اسکلت فلزی بهتری است یا اسکلت فولادی؟

تعریف سازه فولادی

سازه فولادی یا اسکلت فولادی (Structural Steel Design) به سیستم‌ ساختاری اطلاق می‌شود که از فولاد به عنوان ماده اصلی برای تشکیل اسکلت و تحمل بارهای سازه‌ای استفاده می‌کنند. این نوع سازه‌ها، معمولاً شامل اجزای فولادی همچون تیر، ستون‌، خرپا و سایر المان‌های فلزی هستند که به‌طور مهندسی طراحی و با روش‌های خاصی به یکدیگر متصل می‌شوند.

انواع سازه فولادی

سازه فولادی ساختمان در انواع مختلف تولید می‌شود. در ادامه شما را با انواع سازه فولادی آشنا می‌کنیم.

۱. اسکلت فلزی قابی (Framed Structures)

سازه فلزی قابی معمولاً شامل ستون‌ها و تیرهای فولادی است که به‌صورت افقی و عمودی با اتصالات پیچ و مهره‌ای یا جوشی به هم متصل می‌شوند. این سازه فلزی ساختمان، بسیار مستحکم است و می‌تواند بارهای سنگین را تحمل کند.

در سازه فولادی قابی، فضای داخلی می‌تواند به‌طور آزاد و بدون ستون‌های اضافی طراحی شود؛ به همین دلیل برای ساختمان‌های بلند، سوله‌ها و ساختمان‌های تجاری کاربرد دارند. این سازه فلزی ساختمان، امکان انعطاف‌پذیری بالا در طراحی فضاها را فراهم می‌کند.

۲. اسکلت فولادی خرپایی (Truss Structures)

خرپاها از تیرهای فولادی به‌صورت مثلثی و مشبک ساخته می‌شوند. این سازه فولادی ساختمان به دلیل ویژگی‌های هندسی خود، می‌تواند بارهای فشاری و کششی را به‌خوبی انتقال دهد. خرپاها به‌ویژه برای پوشش دهانه‌های وسیع، بدون نیاز به ستون میانی کاربرد دارند. از این نوع اسکلت فلزی بیشتر در ساخت پل‌ها، سقف‌های بزرگ، سازه‌های گلخانه‌ای و حتی سازه‌های سقف سوله‌ها استفاده می‌شود. خرپاها برای پروژه‌هایی که نیاز به پوشش‌های سبک و مقاوم دارند بسیار مناسب هستند.

۳. اسکلت فلزی پوسته‌ای (Shell Structures)

سازه فلزی پوسته‌ای از ورق‌های فولادی نازک ساخته می‌شود که به‌صورت خمیده یا منحنی در می‌آید. این سازه فلزی ساختمان، به دلیل داشتن شکل هندسی خاص، بارهای فشاری را به‌خوبی توزیع کرده و در عین حال وزن کمتری نسبت به سازه‌های دیگر دارند. سازه فلزی پوسته‌ای برای پوشش فضاهای بزرگ و بدون نیاز به ستون میانی مناسب است.

به‌طور مثال، در طراحی سقف‌های مخازن ذخیره‌سازی یا سیلوها و همچنین در پروژه‌های معماری نوآورانه و ساختمان‌های خاص، اسکلت فولادی پوسته‌ای به‌کار می‌رود.

۴. سازه فلزی معلق (Suspension Structures)

این سازه فولادی ساختمان از کابل‌های فولادی بهره می‌برد تا بارها را به‌طور معلق و بدون نیاز به ستون‌های میانی تحمل کند. این ساختار برای پوشش دهانه‌های بسیار بزرگ یا ارتفاعات زیاد مناسب‌ است. پل‌های معلق مشهوری مانند پل‌های «گلدن گیت» یا «کمبریج» نمونه‌های خوبی از این نوع از انواع سازه فولادی هستند.

از ویژگی‌های مثبت این سازه فولادی ساختمان می‌توان به امکان طراحی فضاهای وسیع و سبک بدون ایجاد تداخل با فضای زیرین اشاره کرد.

هزینه اسکلت فلزی در سازه فلزی معلق معمولا زیاد است.

۵. سازه‌های فضاکار (Space Frame Structures)

سازه‌های فضاکار از ترکیب خرپاها و شبکه‌های فولادی در سه بعد ساخته می‌شوند. این ساختارهای سه‌بعدی توانایی تحمل بارهای سنگین و فشارهای مختلف را دارند و می‌توانند دهانه‌های وسیعی را بدون نیاز به ستون‌های میانی پوشش دهند. از این نوع اسکلت فلزی به‌طور گسترده در ساخت سالن‌های ورزشی، نمایشگاه‌ها و سوله‌های صنعتی استفاده می‌شود. طراحی سازه فلزی ساختمان سرپایی اغلب به‌صورت مشبک و پیچیده است، که این خود یکی از ویژگی‌های برجسته آن است.

۶. سازه فولادی کابلی (Cable Structures)

در این سازه فولادی ساختمان، نیروهای اعمالی از طریق کابل‌های فولادی به سیستم منتقل می‌شوند. این نوع سازه‌ها می‌توانند بارهای بزرگ را با استفاده از سیستم‌های کششی تحمل کنند.

معمولاً سازه فولادی کابلی در ساخت پل‌ها، سقف‌های بزرگ یا سازه‌های هنری با طراحی خاص استفاده می‌شود. این نوع از انواع سازه فولادی، به‌ویژه در پروژه‌هایی که به زیبایی‌شناسی و عملکرد همزمان نیاز دارند، کاربرد دارد.

۷. سازه‌های ترکیبی (Composite Structures)

سازه‌های ترکیبی از ترکیب فولاد و بتن ساخته می‌شوند تا از مزایای هر دو ماده بهره‌مند شوند. در این نوع سازه‌ها، معمولاً بتن به‌عنوان ماده‌ای برای تحمل بارهای فشاری و فولاد برای تحمل بارهای کششی استفاده می‌شود. این ترکیب به سازه‌ها استحکام و انعطاف‌پذیری بالایی می‌دهد و در نتیجه مناسب برای پروژه‌هایی مانند پل‌ها و ساختمان‌های بلند است.

۸. سازه‌های پیش‌ساخته (Pre-engineered Structures)

سازه‌های پیش‌ساخته نوعی اسکلت فولادی هستند که در کارخانه طراحی و تولید شده و سپس در محل نصب می‌شوند. این نوع سازه‌ها به‌ویژه برای ساخت سوله‌، انبار و ساختمان‌های صنعتی کاربرد دارد. ویژگی اصلی سازه‌های پیش‌ساخته، سرعت بالا در نصب و کاهش زمان ساخت است. همچنین، این سازه‌ها از کیفیت بالا و دقت ساخت زیادی برخوردارند.

هزینه اسکلت فلزی در سازه‌های پیش‌ساخته معمولا کمتر است.

9. سازه‌های لوله‌ای (Tubular Structures):

در این نوع سازه‌ها، از لوله‌های فولادی برای تشکیل ستون‌ها و تیرها استفاده می‌شود. این لوله‌ها به‌طور معمول به‌صورت شبکه‌ای به هم متصل می‌شوند تا استحکام بالایی را در برابر بارهای خارجی فراهم کنند. این نوع سازه فلزی برای پروژه‌هایی مانند پل‌ها، برج‌ها و ساختمان‌های بلند کاربرد دارند. استفاده از لوله‌ها علاوه بر استحکام بالا، باعث کاهش وزن سازه‌ نیز می‌شود.

هزینه اسکلت فلزی در اسکلت‌هایی که به وسیله لوله ساخته می‌شوند، متوسط است. دلیل آن هم توخالی بودن لوله است که نیاز به مصالح را کم می‌کند.

هزینه اسکلت فلزی به چه عواملی وابسته است؟

هزینه اسکلت‌های فلزی توسط عوامل مختلفی تعیین می‌شود. در ادامه عوامل موثر بر هزینه اسکلت فلزی را معرفی می‌کنیم.

۱. نوع و کیفیت فولاد

یکی از اصلی‌ترین عوامل تأثیرگذار بر هزینه اسکلت‌های فلزی، نوع و کیفیت فولادی است که برای ساخت سازه استفاده می‌شود. فولادهای مختلف از نظر مقاومت، وزن، ترکیب شیمیایی و قیمت تفاوت دارند. به طور کلی، فولادهای با کیفیت بالاتر یا آن‌هایی که دارای ویژگی‌های خاصی مانند مقاومت در برابر خوردگی یا دمای بالا هستند، گران‌تر هستند.

۲. مقیاس و ابعاد پروژه

مقیاس و ابعاد پروژه به‌طور مستقیم بر هزینه اسکلت فلزی تأثیر می‌گذارند. در پروژه‌های بزرگ، نیاز به استفاده از مقادیر زیادی فولاد، اتصالات، و تجهیزات بیشتر می‌باشد که هزینه‌های بیشتری را در بر خواهد داشت. به علاوه، سازه فلزی ساختمان با ابعاد بزرگ‌تر معمولاً نیاز به طراحی پیچیده‌تر و دقیق‌تری دارد که می‌تواند هزینه‌بر باشد.

۳. پیچیدگی طراحی و اتصالات

هر چه طراحی اسکلت فلزی پیچیده‌تر باشد، نیاز به فولاد و اتصالات خاص بیشتری دارد. در پروژه‌هایی که طراحی آن‌ها نیاز به محاسبات دقیق و اتصالات پیچیده‌ای دارند، هزینه‌ها بالاتر خواهد بود. اتصالات خاص، مانند جوش‌های پیچیده یا سیستم‌های مخصوص برای افزایش استحکام نیز هزینه‌ها را افزایش می‌دهند.

۴. موقعیت جغرافیایی و حمل و نقل

موقعیت جغرافیایی سازه فولادی ساختمان نقش مهمی در هزینه نهایی دارد. اگر پروژه در مکانی دور افتاده یا با دسترسی محدود قرار داشته باشد، هزینه‌های حمل و نقل مواد اولیه (فولاد و تجهیزات) افزایش می‌یابد. علاوه بر این، نیاز به حمل‌و‌نقل در شرایط خاص مانند مناطق کوهستانی یا شهرهای شلوغ نیز می‌تواند هزینه اسکلت فلزی را بالا ببرد.

5. نوع سازه فلزی

نوع سازه فولادی نیز تأثیر زیادی بر هزینه‌ها دارد. برای مثال، سازه‌های قابی معمولاً ساده‌تر از سازه‌های خرپایی یا فضاکار هستند. در سازه‌های خرپایی، از قطعات کوچکتر فولادی برای ساخت شبکه‌هایی استفاده می‌شود که در بعضی موارد نیاز به فولاد بیشتری دارد و ساخت آن پیچیده‌تر است.

همچنین، انواع سازه فولادی پیچیده‌تر، مانند سازه‌های فضاکار یا پوسته‌ای نیاز به طراحی ویژه و همچنین مواد با ویژگی‌های خاص دارند که هزینه اسکلت‌های فلزی را بالا می‌برد.

6. نوع اتصالات (جوشی، پیچ‌ومهره‌ای)

نوع اتصالات مورد استفاده در سازه فولادی تأثیر زیادی بر هزینه دارد. اتصالات جوشی به دلیل نیاز به مهارت بالاتر در جوشکاری و دقت بیشتر، ممکن است گران‌تر از اتصالات پیچ‌ومهره‌ای باشند. همچنین، جوشکاری در بعضی شرایط مانند رطوبت بالا یا دماهای خاص، نیازمند تجهیزات و مواد خاصی است که باعث افزایش هزینه‌های اسکلت فولادی می‌شود.

7. شرایط آب و هوایی و مقاومت در برابر خوردگی

شرایط آب و هوایی منطقه ساخت اسکلت فلزی نیز می‌تواند بر هزینه اسکلت فلزی تأثیر بگذارد. در مناطقی که رطوبت بالا یا شرایط جوی بدی دارند، نیاز به استفاده از فولاد ضدزنگ یا پوشش‌های خاص ضد خوردگی است که هزینه‌ها را افزایش می‌دهد.

8. مدت زمان اجرای پروژه

مدت زمان اجرای پروژه سازه فولادی نیز می‌تواند بر هزینه تأثیر بگذارد. اگر لازم باشد پروژه در مدت زمان کوتاه‌تری به پایان برسد، معمولاً نیاز به کار اضافی، نیروی کار بیشتر و استفاده از تجهیزات خاص برای سرعت بخشیدن به فرآیند نصب اسکلت فولادی خواهد بود. این موارد می‌تواند هزینه‌ها را افزایش دهند. همچنین، زمان بیشتر برای نصب می‌تواند به تأخیر در پروژه ساخت سازه فلزی منجر شود که هزینه‌های اضافی ایجاد خواهد کرد.

9. مقاومت و استانداردهای لرزه‌ای

در مناطق زلزله‌خیز، سازه فولادی باید مطابق با استانداردهای مقاومت در برابر زلزله ساخته شود. این امر معمولاً به استفاده از فولاد بیشتر، طراحی دقیق‌تر و اعمال تغییرات خاص در اتصالات نیاز دارد که هزینه‌ها را بالا می‌برد.

مزایای سازه فولادی ساختمان

استفاده از سازه فولادی ساختمان با مزایای زیر همراه است.

• مقاومت بالا: فولاد دارای مقاومت کششی و فشاری بالایی است که امکان ساخت سازه فولادی مستحکم و ایمن را فراهم می‌کند.

• نسبت مقاومت به وزن مناسب: به دلیل نسبت بالای مقاومت به وزن، اسکلت فولادی سبک‌تر از سازه‌های بتنی است که این امر منجر به کاهش بار مرده ساختمان می‌شود.

• سرعت ساخت بالا: امکان پیش‌ساخت قطعات فولادی در کارخانه و مونتاژ سریع آن‌ها در محل پروژه، زمان ساخت انواع سازه فولادی را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.

• انعطاف‌پذیری در طراحی: فولاد به‌راحتی به اشکال مختلف قابل فرم‌دهی است که این امر آزادی عمل بیشتری در طراحی اسکلت فلزی فراهم می‌کند.

• پیوستگی و همگنی مصالح: فولاد ماده‌ای همگن و ایزوتروپیک است که خواص آن در تمام جهات یکسان بوده و این امر پیش‌بینی رفتار سازه فلزی را آسان‌تر می‌کند.

• امکان توسعه و تقویت: در صورت نیاز، می‌توان سازه فلزی ساختمان را با افزودن قطعات جدید یا تقویت اعضای موجود، به‌راحتی توسعه داد یا مقاوم‌سازی کرد.

معایب سازه فلزی ساختمان

در کنار مزایای زیاد سازه فولادی ساختمان دارای معایب زیر هم هست.

• حساسیت به خوردگی: فولاد در معرض رطوبت و شرایط جوی نامناسب دچار زنگ‌زدگی می‌شود که نیاز به نگهداری و پوشش‌های را در سازه فولادی ضروری می‌سازد.

• مقاومت کم در برابر حرارت: در دماهای بالا، مقاومت اسکلت فولادی کاهش می‌یابد و ممکن است در برابر آتش‌سوزی آسیب‌پذیر باشد؛ لذا استفاده از پوشش‌های ضدحریق ضروری است.

• هزینه‌های بالاتر: قیمت فولاد و هزینه‌های مرتبط با تولید، حمل و نصب آن معمولاً بالاتر از مصالحی مانند بتن است.

• نیاز به دقت در اجرا: اتصالات فولادی، به‌ویژه جوش‌ها، نیاز به دقت و کنترل کیفیت بالایی دارند و هرگونه نقص می‌تواند به کاهش ایمنی اسکلت فلزی منجر شود.

• کمانش اعضا: به دلیل ابعاد نسبتاً کوچک اعضای فولادی، احتمال کمانش در آن‌ها وجود دارد که نیازمند طراحی دقیق و استفاده از مهاربندها است.

سوال‌های متداول درباره سازه فلزی

در ادامه سوالات رایج درباره انواع سازه فولادی را مطرح کرده و به آنها پاسخ می‌دهیم.

تفاوت سازه‌های فولادی و بتنی چیست؟

سازه‌های فولادی سبک‌تر هستند و سریع‌تر اجرا می‌شوند، در حالی که سازه‌های بتنی مقاومت بیشتری در برابر حرارت و خوردگی دارند. انتخاب بین این دو به نوع پروژه و شرایط محیطی بستگی دارد.

چگونه از خوردگی سازه فولادی جلوگیری کنیم؟

برای جلوگیری از خوردگی، معمولاً از پوشش‌های محافظ مانند گالوانیزه یا رنگ‌های ضدزنگ استفاده می‌شود. همچنین، طراحی مناسب برای جلوگیری از تجمع رطوبت مؤثر است.

سازه‌های فولادی تا چند طبقه قابل احداث هستند؟

با توجه به مقاومت فولاد، می‌توان ساختمان‌های بسیار بلند مانند برج‌های ۱۰۰ طبقه یا بیشتر را با انواع سازه فولادی ساخت. مثال بارز این موضوع، برج خلیفه دبی است.

آیا سازه‌های فولادی در برابر زلزله مقاوم‌اند؟

بله، سازه‌های فولادی به دلیل انعطاف‌پذیری و استحکام بالا، توانایی جذب و مستهلک کردن انرژی زلزله را دارند و عملکرد خوبی در این شرایط نشان می‌دهند.

هزینه نگهداری سازه‌های فولادی چقدر است؟

هزینه نگهداری سازه فلزی ساختمان شامل بازرسی‌های دوره‌ای و اعمال پوشش‌های محافظ است. اگرچه ممکن است این هزینه‌ها زیاد باشد، اما در صورت نگهداری مناسب، سازه عمر طولانی خواهد داشت.

چه نوع اتصالاتی در سازه‌های فولادی استفاده می‌شود؟

اتصالات معمول شامل اتصالات جوشی و پیچ و مهره‌ای هستند. اتصالات جوشی دائمی و مستحکم‌اند، اما پیچ و مهره‌ای امکان جداسازی و تعویض قطعات را فراهم می‌کنند.