سیستم های ساختمانی و سازه ای

سیستم های ساختمانی : مجموعه ای از روشهای اجرایی هماهنگ شده است که برای طرح و احداث ساختمان یا یک بخش از ساختمان انتخاب یا تعریف می گردد.

گروه بندی سیستم های ساختمانی بر اساس تعاریف متفاوت شیوه های تولید و ساخت: 

الف)شیوه های تولید ساختمان یا سیستم های ساختمانی با روش دستی یا بنایی بهبود یافته 

– در این شیوه های ساخت وساز همچون شیوه های کاملا دستی از مصالح ساختمانی ساده با پیوند نزدیکتر به طبیعت استفاده شده
– بیشترین فعالیت برای آماده سازی مصالح یا اجزای ساختمانی در کارگاه و به صورت دستی صورت می گیرد
– روش های اجرایی در ان بیشتر متکی بر نیروی انسانی است تا ماشین الات
– از ابزارهای مهندسی و وسایل کمکی اجا و نصب به صورت فردی و بسیار محدود بهره برداری می شود

ب) شیوه های تولید ساختمان یا سیستم های ساختمانی نیمه صنعتی 

– در این شیوه های ساخت و ساز بخشی از فعالیت ها با به کار گرفتن مصالح ساختمانی اجرا و عناصر ساخته شده از چند جز به اجرا در می آیند
– بخش قابل ملاحظه ای از فعالیت های اماده سازی مصالح در کارگاه انجام می پذیرد
– روش های اجرایی در برخی فعالیت ها بر هر دومورد نیروی انسانی و ماشین الات متکی است
– ابزار های مهندسی و وسایل کمکی اجرا و نصب کاربرد دارند

ج) شیوه های تولید ساختمان یا سیستم های ساختمانی صنعتی 

– در این شیوه ها غالبا از مصالح ساختمانی مرکب و از عناصر یا قطعاتی که دارای چند جزو می باشند استفاده می شود
– بخش قابل ملاحظه ای از عملیات آماده سازی و فراوری اجزا و عناصر پیش از رسیدن به کارگاه ساختمانی و طی یک فرایند نسبتا دقیق و با استفاده از ابزار های مهندسی و ماشین الات مشخص انجام می پذیرد
– کاربرد ابزار کار کمکی و ماشین الات بیشتر از سایر شیوه ها مشاهده می شود.
– استفاده از ابزار های دقیق و مهندسی در اجرا و نصب در حد قابل ملاحظه ای است.

پیشینه ارزیابی سیستم های ساختمانی در ایران 

بررسی ارزیابی و مقایسه سیستم های ساختمانی مجموعه ای از فعالیت های گسترده را شامل می شود که به صورت های متفاوت و توسط مراجع مختلف صورت می گیرد.اما انچه که در وضعیت موجود پیش روی ما قرار دارد غالبا فعالیت های غیر متمرکزی است که اگر چه می توانند در استقرار چنین نظامی مورد توجه قرار گیرند هنوز انسجام کافی نیافته اند قاعدتا همواره برنامه ریزی و طراحی برای هر پروژه عمرانی مستلزم انتخاب شیوه ساختمانی معینی است.

به بیان ساده نظریه فنی اعلام رسمی نتایج بررسی و ارزیابی کیفیت دوام و سایر ویژگی های یک فراورده یا سیستم ساختمانی با استفاده از مقررات ساختمانی استاندارد ها و دستورالعمل های معتبر است که از سوی یک سازمان و مطابق قانون برای مدتی محدود ارایه می گردد بدین ترتیب نظریه فنی رابطه بین تولید کننده طراح مدیر اجرایی یا کارفرما و مصرف کننده را در زمینه انتخاب و کاربرد ان فراورده یا سیستم ساختمانی انتظام می بخشد.

فعالیت های انجام شده جهت رده بندی سیستم های ساختمانی 

نحوه پاسخگویی هر شیوه اجرایی یا سیستم ساختمانی به معیار های ارزیابی یا به عبارت دیگر ویژگی ها و قابلیت های سیستم ساختمانی بسته به انتظارات و شرایط مورد تقاضا متفاوت است بنابرین هدف اصلی از رده بندی شیوه های اجرایی و سیستم های ساختمانی نمایش دادن حاصل ارزیابی و مقایسه روش ها و سیستم های مختلف ساختمانی از دیدگاه فنی و تخصصی به منظور بیان وجوه تمایز و قابلیت های شیوه های مختلف در شرایط معین است از انجا که شیوه های ساختمانی طیفی گسترده را در بر می گیرد و می توان با اندکی تغییر در هر یک از مشخصات یک شیوه ساختمانی شیوه ای متفاوت را طرح نمود لذا رده بندی سیستم های ساختمانی معمولا مابین تعدادی گزینه مشخص و تعریف شده انجام می پذیرد تا امکان مقایسه انها با دیدگاه معینی فراهم آید.

سیستم های سازه ای

1) سیستم سازه ای با دیوار باربر 

این سیستم قدیمی ترین و آشنا ترین روش ساخت می باشد که امروزه به دلایل ایین نامه ای و نیروهای جانبی زیاد مورد توجه قرار نمی گیرد.

2) قاب مفصلی مهاربندی شده 

این سیستم از قدیمی ترین سیستم های سازه ای بوده که مورد توجه مهندسین در سالهای قبل و حتی امروزه میباشد.
در این روش بارهای ثقلی بر قاب مفصلی وارد شده و به دلیل مفصلی بودن قاب سازه معیین بوده و به صورت استاتیکی تحلیل میشود و بارهای جانبی بر مهار بندهای ان وارد شده و مهاربندها به روشهای تقریبی یا دقیق قابل تحلیل است لذا در سالهای دور به دلیل عدم وجود حسابگرهای ماشینی در سازه ها از این سیستم بیشتر استفاده میشد به عنوان مثال: برج ایفل- برج امپایر استایت در نیویورک و….

بااین سیستم ساخته شده اند( برج امپایر استایت در سال 1931 ساخته شده و در ان از مهاربند های غیر هم محور واتصالاط پرچی استفاده شده است این برج به مدت 40 سال بلند ترین سازه ی جهان به شمار می رفت)

3) قاب خمشی 

بعد از جنگ جهانی دوم اجرای سازه های بتنی اغاز شده و ساختمانهای بتنی به دلیل اجرای هم زمان قاب ان به فرم قاب خمشی ساخته میشود البته میتوان سازه های فلزی را نیز به فرم قاب خمشی اجرا نمود.به هر حال در قاب خمشی نیرو های ثقلی و جانبی در تکه گاههای تیرها لنگر خمشی ایجاد میکند و نیز تیرها و ستونها در تحمل تمامی نیروهای وارده باهم وارد عمل می شوند لذا تحلیل المانهای این نوع قابها باید همزمان انجام گیرد.

4) قاب خمشی مهار بندی شده 

گاهاً نیروهای جانبی به قدری زیاد بوده که المانهای تیر و ستون قاب خمشی به تنهایی قادر به تحمل ان نمی باشد لذا از مهاربندهای مختلف برای کمک به انها استفاده می شود که نوع این مهاربندها ممکن است فلزی بوده و یا از دیواهای برشی بدین منظور استفاده شود به هر حال باید 30 درصد بارهای جانبی را خود قاب خمشی تحمل نماید (دیوارهای برشی خود انواع مختلفی دارند مثلا: دیوار برشی با المان مرزی – بدون المان مرزی – با باز شو – بدون باز شو – دیوار برشی کوپل و . . . )
سیستم های فوق معروفترین و متداولترین سیستم سازه ای می باشند اکنون به معرفی سیستم های جدید تر می پردازیم.

5) سیستم طره ای 

این نوع سیستم به ندرت اجرا می شود و تقریبا بد ترین نوع سازه می باشد چرا که در مقابل بارهای جانبی بسیار ضعیف عمل می کند.

6) سیستم فضایی 

عالی ترین و بهترین نوع سازه ای بوده و کاملترین رفتار در مقابل باهای جانبی و ثقلی دارد اما اجرای ان بسیار مشکل است و امروزه فقط برای پوشش سقفهای سبک با دهانه های بزرگ استفاده می شود و تنها یک ساختمان 25 طبقه در هنگ کنگ که بانک مرکزی هنگ کنگ است با این سیستم ساخته شده است.

7) سیستم معلق 

یکی از معروفترین سیستمها برای پل سازی است اما در ساختمان سازی و بلند مرتبه سازی هم ندرتا مورد توجه قرار می گیرد در این سیستم برخی المانها به فرم کششی برای تحمل بارهای ثقلی طرح می شود که اکثرا کابلهای کششی با مقاومت زیاد می باشند پلهای بزرگ مثل گلدین گیت در سانفرانسیسکو و ساختمان 25 طبقه ی مرکز پلیس سیاتل با این سیستم طرح شده اند.

8) سیستم هسته ای 

در این روش بارهای ثقلی توسط یکی از روشهای فوق مثلا قاب مفصلی طراحی شده و بارهای جانبی بر هسته ی سازه وارد می شود هسته به دو فرم هسته ی باز و بسته می تواند اجرا شود در حقیقت هسته همان دیوارهای برشی در پروفیلهای مختلف در مقیاس بزرگ میباشد. مثلا به شکل Uکه همان هسته ی باز است. لازم به ذ کر است که در طراحی هسته بایستی اثر پیچش دقیقا مورد بررسی قرار گیرد اما به دلیل مشکل بودن محاسبات پیچش در گذشته این بررسی صورت نمی گرفت ولی امروزه به دلیل وجود ماشینهای حسابگر دقیق اثر پیچش نیز دقیقا مورد محاسبه قرار می گیرد. مجموعه اپارتمانهای در دست احداث در منطقه ی شاهگلی تبریز با این روش ساخته می شود این سیستم برای ساختمانهای بین 20 الی35 طبقه مناسب است.

9) سیستم قاب محیطی 

عالی ترین و پیشرفته ترین فرم ساختمان سازی می باشد که برای ساختمانهای بالای 150 طبقه می تواند مورد استفاده قرار گیرد . در این سیستم بارهای جانبی به قاب محیطی وارد می شود و نیز قاب محیطی خود نمای جالبی به ساختمان می دهد. برجهای دوقلوی سازمان تجارت جهانی در نیویورک که مورد حمله ی تروریستی قرار گرفت تحت این سیستم ساخته شده بودند. یکی از نکات مهمی که باید در طراحی این سیستم مورد توجه قرار گیرد بررسی اثر shear lag در قاب محیطی است اگرچه برخی از مهندسین براین باورند که اثر shear lag در ان وجود ندارد .

اما برخی دیگر در وجود این اثر اصرار میکنند من خودم نیز در وجود اثر shear lag در قاب محیطی معتقدم اما باید گفت که هرگز نمی توان مقدار واقعی این اثر را محاسبه نمود لذا برای حل این مشکل سیستم زیر پیشنهاد می شود.

10) قاب محیطی مهاربندی شده 

در این حالت کل قاب محیطی توسط مهاربند های کلی و بزرگ مهاربندی می شود و تنها وجود مهاربندها برای حذف اثر احتمالی shear lag می باشد و باز نیروهای جانبی را خود قاب محیطی تحمل میکند.

11) مجموعه قاب محیطی 

این سیستم نیز مانند قاب محیطی می باشد با این تفاوت که ساختمان از چند قاب محیطی تشکیل یافته است به عنوان مثال برج سیرزتاور در شیکاگو که بلندترین برج امریکا می باشد که از چهار قاب محیطی ساخته شده است.

انواع سیستم های سازه ای ساختمان‌های بلند

عناصر سازه‌ای اساسی ساختمان عبارتند از: عناصر خطی (ستون و تیر)، عناصر سطحی (دیوار و دال) و عناصر فضایی (پوش نما یا هسته مرکزی). ترکیبی از این عناصر اساسی سازه استخوان‌بندی ساختمان را به وجود می آورد. راه‌حل‌های ممکن بی‌نهایت زیادی را می‌توان در پیش چشم تجسم نمود که متداول‌ترین آنها عبارتند از:

1) دیوارهای باربر موازی 

این سیستم از عناصر صفحه‌ای قائم تشکیل شده است و اکثراً برای ساختمانهای آپارتمانی بکار می‌رود که در آنها فضاهای آزاد بزرگ لازم نیست و سیستم‌های مکانیکی سازه‌ هسته‌ای را ایجاب نمی‌کند.

2) هسته‌ها و دیوارهای باربر نمایی 

عناصر صفحه‌ای قائم و حول سازه هسته دیوارهای خارجی را تشکیل می‌دهند. در این روش فضاهای داخلی باز ایجاد می‌شود که وسعت آنها بستگی به ظرفیت سازه کف در پوشاندن دهانه ها دارد.

3) صندوق‌های خود متکی 

صندوق‌ها واحدهای سه بعدی پیش ساخته‌ای هستند که وقتی در محل قرار می‌گیرند و به یکدیگر متصل می‌شوند به سازه با دیوار باربر شبیه می‌باشند.

4) دال طره شده 

در این سیستم کف‌ها به یک هسته مرکزی متکی می‌باشند و فضای بدون ستونی ایجاد می‌کنند.

5) دال مسطح 

این سیستم صفحه‌ای افقی بطور کلی شامل دال‌های بتنی کف با ضخامت یکنواخت می‌باشد که روی ستون‌ها قرار دارند. در این روش تیرهای با ارتفاع مقطع زیاد وجود ندارد و به حداقل ارتفاع طبقه می‌توان دست یافت.

6) سیستم فاصله‌گذاری 

سازه‌های قاب طره‌ای با ارتفاع طبقه، برای ایجاد فضای قابل استفاده در داخل و بالای قاب، یک طبقه درمیان بکار برده می‌شوند.

7) سیستم معلق 

در این سیستم با بکاربردن عناصر معلق بجای ستون ها برای حمل بارهای کف،‌ استفاده مؤثر از مصالح نتیجه می‌گردد. در این سیستم کابل‌ها بارهای وزن را به خرپاهایی که از یک هسته مرکزی طره شده‌اند حمل می‌کنند .

8) خرپاهای متناوب 

خرپاهای به ارتفاع طبقه چنان قرار می‌گیرند که کف هر طبقه بصورت یک در میان روی قسمت تحتانی و یا فوقانی یک خرپا واقع می‌باشد .

9) قاب صلب 

عناصر خطی بوسیله اتصالات صلب به یکدیگر متصل می‌شوند و تشکیل صفحات قائم و افقی می‌دهند. ارتفاع طبقه و فاصله ستون‌ها از ملاحظات تعیین کننده طرح در این سیستم می‌باشند .

10) قاب و هسته مرکزی 

قاب صلب بارهای جانبی را اساساً بوسیله خمش تیرها و ستونها تحمل می‌کند. چنین سیستم‌های هسته‌ای، دستگاه‌های مکانیکی و حمل و نقل را در خود جای می‌دهند.

11) قاب خرپایی 

ترکیب نمودن یک قاب صلب با خرپاهای برشی قائم بر مقاومت و سختی سازه می‌افزاید. طرح این سازه ممکن استبراساس استفاده از قاب برای مقاومت در مقابل بارهای وزن و مزایای قائم در برابر باد صورت گیرد.

12) قاب با خرپاهای کمربندی و هسته مرکزی 

خرپاهای کمربندی ستون‌های نما را به هسته مرکزی متصل می‌نمایند و بدین ترتیب عمل انفرادی قاب و هسته مرکزی را حذف می‌کنند.

13) لوله در لوله 

ستون‌ها و تیرهای خارجی ساختمان چنان مجاور هم قرار داده می‌شوند که نمای ساختمان ظاهراً شبیه دیواری با سوراخ‌های متعدد پنجره‌ای است. در این حالت هسته (لوله) داخلی با لوله نما در حمل بارها سهیم بوده و بر سختی آن می‌افزاید.

14) لوله‌های دسته شده 

سیستم لوله‌های دسته شده را می‌توان بصورت مجموعه‌ای از لوله‌های انفرادی تجسم کرد که تشکیل یک لوله چند واحدی را می‌دهند. بدین ترتیب آشکار است که بر سختی سازه افزوده می‌گردد. این سیستم بلندترین ارتفاع و بیشترین سطح کنار را امکان پذیر می‌سازد.