چکیده
هر چند استفاده از اعضای فوالدی سرد نورد شده از دهه 1581 میالدی آغاز گردید اما استفاده از آن تا انتشار اولین ضوابط انجمن آمریکایی آهن در 1491 گسترش زیادی پیدا نکرد. امروزه به دلیل کیفیت مناسب ساخت و سرعت باال و مقاومت مناسب در برابر زلزله از آن درکشورهای توسعه یافته به عنوان جایگرین مناسبی برای روش های سنتی ساخت، ارایه و کاربرد وسیع آن آغاز شده است. در این مقاله بررسی کاربرد سیستم سازه ای قاب فوالدی سبک ( LGS،)و نقش آن در سبک سازی سازه ها در قیاس با سیستم های رایج ساخت و ساز در کشور، ارایه شده است. سیستم LGS در سالیان اخیر به شکل گسترده و در تولید صنعتی انواع ساختمان های اداری، تجاری و مسکونی بکارگرفته شده است. نتایج این بررسی ها نشان می دهد استفاده ازسیستم LGS به دلیل دارا بودن قابلیتهای کاهش تغییر مکان نسبی، کاهش وزن سازه تا حدود 91 درصد نسبت به سیستم فلزی رایج، کاهش مصرف بتن تا حدود 01 درصد نسبت به سازه های بتنی رایج و 01 درصد نسبت به سیستم فلزی رایج، دارای عملکرد مناسب لرزه ای و قابلیت بسیار مناسب و درعین حال ایمن می باشد، که استفاده صحیح همراه با بومی سازی آن و آموزش این سیستم در بخشهای مختلف تصمیم گیری از جمله مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن توصیه می شود.
واژه های کلیدی :سازه های سبک فوالدی ، LGS ،فوالد سرد نورد شده، انواع سیستم قاب ساختمانی
1 -مقدمه
در ساختمان های رایج، علی رغم طراحی مناسب سازه معموالا اجرای آنها از کیفیت مناسبی برخوردار نیست. به سخن دیگر رفتار واقعی سازه در مواقع سرویس دهی با آنچه طراحی شده است متفاوت است. لذا نظارت دقیق بر کیفیت اجرا و تطبیق با جزییات محاسبه شده امری کامال ضروری می باشد. از این رو ساختمانهای پیش ساخته شده در کارخانه به دلیل طی نمودن مراحل کنترل کیفیت و تولید مطابق با نقشه های محاسباتی رفتار مناسب در موقع سرویس دهی خواهند داشت. در این بین (LGS )با کیفیت ساخت کارخانه ای و اتصاالت ساده، مطمئن، مستحکم و سریع از اهمیت ویژه ای 1 قابهای سبک فوالدی برخوردار می باشند. همچنین نیاز روز افزون کشور به سطح زیر بنای بیشتر در امر مسکن، آموزش، تسهیالت بهداشتی، درمانی، رفاهی، تاسیسات صنعتی و تجاری که عمدتا از افزایش جمعیت و توسعه ناشی می شود، ایجاب می نماید که از روشهای جدیدی در ساختمان سازی استفاده گردد. در این روشها عالوه بر کاهش زمان ساخت، با صرفه جویی در مصرف مصالح ساختمانی سنتی، هزینه ساخت نیز با حفظ کیفیت مطلوب کاهش می یابد. به منظور دستیابی به اهداف فوق سیستم ساختمانی با ساخت سریع و بررسیهای فنی و اقتصادی جامعی که در آن امکانات و شرایط موجود در نقاط مختلف کشور منظور گردیده است طراحی شده و به عنوان سیستم ساختمانی سریع معرفی شده است. این نوع سیستم ها در هنگام وقوع زلزله های شدید، مقدار نیروی جانبی کمی را دریافت می کنند و به دلیل دو خاصیت ویژه، یعنی پیش ساخته بودن اعضای سازه ای و عایق حرارتی مناسب، موجب شده است که این سیستم سازه ای به طور گسترده ای در کشورهای پیشرفته ی جهان برای ساخت منازل مسکونی مورد استفاده قرار گیرد. به دلیل آن که در طراحی لرزه ای این سازه ها به روش سنتی، طراحی اتصاالت به درستی در نظر گرفته نمی شود، در این سازه ها اتصاالت به عنوان نقطه ضعف اصلی این سازه ها در هنگام وقوع زمین لرزه های شدید به شمار می آید. این در حالی است که در سازه های سبک فوالدی به علت پیش ساختگی و سهولت زیاد در بخش اجرا مشکلات ذکر شده وجود نداشته و اجرای سازه مورد نظر در واقعیت از تطابق بیشتری با طراحی در نرم افزار برخوردار است. سازه فولادی سبک که به اختصار به آن سازه (LGS)گفته می شود، یکی از سیستم های نوین ساختمانی است که برای اجرای ساختمان های با طبقات محدود (معموالا تا 5 طبقه) استفاده می شود. سیستم LGS از سیستم های مورد تایید مهندسان عمران در کشورهای توسعه یافته و مدرن می باشد. این سازه از ورق های فوالدی نورد شده برای تامین پایداری ساختمان، صفحات و تخته های گچی به عنوان پوشش درونی و قطعات دیواره خارجی به عنوان نما تشکیل شده است. این سیستم توانایی ترکیب با سیستم های سازه ای دیگر را دارا می باشد. با استفاده از این سیستم میتوان وزن سازه را تا پنجاه درصد کاهش داد و این بزرگترین امتیاز در برابر زلزله می باشد. 2 این سیستم که شباهت زیادی به روش های ساخت ساختمان های چوبی دارد، بر اساس کاربرد اجزایی به نام استاد یا وادار و 0 تراک یا رانر شکل گرفته است. از ترکیب نیمرخ های فوالدی گالوانیزه سرد نورد شده، ساختار اصلی ساختمان برپا می شود.
مقاطع مورد استفاده در این سیستم Z,C,U است که معموالا با اتصاالت سرد به یکدیگر متصل می شوند. ساخت سازه های
سبک با عملکرد صحیح مشروط به مدلسازی و بررسی های دقیق می باشد. در زمینه این بررسی ها Mahdaveinejad و همکاران به بررسی این سازه در حیطه ی سازه های شهری و مسکونی و عملکرد آنها در برابر بارهای جانبی پرداختند]2011,Mahdavinejad .]Santos و همکاران با بررسی انرژی اعمالی به بررسی سازه های سبک فوالدی پرداخته اند]2012,Santos .]استفاده از سازه های سبک فوالدی در اروپا به نحوی رو به گسترش است که ساخت سازه های مختلف با کاربری های گوناگونی مورد استفاده قرار میگیرد[2010, Directive European .[Aloisio تاثیر عملکرد سازه های سبک فوالدی را نسبت به سازه های معمول مورد بررسی قرار داد]2010, Aloisio .]Choguil با بررسی پایداری سازه های سبک فوالدی نشان داد که چنانچه این سازه ها به خوبی اجرا شوند میتوانند سازه هایی خوب جهت استفاده برای کاربری های مختلفی باشند]2007, Choguill .]
همانطور که بیان شد سازه های سبک فوالدی سازه هایی با اتصاالت سرد می باشند. در زمینه ی بررسی اتصاالت سرد در این
سازه ها، Wen-Wei رفتار این اتصاالت را مورد بررسی قرار داد]2007, Wen-Wei .]یک سازه ی خوب سازه ای است که در
برابر بارهای وارده پایدار باشد. از این رو Fallah به بررسی پایداری سازه های سبک فوالدی پرداخت]2001, Fallah .]مقاطع
فوالدی جدار نازک، ورقهای فوالدی گالوانیزه ای هستند که با استفاده از نورد سرد و با استفاده از روش Forming Roll در
کارخانه شکل دهی می شوند.
در این مقاله ضمن معرفی LGS ذکر مختصر تاریخچه تحقیقاتی آن مزایا و محاسن استفاده از LGS و همچنین معایبی که بر
سازه های موجود ساخته شده با LGS مترتب نسبت به چگونگی امکان کاهش عیوب استفاده از این فناوری در صنعت ساختمان
راه کارها و ضرورت استفاده و گسترش آن در ایران و بتدریج جایگزینی LGS و کم کردن استفاده از ساختمان های بتنی و
فوالدی سنتی که دارای بار مرده زیادی هستند و نیاز به نیروی انسانی زیاد، هزینه باال، اتالف انرژی بسیار، پرت مصالح باال و
مشکالت حمل و نقل و زمان ساخت طوالنی می باشند. همچنین به منظور مشخص شدن تفاوت های سیستم LGS با سیستم
های سنتی رایج در کشور در ساخت ساختمان های کوتاه مرتبه و میان مرتبه، در چندین پروژه ی مختلف با استفاده از سیستم
سازه ی فوالدی معمولی، سازه بتنی و سیستم LGS طراحی شده و نتایج به دست آمده با یکدیگر مقایسه شده است. پروژه های
انجام شده شامل 0 ساختمان دو طبقه، سه طبقه و پنج طبقه است که با استفاده از هر سه روش طراحی شده و مقایسه نسبتا
جامعی از نتایج بدست آمده ارایه شده است.
2 -تاریخچه سیستم قاب فوالدی سبک (LGs)
این صنعت ابتدا در ساخت پلها، هواپیما سازی و اتومبیل سازی با استفاده از خم کردن ورقه های نازک سرد استفاده می شد.
تا سال 1421 هنوز برای استفاده در ساختمان به صورت هاله ای از ابهام بود. در سال 1400 در نمایشگاه بین المللی عصر
پیشرفت در شیکاگو طراحی به نام »هوارد فیشر« معمار و مجری این طرح بود. سیستم LGS به دلیل مزایای فراوان از جمله
سرعت و کیفیت باالی ساخت و عملکرد لرزه ای مناسب در سالهای اخیر در بسیاری از کشورهای دنیا رواج قابل توجهی یافته
است. استفاده از سیستم LGS در سال 1490 در صنعت ساختمان وارد شد از سال 1441 به دالیل زیاد از جمله افزایش قیمت
چوب و محدود بودن منابع تهیه آن، مشکالت زیست وسیعی یافت، به طوری که امروزه این سیستم در آمریکا، کانادا، استرالیا،
ژاپن و بسیاری از کشور های دیگر در احداث ساختمانهای تجاری و مسکونی کوتاه مرتبه کاربرد زیادی دارد]علیپورباغی
وهمکاران،1040.]
3 -شرح سازه های سبک فوالدی سرد نورد شده و مراحل اجرای سازه
به صورت اجرایی LGS موسوم به (Frame Steel Weight Light (ساختمان های پیش ساخته فوالدی سبک خشک و عمدتا
با استفاده از اتصاالت پیچی و به روش تولید صنعتی به کار گرفته می شود. سیستم های قاب فلزی سبک متشکل از مقاطع
1 فوالدی سرد نورد شده
(CFS (از ورق گالوانیزه به شکل C , Stude و به شکل U , Runner به عنوان ستونک ها و تیرک ها
است، که ضخامت ورق های گالوانیزه برای تولید LGS،1/2 تا 0/2میلی متر می باشد و در عرض 8/1متر به صورت رولی در
کارخانجات بوسیله غلطک هایی به شکل نواری عبور داده می شود]علیپورباغی وهمکاران،1040 .]نمونه ای ازسازه LGS اجرا
شده درشکل )1 )نشان داده شده است.
شکل 1 -سازه LGS اجرا شده
4 -اجزای تشکیل دهنده سیستم LGS
اجزای اصلی تشکیل دهنده سیستم ساختمانی LGS از سه نوع مصالح ساختمانی: فوالد فرم داده شده در حالت سرد، پانل های گچی و پشم شیشه یا پشم سنگ شکل گرفته است. در واقع با اتصال قطعات فوق به یکدیگر سیستم ساختمانی LGS به وجود می آید. اجزاء تشکیل دهنده دیوارهای باربر و غیر باربر سیستم ساختمانی LGS استادها و رانرها می باشند که به شکلی پانلی بارهای عمودی و جانبی را به تکیه گاه انتقال می دهند. دیوارهای باربر به عنوان انتقال دهنده بارهای عمودی ساختمان و به عنوان نگهدارنده نمای خارجی بنا و نیز جذب کننده بارهای جانبی ساختمان از جمله باد و زلزله عمل می نمایند در صورتی که دیوارهای غیر باربر معموال برای جداسازی فضاهای داخلی بنا مورد استفاده قرار می گیرند. استادهای فوالدی را معموال از قبل برای عبور دادن تاسیسات ( الکتریکی و مکانیکی ) سوراخ کاری می کنند و این استادها را معموال از باال و پائین به رانرها و از پائین به رانرها ( عناصر اصلی افقی ) اتصال می دهند.
دیوارهای جداکننده واحدها در ساختمان های چند واحدی و یا دیوارهای جداکننده اتاق ها ( دیوارهای غیر باربر) معموال به روش های مختلف قابل اجرا می باشند. این نوع دیوارها را می توان روی کف ( به صورت خوابیده ) سرهم کرده و سپس به
عنوان بخشی از اجزاء ساختمان در محل مورد نظر نصب نمود. روش دیگر نصب رانرهای باالئی و پائینی و قرار دادن استادها در
داخل آنها ( اجرای دیوار به صورت درجا ) می باشد]عدالتی و همکاران،1040.]
موسسه سوئدی 5 SBI سه روش اجرائی برای جلوگیری از انتقال صدا بین واحدهای آپارتمانی به شرح ذیل معرفی کرده است:
دیوارهای جداکننده با دو قاب جدا از هم.
دیوارهای جداکننده با رانرهای عریض تر از استادها ( استادها یکی در میان در دو سمت از رانرها کار گذاشته می
شوند(.
دیوارهای با استادهای آکوستیکی.
در سیستم ساختمانی LGS معموال دیوارها با اتصال استادهای فوالدی به رانرهای فوالدی، بادبندی شده و با نصب پانل های
گچی به شکل پانلی ساخته می شوند. در صورت اضافه کردن بادبند این شیوه ساخت برای مقاومت در برابر بارهای جانبی، از
جمله بارهای حاصل از باد و زمین لرزه خیلی مناسب می باشد. نعل درگاه ها در سیستم ساختمانی LGS معموال به شکل تیر
I که از دو مقطع C شکل( پشت به پشت چسبیده شده باشند ) تشکیل و ساخته می شوند. همچنین در جان از استادهای
مخصوصی به نام Kingstuds جهت نصب و اجراء استفاده می شود]عدالتی و همکاران،1040.]
5 -بررسی خصوصیات سازه های LGS
اغلب مصالح مورد استفاده در سیستم سازه های فوالدی سبک قابل بازیافت بوده و 111 درصد مصالح پرتی که در طول
ساخت سیستم ایجادمیگردد، قابل بازیافت می باشد.
5-1 -انعطاف پذیری
این مقاطع میتوانند به صورت اعضای تکی و یا اینکه به صورت پانل های آماده شده در کارخانه، به سایت منتقل گردند. تنوع
ضخامت و ابعاد مقاطع جدار نازک امکان انعطاف پذیری زیادی را در مرحله طراحی ایجاد می نمایند. به عنوان نمونه در طراحی
یک سیستم خاص که ارتفاع تیرچه ها باید محدود باشد، بدون اینکه فواصل المانهای کف و یا دیوار را تغییر داد، میتوان با
تغییر ضخامت مقطع جدار نازک، این محدودیت را برآورده نمود]عدالتی و همکاران،1040.]
دوام- 2-5
در مقاطع فوالدی جدار نازک جمع شدگی و تغییر شکل و کج شدگی مقطع وجود نداشته و لذا مشکالت ایجاد شده برای
پانلهای چوبی و پانل های گچی متصل شده به این اجزای فلزی نیز به حداقل ممکن کاهش خواهد یافت. همچنین فلز یک
ماده غیراورگانیک بوده و بنابراین در مقابل رطوبت و هجوم حشرات مقاوم بوده و چرخش، کج شدگی، جدادگی، ترک و خزش
در آن ایجاد نخواهد شد]عدالتی و همکاران،1040.]
5-3 -وزن سبک
مقاطع فوالدی جدارنازک بدلیل سبک بودن به راحتی قابل حمل و جابجایی در محل کارگاه بوده و لذا هزینه مربوط به کارگر
را کاهش داده و نیز باعث خستگی مفرط نمیگردد. بدلیل اینکه فلز ماده ای است که در مقایسه با مصالح اورگانیک، در مراحل
عنوان بخشی از اجزاء ساختمان در محل مورد نظر نصب نمود. روش دیگر نصب رانرهای باالئی و پائینی و قرار دادن استادها در
داخل آنها ( اجرای دیوار به صورت درجا ) می باشد]عدالتی و همکاران،1040.]
موسسه سوئدی 5 SBI سه روش اجرائی برای جلوگیری از انتقال صدا بین واحدهای آپارتمانی به شرح ذیل معرفی کرده است:
دیوارهای جداکننده با دو قاب جدا از هم.
دیوارهای جداکننده با رانرهای عریض تر از استادها ( استادها یکی در میان در دو سمت از رانرها کار گذاشته می
شوند(.
دیوارهای با استادهای آکوستیکی.
در سیستم ساختمانی LGS معموال دیوارها با اتصال استادهای فوالدی به رانرهای فوالدی، بادبندی شده و با نصب پانل های
گچی به شکل پانلی ساخته می شوند. در صورت اضافه کردن بادبند این شیوه ساخت برای مقاومت در برابر بارهای جانبی، از
جمله بارهای حاصل از باد و زمین لرزه خیلی مناسب می باشد. نعل درگاه ها در سیستم ساختمانی LGS معموال به شکل تیر
I که از دو مقطع C شکل( پشت به پشت چسبیده شده باشند ) تشکیل و ساخته می شوند. همچنین در جان از استادهای
مخصوصی به نام Kingstuds جهت نصب و اجراء استفاده می شود]عدالتی و همکاران،1040.]
5 -بررسی خصوصیات سازه های LGS
اغلب مصالح مورد استفاده در سیستم سازه های فوالدی سبک قابل بازیافت بوده و 111 درصد مصالح پرتی که در طول
ساخت سیستم ایجادمیگردد، قابل بازیافت می باشد.
5-1 -انعطاف پذیری
این مقاطع میتوانند به صورت اعضای تکی و یا اینکه به صورت پانل های آماده شده در کارخانه، به سایت منتقل گردند. تنوع
ضخامت و ابعاد مقاطع جدار نازک امکان انعطاف پذیری زیادی را در مرحله طراحی ایجاد می نمایند. به عنوان نمونه در طراحی
یک سیستم خاص که ارتفاع تیرچه ها باید محدود باشد، بدون اینکه فواصل المانهای کف و یا دیوار را تغییر داد، میتوان با
تغییر ضخامت مقطع جدار نازک، این محدودیت را برآورده نمود]عدالتی و همکاران،1040.]
دوام- 2-5
در مقاطع فوالدی جدار نازک جمع شدگی و تغییر شکل و کج شدگی مقطع وجود نداشته و لذا مشکالت ایجاد شده برای
پانلهای چوبی و پانل های گچی متصل شده به این اجزای فلزی نیز به حداقل ممکن کاهش خواهد یافت. همچنین فلز یک
ماده غیراورگانیک بوده و بنابراین در مقابل رطوبت و هجوم حشرات مقاوم بوده و چرخش، کج شدگی، جدادگی، ترک و خزش
در آن ایجاد نخواهد شد]عدالتی و همکاران،1040.]
5-3 -وزن سبک
مقاطع فوالدی جدارنازک بدلیل سبک بودن به راحتی قابل حمل و جابجایی در محل کارگاه بوده و لذا هزینه مربوط به کارگر
را کاهش داده و نیز باعث خستگی مفرط نمیگردد. بدلیل اینکه فلز ماده ای است که در مقایسه با مصالح اورگانیک، در مراحل
