بهترین نوع سازه در ساختمان سازی چیست؟

دهها سال است که بحث و اختلاف سلیقه در بین ساختمان سازان و مهندسین سازه در انتخاب و برتری سازه های فولادی و بتنی نسبت به یکدیگر باعث گردیده که این سئوال و ابهام همواره ذهن متخصصین و حتی مردم عادی رابه خود جلب نماید و بهمین دلیل کارفرمایان و سازندگان بعضاً تا آخرین لحظات قبل از طراحی سازه خود در انتخاب نوع سازه با تردید مواجه شوند .

شاید استمرار این ابهام به این دلیل باشد که اصولاً انتخاب نوع سازه تابعی است از مسائل اقتصادی ، اقلیمی ، فنی ، اجرایی و دلایل دیگر و به عبارتی هیچکدام از این نوع سازه ها برتری مطلقی نسبت به یکدیگر نداشته بلکه در هر شرایطی هر کدام به یک برتری نسبی بر دیگری دست می یابند لذا هدف اصلی ما در حقیقت آگاهی سازندگان با عوامل موثر بر انتخاب بهترین نوع سازه در شرایط مختلف می باشد و اطمینان داریم انبوه سازان و کارفرمایان صنعت ساختمان با مطالعه این مقاله که نتیجه مطالعات علمی و تجربیات چندین ساله در این زمینه است بتواند با اطمینان بیشتر ،مناسب ترین سازه را با اگاهی از شرایط اقتصادی و فنی و محیطی انتخاب نمایند .

در ابتدا یک تقسیم بندی کلی از سازه های متداول در کشور نموده و سپس به تجزیه و تحلیل خصوصیات و نقاط ضعف و قوت این سازه ها می پردازیم :
الف) سازه های سنتی
ب) سازه های فلزی
ج) سازه های بتنی
د) سازه های صنعتی

الف) سازه های سنتی :
همانگونه که از نام این نوع سازه ها پیداست این روش را باید در مقابل روشهای علمی مطرح نمود و به عبارتی تفاوت این روش با سایر روشها در این است که طراحی و محاسابت در این نوع سازه ها بر خلاف سازه های بتنی و فلزی بیشتر از اینکه محاسباتی و علمی باشد تجربی بوده و آئین نامه ها و محدودیت های اجرایی در این نوع سازه هانیز بر اساس نمونه های آماری و تجربی تعیین گردیده است .

حداکثر طبقات مجاز در این نوع سازه در تمام شرایط و مناطق دو طبقه حداکثر ارتفاع مجاز هشت متر از سطح زمین می باشد بعلاوه در طراحی و اجرای پلان معماری باید محدودیت و ضوابط مربوطه به این نوع سازه ها رعایت گردد .

در این نوع سازه ها وظیفه تحمل بارهای قائم بر عهده دیوارها می باشد وکلاف و شناژهای قائم و افقی نیز با دو هدف ذیل اجرامیشوند الف ) زنجیر کردن و اتصال تمام اعضاء افقی و عمودی سازه شامل دیوارها و سقف به یکدیگر ب) ایجاد اتصال مناسب و تراز و توزیع مناسب بار سقف بر روی دیوار که این وظیفه بیشتر توسط کلاف یا شناژ های افقی ، تأمین می گردد .

علی ایحال با توجه به تجربی بودن دستورالعمل ها و آئین نامه های اجرایی در این روش ، مطمئناً هیچ مرجع علمی قادر به تضمین این نوع سازه های نیست .
بخصوص در شرایطی که روشهای صنعتی با قابلیت های بالا و رعایت استانداردهای فنی و انرژی وارد بازار صنعت ساختمان گردیده است و تنها توصیه اجرای این نوع سازه ها در مناطق محرم جهان با محدودیت های فنی و تکنولوژی می باشد .

ب ) سازه های فلزی
قبل از پرداختن به شرایط اجرایی و اقتصادی و نقاط ضعف و قوت این نوع سازه ها ، به روشهای مختلف طراحی این نوع سازه ها می پردازیم .
1- روش الاستیک : تا سال 1950این نوع سازه ها براساس روش ASD یا تنش مجاز طراحی می شدند و به عبارت دیگر طراحی اعضاء فلزی این نوع سازه بگونه ای صورت می گرفت که اعضاء براثر بارهای وارده از حد الاستیک خود خارج نشوند و استفاده از این روش تاکنون نیز در اکثر کشورهای جهان از جمله ایران ادامه داشته و آئین نامه های داخلی کشور ایران و فصل دهم مقررات ملی ساختمان نیز براساس این روش تدوین گردیده است .
ضریب اطمینان بارهای وارده و مقاومت در این روش طراحی به شکل زیر است :
= ضریب مقاومت = ضریب بار
برای مثال ضریب اطمینان مقاومت کششی فولاد 0.6 یعنی fb=0.6fy می باشد .

2- روش پلاستیک یا خمیری
از سال 1980 با افزایش کیفیت مصالح و ارتقاء سطح کیفی اجرا ، روش پلاستیک یا مقاومت نهایی LRFD بعنوان یک روش علمی ترو اقتصادی تر در بعضی از کشورها جایگزین روش ASD یا الاستیک گردید .
در این روش به اعضاء سازه ها اجازه داده می شود براثر بار وارده ناشی از بارگذاری از حد الاستیک خود خارج و به حد پلاستیک یا خمیری خود برسند و همین موضوع باعث افزایش مقاومت اعضاء و کاهش هزینه ساخت و اقتصادی تر شدن سازه می گردد .
ضریب اطمینان بارهای وارده در بارگذاری این نوع سازه های و ضریب اطمینان مقاومت به شکل زیر می باشد :
= ضریب مقاومت = ضریب بار

همانگونه که می بینیم ضرایب تنها در بار اعمال می شوند .

این روش بدلیل نیاز به رعایت استانداردهای مصالح و افزایش کیفیت اجرا در بیشتر کشورها از جمله ایران مورد استفاده قرار نگرفته است و اجرای این روش طراحی می بایست متناسب با افزایش کیفیت مصالح و ارتقاء کیفی اجرایی سازه های فلزی در کشورهای مختلف صورت گیرد .
حال پس از یک بررسی اجمالی از روشهای طراحی این نوع سازه به بررسی نقاط ضعف و قوت سازه های فلزی از نظر اقتصادی می پردازیم :

مزایا :
1- سازه های فلزی بعلت امکان مونتاژ اسکلت قبل از نصب و لزوم اجرای همزمان و بدون وقفه اسکلت ، در مقایسه با سایر سازه ها از سرعت عمل بالاتری برخوردار می باشد .

2- بدلیل همگن بودن تیروستون و بادبند بعنوان اعضاء اصلی، اسکلت این نوع سازه ها دارای یکپارچگی مناسبت تری نسبت به سایر سازه های میباشد و بهمین دلیلی نیز نتیجه محاسبات سازه ای فاصله نزدیکتری به مقاومت واقعی این نوع سازه ها دارد .

3- بدلیل نوع اتصال اعضاء تیر و ستون ، امکان توسعه طبقات در این نوع سازه های به شکل مناسبتر و قابل قبول تری وجود دارد .

معایب :
1- تجربه و مطالعات بعمل آمده بر روی زلزله های دهه های اخیر در نقاط مختلف دنیا این نتیجه را در برداشته است که علی رغم اینکه از نظر طراحی و محاسبات ، سازه های فلزی مطلوبتر و مقاوم تر از سازه های دیگر بنظر می رسند و لیکن در عمل بیشتر تخریب های ناشی از زلزله متوجه این نوع سازه ها بوده است و براساس این تحقیقات دلیل اصلی ضعف این نوع سازه ها در مقابل زلزله عدم اجرای صحیح اتصالات بوده است چرا که اجرای جوش در تمام اتصالات براساس محاسبات مربوط و رعایت آئین نامه اجرای جوش شامل انتخاب نوع باری ، آمپر مناسب ، شرایط آب و هوا و تخصص کافی جوشکاران ، مخصوصاً در مناطق محروم و کشورهای در حال توسعه تقریباً غیر ممکن بنظر می رسد و بر همین اساس اتصالات جوش را در سازه های فلزی باید بعنوان ضعف اصلی این نوع سازه ها به حساب آورد و راهکار برطرف نمودن این نقطه ضعف اساسی ، استقاده از پیچ و مهره در اتصالات این نوع سازه ها می باشد .

2- با توجه به اینکه تیرو ستون و باد بند این نوع سازه ها فلزی بوده و لیکن دیافراگم سقف بصورت بتنی دال یک طرفه یا دو طرفه اجرا می گردد این موضوع باعث ایجاد یک نوع ناهمگنی میان تیر و سقف گردیده که اتصال صحیح و کامل آنها را با مشکل مواجه می نماید و جهت رفع این نقص می بایست تمام نکات فنی و آئین نامه ای محل اتصال تیر و سقف رعایت گردد .

3- بدلیل تأثیر شرایط آب و هوایی بر کیفیت جوش و افزایش سرعت زنگ زدگی اسکلت و لزوم اجرای اتصالات در شرایط مناسب آب و هوایی ، معمولاً اجرای اسکلت این نوع سازه ها با یک محدودیت آب و هوایی مواجه می گردد .

4- بدلیل تغییر شکل اسکلت فلزی در حرارت بالا ، در زمان آتش سوزی این نوع سازه ها با یک تغییر شکل و تخریب ناشی از آن مواجه خواهند شد .

5- بدلیل زنگ زدگی و پوسیدگی ناشی از اکسید شدن ، این نوع سازه ها در دراز مدت دچار پوسیدگی عمیق و کاهش سطح مقطع شده وبا کاهش مقاومت این نوع سازه ها نسبت به بارهای وارده مواجه خواهند شد .

نتیجه بررسی فنی و اقتصادی سازه های فلزی :
با بررسی مباحث مربوط به نحوه طراحی و خصوصیات اسکلت های فلزی می توان به این نتیجه رسید که در صورتی که اتصالات این نوع سازه کاملاً مطابق آئین نامه و اصول فنی و یا با استفاده از پیچ و مهره اجرا شود و بعلاوه از پوشش های مناسب ضد رنگ و خوردگی استفاده شود و ضوابط فنی اتصال دیافراگم سقف با تیرهای باربر بخوبی رعایت شود این نوع سازه ها نسبت به سایر سازه ها از یک مزیت نسبی مقاومت سازه ای برخوردار خواهند بود و لیکن این در صورتی است که از نظر اقتصادی نیز کاملاً بررسی شوند چرا که قبل از تصمیم گیری در مورد انتخاب نوع سازه باید قیمت تمام شده پروفیل فولادی مورد نیاز جهت اجرای سازه فلزی را بررسی نمود .

ج ) سازه های بتنی :
سازه های بتنی طی چند سال گذشته به دلایلی که بعداً به آن اشاره خواهد شد با یک اقبال عمومی مواجه گردیده و بیشتر سازندگان این سازه را به سازه های فلزی ترجیح می دهند که از دلایل این امر می توان به نوسان در قیمت پروفیل های فولادی ، هزینه کرد یکنواخت در اجرای سازه های بتنی ، فراوانی مصالح سیمان و سنگی ، مقاومت در مقابل شرایط آب و هوایی در صورت تأخیر در اجرا اشاره نمود .

طراحی این سازه ها در کشور به روش های حدی نهایی بوده که در این روش ضرایب تقلیل بار بترتیب به مقاومت بتن و قولاد اعمال می گردد و ضرایب افزایش بار نیز براساس ترکیب بار منظور می گردد .

حال با این مقدمه به بررسی مزایا و معایب این نوع سازه ها می پردازیم :
1- مزایا : بدلیل امکان شکل پذیری آرماتور و بتن تازه و قالب ، اعضاء این سازه ها را می توان در مقاطع مختلف اجرا نمود .
2- این سازه ها در مقابل آتش سوزی از خود مقاومت نشان می دهند .
3- این سازه ها در مقابل شرایط مختلف آب و هوایی مقاوم بوده ودر صورت اجرای صحیح پوشش بتن ، رطوبت هیچ آسیبی به آن وارد نخواهد کرد .
4- این سازه ها نسبت به سازه های فلزی از یک صلبیت بیشتری برخوردار هستند .
5- مصالح سنگی و سیمان معمولاً آسان تر از سایر مصالح در دسترس می باشد .
6- عمر این سازه ها بدلیل مقاومت در مقابل شرایط آب و هوا ، معمولاً بیشتراز سایر سازه بوده است .
7- اتصال تیر و دیافراگم سقف بدلیل همگن بودن مناسب تر از سایر سازه ها می باشد .

معایب :
1- اجرای آرماتور بندی و قالب بندی در این سازه ها نیاز به تخصص و صرف زمان بیشتری نسبت به سایر سازه ها دارد .

2- بدلیل افزایش مقطع اعضاء این سازه ها ، وزن آن بیشتر از سازه های فلزی می باشد .

3- بدلیل نیاز به آزمایش مستمر بتن ، در محل اجرای این سازه ها باید آزمایشگاه های مکانیک خاک در دسترس باشد .

د ) سازه های صنعتی و صنعتی سازی در ساختمان :
شاید تصور رایج در خصوص سازه های صنعتی اصولا باتعریف واقعی آن مقداری فاصله داشته باشد و اگر بخواهیم تعریفی واقعی تر از سازه های صنعتی یاصنعتی سازی درساختمان داشته باشیم می توان گفت ، ابداع هر نوع روش جدید در ساختمان سازی باهدف تولید انبوه وکاهش انرژی های مختلف شامل کارگری ، حرارتی و سرمایشی و ... را صنعتی سازی می گویند . و بر این اساس می توان گفت اصولاً سازه های صنعتی سازی را نمی توان به عنوان یک نوع اسکلت مستقل در نظر گرفت چرا که این سازه ها از نظر نوع اسکلت معمولاً یا بصورت فلزی و یا بتنی و یا تلفیقی از سازه های فلزی و بتنی اجرا می گردند .

بعنوان مثال روش های Lsf و B&N جزو سازه های فلزی و روش های ICF ، TFC و D2 ،LOCRETEجزو سازه های بتنی و روش SCS تلفیقی از دو نوع سازه بتنی و فلزی می باشد .