ایستاسازه
En Ar

خانه - آموزش - سازه فلزی و سازه بتنی (Steel and concrete structures)

معمول ترین روش های ساخت ساختمان ها در سراسر دنیا سه روش ساختمان با مصالح بنایی، ساختمان با اسکلت فلزی و ساختمان با اسکلت بتنی می باشد. سازه های بدون اسکلت معمولاً در ساختمان های با مساحت و ارتفاع کم که از اهمیت بالایی برخوردار نیستند به کار می رود. در ایران قبلاً ساختمان سازی با اسکلت فلزی رواج بیشتری داشت، اما امروزه اسکلت بتنی جایگاه بسیار خوبی در صنعت ساخت و ساز پیدا کرده است. انتخاب نوع اسکلت فلزی یا بتنی به عوامل تعیین کننده بسیار زیادی وابسته است که در زیر به مهم ترین آنها اشاره می شود:

  • منطقه جغرافیایی محل احداث سازه
  • مقاومت مورد نیاز سازه
  • زمان لازم برای تحویل پروژه
  • بودجه مورد نیاز برای انجام پروژه
عوامل تعیین کننده در انتخاب نوع اسکلت ساختمان - سازه فلزی و سازه بتنی
عوامل تعیین کننده در انتخاب نوع اسکلت ساختمان

حال به بررسی آیتم های متفاوت در سازه فلزی و بتنی می پردازیم و مزایا و معایب هر کدام از سازه ها را بیان می کنیم:

محل احداث پروژه:

یکی از مهم ترین فاکتورهای انتخاب نوع سازه، محل احداث پروژه است. مثلاً در شرایط آب و هوایی مرطوب و در معرض بارندگی های مکرر، سازه فلزی نامناسب است چون در معرض زنگ زدگی و خوردگی قرار دارد. در این مناطق، معمولاً اسکلت بتنی ماندگاری بیشتری دارد. از طرفی در مناطقی که یون سولفات وجود دارد، میلگرد موجود در بتن در معرض حمله قرار دارد. ضمناً وضعیت گسل های آن منطقه و عملکرد سازه در زلزله نیز عامل مؤثری در انتخاب نوع سازه است. همچنین یکی دیگر از عوامل مهم در مورد محل پروژه، تأمین مصالح مورد نیاز سازه در محل است. مثلاً نزدیک بودن محل پروژه به معادن سنگدانه و یا کارخانه بتن و یا محل تهیه آهن آلات، باعث کاهش هزینه حمل و نقل مصالح می شود و از نظر اقتصادی در انتخاب نوع سازه تأثیرگذار است.

سازه بتنی - سازه ساختمان - شرکت عمرانی مهندسی ایستا سازه
سازه بتنی – سازه ساختمان – شرکت عمرانی مهندسی ایستا سازه

مقاومت سازه:

برای انتخاب یک اسکلت مناسب برای ساختمان ابتدا باید نوع بهره برداری از ساختمان و درجه اهمیت آن را تعیین کنیم. در مقایسه مقاومت سازه فلزی و بتنی نمی توان یکی را مقاوم تر از دیگری معرفی کرد. چون در صورت طراحی مناسب و اجرای خوب سازه، هر دو اسکلت باید بتوانند نیروهای وارده را به خوبی تحمل کنند. اما در مورد نیروی زلزله، وزن سازه یکی از عوامل تشدید کننده این نیرو است و از آنجا که وزن اسکلت بتنی از وزن اسکلت فلزی بسیار سنگین تر است، نیروی زلزله شدیدتری به اسکلت بتنی وارد می شود. (وزن سازه اسکلت فولادی حدوداً 250 تا 390 کیلوگرم بر مترمربع و وزن سازه اسکلت بتنی حدوداً 480 تا 780 کیلوگرم بر مترمربع می باشد.) از طرفی صلبیت بالای بتن باعث می شود هنگام وزش باد و تکان های شدید از طبقات فوقانی، لرزه ای در سازه بتنی ایجاد نشود و احساس آرامش ساکنین سازه بتنی از سازه فولادی بیشتر است.

در حالت کلی می توان گفت نسبت مقاومت فولاد به وزن آن در مقایسه با بتن بزرگتر است. نکته دیگر این که مقاومت فولاد در مورد نیروهای کششی و فشاری و برشی تقریباً یکسان بوده و در نیروهای رفت و برگشتی، نیروی کششی و فشاری قابل تبدیل بوده و این باعث می شود سازه فلزی عکس العمل خوبی نشان دهد. اما در بتن مقاومت فقط در نیروهای فشاری خوب بوده و بتن در مورد نیروهای کششی و برشی عملکرد ضعیفی دارد و در صورتی که با میلگرد مسلح نشود، به راحتی ترک برداشته و تخریب می شود. ضمناً فولاد به دلیل همگن بودن مواد و شکل پذیری بالا، نیروهای دینامیکی و ضربه ای را به خوبی تحمل می کند، در حالی که بتن به دلیل ساختار نا همگن خود ترد و شکننده است و در مقابل این نیروها و انفجار، ترک خورده و عملکرد سازه مختل می شود.

از مزیت های دیگر سازه فلزی این است که با افزایش عمر، مقاومت در سازه فلزی کاهش پیدا نمی کند، اما بتن با گذشت زمان دچار اُفت و خزش و ترک می شود که به عملکرد سازه آسیب زده و مقاومت آن را کم می کند. همچنین در ساختمان فلزی امکان توسعه، ترمیم، تقویت و مقاوم سازی اعضاء حین اجرا و پس از ساخت وجود دارد. البته نقطه ضعف فولاد در مقاومت، کمانش قطعات فشاری به مرور زمان است. ضمناً فولاد در برابر حرارت های زیاد ناشی از آتش سوزی، مقاومت خود را از دست می دهد و در درجه حرارت بالای 600 درجه سانتیگراد سازه فلزی فرو می ریزد، در حالی که بتن در حرارت بالای 1000 درجه سانتیگراد حدود 1 الی 6 ساعت مقاومت از خود نشان می دهد.

سازه فلزی - سازه ساختمان - شرکت عمرانی مهندسی ایستا سازه
سازه فلزی – سازه ساختمان – شرکت عمرانی مهندسی ایستا سازه

زمان اجرای پروژه:

در صورتی که سرعت اتمام پروژه برای ما اولویت داشته باشد، سازه فلزی گزینه مناسب تری از سازه بتنی است. زیرا اسکلت بتنی باید طبقه به طبقه اجرا شود و زمان لازم برای قالب بندی، شمع بندی و گیرش اولیه بتن را باید در نظر بگیریم. این در حالی است که در اسکلت فلزی امکان اجرای بی وقفه تمام طبقات به صورت همزمان با یکدیگر وجود دارد. حتی در صورت تهیه اسکلت فلزی پیش ساخته از کارخانه و مونتاژ در محل پروژه، سرعت اجرا از حالت عادی بیشتر هم می شود.

همچنین از مزیت های مهم سازه های فلزی بعد از بهره برداری در آینده امکان توسعه سازه است بدین معنی که اگر کارفرما یا صاحبان سازه ساختمانی بخواهند طبقه ای به ساختمان اضافه نمایند سازه فولادی این قابلیت حائز اهمیت را دارد که با متصل نمودن ستون به ستون های از قبل اجرا شده با اتصال پیچی یا جوشی و اتصال تیرها و… سازه را توسعه داد. مورد دیگر محدودیت های اجرای سازه بتنی در شرایط جوی سرد و گرم می باشد که سرعت اجرای کار را پایین آورده و حتی در مواردی کار را متوقف می کند که سازه فلزی از این محدودیت ها مستثنی می باشد.

سازه بتنی - شرکت ایستا سازه
سازه بتنی – شرکت ایستا سازه

هزینه انجام پروژه:

از آنجایی که در اسکلت فلزی مصرف فولاد بیشتر از اسکلت بتنی است، هزینه اجرای سازه فلزی به مراتب بیشتر از بتنی است و اسکلت بتنی گزینه مقرون به صرفه تری می باشد. طبق آمار و برآوردهای انجام شده، هزینه ساخت هر متر مربع سقف و ستون بتنی در دی ماه 97 از 550,000 تا 700,000 تومان بوده است در صورتیکه هزینه ساخت هر متر مربع سقف و ستون فلزی از 600,000 تا 800,000 تومان بوده است. در ضمن هزینه میلگرد، سیمان و قالب ها تدریجاً با پیشرفت پروژه باید به آن تزریق شود اما هزینه خرید فولاد برای اسکلت فلزی باید در اوایل پروژه انجام شود که از لحاظ اقتصادی و تأمین بودجه فشار بیشتری به کارفرما وارد می شود. با توجه به اینکه در کشور ما، وام مسکن پس از اتمام سقف هر طبقه به آن تعلق می گیرد، در صورت اجرای اسکلت بتنی پس از اتمام هر سقف می توان وام مربوطه را دریافت کرد.

مورد دیگر در مقایسه هزینه این دو نوع اسکلت، بحث مراقبت و نگهداری های پس از ساخت است که سازه بتنی نیاز به مراقبت خاصی ندارد و عمر بهره برداری طولانی دارد اما ساختمان فلزی برای مراقبت از خوردگی نیاز به هزینه های جانبی دارد. با این حال در صورت مراقبت از فولاد، دوام و مدت بهره برداری آن از سازه بتنی بیشتر می شود. نکات مثبت سازه فولادی در بحث هزینه، یکی کاهش پرت مصالح (به دلیل ساخت آهن آلات در کارخانه) و به دنبال آن کاهش هزینه ها در سازه فلزی است. همچنین آهن آلات باقی مانده پس از تخریب یک اسکلت فلزی دارای ارزش نسبی می باشند، در حالی که از تخریب یک سازه بتنی، فقط نخاله های ساختمانی باقی می ماند و ضمناً تخریب سازه بتنی دشوارتر و پر هزینه تر از سازه فلزی است.

سازه فلزی - شرکت ایستا سازه
سازه فلزی – شرکت ایستا سازه

اشغال فضا و تداخل های معماری:

سازه بتنی نسبت به فلزی سنگین تر و حجیم تر است و به دلیل بزرگ بودن ابعاد تیر و ستون ها در اسکلت بتنی، فضای مرده بیشتری در ساختمان داریم. یعنی در مقایسه دو ساختمان بتنی و فلزی یکسان، در سازه بتنی فضای مفید و قابل استفاده کمتری خواهیم داشت که این موضوع موجب ایجاد محدودیت های معماری مخصوصاً در بحث تأمین پارکینگ ها می شود. همچنین در دهانه های بزرگ، ارتفاع تیرها نیز افزایش می یابد (به دلیل جلوگیری از تغییر شکل و کمانش) که همین موضوع ارتفاع مفید طبقات را کم می کند. نکته دیگر این است که در سازه های فلزی نیازی به اجرای سقف کاذب نیست، اما در سازه های بتنی معمولاً مجبور به اجرای سقف کاذب هستیم. نکته مثبت در مورد بتن، تنوع مقاطع بتنی و امکان ایجاد اعضا با مقاطع مختلف می باشد.

قطعیت، ضریب اطمینان و کنترل کیفیت

در محاسبات سازه بتنی اعداد به صورت تقریبی و با ساده سازی معادلات به دست آمده اند، اما در سازه فولادی به دلیل همگن بودن فولاد، اعداد محاسباتی از قطعیت بالایی نسبت به مقادیر عملی برخوردارند. بتن معمولاً در محل پروژه آماده می شود و کنترل کیفی کمتری دارد اما فولاد در کارخانه و با نظارت و دقت بالا تولید می شود و ضریب اطمینان بهتری برای فولاد در نظر می گیریم که همین امر باعث صرفه جویی در مصالح می شود.

مزایا و معایب هریک از این سازه‌ها را می توان به طور خلاصه به صورت زیر بیان کرد:

مزایای سازه های بتنی:

  • هزینه کمتر ساخت و نگهداری
  • مقاومت بیشتر در برابر رطوبت
  • داشتن مقاومت بالا در برابر آتش و حرارت
  • قابلیت اجرا در مقاطع مختلف
  • در دسترس بودن و فراوانی مصالحی مانند بتن آرمه، سیمان و میلگرد
  • اتصال تیر و بدنه سقف راحت تر به دلیل همگن بودن مصالح
  • نیاز به دانش و تخصص کمتر در طراحی
  • عدم نیاز به جوشکاری و یا نصب پیچ و مهره
  • مناسب تر بودن اتصالات ستون ها و دیافراگم به سقف
  • داشتن پایداری و دوام مناسب قاب های خمشی
مزایای سازه های بتنی - شرکت ایستاسازه

معایب سازه های بتنی:

  • نیاز به صرف زمان بیشتر جهت آرماتور بندی و قالب بندی بتن
  • نیاز به آزمایشگاه های خاک جهت آزمایش بتن
  • افزایش وزن نسبت به سازه های فلزی
  • کاهش مقاومت و پایداری سازه به مرور زمان
  • نیاز به سقف کاذب
  • محدود تر کردن فضا
  • بیشتر هدر رفتن مصالح
  • وارد شدن فشار بیشتر هنگام زلزله به دلیل سنگین تر بودن وزن سازه
  • احتمال به تعویق افتادن و یا طولانی تر شدن کار در صورت تغییرات جوی مانند باران
  • بی ارزش بودن نخاله های حاصل از تخریب ساختمان
معایب سازه های بتنی - شرکت ایستاسازه

مزایای سازه های فلزی:

  • مقاومت سازه با گذشت زمان تغییر نکرده و طول عمر بالایی دارد.
  • می‌توان اجرای طبقات را به‌طور هم‌زمان انجام داد و به همین دلیل سرعت اجرای این نوع سازه بالاست.
  • وجود اسکلت‌های فولادی پیش‌ساخته سبب می‌شود که اجرای این سازه راحت‌تر باشد.
  • سازه‌های فلزی انعطاف‌پذیری بالایی دارند.
  • ساده تر بودن ترمیم و برطرف کردن آسیب های احتمالی به اسکلت سازه
  • عدم نیاز به افراد متخصص و دارای تجربه بالا
  • امکان ایجاد بناها و ساختمان های پیش ساخته
  • داشتن وزن کمتر
  • استفاده بهینه تر از فضا
  • پایداری و مقاومت بیشتر در برابر زلزله های شدید
  • عدم نیاز به آزمایشگاه خاک
  • قابلیت استفاده جهت ساخت سوله و سایر بناهای بزرگ و یا کوچک
  • تخریب آسان تر
  • نزدیک تر بودن محاسبات اولیه با واقعیت
  • امکان ایجاد تغییر و یا اضافه کردن بخش های جدید پس از ساخت طبقات
  • محدودیت کمتر در زمان ساخت هنگام تغییرات جوی شدید (برف و باران)
  • هدر رفتن کمتر مصالح
  • عدم نیاز به سقف کاذب
  • ارزش آهن آلات حاصل از تخریب ساختمان
مزایای سازه های فلزی - شرکت ایستاسازه

معایب سازه های فلزی:

  • امکان اکسیدشدگی و زنگ‌زدگی این سازه‌ها وجود دارد.
  • در برابر حرارت مقاوم نبوده و در صورت آتش‌سوزی تغییر شکل می‌دهند که می‌تواند با خسارات جبران‌ناپذیری همراه باشد. (مانند حادثه ساختمان پلاسکو در سال 95)
  • هزینه بیشتر
  • امکان خوردگی فلز در برابر عوامل مختلف
  • نیاز به جوشکاری دقیق و یا نصب پیچ و مهره های استاندارد
  • نیاز به آزمایش جوش و گران بودن آن
  • در صورت نبود اتصالات اصولی، در مواقع زلزله آسیب بیشتری نسبت به سازه‌های بتنی می‌بینند.
  • نیاز به کنترل و بررسی دقیق جوشکاری توسط مهندس ناظر
  • تمایل اسکلت فلزی به خمش به صورت طبیعی
معایب سازه های فلزی - شرکت ایستاسازه

مقایسه مقاومت سازه بتنی و فلزی در برابر زلزله

زلزله از جمله حوادث طبیعی است که سالیانه منجر به بروز خسارات جانی و مالی بسیاری شده و خرابی های عظیمی به بار می آورد. ساختمان هایی که از مقاومت لازم در برابر این حادثه برخوردار نیستند تخریب شده و جان ساکنین را به خطر می اندازد از این رو در بحث ساختمان سازی توجه ویژه به مقاوم سازی بنا خصوصاً در مناطق زلزله خیز معطوف می گردد. ساختمان های امروزی از فولاد و بتن ساخته می شوند و استحکام آنها در برابر زلزله بالاست. در ساخت ساختمان های فلزی برای تیرها و ستون ها از نیمرخ های (پروفیل های) فولادی استفاده می شود. فلز از قابلیت هایی نظیر طول عمر بالا، مقاومت کششی و مقاومت فشاری ایده آل برخوردار است و نقش مهمی در افزایش مقاومت بنا ایفا می کند. اجزای فلزی با استفاده از جوشکاری و یا پیچ و مهره به یکدیگر متصل می شوند. ساختمان های بتنی نیز همانطور که از نامشان پیداست اسکلت آنها از بتن آرمه ساخته می شود. این ساختمان ها نیز از مقاومت کافی در برابر لرزش های ناشی از زلزله برخوردار هستند.

هنگام ساخت خانه چه اسکلت فلزی باشد و چه بتنی باید مواردی را مد نظر قرار دهید تا ساختمان شما در برابر زلزله ایمن بوده و منجر به خطرات جانی و مالی نگردد. این نکات به شرح زیر می باشند:

  • بررسی تراکم خاک زمین باید قبل از اجرای شالوده (فونداسیون) مورد بررسی قرار گیرد.
  • بعد از آنکه خاکبرداری محل ساخت بنا انجام شد باید قبل از پی ریزی از مقاومت مجاز خاک اطمینان حاصل کرد.
  • در صورت اجرای اسکلت بتنی، ریشه ستون ها باید قبل از بتن ریزی و طبق نقشه اجرا شوند. بتنی که برای این ناحیه استفاده می شود باید متراکم گردد.
  • فاصله بین آرماتورها و قالب ها باید رعایت شود.
  • اگر بعد از بتن ریزی، آرماتور شالوده (فونداسیون) قابل رویت باشد ایرادی در کار وجود دارد و باید حتماً اصلاح گردد.
  • نباید بیشتر از آنچه که در نقشه سازه عنوان شده نسبت به تقویت تیرها و پل ها اقدام نمود زیرا افزایش ابعاد آنها نتیجه ای معکوس به همراه خواهد داشت.
  • در هنگام خاکبرداری باید از برخورد دستگاه ها و تجهیزات به پی ساختمان های مجاور خودداری شود و به هیچ عنوان خاکبرداری نشوند.
  • ساختمان های ۴ طبقه به بالا باید با ساختمان های مجاور فاصله داشته باشند. این فاصله خسارات ناشی از ضربه ساختمان مجاور را به کمینه می رساند.
  • ساختمان باید از پلانی منظم برخوردار باشد و پس رفتگی و جلو آمدگی در آن مشاهده نشود.
  • تا حد ممکن باید سنگینی ساختمان را بر روی سطوح پایین تر قرار داد. برای مثال از قرار دادن منابع آب در طبقه های بالای ساختمان باید اجتناب نمود.
  • اجزایی که برای نمای ساختمان استفاده می شوند باید در هنگام زلزله از آن جدا نشوند و از پایداری لازم برخوردار باشند.

اگر سازه ساختمان های فلزی و بتنی بر اساس رعایت استانداردهای لازم ساخته شود می تواند زلزله های ۷ ریشتری را تحمل کند. هر سیستم بتنی و یا فلزی را می توان با مقاومت های مختلف، طراحی و اجرا نمود تا در برابر زلزله مقاوم باشند و آسیب نبینند. سازه های اسکلت بتنی به دلیل داشتن وزن بالا می توانند نیروی بیشتری را تحمل نمایند. البته لازم به ذکر است که طول عمر سازه بتنی ۵۰ الی ۶۰ سال می باشد و این بناها با گذشت زمان و افزایش طول عمر دچار افت و خیزش می شوند در نتیجه در اثر وقوع زلزله ممکن است با آسیب مواجه گردند. برخلاف این سازه ها، مقاومت سازه های اسکلت فلزی با افزایش عمر، کاهش پیدا نمی کند. فولاد در برابر حریق از مقاومت بالایی برخوردار نیست و در صورت افزایش دما مقاومت آن کاهش پیدا می کند. اما در مقابل، ساختمان های اسکلت بتنی مقاومت بالایی در برابر آتش دارند. علاوه بر آن اجرای اسکلت فلزی به دلیل حساس بودن عملیاتی نظیر برش کاری، جوش کاری و حمل و نقل در مقایسه با اسکلت بتنی نیازمند دقت و حساسیت بالا است.

یک زلزله قوی بارهای عمودی و جانبی بر یک سازه وارد می کند. نیروهای جانبی سازه را به شکل افقی تکان می دهند و منجر به آسیب رسیدن به آن می شوند. از این رو اگر سازه از مقاومت جانبی لازم برخوردار نباشد ریزش کرده و دچار آسیب های جبران ناپذیر خواهد شد. این نکته که قسمت های مختلف سازه به نحوی به هم متصل شده باشند که نیروی جنبشی نتواند بر آن اثر بگذارد امری بسیار مهم است. در واقع این نیروی وارد آمده باید در یک مسیر پیوسته به زمین منتقل شود. در صورت عدم اتصال مناسب بین اجزاء در صورت وقوع زلزله هر کدام از آنها به شکل جداگانه حرکت کرده، در نتیجه ساختمان از هم فرو می پاشد. اگر تنها یک یا چند جزء سازه مقام سازی شده باشند در صورت وارد آمدن آسیب به آنها کل سازه فرو می ریزد زیرا مقاومت لازم برای کل سازه تامین نشده است.

شکل پذیری نیز از جمله ویژگی های سازه ای است که اجزاء سازه را در بر می گیرد. این اجزاء در صورت وارد آمدن بار اضافی به آنها دچار آسیب و شکست نخواهند شد. در واقع طراحی این اجزاء باید به گونه ای باشد که مقاومت لازم را در برابر بارهای غیر قابل انتظار داشته باشد. استحکام تجهیزات مکانیکی، الکتریکی و یا سایر سازه ها باید بالا بوده تا هنگام بروز زلزله سنگین میزان خسارات کاهش یابد. قطعات مستحکم با اتصالات مناسب، سازه را تقویت می کنند و عملکرد آن را در برابر لرزش های شدید زلزله ایده آل می نمایند. البته اگر شالوده (فونداسیون) ساختمان بتواند بدون نشست، وزن سازه را تحمل کند و از ظرفیت انتقال نیروهای وارد آمده به زمین برخوردار باشد می تواند در برابر زلزله استحکام خود را حفظ نماید. یک شالوده (فونداسیون) پایدار و مقاوم در سازه هایی که به آن متکی هستند حرکت ایجاد نمی نماید و منجر به لرزش و یا سقوط آنها نمی گردد.

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

مطالب مرتبط :

سایر مقاله ها

مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (سازه های نگهبان) – ویرایش آذرماه 1397

در مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (سازه های نگهبان)، در [...]
بیشتر بخوانید

تحلیل خطر زلزله (لرزه ای) (Earthquake Hazard Analysis)

زلزله ها از جمله مخاطرات طبیعی با ماهیت تصادفی می [...]
بیشتر بخوانید

آزمایش های کنترلی نیلینگ و انکراژ

آزمایش های کنترلی نیلینگ و انکراژ مقدمه در اغلب  پروژه [...]
بیشتر بخوانید

طیف طرح ویژه ساختگاه و طیف طرح و ضوابط مربوطه در استاندارد 2800 ایران

طیف طرح ویژه ساختگاه – طیف طرح استاندارد 2800 و [...]
بیشتر بخوانید