اسکلت فلزی (فولادی)

سازه فلزی چیست و انواع آن کدامند؟ در پاسخ به این سوال باید بگوییم سازه های آهنی به عنوان یکی از مهم‌ ترین روش های طراحی و اجرای ساختمان ها شناخته می شوند و نقش اساسی در تحمل بارها و ایجاد استحکام و پایداری بنا ایفا می‌ کنند. اسکلت فلزی ساختمان از مجموعه ای منظم از تیرها و ستون‌ های فولادی تشکیل شده است و به دلیل مزایای فراوان خود، به یکی از رایج ترین سیستم‌ های ساختمانی در جهان تبدیل شده است. در این مقاله از عمران مدرن به بررسی همه چیز درباره اسکلت فلزی از جمله انواع سازه فلزی ، کاربردها و مزایای سازه فولادی می پردازیم.

استعلام قیمت
۰۲۱-۶۲۹۹۹۶۷۵

قیمت اجرای اسکلت فلزی

قیمت اجرای اسکلت فلزی در یک سازه به مقدار آهن مصرفی، حجم پروژه، نوع طراحی سازه های فولادی، دستمزد اجرای سازه فولادی ، مقدار بتن مصرفی در پی و سقف ها و … بستگی دارد. همچنین نوع اتصال اجزا به یکدیگر بر روی هزینه های تمام شده تاثیرگذار است. به طور قطع قیمت اسکلت فلزی پیچ و مهره با قیمت اسکلت فلزی جوشی متفاوت خواهد بود. اما به طور کلی می توان بیان کرد که در ساختمان های با متراژ و تعداد طبقات یکسان، غالبا قیمت اجرای سازه فولادی بیشتر از سازه بتنی می باشد. جهت استعلام قیمت اسکلت فولادی ساختمان با کارشناسان عمران مدرن در تماس باشید.

سازه اسکلت فلزی چیست

اسکلت فلزی یکی از مرسوم ترین سیستم‌ های سازه ای و روش های اجرای ساختمان است و به دلیل استفاده از فولاد در اجزای اصلی اسکلت فلزی ، این سیستم از استحکام، دوام و انعطاف ‌پذیری بالایی برخوردار است. اکثر ساختمان ‌های بلندمرتبه، پل‌ ها، کارخانه‌ ها و سوله ‌ها را می توان با اسکلت آهن طراحی و اجرا نمود. به طور کلی، ساختمان های اسکلت فلزی از کنار هم قرار گرفتن اجزای مختلف فلزی پدید می آیند. این اجزا عبارتند از:

• ستون ها که وظیفه انتقال بارهای قائم به فونداسیون را دارند.
• تیرها که برای انتقال بارهای افقی به ستون ‌ها استفاده می‌ شوند.
• مهاربند ها که برای مقابله با نیروهای جانبی مانند باد و زلزله به کار می ‌روند.
• اتصالات شامل پیچ، مهره یا جوش هستند که این اجزا را به یکدیگر متصل می ‌کنند.

مزایای اسکلت فلزی چیست

در رابطه با مزایای اسکلت فلزی باید گفت که فولاد به عنوان ماده اصلی اسکلت آهنی ، مقاومت کششی و فشاری بسیار بالایی دارد و در برابر نیروهای خارجی مانند زلزله، باد و بارهای سنگین بسیار مقاوم است. اسکلت فلزی در مقایسه با اسکلت بتنی، وزن کمتری دارد که این امر منجر به کاهش بار مرده ساختمان و در نتیجه مقاومت بیشتر در برابر زلزله می‌ شود. همچنین به دلیل پیش ‌ساخته بودن بسیاری از اجزای اسکلت فلزی ، سرعت اجرای سازه های فولادی بسیار بالا بوده و در نتیجه زمان ساخت به طور قابل توجهی کاهش می ‌یابد.

از سوی دیگر به دلیل شکل‌ پذیری بالای فولاد، امکان اجرای طرح‌ های پیچیده معماری فراهم شده و طراحان می ‌توانند با آزادی بیشتری به طراحی ساختمان فلزی بپردازند. همچنین فولاد به عنوان یک ماده قابل بازیافت شناخته می شود و پس از پایان عمر مفید ساختمان، می ‌توان آن را بازیافت و مجدداً در ساخت سازه‌ های فولادی جدید استفاده کرد.

معایب سازه فلزی چیست

اما معایب سازه فولادی چیست ؟ سازه اهنی نیز مانند هر روش ساخت و ساز از معایبی برخوردار است. به طور کلی فولاد در برابر حرارت ضعیف بوده و در نتیجه با افزایش حرارت، مقاومت اسکلت فلزی کاهش می یابد؛ به طوری که در دماهای حدوداً ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی گراد تعادل سازه به هم می خورد. از طرفی، قطعات فلزی نیاز به محافظت در برابر عوامل جوی و خوردگی دارند که غالبا هزینه این نگهداری و محافظت زیاد می باشد. یکی دیگر از نقاط ضعف سازه های فولادی، تمایل اعضای فلزی به کمانش است که این موضوع به دلیل کوچک بودن ابعاد اعضای سازه آهنی رخ می دهد. همچنین اگر جوشکاری اتصالات اسکلت اهن ساختمان به درستی انجام نشود؛ این موضوع به عنوان یکی از بزرگترین نقاط ضعف سازه های فولادی تلقی می شود.

کاربردهای اسکلت فلزی چیست

اسکلت فلزی در ساخت انواع مختلف ساختمان‌ ها از جمله ساختمان ‌های بلند، پل ‌ها، سوله‌ ها، انبارهای صنعتی، سالن ‌های ورزشی، کارخانه ‌ها، استادیوم ها و … مورد استفاده قرار می‌ گیرد. همچنین در ساخت سازه ‌های موقت مانند سکوهای نفتی و پل‌ های موقت نیز از اسکلت فلزی استفاده می ‌شود.

انواع سازه های فلزی کدامند؟

ساختمان های اسکلت فلزی بر اساس روش اتصال اعضای سازه ‌ای به دو دسته اصلی تقسیم می ‌شوند:

سازه فولادی جوشکاری شده

یکی از رایج ترین روش های اتصال قطعات فلزی در سازه های فولادی، استفاده از جوش می باشد. در این روش، اعضای سازه ای اسکلت فلزی ساختمان با استفاده از جوش به یکدیگر متصل می‌ شوند. این روش اتصال، استحکام بسیار بالایی ایجاد می‌ کند اما به تخصص و تجهیزات خاصی نیاز دارد.

سازه فولادی پیچ و مهره ‌ای

یکی دیگر از انواع اسکلت فلزی ، سازه فولادی پیچ و مهره ای است. در این روش، اعضای سازه‌ ای با استفاده از پیچ و مهره به یکدیگر متصل می ‌شوند. این روش اتصال، سرعت اجرا را افزایش می ‌دهد و امکان جداسازی و مونتاژ مجدد اعضای سازه ‌ای را فراهم می سازد.

نکات اجرایی اسکلت فلزی

نصب و مونتاژ قطعات ساختمان فلزی نیازمند رعایت نکات اجرایی ست که در این بخش به آن ها خواهیم پرداخت.

1. کنترل کیفیت فولاد: استفاده از فولاد با کیفیت و استاندارد ضروری است.
2. جوشکاری و اتصالات: اجرای دقیق اتصالات تضمین‌ کننده استحکام سازه است.
3. پوشش ‌های محافظتی: استفاده از رنگ ‌ها و پوشش‌ های ضدزنگ و ضدحریق الزامی است.
4. کنترل ابعادی: نظارت دقیق بر اندازه گیری و مونتاژ قطعات برای جلوگیری از خطا حیاتی است.

انواع مقاطع سازه فولادی چیست

مقاطع فولادی، المان ‌های اساسی در ساخت سازه‌ های فلزی هستند که شکل و اندازه‌ های متنوعی دارند و هر کدام برای کاربرد خاصی مناسب اند. این مقاطع، بر اساس شکل ظاهری و نحوه تولید به دو دسته تقسیم می ‌شوند.

مقاطع ساختمان فلزی بر اساس شکل ظاهری

مقاطع ساده شامل شکل‌ های هندسی ساده مانند مربع، مستطیل، دایره و … هستند. در عین حال مقاطع مرکب از ترکیب چندین مقطع ساده تشکیل شده و شکل پیچیده‌ تری دارند. برای مثال، تیرآهن ‌ها از ترکیب دو بال و یک جان تشکیل می شوند.

مقاطع ساختمان فلزی بر اساس نحوه تولید

مقاطع نورد شده با عبور شمش فولاد از میان غلتک ‌ها شکل می ‌گیرند و رایج ‌ترین نوع مقاطع فولادی هستند. اما مقاطع جوشکاری شده با جوش دادن ورق ‌های فولادی به یکدیگر ساخته می ‌شوند و برای اشکال پیچیده ‌تر مورد استفاده قرار می ‌گیرند.

مقاطع مهم فولادی در سازه های آهنی

انتخاب مقطع فولادی مناسب برای یک سازه فلزی ، به عوامل مختلفی از جمله نوع بارگذاری، ابعاد و پلان سازه، وزن مصالح دیگر (بتن، آجر و …) و شرایط محیطی بستگی دارد. مهندسان سازه با توجه به این عوامل، مقطع فولادی مناسب را انتخاب کرده تا سازه از استحکام و ایمنی کافی برخوردار باشد. در زیر برخی از مقاطع فولادی مرسوم در ساخت سازه اسکلت فلزی را معرفی می کنیم.

• تیرآهن؛ یکی از پرکاربردترین مقاطع فولادی است که به شکل حروفI  و H بوده و در ساخت ستون‌ ها، تیرها و خرپاها استفاده می ‌شود. IPE و IPB، جزو مرسوم ترین مقاطع تیرآهن ها محسوب می شوند.
• نبشی؛ مقطعی L شکل است و برای اتصال اعضای سازه ‌ای و تقویت گوشه‌ ها کاربرد دارد.
• ناودانی؛ مقطعی U شکل است و برای ساخت سقف ها، دیوارها و کف‌ ها به کار می ‌رود.
• قوطی؛ مقطعی توخالی با سطح مقطع مربع یا مستطیل است و برای ساخت ستون‌ ها، تیرها و قاب‌ ها استفاده می ‌شود.
• ورق؛ صفحه ای از جنس فولاد است که برای ساخت انواع قطعات فلزی و پوشش دادن سطوح استفاده می ‌شود.

محاسبات سازه‌ ای اسکلت فلزی چیست

محاسبات سازه‌ای فرایندی دقیق و پیچیده است که هدف آن تعیین ابعاد، شکل و نوع مصالح مورد نیاز برای ساخت یک سازه است. مهندسان با انجام این محاسبات در می یابند که آیا سازه قادر به تحمل بارهای وارده در طول عمر مفید خود است؟ آیا سازه فلزی در برابر عوامل محیطی مانند زلزله و باد مقاوم است؟

نخستین مرحله، مدل‌ سازی سازه است. ابتدا یک مدل سه‌بعدی از سازه با استفاده از نرم‌ افزارهای تحلیل سازه‌ای مانند SAP2000، ETABS و … ایجاد می‌شود. سپس مشخصات مصالح مورد استفاده (فولاد، بتن، آجر) و نوع اتصالات بین اعضای سازه‌ای (مفصلی یا صلب) تعیین می‌گردد.

در دومین مرحله، نوبت به بارگذاری سازه می رسد. بارهای مرده یا همان وزن خود سازه و اجزای دائمی آن، بارهای زنده مانند وزن افراد، تجهیزات، وسایل نقلیه و بارهای محیطی ناشی از باد، زلزله و برف به سازه اعمال می شود.

سپس تحلیل سازه انجام می شود. در این مرحله نیروهای داخلی مانند نیروی برشی، نیروی محوری و لنگر خمشی در اعضای سازه‌ای محاسبه می شوند. همچنین تغییر شکل‌های سازه تحت بارگذاری مانند نشست، خمش و پیچش بررسی می شود. در نهایت پایداری کلی سازه و اجزای آن مورد بررسی قرار می گیرد.

در چهارمین مرحله، طراحی اعضای سازه‌ای صورت می گیرد. می بایست در این مرحله، مقاطع مناسب برای اعضای سازه‌ای بر اساس نیروهای داخلی و محدودیت‌های طراحی انتخاب شوند. سپس تنش‌های ایجاد شده در مقاطع و اطمینان از اینکه تنش‌ها از مقاومت مجاز مصالح کمتر هستند، بررسی می گردند. پس از آن، تغییر شکل های اعضای سازه‌ای و اطمینان از اینکه تغییر شکل‌ها در محدوده مجاز هستند، چک می شوند.

مرحله پایانی، جزئیات اجرایی مشخص می گردد. بدین معنی که نقشه‌های دقیق برای اجرای سازه تهیه شده و در این نقشه‌ها، نوع و جزئیات اتصالات بین اعضای سازه‌ای مشخص می شود.

انواع اتصالات در سازه‌ های فلزی

اتصالات، به نقاطی گفته می شود که در آن‌ ها اعضای مختلف یک سازه فلزی به یکدیگر متصل می‌ شوند. انتخاب نوع اتصال مناسب، تأثیر به سزایی در رفتار لرزه‌ ای، تغییر شکل ‌پذیری و در نهایت، ایمنی سازه دارد. انواع اتصالات بر اساس میزان صلبیت، به صلب (گیردار)، ساده (مفصلی) و نیمه صلب تقسیم می شوند. در اتصال صلب (گیر دار)، انتقال کامل گشتاور خمشی بین دو عضو وجود دارد. این نوع اتصال، سازه را سخت‌ تر کرده و در برابر تغییر شکل‌ های جانبی مقاوم‌ تر می‌ سازد. از اتصالات صلب معمولاً در نقاطی که تمرکز تنش وجود دارد، مانند اتصالات تیر به ستون در قاب ‌های خمشی، استفاده می ‌شود.

اما در اتصال ساده (مفصلی)، انتقال گشتاور خمشی بین دو عضو وجود ندارد و اتصال تنها نیروی برشی را منتقل می‌ کند. این نوع اتصال، سازه را انعطاف‌پذیرتر کرده و باعث می شود سازه در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله، عملکرد بهتری داشته باشد. از اتصالات ساده معمولاً در نقاطی که نیاز به ایجاد مفصل پلاستیک وجود دارد، مانند اتصالات بادبندها به تیرها، استفاده می‌ شود. اتصال نیمه صلب نیز بین دو حالت صلب و ساده قرار دارد و بخشی از گشتاور خمشی بین دو عضو منتقل می ‌شود. این نوع اتصال، در بسیاری از سازه‌ ها به دلیل سادگی اجرا و اقتصادی بودن، مورد استفاده قرار می ‌گیرد.

طراحی صحیح اتصالات، نقش بسیار مهمی در ایمنی و عملکرد سازه دارد. یک اتصال نامناسب می‌ تواند باعث شکست زودهنگام سازه شود. بنابراین، طراحی اتصالات باید توسط مهندسان سازه با تجربه و با استفاده از نرم ‌افزارهای تحلیل سازه ای انجام شود.

روش های طراحی اسکلت فلزی

به منظور طراحی سازه اسکلت فلزی از روش طراحی تنش مجاز (ASD) و طراحی حالت حدی (LRFD) استفاده می گردد. تفاوت این دو روش در ضرایب در نظر گرفته شده به منظور طراحی سازه می باشد. به نحوی که در روش تنش مجاز که یکی از سنتی ترین روش های طراحی سازه های فولادی است ضریب اطمینان کاهش احتمالی مقاومت اعضا و نیز افزایش احتمالی بارهای وارده در یک مرحله اعمال می گردد. اما در روش طراحی اسکلت فولادی به روش حدی (LRFD) بر خلاف روش تنش مجاز، افزایش بار به کمک ضرایب بار و کاهش مقاومت به کمک ضرایب کاهش مقاومت اعمال می گردد. در هر دو روش تحلیل سازه غالبا بر اساس تحلیل خطی انجام می شود.

مراحل اجرای اسکلت ساختمان فلزی

در این بخش قصد داریم به مراحل اجرای سازه فلزی ساختمان بپردازیم.

اجرای پایه و فونداسیون

اولین مرحله در اجرای یک سازه، اسکلت ساختمان بتنی آن می باشد. نوع فونداسیون اجرایی در اسکلت فلزی با توجه به مقاومت خاک بستر تعیین می گردد. به طوری که در پروژه های با مقاومت مناسب خاک، فونداسیون اجرایی غالبا از نوع سطحی و در خاک های با مقاومت پایین فونداسیون به صورت عمیق اجرا می گردد. شایان ذکر است که پیش از اجرای فونداسیون به منظور مسطح نمودن سطح کار از یک لایه بتن مگر به ضخامت ۱۰ تا ۱۵ سانتی متر استفاده می کنند. در واقع بتن مگر، بتنی با عیار کم سیمان می باشد که محل خاکبرداری را برای عملیات آرماتوربندی مهیا می کند.

پس از اجرای بتن مگر، آرماتوربندی فونداسیون بر اساس نقشه های اجرایی انجام شده و بعد از آن قالب بندی با استفاده از قالب های چوبی، فلزی و … انجام می شود. پس از قالب بندی نیز به منظور اتصال صفحه ستون، آرماتورهای بولت در محل های تعیین شده قرار داده می شوند. در آخرین مرحله از اجرای فونداسیون اسکلت آهنی ساختمان ، بتن ریزی انجام می شود.

نصب ستون های اسکلت فلزی

پس از اجرای فونداسیون ، ستون های سازه فلزی اجرا می شوند. این مرحله یکی از مهم ترین مراحل اجرای اسکلت فلزی بوده که بدین منظور غالبا از IPB، IPE، قوطی و ناودانی تک و دوبل و … استفاده می گردد. ستون های مورد استفاده در اجرای سازه های فلزی معمولا به صورت پیش ساخته می باشند. انتخاب این مقاطع وابسته به مقدار بار وارده از سوی شاه تیر می باشد.

مهم ترین نکته در نصب ستون ها، اتصال بین پایه، ستون ها و شکاف آنها است. با توجه به پایه و اتصالات ستون، بیس پلیت تا انتهای ستون جوش داده می شود. در واقع بیس پلیت ها به منظور افزایش سطح تماس ستون با پی مورد استفاده قرار می گیرند. زیرا ستون های فلزی دارای مقاومت بالایی در برابر تنش های وارده می باشند اما بتن از این قابلیت برخوردار نیست. در نتیجه استفاده از بیس پلیت ها موجب توزیع نیروهای ستون در حد قابل قبول برای بتن می شود. شایان ذکر است که مطلوب ترین شکل بیس پلیت ها در ساخت اسکلت آهنی ساختمان ، مربعی و مستطیلی می باشد.

تیر ریزی و اجرای سقف

غالبا از تیرها در سازه به منظور انتقال بارهای کف و سقف به ستون استفاده می گردد. به طور کلی می توان تیرها را به دو دسته تیرهای فرعی و تیرهای اصلی تقسیم بندی نمود. بار تیرهای فرعی به شاه تیر انتقال یافته و تیرهای اصلی بار سقف وارد بر تیرهای فرعی را به ستون هایی که بر روی آن قرار دارند انتقال می دهند. تیرهای مورد استفاده در اسکلت فلزی به صورت پیش ساخته و از نوع IPE، IPB، قوطی، ناودانی و … می باشد. شایان ذکر است که به منظور افزایش مقاومت تیرها می توان آنها را با استفاده از شابلن و هواگاز به شکل لانه زنبوری در آورد.

باید توجه داشت که پس از نصب تیرها در جای خود، باید آنها را بلافاصله در پایین بر روی پاشنه خود جوش نمود. جوش های اجرا شده نباید به صورت خال جوش باشد، در واقع می توان گفت جوش محل تماس تیر با پاشنه ستون ها باید به صورت کامل اجرا گردد. زیرا در غیر این صورت امکان سقوط تیرهای بالایی وجود دارد. ساخت و نصب تیرها به روش هایی همچون کشویی، مفصلی، فلنچی، اسپالیسی و … انجام می شود که انتخاب هر یک از این روش ها وابسته به نوع سازه می باشد. به منظور اتصال تیرهای سازه فلزی نیز می توان از جوش، پیچ و مهره و یا پرچ بهره جست. پس از نصب تیرها، سقف سازه های فولادی اجرا می گردد. از متداول ترین سقف های مورد استفاده در ایران سقف های تیرچه بلوک و عرشه فولادی می باشند.

نصب بادبند

در ساخت اسکلت فلزی ساختمان از بادبندها به منظور مهار نیروهای جانبی (همچون باد و زلزله) استفاده می شود که مابین تیر و ستون قرار می گیرند. اجرای بادبندهای ساختمان فلزی از اهمیت بالایی برخوردار بوده و ابعاد آن وابسته به مقدار نیروی وارد بر بادبند می باشد. به طور مثال در طبقات پایین تر ساختمان به دلیل شدت بیشتر بار زلزله از مقاطع بزرگتری برای اجرای بادبند استفاده می گردد. شایان ذکر است که محل برخورد پروفیل بادبندهای ضربدری باید توسط یک پلیت به صورت مناسب مهار گردد.

اشکالات اجرایی اسکلت فلزی

برخی از اشکالات اجرایی سازه های فولادی به شرح زیر می باشد:

• مطابق نبودن طول جوش اجرایی با محاسبات و دستورالعمل های آیین نامه ای به منظور اتصال دو پروفیل به یکدیگر در ستون مرکب و همچنین اتصال ورق تقویتی به ستون
• استفاده از پروفیل های غیر ساختمانی و نامنطبق با استانداردهای ایران
• عدم اجرای مناسب وصله تیرها، ستون ها و بادبندها
• کافی نبودن ابعاد و ضخامت صفحات زیرسری و کم بودن تعداد پیچ های مهاری و قطر آنها
• جا به جایی احتمالی صفحه ستون ها در حین بتن ریزی و عدم قرار گیری ستون ها در جای مناسب خود
• عدم اجرای اتصال گیردار در امتداد بدون بادبند
• اجرای ضعیف جوش سر بالا و سرازیر شدن حوضچه در هنگام جوشکاری
• عدم اتصال دو نیمرخ به یکدیگر در طول اعضای بادبندی با مقاطع زوج
• اتصال نامناسب اعضای بادبندی به صورت خارج از مرکز
• عدم اجرای گروت و خالی بودن زیر کف ستون

جمع بندی

سازه فلزی به عنوان یک سیستم ساختمانی مدرن و پیشرفته، مزایای بسیاری نسبت به سایر سیستم‌ های ساختمانی دارد. مقاومت بالا، سرعت اجرا، انعطاف ‌پذیری در طراحی و قابلیت بازیافت از جمله مهم‌ ترین مزایای اسکلت آهنی ساختمان هستند. به همین دلیل، استفاده از اسکلت فلزی در ساختمان‌ سازی روز به روز در حال افزایش است. جهت دریافت مشاوره رایگان در خصوص روش اجرای اسکلت فلزی با کارشناسان عمران مدرن تماس بگیرید.

برای مطالعه بیشتر: