سازه های بتنی و فلزی هر دو در صنعت ساختمان سازی کاربردهای زیادی دارند. اما باید دید که تفاوت سازه های بتنی و فلزی چیست و در مقایسه این دو نوع سازه، هر کدام در چه زمینه هایی کاربرد بیشتری داشته، اتصالات آنها چگونه انجام می شود و مزایا و معایب هر کدام نسبت به دیگری چیست. از جمله موارد مهمی مانند استفاده و یا عدم استفاده از پیچ و مهره در اتصالات این سازه ها. اطلاع از این جزئیات علاوه بر مهندسان جوان رشته هایی چون عمران، راه و ساختمان و معماری، حتی برای شهروندان عادی می تواند مفید باشد. به ویژه کسانی که تمایل به خرید خانه و یا واحدهای آپارتمانی نوساز دارند.
انواع سازه:
در ابتدا باید این مسئله را روشن کنیم که برخلاف تصور بسیاری از افراد، سازه ها در اصل بر دو نوع هستند:
• سازه طبیعی
• سازه مصنوعی
این دسته بندی نیازی به معرفی ندارد ولی نوع دوم یا سازه های مصنوعی خود به چندین دسته تقسیم بندی می شوند از جمله:
• سازه بتنی
• سازه فلزی
که در ادامه می خواهیم به مقایسه این دو نوع سازه بپردازیم. البته همانطور که می دانید منظور از سازه فلزی یا بتنی، در واقع اسکلت آنهاست و در واقع اگر بخواهیم مطابق اصول علمی به این مبحث بپردازیم باید بگوییم مقایسه سازه اسکلت فلزی و سازه اسکلت بتنی. مطلب مهم دیگر استفاده از پیچ و مهره در سازه هاست. بطوری که امروزه سازه های فلزی را نیز از جهت نوع اتصال می توان به دو دسته تقسیم بندی کرد:
• سازه فلزی پیچ و مهره ای
• سازه فلزی جوشی
در سازه های فلزی امروزه از هر دو روش استفاده می شود. به این معنی که هنگام طراحی و انجام محاسبات برای هر نوع از این سازه ها ممکن است بنا به دلایلی، مهندسان بکاربردن پیچ و مهره و یا روش های دیگر مانند جوشکاری را جهت اتصال بخش های مختلف این سازه ها در نظر بگیرند.
در ادامه علاوه بر مقایسه کلی سازه های فلزی (فولادی) و بتنی، به مقایسه سازه های پیچ و مهره ای و سازه های جوشی نیز می پردازیم.
نحوه انتخاب سازه مناسب :
سازه های فلزی و بتنی هر کدام مزایایی نسبت به دیگری دارند و اغلب ساختمان ها و آسمانخراش ها از یکی از این دو نوع سازه استفاده می کنند. اما انتخاب نوع سازه در کشورهای جهان توسط مهندسان تابع شرایط مختلفی است از جمله:
• شرایط آب و هوایی
• زیربنا و فضای موجود
• ارتفاع و دهانه ستون ها
• جنس خاک منطقه
• هزینه ساخت سازه
• مقاومت سازه در برابر زلزله
• پایداری در برابر آتش سوزی
• سهولت اجرا
• میزان خوردگی
• دوام سازه
• خواص ارتجاعی سازه
معمولا سازندگان واحدهای مسکونی و یا اداری، تجاری با توجه به شرایط ذکر شده و موارد فوق، دست به انتخاب نوع اسکلت ساز یعنی بتنی یا فلزی می زنند. طبیعتا در هر حالت نیاز به تمهیدات و در نظر گرفتن شرایط خاصی است از جمله اینکه برای مثال جهت بکارگیری و برپا ساختن سازه های فلزی نیاز به استفاده از پیچ و مهره (مانند پلها و یا استادیوم ها) و یا جوشکاری (در ساختمان های بلند) جهت اتصالات است.
در ادامه به بررسی جزئیات و همچنین مزایا و معایب هر کدام از این دو نوع سازه می پردازیم:
سازه بتنی:
امروزه سازه های بتنی (در زبان انگلیسی: concrete frame) یکی از پرطرفدارترین و پرکاربردترین نوع سازه ها در جهان می باشند و بسیاری از ساختمان ها و بناهای معروف جهان دارای اسکلت بتنی هستند. بتن مزایای زیادی در ساختمان سازی دارد و به همین دلیل ساختمان ها و سازه های بتنی بخش عمده ای از سازه ها را در دنیای امروز تشکیل می دهند. هماطنور که می دانید در این سازه ها برخلاف سازه های فلزی، در اتصالات از روش هایی مانند جوشکاری و یا پیچ و مهره استفاده نمی شود.
تاکنون دانشمندان و محققان کتاب ها و مقالات زیادی درباره اهمیت بتن و نقش آن در ساختمان سازی نوشته اند و به بررسی نقاط قوت و ضعف سازه های اسکلت بتنی پرداخته اند. جهت ساخت سازه بتنی باید از بتن و میلگرد استفاده شود که به این منظور در ابتدا میلگرد ستون ها و تیرهای سازه بافته شده و بعد با ریختن بتن، قالب آماده می شود. به دلیل نیاز به بتن ریزی و سفت شدن بتن، معمولا ساخت سازه های بتنی بیشتر از سازه های فلزی طول می کشد.
مزایای سازه بتنی:
سازه های بتنی دارای مزایای متعددی هستند از جمله:
• هزینه کمتر ساخت و نگهداری
• مقاومت بیشتر در برابر رطوبت (در شرایط اجرایی مناسب)
• داشتن مقاومت بالا در برابر آتش و حرارت
• قابلیت اجرا در مقاطع مختلف
• همگن تر بودن مصالح
• در دسترس بودن و فراوانی مصالحی مانند بتن آرمه، سیمان و میلگرد
• نیاز به دانش و تخصص کمتر در طراحی
• عدم نیاز به جوشکاری و یا نصب پیچ و مهره
• مناسب تر بودن اتصالات ستون ها و دیافراگم به سقف
• داشتن پایداری و دوام مناسب قاب های خمشی
معایب سازه بتنی:
• نیاز به صرف زمان بیشتر جهت آرماتور بندی و قالب بندی بتن
• نیاز به آزمایشگاه های خاک جهت آزمایش بتن
• افزایش وزن نسبت به سازه های فلزی
• کاهش مقاومت و پایداری سازه به مرور زمان
• نیاز به سقف کاذب
• وارد شدن فشار بیشتر هنگام زلزله به دلیل سنگین تر بودن وزن سازه
• محدودتر کردن فضا
• هدر رفتن بیشتر مصالح
• احتمال به تعویق افتادن و یا طولانی تر شدن کار در صورت تغییرات جوی مانند باران
سازه فلزی:
امروزه از فلزات و یا آلیاژهایی مانند فولاد جهت ساخت و ساز بسیاری از بناها و ساختمان ها به ویژه آسمانخراش ها استفاده می شود. فلزات در سراسر کره زمین پراکنده هستند و بشر از دیرباز طرز بکارگیری و استفاده از آنها را به خوبی آموخته است. به خصوص در صنایع راه و ساختمان. چرا که استفاده از فلزات به دلیل داشتن نقطه ذوب مناسب، قابلیت هدایت جریان الکتریکی، قابلیت جوش، استفاده از پیچ و مهره و یا پرچ کردن، قابلیت انعطاف پذیری و موارد دیگر بسیار به صرفه و مناسب است.
البته در سازه های فلزی باید نکات مهمی از جمله نوع اتصالات (جوشکاری سازه و یا نصب پیچ و مهره) و همچنین موارد دیگری مانند احتمال آتش سوزی و یا وجود رطوبت را نیز در نظر گرفت. یک تحقیق نشان داده است که برج های دوقلوی سازمان تجارت جهانی در نیویورک که در حوادث 11 سپتامبر سال 2001 میلادی مورد حمله قرار گرفته و دچار آتش سوزی و سپس فروریخته شدند، در صورتی که بجای اسکلت فلزی دارای اسکلت بتنی بودند، میزان شدت آتش سوزی در آنها بسیار کمتر و محدودتر بوده و از طرف دیگر افراد گرفتار شده در آنها چند ساعت بیشتر فرصت فرار داشتند و در آن صورت آمار تلفات این حادثه بسیار کمتر می شد.
از طرف دیگر هزینه ساخت و پیاده سازی سازه های فلزی از سازه های بتنی بیشتر ولی در عوض سرعت کار بیشتر است.
در ادامه به مزایا و معایب سازه های فلزی نسبت به سازه های بتنی می پردازیم:
مزایای سازه فلزی:
• سرعت نصب و پیاده سازی بیشتر
• ساده تر بودن ترمیم و برطرف کردن آسیب های احتمالی به اسکلت سازه
• عدم نیاز به افراد متخصص و دارای تجربه بالا
• امکان ایجاد بناها و ساختمان های پیش ساخته
• انعطاف پذیری بیشتر فلز نسبت به بتن
• داشتن وزن کمتر
• مقاومت بیشتر نسبت به مصالح بتن به مرور زمان
• استفاده بهینه تر از فضا
• پایداری و مقاومت بیشتر در برابر زلزله های شدید
• عدم نیاز به آزمایشگاه خاک
• قابلیت استفاده جهت ساخت سوله و سایر بناهای بزرگ و یا کوچک
• تخریب آسان تر
• نزدیک تر بودن محاسبات اولیه با واقعیت
• امکان ایجاد تغییر و یا اضافه کردن بخش های جدید پس از ساخت طبقات
• محدودیت کمتر در زمان ساخت هنگام تغییرات جوی شدید (برف و باران)
• هدر رفتن کمتر مصالح
• عدم نیاز به سقف کاذب
معایب سازه های فلزی:
در مقایسه سازه های فلزی با بتنی، سازه های فولادی معایبی نیز نسبت به سازه های اسکلت بتن دارند از جمله:
• مقاومت کمتر فولاد در برابر حرارت و آتش سوزی
• هزینه بیشتر
• امکان خوردگی فلز در برابر عوامل مختلف
• نیاز به جوشکاری دقیق و یا نصب پیچ و مهره های استاندارد
• نیاز به آزمایش جوش و گران بودن آن
• نیاز به کنترل و بررسی دقیق جوشکاری توسط مهندس ناظر
• تمایل اسکلت فلزی به خمش بصورت طبیعی
• امکان زنگ زدگی در مناطق مرطوب
پیچ و مهره در سازه های فلزی:
حال به مسئله مهم دیگری می پردازیم و آن کاربرد پیچ و مهره در اتصالات سازه های فلزی است. در دهه های گذشته استفاده از پیچ و مهره در سازه ها بسیار محدود بود و عمدتا جهت ساخت سوله، مجتمع های صنعتی، پتروشیمی و صنایع مختلف دیگر مورد استفاده قرار می گرفتند.
اما امروزه با بهبود کیفیت و گرید پیچ و مهره ها و همچنین آلیاژهای بکار رفته در ساخت آنها و همچنین پیشرفت در محاسبات مربوط به سازه ها و انواع بناها، از پیچ و مهره استفاده های بسیار گسترده ای می شود بطوری که استفاده از پیچ و مهره در سازه های مختلف امروزه در بسیاری از کشورهای جهان رواج دارد بطوری که حتی بسیاری بناهای مسکونی، اداری و تجاری دارای سازه فولادی نیز از پیچ و مهره استفاده کرده اند.
شاید از خواندن این نکته تجعب کنید اما حقیقتا استفاده از پیچ و مهره در سازه های فلزی مزایایی نسبت به جوشکاری دارد و به همین جهت امروزه این شیوه در بسیاری از کشورهای جهان رواج پیدا کرده است.
مزایای سازه های پیچ و مهره ای:
مهمترین مزایای سازه های فلزی پیچ و مهره ای در مقایسه با سازه های فلزی جوشی، عبارتند از:
• عدم نیاز به جوشکاری
• سرعت بالاتر
• ایجاد سر و صدای بسیار کمتر
• هزینه کمتر
• مصرف انرژی کمتر جهت نصب
• دوام بیشتر سازه
• صرفه جویی در مصرف مصالح و قطعات سازه
• امکان باز و بسته کردن مجدد قطعات سازه
• ایمنی بیشتر در برابر زلزله
• ساده تر بودن اتصالات پیچ و مهره ای
• مقاومت بیشتر در برابر آتش سوزی
• خوردگی کمتر سازه
• امکان استفاده جهت ایجاد خانه های پیش ساخته در سریع ترین زمان ممکن
• عدم نیاز به استفاده دستگاه های جوش و همچنین اتصال دستگاه به برق
پس به این ترتیب می توان براحتی متوجه اهمیت و نقش بسیار مفیدی که پیچ و مهره می تواند در اتصالات سازه ها ایفا کند، می شویم. در مقابل جوشکاری سازه ها معایب متعددی دارد از جمله:
• ایجاد سرو صدا و مزاحمت برای همسایگان هنگام جوشکاری سازه
• مقاومت کمتر سازه های جومشی در برابر زلزله و آتش سوزی
• نیاز به فضایی مناسب جهت جوشکاری
• نیاز به اتصال دستگاه های جوش به برق
• الزام به استفاده از جوشکاران حرفه ای جهت ایجاد جوش های مختلف، رنگ آمیزی و زنگ زدایی
• هزینه بیشتر
• زمان بر بودن
• پرتی بیشتر مصالح
• سخت تر بودن جدا کردن دوباره قطعات جوش داده شده (در صورت هرگونه اشتباه در اتصالات)
به این دلایل در واقع امروزه دیگر در بسیاری از سازه های فلزی در جهان از جوشکاری کمتر استفاده شده و بیشتر از پیچ و مهره ها استفاده می شود. این مسئله در درازمدت به دوام و ماندگاری هرچه بیشتر این نوع سازه ها، کمک زیادی می کند.
البته در نهایت باید این مسئله را تاکید کنیم که هم سازه های فلزی (پیچ و مهره دار و یا جوشکاری شده) و هم بتنی برای اغلب ساختمان ها و بناها مناسب هستند و با در نظر گرفتن شرایط ساخت می توان تا حدودی جهت انتخاب سازه تصمیم گیری کرد. نکته مهم در این میان پیاده سازی و استفاده از نیروهای متخصص و مجرب جهت طراحی و پیاده سازی سازه است.
