طراحی و اجرای انواع سازه های فلزی و بتنی

*ساختمان‌های سازه بتنی
ساختمان‌های با سازه بتنی نسبت به ساختمان سازه فولادی سرعت اجرای پایین‌تری دارند ولی هزینه‌های اجرا و سرمایه اولیه کمتری می‌طلبد. این ساختمان‌ها در برابر آتش‌سوزی مقاومت بیشتری نیز دارند. انواع ساختمان‌های بتنی را می توان بصورت زیر دسته‌بندی کرد:

1- ساختمان‌های سازه بتنی با قاب خمشی :
سیستم قاب خمشی نوعی سیستم سازه‌ای است که در آن نیروهای استاتیکی (بارهای تقلی) و نیروهای دینامیکی (نیروی زلزله و باد) هردو توسط تیرها و ستون ها تحمل می‌شوند. در این ساختمان‌ها چون بجز تیرها و ستون ها عضو دیگر سازه‌ای وجود ندارد بنابراین تغییر مکان‌های ساختمان بیشتر بوده و ساختمان از شکل‌پذیری بالایی نیز برخوردار است. همین شکل‌پذیری زیاد سبب می‌شود تا ساختمان در زمان زلزله با انجام تغییر شکل، نیروی زلزله را در خود جذب کند. باید دانست که این تغییرشکل‌ها باید در محدوده مجاز بوده تا به جزئیات معماری ساختمان در زمان زلزله آسیبی وارد نشود. قاب‌های خمشی باعث ایجاد فضا‌های آزاد معماری می‌شوند.
مزایا و معایب ساختمان‌های سازه بتنی با قاب خمشی:
آزادی عمل بالا در معماری
انعطاف پذیری مناسب
بالا رفتن وزن سازه
هزینه بالا
تغییر مکان‌های جانبی زیاد

2- سازه بتنی با سیستم قاب خمشی بهمراه دیوار برشی بتنی
در ساختمان های بلند بتنی تیرها و ستونها به تنهایی قادر به تحمل نیروی زلزله نیستند و یا اگر باشند ابعاد آنها بسیار بزرگ خواهد بود بنابراین با افزودن دیوارهای برشی میتوان به تحمل نیروی زلزله توسط تیرها و ستون‌ها کمک کرده و ابعاد تیرها و ستون‌ها بیش از اندازه بزرگ نشود. دیوارهای برشی مانند ستون ها دارای شبکه آرماتوربندی هستند. وجود دیوار برشی آزادی عمل در طراحی داخلی را محدود می‌کند.
مهمترین مزایا و معایب ساختمان‌های بتنی با سیستم قاب خمشی بهمراه دیوار برشی بتنی
افزایش مقاومت جانبی ساختمان در برابر نیروی زلزله و باد
کاهش تغییر مکان سازه در هنگام زلزله
کاهش ابعاد تیرها و ستون‌ها
محدود شدن فضاهای معماری بدلیل قرارگیری دیوارهای برشی

3- ساختمان‌های سازه پیش‌ساخته بتنی :
ساختمان‌هایی هستند که قطعات آن‌ها در خارج از سایت ساخته می‌شوند (معمولاً در ابعاد استاندارد که به آسانی قابل نصب باشند) و در محل سایت نصب می‌گردند. ساختمان پیش ساخته و طرز تهیه متریال اولیه آن سبب شده است تا زمان ساخت این ساختمان پیش ساخته کم و سرعت ساخت آن زیاد شود، با بالا رفتن سرعت ساخت ، بهره برداری از محصول نهایی نیز زودتر از موعد مقرر حاصل می شود که اصطلاحا «خواب سرمایه» را به حداقل می رساند. این در حالیست که سازه‌های ساختمان پیش ساخته با توجه به وزن سبکتر نسبت به مواد اولیه ساختمان سازی سنتی، فشار کمتری روی شالوده ساختمان وارد می‌کند که این امر با قرار گرفتن در کنار ساختار قوی این سقف‌ها و دیوارهای پیش ساخته، در برابر زلزله نیز مقاوم تر از ساختمان‌های عادی می‌باشند.از دیگر محاسن ساختمان پیش ساخته نیز می توان به عایق بودن آن در برابر دما و صدا، هزینه نگهدازی پایین، امکان اعمال تغییرات آسان در ساختار آن ، قابلیت استفاده چند باره از مصالح ، فزایش فضای داخلی ساختمان با توجه به نازکتر بودن دیوارها، عدم تولید نخاله ، داشتن قابلیت شستشو و سازگاری با تمامی شرایط آب و هوایی اشاره کرد. یک ساختمان پیش ساخته در زمانی قریب به یک ماه ساخته شده و یک یا دو روز نیز صرف نصب آن می شود.
ساخت اعضای سازه‌ای این ساختمانها در کارخانه به صورت انبوه بوده و سپس نصب و یکپارچه نمودن آنان در مرحله اجرادر کارگاه صورت می‌گیرد. در ساخت ساختمان های پیش ساخته بتنی طریقه اتصالات و انواع آن یکی از مهمترین فاکتورهای تقسیم بندی می باشد. مهمترین سیستم پیش ساخته، سیستم سازه ای دیواری از چند نوع سازه دیواری تشکیل شده که بیشتر شامل دیوارهای جانبی میباشد. دیوارهای جانبی سازه را نگه داشته و آن را پایدار می سازند. در سیستم دیواری اتصالات به صورت عمودی و افقی میباشد.اتصالات به دال های کف اغلب با پوشش میلگردهای تقویت کننده با آرماتور در روکش بتنی دال کف ایجاد می شود. عناصر پیش ساخته معمولی مانند پانل های دیواری، تیرها و ستون ها خارج از محل تولید می شوند، اما می توانند قبل از نصب در محل نیز ریخته شوند، مانند پانل های شیب دار.
محاسن ساختمان‌های سازه پیش‌ساخته :
در برابر زلزله مقاوم است.
در برابر شرایط بد آب و هوایی مقاوم است.
امکان ساخت و ساز در چهار فصل سال و در تمام نقاط ایران با شرایط اقلیمی مختلف را دارد.
امکان دستیابی به جداول زمانبندی و برنامه ریزی طرح را دارد.
هزینه های آن به علت صاف و صیقلی بودن سطح قطعات و به تبع آن عدم نیاز به اندودکاری از جمله گچ و خاک و گچ رویه کاهش میابد.
کاهش و صرفه جویی در اتلاف مواد اولیه، زمان، ضایعات، نیروی انسانی متخصص و ماهر.
کیفیت برتر به دلیل دارا بودن تجهیزات و ماشین آلات مکانیزه.
جلوگیری از افت گرما و اشغال فضای اضافه بعلت نصب عایق های مناسب در داخل دیوارهای خارجی.

معایب ساختمان‌های پیش‌ساخته :
اتصال اعضا به یکدیگر سخت میباشد.
حمل و نقل قطعات از کارخانه به کارگاه کمی مشکل ساز است.
نیاز به درزبندی اتصالات
سنگین بودن قطعات
سخت بودن نصب قطعات و نیاز به وجود افراد حرفه ای در این زمینه دارد.
حساسیت بالا در نگهداری و مشکلات نصب اجزای غیر سازه ای

4- ساختمان‌های سازه پیش تنیده :
بتن پیش تنیده روشی برای غلبه بر ضعف طبیعی بتن در کشش است. سازه پیش‌تنیده سازه ای است که با ترکیب رشته‌ها یا میلگردهای فولادی (Tendon) و بتن ساخته شده که با تحت کشش قرار گرفتن کابل‌های فولادی باعث افزایش ظرفیت باربری بتن می‌گردد. میله‌های فولادی در پروسه ساخت یا پس از ساخت، تحت کشش (مثلاً با جک‌های هیدرولیک) قرار می‌گیرند. این تدبیر باعث می‌شود که بتن موجود در سازه تحت تنش فشاری قرار گیرد. از آنجا که مقاومت بتن در فشار بسیار بیشتر از مقاومت آن در کشش هست، اعمال این بارهای خارجی مذکور به سازه، موجب کاهش تنش کششی در بتن می‌شوند؛ بنابراین بتن موجود یا تحت تنش کششی قرار نمی‌گیرد یا مقدار بسیار کمی تنش کششی (کمتر از استحکام شکست بتن) تحمل می‌کند. این تدبیر باعث می‌شود که قابلیت تحمل بار سازه با بتن تحت فشار بسیار بیشتر از سازه مشابه بدون پیش تنیدگی باشد.
تن پیش تنیده یک ماده سازه ای است که امکان قرار دادن تنش های مهندسی از پیش تعیین شده در اعضا را برای مقابله با تنش هایی که هنگام بارگذاری ایجاد می شود را فراهم می کند. این ترکیبی از خواص فشاری با مقاومت بالا بتن با مقاومت کششی بالا فولاد است. در بتن مسلح معمولی، تنش ها توسط آرماتور فولادی انجام می شود، در حالی که بتن پیش تنیده بار را با تنش های القایی در کل عنصر سازه تحمل می کند. این باعث می شود که نسبت به بتن معمولی در برابر ضربه و ارتعاش مقاوم تر باشد و بتواند ساختارهای بلند و نازکی را با سطوح مقطع بسیار کوچکتر برای تحمل بارهای معادل تشکیل دهد.
در حال حاضر معمولاً برای تیرهای کف، شمع ها و تراورس های راه آهن، و همچنین سازه هایی مانند پل ها، مخازن آب، سقف ها و باند فرودگاه استفاده می شود. به طور کلی بتن پیش تنیده برای ستون ها و دیوارها ضروری نیست، اما می توان از آن برای ستون های بلند و دیوارهای حائل بالا با تنش های خمشی زیاد استفاده کرد. به عنوان یک قاعده کلی، بتن مسلح سنتی اقتصادی ترین روش برای دهانه تا ۶ متر است. بتن پیش تنیده زمانی مقرون به صرفه تر است که دهانه ها بیش از ۹ متر باشد. بین ۶ تا ۹ متر، این دو گزینه باید با توجه به شرایط خاص در نظر گرفته شوند که مناسب ترین گزینه کدام است.

مزایای بتن پیش تنیده
مقاومت فشاری ذاتی بتن در نهایت استفاده می شود. فولادهای آلیاژی ویژه ای که برای تشکیل تاندون های پیش تنیدگی استفاده می شوند، در نهایت استفاده می شوند. ترک های کششی حذف شده و خطر خوردگی اجزای فولادی را کاهش می دهد. تنش های برشی کاهش می یابد. برای هر دهانه و شرایط بارگذاری، کاهش وزن را می توان با استفاده از یک جزء با سطح مقطع کوچکتر به دست آورد. یک عضو کامپوزیت را می توان با اتصال واحدهای بتن پیش ساخته جداگانه به یکدیگر تشکیل داد.

معایب بتن پیش تنیده
درجه بالایی از کار و کنترل مورد نیاز است. فولادهای آلیاژی ویژه گرانتر از فولادهای سنتی مورد استفاده در بتن مسلح هستند. تجهیزات گران قیمت مورد نیاز است و الزامات ایمنی پیچیده ای وجود دارد.

*ساختمان‌های سازه فولادی :
ساختمانهای فولادی نسبت به ساختمان های بتنی سرعت اجرای بالاتر و دارای حجم اسکلت کوچکتری هستند. در یک دسته بندی کلی میتوان این ساختمانها را به قرار زیر تفکیک نمود:

1- ساختمان‌های سازه فولادی با سیستم قاب مفصلی :
در این سیستم، نیرو های استاتیکی عمدتا توسط تیرها و ستون ها تحمل می شوند و بادبندها(وستون­های اطراف بادبند) نیز وظیفه تحمل نیروهای دینامیکی(زلزله و باد) را برعهده دارند. بنابراین وجود بادبندها برای پایداری ساختمان در این سیستم ضروری است.این سیستم سازه ای اکثرا در ساختمان های فولادی وجود دارند به دلیل وجود بادبندها در این سیستم، از لحاظ وجود فضاهای باز معماری برای قراگیری درب­ها و پنجره‌­ها باچالش در طراحی داخلی روبرو خواهیم شد.البته برخی از شکلهای مهاربندی تا حدودی این مشکل را حل می‌کنند.
مزایا و معایب ساختمان‌های فولادی با سیستم قاب مفصلی :
سختی زیاد
کنترل تغییر مکان‌های جانبی
سادگی اجرا
اقتصادی بودن
محدودیت معماری در بازشوها
2- ساختمان‌های سازه فولادی با سیستم قاب خمشی :
همانطور که گفته شد دراین سیستم سازه‌ای نیرو های استاتیکی و نیرو های دینامیکی هردو توسط تیرها و ستون ها تحمل می شوند و الزامی به وجود بادبند در این سیستم نیست. به همین دلیل فضای باز معماری در طراحی داخلی این سیستم سازه ای وجود دارد.تمامی اتصالات خصوصا اتصال تیرها یه ستون ها در این نوع ساختمانها حائز اهمیت بوده و برای آنکه این ساختمان‌ها در برابر زلزله عکس العمل خوبی داشته باشند نحوه اجرای اتصالات تاثیرگذار است. این اتصالات در آیین‌نامه های جدید به اتصالات از پیش تایید شده معرف هستند.
مهمترین مزایا و معایب ساختمان‌های فولادی با سیستم قاب خمشی
تغییر شکل بیشتر ساختمان در برابر نیروی زلزله و باد
افزایش تغییر مکان سازه در هنگام زلزله
ابعاد نسبتاً بزرگ تیرها و ستون‌ها
فضاهای باز معماری بدلیل نداشتن مهاربند
اتصالات پیچیده با اجرای دشوارتر

3- ساختمان‌های سازه فولادی بهمراه دیوار برشی فولادی :
در بعضی از ساختمان¬ها از دیوارهای برشی فولادی نیز در سیستم ترکیبی استفاده می¬شود. دیوارهای برشی فولادی با اضافه شدن به سازه می¬توانند به تیرها و ستون¬ها در تحمل نیروی برشی کمک نمایند. نسبت به ددیوار برشی بتنی از این سیستم کمتر در ساختمان‌ها استفاده می¬شود. سیستم دیواربرشی فولادی به عنوان یک سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی در سه دهه اخیر به سرعت در دنیا مورد توجه قرارگرفته و از این سیستم برای ساخت و مقاوم‌سازی ساختمان‌های مهمی در دنیا به ویژه درکشورهای زلزله خیزی چون ژاپن وآمریکا استفاده شده‌ است. این نوع از دیوار برشی در دو زلزله شدید نورتریچ آمریکا و کوبه ژاپن و همچنین در آزمایشگاه‌ها از خود رفتار بسیار مناسبی را نشان دادند.
دیوارهای برشی فولادی از ورق فولادی که توسط تیرها و ستون‌ها احاطه شده‌است، تشکیل گردیده‌اند؛ که به تیرها و ستون‌ها عناصر مرزی می‌گویند. دیوارهای برشی فولادی مشابه تیرورق طره‌ای عمل می‌نمایند، که در آن ستون هابه منظور بال‌های تیر ورق، تیرهای طبقات همانند سخت‌کننده‌های آن و ورق‌های فولادی به عنوان جان تیر ورق می‌باشند
انواع دیوار برشی فولادی
1. دیوارهای فلزی برشی بدون سخت‌کننده: دراین نوع دیوارها ورق جان مقاومت فشاری ناچیزی دارد و بنابراین کمانش بر اثر بارهای کوچک به وجود می‌آید ازطرف دیگر، بارهای جانبی توسط مقاومت کششی قطری به وجود آمده در جان دیوار تحمل می‌شود که این عملکرد همانند میدان‌های کششی به وجود آمده در تیرورق‌ها است.
2. دیوار برشی فلزی شامل سخت‌کننده: دراین نوع دیوارها سخت‌کننده‌ها ظرفیت کمانشی ورق جان دیوار برشی را افزایش می‌دهد.
3. دیواربرشی فلزی مرکب (ترکیب بتن و فلز): دراین سیستم سختی موردنیاز برای ورق فلزی جان دیوار توسط بتن آرمه تأمین می‌شود. از بتن سخت‌کننده می‌توان در یک طرف یا هر دو طرف ورق جان دیوار استفاده کرد.
به تیرها و ستون های اطراف دیواربرشی فولادی در اصطلاح المان مرزی هم می‌گویند.

مزایای دیوار برشی فولادی
1. کاهش وزن فولاد مصرفی سازه (این مقدار بسته به زیر بنا و تعداد طبقات سازه متغیر می‌باشد).
2. کاهش بار مرده و سبک سازی ناشی از آن.
3. کاهش سطح اشغال دیوار برشی و در نتیجه افزایش فضای مفید داخلی.
4. افزایش سرعت اجرا.
5. کاهش طول و تعداد دیوار برشی و در نتیجه رفع محدودیت‌های معماری ناشی از آن.
6. افزایش ضریب رفتار سازه و شکل‌پذیری در برابر زلزله.
7. عملکرد موثر در کنترل تغییر مکان جانبی به دلیل سختی نسبتا بالا
8. کنترل دقت اجرا بلاتر به دلیل ساخت قطعات در کارخانه .
معایب دیوار برشی فولادی
1. امکان شکست برشی در صورت عدم طراحی مناسب.
2. ایجاد نیروی بالا رانش در صورت عدم تخمین صحیح تعداد دیوارها و قرارگیری نامناسب آنها.
3. نیاز به تدابیر ویژه در برابر حریق

4- مهاربند کمانش تاب
مهاربندهای عادی که وظیفه‌ ی تامین شکل ‌پذیری ساختمان را دارند معمولاً تحت نیروهای فشاری (در طول چند حرکت رفت و برگشت زلزله که سیکل بارگذاری گفته می‌شود) دچار کمانش شده، قابلیت جذب انرژی شان به شدت کاهش می‌یابد که همین اتفاق سبب خرابی سازه و المان‌های مختلف آن می‌شود. به عبارت دیگر مهاربند در کشش تسلیم شده و جذب انرژی می‌نماید اما در فشار به دلیل کمانش نمی‌تواند عملکرد مطلوب داشته باشد. در جهت بهبود این رفتار سیستم‌ مهاربندهای ضد کمانش دربرابر نیروی فشاری یا همان مهاربند کمانش تاب ابداغ شد.
ساختمان‌ها با مهاربند کمانش تاب یا همان مهاربند کمانش ناپذیر برای اولین بار در ۱۹۸۹ در ژاپن مورد استفاده قرار گرفت و امروزه به عنوان یکی از سیستم‌های شکل‌پذیر لرزه ای در کشورهای زلزله خیز دنیا، مانند ژاپن، ایالات متحده و… به صورت گسترده‌ای به کار برده می‌شود. در این نوع مهاربندها با استفاده از مکانیزم مناسبی از کمانش فشاری مهاربند جلوگیری شده تا امکان تسلیم فشاری فولاد نیز فراهم شود. مهاربند کمانش ناپذیر در قاب‌های مهاربندی شده‌ به ¬صورت مهاربند همگرا مورد استفاده قرار می‌گیرد و عملکرد چرخه‌ای بسیاری خوبی از خود نشان داده و شکل‌‌پذیری زیادی دارند.
اجزای تشکیل دهنده بادبندهای کمانش تاب
یک مهاربند ضدکمانش از اجزای زیر تشکیل شده است:

1. هسته فولادی میانی مهاربند که باید تحت فشار و کشش جاری شود. به همین دلیل بهتر است که نوع فولاد هسته از جنس فولاد نرمه و با مقاومت پایین‌تر باشد تا در بارگذاری‌های رفت و برگشتی تسلیم در فولاد اتفاق بیفتد و عمل استهلاک انرژی به خوبی صورت گیرد. همچنین دو قسمت انتهایی این مهاربند باید بگونه ای طراحی شود که تحت اثر بارهای وارده در محدوده الاستیک باقی بماند.
2. مصالح جداکنندهای که بر روی سرتاسر طول هسته فولادی محاط در بتن چسبانده شده تا هسته فولادی از غلاف فولادی جدا کند. در نتیجه نیروی محوری وارد بر مهاربند تنها توسط هسته فولادی تحمل شده و غلاف پیرامونی بر مبنای سختی خمشی مانع از کمانش هسته فولای خواهد شد.
3. غلاف پیرامونی که متشکل از یک بخش بتنی یا ملاتی که در اطراف هسته فولادی قرار گرفته‌است و یک مقطع جدار نازک فولادی پیرامونی که با استفاده از سختی خمشی جلوی کمانش جانبی هسته فولادی را می‌گیرند.
مزایا بادبند ضد کمانش
به نمودارهای مثل شکل زیر نمودار هیسترزیس گفته می‌شود که نحوه‌ی پاسخ عضو در طول بارگذاری های رفت و برگشتی(مثل زلزله) را نشان می‌دهد.
در حالتی که از مهاربند عادی استفاده شود حلقه‌های هیسترزیس (حلقه‌های منحنی نیرو-‌تغییرمکان در بارهای رفت و برگشتی) نامنظم بوده و سطح زیر نمودار چندان بزرگ نیست(خطوط قرمز و خطچین نمودار) اما زمانی که از مهاربند کمانش‌ تاب استفاده شده، حلقه‌های هیسترزیس به¬ شدت متقارن و سطح زیر نمودار هم بزرگ شده است(خطوط آبی و ممتد نمودار) که نشان از جذب انرژی زلزله قابل توجه سیستم دارد. بنابراین جذب نیرو ومقاومت در برابر نیروی زلزله بیشتر می‌شود

5- سازه فولادی با دیواربرشی بتنی : محبوب ترین سازه در خراسان رضوی
با توجه به مصالح بومی موجود در ایران مانند شن و سیمان استفاده از بتن در اکثر نقاط ایران بر استفاده از فولاد ارجحیت اقتصادی دارد. استفاده هم‌زمان از فولاد و بتن در طراحی سازه می‌تواند محاسن این دو ماده را تجمیع نماید. استفاده از مقاطع مختلط بتن و فولاد، موجب کاهش هزینه تمام شده پروژه نسبت به پروژه ­هایی که صرفا با استفاده از فولاد طراحی شده اند، می ­شود. البته این موضوع هنگامی امکان­ پذیر است که مکان مناسبی در طرح معماری ساختمان برای دیوارهای برشی وجود داشته باشد.

* سازه ساختمانی پانلی:
این مدل نوعی سازه از ساختمان‌های بتن آرمه هستند که به جای تیر و ستون در آن‌ها، از دیوار باربر نیمه پیش‌ساخته به روش قالب‌های عایق ماندگار استفاده می‌شود. قطعات این سازه های آماده ساختمانی، از پیش ساخته‌شده به محل نصب انتقال داده می‌شوند. بعد از این‌که دیوارها و سقف اجرا شد، طرفین آن‌ها با بتن، عایق می‌شود.
چون در این سیستم دیوارها و سقف بکپارچه هستند، توزیع بار و مقاومت در برابر نیروهای خارجی مانند زلزله تقریباً یکنواخت و همگن است. پانل‌های پیش‌ساخته به صورت دیوارهای باربر و یا دیافراگم افقی به عنوان سازه باربر ساختمان و یا دیوارهای جداکننده غیر باربر به کار می‌رود. در انواع سازه بتنی و فولادی معمول این نوع سیستم، به عنوان دیوار برشی جهت باربری جانبی استفاده می‌شود. سازه‌های پانلی از اجزایی شامل دو لایه شبکه فلزی مش که در طرفین قرار می‌گیرند، یک لایه فوم پلی استایرن که در بین دو لایه فلزی قرار می‌گیرد و مفتول‌های جانبی برای اتصال سه لایه به یکدیگر تشکیل می‌شود. مزایای سیستم پانلی شامل موارد زیر است:
ضخامت کم دیوارهای بیرونی
سرعت بالای نصب و آماده سازی پانل‌ها
تهیه آسان مصالح
مقاوم در برابر حمل و نقل
مقاومت بالا در برابر نیروهای برشی ناشی از زلزله به دلیل یکپارچگی سازه
هواگیری مناسب دیوارهای پیرامونی
وزن کم ساختمان به دلیل سبکی سقف و دیوارهای پیش‌ساخته
عایق در برابر حرارت، رطوبت و صدا
بالا بردن عمر مفید ساختمان
عدم نیاز به گچ و خاک به دلیل بتن پاشی طرفین پنل‌ها
زمان کم اجرای ساختمان
البته این سیستم معایبی همچون: عدم امکان بازیافت مصالح، ضخامت بالای دیوارهای داخلی، عدم امکان تعمیر و جایگزینی قطعات و احتمال جذب آب توسط لایه بتن خارجی را دارد.