مرکز سازه های قاب فلزی سبک LSF

پیشرفته ترین ماشین تولید سازه های سردنورد برای ساختمان های سبک فولادی CFS با تکنولوژی CAD/CAM از سوی شرکت پیشرو Pinnacle در 5 آوریل 2016 معرفی و نخستین نمونه‌ی آن به شرکت مهندسین مشاور آقای استفان نیپر تحویل گردید که مانند همیشه آقای نیپر به عنوان شروع کننده‌ی طراحی و اجرای نخستین ساختمان سبک فولادی LSF‌ بلند مرتبه در جهان، طراحی و تولید یک پروژه ی مجتمع مسکونی 14 طبقه به نام جرانیوم Geranium و یک هتل 15 طبقه به نام هیپیستروم Hippeastrum را کلید بزند.

در طراحی دیوارهای ساختمان LSF و موارد مترتب بر آن، دو مورد از موارد مهم، طراحی دیوار مهاربندی و اتصال دیوار بر روی بستر ساختگاه می باشد.

اصولاً مهاربندی عضو مؤثری است که عملکرد آن، ایجاد سختی کافی در قاب های lsf برای تحمل نیروی برشی حاصل از نیروی باد، زلزله و نیروهای طبیعی و یا غیرطبیعی وارد بر قاب دیوار در ساختمان های قاب سبک فولادی می باشد.

این سختی، در یک قاب مهاربندی شده lsf، در حقیقت محوری است از پای عضو stud در یک سر دیوار به امتداد تاج یک عضو stud در سر دیگر دیوار lsf.

شرکت تیوا، توسعه کارخانجات داروسازی دکتر عبیدی

در تصویر فوق دو نمونه از اشتباهات اساسی که توسط شرکت های نا آشنا به مسایل سازه ای ساختمان قاب سبک فولادی lsf رخ می دهند، مشاهده می شود.

اشتباه نخست که اشتباه بسیار بزرگی برای قاب دیوار lsf می باشد، نوع مهاربندی است. همان طور که در تصویر قابل مشاهده است، طراحی معماری منطبق بر سیستم سازه ای lsf نبوده و احتمالاً برداشتی است آزاد و غیر منطقی از قاب خمشی که به همان شکل به سیستم ساختمانی قاب سبک فولادی منتقل گردیده است و اصلاحات لازم منطبق بر شرایط سیستم سازه ای lsf بر روی آن لحاظ نگردیده است.

به دلیل وجود بازشوهای متعدد در قاب دیوار، شرایط و الزامات قاب های مهاربندی مورد اشاره در آیین نامه AISI-S213 برآورده نشده است و مهاربندی صرفاً به شکلی فریبنده بر بالای نال درگاه پنجره ها اجرا شده است. در حالی که پای اعضا فاقد مهاربندی می باشند و نه تنا در اثر برش حاصل از نیروهای جانبی وارده هیچ گونه مقاومتی ندارند و به دلیل افزایش سختی در قمست بالای دیوار، نرمی مضاعف در قسمت پایینی دیوار ایجاد شده است که موجب تسریع در برش در تراز کف می باشد.

با وجود خطای ایجاد شده در قاب های ساختمان، بستر اتصال دیوار نیز بستر مناسبی نیست و فاقد شرایط سازه ای برای اتصال دیوار سازه ای lsf می باشد.

با وجود مزایای بسیار زیاد توسعه‌ی بنا با سیستم قاب سبک فولادی، در صورت بی توجهی به اتصال دو ساختمان موجود و ساختمان قاب سبک فلزی، مزایای آن بی اثر شده و به ساختمانی خطرآفرین تبدیل می گردد. اتصال دیوارهای LSF‌ به ساختمان موجود، حساس ترین مرحله ی طراحی و اجرای اضافه طبقات بر روی ساختمان های موجود می باشد. به طوری که اگر این مرحله با دقت و حساسیت انجام نگیرد، هم موجب آسیب رسانی به بنای موجود و هم توسعه‌ی ناامن و خطر آفرین بر روی ساختمان موجود می گردد.  چنانچه این قسمت از پروژه به درستی انجام نگیرد، تمام دقت محاسباتی و اجرایی مراحل بعدی بی اثر شده و ساختمانی ناامن ایجاد می گردد. بنابراین برای اتصال ساختمان LSF به ساختمان موجود باید الزامات سازه ای رعایت شوند.

ساختمان پیش ساخته (Modular) یکی از ایده های قرن هفدهم بود که به شکلی ابتدایی در قالب واگن های سیار در امریکا به وفورمورد استفاده قرار می گرفتند که نوعی درشکه ی توسعه یافته بودند که با اسب قابل حمل و جابه جایی بودند و می توانستند سال ها به عنوان یک خانه مورد استفاده قرار بگیرند. رفته رفته این واگن ها از ارابه ی حمل جدا شدند و به عنوان یک سوییت قابل جا به جایی شدند. اما این واگن ها مورد اقبال عموم نبودند و بیشتر دوره گردها، سیرک بازان، سربازان و کشاورزان و کارگران از آن ها استفاده می نمودند. کم کم مورد استفاده از این واگن ها به تورهای تفریحی و ورزشی نیز رسیده و از آن به بعد مورد اقبال قرار گرفتند. رواج ساخت این نوع خانه های پیش ساخته در اوایل دهه نخست قرن بیستم در ابتدا به صورت ساخت سوییت های کوچک چند نفره با مصالح فولادی سبک نظیر مقاطع قوطی و با الهام از آن واگن های مسافری مورد استفاده در امریکا از قرن هفدهم آغاز گردید که به صورت تریلرهای کوچک سبکی با اسب یا اتومبیل جا به جا می شدند. و به ویژه در امریکا از اقبال بسیار زیادی برخوردار شدند.

با ظهور صنعتی سازی از قرن هجدهم و گرایش به تولید همه‌ی محصولات تولیدی به روش صنعتی که موجب افزایش سرعت تولید و بازده اقتصادی می گردید، صنعت ساختمان را نیز شامل خود نمود که از اواخر قرن نوزدهم و با پیش ساخته سازی قطعات و اجزای ساختمانی (Prefabricated Building) شروع شده بود و در قرن جدید با رویکرد صنعتی سازی بود که پس از جنگ جهانی دوم و نیاز شدید به سرعت در ساخت و ساز جهت بازسازی ویرانی های ناشی از جنگ جهانی به مرحله‌ی اجرای عمومی رسید. قبل از جنگ جهانی دوم و در سالهای 1910 چندین ایده به صورت پیش ساخته سازی ساختمان مطرح شده بود که اقبال چندانی نداشته است و در حد کانکس و کامیون باقی مانده بود اما همان ایده های اولیه، مراحل بعدی پیش ساخته سازی را موجب گردیدند. پیش ساخته سازی از ابتدا با مقاطع و مصالح فلزی و به ویژه رشد نورد سرد همراه بوده است. لذا پس از به کارگیری مصالح مختلف و از جمله مصالح بتنی برای پیش ساخته سازی ساختمان ها که از اروپا و به ویژه آلمان آغاز گردید، پس از 70 سال تلاش در نهایت باز به مقاطع فلزی نورد سرد اقبال بیشتری نشان دادند. مصالح بتنی به سه دلیل عمده‌ی سنگینی بسیار زیاد مصالح و حجم عملیاتی اجرایی ساختمانی زیاد و زمان بری و دلیل بسیار مهم تر ناامن بودن اتصالات و ناتوانی در برطرف ساختمان مسایل مختلف اتصالات قطعات و فقدان انعطاف پذیری در جلوه های معمارانه، امروزه اقبال چندانی ندارد. اما قطعات نورد سرد توانستند با مزایای بسیار زیاد خود از جمله سبکی بسیار زیاد و سرعت بسیار بالا در عملیات ساختمانی و همچنین اتصالات بسیار امن و مطمئن سازه ای و انعطاف پذیری معمارانه، از اقبال بسیار بالایی در طراحان فرم های ساختمانی برخوردار شدند و با پیشرفت ماشین آلات صنعتی و تولید و سیستم های CAD/CAM‌ در حال حاضر پیشرفت های بسیار شاخصی در پیش ساخته سازی ساختمان های قاب سبک فولادی و مقاطع نورد سرد حاصل گردیده است که نمونه های اجرایی متنوعی از ساختمان های 4 طبقه تا 30 طبقه به منصه‌ی ظهور رسیده اند. با رشد پیش ساخته سازی، ساختمان پیش ساخته نیز وارد مرحله‌ی جدیدی شده و ساختمان هایی با عینیت واقعی تری از لحاظ هویت معمارانه و جلوه های بصری و عملکرد ساختمانی مطلوب با امنیت سازه ای بالا طراحی و تولید شدند. قاب های سبک فولادی، پروفیل های نورد سرد، پروفیل های قوطی، ساندویچ پنل های سازه ای و قطعات مکانیکی و هیدرولیکی، مجموعه ای از امکانات را گرد آوردند که برای توسعه ی ساختمان های پیش ساخته مورد استفاده قرار می گیرند.

حجم وسیع پیش ساخته سازی ساختمان ها در عملیات بازسازی دهه‌ی 60 پس از جنگ جهانی دوم، تفکر پیش ساخته سازی را وارد ذهنیات مردم نمود ولی به دلیل این که این پیش ساخته سازی توسط مصالح بتنی و فقط با دیوارهای ساده و قالب های چهارگوش مستطیلی انجام می گرفت و تنها تفکر محاط بر آن به ویژه در اروپای شرقی صرفاً یک سرپناه بود که فاقد جلوه های بصری و عملکردی به شمار می رفت، چندان که باید مورد توجه اقشار عامه قرار نمی گرفت و به نوعی، عمدتاً خانوارهای کم درآمد و اردوگاه های نظامی را شامل می شدند و دیدگاه حاکم بر آن چنین شرایطی داشت. این نوع پیش ساخته سازی بتنی از روش پیش ساخته سازی قاب های سبک چوبی نسخه برداری شده بود که اصطلاحاً تحت عنوان تیلت آپ (Tilt-Up) انجام می گرفت. بتن به عنوان مصالحی با قابلیت تنظیم شرایط طراحی متنوع جهت طراحی ساختمان های مقاوم در برابر زلزله مورد اقبال بسیاری قرار گرفته بود و در امریکا و ژاپن پیشرفت های بسیاری در طراحی ساختمان های ضد زلزله صورت می گرفت و دامنه آن به قطعات پیش ساخته بتنی نیز سرایت می نمود. اما مسئله ی اتصالات همچنان به عنوان بزرگ ترین نقطه ضعف این قطعات به شمار می رفتند.

ساختمان به ذات دارای بازشوهایی جهت انتقال نور و تردد و دسترسی ها و تهویه می باشد که قسمتی مهم از هویت معماری ساختمان نیز به شمار می رود. برای طراحی و اجرای بازشوها رعایت تمهیدات و ضوابط خاصی لازم می باشد تا علاوه بر احراز نقش کارکردی و هویت معمارانه ی خود، از نظر ایستایی نیز دارای عملکردی مثبت و منطقی باشند.

ایجاد باشوها در ساختمان های قاب فلزی سبک LSF‌ نیز علاوه بر هویت احراز نقش عملکردی، می تواند در اثر بخشی معمارانه‌ی ساختمان LSF‌ بسیار نقش مفیدی داشته باشد. لذا مهندس معمار می تواند در طراحی بازشوها ایده های اثربخشی معمارانه‌ی بازشوها را با رعایت ضوابط آن ها به کار بندد. 

بازشوها در ساختمان های قاب فلزی سبک LSF می توانند بدون محدودیت در نوع بازشو طراحی اجرا شوند. اما برای تعبیه ی محل بازشوها می بایست الزامات سازه ای و ساختمانی رعایت گردند.

در سازه های قاب فلزی سبک LSF به دلیل نوع سیستم سازه ای که از نوع قاب های ساده با اتصالات مفصلی و مهاربندی های قطری یا دیوارهای برشی با صفحات سازه ای می باشند، بازشوها به نسبت محل قرارگیری دارای محدودیت های موضعی می گردند. به طور مثال در قاب های مهاربندی شده در داخل زون مهاربند ترجیحاً بازشوهای پهن تر از 120 سانتی متر نباید ایجاد شوند. ارتفاع این بازشوها نیز بسیار محدود خواهد بود. عمده بازشوهای ایجاد شده تنها در میان دو استاد یعنی حداکثر به طول 60 سانتی متر خواهند بود. این بازشوها می توانند در برابر عملکرد سازه ای قاب مهاربندی در زون مهاربندی نیز اختلال ایجاد نمایند یا موجب خطرات جانی در اثر فشار بر قاب پنجره و پرتاب تیغه ی شیشه های پنجره به سمت اطراف باشند. لذا ترجیحاً از ایجاد بازشو در این نوع قاب ها امتناع می کنیم. اما به هرحال در صورت تمهیدات لرزه ای و ایجاب طرح معماری، قابلیت ایجاد بازشو حداکثر به طول 120 سانتی متر  ارتفاع متناسب با زون مهاربندی را دارند.

در قاب های پوشش داده با صفحات سازه ای فولادی یا چوبی که به عنوان دیوار برشی طراحی می شوند، بازشوها دارای محدودیت های متناسب با نوع دیوار برشی می باشند که باید طبق آیین نامه ی AISI S213 از 2001 تا 2007 که در بند 5 فصل ششم نشریه ی 612 معاونت برنامه ریزی و نظارت راهبردی ریاست جمهوری تحت عنوان «آیین نامه طراحی و اجرای سازه های فولادی سرد نورد - LSF (بخش سازه)» به آن اشاره شده است و یا نخستین ویرایش AISI S400 منتشر شده در 2016 در طراحی مورد نظر قرار گرفته و رعایت شوند.

با رعایت این تمهیدات و الزامات استانداردهای AISI و مسایل بهره برداری، در بقیه ی دیوارهای ساختمانی LSF ایجاد باشوها با دهانه های تا 5 متر و ارتفاع تراز تا سقف، محدودیتی ندارد. لذا تنظیم فشار و مکش باد و طراحی بر مبنای باد در تنظیم دهانه های بازشوها الزامی است.
همچنین در بازشوهای بزرگتر، رعایت نکات ایمنی از نصب شیشه ها و تمهیدات لازم در زلزله برای انتخاب نوع شیشه ها و روش های نصب شیشه ها الزامی می باشد.

در سیستم ساختمانی قاب سبک فولادی LSF می توان با توجه به شرایط و انتظارات طراحی و در صورت پاسخدهی مناسب نسبت به طرح معماری ساختمان و نیروهای جانبی وارد بر سازه ی ساختمان، برای تأمین مقاومت لازم در برابر نیروهای جانبی باد و زلزله، از قاب های مهاربندی (Bracing frame) استفاده نمود. قاب های مهاربندی عمده ترین شکل مهاربندی ساختمان های قاب سبک فولادی می باشند که به دلیل سادگی اجرا و همگنی مصالح و هزینه ی بسیار پایین مورد استفاده قرار می گیرند.

 - مهاربندی ساختمان قاب سبک فولادی به 4 روش عمده انجام می گیرند:

1. تسمه های فولادی قطری Diameter Flat Strap Steel Bracing

2. تسمه های فولادی Diagonal V & Λ Flat Strap Bracing

3. مهارهای مثلثی گوشه قاب Triangular Sheet Steel Bracing

4. مهاربندی قطری با کابل های کششیTensile Cable Bracing