بررسی انواع سیستم های سازه ای
در طراحی سازه ها، شناخت و انتخاب سیستم های سازه ای مناسب از اهمیت بسیاری برخوردار است. سیستم های سازه ای به عنوان اساسی ترین عنصر در طراحی سازه، علاوه بر نقش اصلی در تحمل بارهای جانبی و ثقلی، تاثیر بسیاری در هزینه ساخت و نگهداری سازه دارند. بنابراین، انتخاب سیستم سازه ای مناسب با توجه به نوع کاربری ساختمان، شرایط اقلیمی و زمینی، بارهای متحمله و نیازهای سازمان سازنده، به طراحی بهینه و ایمن سازه کمک می کند. همچنین، انتخاب سیستم سازه ای مناسب می تواند باعث کاهش هزینه های ساخت و نگهداری سازه شده و در نتیجه به صرفه اقتصادی پروژه کمک کند. بنابراین ما تصمیم گرفتیم در این مقاله به بررسی انواع سیستم های سازه ای بپردازیم. امروزه با پیشرفت تکنولوژی و روند دیجیتالی شدن صنعت ساخت و ساز، استفاده از نرم افزارهای مختلف برای طراحی و محاسبه سازه های ساختمانی بسیار رایج شده است. نرم افزارهایی مانند Tekla Structures امکانات بسیاری در زمینه طراحی، مدلسازی، محاسبه و تحلیل سازه ها را فراهم می کنند و برای بسیاری از مهندسان عمران، معماران و پیمانکاران ساختمانی ابزاری بسیار قدرتمند و موثر در انجام پروژه های ساختمانی محسوب می شوند. با استفاده از این نرم افزارها، مهندسان عمران می توانند سازه های پیچیده را با دقت بالا طراحی و محاسبه کنند و در نتیجه به بهبود کیفیت، کاهش هزینه ها و بهره وری بیشتر در پروژه های ساختمانی دست یابند. اگر شما هم علاقه مند به آموزش این نرم افزار بی نظیر هستید میتوانید پکیج آموزش تکلا استراکچرز را از سایت آپادمی تهیه کنید.
اهمیت سیستم های سازه ای
همانطور که در ابتدا اشاره کردیم متوجه شدید که سیستم سازه ای چیست ؟ و از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. این سیستم ها در واقع اساسی ترین عنصر در طراحی و ساخت یک سازه محسوب می شوند. این سیستم ها به شکلی طراحی می شوند که بتوانند بارهای مختلف (ثقلی، باد، زلزله و ...) را به طور موثری جذب و به سازه انتقال دهند. بنابراین، انتخاب سیستم سازه ای مناسب به شکل قابل توجهی بر کیفیت و ایمنی سازه تاثیر می گذارد. اگر سیستم سازه ای مناسب انتخاب نشود، ممکن است سازه مستحکم نباشد و در مواجهه با بارهای مختلف، مشکلاتی ایجاد شود. به علاوه، انتخاب سیستم سازه ای مناسب می تواند باعث کاهش هزینه های ساخت و نگهداری سازه شده و در نتیجه به صرفه اقتصادی پروژه کمک کند. در کل، شناخت و انتخاب سیستم سازه ای مناسب از اهمیت بسیاری برخوردار است و برای طراحی و ساخت سازه های ایمن، پایدار و به صرفه اقتصادی حیاتی است.
بارهای وارد بر ساختمان
بارهای وارد بر یک ساختمان را می‌توان به دو دسته بارهای ثقلی یا عمودی و بارهای جانبی تقسیم کرد. بارهای ثقلی شامل وزن ساختمان، وزن تجهیزات، بارهای شناور و... هستند که به صورت عمودی به سازه وارد می‌شوند و به سیستم بار ثقلی سازه تحمل می‌شوند. بارهای جانبی شامل بارهای باد، بارهای زلزله و... هستند که به صورت جانبی و از کنار به سازه وارد می‌شوند و به سیستم بار جانبی سازه تحمل می‌شوند. هر ساختمان برای تحمل بارهای جانبی و ثقلی به سیستم بار ثقلی و سیستم بار جانبی نیاز دارد. سیستم بار ثقلی شامل اجزای سازه‌ای مانند ستون‌ها، بالکن‌ها، دال‌ها و پایه‌های فونداسیون است که بتوانند بارهای ثقلی را تحمل کنند و به سایر اجزا و نهایتاً به فونداسیون منتقل کنند. سیستم بار جانبی شامل اجزایی مانند دیوارها، سیستم‌های اتصالاتی، سیستم‌های تثبیت و پیچیدگی‌هاست که بتوانند بارهای جانبی را تحمل کنند و به سایر اجزا منتقل کنند. طراحی و انتخاب سیستم‌های بار ثقلی و بار جانبی بسته به نوع ساختمان و شرایط محیطی و جغرافیایی متفاوت است. به طور کلی، سازه‌های بلند و بزرگ تحت تاثیر بارهای جانبی بیشتری هستند و باید سیستم بار جانبی قوی و کارآمدی داشته باشند. در عوض، سازه‌های کوچکتر و مسکونی تحت تاثیر بارهای ثقلی بیشتری هستند و نیاز به سیستم بار ثقلی قوی‌تری دارند.
مقاله پیشنهادی: معرفی انواع بارهای وارده بر ساختمان
معرفی انواع سیستم های سازه ای
در بخش قبل توضیح دادیم که بارهایی که بر ساختمان وارد می شوند را می توان به دو دسته بارهای ثقلی یا عمودی و بارهای جانبی تقسیم بندی کرد. بارهای ثقلی شامل وزن ساختمان، وزن تجهیزات، بارهای شناور و ... هستند که بر سطح افقی ساختمان وارد می شوند. بارهای جانبی شامل بارهای باد، بارهای زلزله و ... هستند که بر ساختمان، عمودی وارد می شوند. سیستم های سازه ای مختلفی وجود دارند که برای تحمل بارهای وارد بر ساختمان طراحی شده اند. در آیین‌نامه ملی ساختمان ایران به 5 نوع سیستم سازه ای اشاره شده است که هر یک از این سیستم ها قابلیت تحمل بارهای مختلف را دارند و بسته به نوع سازه و شرایط پروژه، انتخاب می شوند همچنین در طراحی سازه ها، اتصالات بین اجزای سازه ای نیز بسیار مهم می باشند که باید به گونه ای طراحی شوند که بتوانند به خوبی نیروهای وارد بر سازه را تحمل کنند و به سایر اجزا و نهایتا فونداسیون منتقل کنند. انواع سیستم های سازه ای از دیدگاه آیین نامه ۲۸۰۰ به صورت زیر دسته بندی شده اند:
1. سیستم دیوارهای باربر
2. سیستم قاب ساختمانی
3. سیستم قاب خمشی
4. سیستم دوگانه یا ترکیبی
5. سیستم کنسولی
مقاله پبشنهادی: تکلا استراکچرز چیست؟
سیستم دیوارهای باربر
سیستم باربر سازه ای با دیوار باربر یا همان سیستم دیوارهای مقاوم، یکی از قدیمی‌ترین سیستم‌های سازه ای در ایران و جهان است که برای ساخت ساختمان‌های ویلاهایی و ساختمان‌های کوچکتر استفاده می‌شده. به همین دلیل سازه‌های سرد نورد به علت وزن کمتر و سرعت اجرای بالا، معمولاً در پروژه‌هایی با طبقات کمتر از ۳ و در مناطقی که نیروی زلزله زیاد ندارند و لرزه خیزی کم و یا متوسط دارند، استفاده می‌شوند. این سیستم در دوران پرطرفداری خود، به دلیل وجود سطوح بتنی بسیار قوی در سازه، می‌توانست بارهای جانبی ناشی از زلزله، باد و... را به خوبی تحمل کند. اما با گسترش تحقیقات علمی و استفاده از روش‌های جدید در سازه‌های بلند، این سیستم به دلیل محدودیت‌هایی که دارد، مانند محدودیت در طراحی، ساخت، نصب و همچنین هزینه بالا، به کاربرد کمتری در ساختمان‌های جدید برخوردار شده است. به همین دلیل، امروزه به دلیل ایجاد نیروهای جانبی زیاد و نیاز به روش‌های جدید در ساختمان‌سازی، سیستم باربر سازه ای با دیوار باربر مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.
سیستم قاب ساختمانی (قاب ساده)
سیستم قاب ساده یکی از رایج‌ترین و پرکاربردترین سیستم‌های سازه‌ای است. این سیستم معمولاً برای ساختمان‌های فولادی استفاده می‌شود، اما با اصلاحات و استفاده از روش‌های متنوع، می‌توان از آن در سازه‌های بتنی نیز استفاده کرد. سیستم قاب ساده از تیرها و ستون‌ها تشکیل شده است. تیرها و ستون‌ها می‌توانند از فولاد یا بتن ساخته شوند. در این سیستم، اتصالات بین تیرها و ستون‌ها به صورت مفصلی انجام می‌شود. این نوع اتصالات امکان جابجایی و چرخش بین تیر و ستون را فراهم می‌کند و این ویژگی باعث افزایش انعطاف‌پذیری و کاهش اثرات نیروهای زلزله می‌شود. از مزایای سیستم قاب ساده، راحتی و سرعت اجرای آن است. نیاز به تخصص بالا برای اجرای این سیستم نیست و قرار دادن تیرها و ستون‌ها به صورت مفصلی به سادگی انجام می‌شود. بر اساس آیین نامه ۲۸۰۰ انواع سیستم قاب ساده عبارتند از:
1. دیوارهای برشی بتن آرمه
2. دیوار برشی با مصالح بنایی
3. مهاربند واگرای ویژه فولادی
4. مهاربندهای کمانش تاب
5. مهاربندهای همگرا
مقاله ییشنهادی: سخت‌افزار مورد نیاز تکلا استراکچرز
سیستم قاب خمشی
سیستم قاب خمشی (Moment Frame System) یکی از پرکاربردترین سیستم‌های سازه‌ای در سراسر جهان است که برای ایجاد استحکام و انعطاف‌پذیری در برابر نیروهای لرزه‌ای در ساختمان‌ها استفاده می‌شود. در این سیستم، قاب خمشی در تیرها و ستون‌ها ایجاد می‌شود تا بتواند نیروهای لرزه‌ای را جذب کند و به طور مؤثر از سازه محافظت کند. قاب خمشی می‌تواند از جنس فولاد یا بتن باشد و مزایای خاص خود را در هر دو نوع سازه ارائه می‌دهد. در این سیستم، اتصال تیر و ستون به صورت صلب و گیردار است، به این معنی که قدرت انتقال نیرو و جابجایی بین تیر و ستون بسیار بالا است. اما تیرها و ستون‌ها می‌توانند در برابر اعمال بار شکل‌پذیر باشند، به این معنی که در طول فرآیند ساخت و بارگذاری، ممکن است تغییر شکل دهند و انعطاف‌پذیری داشته باشند. به عنوان مثال، در سازه‌های با ساختمان اسکلت بتنی، قاب خمشی به دلیل قدرت بالا در جذب و کنترل نیروهای لرزه‌ای و انتقال بارها به طور مؤثر، استفاده راحت‌تری نسبت به سیستم قاب ساده فولادی دارد. همچنین، استفاده از قاب خمشی در سازه‌های بتنی می‌تواند به دلیل امکان شکل‌پذیری بیشتر تیرها و ستون‌ها، طراحی و اجرای سازه را آسان‌تر کند. با این حال، در طراحی و اجرای سیستم قاب خمشی نیاز به تخصص بالا و محاسبات دقیق است. همچنین، مراعات استانداردها و ضوابط مربوط به طراحی سازه‌های قاب خمشی ضروری است تا استحکام و ایمنی سازه به خوبی تأمین شود.
سیستم سازه ای قاب خمشی ترکیبی (دوگانه)
در سیستم قاب خمشی دوگانه، اعضای قاب خمشی و دیوارهای برشی یا مهاربندها به صورت ترکیبی عمل می‌کنند تا نیروهای جانبی ناشی از زلزله را جذب و تحمل کنند. به طور کلی در سیستم دوگانه، بارهای ثقلی توسط تیرها و ستوها تحمل می‌شوند و دیوارهای برشی یا قاب‌های مهاربندی تحمل بارهای جانبی مانند نیروهای زلزله و باد برعهده دارند. دیوارهای برشی یا قاب‌های مهاربندی عملکرد اصلی خود را در تحمل بارهای جانبی مانند نیروهای زلزله و باد انجام می‌دهند. آنها قادر به جذب و تحمل نیروهای جانبی هستند و از سازه در برابر این نیروها محافظت می‌کنند. سیستم قاب خمشی دوگانه از آنجا که فیوزهای (اعضای مقاوم در برابر نیروهای جانبی) زیادی دارد، به عنوان یک سازه مقاوم در برابر نیروهای زلزله شناخته می‌شود. این سیستم می‌تواند برای ساختمان‌های با ارتفاع تا ۲۰۰ متر استفاده شود و مقاومت بالایی نسبت به سایر سیستم‌های سازه‌ای دارد. استفاده از سیستم قاب خمشی دوگانه بیشتر برای برج‌ها و ساختمان‌هایی با اهمیت زیاد مانند بیمارستان‌ها، کلانتری‌ها، مدارس، موزه‌ها و غیره رایج است. همچنین، در شهرهایی با خطر لرزه‌خیزی زیاد مانند تهران، می‌توان از این سیستم برای ساختمان‌های مسکونی با بیش از ۵ طبقه استفاده کرد. از نظر ظاهری، قاب‌ها و مهاربندهای دوگانه با قاب‌ها و مهاربندهای ساده تفاوتی ندارند. اما تفاوت اصلی در عملکرد و طرز کارکرد آنها در مقابل زلزله است. سیستم قاب خمشی دوگانه نیروهای متفاوتی را در مقابل زلزله تحمل می‌کند و کنترل‌های خاص خود را دارد. به عنوان مثال، اگر دیوار برشی که به عنوان قاب دوگانه عمل می‌کند، از پس کنترل‌های مورد نیاز برنیاید، دیوار دیگر به عنوان قاب دوگانه محسوب نمی‌شود و به جای آن به عنوان یک دیوار ساده در نظر گرفته می‌شود. این سیستم‌ها دارای تفاوت‌های فنی و عملی دیگری نیز هستند که در بطن سازه و در اجزای مختلف آن نمایان می‌شوند.
سیستم کنسولی
سیستم کنسولی، سازه هایی هستند که در آنها ستون هایی دارای تکیه گاه گیردار وجود داشته باشد. تیرها در سیستم کنسولی دارای اتصالات مفصلی با ستون و مانند تیرهایی هستند که فقط یک سمت آنها تکیه گاه دارد و سمت دیگر آنها آزاد است. در این حالت، تیرها دستخوش تغییر زیاد در سمت آزاد خود می شوند و بار را به تکیه گاه انتقال می دهند که قابلیت تحمل لنگر خمشی و برشی دارد. برای درک بهتر مفهوم سیستم کنسولی، می توان یک سالن با ستون های بتن آرمه را تصور کرد که خرپاها روی دو ستون می نشینند. این سیستم، استهلاک انرژی کمتری دارد و به همین خاطر ضریب رفتار کمتری برای آن لحاظ می شود. در این رابطه، مهندسان محاسب در دفاتر طراحی ساختمان در صورت طراحی سالن با سقف خرپایی و ستون های بتن آرمه، باید ضریب رفتار 2 را اعمال نمایند نه 5 که مربوط به قاب های خمشی متوسط بتنی است. همچنین در این حالت، ابعاد ستون ها، بزرگ تر است.
مقاله پیشنهادی: پرکاربرد ترین نرم افزارهای عمران
انواع سیستم سازه ای خارج از آیین نامه ۲۸۰۰
در آیین‌نامه 2800 معمولاً به سیستم‌های سازه‌ای معمول و رایج اشاره می‌شود. اما در برخی ساختمان‌های با ارتفاع بلند و یا با اهمیت رده بالا، سیستم‌های خاص و پیشرفته‌تری استفاده می‌شود که در آیین‌نامه به صورت کامل توضیح داده نشده است. در زیر به برخی از این سیستم‌ها اشاره میکنم:
1. جداسازهای لرزه‌ای: سیستم جداسازهای لرزه‌ای یکی از انواع سیستم‌های سازه‌ای است که برای محافظت در برابر نیروهای زلزله استفاده می‌شود. این سیستم‌ها ساختمان را به بخش‌ها و قسمت‌های مستقل تقسیم می‌کنند که در زمان وقوع زلزله، قابلیت حرکت و جداسازی دارند. عمده هدف استفاده از جداسازهای لرزه‌ای، کاهش نیروی زلزله است و نه افزایش مقاومت سازه در برابر زلزله. این سیستم‌ها با افزایش زمان تناوب ساختمان و کاهش شتاب وارده به سازه، جابه‌جایی نسبی بین طبقات را کنترل می‌کنند. با این کاهش در شتاب و جابه‌جایی سازه، خسارات و خرابی‌های ناشی از زلزله به طور قابل توجهی کاهش می‌یابند. استفاده از جداسازهای لرزه‌ای بیشتر در ساختمان‌هایی با ارتفاع بالا، سازه‌هایی که به بهسازی نیاز دارند، ساختمان‌های حساس مانند بیمارستان‌ها و مدارس، و همچنین ساختمان‌هایی که دارای معماری و تجهیزات گرانبها هستند، استفاده می‌شود. این سیستم‌ها به صورت جداگانه و مستقل از آیین‌نامه‌های معمولی سازه‌ها، بر اساس استانداردهای خاصی طراحی و اجرا می‌شوند.
2. میراگرها: میراگرها یکی از انواع سیستم‌های لرزه‌ای هستند که در ساختمان‌ها به منظور محافظت در برابر نیروهای زلزله و بارهای دیگر استفاده می‌شوند. این سیستم‌ها با استفاده از خواص خاص مصالح و روش‌های خاص طراحی شده‌اند تا نیروها و جابجایی‌های ناشی از زلزله را جذب و کنترل کنند. استفاده از میراگرها در ساختمان‌های حساس مانند مدارس، بیمارستان‌ها و ساختمان‌های با ارتفاع بالا مانند برج‌ها، اهمیت بسیاری دارد. زیرا این سیستم‌ها می‌توانند نیروها و جابجایی‌های زلزله را به میزان قابل توجهی کاهش دهند و از ساختمان جلوگیری کنند. در عملیات بهسازی ساختمان‌ها نیز استفاده از میراگرها بسیار شایع است تا سازه قبل و بعد از بهسازی از زلزله محافظت شود و خسارت ناشی از زلزله کاهش یابد. میراگرها از انواع مختلفی مانند میراگرهای جرمی، میراگرهای ویسکوزی، میراگرهای هیدرولیک و میراگرهای الاستومریک تشکیل شده‌اند. هر کدام از این انواع میراگرها خواص و قابلیت‌های منحصر به فردی دارند که با توجه به نیازهای سازه و شرایط محیطی، انتخاب می‌شوند.
مقاله پیشنهادی: اتصالات فولادی چیست؟
3. دیوار برشی فولادی: دیوار برشی فولادی یکی از سیستم‌های سازه‌ای مورد استفاده در ساختمان‌ها است و در سال‌های اخیر در کشورهای مختلف، از جمله کشور ایران، رواج زیادی پیدا کرده است. این سیستم سازه‌ای مشابه دیوار برشی بتنی است، اما به جای استفاده از اجزای بتنی، از ورق‌های فولادی به عنوان عضو اصلی استفاده می‌کند. در دیوار برشی فولادی، ورق‌های فولادی به هم پیوسته و به صورت عمودی قرار می‌گیرند و توسط اتصالات خاصی به سازه پیوسته می‌شوند. ضخامت ورق‌های فولادی در این سیستم ممکن است متغیر باشد و بسته به نوع ساختمان و نیروهای در برخی ساختمان‌ها، از دیوارهای برشی فولادی برای تقویت سازه در برابر نیروهای لرزه‌ای استفاده می‌شود. این دیوارها به صورت عناصر عمودی و بسترهای افقی کار می‌کنند و نیروهای لرزه‌ای را به طور موثری جذب و توزیع می‌کنند.
پکیج پیشنهادی: پکیج آموزش نقشه کشی سازه
4. سوپر فریم: سوپر فریم یا فریم‌های پیشرفته، سازه‌هایی هستند که ترکیبی از قاب‌های خمشی و سیستم‌های دیگر می‌باشند. این سیستم‌ها قادر به تحمل بارهای لرزه‌ای بالا هستند و در ساختمان‌های بلند استفاده می‌شوند.
یکی از سیستم‌های سازه‌ای مورد استفاده در ساختمان‌ها است و به عنوان سیستم پلان باز نیز شناخته می‌شود. این سیستم در ژاپن توسعه داده شده و به تازگی توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. سوپر فریم از چهار تکنیک اصلی استفاده می‌کند که عبارتند از:
• استفاده از قطعات پیش‌ساخته: در سوپر فریم، از قطعات ساخته شده پیش‌ساخته استفاده می‌شود که به صورت آماده تولید شده و در محل ساختمان نصب می‌شوند. این قطعات می‌توانند شامل ستون‌ها و بال‌ها باشند و باعث سرعت و دقت بیشتر در ساخت سازه می‌شوند.
• استفاده از میراگرهای ویسکوز یا جرمی: در طبقات بالایی سازه، از میراگرهای ویسکوز یا جرمی استفاده می‌شود. این میراگرها عملکرد ضربه‌ای و تخلیه‌ای دارند و در زمان وقوع زلزله، نیروها و انرژی را جذب و کاهش می‌دهند. این اقدام منجر به کاهش شدت نیروها و جابجایی‌های جانبی در طبقات بالایی سازه می‌شود.
• استفاده از بتن پرمقاومت: در سازه سوپر فریم، بتن با مقاومت بالا استفاده می‌شود. این نوع بتن مقاومت بالایی در برابر نیروها و انرژی‌های لرزه‌ای دارد و از انتشار و گسترش آسیب در ساختمان جلوگیری می‌کند.
• استفاده از کف‌های پیش‌تنیده یا پس‌کشیده: در سازه سوپر فریم، از کف‌هایی با سیستم پیش‌تنیده یا پس‌کشیده استفاده می‌شود. این نوع کف‌ها با تنش‌های پیش‌تنیدگی یا پس‌کشیدگی مجهز می‌شوند که به سازه استحکام و انعطاف‌پذیری می‌بخشد.
سازه سوپر فریم دارای هسته مرکزی بتنی با ترکیبی شبیه به دیواری به شکل H است که عمق آن نسبتاً بزرگ است. در این سیستم، نیروها و بارهای حاصل از زلزله ابتدا به هسته مرکزی و سپس به سوپرتیرها منتقل می‌شوند و در نهایت به ستونهای بالای هر وجه و میراگرهای موجود در بالای سازه می‌رسند. میراگرها، که اغلب شبیه به گوی هستند، با جذب و تخلیه نیروها، شدت و نیروی زلزله را در طبقات بالایی سازه کاهش می‌دهند. به این ترتیب، جابجایی جانبی پس از وقوع زلزله به شدت کاهش می‌یابد و ایمنی ساختمان افزایش می‌یابد. سازه سوپر فریم به علت استفاده از این تکنیک‌ها، مزایایی مانند سرعت ساخت، افزایش ایمنی و کاهش خسارت در زمان زلزله را به همراه دارد.
پکیج پیشنهادی: پکیج آموزش اتصالات فولادی
در این مقاله به معرفی کامل انواع سیستم های سازه ای پرداختیم، امیدوارم توضیحات ما برای شما مفید بوده باشد و از این مقاله لذت برده باشید.
