسوم به LSF به صورت اجرایی خشک و عمدتا با استفاده از اتصالات پیچی و به روش تولید صنعتی به کار گرفته میشود. این ساختمان ها از سه جزء اصلی شامل مقاطع متشکل از ورقهای فولادی سرد نورد شده برای سازه صفحات تخت گچی به عنوان پوشش رو به درونی و لایه عایق حرارتی و صوتی تشکیل میشوند کاربرد این ساختمانها به عنوان یک سیستم سازه ای مستقل اکثرا در انبوه سازی ساختمانهای دو طبقه دفاتر و ساختمانهای تجاری کوچک واحدهای صنعتی و سالنهای ورزشی یک طبقه است.
به نظر میرسد این سیستم سازه ای باربر ثقلی توانایی ترکیب شدن با سیستمهای سازه ای دیگر همانند دیوارهای بتن مسلح سازه ای را نیز داراست و میتواند در ساخت ساختمانهای کوتاه مرتبه به صورت سیستم سازه ای مختلط به کار گرفته شود برای ساخت مقاطع سرد نورد شده مطابق آیین نامه های مربوط به این سازه ها استفاده از اشکال مختلف مجاز است. این مقاطع معمولا دارای ابعاد متنوع و محدوده ی تغییرات ضخامتی بین ۰۶ الی ۲۵ میلیمتر است.
اتصال سازه LSF به شالوده به واسطه یک کلاف افقی با مقطع ، شکل میگیرد اجزای قائم این سیستم به عنوان عضو باربر ستونی در بارهای ثقلی عمل میکند برخی از این اعضا که در دهانه مهاربندی جانبی سازه قرار می گیرند.
علاوه بر بار نقلی متحمل نیروهای ناشی از بارهای جانبی نیز میشوند. این اعضا تحت نام وادار (stal) در این سیستم معرفی میشود سقف سازه این ساختمانها متشکل از تیرچه های فلزی سرد نورد شده است که فواصل تیرچه ها با توجه به میزان ظرفیت باربری عضو و ابعاد قطعات پوشش سقف که میتواند تخته های چوبی سیمانی و با دال بتن مسلح باشد تعیین میشود. تیرها و تیرچه ها عمدتا دارای مقاطع با اشکال و یا 7 هستند.
