اسکلت ساختاری LSF

فولاد، ستون فقرات ساخت و ساز مدرن

فولاد ماده‌ای است که نه‌تنها نسبت مقاومت به وزن بالایی دارد، بلکه برای ساخت و ساز از انعطاف‌پذیری فوق‌العاده‌ای در طراحی برخوردار است. به همین دلیل، استفاده از این ماده در صنعت ساختمان‌سازی بسیار پرطرفدار می‌باشد. سیستم LSF یکی از انواع روش‌های ساخت و ساز است که عنصر کلیدی آن ورق‌های فولادی گالوانیزه می‌باشد. استفاده از این ماده ایده‌آل در روش نوین ال اس اف سبب می‌شود تا علاوه بر تضمین استحکام سازه، سازگاری صنعت ساخت و ساز با محیط زیست افزایش یابد.

LSF چیست؟

«Lightweight Steel Frame» که به اختصار LSF نامیده می‌شود، به معنای سازه سبک فولادی می‌باشد. این مفهوم به یک سیستم ساختمان‌سازی اشاره دارد که برای اجرای ساختمان‌هایی با ارتفاع کم، سرعت بالای ساخت، هزینه مقرون‌به‌صرفه و سازگار با محیط زیست مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای آشنایی با مفهوم پایه این سیستم، ال اس اف چیست؟ را ببینید.

امروزه، سیستم سازه فولادی سبک به‌عنوان یک سیستم اقتصادی و مقاوم در برابر زلزله پیشنهاد داده می‌شود. با توجه به ماهیت سبک سازه‌های LSF، عملکرد لرزه‌ای ساختمان‌ها بهبود یافته است. برای مطالعه بیشتر درباره این ویژگی، ضد زلزله را ببینید.

سازه LSF؛ زبانی مشترک در صنعت ساخت و ساز

در زمینه صنعت ساخت و ساز، اصطلاح «سازه» به هر چیزی اطلاق می‌شود که از قسمت‌های مختلف و مرتبط با یکدیگر در یک مکان ثابت بر روی زمین ساخته شود. سازه وظیفه حفظ شکل و ظاهر بنا را که تحت تأثیر نیروهای محیط قرار می‌گیرد، بر عهده دارد.

فولاد یکی از اساسی‌ترین مواد در صنعت ساخت و ساز است و می‌توان گفت بیش از ۵۰ درصد تقاضای فولاد در جهان در جهت به‌کارگیری آن در این صنعت می‌باشد. انواع ساختمان‌ها، از خانه‌ها گرفته تا پارکینگ‌ها، مدارس و حتی آسمان‌خراش‌ها، برای مقاوم‌سازی خود از فولاد بهره می‌برند. در طول سالیان گذشته، سیستم‌های پیشرفته متنوعی برای استفاده در امور ساختمان‌سازی یافت شده است. سیستم «سازه‌های فولادی سبک» یا همان «Light Weight Steel Frame» در دهه‌های اخیر یکی از پرطرفدارترین روش‌های ساخت در بیشتر نقاط جهان بوده است.

ورق‌های فولادی مورد استفاده در تولید این نوع سازه‌ها، در یک فرآیند شکل‌دهی سرد (Cold Form) و بدون استفاده از حرارت تولید می‌شود. به علاوه، سطح این ورق‌های فولادی که توسط آلیاژ «روی» به‌طور کامل پوشانده می‌شود، می‌تواند آن را در مقابل عوامل خورنده محیطی محافظت کند.

همه این موارد منجر به احداث ساختمانی منسجم، سخت، منعطف، پایدار و نیز سبب تسریع در ساخت شده، به‌گونه‌ای که هزینه‌های ساخت را به شدت کاهش می‌دهد. سیستم LSF یک انتخاب جذاب برای استفاده در امور مربوط به ساختمان، به‌ویژه از نقطه‌نظر نگرانی‌های مربوط به کاهش تخریب جنگل‌ها و سازه با بتن مسلح می‌باشد.

با جزئیات اسکلت سازه ال اس اف بیشتر آشنا شویم

صفحه زیرین (Bottom Plate): صفحه‌ای که انتهای زیرین دیواره‌ها را پوشش می‌دهد. صفحه زیرین دارای بال و جان می‌باشد ولی بدون لبه.

تیرک سقف (Ceiling Joist): یک عضو قابی سازه‌ای افقی که بار سقف را تحمل می‌کند.

عضو C شکل (C Section): برای اعضای قاب سازه‌ای مانند نشیمن تیر، تیرچه، شاه‌تیر و تیرهای عرضی و خرپا استفاده می‌شود. نام آن از شکل سطح مقطع عضو که شبیه حرف C است و شامل قسمت‌های جان، بالا و لبه می‌باشد، به وجود آمده است. عمق جان عضو C شکل و اندازه‌های بال از روی ابعاد خارجی آن خوانده می‌شوند.

گیره (Clip Angle): یک قطعه فلزی کوتاه L شکل، عموماً با زاویه ۹۰ درجه، که برای اتصالات استفاده می‌شود.

شکل‌دهی سرد (Cold Forming): فرآیندی که اعضای فولادی سبک بدون استفاده از حرارت تولید می‌شوند.

فلنج یا بال (Flange): قسمتی از عضو C شکل که عمود بر جان عضو می‌باشد.

تسمه صاف (Flat Strap): فولاد ورق بریده‌شده با پهنای خاص و بدون هیچ خمشی که عموماً برای مهاربندی و دیگر کاربردهای در سطح استفاده می‌شود.

تیرک کف (Floor Joist): یک سازه قابی افقی که بارهای کف را تحمل می‌کند.

فولاد گالوانیزه (Galvanized Steel): فولادی که دارای حفاظ پوششی زینک برای مقاومت در مقابل خوردگی می‌باشد. میزان حفاظ پوششی با وزن پوشش گالوانیزه بر سطح فولادی محاسبه می‌شود.

گیج (Gauge): یک واحد اندازه‌گیری رایج برای توصیف ضخامت اسمی فولاد است. گیج کمتر به معنی ضخامت بیشتر است.

هدر (Header): یک سازه قابی افقی ساخته‌شده که برای تحمل بار بازشوهای دیواره یا سقف هنگام باز شدن استفاده می‌شود.

قاب‌بندی هم‌راستا (In-Line-Framing): سیستم‌های قابی که تمامی اعضای حامل بارهای افقی و عمودی تراز شده‌اند.

وادار کوتاه (Jack Stud): یک عضو سازه‌ای عمودی که تمامی ارتفاع دیواره را در بر نمی‌گیرد و بارهای عمودی و بارهای جانبی افقی را مانند بار هدر تحمل می‌کند.

ستون اصلی (King Stud): یک عضو سازه‌ای عمودی که تمام ارتفاع دیواره را در بر می‌گیرد و بارهای عمودی و جانبی را تحمل می‌کند. عموماً در دو انتهای هدر مجاور وادار کوتاه به جهت مقاومت در مقابل بارهای جانبی قرار می‌گیرند.

لبه (Lip): بخشی از یک عضو C شکل که از انتهای باز بال خم شده است. این لبه خواص مقاومتی عضو را افزایش داده و به‌عنوان یک سخت‌کننده برای بال عمل می‌کند.

دیوارهای تحت بار (Load Bearing Wall): دیواری که بار عمودی را از بالا و بارهای ناشی از باد را تحمل می‌کند. این بارها ممکن است به‌طور مجزا یا ترکیبی عمل کنند. هر دو حالت دیوار داخلی و خارجی ممکن است تحت بار باشند.

ضخامت مصالح (Material Thickness): ضخامت فلز اصلی بدون در نظر گرفتن پوشش حفاظتی. ضخامت‌ها در واحد میل ارائه می‌شوند (به‌طور رایج در واحد گیج ارائه شده است).

میل (Mil): یک واحد اندازه‌گیری که نوعاً در اندازه‌گیری ضخامت عناصر باریک استفاده می‌شود. یک میل برابر با یک هزارم اینچ می‌باشد.

دهانه چند تکه (Multiples Pan): دهانه‌ای که با یک عضو ممتد و ساپورت‌های میانی ساخته شده باشد.

دیوار بدون بار (Non-Load Bearing Wall): دیوارهایی که هیچ باری را تحمل نمی‌کنند.

حفره (Punch-Out): یک سوراخ در جان عضو قاب فولادی که اجازه عملیات لوله‌کشی، اتصالات الکتریکی و برقی و دیگر انواع نصب را می‌دهد.

تیر عرضی (Rafter): یک عضو سازه‌ای قابی که بارهای سقف را تحمل می‌کند.

دیوار برشی (Shear Wall): دیواری که قادر است در مقابل نیروهای جانبی به جهت جلوگیری از نیروهای باد و زلزله مقاومت کند و به‌طور موازی با صفحات دیواره قرار می‌گیرد.

تک دهانه (Single Span): دهانه‌ای که با یک عضو سازه‌ای ممتد بدون هیچ‌گونه ساپورت میانی ساخته شده است.

دهانه (Span): یک فاصله افقی مشخص بین اعضای حامل بار.

پوشش سازه‌ای (Structural Sheathing): پوششی که به‌طور مستقیم (ورق فولادی) روی اعضای سازه (ستون‌ها و تیرک‌ها) به جهت توزیع بار، تقویت دیوارها و مقاوم‌سازی مجموعه به کار می‌رود.

ستون یا وادار (Stud): عضو سازه‌ای عمودی یک مجموعه که بارهای عمودی و بارهای جانبی انتقالی را تحمل می‌کند.

صفحه بالاسری (Top Plate): صفحه‌ای که به جهت انتقال بار خرپای سقف به ستون‌ها استفاده می‌شود. به‌طوری که ستون‌ها به‌طور مستقیم زیر نقاط بار خرپا قرار نگرفته‌اند. صفحه بالاسری دارای جان و بال ولی بدون لبه می‌باشد.

شیار (Track): برای کاربردهایی از قبیل صفحات بالاسری و پایینی، برای دیوارها و تیرک‌ها، سیستم‌های کف استفاده می‌شود. شیار دارای جان و بال ولی بدون لبه می‌باشد. اندازه‌های عمق جان شیار از داخل بال‌ها به دست می‌آید.

جان (Web): بخشی از عضو C شکل یا شیار که دو بال را به هم متصل می‌کند.

تقویت‌کننده جان (Web Stiffener): عضو اضافی که به جان متصل می‌شود تا عضو را در مقابل آسیب‌های وارده به جان تقویت کند.

تنش تسلیم (Yield Strength): یک خاصیت ذاتی فولاد. بالاترین حد تنش که ماده می‌تواند قبل از رخ دادن تغییر شکل پلاستیک تحمل کند.

سیستم دیواره

دیوارهای تحت بار: دیواری است که بارهای عمودی را از سازه بالاسری یا بارهای جانبی را در نتیجه وزش باد تحمل می‌کند. برای بازشوهای بیشتر از ۱۲۰۰ میلی‌متر در دیوارهای تحت بار، تیر سر درب ضروری می‌باشد. تیرهای سردر زیر سقف‌های فلزی ورق‌ای اساساً برای بارهای به سمت بالا که ناشی از باد روی سازه بام می‌باشد طراحی شده‌اند. در دیوارهای معین به جهت مهیا کردن مقاومت در مقابل بارهای ناشی از باد نیاز به مهاربندی می‌باشد.

دیوارهای بدون بار: دیوارهای داخلی که بارهای طبقه یا خرپا را تحمل نمی‌کنند، دیوارهای بدون بار در نظر گرفته می‌شوند.

جزئیات دیوار و اتصالات: قاب‌های فولادی با صفحات پایینی بعد از این‌که تمامی پانل‌ها به دقت تنظیم شدند به سازه کف بسته می‌شوند. برای ثابت کردن قاب فلزی روی کف بتنی با مصالح بنایی عموماً از پیچ، پرچ یا مصالح شیمیایی استفاده می‌شود.

بازشوهای دیوار

قاب درها و پنجره‌های خارجی: قاب درها و پنجره‌ها مشابه با سازه‌های چوبی در اینجا نیز مورد استفاده است. اگر قاب پنجره آلومینیومی داخل چوب فیت شده باشد، می‌توان آن را با بستن از طریق تیرهای میانی به پشت آن بعد از قرار دادن کامل نصب کرد.

قاب درهای داخلی: قاب‌های درهای چوبی در دیوارهای داخلی می‌توانند با میخ یا پیچ به‌طور نامحسوس به پشت ستون‌های میانی فیکس شوند.

پوشش دیوار و پارتیشن‌ها

در دیوارهای خارجی می‌توان عایق‌های فویل‌دار انعکاسی را به بال خارجی ستون‌های فولادی با پیچ‌های خودکار و واشرهای تخت ۲۵ میلی‌متری متصل کرد. برای سازه‌های تک‌جداره، ورقه‌های سیمانی پانل‌شکل می‌توانند با پیچ خودکار به سازه فولادی متصل شوند.

سیستم کف

سیستم کف می‌تواند از عضو C شکل به‌صورت تیرک‌های متصل به ستون حامل ساخته شود. تیرک‌های کف می‌توانند در رنج سایزهای عضوهای C شکل بسته به پارامترهای بارگذاری طراحی شوند. سیستم‌های کف با تیرهای به‌صورت مشبک، کف مستحکم‌تری را تشکیل می‌دهند. این کار می‌تواند صداهای ناهنجار در اثر خوب بسته نشدن کف به تیرها را حذف کند.

سیستم بام

سازه بام مجموعاً یک سیستم خرپای فولادی است که می‌تواند با ورقه‌های فلزی یا پانل‌ها طراحی شود. این یک سیستم خرپای بام است که شامل C75 و C100 به‌عنوان عضوهای مورب و اعضای خرپا استفاده می‌شود. سیستم بام فولادی می‌تواند تمامی انواع Hip، Gable و Dutch Gable و ورق‌های بام فولادی را انجام دهد و می‌تواند به‌طور مستقیم به قاب دیواره متصل شود.

سرویس مکانیکی و الکتریکی (M & E)

سوراخ‌های از پیش پانچ‌شده در جان قاب فولادی اجازه می‌دهد تا کار تأسیسات برقی و تأسیسات مکانیکی در سیستم قاب دیوارها انجام گیرد. به جهت محافظت از سیم‌ها و لوله‌ها در مقابل خوردگی و آسیب در اثر ارتعاشات، حلقه‌های لاستیکی و عایق‌های سیلیکونی استفاده می‌شود.

جدول مقایسه عملکرد سازه LSF با سازه‌های رایج

بر اساس مطالعه‌ای که در نشریه علمی Civilica منتشر شده، جابه‌جایی هدف در سازه LSF برابر ۲.۲ سانتی‌متر و نیروی متناظر با آن ۱۴.۵ تن گزارش شده است، در حالی که این ارقام برای سازه بتنی به‌ترتیب ۱۲.۳ سانتی‌متر و ۳۸۳.۶۹ تن و برای سازه فولادی سنگین ۱۲.۶ سانتی‌متر و ۳۱۳.۸۸ تن است. این داده‌ها نشان می‌دهد که نیروی وارد بر سازه LSF به‌طور چشمگیری کمتر از سایر سیستم‌ها است. همچنین، مطالعات نشان می‌دهد که میزان برش پایه در سیستم LSF در مقایسه با سیستم بتن مسلح ۵۵.۵ درصد و در مقایسه با سیستم فلزی ۳۸.۱ درصد کاهش می‌یابد.

آنچه اسکلت LSF را به یک انتخاب راهبردی تبدیل می‌کند

اسکلت ساختاری LSF دارای جزئیات بی‌شماری است که سبب می‌شود این سیستم به یک انتخاب عالی جهت ساخت و ساز تبدیل گردد. توجه به تمامی این جزئیات نه‌تنها در استحکام و مقاومت سازه اثرگذار است، بلکه در سرعت، هزینه، مصرف مواد و مصالح و نیز انرژی بسیار تأثیرگذار می‌باشد.

این میزان از دقت در طراحی، تولید و اجرای سازه‌های LSF آن را به یک روش محبوب در میان سازندگان تبدیل نموده است. اسکلت ضد زلزله LSF به دلیل برخورداری از پتانسیل و سرعت ساخت بالا جهت انبوه‌سازی ساختمان به کار برده می‌شود. فرآیند طراحی و تولید ال اس اف به‌گونه‌ای سازمان یافته که همه اجزا پیش از ارسال به سایت، آماده نصب هستند. عملکرد لرزه‌ای این سازه‌ها نیز به دلیل وزن سبک و اتصالات پیچی، در طول عمر مفید خود حفظ می‌شود.

پرسش‌های پرتکرار

عضو C شکل چیست و چه نقشی دارد؟ عضو C شکل یک پروفیل فولادی سرد نورد شده با مقطع شبیه حرف C است که برای اعضای قاب سازه‌ای مانند تیرچه، شاه‌تیر و خرپا استفاده می‌شود و بارهای سازه‌ای را تحمل می‌کند.

دیوار برشی در LSF چه عملکردی دارد؟ دیوار برشی دیواری است که در مقابل نیروهای جانبی ناشی از باد و زلزله مقاومت می‌کند و به‌طور موازی با صفحات دیواره قرار می‌گیرد. این دیوارها بخشی از سیستم مقاوم‌سازی سازه LSF هستند.

حداکثر ارتفاع مجاز برای ساخت با LSF چقدر است؟ طبق ضوابط، استفاده از سیستم LSF با مهاربندی مناسب در ساختمان‌های تا ۵ طبقه یا ارتفاع ۱۸ متر از تراز پایه مجاز می‌باشد. برای ارتفاع بیشتر، نیاز به ترکیب با سازه‌های سنگین‌تر یا روش‌های مکمل است.