صفر تا صد سازه های فلزی

عجیب نیست که هنگام نگاه کردن به مصالح ساختمان‌های نیمه‌کاره، اسکلت‌ها و سازه‌های فلزی و فولادی زیادی دیده باشید!

اگر سروکارتان به ساختمان‌سازی افتاده باشد، حتما متوجه شده‌اید که سازه‌های فلزی برای ساخت بناهای مختلف و حتی استفاده در اسکلت ساختمان‌ها، بسیار متداول هستند؛ چرا که اسکلت‌های فلزی و به طور کل سازه‌های فلزی مزایا و برتری‌های بسیاری به نسبت دیگر مصالح دارند.

امروزه Steel structures از پرکاربردترین و محبوب‌ترین مصالح در ساختمان‌سازی هستند. اگر مشتاق شنیدن مزایای این سازه‌ها هستید یا برای تصمیم‌گیری تردید دارید، حتما تا انتهای این مقاله ما را همراهی کنید.

در ادامه قصد داریم تا به طور کامل از صفر تا صد سازه‌های فلزی صحبت کنیم و با ارائه‌ی تعریفی جامع، از انواع سازه‌های فلزی، کاربرد، مزایا و معایب این فلزات، دید روشنی به شما ارائه دهیم!

در انتها با مقایسه‌ی سازه‌های بتنی و فلزی و صحبت‌هایی راجع به هزینه و طراحیِ استیل استراکچرها، سعی بر این بوده تا به شما در تصمیم‌گیری، کمکی ویژه کنیم!

تعریفی جامع از سازه‌های فلزی:

قبل از شرح کاملی از پاسخ به این سوال که « سازه‌های فلزی چیست؟! » بهتر است خاطرنشان کنیم که سازه‌های فلزی، در واقع عنوان کاملی از اسکلت و سازه‌های ساخته شده با فولاد است؛ به همین خاطر در مواجهه با تعاریف سازه‌های فلزی، خیلی اوقات ممکن است به واژه‌ی سازه‌های فولادی بربخورید!

سازه‌های فلزی اجزای فولادی متصل به هم هستند که برای ساخت وساز و به منظور ساختن اسکلت ساختمان و یا بخش‌هایی که وظیفه‌ی تحمل بار یا استحکام ساختمان را برعهده دارند، مورد استفاده قرار میگیرند!

این سازه‌ها با توجه به نوع پروژه و مشخصات مورد نیاز، طراحی میشوند و بسیار مقاوم و قابل اطمینان هستند.

اگر نگاهی به مهم‌ترین و شناخته‌شده ترین سازه‌های ساخته شده در دنیا بیندازید، ردپای سازه‌های فلزی و فولادی در آنها کاملا مشهود است!

فلزات و سازه‌های فلزی، در گذر تاریخ:

حالا که با سازه‌های فلزی و تعریف آن آشنا شدید، جالب است نگاهی به تاریخچه‌ی استفاده از فلز و سازه‌های فلزی در ساختمان سازی بیندازیم؛ چرا که فلزات برای رسیدن به محبوبیت و اثبات کارایی خود، راه طول و درازی را طی کرده‌اند!

استفاده از فلز به عنوان ماده‌ی مصرفی در ساختمان‌سازی به اواسط قرن ۱۸ میلادی برمیگردد و سالهای ۱۷۷۹-۱۷۷۷ دوران اوج استفاده از این فلزات بوده است.

در واقع فلز اولین بار برای ساخت یک پل قوسی مورد استفاده قرار گرفت و با پیشرفت روزافزون تکنولوژی و صنعت، استفاده از فلزاتی همچون فولاد و چدن، روز به روز بیشتر شد.

فرایند ساخت این سازه‌های فلزی مستحکم و مقاوم، به چه صورت است؟!

شاید سازه‌های فلزی از دور، کمی زمخت به نظر بیایند اما مراحل و فرایند ساخت جذابی دارند؛ این فرایند از ایده پردازی شروع و در انتها به مونتاژ و احداث یا نصب منجر میشود.

این مراحل به طور خلاصه به شرح زیر هستند:

• ایده پردازی: در این مرحله تیر‌های فولادی و سازه‌های فلزی بر طبق پروژه و نیاز طراحی میشوند.
• برش: در این مرحله، سازه‌ها با توجه به طراحی مرحله‌ی پیش با ابزارهایی مثل لیزر به شکل مورد نظر برش میخورند یا شکاف‌ها و سوراخ‌هایی در سطح آنها ایجاد میشود.
• خمیدگی: در این مرحله، سازه‌ها طبق طراحی انجام شده و شکل مورد نظر، خم میشوند!
• پوشش: در این مرحله پوشش یا رنگ دلخواه بر روی سازه زده میشود؛ این کار به جلوگیری از زنگ‌زدگی کمک شایانی میکند!
• مونتاژ: نام مونتاژ، گویای اقدامات این مرحله است! در این مرحله، سازه‌ی درست شده، آماده‌ی نصب و مونتاژ است.

اجزای سازه‌های فلزی:

به طور کلی سازه‌ و ساختمان‌های فلزی شامل قسمت‌های زیر میشوند:

• ستون
• پل یا تیرهای اصلی (شاه‌تیر)
• تیرهای فرعی یا تیرچه‌ها
• پله
• باربند
• سقف
• پروفیل‌های اتصالی

لازم به ذکر است که اتصالات به کار رفته در سازه‌های فلزی، بسته به نوع قطعات و همچنین هدف مورد استفاده و طراحی، به شکل‌های جوشی، پرچ و یا پیچ است.

انواع سازه‌های فلزی:

سازه‌های فلزی انواع مختلفی دارند که برای هر کدام کاربرد، مزایا و معایب متفاوتی را میتوان نام برد. ‌انواع سازه‌‌های فلزی شامل سازه‌های فولادی قابی یا قاب‌بندی شده، سازه‌های پوسته‌ای، سازه‌های خرپایی و سازه‌های معلق هستند که در ادامه به توضیح هریک میپردازیم!

سازه‌های فلزی قابی:

سازه‌های فلزی قابی یا Framed structure، همانطور که از اسمشان پیداست، به شکل قاب طراحی میشوند؛ سازه‌های قابی، متداول‌ترین شکل برای استفاده در بین ساختمان‌های مدرن هستند.

این سازه‌ها از تیرها و ستون‌های افقی و عمودی یا مورب ساخته شده‌اند که به شکل صفحات عمود برهم قرار گرفته و تشکیل قاب فضایی یا اسکلت مربع شکلی را میدهند؛ ستون‌هایی که به آنها اشاره شد، با اتصالات ساده یا صلب به یکدیگر متصل میشوند.

در واقع قاب فولادی به تکنیکی دلالت دارد که در آن از اسکلت فلزی استفاده میشود و ساخت آسمان‌خراش و ساختمان‌های بلند و چند طبقه را ممکن میکند.

همانطور که گفته شد، تیرهای قاب فلزی به شکل‌های عمودی و مورب هستند که برهمین اساس، این قاب‌ها به شکل‌های گوناگونی تقسیم میشوند:

• سازه‌های فلزی با تیرهای افقی که برای ساختمان‌هایی با تعداد طبقات کمتر کاربرد دارند.
• سازه‌های فلزی قابی با تیرهای مورب که به دو شکل سوله و خرپا قابل طراحی هستند.

کاربرد سازه‌های فلزی قابی:

این سازه‌ها بیشتر در ساخت برج و آسمان‌خراش های بلند کاربرد دارند اما در ساخت ساختمان‌های مسکونی، صنعتی و چند طبقه هم بسیار محبوب و پراستفاده هستند.

مزایای سازه‌های فلزی قابی:

• سرعت بالای نصب
• استحکام و مقاومت قابل قبول
• خاصیت ارتجاعی بالا
• قابلیت استفاده‌ی زیاد و بهینه از فضای زیر پوشش
• وزن بسیار کمتر در مقایسه با سازه‌های بتنی

معایب سازه‌های فلزی قابی:

• جوش سازه‌های فلزی کاری تخصصی است و اگر این جوش به شکل مناسب و صحیحی انجام نشود، ممکن است مشکل‌آفرین باشد؛ به علاوه اینکه هزینه‌های آزمایش و جوش در این سازه‌ها تا حدی بالاست!
• سازه‌های فلزی قابی استحکام و مقاومت خیلی خوبی دارند اما در دماهای بسیار بالا تغییر شکل داده و مقاومت خود از دست میدهند!
• کشش فشاری کمِ سازه‌های فولادی قابی، گاهی باعث کمانش این فلز میشود!

سازه‌های فلزی پوسته‌ای:

ورقه‌هایی با اشکال هندسی مثل اشکال کره‌ای و استوانه‌ای که به شکل پیوسته کنار هم قرار گرفته‌اند، سازه‌های پوسته‌ای را تشکیل میدهند. گفتنی‌است سازه‌های فلزی پوسته‌ای یا shell structures، ورقه‌هایی نازک هستند.

کاربرد سازه‌های فلزی پوسته‌ای:

کاربردی برای ساخت سازه‌های مهمی از جمله مخزن و سیلوها، بدنه‌ی اجسام محکم مانند هواپیما!

این سازه‌ها برای ساخت ساختمان‌هایی با طرح‌های متفاوت مثل جمجمه یا طرح‌های تخم مرغی شکل کاربرد دارند. از آنجایی که سازه‌های پوسته‌ای شکل‌پذیری خوبی دارند، برای ساخت گنبدها و اشکال آنتی کلاسیک بسیار مناسب هستند.

مزایای سازه‌های فلزی پوسته‌ای:

• زیبایی؛ از آنجایی که این سازه‌ها شکل منحصربه‌فردی نسبت به سازه‌های دیگر دارند، نیازمند تزئینات خاص و زیباسازی نیستند چراکه به تنهایی جلوه‌ی خاصی دارند!
• مقاوم در برابر فشار در صورت ساخت و طراحی اصولی.
• وزن پایین

معایب سازه‌های فلزی پوسته‌ای:

این سازه‌ها به علت نازک بودن و خمش وارد شده برای شکل‌پذیری، مقاومت کمتری به نسبت دیگر سازه‌های فلزی دارند.

سازه‌های فلزی معلق:

سازه‌های فلزی معلق که به آنها suspension structure نیز گفته میشود، در واقع اسکلتی قابی است که توسط آویزهایی از کابل‌های کششی اصلی به شکل معلق درآمده‌اند.

از آنجایی که اعضای آویزان در این سازه‌ها در کشش هستند، برای ساخت آنها میتوان از فلزات مقاومی همچون فولاد استفاده کرد؛ این سازه‌ها در برابر نیروهای کششی که به اجزای فلزی آن وارد میشود، مقاوم هستند.

سازه‌های معلق، شکل و معماری منحصر‌به‌فردی دارند و از لحاظ بصری نسبت به بقیه‌ی سازه‌های فلزی متفاوت‌‌ترند!

کاربرد سازه‌های فلزی معلق:

از سازه‌های معلق فلزی میتوان در ساخت پل‌های معلق و دهانه بلند و همچنین اسکلت سقف و یا عرشه‌ی پل استفاده کرد.

مزایای سازه‌های فلزی معلق:

• زمان اجرای مناسب و کم
• زیبایی و ظاهر متفاوت
• مزایای اجرایی از لحاظ اجرای همزمان اجزای مختلف و سپس قرار دادن آنها در محل مورد نظر.

معایب سازه‌های فلزی معلق:

• این سازه‌ها به خاطر معلق بودن در مقایسه با سازه‌های بتنی طول عمر کمتری دارند.
• از آنجایی که این سازه‌ها به فرم معلق هستند نیاز به نگهداری و رسیدگی در طول زمان دارند و قطعات اتصال آنها باید دائما بررسی شود.

سازه‌های فلزی خرپایی:

در سازه‌های فلزی خرپایی همه‌چیز در ترکیبی مثلثی و نیروهای کششی و فشاری خلاصه میشود. در واقع میتوان گفت در truss structures یا سازه‌های خرپایی، نیروها از اعضای اتصال مفصلی به تکیه‌گاه منتقل میشوند.

اجزای تشکیل دهنده‌ی سازه‌های خرپایی شامل سه بخشِ یال تحتانی، یال فوقانی و اجزای قائم هستند که این اجزا و به ویژه قسمت‌های قطری، نیروهای کششی و فشاری را تحمل و منتقل میکنند. لازم به ذکر است امکان به وجود آمدن تنش خمشی در بین اتصالات این سازه‌ها وجود دارد.

به طور کلی سازه‌های فلزی خرپایی به سه بخش تقسیم میشوند:

• سازه‌های فلزی خرپای ساده
• سازه‌های فلزی خرپای پیچیده
• سازه‌های فلزی خرپای مرکب

کاربرد سازه‌های فلزی خرپایی:

سازه‌های فلزی خرپایی مختلف، میتوانند کاربردهای متفاوتی داشته باشند؛ برای مثال سازه‌ی خرپایی فضایی یا پیچیده در ساخت سوله یا کارخانه کاربرد دارد اما فارغ از نوعِ ذکر شده، از سازه‌های خرپایی، بیشتر در ساخت پل استفاده میشود.

انتخاب سازه‌ی مورد نظر به مدل و طراحی ساختمان و کاربرد مورد نیاز، بستگی دارد.

مزایای سازه‌های فلزی خرپایی:

• طراحی و اجرای ساده
• مقاومت بالا در برابر شرایط نامساعد مانند زلزله
• قابلیت استفاده‌ی مجدد

معایب سازه‌های فلزی خرپایی:

• سرعت اجرای پایین‌تر در مقایسه با سازه‌های دیگر
• اشغال کردن فضای زیاد
• حساس و دقیق بودن اجرا از مراحل ابتدایی و خاک‌برداری تا مراحل پایانی

سازه‌های فلزی چه کاربردهایی دارند؟!

در دنیای امروز سازه‌های فلزی از اصلی‌ترین بازوهای صنعت ساخت‌و‌ساز محسوب میشوند که استقبال از آنها روز‌به‌روز بیشتر میشود. کاربرد این سازه‌ها با توجه به معماری و طراحی ساختمان، موقعیت و نحوه‌ی قرارگیری اجزای فولاد و دیگر فلزات، متفاوت است که در بالا نیز به برخی از این کاربردها اشاره شد؛ اما به طور کلی کاربردهای سازه‌های فلزی شامل موارد زیر است:

• ساخت انواع پل
• ساخت اسکلت‌های ساختمانی به خصوص ساختمان‌های مرتفع
• ساخت انواع زیر‌ساخت‌ها
• ساخت مخزن‌های نگهداری سیالات
• ساخت پایانه‌ی فرودگاه‌، اسکلت ورزشگاه‌، بدنه‌ی هواپیما
• ساخت سازه‌های مهم مانند گنبدهای سقفی و سیلوها

مزایای استفاده از سازه‌های فلزی:

از ابتدای استفاده‌ی فلزات در صنعت ساخت‌وساز، نمودار پیشرفت این سازه‌ها سیر صعودی داشته اشت چرا که سازه‌های فلزی مزایا و ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند و این ویژگی‌ها هرکسی را ترغیب به انتخاب و استفاده از این سازه‌ها میکند؛در ادامه به برخی از مهم‌ترین مزایا و ویژگی‌های سازه‌های فلزی میپردازیم:

• سرعت نصب و اجرای بالا
• استحکام و مقاومت بالا در برابر کشش و فشار
• امکان استفاده در نقاط مرتفع و فاصله‌های زیاد از سطح زمین
• مقاومت زیاد در برابر شرایط نامساعد و حوادثی مانند زلزله
• شکل‌پذیر بودن فلزات؛ که همین مسئله باعث کمتر شدن تنش و جلوگیری از خرابی ساختمان میشود.
• امکان توسعه‌ی سازه‌ها
• فضای پرت کم
• امکان نظارت بر مراحل ساخت فلزات در کارخانه‌ها وجود دارد که این قابلیتِ کنترل کیفیت، باعث تولید و اطمینان از استفاده‌ی فلز مرغوب میشود.

علاوه بر تمام مواردی که گفته شد این سازه‌ها از فلزات ساخته شده‌اند و مانند تمام متریال‌ها، ساختمان‌ها و سازه‌های فلزی، خاصیت فوق‌العاده‌ی فلزات را دارا هستند؛ برای مثال:

• انعطاف‌پذیری بالا
• دوست‌دار محیط زیست بودن و امکان بازیافت و استفاده‌ی مجدد
• همگن بودن

معایب استفاده از سازه‌های فلزی:

تا به اینجای مقاله‌ی سازه‌های فلزی، بیشتر تمرکز روی مزایا و کاربردهای این فلزات هزارکاره بود! اما ما قصد داریم صفرتاصد سازه‌های فلزی را صادقانه و کاربردی بررسی کنیم و از آنجایی که هیچ‌چیز بی‌عیب و نقص نیست، در ادامه نگاهی به برخی معایب این سازه‌های فولادی و فلزی می‌اندازیم:

• اگرچه این سازه‌ها مقاومت بالایی دارند اما در دمای بیش از ۶۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد مقاومتشان تا حد زیادی کاهش پیدا میکند و ممکن است تعادل ساختمان به خطر بیفتد!
• گاهی قطعات این سازه‌ها تمایل به خم شدن و یا شکست دارند!
• برخی از فلزات در برابر عوامل محیطی و جوی دچار خوردگی میشوند که البته این مورد تا حد زیادی به نوع فلز انتخابی مربوط میشود!
• بعضی از فلزات در برابر رطوبت دچار زنگ‌زدگی میشوند که لازم به ذکر است این مشکل، به راحتی و با رنگ‌زدن قابل حل است!
• جوش مناسب در این سازه‌ها بسیار حائز اهمیت است و اتصال یا جوش نامناسب ممکن است مشکل‌آفرین باشد!

هزینه‌ی طراحی و تولید سازه‌ها فلزی:

طراحی سازه‌های فلزی نقش مهمی در کاربرد، استفاده و مقاومت سازه دارد. در ادامه بعد از بررسی طراحی این سازه‌ها، از قیمت تولید و اجرای سازه‌های فلزی صحبت میکنیم:

طراحی سازه‌های فلزی:

طراحی سازه‌های فلزی از طریق روش‌های متفاوتی مثل طراحی الاستیک انجام میشود و نیاز به تخصص و مهارت بسیار بالایی دارد.در واقع این طراحی‌ها برای بخش‌های متفاوتی ـ از ستون گرفته تا مهاربندها و دیوارهای برشی – انجام میشود.

هر کدام از بخش‌های گفته شده توسط نرم‌افزارهای تخصصی طراحی میشوند؛ طراحی درست و مقاومت بالا در این مرحله بسیار حائز اهمیت است؛ به همین علت بهتر است طراحی سازه‌های فلزی زیر‌نظر متخصصین و با مهارت بالا، انجام شود.

هزینه‌ی طراحی و تولید سازه‌های فلزی:

واقعیت این است که برای هزینه‌ی استفاده از سازه‌های فلزی نمیتوان یک عدد واحد را درنظر گرفت؛  چرا که مبلغ انتهایی به موارد متعددی مثل نوع و وزن آهن و فلز مورد نظر، هزینه‌های جانبی ساخت، هزینه‌ی طراحی و میزان دستمزد و اجرت بستگی دارد.

اگر به فکر استفاده از سازه‌های فلزی هستید و نیاز به برآورد جزئی‌تر قیمت دارید، متخصصان متارک با تخصص و تجربه‌ی خود میتوانند شما را در این باره راهنمایی کنند.

سازه‌های فلزی یا بتنی؛ نگاهی به مقایسه‌ی سازه‌های فلزی و بتنی:

یکی از مهم‌ترین ‌تصمیم‌گیری‌ها، مربوط به انتخاب بین سازه‌های متفاوت، مخصوصا سازه‌های فلزی و بتنی است؛ به همین علت برای یافتن پاسخ به سوال همیشگی “ سازه‌های فلزی بهتره یا بتنی؟!” به بررسی تفاوت‌های این دو، میپردازیم:

• هر دویِ سازه‌های فلزی و بتنی در برابر شرایط نامناسب مانند زلزله مقاوم هستند اما این مقاومت در سازه‌های فلزی بیشتر است و این در حالی است که وزن سازه‌های فلزی به نسبت سازه های بتنی، کمتر است!
• طراحی، نصب و اجرای سازه‌های بتنی به مهارت و تخصص کمتری احتیاج دارد.
• زمان اجرای سازه‌های فلزی کوتاه‌تر است؛ چراکه امکان اجرای همزمان این سازه وجود دارد و همین باعث پیشرفت سرعت مراحل کار میشود.
• حمل‌ و جابه‌جایی سازه‌های فلزی بسیار آسان‌تر از سازه‌های بتنی است.
• ارزش اسقاط فلزات در هنگام تخریب ساختمان‌ها، بالاتر از بتن است.
• در نصب سازه‌های فلزی برخلاف سازه‌های بتنی، نیاز به سقف کاذب نیست.
• عمر سازه‌های بتنی به نسبت سازه‌های فلزی کمتر است و با گذشت ۵۰ سال دچار افت میشوند؛ در حالیکه عمر سازه‌های فلزی بسیار بالاتر است و با گذشت زمان مقاومت و کیفیت آن کاهش پیدا نمیکند.

چرا سازه‌های فلزی میتوانند بهترین انتخاب باشند؟!

• قابلیت‌های خاص و متفاوت و هچنین خلاقیت بی‌انتها:

برخی فلزات مانند فولاد به خودیِ‌خود زیبا هستند و این زیبایی با قابلیت‌هایی مثل طراحی و امکان تنظیم ورود نور به داخل ساختمان و طراحی طاق‌هایی بدون ستون، بیش از پیش میشود.

• عمر طولانی و مقاوم بودن :

ممکن است طولانی بودن عمر در مصالح و سازه‌های دیگر نیز وجود داشته باشد اما مزیت اختصاصی طول عمر فلزات، کم نشدن مقاومت و کیفیت آنها در گذر زمان است.

از طرفی فلزات در برابر باد و طوفان و اتفاقات غیر منتظره مثل سیل و زلزله، مقاومت بالایی دارند.

• نظارت و اطمینان از کیفیت:

همانطور که در بالا گفته شد، فلزات در کارخانه‌ها و زیرنظر متخصصان تولید میشوند و امکان نظارت در تک‌تک مراحل تولید آن وجود دارد؛ به همین علت، ایمنی و کیفیت آن تضمین شده است.

• مقرون به صرفه بودن:

فلزات در مقایسه با سازه‌های دیگر قیمت پایین‌تری دارند و این ویژگی وقتی کنار هزینه‌ی نگهداری پایین و عمر بسیار بالای این سازه‌ها قرار میگیرد، مزیت آن را بیش از پیش نمایان میکند چرا که هزینه‌ی پرداخت شده در واقع عمری‌ است و مشکل هزینه‌های جانبی بسیار کمرنگ میشود.

محبوب‌ترین ساختمان‌های فلزی در جهان:

شاید برایتان جالب باشد که محبوبیت استفاده از فلز در ساختمان‌ها به قدری زیاد است که خیلی از ساختمان‌های معروف جهان از سازه‌های فلزی و فلزات ساخته شده‌اند و البته که در عین کارایی، زیبایی خارق‌العاده‌ای نیز دارند؛ خالی از لطف نیست نگاهی به برخی از این سازه‌های معروف بیندازیم.

• برج خلیفه‌ی دبی

• برج ایفل

• موزه‌ی هنرهای معاصر

• ساختمان امپایر استیت

• (ایون سنتر    (AON CENTE در شیکاگو

• استادیوم ملی پکن

• پل بروکلین در نیویورک

سخن آخر اینکه:

در این مقاله سعی کردیم به تمام نکات پیرامون سازه‌های فلزی، از تعریف گرفته تا مزایا و معایب و کاربرد این سازه‌ها بپردازیم. در دنیای مدرن و پراطلاعات امروز، انتخاب و تصمیم درست و پرفایده سخت نیست!

البته گاهی بعضی موارد نیاز به تخصص و مهارت نیز دارد؛ اگر کماکان سوالی راجع به نصب، اجرا، انتخاب و هزینه‌ی سازه‌های فلزی دارید، میتوانید روی تخصص و مشاوره‌ی متخصصین متارک، حساب باز کنید!