سازه فلزی یکی از کاربردی‌ترین سازه‌های مهندسی است. سازه فلزی یک مدل سازه است که مصالح اصلی آن که برای تحمل نیروها و منتقل کردن آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد از فلز (فولاد) ساخته شده است. اتصالات استفاده شده در این سازه‌ها از مدل جوشی، پرچی و یا پیچ است و بسته به مدل اتصالات قطعات تولیدشده و کنترل‌های مربوطه بر روی آن‌ها انجام می‌شود…
تاریخچه و معرفی سازه فلزی
این سازه‌ها از زمان‌های بسیار قدیم توسط افراد مورد استفاده قرار می‌گرفت. در زمان‌های قبل فلز چدن در این سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفت؛ که به‌مرورزمان جای خود را به آهن‌های دارای کربن کم یا همان فلزهای چکش‌خوار داد که با استفاده از این فلزات می‌توانستند سازه‌هایی با مدل‌ها و شکل‌های گوناگون و تنوع بسیار زیاد طراحی کنند. مثل قوس دادن به سازه و این‌گونه موارد…
به کار بردن چدن و آهن کم‌کربن برای مدتی بسیار رایج بود اما به‌مرورزمان جای خود را به فولاد داد. در حال حاضر فولاد بالاترین استفاده را در سازه‌های ساخته شده با فلز دارد و معمولاً در سازه‌ها از این فلز استفاده می‌شود.
سازه فلزی چیست؟
سازه فلزی، اسکلت فلزی شکل‌گرفته از فولاد، تیر و ستون است. مهم‌ترین ماده استفاده شده در این سازه‌ها فولاد است و هم‌اکنون اهمیت فراوانی در صنایع ساخت‌وساز تمام دنیا دارد. فولاد خصوصیات و مزایای شگفت‌انگیزی ازجمله مقاومت زیاد، شکل‌پذیری و … دارد و به همین علت سراسر جهان از این فلز برای ساختن ساختمان‌ها و خانه‌ها استفاده می‌کنند.
این سازه‌ها امروزه پیکر و پایه اصلی همه ساختمان‌های شهری است که به شکل عمودی و افقی روی‌هم قرار داده می‌شود و پیکر اصلی ساختمان را به وجود می‌آورد.
افزون بر استقامت زیاد، فولاد فلزی بسیار سبک است که موجب شده ساختمان‌ها افزون بر سبک وزن بودن، تحمل هر نوع ضربه و فشار را داشته باشد و همین‌طور به علت تعادل نسبی بالاتر در مقابل زلزله هم مقاومت بیشتری را از خود نشان دهند.
انواع مختلف سازه فلزی
این سازه‌ها در کل به چهار دسته طبقه‌بندی می‌شوند که هر یک از آن‌ها خصوصیات و کاربرد خود را دارند. در ادامه با انواع و خصوصیات تمامی سازه‌های فلزی آشنا می‌شویم.
· سازه‌های قاب‌بندی شده
این مدل سازه فلزی برای ساخت سازه‌های دارای ارتفاع، برج‌ها، ساختمان‌های مسکونی، صنعتی، ساختمان‌های ورزشی و سوله‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساختمان اسکلت فلزی یک مدل متداول از این نوع سازه است که می‌توان به آن اشاره نمود.
همان‌طور که از اسم این نوع سازه مشخص است، این سازه فقط قسمت اسکلت، قاب یا چارچوب سازه را شکل می‌دهد و قسمت‌های دیگر آن مثل سقف و دیوارها از سایر مصالح ساختمانی می‌تواند استفاده شود. البته برخی اوقات از سقف‌های فولادی تحت عنوان تجاری عرشه فولادی هم برای این نوع سازه‌ها استفاده می‌شود که بر اساس بودجه و نحوه طراحی سازه انجام می‌شود.
در سازه فلزی قابی به‌وسیله پروفیل‌های فولادی اقدام به تولید تیرها و ستون‌های سازه با استفاده از شیوه پیچ و مهره می‌کنند که در کارخانه یا در کارگاه انجام می‌شود. البته برخی اوقات از شیوه جوشکاری هم برای متصل کردن تیرها و ستون‌ها استفاده می‌شود که زیاد کاربرد ندارد و سازمان نظام‌مهندسی ساختمان آن را تائید نکرده است.
این سازه‌ها مخلوطی از ستون‌ها و تیرها هستند و در اصل گروهی از اعضای قائم و عمودی محسوب می‌شوند. این ستون‌ها و تیرها به‌وسیله اتصالات ساده یا صلب به هم اتصال میابند. امروزه در تولید بسیاری از ساختمان‌های دارای طبقات زیاد و صنعتی و حتی پل‌ها از این نوع سازه استفاده می‌شود.
· سازه‌های خرپایی
سازه خرپایی (Truss structure) از مدل‌های سازه فلزی رایج در ساختمان‌سازی محسوب می‌شود و به سازه‌ای میگونید که در آن با استفاده از تیرهای فولادی مثلثی شکل بااتصال مفصلی به تکیه‌گاه‌ها نیروهای واردشده بر سازه را به زمین منتقل می‌کنند.
در آخر تیرها، تکیه‌گاه‌ها و بقیه اجزاء خرپا یک ساختار مشبک را شکل خواهند داد که اغلب شامل 5 واحد مثلثی شکل یا بیشتر از آن هستند. این واحدها اجزاء مستقیم و صافی دارند که انتهای آن‌ها در مفصل‌ها (Node) به هم وصل شده‌اند.
در این نوع سازه‌ها نیروهای خارجی و واکنش‌ها به این نیروها، تنها در قسمت مفصل‌ها اعمال می‌شوند و موجب به وجود آوردن نیرو در اجزای کششی یا فشاری خواهد شد. در کل اجزا به شکلی کنار یکدیگر قرارگرفته‌اند که ترکیب کلی در عمل مثل یک‌شکل واحد کار کند.
· سازه‌های معلق
سازه معلق از دیگر انواع سازه‌های فولادی است. با اشاره به اسم سازه معلق (Suspension structure)، شاید یاد پل‌های معلق بیافتد. بله یکی از سازه‌هایی که به‌وسیله فولاد و با به کار بردن نیروی کشش طناب تولید می‌شود، پل معلق است. البته این نوع سازه برای ساختن انواع سایبان‌های فلزی و مسقف کردن پارکینگ‌های روباز و خطوط لوله هم مورد استفاده قرار می‌گیرد.
سازه‌های معلق در ساختن پل‌هایی که دهانه‌های با ارتفاع زیاد دارند و دارای سقف هستند، استفاده می‌شوند. در ساختار این سازه فلزی از یک اسکلت قابی به‌کاربرده شده و این اسکلت به‌وسیله آویز‌هایی معلق شده است. افزون بر پل‌ها، در تولید اسکلت سقف و عرشه پل هم از آن‌ها استفاده می‌شود.
سازه قوسی فلزی
سازه فلزی قوسی، از کارکرد قوس برای تحمل بارهای اعمال‌شده بر سازه استفاده می‌کنند. پل قوسی مهارشده، یکی از معروف‌ترین سازه فلزی قوسی است. در این پل، اغلب از یک قوس با همراهی مهارهای عمودی نگه‌دارنده میان‌عرشه و قوس استفاده می‌شود.
سازه فلزی پوسته‌ای
سازه‌های پوسته‌ای و آخرین سازه این فهرست، سازه‌هایی هستند که در تولید سازه‌های مهم مثل سیلوها، مخازن نگه‌داری از سیالات تحت‌فشار و سقف‌های گنبدی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این نوع سازه‌ها از سایر مدل‌های سازه فلزی یا فولادی است و به سازه‌هایی میگویند که در آن‌ها به‌وسیله ورق‌های فولادی به ساخت پوسته یا جداره یک سازه، اقدام شود.
از قابلیت‌های این مدل سازه‌ها توانایی پوشش مساحت‌های وسیع بدون به کار بردن از ستون است. این در حالی است که بتن آرمه مدت‌ها برای تولید پوسته مورد استفاده قرار می‌گرفت، به همین خاطر پیشرفت‌های گذشته قابلیت به کار بردن از فولاد را برای سقف‌های منحنی را فراهم نموده است. پوسته‌های فولادی زیبا و ازنظر ظاهری بسیار گوناگون هستند. وزن آن‌ها خیلی سبک است و کاملاً برای پیش مونتاژ قطعات مناسب هستند.
این مدل سازه احتیاجی به قالب و داربست در زمان ساخت‌وساز ندارد. البته این مدل سازه محدودیت‌های مخصوص به خود را هم دارد. از مهم‌ترین این محدودیت‌ها عدم توانایی خم عرضی و طولی تجهیزات در کارگاه است. بااین‌حال، می‌توان از مکمل‌های فرعی برای اجزای پوسته‌های خمیده استفاده نمود. از این سازه‌ها بیشتر در تولید تانکرهای آب، سیلوهای گندم و مخازن سیالات در پتروشیمی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نحوه نصب سازه فلزی
تهیه قطعات فلزی در کارخانه‌ها و نصب آن در وضعیت، شرایط جوی گوناگون با تمهیدات لازم قابل اجرا خواهد بود. سرعت نصب قطعات فلزی در مقایسه با اجرا قطعات بتنی مدت‌زمان کمتری نیاز دارد. با توجه به خرید این قطعات از کارخانه‌ها، پرت مصالح در مقایسه با تهیه و به کار بردن بتن بسیار کمتر خواهد بود.
میانگین وزن ساختمان فولادی را می‌توان میان 245 تا 390 کیلوگرم بر مترمربع و یا میان 80 تا 128 کیلوگرم بر مترمکعب تخمین زد، درحالی‌که در ساختمان‌های بتن این ارقام به ترتیب میان 480 تا 780 کیلوگرم بر مترمربع یا 160 تا 250 کیلوگرم بر مترمکعب است. دو ساختمان مساوی ازلحاظ ارتفاع و اندازه، ستون و تیرهای ساختمان‌های فلزی ازلحاظ اندازه کوچک‌تر از ساختمان‌های بتنی هستند، سطح اشغال یا محیط مرده در ساختمان‌های بتنی بیشتر به وجود می‌آورد.
مزايای سازه فلزی چیست؟
در ادامه قصد داریم به مزایای سازه فلزی بپردازیم:
سازه‌هاي فلزي به دلیل قابلیت مونتاژ اسکلت پیش از نصب و لزوم اجراي هم‌زمان و بدون توقف اسکلت، به نسبت بقیه سازه‌ها از سرعت عمل بیشتری برخوردار است.
به علت همگن بودن تير و ستون و بادبند به‌عنوان اجزای اصلي، اسکلت سازه‌هاي فلزي يکپارچگي بهتری در مقایسه با بقیه سازه‌ها دارند و به همین علت هم نتيجه محاسبات سازه‌ای مسافت نزدیک‌تری به مقاومت واقعي این سازه‌ها دارد.
به علت نوع اعضاء تير و ستون، قابلیت وسعت بخشیدن به طبقات در سازه‌هاي فلزي به‌صورت بهتر و قابل‌قبول‌تری وجود دارد.
مقاومت سازه‌های ساخته شده با فلز زياد است و نسبت مقاومت به وزن آن از مصالح بتن بهتر است، به اين دلیل در دهانه‌های بزرگ سوله‌ها و ساختمان‌های دارای ارتفاع زیاد، ساختمان‌هایی که بر زمین‌های سست قرارگرفته‌اند، بسیار مهم است.
فلز در کارخانه‌ها عظیم تحت نظارت بسیار دقیقی ساخته می‌شود، به همین خاطر به يکنواخت بودن خواص آن می‌شود اعتماد کرد و خواص آن برخلاف بتن با دخالت عوامل محیطی تحت تأثیر قرار نخواهد گرفت، اعتماد در يکنواختي خواص مصالح در گزینش ضريب اعتماد کوچک تأثیرگذار است که خود موجب صرفه‌جویی در مصرف مصالح خواهد شد.
دوام سازه فلزی بسيار بالا است، اگر در نگهداري ساختمان‌های فلزي دقت شود براي مدت‌زمان زیادی قابل‌استفاده خواهند بود.
از خاصيت مثبت مصالح فلزي شکل‌پذیری آن‌ها است که قادرند تمرکز فشار را که در اصل دلیل آغاز خرابي است و نيروي ديناميکي و ضربه‌ای را به‌خوبی تحمل کنند، درحالی‌که مصالح بتن ترد و شکننده در برابر اين نيروها به‌شدت ضعيف هستند.
معایب استفاده از سازه‌های فلزی
در ادامه به برخی معایب استفاده از سازه فلزی اشاره می‌کنیم:
· ضعف در مقابل حرارت بالا و زیاد
· فلزات در مقابل زنگ زدگی مقاومت زیادی از خود نشان نمیدهند.
· توانایی خم شدن و شکستن در مقابل فشار زیاد
· عدم جوشکاری درست قطعات و نظارت مناسب
مقایسه اسکلت بتنی و سازه فلزی ساختمان
یکی از کهن‌ترین عنصرهایی که پس از چوب، مورد استفاده انسان‌ها قرار گرفت فلز بود و یکی از کاربردی‌ترین فلز در ساخت ساختمان‌ها، آهن است. همان‌طور که گفتیم در گذشته و در تولید اسکلت‌های فلزی چدن مورد استفاده قرار می‌گرفت. ولی ازآنجایی‌که به‌کارگیری فولاد موجب می‌شد تا سازه ترک نخورد، به‌مرور فولاد و آهن جایگزین چدن شدند؛ اما فولاد خصوصیات دیگری مانند خم‌پذیری، شکل‌پذیری، مقاومت زیاد، جوش‌پذیری و… هم داشت که موجب شد جای چدن را بگیرد.
به این شکل اسکلت‌های فلزی به‌وسیله فولاد ساخته شدند. سازه‌های فلزی از ستون‌هایی شکل‌گرفته‌اند که هر یک بر اساس جایگاهی که دارند نقش مشخص‌شده‌ای را در استحکام و تحمل بار سازه بر عهده دارند. در اصل می‌توان گفت تحمل تمام بار ساختمان به‌وسیله ستون‌های وسط امکان‌پذیر خواهد بود و ستون‌های کناری هم توانایی تحمل نصف بار ساختمان را خواهند داشت و در آخر ستون‌هایی که در گوشه سازه قرار داده می‌شوند توانایی تحمل یک‌چهارم بار سازه را دارند.
در سازه‌های بتنی که هم‌اکنون بیشتر ساختمان‌ها از این سازه‌ها ساخته‌شده‌اند یک اسکلت بتنی برای مقاومت و ایستایی سازه موردتوجه قرار خواهد گرفت. این سازه‌ها از اجزای افقی مانند میله‌ها و اعضای عمودی مانند ستون‌ها تشکیل شده است.
سازه‌های ساخته شده با بتن را می‌توان با frp مقاوم‌سازی کرد، این سازه‌های بتنی را می‌توان با روکش‌های گوناگونی مثل شیشه، آلومینیوم، سنگ، سرامیک و. پوشش داد و به این شکل زیبایی و مقاومت آن را تضمین کرد. به‌کارگیری از نمادهای سنگی و پیاده کردن طرح‌های مدرن در سازه‌های بتنی بسیار موردتوجه افراد قرار داشته است.
سرانجام سازه فلزی چیست؟
در اين مقاله سعی بر اين بود كه اصولي هرچند مجمل در مورد سازه‌هاي فلزی بيان شود، افراد مختلف با اين مدل سازه و انواع مورد استفاده آن در جهان بيش از قبل آشنا شوند.
ترویج اسکلت فلزی در بیشتر کشورهای اروپایی و آمریکایی موجب شده تا در همه جهان با دیدی دیگر به این سازه‌ها نگاه شود. به همین سبب استفاده از این نوع سازه‌ها گسترش بیشتری داشته است.
از طرفي لازم به ذکر است حال که در كشور پيشرفت روزافزونی را می‌بینیم استفاده از اين مدل سازه‌ها براي پوشش دهنه‌های بزرگ توصیه شده است. هرچند كه به علت مسائل و مشكلات اقتصادي پیشرفت‌های زیادی در مورد چگونگی ساخت و نصب و مسائل فني و ايمني اين سازه‌ها صورت نگرفته است؛ اما همان‌طور که گفتیم استفاده از سازه فلزی برای ساخت ساختمان‌ها و انواع سازه‌های دیگر توصیه می‌شود؛ زیرا این سازه‌ها دارای قابلیت‌های زیادی مانند استقامت بالا، مقاومت در برابر شرایط محیطی و… است.
