سازه فلزی یا فولادی با توجه به کاربرد بسیاری که در ساختمان سازی دارد یکی از مهم‌ترین عناصر این صنعت محسوب می‌شود. از رایج‌ترین انواع این سازه‌ها می‌توان به سازه فلزی سنگین اشاره نمود. سازه‌های فولادی سنگین و سوله‌های عظیم فلزی نوعی اسکلت هستند که از فلز و فولاد ساخته می‌شوند و اتصالات آن اغلب از نوع جوشی، پرچی یا پیچی است. سوله سازی یکی از مهم‌ترین کاربردهای سازه‌های سنگین فولادی به شمار می‌رود. در ادامه مقاله به معرفی و آشنایی بیشتر با سازه فلزی سنگین می‌پردازیم.
سازه فلزی سنگین چیست؟
یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین انواع سازه‌های فولادی، سازه فلزی سنگین است که با استفاده از فلز و فولاد ساخته می‌شود. این سازه‌های فولادی دارای عملکرد سه بعدی در انتقال نیرو هستند. در حال حاضر برای ساخت انواع ساختمان، پل و اسکلت‌های ثابت دیگر می‌توان از این سازه‌ها استفاده نمود. ساخت و استفاده از فولاد و سازه فلزی سنگین به دوران جنگ جهانی دوم باز می‌گردد در آن زمان استفاده از فولاد به دلیل مزایای بسیاری که برای اسکلت ساختمان داشت رونق گرفت و تا به امروز ماندگار شد.
بررسی کاربرد سازه فلزی سنگین
سازه فلزی سنگین اغلب در مصارف صنعتی مانند ساخت مرغداری‌ها، آشیانه‌های هواپیما، سالن‌های ورزشی بزرگ، دامداری‌ها، سوله های صنعتی و…کاربرد دارد. این نوع از سازه‌های فولادی معمولاً دارای سقف شیبدار هستند که با توجه به محاسبات فنی و مهندسی طراحی و اجرا می‌گردند. برای اجرا و ساخت سازه فلزی سنگین باید از تیر ورق در پروفیل‌ها استفاده کرد؛ زیرا ابعاد تیرها و ستون‌ها در سازه فولادی سنگین بزرگ است در نتیجه برای تقویت پروفیل بهتر است از تیر ورق در آن استفاده نمود.
بررسی انواع سازه فلزی سنگین
به طور کلی سازه فلزی سنگین به 4 دسته عمده تقسیم می‌شود که شامل سازه فلزی قاب بندی شده، سازه فلزی پوسته‌ای، سازه معلق و سازه خرپایی است که هر کدام کاربرد و مزایای خاص خود را دارد. در ادامه قصد بررسی هر کدام را به صورت جداگانه داریم.
سازه فلزی سنگین قاب بندی شده
سازه فلزی سنگین قاب بندی شده یا Framed structure از رایج‌ترین و پرکاربردترین انواع سازه فولادی در صنعت ساختمان سازی است. این نوع از سازه‌های فولادی ترکیبی از تیر و ستون هستند که اتصال آن‌ها به صورت جوشی یا پرچی و پیچی است. از سازه‌های قاب بندی شده در ساخت انواع ساختمان‌های صنعتی و چند طبقه می‌توان استفاده کرد. این نوع از سازه فولادی در ساخت برج‌ها، ساختمان‌های مسکونی، صنعتی، سازه‌های ورزشی و انواع سوله‌ها کاربرد فراوانی دارند. ساختمان‌هایی با اسکلت فلزی رایج یکی از متداول‌ترین انواع سازه فلزی سنگین قاب بندی شده در صنعت ساخت و ساز است.
مزایای سازه فلزی قاب بندی شده
از مزایای این سازه پرکاربرد در ساختمان سازی می‌توان به نظارت بسیار و مداوم بر مراحل ساخت آن توسط افراد متخصص، تحمل وزن بالا و مقاومت در برابر نیرو و تنش‌های جانبی و عمودی، نسبت به سازه‌های مشابه بتنی با تعداد طبقات کمتر اشاره نمود.
معایب سازه فلزی قاب بندی شده
بخشی از معایب سازه فلزی سنگین قاب بندی شده مربوط به زنگ زدگی و خوردگی آهن و فولاد در برابر عوامل طبیعی مانند رطوبت است که باید بلافاصله پس از نصب آن برای ضد زنگ زدن اقدام کرد. از معایب دیگر این سازه‌ها می‌توان به مقاومت پایین آن‌ها در برابر آتش سوزی اشاره کرد. قطعات فولادی و فلزی با افزایش دما دچار تغییر شکل شده و موجب ریزش و آوار ساختمان می‌گردد؛ البته برای رفع این مشکل می‌توان از پوشش‌های بتنی، گچی و یا پلیمری ضد آتش جدید استفاده نمود.
سازه فلزی سنگین پوسته‌ای
سازه‌های فلزی پوسته‌ای یا Shell structure به سازه‌هایی می‌گویند که جداره و دیوار‌های آن با استفاده از پوشش ورق‌های فولادی ساخته می‌شود. یکی از بهترین و مرغوب‌ترین انواع سازه‌ها، سازه فلزی سنگین پوسته‌ای است که در ساخت مخزن آب، مخزن گاز، سیلوهای گندم، بدنه هواپیما، بدنه کشتی و خودرو کاربرد فراوان دارد. این سازه‌ها در انواع متنوعی مانند سینک لاستیک، اشکال قابل گسترش، اشکال آنتی کلاسیک و اشکال آزاد طراحی و تولید می‌شوند. در ادامه به بررسی مزایا و معایب این سازه‌ها می‌پردازیم.
مزایای سازه فلزی پوسته‌ای
از مزایای سازه فلزی سنگین پوسته‌ای می‌توان به امکان پوشش مساحت‌های وسیع بدون نیاز به استفاده از ستون در آن ها اشاره کرد. این سازه‌ها امکان ساخت و طراحی اشکال مختلف و متنوع هندسی و غیر هندسی را برای ما ایجاد می‌کنند. همچنین دارای وزن بسیار سبک هستند که به راحتی بتوان آن‌ها را مونتاژ و در محل نصب نمود. سازه‌های فلزی پوسته‌ای نیازی به قالب بندی و داربست در زمان نصب و اجرا ندارند. از این سازه‌ها اغلب در ساخت تانکرهای آب، سیلوهای گندم و مخازن سیالات در پتروشیمی‌ها و… استفاده می‌شود.
معایب سازه فلزی پوسته‌ای
سازه‌های فلزی پوسته‌ای دارای محدودیت‌هایی نیز هستند. از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به عدم امکان خم عرضی و طولی قطعات در کارگاه و کارخانه اشاره نمود. اما می‌توان از مکمل‌های فرعی و تقویتی برای رفع این ایراد در سازه‌ها استفاده کرد.
سازه فلزی سنگین معلق
سازه‌های فلزی معلق یا Suspension structure یکی دیگر از انواع سازه فلزی سنگین هستند که معمولاً در ساخت پل‌های معلق کاربرد دارند. عناصر اصلی و تشکیل دهنده این سازه‌ها شامل اجزای تحمل کننده بار مانند سیم، کابل، زنجیر و دیافراگم ورقی هستند که فقط تحت تأثیر نیروهای کششی قرار می‌گیرند. این سازه‌ها امکان استفاده کامل از خواص مکانیکی مصالح را برای ما فراهم می‌سازند. از سازه‌های معلق به دلیل وزن سبکی که دارند در ساخت اسکلت‌هایی با دهانه بزرگ و وسیع می‌توان استفاده نمود.
مزایا و معایب سازه فلزی معلق
از مزایای سازه فلزی سنگین معلق می‌توان به نصب و اجرای نسبتاً آسان این سازه، ایمنی بالا در آن و معماری جالب توجه و متمایز آن‌ها اشاره کرد. معایب و کاستی‌های این سازه نیز شامل واکنش حرکتی بالا نسبت به میزان ورود نیرو و حساسیت بسیار به تغییر شکل تحت فشار و تنش‌های موضعی است. البته برای رفع این معایب و ایرادات راه‌حل‌هایی وجود دارد مانند استفاده از عناصر تثبیت کننده و تقویت کننده در سازه که برای رفع این معایب کارساز هستند. سازه‌های فلزی معلق ممکن است به صورت صفحه‌ای یا فضایی طراحی و ساخته شوند. ساده‌ترین و پرکاربردترین نوع آن ساختار صفحه‌ای است که کابل‌ها به تکیه گاه متصل هستند و فشارها و تنش‌های موضعی را تحمل و به زمین منتقل می‌کنند.
سازه فلزی سنگین خرپایی
سازه فلزی خرپایی یا Truss structure از انواع سازه فولادی رایج و متداول در صنعت ساختمان سازی است. سازه خرپایی به سازه‌هایی گفته می‌شود که تیرهای فولادی در آن مثلثی شکل هستند و با اتصالات مفصلی نیروهای وارده به اسکلت را به زمین منتقل می‌کنند. در نتیجه تیرها، تکیه گاه و دیگر اجزای خرپا با هم یک ساختار مشبک را تشکیل می‌دهند که اغلب دارای 5 واحد مثلثی شکل یا بیشتر هستند. واحدهای مثلثی شکل ذکر شده دارای اجزای مستقیم و صاف بوده که انتهای آن‌ها به یکدیگر متصل می‌شود. در سازه‌های خرپایی نیروها فقط به ناحیه مفصل‌ها اعمال می‌گردد. در نهایت امر کل اجزای این سازه به گونه‌ای کنار هم قرار گرفته‌اند که ترکیب آن‌ها مانند یک شکل واحد در سازه عمل می‌کند.
بررسی مزایای سازه فلزی سنگین
سازه فولادی سنگین دارای مزایای بسیاری مانند به صرفه بودن از نظر اقتصادی، انعطاف پذیری بالا، سرعت بالا در ساخت و نصب است. همچنین از دیگر مزایای این سازه‌ها می‌توان به مقاومت بالای آن‌ها در برابر انواع نیروها و تنش‌ها اشاره نمود. از این سازه‌ها به دلیل مقاومت بالایی که دارند در دهانه‌های بزرگ سوله‌ها و ساختمان‌های مرتفع نیز می‌توان استفاده کرد.
همانطور که می‌دانید فلزات در کارخانه به صورت یکنواخت تولید می‌شوند و بر خلاف بتن به عوامل خارجی واکنش نشان نمی‌دهند در نتیجه می‌توان از این سازه‌ها با اطمینان کامل از لحاظ یکنواختی آن استفاده کرد. سازه فلزی سنگین به هیچ عنوان ترد و شکننده نیست زیرا خواص ارتجاعی فولاد موجب مقاومت این سازه‌ها در برابر نیروهای دینامیکی شده است. همچنین از دیگر مزایای این سازه‌ها می‌توان مقاومت بالای مصالح، مقاومت بسیار در برابر انفجار، امکان مقاوم سازی و تقویت مصالح، نصب و ساخت آسان آن‌ها اشاره نمود.
بررسی معایب سازه فلزی سنگین
همانطور که می‌دانید تمام سازه‌ها، با توجه به شرایط خود دارای مزایا و معایبی هستند که در بالا به مزایای سازه فلزی سنگین اشاره کردیم اما این سازه دارای معایبی نیز هست که در ادامه به آن می‌پردازیم. سازه فولادی مقاومت بالایی در برابر دمای بالا ندارد و اگر دما به 500 یا 600 درجه سانتی‌گراد برسد ممکن است تعادل ساختمان از بین برود و ریزش کند. همچنین از دیگر معایب این سازه‌ها می‌توان به خوردگی و زنگ زدگی فلزات در برابر عوامل خارجی مانند رطوبت اشاره نمود. از طرفی قطعات فلزی تمایل به کمانش دارند و این یک نقطه ضعف برای آن‌ها محسوب می‌شود.
عوامل مؤثر بر قیمت سازه فلزی سنگین
مهم‌ترین عاملی که در قیمت سازه فلزی سنگین تأثیرگذار و مؤثر است این است که پروژه بازسازی شده یا ساخت جدید است، زیرا انجام عملیات بازسازی نیاز به نیروی انسانی بیشتری دارد و برخلاف آن اسکلت پروژه‌های ساخت جدید را می‌توان در کارگاه تهیه و در محل مونتاژ کرد اما در عملیات بازسازی نیاز به آماده سازی اجزا در محل است. در نتیجه می‌توان گفت هزینه‌های بازسازی سازه فلزی سنگین از ساخت مجدد آن بیشتر است. همچنین اندازه و ابعاد پروژه نیز می‌تواند بر افزایش قیمت سازه فولادی تأثیرگذار باشد.
شرایط موردنیاز ساخت سازه فلزی سنگین در کارخانه
اغلب کارفرمایان در ساخت پروژه‌ها این دغدغه را دارند که برای ساخت سازه فولادی خود به کدام کارخانه اعتماد کنند که شرایط ساخت سازه فلزی سنگین را داشته باشد. یکی از مهم‌ترین شرایطی که کارخانه ساخت اسکلت فولادی باید دارا باشد وجود یک تیم فنی و اجرایی بسیار قوی است. وجود تیم فنی با تجربه و با سواد در کارخانه 80 درصد مشکل را حل می‌کند. برای جلوگیری از ضرر و زیان مالی کارفرما بهتر است قبل از عقد قرارداد با کارخانه ساخت قطعات فولادی رزومه واقعی و حقیقی آن‌ها را بررسی کند تا به مشکل برنخورد.
استانداردهای طراحی سازه فلزی سنگین
در ساخت سازه فلزی سنگین دو روش عمده و مهم مورد استفاده قرار می‌گیرد که شامل روش طراحی ارتجاعی و طراحی نهایی است. در روند طراحی ارتجاعی، سازه تحت اثر بارها و تنش‌ها قرار می‌گیرد تا به درصدی از مقاومت نهایی مصالح برسد؛ در این روش بارهای مرده و زنده به اسکلت ساختمان وارد می‌شوند و ضریب اطمینان باید در مقاومت مصالح اعمال گردد. اما در روش طراحی نهایی ضریب اطمینان در بارهای وارده به سازه اعمال می‌شود. لازم به ذکر است که امروزه از هر دو روش طراحی ارتجاعی و طراحی نهایی در ساخت سازه فلزی سنگین استفاده می‌شود. به روش طراحی نهایی، ضریب بار و به روش طراحی ارتجاعی، مقاومت مجاز در آیین نامه می‌گویند.
جمع بندی سازه فلزی سنگین
ما در این مقاله به بررسی و آشنایی با سازه فلزی سنگین پرداختیم. همانطور که گفتیم آغاز استفاده و کشف این مقاطع به دوران جنگ جهانی دوم باز می‌گردد. این سازه در ساخت بناهایی با دهانه وسیع مانند سوله‌ها، دامداری، آشیانه هواپیما و… کاربرد فراوان دارد. برای تحمل نیرو و انتقال آن در این سازه‌ها از فلز و فولاد استفاده می‌شود. سازه فلزی سنگین اغلب دارای سقف شیبدار است که بر اساس محاسبات خاصی طراحی و اجرا می‌گردد. همچنین با توجه به اینکه ابعاد تیر و ستون‌ها در این سازه‌ها بزرگ است باید از تیر ورق برای تقویت پروفیل‌ها استفاده نمود.
همانطور که در مطالب به آن اشاره کردیم استفاده و به کار بردن سازه فلزی سنگین مزایای بسیاری دارد از جمله این مزایا می‌توان به سرعت اجرا و مونتاژ بالا، انعطاف پذیری، صرفه اقتصادی، مقاومت بسیار در برابر نیروها و تنش‌ها، عدم شکنندگی در این سازه‌ها اشاره کرد. سازه‌های فولادی سنگین دارای انواع مختلفی هستند که هرکدام با توجه به شرایط فیزیکی و ساخت در بخش خاصی از صنایع کاربرد دارند. اما کاربرد عمده آن‌ها در صنعت ساختمان سازی و در ساخت انواع سازه فلزی با دهانه‌های بزرگ است.
