اسکلت فلزی یا اسکلت فولادی از پرکاربردترین سیستمهای سازهای در صنعت ساختمان بوده که به دلیل ویژگیها و مزایای بسیاری که دارد به صورت گسترده در طراحی سازهها مورد استفاده قرار میگیرند. این سیستم جزو روشهای نوین در ساخت و ساز بوده که طرفداران بسیاری دارد و از آن برای ساخت سازههای بزرگ و مرتفع استفاده میشود. اسکلت فلزی متشکل از تیرها و ستونهای فلزی بوده که به صورت شبکهای و منظم در کنار یکدیگر قرار گرفتهاند.
همچنین نحوه اتصال اجزای این اسکلتها نیز میتواند بر میزان کارایی و مقاومت آنها در شرایط کاری مختلف تأثیرگذار باشد که معمولاً این کار به روشهای مختلفی صورت میگیرد. در ادامه این مطلب ضمن معرفی بیشتر اسکلت فلزی و تاریخچه پیدایش و تکامل آن قصد داریم به انواع اسکلت فولادی، مزایا و معایب استفاده از این اسکلتها و هزینه اجرای آنها بپردازیم و در آخر به تفاوت اسکلت فلزی با ساختمان پیشساخته و تفاوت اسکلت فولادی با اسکلت بتنی ساختمان اشاره کنیم که امیدواریم این مطالب مورد توجه و استفاده شما مخاطبان قرار گیرد.
معرفی اسکلت فلزی یا اسکلت فولادی
اسکلت فلزی که با عنوان اسکلت فولادی نیز شناخته میشود از سیستمهای سازهای رایج و کاربردی در طراحی ساختمانها بوده که به دلیل کارایی بالا و قابلیتهایی که دارد در بسیاری از ساختوسازها مورد استفاده قرار میگیرد. در طراحی این اسکلت از فولاد استفاده میشود که به دلیل استحکام و دوام بالایی که دارد میتواند نقش مهمی در پشتیبانی و انتقال بارها در سازه ایفا کند. از اجزای اصلی و مهم اسکلت فولادی میتوان به ستونها و تیرها اشاره کرد که به ترتیب به صورت عمودی و افقی در طراحی این اسکلتها مورد استفاده قرار میگیرند. با استفاده از تیرها و ستونهای فولادی این سازهها میتوان فشارهای وارده بر بخشهای مختلف آن را کنترل و مهار کرد و به افزایش مقاومت و دوام سازه در برابر نیروهای وارده کمک نمود.
طراحی اسکلت فلزی به صورتهای مختلفی انجام میشود و اتصالات آن نیز بسته به زمینه کاری سازه میتواند متفاوت باشد. برای نصب و اجرای برخی اسکلتهای فلزی از جوشکاری استفاده میشود در حالی که برخی دیگر از این اسکلتها را با استفاده از پیچ و مهره سرهمبندی میکنند. اجزای اسکلت فولادی نقش مهمی در انتقال وزن سازه، بارهای زنده و همچنین نیروهای وارده بر آن به بخش فونداسیون ساختمان از آن به زمین را دارند. در اسکلت فلزی علاوه بر ستونها و تیرهای فولادی از اجزای دیگری چون پروفیلها نیز استفاده میشود که بسته به نیاز سازه در طراحی آن مورد استفاده قرار میگیرند. از پروفیلهای رایج در این زمینه میتوان به پروفیل I-beams و H-beams اشاره کرد که با توجه به طراحی خاصی که دارند از کارایی ویژهای در این زمینه نیز برخوردار هستند.
تاریخچه پیدایش و تکامل اسکلت فلزی (اسکلت فولادی) در جهان و ایران
تاریخچه پیدایش اسکلت فلزی به انقلاب صنعتی (اواخر قرن ۱۸ و اوایل قرن ۱۹ میلادی) برمیگردد که در این دوره اختراع آهن چکشخوار و چدن دلیلی شد تا مهندسان از آن برای مقاوم سازی سازههای سنتی استفاده کنند. همچنین در این دوره از اجزای فلزی از این قبیل برای طراحی پلها و سازههای صنعتی استفاده میکردند. پس از آن و در اواسط قرن ۱۹ با تولید فولاد مدرن انقلاب بزرگی در ساختمانسازی شکل گرفت که باعث شد از این فلز کاربردی به صورت رایج در ساختوسازها استفاده شود و قیمت آن نیز پایین آید.
با این وجود استفاده گسترده از اسکلت فولادی در طراحی ساختمانها برای اولین بار به سال ۱۸۸۰ میلادی برمیگردد که در این دوره برای اولین بار از قاب فولادی در طراحی سازههای فلزی استفاده شد. در نهایت تکنولوژی سازههای فلزی در قرن ۲۰ میلادی به صورت ویژهای گسترش یافت که در آن از پروفیلها و جوشکاری برای نصب و اجرای اسکلت فلزی استفاده میکردند. در دهه آخر قرن ۲۰ میلادی طراحی و اجرای سازههای سبک فولادی رونق گرفت و در این دوره از اتصالات پیچی برای نصب قطعات فولادی استفاده میشد.
در رابطه با تاریخچه استفاده از اسکلت فولادی در ایران میتوان گفت که تکنولوژی اجرای این سازهها در اوایل دوره پهلوی وارد ایران شد که از آن برای ساخت سازههای فولادی استفاده میشد. این تکنولوژی به تدریج گسترش یافت و به بعد از انقلاب نیز رسید، تا اینکه زلزلههای طبس و رودبار دلیلی شد که سازندگان توجه ویژهای به مسائل ایمنی و مقاوم سازی در این زمینه داشته باشند. در نهایت از دهه ۸۰ شمسی به بعد استفاده از تیرهای IPE/HEB و پروفیلهای صنعتی در این سازهها گستردش یافت و تا به امروز در طراحی اسکلت فلزی مراکز تجاری، صنعتی و غیره مورد استفاده قرار میگیرند.
انواع اسکلت فلزی
اسکلت فلزی یا اسکلت فولادی از نظر نوع مقاطع فولادی، نوع اتصال و سیستم باربر جانبی به انواع مختلفی تقسیمبندی میشود که در ادامه به معرفی انواع این اسکلتها به همراه کاربردهای آنها خواهیم پرداخت.
انواع اسکلت فولادی از نظر نوع مقاطع
اسکلت فلزی یا فولادی از نظر نوع مقاطع به ۴ دسته اسکلت با تیرآهن IPE یا INP، اسکلت باکس، اسکلت تیرورقی و اسکلت با مقاطع سنگین H یا HEA/HEB/HEM تقسیمبندی میشود. اسکلت با تیرآهن IPE یا INP از رایجترین مدلهای اسکلت فولادی در این زمینه هستند که از آنها در طراحی ساختمانهای مسکونی ۳ الی ۶ طبقه استفاده میشود. اسکلت باکس نیز از دیگر مدلهای اسکلت با مقاومت بالا بوده که در آن ستونها از ۴ ورق جوش شده تشکیل شدهاند. از این نوع اسکلت معمولاً در طراحی ساختمانهای بلند و برجها استفاده میشود. اسکلت تیر ورقی نیز در طراحی دهانههای بزرگ کاربرد دارد و از آن در ساخت طبقات پارکینگ و سالنهای صنعتی استفاده میشود. از اسکلت با مقاطع سنگین H یا HEA/HEB/HEM در دهانههای سنگین استفاده میشود و در طراحی ساختمانهای اداری و تجاری کاربرد دارد.
انواع اسکلت فلزی از نظر نوع اتصال
اسکلت فولادی یا فلزی را میتوان از نظر نوع اتصال در دو دسته اسکلت فلزی جوشی و اسکلت فلزی پیچ و مهرهای جای داد. در اسکلت جوشی همانطور که از عنوان آن پیداست از جوش برای اتصال اجزای فلزی سازه استفاده میشود. البته این کار میبایست با دقت و کیفیت بالا انجام شود و از این رو نیازمند تخصص و مهارت بالایی است. از طرفی این نوع اتصال سرعت اجرایی نسبتاً پایینی دارد و از نظر هزینههای اتصال نیز بهصرفهتر از روش اتصال پیچ و مهره است. در طراحی اسکلت فولادی پیچ و مهره نیز از پیچ و مهرههای مقاوم برای اتصال اجزای سازه استفاده میشود که از سرعت اجرایی بالایی برخوردار است. کاربرد اسکلت جوشی در طراحی ساختمانهای معمولی و پروژههای شهری بوده و اسکلت پیچ و مهره نیز در ساخت سالنها، برجها، سولهها و پروژههای بزرگ کاربرد دارد.
انواع اسکلت فولادی از نظر سیستم باربر جانبی
اسکلت فلزی از نظر سیستم باربر جانبی به سه دسته اسکلت فولادی با بادبند، قاب خمشی فولادی و سیستم ترکیبی متشکل از این دو تقسیمبندی میشود. اسکلت فولادی با بادبند مقاومترین اسکلت در این زمینه بوده که از شکلپذیری و مقاومت بالایی در برابر زلزله برخوردار است. قاب خمشی فولادی از دیگر انواع اسکلت فلزی بوده که در آن از اتصالات سخت یا گیردار استفاده میشود و نیازمند جوشکاری و کنترل دقیق در اجراست. کاربرد این نوع اسکلت بیشتر در پروژههایی است که نیاز به فراهمسازی فضای باز زیادی دارند. از سیستم ترکیبی نیز که شامل بادبند و قاب خمشی میشود در ساختمانهای بلند استفاده میگردد تا مقاومت و ایمنی آنها در برابر زلزله افزایش یابد.
مزایای استفاده از اسکلت فلزی
اسکلت فلزی (اسکلت فولادی) به دلیل نوع ساختار و ویژگیهایی که دارد از مزایای بسیاری برخوردار بوده که باعث میشود از این سیستم در بسیاری از ساختوسازها استفاده شود. از مزایای اسکلت فولادی میتوان به وزن سبک آن در مقایسه با دیگر سازهها به ویژه سازههای بتنی اشاره کرد که باعث کاهش وزن و بار مرده ساختمان و افزایش مقاومت آن در برابر نیروهای لرزشی میشود. از طرفی اسکلت فلزی به دلیل ساختار فولادی که دارد از انعطافپذیری بیشتری در برابر لرزش برخوردار بوده و مقاومت بالاتری نسبت به دیگر سازهها دارد. این اسکلت به دلیل خاصیت ارتجاعی که دارد در برابر ضربات و تنشهای وارده بسیار مقاوم است.
از طرفی ساختار مستحکم و مقاوم اسکلت فولادی باعث شده که این سازه از قابلیت تحمل فشارهای بالا برخوردار باشد در حالتی که وزن کمی دارد و فضای کمی را نیز اشغال می کند. از دیگر مزایای اسکلت فلزی میتوان به دوام و طول عمر بالای این سازهها اشاره کرد که باعث میشود برای سالیان طولانی قابل استفاده باشند. همچنین سرعت ساخت و ساز در کار با اسکلت فولادی به دلیل فرایند اجرایی خاصی که دارد بالا بوده و همین موضوع نیز تأثیر بسزایی در کوتاه شدن زمان اتمام پروژه دارد.
مزیت دیگر اسکلت فولادی به قابلیت توسعه و گسترش دهی آن مربوط میشود که سبب شده امکان تقویت این سازهها در صورت نیاز وجود داشته باشد. در کنار این موارد اسکلت فلزی از قابلیت تغییرپذیری برخوردار بوده و معمولاً فضای کمی را در مقایسه با دیگر سازهها اشغال می کند و همین موضوع نیز باعث میشود سازندگان بتوانند از حداکثر فضای ممکن برای اجرای پروژه استفاده نمایند.
معایب استفاده از اسکلت فولادی
اسکلت فولادی یا فلزی در کنار مزایای بسیاری که دارد از یک سری معایب نیز برخوردار بوده که در این بخش به معرفی آنها می پردازیم. در ابتدا لازم به ذکر است که اسکلت فلزی به دلیل استفاده از فولاد در طراحی آن از مقاومت پایینی در برابر آتش برخوردار بوده در صورت وقوع آتشسوزی در این سازهها میتواند آسیبهای جدی و جبران ناپذیری مانند فرو ریزش سازه به آنها وارد شود. از طرفی امکان زنگزدگی و خوردگی اسکلت فولادی به دلیل ساختار فلزی آن وجود دارد و همین موضوع نیز باعث میشود استحکام و دوام سازه به ویژه در نواحی مرطوب کاهش یابد.
از آن جایی که در اجرای اسکلت فلزی نیاز به اتصالات جوشی است هر گونه ضعف و سهلانگاری در اجرای این اتصالات میتواند با مشکلات جدی برای کل سازه همراه باشد. در آخر هزینه اجرای اسکلت فلزی به دلیل نوع متریال بکار رفته و شیوه اجرای آن در مقایسه با دیگر روشها به ویژه اسکلت بتنی بالاتر بوده و همین موضوع نیز باعث میشود سازندگانی که بودجه کمی در اختیار دارند به این روش روی نیاورند.
هزینه اجرای اسکلت فلزی یا فولادی
هزینه اجرای اسکلت فولادی یا فلزی به فاکتورهای مختلفی بستگی دارد که در این بخش به بررسی آنها می پردازیم. اولین فاکتور مؤثر بر هزینه اجرای اسکلت فلزی قیمت فولاد مصرفی برای این کار و مقدار آن است که به عنوان تیرآهن، نبشی، ناودانی و غیره در طراحی این سازهها مورد استفاده قرار میگیرد. فاکتور مهم دیگر در این زمینه هزینه ساخت و اجرای اسکلت فولادی بوده که شامل برشکاری، جوشکاری و مونتاژ اجرای سازه میشود. دستمزد عوامل اجرایی، الکترود مصرفی، گاز محافظ و غیره از موارد اصلی در هزینههای اجرایی اسکلت فلزی است. هر چه تجربه و مهارت عوامل اجرایی برای این کار بیشتر باشد دستمزد دریافتی آنها نیز بالاتر خواهد بود و در صورت نیاز به اتمام پروژه در زمان کوتاه لازم است از تیم اجرایی با تعداد افراد بالا استفاده شود که همین موضوع نیز میتواند با افزایش هزینهها همراه باشد.
در کنار این موارد نباید از هزینه رنگ و ضد زنگ غافل شد که استفاده از آن در اجرای اسکلت فولادی لازم و ضروری بوده و از عوامل مؤثر بر هزینههای آن خواهد بود. البته لازم است به این موارد هزینه جابجایی و حمل و نقل فولاد و دیگر متریال مورد استفاده در اجرای اسکلت فلزی نیز اضافه شود که مقدار آن نیز بستگی به موقعیت پروژه و شرایط اجرایی آن دارد. در آخر کیفیت متریال مورد استفاده در اجرای اسکلت فولادی، کیفیت ساخت قطعات و غیره نیز میتواند بر هزینههای اجرای این اسکلتها تأثیرگذار باشد که لازم است قبل از تهیه مصالح و اقدام به نصب آنها مورد توجه قرار گیرند.
تفاوت اسکلت فولادی با ساختمان بتن پیشساخته
اسکلت فلزی (اسکلت فولادی) و ساختمان بتن پیشساخته از نظر نوع مصالح، وزن سازه، سرعت اجرا، مقاومت در برابر زلزله، هزینههای اجرای و محدودیتهای معماری با هم تفاوتهایی دارند که در این بخش به بررسی آنها می پردازیم. در ساخت اسکلت فلزی از فولاد استفاده میشود و اتصالات آن معمولاً از نوع پیچی یا جوشی هستند و در طرف مقابل در ساخت بتن پیشساخته از بتن و آرماتور استفاده میشود که در کارگاه آماده و در محل پروژه اجرا میگردد.
سرعت اجرا در هر دو روش بالا بوده ولی در اسکلت فلزی به دلیل نیاز به دقت بیشتر در اتصال اجزای سازه میتواند کندتر از ساختمان بتن پیشساخته باشد. در مقایسه این دو سازه از نظر مقاومت لرزهای میتوان گفت که اسکلت فولادی به دلیل انعطافپذیری بیشتر از مقاومت لرزهای بهتری در مقایسه با ساختمان بتن پیشساخته برخوردار است. ولی در طرف مقابل ساختمان بتن پیشساخته به دلیل ساختار بتنی که دارد در مقایسه با اسکلت فلزی از مقاومت بیشتری در برابر آتشسوزی برخوردار است. وزن سازه در اسکلت فولادی در مقایسه با بتن پیشساخته کمتر بوده و انتخاب بهتری برای سبکسازی است.
از نظر هزینههای اجرایی نیز هزینه اجرای اسکلت فلزی وابسته به قیمت فولاد و میزان جوشکاری مورد نیاز برای اجرای آن بوده که در مقایسه با هزینه اجرای ساختمان بتن پیشساخته میتواند بیشتر باشد. در آخر اسکلت های فلزی از آزادی بیشتری در محدودیتهای معماری برخوردار بوده و در طرف مقابل بتن پیشساخته مقاومت و دوام بیشتری در برابر خوردگی و شرایط محیطی دارد. در ادامه این بخش تفاوت اسکلت فولادی با ساختمان بتن پیشساخته را در قالب جدول زیر خلاصه کردهایم.
| ویژگی | اسکلت فلزی (اسکلت فولادی) | ساختمان بتن پیشساخته |
| سرعت ساخت | خوب | عالی |
| مقاومت زلزله | عالی | خوب (به شرط اتصالات دقیق) |
| مقاومت در برابر آتش | ضعیفتر | بسیار خوب |
| وزن | سبک | سنگین |
| کیفیت ساخت | متوسط الی خوب | عالی |
| هزینه | وابسته به قیمت فولاد | مقرون به صرفه در حجم بالا |
| انعطافپذیری در معماری | بالا | محدودتر |
تفاوت اسکلت فلزی با اسکلت بتنی ساختمان
اسکلت فولادی و اسکلت بتنی ساختمان از نظر وزن سازه، ظرفیت بار، سرعت اجرا، مقاومت کششی، هزینهها، دوام و غیره تفاوتهایی با هم دارند که در این بخش و در قالب جدول زیر به بررسی آنها می پردازیم.
| ویژگیها | اسکلت بتنی | اسکلت فلزی (اسکلت فولادی) |
| وزن سازه | وزن بالای اسکلت بتنی به دلیل استفاده از مواد بتنی با مقادیر بالا | وزن نسبتاً پایینتر اسکلت فلزی به دلیل
وزن کمتر فولاد نسبت به بتن |
| سختی اجرا | اجرای اسکلت بتنی ساده است | اجرای اسکلت فلزی نسبتاً سخت است |
| سرعت اجرا | سرعت اجرای آن به دلیل چند مرحلهای بودن فرایند کند است | سرعت اجرایی آن در مقایسه با نوع بتنی بالاست |
| ظرفیت بار اسکلت | اسکلت بتنی ظرفیت بار کمی دارد | اسکلت فلزی از ظرفیت بار قابل ملاحظهای برخوردار است |
| مقاومت لرزهای اسکلت | مقاومت پایینتر در برابر زلزله و باد به دلیل شکننده بودن | مقاومت بالاتر در برابر زلزله و باد به دلیل شکلپذیر بودن |
| مقاومت کششی اسکلت | به دلیل ساختار بتنی مقاومت کششی کمتری دارد | به دلیل ساختار فلزی از مقاومت کششی بالایی برخوردار است |
| مقاومت در برابر آتشسوزی | مقاومت بالایی در برابر آتشسوزی دارد | از مقاومت کمتری در برابر آتشسوزی برخوردار است |
| هزینه اجرای اسکلت | اجرای اسکلت بتنی مسلح پرهزینه خواهد بود | به دلیل نیاز به نیروی کار کمتر و قطعات آماده من هزینه تر است. |
| هزینه تعمیر و نگهداری | برای اسکلت بتنی سخت و زمان بر است | اسکلت فلزی به راحتی قابل تعمیر بوده و هزینه نگهداری کمتری دارد |
| دوام اسکلت | به دلیل مقاومت بالای مقاطع بتنی دوام بالایی دارد | به دلیل خطر زنگزدگی از دوام کمتری برخوردار است |
اسکلت فلزی (اسکلت فولادی) بهتر است یا اسکلت بتنی؟
در پاسخ به این سؤال که کدام یک از اسکلتهای فلزی یا بتنی میتوانند انتخاب مناسبتری برای اجرای سازه باشند میتوان گفت که هر کدام از این اسکلتها از ویژگیها و مزایایی برخوردار هستند که سازندگان بسته به نیاز کاری و بودجهای که در اختیار دارند میتوانند نسبت به اجرای آنها اقدام نمایند. اسکلت فولادی در مقایسه با اسکلت بتنی از وزن پایینتری برخوردار بوده و به همین دلیل میتواند انتخاب مناسبتری برای اجرای سازههای سبکتر باشد. در طرف مقابل به دلیل مقاومت بالای اسکلت بتنی در برابر آتش و حرارت این اسکلت میتواند انتخاب مناسبتری برای طراحی سازههای مقاوم در برابر آتشسوزی باشد.
در بررسی این دو اسکلت از نظر سرعت اجرا میتوان گفت که اسکلت بتنی اجرای زمانبری دارد ولی در طرف مقابل سرعت اجرای اسکلت فولادی بالاتر است و استفاده از آن باعث کوتاه شدن زمان تحویل پروژه میشود. از نظر مقاومت لرزهای نیز اسکلت فلزی از مقاومت بیشتری برخوردار بوده و میتواند انتخاب مناسبتری برای نواحی زلزلهخیز باشد. البته در نواحی که رطوبت بالایی وجود دارد به دلیل احتمال زنگزدگی فلز بهتر است از اسکلت بتنی استفاده شود که در برابر رطوبت مقاومتر بوده و از دوام بیشتری برخوردار است. پس در حالت کلی سازندگان با مقایسه ویژگیها و مزایای این اسکلتها میتوانند نسبت به انتخاب هر کدام از آنها اقدام نمایند.
کلام پایانی
اسکلت فلزی (اسکلت فولادی) از مهمترین سیستمهای سازهای در ساختوسازها بوده که به صورت متداول در ساختمانسازی مدرن مورد استفاده قرار میگیرد. این اسکلتها در کنار استحکام و مقاومت بالایی که دارند از انعطافپذیری مناسبی در برابر زلزله برخوردار هستند و میتوانند انتخاب مناسبی برای نواحی زلزلهخیز باشند. از دیگر ویژگیهای اسکلت فلزی یا اسکلت فولادی میتوان به سرعت بالای اجرای آنها اشاره کرد که باعث تسریع در روند اجرای پروژه میشود.
همچنین این اسکلتها از وزن سبکی در مقایسه با اسکلتهای بتنی برخوردار هستند و میتوانند به کاهش وزن و بار مرده سازه کمک کنند. در آخر عوامل مختلفی چون وسعت پروژه، میزان پیچیدگی طراحی آن، حجم فولاد و متریال مورد استفاده در ساخت اسکلت، دستمزد عوامل اجرایی، هزینه حمل و نقل و نصب میتوانند بر هزینه اجرایی اسکلت فلزی یا اسکلت فولادی تأثیرگذار باشند که لازم است قبل از اجرای آن مورد توجه قرار گیرند.