ساختمان سازی با نگرشی جدید نسبت به سازه های فضاکار

در حال حاضر مسئله بهینه‌سازی و صرفه جویی مصالح در ساختمان‌ سازی برای مهندسان و  دیگر مشاغل دخیل با ساخت و ساز مهم و بااهمیت است.

شیوه های عادی طرح و محاسبه ساختمان ها از قبیل :

فولادین یا بتنی، استفاده  از قاب های خمشی مرسوم، قاب های مهاربندی شده و سیستم های دوگانه می‌باشد.

تا امروز تحقیقات وسیعی راستای سبک‌سازی مصالح مصرفی این ساختمان‌ها و بدلیل کم کردن بار زلزله‌ وارده بر ساختمان انجام شده.

این مطلب برای استفاده سازه های فضاکار در ساختمان سازی های چند طبقه که قسمت بزرگی از ساخت و سازها را دارند، روشی ارائه می‌دهد.

مدلسازی ساختمان فضاکار از طریق استاتیک معادل و برپایه آیین‌نامه2800 و با برنامه‌یSAP2000 انجام شده. از مقایسه با ساختمان‌هایی با سیستم های متفاوت سازه‌ای،دریافت شده که ،وزن اسکلت و همینطور تغییر مکان حاصل بارهای جانبی در سازه‌ها به سیستم های دارای بادبند بسیار نزدیک می‌باشد.

سازه فضاکار از لحاظ سهولت اجرا و زمان ساخت کم،صرفه اقتصادی دارد. همینطور بدلیل اتصالات ایمن و شراکت تعداد مورد توجهی از اعضای سازه ای در انتقال بارهای ثقلی و جانبی، بهتر از سیستم های سازه ای معمول دیگر می‌باشد.

سازه های فضاکار

سازه هایی که از تعداد اعضای بالا و عملکرد محوری ساخته می‌شوند. اشکال مختلفی دارند. چندین گروه دارند.

گروه‌ها شامل:

شبکه‌های تک لایه،دو لایه و سه لایه،چیلک های تک لایه و

دو لایه،گنبدهای تک لایه و دو لایه،دکل های فضاکار و غیره.

در دهه‌های جدید این سازه ها رایج شده. بیشتر جهت پوشش دهانه های بزرگ مثل ژیمناسیوم ها،استادیوم ها،سالن های تئاتر و غیره، کاربرد دارد.

اما در ایران از این سازه ها، برای ساخت ساختمان های عادی استفاده نشده. ساختمان های فضاکار،سازه های هستند که سقف و دیوارهای جانبی آنها را شبکه ها تشکیل می‌دهند.

تفاوت ساختمان های فضاکار با ساختمان های عادی

شبکه های مورد استفاده دیوارها،وظیفه ستون های ساختمان عادی را بر عهده دارد.

بارهای قائم و بارهای جانبی حاصل باد و زلزله را به پی انتقال می‌دهد. شبکه دو لایه

شکل دهنده سقف ساختمان‌های فضاکار همینطور کاربردی شبیه سقف صلب ساختمان های

عادی دارد. نیروی برآیند بارهای جانبی باد و زلزله را به نسبت سختی میان دیوارهای باربر توزیع

می‌کند. طراحی همه اجزا و اتصالات این سازه ها بخاطر نبودن آیین‌نامه ویژه این سازه ها، مثل دیگر

ساختمان های عادی ،براساس مراجع معتبر و آیین نامه های رایج طراحی،AISC یا آیین‌نامه فولاد ایران

و آیین نامه2800،انجام می‌گیرد.

سیستم ساختمانی فضاکار

شبکه‌های تخت اشکالی از سازه های فضاکار هستند. جهت استفاده پوشش سقف در ساختمان های چند طبقه قابل استفاده اند. شبکه‌های تک لایه اتصالات گیردار بخاطر ارضای شرایط پایداری دارند. دارای اعضای قوی‌تر تحمل لنگر خمشی حاصل بارهای اعمالی می‌باشند. لنگر خمشی در آنها قرار دارد. باعث ایجاد خیز زیاد در سقف و خیز جانبی بیش از اندازه در شبکه های قائم باربر می‌گردد. شبکه های سه لایه ارتفاع زیادی دارند. غیراقتصادی هستند. برای دهانه‌های کوچک، در این ساختمان‌ها مناسب نیستند. درنتیجه بهترین سازه فضاکار،برای سقف ساختمان‌ها،شبکه دو لایه است.

ارتفاع این شبکه در این مطالع 50سانتی‌متر است. هریک از لایه ها به حالت مربع‌هایی به بعد 1متر شبکه بندی شده اند.(شکل1)

دیوارهای این سازه ها

علاوه بر تحمل بارهای قائم، به عنوان سیستم مقاوم در مقابل بارهای جانبی استفاده می‌شوند. از جنس شبکه های تک لایه با اتصالات صلب هستند. اجزای قائم این دیوارها 1متر فاصله دارند. 2/1 متر فاصله فرض شده.  اعضای مورب در دیوارها جهت تحمل بارهای جانبی استفاده شده‌اند.(شکل 2)

همچنین برای کم کردن طول آزاد اعضای افقی دیوارها،از پشت‌بندهای فضاکار با فاصله 5متر استفاده می‌شود. (شکل3)

باید دقت کرد

اگر برای ساخت دیوارهای داخلی نیز از شبکه های تک لایه استفاده شود. این شبکه ها اضافه بر توانایی انتقال بارهای ثقلی و جانبی،می‌توانند نقش پشتبندها را اجرا کنند. تاثیر بسزایی در کاهش خیز سقف و ابعاد پروفیل‌های مصرف شده خواهند داشت.

ساختمانی 4طبقه به طول و عرض 30متر که هر طبقه به 4واحد مجزا تقسیم شده. در این تحقیق مورد مطالعه قرار گرفته.

 اتصالات سازه های فضاکار کدامند؟

امروزه انواع مختلفی از اتصالات سازه های فضایی وجود دارد که این اتصالات عبارتند از:

سیستم های اتصال گوی سان، صفحه ای، سوکتی و ….

معمولی ترین اتصال که در بیشتر سازه های فضاکار استفاده می شود نوعی از اتصال گوی سان است که نام آن اتصال مرو است. استفاده از این نوع اتصال بسیار ساده و کار آمد است.

جنس این گوی اتصال اغلب از آهن فورج شده است. در سطح این گوی نقاط حفره مانندی وجود دارد که از آن ها برای پیوند و اتصال اعضا به صورت پیچی با زوایای مختلف استفاده می شود.

 قاب های ساختمانی

نوعی که از سیستم های سازه ای برای مقایسه سیستم های ساختمانی فضاکار استفاده می شوند شامل سیستم های قاب ساختمانی هستند. این سیستم ها ابعاد مشابه با 6 دهانه 5 متری در هر جهت می باشند. سیستم هایی که دارای بادبند هستند، بادبندها به صورت ضربدری قرار می گیرند. مکان قرار گیری این سیستم ها در قاب های فرد است(1،3،5،7).

 بارگذاری

سقف های در نظر گرفته شده در ساخت سازه ها مطابق شکل 6 می باشند. بار مرده برای ساختمان های معمولی 500 کیلوگرم در متر مربع است. این بار برای ساختمان های فضاکار 300 کیلوگرم در هر متر مربع می باشد.

بار زنده تمامی ساختمان ها به طور تقریبی 200 کیلوگرم در متر مربع است.

توجه داشته باشید در ساختمان های معمولی سقف ها به صورت صلب می باشند. بار زلزله در هر طبقه مجزا به مرکز جرم وارد می شود. در ساختمان های فضاکار شبکه های دولایه در مقابل بارهای جانبی به صورت صلب عمل می کنند. در نتیجه بار جانبی براساس سطح بارگیر در بین گره های فوقانی شبکه توزیع می شود. جزئیات بارگذاری زلزله در هر چهار سیستم ساختانی طبق جدول 1 است.

 مقاطع مورد استفاده

سازه های فضاکاری که مورد مطالعه هستند به طور تقریبی دارای 35268 عضو هستند. در طراحی این سازه ها از پروفیل با لوله هایی به ضخامت و قطرهای مختلف استفاده می شود. بر اساس نتایج طراحی 24 تیپ مقطع برای ساختمان فضاکار بدست می آید. مقاطع تشکیل دهنده در همهی ساختمان سازی ها مطابق جدول 2 و 3 هستند.

 آنالیز و طراحی

آنالیز و طراحی همه ساختمان سازی ها بر اساس SAP2000 انجام می شود. اثرات زلزله نیز با استفاده از روش استاتیک معادل اعمال می شود. 

با توجه به این که هنوز آیین نامه ای برای طراحی سازه فضایی مشخص و تدوین نشده است. در نتیجه آیین نامه های استفاده شده در بارگذاری و طراحی سازه ها را آیین نامه حداقل بار وارده بر ساختمان ها و بناهای فنی(استاندارد 519)، آیین نامه 2800، AISC و یا آیین نامه فولاد ایران تشکیل می‌دهند.

 وزن اسکلت سازه ها

با توجه به نتایج برسی و طراحی، وزن اسکلت سیستم ها سازه ای مطابق جدول4 می‌باشد. همانطور که می بینید وزن اسکلت ساختمان فضاکار با سیستم های بادبندی و دوگانه به طور تقریبی برابر است و کمتر از وزن اسکلت سیستم قاب خمشی است.

مقایسه تغییر مکان جانبی و خیز در سازه ها

حداکثر تغییر در مکان جانبی و خیز ماکسیمم سیستم های سازه ای بر اساس نتایج طراحی در جدول 5 اورده شده اند.

با مقایسه کردن اعداد موجود در جدول مشاهده می شود که ساختمان های فضاکار که همراه سیستم های دوگانه هستند دارای حداقل مکان جانبی هستند و بیشترین خیز را در بین سیستم های دیگر دارند. این خیز در محدوده مجاز آیین نامه است و قابل قبول می باشد.

نتیجه گیری

در هر ساختمان سازی استفاده از سازه فضاکار سبب کاهش بارهای مرده سازه می شود. این درحالی است که وزن اسکلت سازه در هر متر مربع برابر با سیستم های ساده و دوگانه است. این در حالی است که این وزن بسیار کمتر از وزن اسکلت سیستم قاب خمشی است.

باید بدانید سازه های فضاکار رفتار قابل قبولی را در برابر بارهای جانبی از خود نشان می دهند. تغییر مکان جانبی بارهای سازه نسبت به سیستم های ساختمانی ساده و سیستم قاب خمشی کمتر است. همچنین به دلیل تعداد اعضا سازه نیرو داخلی اعضا  تحت تاثیر بارهای جانبی تغییرات کمی را از خود نشان می دهند.

باید بدانید تغییر مکان قائم سازه های فضایی بسیار مورد مطالعه است و این امر در محدوده مجاز آیین نامه می باشد. این خیز می تواند با تعبیه دیوارهای میانی(جنس شبکه تک لایه) کاهش یابد.

سازه های فضاکار دارای اجزا بسیار زیادی هستند که درجه نامعین بالایی دارد. اتصالات کارخانه ای دارای ضریب اطمینان بسیار مناسبی هستند. این امر به دلیل ساده بودن اجرا و همچنین مدت زمان کوتاه ساخت بسیار به صرفه و اقتصادی هستند.