معرفی کامل انواع سیستم های سازه ای
بارهایی که بر ساختمان وارد می شود را می توان به دو دسته بارهای ثقلی یا عمودی و بارهای جانبی تقسیم بندی کرد. هر ساختمان از اجزای مختلفی تشکیل شده است. این اجزا به گونه ای بهم متصل می شوند که بتوانند نیروهای وارد بر ساختمان را به خوبی تحمل و به سایر اجزا و نهایتا فونداسیون منتقل کنند. نحوه ای که اجزای سازه بهم متصل شده اند یک سیستم سازه ای را تشکیل میددهد. انواع مختلفی از سیستم های سازه ای امروزه مورد استفاده قرار می گیرد. در ایران در آیین نامه ۲۸۰۰ به ۵ نوع سیستم سازه ای اشاره شده است که البته برخی از آن ها مانند قاب خمشی بسیار پرکاربرد هستند. در این مقاله ما به معرفی اجمالی انواع سیستم های سازه ای شامل سیستم دیوارهای باربرد، سیستم قاب ساده، سیستم قاب خمشی، سیستم ترکبی و سیستم کنسولی پرداخته ایم.
بارهای وارد بر یک ساختمان
هر ساختمانی تحت تاثیر نیروهای مختلفی است. هنگامی که از بارهای وارد شده بر ساختمان صحبت می کنیم دو نوع بار ثقلی و جانبی مطرح می شود. منظور از بار ثقلی بارهای ناشی از وزن سازه یا بارهای زنده است به صورت عمودی به سازه وارد می شود. اما بارهایی نیز وجود دارند مانند زلزله یا باد که به صورت جانبی و از کنار به ساختمان اعمال می شوند. این بارها را جانبی می گویند. برای تحمل هر کدام از این بارها در ساختمان سیستم هایی طراحی می شود که به آن ها سیستم بار ثقلی و سیستم بار جانبی می گویند. هر ساختمان برای تحمل بارهای جانبی و ثقلی هم به سیستم بار ثقلی و هم سیستم بار جانبی نیاز دارد.
نیروهایی که به سازه وارد می شود چه قائم و چه جانبی باید به وسیله ی اعضای سازه مانند تیر و ستون، مهاربندو ... نهایتا به فونداسیون منتقل شود. حال اینکه اعضای سازه چگونه به هم متصل شده باشند و ترکیب و آرایش آن ها چگونه باشد باعث ایجاد سیستم های مختلفی می شود که به آن سیستم سازه ای می گویند.
امروزه سیستم های سازه ای مختلفی طراحی شده است که هر کدام با توجه به شرایط کارایی خود را دارند.
آنچه در این مقاله مطالعه خواهید کرد:
- بارهای وارد بر یک ساختمان
- انواع سیستم های سازه ای
- سیستم دیوارهای باربر
- سیستم قاب ساده
- سیستم قاب خمشی
- سیستم های ترکیبی
انواع سیستم های سازه ای
در ایران آیین نامه ای وجود دارد که نام آیین نامه ۲۸۰۰ که مرتبط با طراحی لرزه ای ساختمان ها می باشد. بر اساس این آیین نامه ۵ نوع سیستم سازه ای تعریف می شود که عبارتند از:
- سیستم دیوار باربر
- سیستم قاب ساده
- سیستم قاب خمشی
- سیستم ترکیبی
- سیستم کنسولی
سیستم دیوارهای باربر
این سیستم فاقد تیر و ستون است و در آن دیوارهای باربر به همراه قاب های مهاربندی شده وظیفه تحمل بارهای قائم را بر عهده دارند. بارهای جانبی نیز به وسیله ی دیوراهای باربر مهار می شوند. مرسوم ترین نوع سیستم دیوارهای باربر سازه اهی LSF است که علاوه بر وزن کم از سرعت اجرای بالایی نیز برخوردارند. این سازه ها به تنهایی از نظر تجاری چندان پرکابرد نیستند.
از انواع دیگر سیستم دیوارهای باربر می توان به دیوار برشی بتن آرمه، دیوار بتنی پاششی، دیوار برشی با مصالح بنایی مسلح اشاره کرد.
سیستم دیوارهای باربر یکی از قدیمی‌ترین و ساده‌ترین انواع سیستم‌های سازه‌ای است که در آن بارهای قائم و جانبی توسط دیوارهای باربر بتنی یا مصالح بنایی مسلح تحمل می‌شوند.
انواع:
دیوار برشی بتن‌آرمه با شکل‌پذیری ویژه، متوسط و معمولی
دیوار برشی با مصالح بنایی مسلح
سازه‌های سبک فولادی سرد نورد شده (LSF)
دیوارهای بتن پاششی سه‌بعدی
مزایا:
سادگی اجرا و کاهش هزینه‌های ساخت
عملکرد مناسب در برابر بارهای قائم
مناسب برای ساختمان‌های کم‌ارتفاع
معایب:
محدودیت‌های معماری به دلیل وجود دیوارهای باربر
شکل‌پذیری پایین در برابر زلزله
سیستم قاب ساده
این سیستم یکی از رایج ترین و پرکاربردترین سیستم های سازه ای ست چرا که اجرای آن راحت است و نیاز به تخصص بالایی ندارد. در سیستم قاب ساده تیر و ستون وجود دارد. تیرها و ستون ها می توانند از فولاد یا بتن ساخته شده باشند و اتصال بین تیرها و ستون ها به صورت مفصلی انجام می شود. از این سیستم بیشتر برای سازه های فولادی استفاده می شود هر چند به کار بردن آن برای سازه های بتنی نیز غیر ممکن نیست اما با پیچیدگی بیشتری همراه است.
بر اساس آیین نامه ۲۸۰۰ انواع سیستم قاب ساده عبارتند از:
- دیوارهای برشی بتن آرمه
- دیوار برشی با مصالح بنایی
- مهاربند واگرای ویژه فولادی
- مهاربندهای کمانش تاب
- مهاربندهای همگرا
تعریف و ویژگی‌ها:
در این سیستم، بارهای قائم توسط قاب‌های ساختمانی شامل تیر و ستون تحمل شده و بارهای جانبی به وسیله دیوارهای برشی یا مهاربندها مهار می‌شوند.
انواع:
دیوارهای برشی بتن‌آرمه با شکل‌پذیری ویژه، متوسط و معمولی
دیوار برشی با مصالح بنایی مسلح
مهاربند واگرای ویژه فولادی
مهاربندهای کمانش‌تاب
مهاربندی همگرا با شکل‌پذیری ویژه و معمولی
مزایا:
اجرای ساده و سریع
مناسب برای سازه‌های فولادی و بتنی
امکان کنترل تغییر شکل‌های جانبی با استفاده از مهاربندها
معایب:
سختی جانبی پایین در صورت عدم استفاده از مهاربندها یا دیوار برشی
محدودیت در ارتفاع سازه
سیستم قاب خمشی
قاب خمشی پرکاربردترین سیستم سازه ایست و استفاده از آن تنها به ایران محدود نمی شود. قاب خمشی می تواند از جنس فولاد یا بتن باشد. اتصال تیر و ستون در قاب خمشی به صورت صلب است اما تیرها و ستون ها در برابر اعمال بار می توانند شکل پذیر باشند.
در این سازه به دلیل گیردار بودن گره ها،تحمل بارهای وارد شده از طریق خمش و برش در تیرها و ستون ها انجام می شود.
بر خلاف سیستم قاب ساده که در ساختمان های فولادی کاربرد بیشتری داشت استفاده از سیستم قاب خمشی در ساختمان های با اسکلت بتنی راحتر است.
تعریف و ویژگی‌ها:
در این سیستم، تیرها و ستون‌ها به‌صورت صلب (خمشی) به یکدیگر متصل شده‌اند و بدون نیاز به مهاربندهای جانبی، می‌توانند بارهای قائم و جانبی را تحمل کنند.
انواع:
قاب خمشی فولادی با شکل‌پذیری ویژه، متوسط و معمولی
قاب خمشی بتنی با شکل‌پذیری ویژه، متوسط و معمولی
مزایا:
آزادی عمل در طراحی معماری و امکان ایجاد بازشوهای بزرگ
انعطاف‌پذیری مناسب و جذب انرژی بالا در برابر زلزله
امکان استفاده در ساختمان‌های با ارتفاع متوسط و زیاد
معایب:
هزینه بالاتر اجرا و نیاز به اتصالات صلب پیچیده
افزایش تغییر مکان جانبی در مقایسه با سایر سیستم‌ها
سیستم های ترکیبی
با توجه به مزایایی که سیستم های سازه ای مختلف دارند در برخی از سازه ها می توان از ترکیب سیستم های مختلف استفاده کرد. به عنوان در ساختمان های بلندتر از ۱۵ طبقه می توان از قاب خمشی به همراه دیوار برشی یا مهاربند کمک گرفت.
در این سیستم ها تحمل بارهای ثقلی توسط تیرها و ستوها صورت می گیرد و دیوارهای برشی یا قاب های مهاربندی وظیفه ی تحمل بارهای جانبی را بر عهده دارند.
تعریف و ویژگی‌ها:
سیستم دوگانه ترکیبی از قاب خمشی و دیوار برشی یا مهاربند است که بارهای جانبی و قائم را به‌صورت مشترک تحمل می‌کنند.
انواع:
قاب خمشی ویژه فولادی + دیوار برشی بتنی ویژه
قاب خمشی ویژه بتنی + دیوار برشی بتنی ویژه
قاب خمشی متوسط بتنی + دیوار برشی بتنی متوسط
قاب خمشی متوسط فولادی + دیوار برشی بتنی متوسط
قاب خمشی ویژه فولادی + مهاربند واگرای ویژه فولادی
قاب خمشی متوسط فولادی + مهاربند واگرای ویژه فولادی
قاب خمشی ویژه فولادی + مهاربند همگرای ویژه فولادی
قاب خمشی متوسط فولادی + مهاربند همگرای ویژه فولادی
مزایا:
عملکرد لرزه‌ای بالا و مقاومت بیشتر در برابر زلزله
مناسب برای ساختمان‌های بلند تا ارتفاع ۲۰۰ متر
افزایش سختی جانبی سازه
معایب:
پیچیدگی طراحی و محاسباتی
افزایش هزینه اجرا
نیاز به اجرای دقیق اتصالات
سیستم کنسولی
تعریف و ویژگی‌ها:
در این سیستم، نیروهای جانبی توسط ستون‌های کنسولی که به‌عنوان عناصر طره‌ای عمل می‌کنند، تحمل می‌شوند. تیرها به‌صورت مفصلی اجرا شده و ستون‌ها به‌صورت طره‌ای عمل می‌کنند.
مزایا:
اجرای ساده و مناسب برای سازه‌های کوتاه‌مرتبه
عدم نیاز به مهاربند یا دیوار برشی
معایب:
محدودیت ارتفاع (حداکثر ۱۰ متر)
نیاز به ابعاد بزرگ ستون‌ها برای تحمل نیروهای جانبی
تغییر شکل‌های جانبی زیاد در هنگام زلزله
نتیجه‌گیری
انتخاب سیستم سازه‌ای مناسب یکی از مهم‌ترین تصمیمات در فرآیند طراحی ساختمان‌ها است. هر ساختمان تحت تأثیر بارهای مختلفی از جمله بارهای ثقلی (مانند وزن سازه و بارهای زنده) و بارهای جانبی (مانند باد و زلزله) قرار دارد. برای مقابله با این نیروها، سیستم‌های باربر مختلفی طراحی شده‌اند که هر یک ویژگی‌ها، مزایا و معایب خاص خود را دارند.
سیستم دیوارهای باربر به دلیل سادگی اجرا و هزینه کمتر، گزینه‌ای مناسب برای ساختمان‌های کم‌ارتفاع محسوب می‌شود، اما محدودیت‌های معماری و شکل‌پذیری پایین از معایب آن است. سیستم قاب ساده با بهره‌گیری از تیرها و ستون‌های مفصلی، گزینه‌ای متداول در سازه‌های فولادی است، اما نیاز به مهاربند یا دیوار برشی برای تأمین سختی جانبی دارد. سیستم قاب خمشی به دلیل اتصال صلب تیرها و ستون‌ها، امکان انعطاف‌پذیری بالا و آزادی عمل در طراحی معماری را فراهم می‌کند، اما هزینه و پیچیدگی اجرای آن بیشتر است.
سیستم‌های ترکیبی، مانند قاب خمشی به همراه دیوار برشی یا مهاربند، ترکیبی از ویژگی‌های مثبت دو سیستم را ارائه داده و در ساختمان‌های بلند تا ارتفاع ۲۰۰ متر عملکرد مناسبی دارند. بااین‌حال، طراحی و اجرای آن‌ها به دقت و هزینه بیشتری نیاز دارد. در نهایت، سیستم کنسولی، که بر اساس ستون‌های طره‌ای طراحی شده، بیشتر برای ساختمان‌های کوتاه‌مرتبه مانند پارکینگ‌ها و انبارها مناسب است و در برابر زلزله تغییر شکل‌های جانبی زیادی خواهد داشت.
در نتیجه، انتخاب سیستم سازه‌ای باید با توجه به فاکتورهای مختلفی از جمله ارتفاع سازه، شرایط لرزه‌ای منطقه، نیازهای معماری، هزینه‌های اجرا و الزامات آیین‌نامه‌ای صورت گیرد. برای ساختمان‌های کوتاه‌مرتبه، سیستم‌های دیوار باربر یا قاب ساده مناسب‌تر هستند، درحالی‌که برای سازه‌های بلند، سیستم‌های قاب خمشی یا ترکیبی کارایی بهتری دارند. مهندسان باید با در نظر گرفتن تمامی این عوامل، سیستمی را انتخاب کنند که علاوه بر تأمین ایمنی و پایداری، از نظر اقتصادی نیز به‌صرفه باشد.
