معرفی مزايا و مقايسه کارکرد های كامپوزيت فولاد سرنورد شده با سيستم های سنتی

 

1.    مقدمه

       در راستاي تسريع رشد وتعالي اقتصاد کشور و رفع معضلات روزمره زندگي هموطنان به عنوان يک وظيفه ملي، نگاه ويژه به بحران مسکن از مهمترين وظايف مسئولين و کارشناسان کشور است. در اين زمينه با توجه به ماهيت فني و اقتصادي حوزه مسکن از يک سو و تبعات سياسي و اجتماعي آن نزد مردم از سوي ديگر هيچ گونه برنامه ريزي و روش هاي مقطعي و ﻣﺴکن گونه پاسخگو نبوده و لزوم برنامه ريزي جامع نگر و راهبردي از هميشه بيشتر احساس مي شود. در اين مقاله به کاربرد قطعات پيش ساخته با مصالح جديد به عنوان  راهبردي براي عبور از اين بحران پرداخته شده است. این نوع ساختمانها بعلت نظارت دقیق در مرحله ساخت و همچنین سهولت اجرا، بطور گسترده ای مورد توجه مهندسین قرار دارد.

       ساختمانهای پیش ساخته علاوه بر مزیتهای فوق، یکی از روشهای متداول در جهت افزایش سرعت اجرای ساختمان می باشد، این ساختمانها بطور گسترده ای در خارج از کشور استفاده شده و دانشگاههای متعدی در خارج از کشور در حال تحقیق و توسعه این ساختمانها می باشند. متاسفانه استفاده از این نوع ساختمانها در ایران تاکنون بسیار کم بوده است، بهمین دلیل و همچنین با توجه به افزایش جمعیت و نیاز شدید به این نوع از ساختمانها، نیاز به استفاده از این نوع از ساختمانها در ایران بیش از هر زمان دیگری احساس می شود.

   

2.    معايب سيستم های سنتی

       چالش ها و معضلات تداوم استفاده از مصالح سنتي در ساخت مسکن از جمله مواردي است که همه دست اندرکاران حوزه مسکن بر آن اتفاق نظر دارند.  مسائلي که دامنه گسترده آن از چالش هاي فني و سازه اي تا مسائل مالي و حتي اجتماعي گسترده شده است. آنچه که باعث بزرگنمايي اين وجه از بحران مسکن شد دو عامل بود. اول رخداد زلزله ي مهيبي چون زلزله آوج و چنگوره و زلزله بم طي سالهاي اخير و دوم طرح حذف ارزش پايه زمين و سياست هاي تشويقي ساخت مسکن توسط دولت و به تبع آن افزايش تقاضاي مصالح که هر يک را جداگانه مورد ارزيابي قرار مي دهيم.

       از نقطه نظر فني کاربرد مصالح سنتي از يکسو انطباق لازم با روش جديد طرح لرزه اي ساختمان را دارا نمي باشد و از سوي ديگر فلسفه شکل پذيري سازه در ساخت و ساز مسکن اعم از شهري و روستايي و حتي بلند مرتبه تنها در راستاي افزايش هر چه بيشتر سختي سازه قرار مي گيرند و شکل پذيري آن را محدود مي نمايند. اين موضوع در مغايرت آشکار با روش هاي نوين طرح لرزه اي بر اساس عملکرد سازه مي باشد که توازن ميان مقاومت - سختي و شکل پذيري سازه را معيار مناسب طراحي مي داند. از همه اين موارد مهمتر مبحث شناخته شده وزن سازه است.

       عمده مصالح متداول در صنعت ساخت و ساز در جهت هرچه سنگين تر کردن وزن سازه است.شايان ذکر است در روش طرح استاتيکي افزايش وزن سازه مستقيماً متناسب با افزايش نيرو زلزله وارد بر سازه است که به نوبه خود عاملي مخرب خواهد بود که تبعات زيانبار آن در زلزله هاي مختلف گذشته با خسارات جبران ناپذير جاني و مالي مشاهده شده و هيچ کس علاقمند به تکرار آنها نمي باشد.

       اما از نظر مسائل اقتصادي و اجرايي بايد عنوان داشت همانگونه که از اسم اين مصالح نيز بر مي آيد مصالح سنتي مترادف است با توليد سنتي و توليد سنتي وابسته است به مصالح محدود با روش هاي توليد غيراستانداردي که به جهت سيستم ناپذيري توليد آن امکان ارتقاء ظرفيت ها توليدي با صرف هزينه هاي گزاف همراه خواهد بود. (تصوير 1)

 

 

تصوير 1.  برخي معايب استفاده از مصالح سنتي[1]  

 

       از اين رو هر گامي که در جهت تشويق سرمايه گذاري در بخش مسکن و يا تسهيلات در زمينه ساخت و ساز فراهم آيد ناگزير به سدي به نام کمبود مصالح برمي خورد و اين در حالي است که مصالح مدرن عمدتاً در قياس با نوع سنتي آن از وزن کمتر، مواد خام کمتر و با روش هاي توليد صنعتي تر برخوردارند بنابراين اولاً هزينه ها در صورتي که با اثر دادن هزينه هاي دوره عمر پروژه (تملک، توليد، بهره برداري، نگهداري و استفاده و دسترسي) مقايسه روش های سنتی با صنعتی انجام پذيرد اهميت و نياز به سيستم های صنعتی چندباره احساس می شود.

       از ديگر مزايای روش های صنعتی توليد بيشتر با مصرف کمتر انرژی است. افزايش بهاي جهاني انرژي هاي تجديد ناپذير و تاثير آن در بروز نا ملايمات اقتصادي و سياسي در جهان از يک سو و آثار مخرب صنايع توليد انرژي و بخشها مصرفي آن در گرم شدن زمين و تغييرات آب و هوايي آن از سوي ديگر سبب شده است تا مردم جهان ضمن ابراز نگرانيهاي شديد نسبت به معضلات زيست محيطي به مسائل مربوط به کاهش مصرف انرژي حساسيت فوق العاده اي نشان دهند. مصارف انرژي هاي خانگي مهمترين و بيشترين مراکز مصرف انرژي در جهان مي باشد که به همين دليل کانون توجه کارشناسان در بهينه کردن مصرف انرژي و کاهش اتلاف آن قرار گرفته است. از اين رو توليد مصالح مدرن با محدود شدن قابليت تبادل حرارتي واستفاده انبوه صنعت ساخت و ساز در دستور کار بسياري از کشورهاي توسعه يافته و در حال توسعه قرار گرفته است. براي نمونه در مورد ميان قاب ها و در نماسازي ها کاربرد مصالح مدرن با استفاده از عايق هاي حرارتي و برودتي تفاوت کاملاً نماياني را با مصالح سنتي از خود نشان داده اند. اين مهم حتي از منظر توليد اين مصالح هم قابل توجه است براي نمونه همين ميانقاب ها از انواع اجري يا بلوک سيماني در فرآيند توليد نيازمند مصرف مقادير قابل ملاحظه اي انرژي مي باشند که به نوبه خود علاوه بر آلودگي هاي زيست محيطي و افزايش بهاي سالانه باعث تسريع در پديده گرم شدگي کره زمين مي شود.

       بنابراين حتي در صورتي که براي جبران معضل کمبود مصالح سنتي ساخت و ساز، زير ساخت هاي توليدي آن فراهم شود افزايش هزينه هاي تملک، توليد و بهره برداري به همراه هزينه هاي خسارات به محيط زيست و مصرف بالاي انرژي آن را فاقد ارزش خواهد نمود.

 

 

تصوير 2. جزييات ميانقاب های مقايسه شده[1]  

 

       همچنين در صورتي که بدانيم مصارف آب در توليد برخي اقلام مصالح سنتي تا 10برابر مصالح مشابه مدرن مي رسد و اينکه توليد بتن در دو مرحله توليد سيمان و توليد جسم بتن مقادير قابل توجهي آب غير قابل بازگشت را مصرف مي نمايد بر شکاف ميان ارزش و بهاي مصالح توليدي سنتي بيشتر واقف مي شويم.

 

3.    معرفي پانلهاي پيش ساخته مرکب

 

       در اين بخش به سبب تشريح مزايای اين نمونه از سيستم های صنعتی نسبت به سيستم های سنتی پانلهاي پيش ساخته مرکب معرفي می شود. کاربرد مصالح فولادی جدار نازک با فرم دهی سرد سابقه ديرينه ندارد ليکن در آخرين نسل از اين نوع پروفيل ها پانچ جان مقطع به منظور بهبود پارامتر های انتقال انرژی و حرارت توسعه داده شده است. با توجه به مشکل کمانش کلی و موضعی در اين مقاطع استفاده از سخت کننده به فرم شکل دهی و شياردهی در بال و جان پيش در تصوير شماره 3 جزييات پانلهاي کامپوزیت پیش­ساخته نشان داده شده است. پانلهاي بتني پيش ساخته ترم آلوي از دال بتنی مسلح، مقاطع فلزي سرد نورد شده، و ماده پرکننده عايق پلي تشکيل یافته است.

 

 

 

 

تصوير 3. جزييات پانل پيش ساخته مرکب[6]   

 

       در اين سيستم، عملكرد مركب دال بتني و اعضاء سرد نورد شده وظيفه باربري را بر عهده داشته و پلي استايرن نيز جهت كاهش تبادل حرارتي دو طرف پانل بكار مي رود.

       اعضاء سرد نورد شده بوسيله لبه خود  گيرداري كاملي با دال بتني دارند. جهت كاهش وزن پانلها از اعضاء سرد نورد شده مجوف استفاده مي شود. اين اعضا در پانلهاي كف به نام تيرچه اصلی (Mega joist) و در پانلهاي ديوار با عنوان ستونک مجوف   (Delta stud)ناميده مي شوند.

 

 

تصوير 4. تصوير ستونک با جان باز در چپ و تصوير تيرچه کف‌ در راست[6]  

 

       در اين سيستم مقدار ظرفيت باربري بسيار بالاتر از سيستم­هاي LSF‌ موجود مي باشد، آزمايشات انجام شده بر روي سيستم پانلهاي پيش ساخته مرکب  در مقايسه با تيرچه ها ) ‍Canadian Steel Sheet Building Institute (CSSBI) ( يا تيرچه هاي تجاري موجود نشان مي دهد پانلهاي كف در سيستم پيش ساخته مرکب  نسبت باربري به وزن بالايي نسبت به نمونه های مشابه خود دارند. (تصوير 5)

 

 

 

تصوير 5. مقايسه ظرفيت باربري پانلهاي پيش ساخته مرکب با تيرچه استاندارد کانادا و تيرچه هاي تجاري موجود[5]   

 

       در تحقيق انجام گرفته بر روي اعضاء سرد نورد شده مجوف مشخص شده است اين اعضاء علاوه بر مقاومت بالا، نقش عدم انتقال حرارتي را نيز بر عهده دارند. در آزمايش انجام گرفته در تاريخ 22 جولای سال 2004 در آزمايشكاهBodycote  مشخص گرديد در پانلهاي با ستونک مجوف انتقال حرارت تا 37 درصد نسبت به پانلهاي با مقاطع جان پر كاهش مي يابد. (تصوير6)

 

 

تصوير 6. مقايسه انتقال حرارتي ستونک مجوف‌ با مقاطع معمولي سرد نورد شده[6]  

 

       ضخامت دال بتني در اين سيستم حداقل  5 سانتي متر بوده و طبق محاسبه تعيين مي شود. براي پانلهاي كف، ضخامت دال بتني طبق كاربري ساختمان و بارهاي وارده كف محاسبه مي شود. در مورد پانلهاي ديوار نيز نيز بار باد وارده به پانلها، مبناي محاسبه ضخامت دال بتني مي باشد. در طراحي دال بتني بايستي ضوابط آيين نامه بتن آرمه ACI‌ رعايت شده و كليه محدوديت هاي اين آيين نامه ملاك عمل قرار گيرد. جهت عملكرد بهتر سيستم، كليه اعضاء سرد نورد شده پانلها در انتها به يک ريل (Track) با مقطع ناوداني شكل متصل مي گردند. ريل باعث عملكرد يكپارچه شده و باعث بهتر شدن رفتار اين پانلها مي شود.

 

 

 

تصوير 7.  موقعيت ريل و بقيه اعضا[6]

   

 

        ريل علاوه بر عملكرد مناسب سيستم، براي اتصال پانلها به هم نيز كاربرد دارد. همه پانلهاي كف و ديوار از طريق ريل­ها  بهم متصل مي گردند. در اين سيستم كليه اتصالات از نوع پيچي بوده و كليه پانلهاي پيش ساخته با پيچ بهم متصل مي شوند. پيچي بودن اين اتصالات علاوه بر اجراي سريع اين سيستم، عدم قطعيت هاي مربوط به كيفيت پايين جوش، عدم امكان نظارت و ديگر ضعف هاي متداول در سيستم سنتي ساختمان سازي را از بين مي برد.

       مزيت عمده اين سيستم علاوه بر كاهش20 درصدي مصالح، سرعت بالاي اجرا مي باشد. بگونه اي كه با استفاده از اين سيستم مي توان يك ساختمان 2 طبقه را در عرض 48 ساعت بر روي فونداسيون از قبل آماده شده نصب نمود.

       با توجه به آزمايشات انجام گرفته بر روي اين سيستم و با توجه به كفايت باربري اين سيستم، امکان استفاده از پانلهاي پيش­ساخته مرکب به عنوان كف و ديوار جهت احداث انواع ساختمانهاي مسکوني، اداري، تجاري، خدماتي و صنعتي وجود دارد. با توجه به باربري اين سيستم، ديوار  پيش ساخته اين تكنولوژي مي تواند بار 3 طبقه ساختمان با كاربري هاي مختلف را تحمل نمايد و نمونه هاي مختلفي از اين سيستم با ارتفاع 3 طبقه ساخته شده است. برای ساخت ساختمانهای بلند تر از 3 طبقه به کمک این سیستم، بایستی از این سیستم با مشارکت دیگر سیستم های موجود استفاده نمود. امروزه با توجه به سهولت اجراي ساختمان با استفاده از اين تكنولوژي ، تحقيقات مختلفي جهت استفاده از اين سيستم با مشاركت ديگر سيستم ها در ساختمانهاي بلند مرتبه در جريان است.

 

1. 

4.    ساخت پانلها

       قالب بندي قطعات پيش ساخته مرکب در فرآيند توليد براساس آئين نامه ACI 347 صورت مي گيرد. قالب هاي توليد قطعات پيش ساخته مرکب بايد صلب و فاقد هرگونه درز و شيار باشند به گونه اي که پس از توليد هيچ گونه درزي در سطح پانل مشاهده نشود. براي اين منظور بايد از تغيير شکل قالب ها از جمله ناهمواري سطح، تورفتگي، برآمدگي و يا هرگونه خرابي ديگري جلوگيري نمود. قالب ها بايد دقيقاً بر اساس اندازه قطعه پيش ساخته مورد نظر و به گونه اي ساخته شوند که ملات امکان نشت کردن و در رفتن از آن را پيدا نکند. همچنين قالب بايد بارهاي حين عمليات ساخت را بدون اعوجاج قطعات پيش ساخته تحمل نمايد. در انتخاب جنس قالبها با توجه به نوع نماي مورد انتظار از قطعه پيش ساخته بايد از صفحه پلاستيکي و يا ساير موادي که با بتن واکنش شيميايي نشان ندهند و صافي مورد نظر را تأمين کنند استفاده نمود. نکته مهم ديگر که در مورد ساخت قالب قطعات پيش ساخته بايد بدان توجه داشت اين است که قالب ها بايد توان تحمل لرزش و نيروهاي جانبي را داشته باشند. پس از باز کردن قالبها هيچ گونه درز قابل مشاهده يا رگه نبايد بر روي سطح پانل پيش ساخته ديده شود مگر آنکه اين درز براساس مشخصات فني خصوصي تعبيه شده باشد.

       پيش از استفاده از مقاطع سرد نورد شده (Cold formed frame) بايستي  سطوح آنها را از هرگونه زنگ زدگي، پوسته، خاک و ساير موادي که اثر نامطلوبي بر روي درگيري تقويت کننده و بتن داشته باشند، پاک نمود. بايد تقويت کننده ها را به صورت دقيق آرايش داد و از تغيير مکان آنها مطلقاً جلوگيري کرد. آرايش دقيق تقويت کننده ها بايد به گونه اي صورت گيرد که پوشش بتن مناسب تأمين شود. علاوه بر اين بايد تقويت کننده هاي فلزي را با سيم هاي فلزي به هم بست و از نفوذ آنها در بتن سطح پانل (سطح خارجي پانل) جلوگيري کرد.

       با توجه به آنكه در اين سيستم از پلي استايرن يا پلي يورتان به عنوان مواد پركننده استفاده مي شود بنابراين امكان اجراي نازك كاري به صورت      سنتي يا استفاده از سيستم سقف كاذب و كف كاذب به عنوان نازك كاري سقف وجود دارد. البته مي توان در كارخانه نيز نازك كاري را به عنوان لايه نهايي بر روي پانلها اجرا نمود.

       در بتن ريزي و طرح اختلاط دال بتني پانلها بايد مقاومت مورد نظر بتن بايد مطابق استاندار ACI 301 مورد آزمايش قرار گيرد تا هنگامي که مقاومت مورد نيازتأمين گردد. براي قطعاتي که در قسمتهاي خارجي به کاري مي روند بايد از بتن با حداقل مقاومت فشاري 28 روزه kg/m² 350 استفاده کرد. همچنين براي قطعاتي که در قسمت هاي داخلي به کار مي روند بايد از بتن با حداقل مقاوم فشاري 28 روزه 245 kg/m² استفاده کرد.

       در صورت تمايل به استفاده از بتن رنگي بايد رنگ مورد نظر به بتن اضافه و نمونه اي جهت اخذ تأييد مهندس معمار ساخته شود و در قسمت هايي که در زيبايي بنا تأثير ندارند و در معرض ديد نيستند مي توان از بتن خاکستري رنگ معمولي استفاده کرد. بتن ريزي در هنگام توليد يک قطعه نيز بايد به صورت نامنقطع و بر اساس آئين نامه ACT 304 انجام گيرد. همچنين بتن بايد با استفاده از  لرزش به گونه اي که تقويت کننده هاي فلزي مهارها و ملحقات آنها جابه جا نشوند تقويت شود و به جهت پرداخت نهايي سطح جهت تأمين اهداف معماري، زيبايي و نماي پانلها بايد مطابق موارد ذکر شده در اين گزارش فرآيند توليد را به گونه اي انجام داد که سطح پانل صاف و فاقد برآمدگي و فرو رفتگي شيار و . . . باشد. بايد مهارهاي توکار را در فواصل دقيق اجرا کرد و در حين توليد قطعه با کمک قالب بتن از حرکت آنها جلوگيري نمود. همچنين بايد از اين مهارهاي توکار به گونه اي استفاده کرد که در آرايش تقويت کننده هاي اصلي قطعه و نيز بتن ريزي اشکالي ايجاد ننمايد.

1 

2 

2.1 

       جهت جدا سازي آسان و اصولي قالب از بتن مي توان از قالب هاي کارخانه اي داراي پوشش ضد جذب و يا روکش ضد جذب استفاده نمود. در صورتي که در کارگاه از روکش ضد جذب استفاده شود بايد پيش از هر بار استفاده از قالب سطوح آن را کاملاً تميز و روکش را تجديد کرد. وجود زنگ زدگي بر روي سطوح قالب مشکلي ايجاد نمي نمايد.

       مرحله ساخت شبکه سيمي متشکل از ميلگردهاي آجدار 10Φ و قالب بندي تنها مراحلي از مراحل مختلف توليد پانلهاي پيش­ساخته مرکب هستند که اتصالات جوشي در آنها بکار مي رود. در صورت استفاده از جوشکاري در قالب بندي بايد اين کار را با استناد به آئين نامه  AISC " مشخصات فني خصوصي جهت طراحي، ساخت و اجراي سازه هاي فولادي " استفاده کرد.

       الکترود جوشکاري را بايد با توجه به مشخصات مصالح فلزي که عمليات جوشکاري بر روي آنها انجام مي شود انتخاب نمود. در توليد پانلهاي  پيش­ساخته مرکب معمولاً از الکترود AWS  D.1.1 استفاده مي شود. عمليات جوشکاري بايد براساس آئين نامه AWS  D1.1 انجام شود و در هنگام جوشکاري بايد از بتن کنار محل جوشکاري در مقابل جرقه ها، لکه هاي دود و يا حرارت بيش از حد محافظت کرد.

 

5.   حمل و نصب پانلها

       قابليت توليد پانلهاي پيش­ساخته مرکب با ابعاد متفاوت وجود دارد. محدوديت عمده اي که در خصوص ابعاد پانلها وجود دارد ظرفيت حمل و نقل و امکان انتقال پانلها مي باشد. عموماً پانلها با ابعادي تا 4m×12m توليد مي شوند، اما قابليت توليد قطعات با طول بيشتر نيز وجود دارد که حمل و نقل آن (تصوير 8) به مراتب سخت تر خواهد بود.

 

 

 

تصوير 8 . حمل ونقل جاده اي پانلها[6]  

 

6.    نتيجه گيری

· بررسي عملکرد پانل های مرکب فولاد سردنورد و بتن در ديوارهاي ميانقابي و سقف ها به عنوان مهمترين بخش ايجاد و جدا کردن فضا هاي با کارکرد معماري نشان مي دهد جايگزيني مصالح مدرن با مصالح سنتي ضمن بهبود کيفيت  از نظر عملکرد سازه اي، بهينه کردن مصرف انرژي در بخش مصارف داخلي و جلوگيري از هدر رفت انرژي و قابليت آکوستيک بهتر ، از نقطه نظر کاهش هزينه طول عمر نيز بسيار موثر است.

·  ريسک کمتر عملکرد سيستم های صنعتی و مدرن ساخت در زلزله با توجه به زلزله خيز بودن ايران غير قابل ترديد است.

· با ملاحظات هزينه های طول عمری چون عدم استفاده ناصواب آب به عنوان رکن حيات در صنعت ساخت و ساز، کاهش هزينه ها و خسارات زيست محيطي ناشي از توليد مصالح سنتي و استفاده بهينه از اين مصالح توجيه کاربرد سيستم های صنعتی را دو چندان می کند.

· کاربرد مرکب سيستم سردنورد با پانل های بتنی باعث ايجاد حداقل وزن و عملکرد سازه ای مطلوب است ضمن اينکه شرايط نصب و حمل  را تسريع و سرعت اجرا را افزايش می دهد.

 

7.    مراجع

1.    آل رسول، س. ، و همکاران، (1387)، "برنامه ريزي استراتژيک ارزش براي عبور از بحران مسکن با استفاده از مصالح جديد"- اولين کنفرانس ملی مهندسی ارزش- تهران

2. SSMA, Steel Stud Manufacturers Association ICBO ER-4943P, Chicago,Illinois

3. Bodycote Material Testing Canada Inc, BMTC-04-00-TMCP 04-08-0522, July 22,2004

4. Bodycote Material Testing Canada Inc, Report No. 03-06-M0356 , ‘Evaluation of Stud columns and composite Walls For TMCP Building System Inc.’ December 29 ,2003

5. Wei wen yu , Cold formed steel design , 1991

 

6. مهندسين مشاور رهاب و شرکت جتير ساختمان، (1387)، "گزارش فنی پاسخ به سوالات مرکز تحقيقات ساختمان و مسکن"

 

در صورت تمایل به دریافت نسخه کامل مقاله (همراه با اشکال و نمودارها) به ايميل سايت پیغام ارسال کنید