سیستم سازه ای LSF | سایت مهندسی عمران
امروزه سبک سازی یکی از مفاهیم کاربردی در زمینه ایمنی در زمان وقوع زلزله به شمار می رود . اصلی ترین هدف سبک سازی در ساختمان ها، کاهش نیروی وارده به ساختمان در هنگام وقوع زلزله است. برای رسیدن به این هدف باید سبک سازی هم در عناصر سازه ای و هم در عناصر غیر سازه ای یک ساختمان لحاظ شود. در اکثر ساختمان ها در ایران ، وزن عناصر غیر سازه ای از وزن عناصر سازه ای بیشتر می باشد.
بنابراین برای سبک سازی توجه به اجزای غیر سازه ای یک ساختمان که معمولا قسمت بیشتری از وزن یک بنا را تشکیل می دهند، مهم تر از بخش اجزا سازه ای می باشد. در این مقاله با توجه به ضرورت و راهکارهای کاهش وزن ساختمان، ملاحظاتی جهت طرح و ساخت قاب سبک فولادی (LSF) با استفاده از مصالح سازه ای سبک ارائه شده است. که با توجه به آنها می توان گام بلندی در جهت حفظ و بهره وری منابع، مواد، انرژی و حفظ سرمایه ها و ثروت ملی و جلوگیری از تلف شدن انرژی برداشت.
بقیه در ادامه مطلب
معرفـی سیـستم LSF
سیستم قاب های سبک فولادی (Light weight Steel Frames) با نام اختصاری LSF از مقاطع سرد نورد شده فولادی یا CFS (cold formed steel) ساخته می شود. اجزای مورد استفاده در این سیستم، نیمرخ های فلزی حاصل از نورد سرد ورق های فولادی با ضخامت های ۰٫۴۵ تا ۲٫۵ میلی متر می باشد.جهت محافظت این عناصر در مقابل زنگ زدگی و خوردگی از آلیاژ روی به ضخامت ۴۰ تا ۱۲۰ میکرون استفاده می شود.
سیستم قاب سبک فلزی، در قالب کلی سیستم های دیوار باربر قرار می گیرد. عناصر باربر ثقلی متشکل از مقاطع منفرد و یا ترکیبی و عمدتا c یا u شکل و یا ترکیب این مقاطع می باشند. دیوار ها از آرایش اجزای عمودی c شکل (استاد) به فواصل ۴۰ تا ۶۰ سانتیمتر که در بالا و پایین در داخل اجزای افقی u شکل (رانر یا تراک) مهار شده اند تشکیل می شود.
اجزای باربر سقف نیز عمدتا با استفاده از مقاطع منفرد و یا ترکیبی u ,c و z شکل وبه فواصل ۴۰ تا ۶۰ سانتیمتر می باشد. سقف نهایی نیز غالبا به صورت شیبدار و با استفاده از خر پاهای متشکل از پروفایل های سرد نورد اجرا می گردد.
اتصالات در سیستم قاب سبک فلزی معمولا به صورت سرد و با پیچ های خودکار سر مته ای انجام می شود. در موارد محدود امکان استفاده از انواع اتصلات دیگر مثل پیچ و مهره، پرچ یا جوش نیز مقدور می باشد.
تـاریخـچـه سیستم
سابقه استفاده از فولاد نورد سرد در ساختمان به بیش از ۱۵۰ سال پیش بر می گردد. با این وجود فعالیت در سطح گسترده در این صنعت پس از انجام تحقیقات آکادمیک در حدود سالهای ۱۹۵۰ میلادی و با انتشار اولین ویرایش ضوابط طراحی برای اعضای سازه ای فولاد سرد نورد شده توسط موسسه آهن و فولاد آمریکا (ASIS) رونق بیشتری بخود گرفت.استفاده از مقاطع نورد سرد، بدلیل گستردگی مقاطع، سبکی وزن، سهولت اجرا و ….، به سرعت در ایالات متحده امریکای شمالی ، اروپا و شرق آسیا گسترش یافت.در ایران علی رغم اجرای پروژه هایی با استفاده از مقاطع فولادی نورد سرد در سالهای ۱۳۵۰ و بعد از آن و توسط شرکت های عمدتا خارجی، بیشترین پیشرفت این سیستم به لحاظ سرعت و رعایت مسائل انرژی به چند سال گذشته بر می گردد.
مـزایـای LSF
- کاهش وزن ساختمان و در نتیجه کاهش اثر نیرو های لرزه ای
- عملکرد لرزه ای مناسب
- کاهش قابل توجه در زمان ساخت
- بازگشت سریعتر سرمایه اولیه
- اقتصادی شدن ساخت مسکن
- سازگاری با محیط زیست و رعایت اصول ساخت و ساز پایدار
- دوام و پایداری سازه و افزایش عمر مفید ساختمان
- کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری ساختمان
- افزایش درجه نامعینی سازه و در نتیجه افزایش پایداری
- حمل و نقل اقتصادی
- قابلیت بازیافت مصالح
- سادگی در پیش ساختگی و تولید انبوه
- نصب سریع و آسان
- عدم وجود تاخیر های ناشی از شرایط آب و هوایی در تولید، ساخت و نصب سازه
- امکان تولید مدولار و پیش ساخته سازی
- دقت بالا در اجرای جزئیات
- سهولت تامین الزمات مبحث ۱۹
- وجود فضای مناسب جهت عبور تاسیسات
- قابلیت استفاده از مصالح مقاوم در برابر اشتعال
دلایـل استفـاده از LSF
نیاز رو به رشد مسکن، احداث شهرک ها و شهرهای جدید و توجه به سرعت، اقتصاد مهندسی، کیفیت ساخت و صرفه جویی در مصرف انرژی زمینه ورود تکنولوژی های نوین ساخت را در صنعت ساختمان فراهم نمود.
سیستم قاب سبک فلزی (Light weight Steel Framing) با نام اختصاریLSF، علی رغم قدمت کم این سیستم نسبت به سیستم های متعارف ساختمانی، به دلیل ویژگی های منحصر بفرد خود به سرعت توانست توجه کارفرمایان، مهندسین و مجریان این صنعت را به خود جلب نماید.
سیستم LSF به دلیل سهولت و سرعت در تولید و اجراء، کیفیت ساخت، سبک سازی، رعایت مسائل مرتبط با انرژی و محیط زیست توانسته است جایگاه ویژه ای در انبوه سازی و صنعت ساخت و ساز کشورهای پیشرفته کسب نماید، طبق تحقیقات بعمل آمده استفاده از سیستم LSF علاوه بر افزایش سرعت اجراء بمیزان حداقل دو برابر، منجر به ۴۰ درصد کاهش در فولاد مصرفی پروژه ها خواهد شد. به دلیل کاهش زیاد وزن و اتلاف اندک مصالح نسبت به شیوه های سنتی، این سیستم گزینه مناسبی برای انبوه سازی بشمار می آید. همچنین بدلیل وزن کم ساختمان، این سیستم به عنوان یکی از گزینه های مناسب برای کشورهای زلزله خیر به شمار می آید.
رفتـار سـازه ای سیسـتم
باربری سیستم LSF و انتقال نیروهـا
الف)بارهای ثقلی:
بارهای ثقلی توسط المان های سقف به المان های باربر وارد شده و نهایتاً توسط پی به زمین انتقال می یابند.
ب)بـارهـای جـانبی:
کف های صلب نیروهای جانبی وارده را به قاب ها و دیواره ها منتقل می کنند.
با مهار کردن قاب ها در امتدادهای طولی و عرضی ساختمان می تواند به مقاومت سازه در برار نیروهای جانبی دست یافت.
در این سیستم ساخت، مهارکردن قاب ها و یا پانل هایی که بادبندی شده اند،
به دیوارهای برشی(Shear Wall) نامگذاری می شوند. قابل بیان اینکه نام دیوار برشی عنوان شده منظور فقط دیوار بتنی مسلح که در سیستم های بتنی استفاده می شود نبوده بلکه یک نام عمومی است که برای دیوارهای مهاربند شده استفاده می گردد. در این روش ساخت عناصر باربر و سازه ای در مقابل بارها، به پانل های دیواری و سقفی و دیوارهای برشی تقسیم بندی می شوند.
وزن سیستم LSF
وزن ساختمان هایی که با سیستم LSF اجرا می شوند در حدود ۶۰ درصد وزن ساختمان با سیستم های رایج ساخت و ساز می باشند، از آنجا که مقدار نیروی زلزله وارد بر ساختمان نسبت مستقیم با وزن ساختمان دارد . در صورت استفاده از سیستم LSF مقدار نیروی زلزله کمتری به ساختمان وارد می گردد.همچنین وزن کم این ساختمان ها باعث می شود به عنوان گزینه ای مناسب برای مناطق با مقاومت خاک کم تلقی شوند.
بر اساس یکی از تحقیقات انجام شده، یک ساختمان مسکونی با روشهای مختلف ساخت از جمله سیستم LSF، سازه بتنی، سازه فولادی و سازه بنایی مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است که نتایج حاصل در جدول زیر ارائه می شود.
۱۱۱
طراحی سیستـم LSF
مهندسان معمار با توجه به انعطاف پذیری قاب سبک فلزی و علیرغم محدودیتهای ساختمانهای دیوار باربر این سیستم را جهت کاربریهای مسکونی، اداری و تجاری در بسیاری از موارد پیشنهاد می نمایند. محدودیت اصلی سیستم های دیوار باربر در پارگینگ ها جهت تامین گردش می باشد. از جمله مزایا قابل توجه در معماری ضخامت کم دیوارهای باربر در این سیستم می باشد.
طراحی مدولار ابزار موثر برای طراحان در جهت کاهش هزینه ساخت و بهینه نمودن فضاها وبخصوص در انبوه سازی مسکن می باشد. این سیستم با طراحی مدولار بسیار سازگار می باشد.
مهندسان سازه نیز بدلیل سبکی وزن و انسجام مناسب سازه ای، نسبت مقاومت به وزن اجزاء سازه ای، عملکرد مناسب لرزه ای، سهولت اجرا، امکان پیش ساخته سازی، کیفیت اجرا، بکارگیری روشهای اجرا خشک و ….. این سیستم ساختمانی را به عنوان یک سیستم ساختمانی دارای قابلیت های بالا در جای مناسب خود پیشنهاد می نمایند. همچنین از عمده مزایای قابل توجه این سیستم می توان کاهش و سهولت عملیات کارگاهی و امکان استفاده در شرایط اب و هوای سخت، امکانات کارگاهی محدود و مکانهای صعب العبور اشاره نمود. در ضمن کنترل و بازرسی این سیستم به مراتب راحت تر می باشد.
مـراحل اجـرای سـاختمـان بـا سیـستـم LSF
- طراحی
با توجه به نقشه های معماری، موقعیت اجزاء باربر افقی و قائم در اولین مرحله انتخاب شده و سپس مدل سازه و بارگذاری مطابق جزئیات بارگذاری توسط نرم افزارهای مربوطه انجام می شود. در ادامه مراحل تحلیل و طراحی اعضاء سازه ای و غیر سازه ای مطابق آئین نامه ها و دستورالعملهای مربوطه انجام می پذیرد. نتیجه محاسبات به صورت خروجی نقشه های سازه ای، نقشه های ساخت و جداول تولید برای استفاده های بعدی ارائه می گردد.
- تولید
مطابق جداول تولید، ورودی دستگاه رول فرمینگ ورق گالوانیزه با عرض و ضخامتهای مختلف بوده
و خروجی دستگاه، اجزاء قاب سبک فلزی، شامل استاد، رانر و … می باشد.
- فونداسیون
جهت انتقال و توزیع نیروهای وارده از دیوارهای باربر به خاک از پی های نواری و یا پی های گسترده استفاده می شود. در پی های نواری جهت تأمین بستر مناسب برای دیوارهای غیر باربر، معمولا از دال بتنی در کف استفاده می شود.
- اتصال قاب سبک فلزی (L.S.F) به فونداسیون
جهت اتصال اسکلت ساختمانی به فونداسیون از میل مهارها (Anchor Bolt)و اتصال نگهدارنده پایین بادبندها (Holdown) استفاده می شود.
- قاب سازی دیوارهای باربر
دیوارهای باربر متشکل از استادها به عنوان عناصر باربر در فواصل ۴۰ تا ۶۰ سانتیمتر و رانر به عنوان کلاف کننده ابتدایی و انتهایی استادها می باشند. تولید پنل های دیواری توسط دستگاههای مخصوص پنل سازی در کارخانه و یا به صورت دستی در محل کارگاه مطابق نقشه های اجرایی انجام می پذیرد.
- نصب دیوارهای باربر
دیوارهای باربر توسط مهارکننده های موقت در محل مشخص نصب می گردند. میل مهارها تعبیه شده در پی در این مرحله به دیوارهای باربر متصل می شوند.
- نصب مهاربند و اتصالات مربوطه
مهاربندهای قطری همزمان با اجرای دیوارهای باربر اجرا شده و مهاربندهای متشکل از صفحات برشی همزمان با اجرای پوشش دیوارها انجام میگردد. در این مرحله اتصالات لازم مانند HOLDOWN می بایستی نصب گردند. دیوارهای برشی بتنی نیز همزمان با اجرای دال سقف اجرا می گردد.
- نصب المانهای باربر سقف
اجزاء باربر سقف JOIST ها به فواصل ۴۰ تا ۶۰ سانتیمتر مطابق نقشه های اجرایی به همراه اتصالات لازمه به استادها و یا نعل درگاهها (Header) نصب می شوند. در بام ها معمولا از خرپاهای شیبدار جهت پوشش سقف استفاده می شود.
- پوشش سقف ها
پوشش سقف ها به صورت عمدتاً خشک و یا بتن در جا اجرا میگردد. در پوشش سقف به صورت خشک تمهیدات لازم جهت تأمین صلبیت سقف می بایستی اتخاذ گردد.
- اجرای دیوارهای غیر باربر
اجرای دیوارهای غیر باربر می بایستی بعد از اجرای سقف انجام گردد. همچنین تمهیدات لازم جهت جلوگیری از مداخله این دیوارها در باربری ثقلی و جانبی سازه اتخاذ گردد.
- اتصالات
اتصالات به صورت عمدتاً خشک و با استفاده از پیچ خودکار می باشد. با این وجود امکان استفاده از پرچ و جوش نیز در آیین نامه پیش بینی شده است.
- پوشش دیوارهای خارجی و نما
جهت پوشش خارجی دیوارها نیز می توان انواع نماهای سنتی و مدرن را با استفاده از پوشش های خشک
و یا با ملات به صورت تر انجام داد.
- اجرای تاسیسات
لوله های تأسیسات مکانیکی و الکتریکی، از محل سوراخ هایی که در STUD و یا JOIST ها در فرآیند تولید ایجاد شده عبور داده می شوند. همچنین عدم تماس این تاسیسات با مصالح ساختمانی عمر مفید تاسیسات و عملکرد انها را بهتر می نماید.در ضمن نگهداری و تعمیرات نیز براحتی مقدور می باشد.
- عایق بندی
فضای خالی موجود در دیوارها و سقف ها مکان مناسبی جهت استفاده از انواع عایق های حرارتی و صوتی می باشد.
- پوشش دیوارهای داخلی و سقف
جهت پوشش دیوارهای داخلی از انواع ورقه های تخته گچی یا تخته سیمانی استفاده می شود. جهت پوشش سقف نیز علاوه بر پوشش های فوق استفاده از انواع تایل ها متعارف می باشد.