تفاوت های بین ساختمان های فلزی و بتنی در چیست؟

 اسکلت بتنی می باشد. سازه های فریم لس معمولا در ساختمان های کم ارتفاعی که از اهمیت بالایی برخوردار نیستند استفاده می شود. در گذشته اسکلت فلزی بیشتر در ایران رواج داشت اما امروزه اسکلت بتنی جایگاه بسیار خوبی در صنعت ساختمان پیدا کرده است. انتخاب اسکلت فلزی یا سازه بتنی به عوامل تعیین کننده زیادی بستگی دارد که در زیر به مهمترین آنها اشاره می شود:

·        منطقه جغرافیایی محل ساخت سازه

·        مقاومت مورد نیاز سازه

·        زمان مورد نیاز برای تحویل پروژه

·        بودجه مورد نیاز پروژه

·        عوامل تعیین کننده در انتخاب نوع اسکلت ساختمان

·        عوامل تعیین کننده در انتخاب نوع اسکلت ساختمان

·        اسکلت فلزی در مقابل سازه بتنی

حال به بررسی موارد مختلف سازه فلزی و سازه بتنی می پردازیم و مزایا و معایب سازه فلزی و سازه بتنی را بیان می کنیم:

انتخاب محل ساخت پروژه

یکی از مهم ترین عوامل در انتخاب نوع سازه محل ساخت پروژه می باشد. به عنوان مثال، در شرایط آب و هوایی مرطوب و در معرض باران های مکرر، ساختار فلزی نامناسب است زیرا مستعد زنگ زدگی و خوردگی است. در این مناطق معمولا اسکلت بتنی دوام بیشتری دارد. از سوی دیگر، در مناطقی که یون های سولفات وجود دارد، میله در بتن در معرض حمله قرار می گیرد. علاوه بر این، وضعیت گسل های آن منطقه و عملکرد سازه در زلزله نیز عامل موثری در انتخاب نوع سازه است. همچنین یکی دیگر از عوامل مهم در مورد سایت پروژه تامین مصالح مورد نیاز سازه در محل می باشد. به عنوان مثال نزدیک بودن محل پروژه به معادن سنگدانه یا کارخانه بتن ریزی و یا محل عرضه ابزارآلات آهنی، هزینه حمل و نقل مصالح را کاهش می دهد و از نظر اقتصادی در انتخاب نوع سازه موثر است.

استحکام سازه

برای انتخاب اسکلت مناسب برای ساختمان ابتدا باید نوع عملکرد ساختمان و درجه اهمیت آن را مشخص کنیم. با مقایسه مقاومت سازه های فولادی و اسکلت بتنی نمی توان یکی را مقاوم تر از دیگری توصیف کرد زیرا اگر سازه ها به درستی طراحی و اجرا شوند، هر دو قاب باید توانایی تحمل نیروها را داشته باشند. اما در مورد نیروی لرزه ای، وزن سازه یکی از عوامل تشدید کننده این نیرو است و از آنجایی که وزن اسکلت بتنی بسیار سنگین تر از وزن اسکلت فولادی است، نیروی لرزه ای قوی تری وارد بتن می شود. قاب (وزن اسکلت فلزی حدود 250 تا 390 کیلوگرم بر مترمربع و وزن سازه اسکلت بتنی حدود 480 تا 780 کیلوگرم بر متر مربع است). از طرفی صلبیت زیاد بتن باعث عدم لرزش سازه بتنی در هنگام وزش باد و تکان های شدید از طبقات بالا می شود و ساکنین سازه بتنی نسبت به سازه فولادی احساس آرامش بیشتری می کنند.

به طور کلی می توان گفت که نسبت مقاومت فولاد به وزن آن در مقایسه با بتن بیشتر است. نکته دیگر اینکه مقاومت فولاد در برابر نیروهای کششی، فشاری و برشی تقریباً یکسان است و در نیروهای رفت و برگشتی می توان نیروهای کششی و فشاری را تبدیل کرد و این باعث می شود که سازه فلزی به خوبی واکنش نشان دهد. اما در بتن مقاومت فقط در نیروهای فشاری خوب است و بتن در نیروهای کششی و برشی عملکرد ضعیفی دارد و اگر با میلگرد تقویت نشود به راحتی ترک خورده و از بین می رود. علاوه بر این، فولاد به دلیل همگن بودن مصالح و شکل پذیری بالا، نیروهای دینامیکی و ضربه ای را تحمل می کند، در حالی که بتن به دلیل ساختار ناهمگون، شکننده است و در مقابل این نیروها و انفجارها، سازه ترک می خورد و عملکرد آن مختل می شود.

یکی دیگر از مزایای اسکلت فلزی در مقابل سازه بتنی این است که با افزایش عمر، مقاومت در سازه فولادی کاهش نمی یابد، بلکه بتن به مرور زمان دچار خزش و ترک می شود که به عملکرد سازه آسیب وارد می کند و مقاومت آن را کاهش می دهد. همچنین در ساختمان های فلزی امکان توسعه، تعمیر و تقویت اعضا در حین ساخت و پس از ساخت وجود دارد. البته نقطه ضعف فولاد در استحکام کمانش قطعات تحت فشار در طول زمان است. در این میان فولاد مقاومت خود را در برابر دمای بالای ناشی از آتش سوزی از دست داده و در دمای بالای 600 درجه سانتیگراد فرو می ریزد، در حالی که بتن در دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد حدود 1 تا 6 ساعت مقاومت نشان می دهد.

مقایسه زمان اجرای پروژه در سازه فولادی و سازه بتنی

گزینه مناسب تری نسبت به سازه بتنی است زیرا سازه بتنی باید طبقه به طبقه اجرا شود و زمان لازم برای قاب بندی، شمع بندی و تراکم اولیه بتن را در نظر بگیریم. اما در سازه فولادی می توان تمامی طبقات را به صورت همزمان با یکدیگر اجرا کرد. حتی اگر اسکلت پیش ساخته فولادی از کارخانه تهیه و در محل پروژه مونتاژ شود، سرعت اجرا بالاتر از حد معمول خواهد بود.

همچنین یکی از مزیت های مهم اسکلت فلزی در مقابل اسکلت بتنی پس از بهره برداری در آینده امکان توسعه سازه است به این معنی که اگر کارفرما یا صاحبان سازه ساختمان بخواهند یک طبقه به ساختمان اضافه کنند، سازه های فلزی دارای توانایی مهم تا اینکه با اتصال ستون ها به ستون های از پیش اجرا شده توسط پیچ یا اتصال جوشی و اتصال تیرها و غیره سازه را توسعه داد. مورد دیگر محدودیت در اجرای سازه های بتنی در شرایط آب و هوای گرم و سرد است که در مواردی که اسکلت فلزی از این محدودیت ها مستثنی است باعث کندی اجرای کار و حتی توقف کار می شود.

مقایسه هزینه پروژه در سازه فولادی و سازه بتنی

از آنجایی که مصرف فولاد در قاب فولادی نسبت به اسکلت بتنی بیشتر است، هزینه ساخت اسکلت فلزی بسیار بیشتر از سازه های بتنی است و اسکلت بتنی گزینه مقرون به صرفه تری است. طبق آمار و برآوردها، هزینه ساخت سقف و ستون های بتنی یک متر مربع در ژانویه 2018 از 131 تا 166 دلار بوده است، در حالی که هزینه ساخت سقف فلزی و ستون های 1 متر مربعی از 143 تا 190 دلار بوده است. علاوه بر هزینه میله، سیمان و قالب ها باید به تدریج با پیشرفت پروژه تزریق شوند. اما هزینه خرید فولاد برای سازه فولادی باید در اوایل پروژه تامین شود که از نظر اقتصادی و تامین مالی فشار بیشتری بر کارفرما وارد می کند. با توجه به اینکه در کشور ما پس از اتمام سقف به هر طبقه وام مسکن اعطا می شود، در صورت اجرای سازه بتنی پس از اتمام هر سقف، می توان وام مربوطه را دریافت کرد.

موضوع دیگر در مقایسه هزینه این اسکلت فلزی و اسکلت بتنی بحث مراقبت و نگهداری پس از ساخت است که سازه بتنی نیاز به مراقبت خاصی ندارد و عمر مفید بالایی دارد اما یک ساختمان فلزی برای مراقبت نیاز به هزینه های اضافی دارد. خوردگی اما در صورت مراقبت از فولاد، دوام و عمر مفید سازه بتنی افزایش می یابد. از نکات مثبت اسکلت فلزی در مبحث هزینه، یکی کاهش ضایعات مواد (به دلیل ساخت ابزارآلات آهنی در کارخانه) و در نتیجه کاهش هزینه ها در سازه فولادی است. همچنین باقیمانده ابزار آهنی پس از تخریب اسکلت فلزی دارای ارزش نسبی است در حالی که از تخریب اسکلت بتنی فقط نخاله های ساختمانی باقی می ماند و در عین حال تخریب سازه بتنی دشوارتر و هزینه بیشتری دارد. نسبت به سازه فولادی

اشغال فضا و تداخل معماری

سازه بتنی نسبت به اسکلت فلزی سنگین تر و حجیم تر است و به دلیل بزرگ بودن ابعاد تیرها و ستون ها در سازه بتنی فضای مرده بیشتری در ساختمان داریم. به عبارت دیگر در مقایسه با دو ساختمان بتنی و فلزی یکسان، فضای مفید و قابل استفاده کمتری در سازه بتنی خواهیم داشت که باعث ایجاد محدودیت های معماری به خصوص در مبحث تامین پارکینگ می شود. همچنین در دهانه های بزرگ ارتفاع تیرها افزایش می یابد (به دلیل جلوگیری از تغییر شکل و کمانش) که باعث کاهش ارتفاع مفید طبقات می شود. نکته دیگر اینکه در اسکلت فلزی نیازی به نصب سقف کاذب نیست اما در سازه های بتنی معمولاً مجبور به نصب سقف کشویی هستیم. نکته مثبت در مورد بتن، تنوع مقاطع بتنی و امکان ایجاد اعضای با مقاطع مختلف است.

اطمینان، قابلیت اطمینان و کنترل کیفیت

در محاسبات سازه های بتنی اعداد تقریباً با ساده سازی معادلات به دست می آیند، اما در سازه فلزی به دلیل همگن بودن فولاد، اعداد محاسباتی از قطعیت بالایی نسبت به مقادیر عملی برخوردارند. بتن معمولاً در محل پروژه تهیه می شود و کنترل کیفی کمتری دارد اما فولاد در کارخانه با نظارت و دقت بالایی تولید می شود و برای فولاد ضریب اطمینان بهتری در نظر می گیریم که باعث صرفه جویی در مصالح می شود.

مزایا و معایب اسکلت فلزی و سازه بتنی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

مزایای سازه های بتنی

·        هزینه ساخت و نگهداری کمتر

·        مقاومت بیشتر در برابر رطوبت

·        مقاومت بالا در برابر آتش و حرارت

·        قابلیت اجرا در بخش های مختلف

·        در دسترس بودن و فراوانی مصالحی مانند بتن مسلح، سیمان و میلگرد

·        اتصال تیر و سقف به دلیل همگن بودن مصالح آسانتر است

·        نیاز به دانش و تخصص کمتر در طراحی

·        بدون نیاز به جوش یا نصب پیچ و مهره

·        اتصالات مناسب تر ستون ها و دیافراگم به سقف

·        پایداری و دوام مناسب قاب های خمشی

معایب سازه های بتنی

·        نیاز به صرف زمان بیشتر آرماتور و قالب بتن

·        نیاز به آزمایشگاه خاک برای آزمایش بتن

·        افزایش وزن نسبت به سازه های فلزی

·        کاهش استحکام و پایداری سازه در طول زمان

·        نیاز به سقف کاهش یافته

·        محدود کردن فضا

·        ضایعات بیشتر مواد

·        فشار بیشتر در هنگام زلزله به دلیل وزن بیشتر سازه

·        امکان تاخیر یا طولانی شدن کار در صورت تغییرات آب و هوایی مانند باران

·        بی ارزش بودن آوارهای ناشی از تخریب ساختمان

مزایای سازه های فولادی

·        استحکام سازه در طول زمان تغییر نمی کند و عمر طولانی دارد.

·        اجرای طبقات به صورت همزمان قابل انجام است و به همین دلیل سرعت اجرای این نوع سازه بالاست.

·        وجود قاب های پیش ساخته فولادی ساخت سازه فولادی را آسان می کند.

·        سازه های فلزی انعطاف پذیری بالایی دارند.

·        تعمیر و از بین بردن آسیب های احتمالی به قاب سازه آسان تر است

·        بدون نیاز به افراد متخصص و با تجربه بالا

·        امکان ایجاد ساختمان ها و سازه های پیش ساخته

·        وزن کمتر

·        استفاده کارآمدتر از فضا

·        پایداری و مقاومت بیشتر در برابر زلزله های شدید

·        بدون نیاز به آزمایشگاه خاک

·        قابلیت استفاده برای ساخت سوله و سایر ساختمان های بزرگ یا کوچک

·        تخریب راحت تر

·        محاسبات اولیه به واقعیت نزدیکتر است

·        امکان ایجاد تغییرات یا افزودن بخش های جدید پس از ایجاد طبقات

·        محدودیت زمان ساخت کمتر در هنگام تغییرات شدید آب و هوا (برف و باران)

·        ضایعات کمتر مواد

·        بدون نیاز به سقف افتاده

·        ارزش ابزار آهنی ناشی از تخریب ساختمان

معایب سازه های فولادی

·        احتمال اکسید شدن و زنگ زدگی سازه های فلزی وجود دارد.

·        در برابر حرارت مقاوم نیستند و در صورت آتش سوزی تغییر شکل می دهند که می تواند با خسارات جبران ناپذیری همراه باشد (مانند حادثه ساختمان پلاسکو در سال 1395)

·        هزینه بیشتر

·        امکان خوردگی فلز در برابر عوامل مختلف

·        نیاز به جوشکاری دقیق یا نصب پیچ و مهره های استاندارد

·        نیاز به آزمایش برای جوشکاری و گرانی آن است

·        در صورت عدم وجود اتصالات مناسب در مواقع زلزله نسبت به سازه های بتنی آسیب بیشتری خواهند دید.

·        لزوم کنترل و بازرسی دقیق جوشکاری توسط مهندس ناظر

·        تمایل قاب فولادی به خم شدن طبیعی.

مقایسه مقاومت سازه های بتنی و سازه های فلزی در برابر زلزله

زلزله از جمله بلایای طبیعی است که هر ساله خسارات جانی و مالی فراوانی به بار می آورد و خسارات هنگفتی به بار می آورد. ساختمان هایی که مقاومت لازم را در برابر این حادثه ندارند تخریب می شوند و جان ساکنان را به خطر می اندازند، بنابراین در مبحث ساخت و ساز به مقاوم سازی ساختمان ها به ویژه در مناطق زلزله خیز توجه ویژه ای می شود. ساختمان های امروزی از فولاد و بتن ساخته شده اند و استحکام آنها در برابر زلزله زیاد است. در ساخت ساختمان های فلزی تیر و ستون از پروفیل های فولادی استفاده می شود. فلز دارای خواصی چون عمر طولانی، مقاومت کششی و مقاومت فشاری ایده آل است و نقش مهمی در افزایش مقاومت ساختمان دارد. اجزای فلزی با جوش یا پیچ و مهره به یکدیگر متصل می شوند. ساختمان های بتنی همانطور که از نامشان پیداست از بتن مسلح ساخته شده اند. این ساختمان ها در برابر زلزله نیز مقاومت کافی دارند.

در ساخت خانه چه اسکلت فلزی و چه اسکلت بتنی باید نکات زیر را در نظر بگیرید تا ساختمان شما در برابر زلزله ایمن بوده و خطرات جانی و مالی را به دنبال نداشته باشد. این نکات به شرح زیر است:

·        فشردگی خاک باید قبل از فونداسیون بررسی شود.

·        پس از گودبرداری محل ساخت باید از مقاومت خاک مجاز قبل از فونداسیون اطمینان حاصل شود.

·        در مورد سازه بتنی باید ریشه ستون ها قبل از بتن ریزی و طبق نقشه اجرا شود. بتن مورد استفاده برای این ناحیه باید متراکم باشد.

·        فاصله بین آرماتورها و قالب ها باید رعایت شود.

·        در صورتی که پس از بتن ریزی آرماتور فونداسیون نمایان شد، ایرادی در کار وجود دارد و باید اصلاح شود.

·        برای مقاوم سازی تیرها و پل ها بیش از آنچه در نقشه سازه آمده است انجام ندهید زیرا افزایش ابعاد آنها نتیجه عکس خواهد داشت.

·        در حین گودبرداری، دستگاه ها و تجهیزات نباید با ساختمان های مجاور برخورد کنند و به هیچ وجه نباید گودبرداری شوند.

·        طبقات یا بیشتر باید از ساختمان های مجاور فاصله داشته باشند. این فاصله آسیب های ناشی از ضربه ساختمان مجاور را به حداقل می رساند.

·        ساختمان باید دارای پلان منظم بوده و هیچ گونه فرورفتگی و برجستگی در آن مشاهده نشود.

·        وزن ساختمان باید تا حد امکان در سطوح پایینی قرار گیرد. به عنوان مثال از قرار دادن منابع آب در طبقات بالای ساختمان باید خودداری شود.

·        اجزای مورد استفاده برای نمای ساختمان نباید در هنگام زلزله جدا شوند و از پایداری لازم برخوردار باشند.

در صورتی که سازه ساختمان های فلزی و بتنی بر اساس استانداردهای لازم ساخته شود، می تواند در برابر زلزله های 7 ریشتری مقاومت کند. هر سیستم بتنی یا فلزی را می توان با مقاومت های مختلف طراحی و اجرا کرد تا در برابر زلزله مقاوم باشد و آسیبی نبیند. سازه های بتنی به دلیل وزن زیاد می توانند نیروی بیشتری را تحمل کنند. البته لازم به ذکر است که طول عمر یک سازه بتنی 50 تا 60 سال است و این ساختمان ها به مرور زمان دچار نوسان و افزایش طول عمر می شوند، بنابراین ممکن است در اثر زلزله آسیب ببینند. برخلاف این سازه ها، مقاومت سازه های اسکلت فلزی با افزایش عمر کاهش نمی یابد. فولاد مقاومت بالایی در برابر آتش ندارد و در صورت افزایش دما مقاومت آن کاهش می یابد. در مقابل، سازه های بتنی مقاومت بالایی در برابر آتش سوزی دارند. همچنین اجرای سازه های فولادی به دلیل حساسیت عملیاتی مانند برش، جوشکاری و حمل و نقل نسبت به سازه های بتنی نیازمند دقت و حساسیت بالایی است.

یک زلزله قوی بارهای عمودی و جانبی را بر سازه وارد می کند. نیروهای جانبی سازه را به صورت افقی تکان داده و باعث آسیب به آن می شود. بنابراین در صورتی که سازه مقاومت جانبی لازم را نداشته باشد دچار ریزش و آسیب های جبران ناپذیری می شود. بسیار مهم است که قسمت های مختلف سازه به گونه ای به هم متصل شوند که نیروی جنبشی نتواند بر آن تأثیر بگذارد. در واقع این نیرو باید در یک مسیر پیوسته به زمین منتقل شود. در صورت عدم اتصال مناسب بین اجزاء، در صورت وقوع زلزله، هر یک از آنها به طور جداگانه حرکت می کنند و در نتیجه ساختمان فرو می ریزد. در صورتی که تنها یک یا چند جزء سازه مستحکم شوند در صورت آسیب به آنها کل سازه فرو می ریزد زیرا مقاومت لازم برای کل سازه تامین نمی شود.

شکل پذیری نیز یکی از ویژگی های سازه ای است که شامل اجزای سازه ای می باشد. این قطعات در صورت وارد شدن بار اضافی به آنها آسیب نمی بینند. در واقع طراحی این قطعات باید به گونه ای باشد که در برابر بارهای غیرمنتظره مقاومت لازم را داشته باشد. استحکام سازه های مکانیکی، الکتریکی و یا سایر سازه ها باید زیاد باشد تا در صورت وقوع زلزله شدید آسیب کمتر شود. قطعات مستحکم با اتصالات مناسب سازه را تقویت کرده و آن را برای لرزش شدید زلزله ایده آل می کند. البته اگر فونداسیون ساختمان بتواند وزن سازه را بدون نشست تحمل کند و ظرفیت انتقال نیروها به زمین را داشته باشد، می تواند استحکام خود را در برابر زلزله حفظ کند. فونداسیون پایدار در سازه هایی که بر آن تکیه دارد حرکت نمی کند و باعث لرزش و سقوط آن نمی شود.