سیستم‌های قاب سبک ساختمانی

  • سه شنبه 5 آذر 1392 ساعت 14:15

مقالات => خانه های چوبی

       ساختمان‌های با قاب‌ سبک چوبی و یا فولاد سردنورد، دیافراگم سقف و دیوارهای باربر برشی و یا مهاربندی شده، سیستم متداول در کشورهای صنعتی دنیا نظیر ایالات متحده آمریکا، استرالیا، کانادا، اروپای شمالی و ژاپن می‌باشند. کاربرد این نوع ساختمان‌ها به عنوان سیستم‌های سازه‌ای مستقل، امروزه در ساختمان‌های مسکونی میان‌مرتبه، ساختمان‌های تجاری و سالن‌های ورزشی است.
سیستم‌های قاب سبک ساختمانی

 

سیستم‌های قاب سبک ساختمانی
دکتر سپهر گنجه‌ای

فوق دکترای مهندسی راه و ساختمان (عمران) از سوئد و امریکا، متخصص خانه‌های چوبی و
سیستم‌های سبک ساختمانی، مشاور عالی مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی

چکیده:

       ساختمان‌های با قاب‌ سبک چوبی و یا فولاد سردنورد، دیافراگم سقف و دیوارهای باربر برشی و یا مهاربندی شده، سیستم متداول در کشورهای صنعتی دنیا نظیر ایالات متحده آمریکا، استرالیا، کانادا، اروپای شمالی و ژاپن می‌باشند. کاربرد این نوع ساختمان‌ها به عنوان سیستم‌های سازه‌ای مستقل، امروزه در ساختمان‌های مسکونی میان‌مرتبه، ساختمان‌های تجاری و سالن‌های ورزشی است.

       چوب یکی از قدیمی‌ترین مصالح ساختمانی است که انسان با آن آشنایی پیدا کرده و در مناطقی که پوشیده از جنگل است از آن برای ساختن خانه‌های مسکونی استفاده کرده است. در آغاز با تنه‌های قطور درختان دیوارهای کلبه را بنا کرده و سقف آن را با شاخ و برگ درختان پوشانیده و گاهی بر روی همه اینها گل می‌مالیده‌ و گاهی نیز از پوست درختان و یا ورقه‌های نازک سنگی بعنوان بام پوش استفاده کرده است. در نیم‌قرن اخیر صنعت چوب‌بری، عمل‌آوری چوب و سیستم‌های ساختمانی چوبی در کشورهای صنعتی جهان مانند کانادا، ایالات متحده امریکا، استرالیا و کشورهای اروپای شمالی از جمله کشورهای اسکاندیناوی پیشرفت فراوانی کرده است به گونه‌ای که امروز بیش از 85 درصد ساختمانهای مسکونی با ارتفاع شش طبقه به پایین این کشورها دارای سازه چوبی می‌باشند. در کشورهایی که فاقد جنگل‌های مناسب بوده و یا دسترسی به چوب دارای محدودیت است، فولاد سرد نورد جایگزین چوب گردیده و به تدریج جای خود را در سیستم‌ ساختمانی قاب سبک باز نموده است. امروزه در حدود 3 درصد خانه‌های مسکونی ایالات متحده امریکا با قاب سبک فولاد سرد نورد ساخته می‌شوند. در سال‌های‌ پس‌ از جنگ‌ جهانی‌ دوم که دوران شکوفایی جوامع صنعتی است،‌ استفاده‌ از سیستم‌های‌ قاب سبک ساختمانی و دیوار خشک (Dry Wall) به‌ علت‌ رشد سریع صنایع و نیاز به مسکن به‌سرعت‌ گسترش‌ یافت، به‌گونه‌ای که‌‌ در بیش‌ از 85 درصد ساختمان‌های‌ مسکونی‌ و تجاری کشور ایالات متحده امریکا و اروپای شمالی‌ از این سیستم‌‌های ساختمانی استفاده‌ می‌شود. در این مقاله در ضمن شرح اجمالی این سیستم‌های ساختمانی، الزامات، آیین نامه‌ها، استانداردهای مرتبط و مورد نیاز برای اجرای صحیح این سیستم‌ها در کشور زلزله خیز ایران شرح داده شده است.

مقدمه

       استفاده از قاب سبک در ساخت و ساز در کشور ایالات متحده امریکا از دهة 1840 در حومه شهر شیکاگو آغاز شد. روش اولیه ساخت به گونه قاب چوبی، اجرای قاب دیوارهای یکپارچه بود و تمامی ارتفاع ساختمان را در بر می‌گرفت. تکامل این سیستم در کشور سوئد به گونه ساخت طبقه‌ای انجام گرفت و در دهه 1920 به کشور انگلستان و سپس به کشورهای صنعتی دیگر گسترش پیدا کرد. از دهه 1950 میلادی کاربرد قطعات فولاد سرد نورد در دیوارهای خشک به عنوان دیوارهای داخلی ساختمان آغاز گردید و در دهه 1990 میلادی جایگزین کردن چوب با فولاد سرد نورد به‌تدریج وارد سیستم قابهای سبک گردید.  امروزه سیستم‌های قاب سبک ساختمانی به‌دلیل سبکی، مقاومت زیاد در برابر زلزله و عوامل محیط، سرعت بالای ساخت و مناسب بودن برای انبوه سازی گسترش فراوانی در کشورهای صنعتی کرده است.

       سیستم‌های سازه‌ای ساختمان‌های سبک با سیستم‌های سنتی سازه‌های فولادی و بتنی بسیار متفاوت می‌باشند. اجزای قائم این ساختمان‌ها تحت بارهای ثقلی، به‌عنوان عضو باربر فشاری عمل می‌کنند؛ اعضای فشاری که در دهانه‌های مهاربندی شده قرار می‌گیرند، علاوه ‌‌بر بار ثقلی، نیرو‌های ناشی از بار‌های جانبی باد و زلزله را نیز تحمل می‌نمایند. این اعضا همان وادارهای عمودی یا استادها می‌باشند. اتصال اعضای فشاری به کلاف عرضی کف به صورت مستقیم انجام می‌گیرد.

       در طراحی این نوع ساختمان‌ها، علاوه بر محاسبات سازه‌ای، محاسبات دقیقی در زمینه انتقال رطوبت و حرارت به منظور پیشگیری از بروز میعان باید انجام شود. میعان خطری جدی برای این نوع سازه‌ها به‌شمار می‌رود، و علاوه بر کاهش مقاومت حرارتی جدار، باعث بروز رطوبت دائمی در مجاورت اجزای چوبی و یا فولادی و در نتیجه ظهور انواع میکروارگانیسم‌های مخرب چوب و تهدیدکننده بهداشت محیط مسکن و یا خوردگی فولاد می‌شود. به‌دلیل جرم کم و ناچیز بودن اینرسی حرارتی این ساختمان‌ها، هوابندی جدارها، یکپارچه بودن عایق حرارتی، و همچنین وجود لایه بخاربند در پوسته خارجی ساختمان، از ضروریات است. این ساختمان‌ها باید بتوانند پاسخ‌گوی کلیه انتظارات در زمینه فیزیک ساختمان باشند تا از طرفی عملکرد سازه‌ای ساختمان دچار اشکال نگردد و از طرفی دیگر، شرایط آسایش ساکنان فراهم شود.

ساختمانهای با قاب سبک

       سیستم ساختمان های چوبی استاندارد یکی از پیش رفته ترین سیستم های ساختمانی است که رعایت تمام اصول فیزیک ساختمان از قبیل عایق کاری حرارتی، رطوبتی، صدا و هوابندی در شمار الزامات آن است و در نتیجه یکی از کامل ترین و در عین حال آسیب پذیر ترین سیستم‌های ساختمانی است که در صورت اجرای نادرست میتواند زیان‌های مالی بزرگی ببار آورد. مهم‌ترین نکته در این سیستم، محافظت سازه در برابر عوامل مخرب محیط از قبیل تغییرات شدید دما و رطوبت، قرار گرفتن در معرض قارچ‌ها، حشرات، میکروارگانیزم‌ها و حرارت زیاد است. باید در نظر داشت که نحوه محاسبات بارهای وارده و طراحی این سیستم ساختمانی با سیستم های متداول دیگر متفاوت است.

       سیستم ساختمان‌های با قاب سبک فولاد سرد نورد و یا چوبی برای اجرای ساختمان‌های کوتاه‌مرتبه و میان‌مرتبه (پنج طبقه و کمتر) کاربرد گسترده‌ای داشته است. خطر آتش‌سوزی بیشتر از هر چیز دیگر در محدودیت طبقات خانه‌های چوبی تعیین کننده بوده است. در چند دهه اخیر، با مطرح شدن فن‌آوری‌های جدید، نظیر خاموش‌کننده‌های خودکار آتش، ایجاد سلول‌های آتش، فرآوری چوب‌های بدون محافظ با مواد کندسوز‌کننده، و پیش‌بینی راه‌های فرار در هنگام آتش سوزی و تحقیقات گسترده در خصوص رفتار لرزه ای سازه‌های دارای قاب چوبی، زمینه مناسبی برای افزایش تعداد طبقات و ارتفاع خانه‌های این سیستم ساختمانی فراهم گردیده است.

 

 شکل1- سیستم ساختمانی قاب سبک فولادی                    سیستم ساختمانی قاب سبک چوبی 

       سیستم ساختمان‌های قاب سبک، یک سیستم مدوله شده بر پایه30، 40 و یا 60 سانتی‌متر می‌باشند.  هر دیوار از تعدادی اجزای عمودی (وادار یا اِستاد) با فاصله مرکزی30، 40 یا 60 سانتی‌متر، که در بالا و پایین به اجزای افقی متصل شده‌اند، تشکیل می‌شود. ابعاد چوب‌های به‌کار برده شده در سازه قاب سبک چوبی نباید از اندازه اسمی 5 در 10 سانتی‌متر کمتر باشد. این محدودیت ابعادی برای پایداری بیشتر سازه در هنگام آتش‌سوزی در نظر گرفته شده است. مکان خالی بین وادار(استاد)های دیوارها و تیرهای افقی سقف‌ها، جای بسیار مناسبی برای قرار دادن عایق‌های حرارتی و صوتی و عبور تأسیسات ساختمانی به‌شمار می‌رود.

       دیوارهای این سیستم‌های ساختمانی با پوشش‌های تخته‌ای مقاوم مانند تخته چندلا Plywood و یا ورق تولید شده از چوب تراشه جهت دار OSB (Oriented Strand Board) می توانند به‌عنوان دیوارهای برشی عمل کنند. در سیستم قاب سبک فولادی از ورق‌های فولادی نیز میتوان به‌عنوان پوشش محافظ استفاده کرد. مقاوم سازی دیوارها در برابر بارهای جانبی می‌تواند با مهاربندهای قطری نیز تامین شود. در سازه‌های فولادی سبک از مهاربند تسمه‌ای قطری بگونه ضربدری برای مقابله با بارهای باد، زلزله و سایر نیروهای درون صفحه‌ای استفاده می‌شود. در ساختمان‌های چوبی اروپایی بیشتر از دیوارهای برشی و در ساختمان‌های چوبی امریکایی بیشتر از مهاربندی قطری خرپایی استفاده می‌شود. سقف‌ها نیز در این سیستم‌های ساختمانی با ایجاد یکپارچگی، توسط پوشش‌های مقاوم، مانند دیافراگم قابل انعطاف در سیستم سازه چوبی و دیافراگم صلب در سیستم قاب سبک فولادی LSF عمل کرده و خرپاهای سقف‌ نهایی با پوشش‌هایی از ورق های چوبی و یا سیمانی، به‌صورت یکپارچه در می آیند. یک اصل بسیار مهم در این سیستم‌های ساختمانی تأمین یکپارچگی سازه آنها است. شالوده، دیوارها، سقف‌های بین طبقات و سقف نهایی (بام)، و تمامی اجزای تشکیل‌دهنده سازه ساختمان باید به درستی و با دقت بسیار، مانند جعبه‌ای یکپارچه به یکدیگر دوخته شوند. در ساختمان‌های چوبی، اجزای ساختمانی باید به‌گونه‌ای طراحی شوند که چوب‌های به‌کار برده شده در سازه ساختمان تا حد امکان به‌گونه‌ای فشاری یا کششی عمل کنند، و باعث ایجاد گشتاور‌های ناشی از خروج از محوریت نشوند. سیستم ساختمانی LSF با دقت بسیار از روی سیستم ساختمانی قاب سبک چوبی کپی برداری شده است بگونه‌ای که شباهت بسیار زیادی به ساختمان‌های چوبی دارد و در واقع با جایگزین کردن چوب با فولاد سرد نورد موجودیت یافته است. از آنجا که خواص فیزیکی و مکانیکی چوب و فولاد و رفتار آنها در برابر شرایط محیط متفاوت است، به تدریج تفاوت‌هایی میان این دو سیستم سبک ساختمانی به‌وجود آمده است.

 

شکل 2-  سازه خانه‌های با قاب سبک فولادی                                  سازه خانه‌های با قاب سبک چوبی

       یکی از موارد بسیار اساسی در این سیستم‌های ساختمانی، تأمین هوابندی آنها است، به‌گونه‌ای که نفوذ هوا، حتی در مواردی که اختلاف فشار بین دو طرف جدار زیاد است، از حدود تعیین‌شده بیشتر نشود. از این روی، لازم است محل برخورد دیوارها با پی، درها و پنجره‌ها با دیوار، دیوارهای خارجی با یکدیگر و همچنین محل تلاقی خرپاها با دیوارهای خارجی، با استفاده از روش‌ها و مصالح مناسب، به‌درستی هوابندی شوند.

       چوب تحت تأثیر نیروهای وارده و هم‌زمان با عوامل گوناگون طبیعی، از قبیل رطوبت و تغییرات آن، حرارت و تغییرات آن، و همچنین اشعه فرابنفش، می‌تواند با روندی تدریجی دچار تغییر شکل گردد. این تغییرات در طول زمان و در صورت قرار گرفتن در شرایط نامساعد می‌تواند منجر به شکست و یا غیرقابل استفاده شدن سازه شود [1]. در طراحی سازه چوبی، لازم است مسائل مربوط به تغییرات وابسته به زمان، از جمله خزش، در نظر گرفته شود.

 

شکل3-  مهاربند تسمه‌ای قطری در قاب سبک فولاد سرد            دیوار برشی و مهاربند قطری در قاب سبک چوبی

       با آنکه چوب ماده‌ای آلی است با نگهداری درست و رعایت اصول طراحی و اجرای سیستم خانه‌های چوبی، می‌توان برای آن عمری بسیار طولانی در نظر گرفت. برای مثال، چوب کشتی‌های جنگی با کهنه‌گی بیش از 2000 سال که در آب‌های سواحل یونان به دست آمده، سازه چوبی ساختمان‌های 700 ساله سوئدی و کلیساهای چوبی 900 ساله نروژی هنوز کامل و بدون عیب پابرجا مانده‌اند. اگر بتوان یکی از سه عامل رطوبت، حرارت و اکسیژن را از سازه چوبی به دور نگاه داشت، می‌توان از فساد و تجزیه آن جلوگیری به‌عمل آورد. در پژوهش‌هایی که نگارنده بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی چوب‌های ساختمان‌های 600 تا 700 ساله شهر قدیمی استکهلم و کلیساهای 900 ساله سوئد و نروژ  به‌انجام رسانیده، به نتیجه‌های قابل توجهی دست یافته است [5]. مقاومت و مدول الاستیسیته چوب‌هایی که به خوبی در درون ساختمان محفوظ مانده‌اند، بین ده تا بیست درصد از چوب‌های تازه با چگالی و نوع یکسان بیشتر است. قابلیت جذب آب چوب کهنه و تغییرات ابعادی آن در هنگام جذب آب و در مجموع تأثیرپذیری آن در برابر عوامل محیط، از چوب تازه کمتر است. خزش تحت تأثیر بار و تغییرات رطوبتی هوا، در چوب کهنه به مراتب کمتر از چوب تازه است. به‌طور کلی، می‌توان گفت که در صورت رعایت اصول سیستم خانه‌های چوبی و آگاهی از نحوه برخورد چوب با عوامل محیط، می‌توان عمر مفید ساختمان‌های این سیستم را بی‌گمان به بیش از صد سال رسانید، ولی در صورت سهل انگاری و یا عدم رعایت این اصول، ساختمان‌های چوبی به آسیب‌پذیر خواهند بود.

       ساختمان‌های ساخته شده با سیستم قاب سبک فولادی قدمت چندانی نداشته و در خصوص عمر مفید و تاثیر عوامل مربوط به زمان در آنها تجربه زیادی در دست نمی‌باشد. بیشترین خطری که سازه این سیستم ساختمانی را تهدید می‌کند خوردگی فولاد است که باید در پوشاندن آن با مواد مقاوم در برابر خوردگی اهتمام ورزید.

شالوده

       شالوده این سیستم‌های ساختمانی، علاوه بر تحمل بار سبک سازه، باید به نحو مؤثری از نفوذ آب، رطوبت و حشرات بخصوص به‌داخل سازه چوبی جلوگیری به عمل آورد. در روش‌های اولیه پی‌سازی خانه‌های سبک چوبی، قاب دیوارها به‌طور مستقیم و یا به‌واسطه کلاف‌های چوبی بر روی زمین قرار می‌گرفت. آنچه که بیش از هر چیز در بارة پی‌سازی این سیستم‌های ساختمانی دارای اهمیت است، قرار دادن سازه آنها در ارتفاعی بالاتر از سطح زمین است تا خطر نفوذ آب، رطوبت، قارچ‌ها و حملة انواع حشرات به سازه کاهش یابد. این ارتفاع در آیین نامه های ساختمان‌های چوبی دست کم 30 سانتیمتر ذکر شده است.

       ساختمان های با قاب چوبی و یا فولاد سردنورد بسیار سبک هستند، به گونه‌ای که بار ثقلی مرده و زنده هر مترمربع از سقف ساختمان از 400 کیلوگرم کمتر است. برای مثال، باری که یک خانه چوبی دو طبقه دارای زیرزمین به زمین منتقل می‌کند، از وزن خاک دستی و خاک موجود قبل از احداث ساختمان بیشتر نیست. در نتیجه می‌توان گفت که ساختمان‌های کوتاه‌مرتبه در این سیستم‌های ساختمانی را می‌توان در زمین‌هایی که دارای مقاومت خاک حداقل هستند نیز اجرا کرد.  از آن گذشته، این خانه‌ها ، به‌دلیل سبکی و یکپارچگی، حتی در صورت نشست نامساوی خاک زیر شالوده، عملکرد خوبی دارند. در مجموع، می‌توان گفت که این سیستم‌های ساختمانی، برای زمین‌های سست، با مقاومت خاک بسیار کم، از بسیاری از سیستم‌های ساختمانی دیگر مناسب تر می‌باشند.

       شالوده این ساختمان‌ها می‌توانند به‌صورت گسترده، نواری، منفرد و یا تلفیقی باشند. شالوده‌ منفرد را می‌توان با استفاده از قطعات پیش‌ساخته بتنی قالب سرخود یا قالب ماندگار اجرا کرد. در مواردی که مقاومت خاک بسیار کم است، از شالوده گسترده استفاده می شود. شالوده‌های نواری و گسترده متداول ترین روش پی سازی در این سیستم‌های ساختمانی می‌باشند. با توجه به اینکه اعضای فشاری در ارتفاع ساختمان ممتد نبوده و در هر طبقه قطع می‌شوند، لذا اتصال این اعضا به کف سقف یا شالوده از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است؛ اتصال اعضای فشاری به کف یا شالوده در ساختمان‌های قاب سبک چوبی، به ‌واسطه یک کلاف چوبی که به طور معمول با مواد مقاوم در برابر موریانه و قارچ‌ها اشباع شده است، انجام می‌گیرد. کلاف عرضی به‌واسطه میله‌های انتظار، بولت های فولادی، که عملکرد مهار کششی را دارند به کف یا شالوده متصل می‌شود.

دیوارهای باربر خارجی

       دیوارهای باربر خارجی به تنهایی و گاهی به همراه دیوارهای باربر داخلی سازه این ساختمان‌ها را تشکیل می‌دهند. این دیوارها با قرار دادن وادارهای چوبی و یا فولادی (استادها) با فاصله معین از یکدیگر و به صورت قاب ساخته شده و بر روی پی ساختمان که از بتن، آجر و یا مصالح غیرآلی دیگری ساخته شده قرار می‌گیرند. در ساختمان‌های چوبی مقطع این وادارها نباید از اندازه اسمی 5 در 10 سانتی‌متر کمتر باشد. روی قاب دیوارها را از داخل با تخته‌های گچی و از خارج با ورق‌هایی از فرآورده های چوبی و یا مصالح مناسب دیگر می‌پوشانند.

       نمای این سیستم‌های ساختمانی می‌تواند از انواع ورق‌های ساختمانی از جمله، ورق سیمانی، لمبه چوبی، تخته گچی، و پوشش‌های پلیمری در انواع گوناگون، ورق‌های فلزی، سفال و آردواز تشکیل شود. در نواحی پرباران، نماهای آجری خودایستا کاربرد فراوان دارند که برای پایداری در برابر نیروی باد و زلزله باید با اتصالات فولادی یا پلیمری به سازه دوخته شوند.  در قسمت داخلی دیوار زیر تخته گچی، بخاربند و در قسمت خارجی و درزیرنما لایه مقاوم در برابر نفوذ باد و دافع آب قرار دارد. داخل دیوارها و بین وادارها را با یک عایق حرارتی معدنی از قبیل پشم سنگ یا پشم شیشه پر می‌کنند. در ساختمان‌های با وادارهای فولاد سردنورد از عایق‌های حرارتی پلیمری مانند پلی‌استایرن نیز استفاده شده است. در سیستم قاب سبک فولادی کاربرد یک لایه عایق حرارتی اضافی برای جلوگیری از پدیده پل حرارتی در داخل و یا خارج دیوار و بر روی وادارها ضروری است.

شکل4-  دیوار باربر خارجی در قاب سبک فولادی            دیوار باربر خارجی در قاب سبک چوبی

جداکننده‌های داخلی

       سازه دیوارهای جداکننده داخلی را مانند سازه دیوارهای خارجی با وادارهای چوبی و یا فولادی به صورت قاب می‌سازند. دیوارها را در صورت ساخت درجا، بگونه‌ای افقی بر روی زمین ساخته و سپس برپا می کنند. در نوع پیش ساخته آن تمام اجزای دیوار در کارخانه ساخته شده و گاهی تاسیسات مکانیکی و الکتریکی نیز در آنها کار گذاشته می شود. دو طرف دیوارهای داخلی را بطور معمول با تخته گچی می‌پوشانند. جداکننده‌های داخلی نیازی به بخاربند و عایق حرارتی ندارند ولی در مکان‌های مورد نیاز از چند سانتیمتر پشم سنگ با چگالی بالا بعنوان عایق صوتی استفاده می شود. دیوارهای جداکننده دو واحد ساختمانی را بگونه‌ای دوتایی ساخته و با یک یا چندلایه اضافی تخته گچی پوشانده و داخل آن را با عایق حرارتی پر میکنند.

سیستم سقف-کف بین طبقات

       قاب‌بندی سقف بین طبقات از تیرهای ضخیم‌ چوبی و یا پروفیل‌های فولاد سردنورد تشکیل می‌شود. فاصله بین تیرها، به‌طور معمول 40 یا 60 سانتی‌متر است. در قاب‌بندی سقف، در مواقع نیاز، می‌توان از تیرچه نیز استفاده کرد. سقف طبقات، با استفاده از ورق‌های ساختمانی، با اتصالات خشک، بر روی تیرها نصب می‌شوند. کف اطاق با الوار چوبی و یا تخته چندلایه ضخیم ‌پوشیده شده و بر روی آن کف‌پوش مناسب قرار می‌گیرد. در صورت نیاز به شیب‌بندی، از ملات سیمانی و یا پلیمری مخصوص استفاده می‌شود. برای جلوگیری از انتقال صدای کوبه‌ای، از کف پوش نرم یا از کف شناور استفاده می‌شود. در روش‌های کارخانه‌ای، دیوارها و سقف‌ها به‌صورت صفحه‌هایی پیش‌ساخته، که در پروفیل‌های فولادی علاوه بر اتصالات سرد، گاهی از جوش نیز استفاده شده، به سایت منتقل می‌شوند و در کارگاه به‌وسیله اتصالات سرد به یکدیگر متصل می‌شوند. پوشش سقف در ساختمان‌های سیستم LSF از نوع دال بتن‌آرمه، دال عرشه فولادی، است و در صورت تأمین یکپارچگی لازم بین بتن و پروفیل فولادی تیرچه، می‌توان سقف را به‌‌عنوان یک سقف مرکب طراحی کرد.

شکل5- سقف جدا کننده طبقات در سیستم قاب سبک فولادی       سقف جداکننده طبقات در سیستم قاب سبک چوبی 

سقف خارجی

       سقف‌ خارجی ساختمان، به‌طور متداول، از نوع شیب‌دار است که از خرپاهای چوبی و یا فولاد سردنورد تشکیل می‌شود. سقف‌های نهایی از نوع صاف در این سیستم بیشتر به شکل خرپای مسطح اجرا می‌شوند. سطح خارجی سقف تخته‌کوبی شده و بر روی آن پوشش مناسب قرار می‌گیرد. بین خرپاها، و یا بر روی قسمت صاف سقف، عایق حرارتی مناسب قرار داده شده و قسمت زیرین سقف با بخاربند و تخته گچی و یا مصالح مناسب دیگر پوشانده می‌شود. ساختار اصلی سقف‌ها در سیستم قاب سبک فولاد سرد نورد مانند دیوارهای آن از مقاطع C و Z تشکیل شده‌است. در این سیستم ساختمانی برای سقف‌های تخت از سقف‌های کامپوزیت نیز استفاده می‌شود.

       سقف خارجی می‌تواند از خرپاهای سبک پیش‌ساخته تشکیل شده باشد که بر طبق تجربیات و محاسبات دقیق مهندسی طراحی می‌شود. استفاده از خرپا در بام نیاز به جداکننده‌های باربر داخلی را برطرف کرده و باعث نصب سریع‌تر قاب‌بندی سقف و بام ‌می شود.

       خرپا و دیگر اجزای سقف باید به گونه‌ای طراحی و اجرا شوند که علاوه بر دارا بودن مقاوت لازم در برابر بارهای قائم، از یکپارچگی کافی نیز برخوردار باشند و بتوانند در برابر بارهای جانبی عملکرد مطلوبی داشته باشند. در طراحی این اجزا، لازم است نیروهای وارد شده در هنگام حمل و نصب و وزن کارگران نصاب در زمان اجرا  نیز در نظر گرفته شود.

شکل 6- خرپای ساده فولاد سردنورد                                         خرپای ساده چوبی

       بام نهایی به دو گونه شیب‌دار و مسطح اجرا می‌شود که از نظر مقاومتی دارای ساختار اصلی یکسانی است. هرگاه سقف نهایی ساختمان شیب‌دار باشد، اجرا به دو گونه سقف سرد و سقف گرم، قابل اجرا است. در سقف گرم عایق حرارتی در زیر و یا بین تیرهای قسمت شیب‌دار سقف و در سقف سرد بر روی و یا بین تیرهای افقی سقف قرار می‌گیرد. در سقف سرد، خطر میعان تا حد زیادی کاهش می‌یابد.

پوشش بام

       به‌طور کلی، می‌توان گفت که بیشتر انواع پوشش‌های رایج بام برای این سیستم‌های ساختمانی نیز قابل اجرا است، مشروط بر این که از زیرسازی مناسب استفاده شود و تمهیدات لازم برای عایق‌کاری حرارتی و رطوبتی و همچنین محاسبات لازم جهت پیش‌بینی خطر میعان و نفوذ آب باران و بار برف انجام گیرد. متداول‌ترین پوشش‌های بام برای این سیستم‌های ساختمانی عبارتند از سفال، ورق‌های فلزی، پنل‌های فولادی با لایه‌ای از رزین و شن، کاغذ قیراندود مسلح شده با الیاف در چند لایه و ورق‌های سیمانی. کاربرد ورقه‌های چوبی، به صورت فلس ماهی، به عنوان پوشش بام در  سقف‌های شیب‌دار، در بسیاری از مناطق، به‌خصوص در ایالت کالیفرنیا متداول بوده است ولی امروزه بدلیل ملاحظات مربوط به گسترش آتش مجاز نمی باشد.

       لمبه‌های چوبی به ضخامت حدودی 5/2 سانتی‌متر و یا ورق‌هایی از فرآورده های چوبی مانند تخته چندلا، تخته از تراشه‌های چوب جهت‌دار و یا پانل از مصالح چوبی دیگر، بستر مناسبی برای پوشش‌های بام در این ساختمان‌ها فراهم می‌کنند. بر روی این بستر، نخست یک لایه عایق رطوبتی و سپس، بسته به نوع پوشش نهایی بام، چوب‌های چهارتراش به ابعاد گوناگون و در دو جهت عمود برهم و با فاصله‌های گوناگون از یکدیگر کوبیده می‌شوند. پانل‌های سازه‌ای در ضخامت‌های مختلف و ابعاد گوناگون تولید می‌شوند. فاصله چهارتراش‌های زیرین، که به طور مستقیم، در جهت شیب، بر روی تخته بام کوبیده می‌شوند، بستگی به فاصله تیرهای سقف زیر آن دارد و به طور معمول 60 سانتی‌متر است.

 

 شکل7- پوشش بام شیب‌دار در ساختمان LSF                    پوشش بام شیب‌دار در ساختمان اسکلت چوبی 

رفتار سازه ای

       سیستم‌های سازه‌ای در ساختمان‌های قاب سبک چوبی و یا قاب سبک فولاد سردنورد با سیستم‌های موجود در سازه‌های فولادی و بتنی بسیار متفاوت می‌باشند. اجزای قائم این سیستم‌های ساختمانی تحت بارهای ثقلی، به‌عنوان عضو باربر فشاری عمل می‌کنند؛ اعضای فشاری که در دهانه‌های مهاربندی شده قرار می‌گیرند، علاوه ‌‌بر بار ثقلی، نیرو‌های ناشی از بار‌های جانبی باد و زلزله را نیز تحمل می‌نمایند. این اعضا همان وادارهای عمودی یا استادها می‌باشند. اتصال اعضای فشاری به کلاف عرضی کف به گونه ای مستقیم انجام می‌گیرد. اتصلات در این سیستم‌های ساختمانی بطورکلی اتصالات ساده مفصلی می باشند.

       تمام اجزای سیستم قاب سبک چوبی از تیرهای چهارگوش چوبی تشکیل شده است. سقف جداکننده طبقات و سقف خارجی سازه نیز متشکل از تیرهای چوبی و یا خرپاهای چوبی است و فواصل تیرچه‌ها با توجه به ظرفیت باربری عضو و ابعاد قطعات پوشش که بطور معمول از ورق فرآورده‌های چوبی مانند تخته چندلا و یا ورق تولید شده از چوب تراشه جهت دار، تعیین می‌شود. تیرها و تیرچه‌ها عمدتا دارای مقاطع مستطیل شکل هستند. اعضای قائم سیستم نیز از همین نوع می‌باشند و تحت اثر بارهای ثقلی به عنوان عضو باربر و تحت اثر بارهای جانبی در دهانه مهار بندی شده قطری یا برشی پوشیده شده با ورق یا تخته، نیروهای جانبی ناشی از بار باد یا زلزله را تحمل می‌نمایند.

       برای ایجاد کلاف پیرامون بازشوهای افقی در سقف، از تیرچه‌های چوبی استفاده می‌شود. به منظور مقابله با برش طبقه و مهار جانبی تیرچه‌های کناری، می‌توان از مهاربندی ضربدری استفاده نمود. اطراف بازشوهای قائم در دیوارها نیز، تیرچه‌های نعل درگاهی و ستونک‌ها با مقاطع مشابه استادهای چوبی به کار برده می‌شود.

       از آنجایی که تیر اصلی به طور معمول به صورت سراسری اجرا می‌گردد، برای ایجاد طره‌های ساختمانی از تیر پیوسته استفاده می‌شود تا لنگر قسمت طره تیر به عضو فشاری و از طریق عضو فشاری به شالوده منتقل گردد.

       مجموعه قاب‌های تشکیل دهنده سیستم سازه‌های چوبی،‌ دارای اتصالات ساده بوده و تشکیل قاب ساختمانی ساده را می‌دهند؛ بنابراین تنها دهانه‌های مهاربندی شده یا دیوارهای برشی در هر جهت می‌توانند در باربری جانبی به‌عنوان یک سیستم مقاوم مطرح باشند.

       دیافراگم‌های ساخته شده از پانل‌های چوبی با قاب‌های سبک، می‌توانند به صورت ایده‌ال، انعطاف پذیر در نظر گرفته شوند. در این حالت، کل دیافراگم به صورت چند دهانه تیر ساده بین تکیه‌گاه‌ها (تیرهای چوبی کف) عمل خواهد نمود. دیافراگم‌های قاب سبک فولادی بطور معمول صلب در نظر گرفته می‌شوند.

عایق کاری حرارتی

       فضای خالی بین استادهای دیوارهای خارجی، بین تیرها یا تیرچه‌های کف و سقف و در داخل شالوده‌ مکان مناسبی است برای قرار گرفتن عایق حرارتی، که موجب کاهش تبادل حرارت پوسته خارجی ساختمان‌های با قاب سبک در شرایط آب و هوایی گرم و سرد می‌شود. این عایق‌کاری حرای همچنین می‌تواند در صورت کاربرد پشم‌های معدنی با جذب نوفه‌های خارجی آسایش ساکنان را افزایش داده و مانند جاذب صدا عمل نماید. ضریب انتقال حرارتی چوب نسبت به مصالح دیگر بسیار پایین است. عایق حرارتی متداول در این سیستم از انواع گوناگون پشم های معدنی است. ضریب انتقال حرارتی فولاد بسیار بالا است و در نتیجه وادارهای فولادی در سیستم ساختمانی LSF ایجاد پل حرارتی نموده و نیاز به یک عایق حرارتی تکمیلی در خارج و یا داخل دیوار می‌باشد. عایق‌ حرارتی در انواع رولی یا تخته‌ای و یا به صورت فله به بازار عرضه می‌شود که نوع فله‌ای آن بیشتر در داخل شیروانی‌ها و بین یا روی تیرچه‌های سقف به کار برده می‌شود. با توجه به بالا رفتن بار آتش ساختمان‌های چوبی، کاربرد عایق‌های حرارتی پلیمری در این سیستم ساختمانی توصیه نمی‌شود. در داخل دیوارهای بتنی شالوده می‌توان از یک عایق حرارتی پلیمری مانند تخته‌های پلی‌استایرن که با چسب‌های مخصوص به دیوار نصب می‌شود، استفاده کرد. در مناطق سردسیر عایق حرارتی با چگالی بالا را در زیر شالوده و در زمین اطراف آن نیز قرار می‌دهند. ضریب هدایت فولاد در حدود 55 [W/m.K] و ضریب هدایت عایق‌های حرارتی در حدود 0.04 [W/m.K] است. در نتیجه، انتقال حرارت به‌صورت یکنواخت از تمامی قسمت‌های دیوار در سیستم قاب سبک فولادی صورت نمی‌گیرد، و بخش قابل توجهی از حرارت از وادارهای فلزی که مقاومت کم‌تری در برابر انتقال حرارت دارند عبور می‌کند. ضریب هدایت حرارت چوب بسیار کمتر از فولاد و در حدود 0.12 [W/m.K] است.

       در سیستم LSF، با توجه به وجود پل‌های حرارتی و در نتیجه یک ‌بعدی نبودن انتقال حرارت در مقطع دیوار، امکان محاسبه ساده ضریب انتقال حرارت یا مقاومت حرارتی دیوار وجود ندارد. در سیستم ساختمان‌های چوبی این کار به سادگی امکان پذیر است.

 

  شکل8- یک لایه عایق حرارتی تکمیلی در طرف خارجی دیوار LSF        عدم نیاز مبرم به عایق حرارتی تکمیلی در ساختمان با سازه چوبی

بخاربند

       برای جلوگیری از انتقال بخار آب بر اثر اختلاف فشار جزیی بخار آب در دو طرف عضو ساختمانی، از یک لایه نازک مقاوم در برابر نفوذ بخار آب استفاده می‌شود. بخاربند می‌تواند از جنس پلیمر، به طور معمول پلی اتیلن و یا بیتومن باشد. بخاربند باید در سمتی از جدار نصب شود که فشار بخار آب زیاد است، یعنی در قسمت گرم و بطور معمول در سمت داخلی عایق حرارتی. در صورتی که طراحی جدارهای پوسته خارجی ساختمان با روشی اصولی و با در نظر گرفتن شرایط آب و هوایی انجام نگیرد، خطر بروز میعان می‌تواند وجود داشته ‌باشد. بخاربند از عبور بخار آب از میان دیوارهای خارجی و سقف جلوگیری می‌نماید و خطر بروز میعان را به شدت کاهش می‌دهد. وظیفه دیگر بخاربند جلوگیری از عبور هوا است که به نوبه خود باعث هدر رفتن انرژی می‌شود.

تأسیسات الکتریکی و مکانیکی

       تاسیسات این سیستم‌های ساختمانی همگی از درون دیوارها و سقف، از میان فضای خالی بین وادارهای دیوار و تیرهای سقف، کشیده می‌شوند و در نتیجه نیازی به سقف کاذب نمی‌باشد.

       محل عبور کانال‌ها و لوله‌های تأسیسات الکتریکی و مکانیکی ساختمان، مجراها و سوراخ‌هایی است که به همین منظور در قطعات سازه پیش‌بینی شده است. فاصله بین استادها در دیوارها و فاصله بین تیرهای کف و فاصله بین خرپاهای سقف مکان مناسبی برای عبور کانال‌های تأسیساتی می‌باشند، ولی کوشش می شود تا جایی که امکان دارد از درون دیوارها عبور داده شوند. ایجاد یک اتصال به زمین (Earth) برای تأسیسات الکتریکی ضروری است که در این صورت لازم است در طراحی ساختمان چاه زمین «ارت» پیش‌بینی شود. برای محافظت کابل‌های برق، بخصوص در برابر کوبیدن میخ به دیوارها، باید آنها را از درون لوله‌های فلزی و یا پلی وینیل کلرید سخت عبور داد. لوله‌های برق باید مقاوم در برابر حرارت‌های بالا بوده و میخ نتواند به آسانی به‌داخل آن کوبیده شود.

 

شکل9-  مکان عبور کابل از درون دیوار LSF                            عبور کابل از درون دیوارچوبی

آیین‌نامه‌های ساختمانی سیستم‌های قاب سبک

       با توجه به آن که تاکنون آیین‌نامه‌ای برای طراحی سازه‌های چوبی در ایران تدوین نشده است، می‌توان از آیین‌نامهIBC  (International Building Code) ایالات متحده آمریکا سال 2009 میلادی استفاده کرد. در فصل 23  آیین‌نامه IBC 2009  الزامات عمومی، اجرایی و طراحی ساختمان‌های چوبی ذکر شده است.  براساس فصل 16 این آیین‌نامه، بارگذاری لرزه‌ای سازه‌ها باید بر مبنای استاندارد ASCE 7-05 که در آن میزان بارهای طراحی ساختمان‌ها و سایر سازه‌ها توسط انجمن مهندسان راه و ساختمان آمریکا به چاپ رسیده، انجام شود.

       آیین‌نامه‌های معتبر دیگری نیز در سطح جهانی در خصوص ساختمان‌های چوبی وجود دارند که از آن جمله می‌توان به آیین‌نامه  NDS 2005که مشتمل بر مشخصات اجرایی ساختمان‌های چوبی است و استاندارد 2005 SDPWS که ملاحظات ویژه‌ای را برای طراحی سازه‌های چوبی در برابر باد و زلزله ارائه می‌نماید و استاندارد DIN 1052 در رابطه با طراحی سازه‌های چوبی و مقررات عمومی ساختمان اشاره کرد. فصل دهم FEMA 451 نیز مثال کاملی را در خصوص طرح و محاسبه یک سازه سبک چوبی ارائه داده است که برای اطلاع بیش‌تر می‌توان به آن مراجعه ‌نمود.

       آیین‌نامه طراحی و اجرای سازه‌های فولادی سبک سرد نورد، به دلیل درخواست زیاد صنعت، در آذرماه 1390 توسط مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی منتشر گردید.  طراحی اجزاء و اتصالات سیستم ساختمانی قاب سرد نورد LSF در کشورهای صنعتی بر اساس استاندارد AISI و طرح سازه‌ای و لرزه‌ای آن بر اساس آیین‌نامه‌های ASCE 07 و IBC 2009 انجام می‌گیرد. ضوابط مربوط به اتصالات در آیین نامه AISC و استاندارد AISI آورده شده است. مشخصات فولاد سرد نورد در چند استاندارد ASTM آمده است. ورق‌های فولاد سردنورد شده در این سیستم ساختمانی با ضخامت‌ 6/0 تا 5/2 میلی‌متر ساخته شده و دارای حد جاری شدن 240 تا 340 مگاپاسکال می‌باشند.

 

  شکل10-  ساختمانهای5 طبقه LSF با قاب خمشی فولاد گرم نورد  -  ساختمانهای 10 طبقه چوبی شهرک چوبی لیمنولوگ کشور سوئد

       در کشورهای صنعتی که دسترسی به چوب مناسب برای ساختمان محدود است، گرایش به سیستم ساختمانی LSF در حال افزایش است. در کشور ایالات متحده امریکا این سیستم موفقیت چندانی نداشته است و بیشترین کاربرد آن در ایالت فلوریدا بوده است که حداکثر به 5% کل ساخت و ساز ساختمان‌های مسکونی رسیده است در حالی که ساخت و ساز با سازه چوبی در این ایالت بیشتر از 80% بوده است.

مقاومت در برابر آتش

       سازه این سیستم‌های ساختمانی، از فولاد سرد نورد و یا چوب و فرآورده‌های چوبی تشکیل شده است و از آنجایی که چوب در برابر آتش آسیب پذیر است و فولاد نازک سردنورد بسرعت مقاومت خود را در هنگام آتش سوزی از دست می‌دهد، تمامی سازه ساختمان باید با مصالح نسوز پوشانده شود. در اکثر موارد، ورق‌های گچی به عنوان لایه محافظ در برابر آتش مورد استفاده قرار می‌گیرند. گچ به واسطه آب تبلور (21 درصد) پایداری زیادی در برابر آتش دارد و به‌گونه‌ای گسترده به عنوان یک ماده عایق حرارت جهت حفاظت ستونها و اجزای ساختمانی فلزی و چوبی در هنگام آتش سوزی کاربرد دارد. نازک‌کاری ساختمان‌های با قاب سبک، به طور کلی، به روش خشک صورت می‌گیرد. این عمل، علاوه ‌بر بالا بردن سرعت ساخت، از اضافه کردن آب به سازه چوبی یا فولادی جلوگیری می‌کند.

       چوب قابل اشتعال است ولی ذغال ایجاد شده در سطح چوب به واسطه خاصیت عایقکاری حرارتی خود از سرعت نفوذ آتش به درون چوب می‌کاهد و باعث پایداری بیشتر آن می‌گردد. بواسطه همین پدیده تیرهای چوبی قطور در آتش سوزیها مقاومت بمراتب بیشتری از خود نسبت به فولاد نشان داده اند.

 

شکل11- مقاومت تیر چوبی در هنگام آتش‌سوزی

       سازه فولادی نسوز است ولی ورق‌های نازک فولاد سرد نورد در هنگام آتش سوزی مقاومت چندانی از خود نشان نمی‌دهند. فولاد در دمای حدود 1460 درجه سلسیوس آب میشود و در حدود 300 درجه مقاومت آن شروع به کاهش می‌نماید و در 400 درجه  بشدت نقصان پیدا کرده بگونه‌ای که در 550 درجه سلسیوس 60 درصد مقاومت خود را از دست داده است. ازدیاد درجه حرارت تاثیری در مقاومت چوب ندارد و مقاومت سازه چوبی توسط سطح مقطع قسمت سوخته نشده چوب تامین می‌شود.

مقاومت در برابر قارچ‌ها، حشرات و خوردگی

       برای حفاظت چوب در برابر قارچ‌ها و نفوذ حشراتی مانند موریانه، آن را با مواد شیمیایی گوناگون مقاوم می‌سازند. نحوه اعمال مواد محافظت‌کننده به دو گونه اشباع عمقی و آغشتگی سطحی تقسیم می‌شود. در آغشتگی سطحی، چوب را در محلول ماده محافظت‌کننده فرو می‌برند، با قلم مو بر روی آن پخش می‌کنند و یا با پمپ می‌پاشند. در این روش ماده محافظت‌کننده بر روی سطح چوب باقی مانده و یا یکی دو میلی‌متر به داخل آن رسوخ می‌کند. برای ایجاد مقاومت پایدار روش اشباع عمقی بکار برده می‌شود. در این روش چوب را داخل استوانه‌ای بسته قرار داده و مواد شیمیایی را تحت خلاء و فشار به داخل آن وارد می‌کنند. مواد شیمیایی مناسب می‌توانند چوب را برای مدت بسیار زیادی در برابر حمله موریانه، حشرات موذی و پوسیدگی ناشی از فعالیت قارچ‌ها حفاظت کنند.

       در سیستم LSF تمام سطح ورق‌های فولادی را با مواد مقاوم در برابر خوردگی می‌پوشانند بگونه‌ای که تمام مصالحی که در ساخت و ساز  سیستم قاب فولادی سبک، به‌خصوص ساختمان‌های مسکونی، به‌کار می‌روند، باید با پوششی مقاوم در برابر خوردگی حفاظت شده باشند. این پوشش‌ها عبارتند از گالوانیزه، گالفان و گالوالوم که روش گالوانیزه متداول ترین است.

مقاومت در برابر زمین لرزه

       زمین‌لرزه‌های فراوانی که در گوشه و کنار جهان به وقع پیوسته است، نشان داده‌اند که خانه‌های قاب سبک چوبی مقاومت بی نظیری در برابر زمین‌لرزه دارند. ساختمان‌های با قاب سبک چوبی بیش از 180 سال از عمر ساخت و ساز با  آنها می‌گذرد و شاهد زمین‌لرزه‌های فراوانی بوده‌اند.

       در زمین لرزه هوگوکن نامبو که در سال 1995 در کوبه ژاپن بوقوع پیوست 6800 کشته از خود برجای گذاشت که همگی در خانه های بدون سازه چوبی بودند. زمین لرزه های دیگری که در کشور ایالات متحده امریکا و در گوشه و کنار دنیا بوقوع پیوسته است آمار مشابهی به‌دست میدهند.

       در سال 2003 میلادی زلزله بم به قدرت 6/6 ریشتر باعث مرگ در حدود 50 هزارنفر یعنی یک چهارم جمعیت شهر گردید. در سال 1994 میلادی در منطقه نورتریج ایالت کالیفرنیا زمین لرزه‌ای با قدرت 7/6 ریشتر بوقوع پیوست و 40 بیلیون دلار خسارت به بار آورد و باعث مرگ تنها 57 نفر گردید. تمامی این افراد در خانه های غیر چوبی بودند بجز 16 نفر که در اثر سرنگونی دیوار و دودکش آجری جان سپردند. دلیل اساسی کمی تلفات در این زمین لرزه در مقایسه با زلزله بم، وجود 99 درصدی خانه های چوبی مسکونی در منطقه نورتریج است. با وجود آنکه ساختمان‌های با سازه سبک چوبی در برابر زمین‌لرزه مقاومت بسیار خوبی دارند، در برابر آتش سوزی پس از زلزله آسیب پذیر می‌باشند، از این روی در انبوه سازی خانه‌های چوبی باید نکات ایمنی آتش از جمله قراردادن موانع آتش بین طبقات و بین واحد‌ها، کاربرد خاموش کننده‌های خودکار در طبقات و ایجاد فاصله لازم بین ساختمان‌ها، به درستی رعایت شود. 

 

شکل12- آمار مقاومت ساختمان‌های چوبی در هنگام زمین لرزه

       آزمون زلزله با قدرت هفت و نیم ریشتر، تیرماه 1388 در آزمایشگاه زمین‌لرزه‌ شهر میکی واقع در کشور ژاپن روی میز لرزان و بر روی ساختمان هفت طبقه چوبی در اندازه واقعی انجام گرفت. این آزمون نتوانست باعث تخریب ساختمان هفت طبقه چوبی شود و تنها آسیبی جزیی به اجزای یکی از طبقات رسانید. ساختمان چوبی در هنگام آزمون، بر روی میز لرزان فولادی به شدت به اطراف و بالا و پایین حرکت میکرد. این میز برای تحمل باری برابر با 2/1 میلیون کیلوگرم طراحی شده است و لرزش وارده از روی زلزله ای که در سال 1994 در شهر نورتریج واقع در ایالت کالیفرنیا اتفاق افتاد، با 180 درصد قدرت آن شبیه سازی شده بود. شدت این زلزله (5/7 ریشتر) به اندازه ای است که تنها در هر 2500 سال یکبار میتواند اتفاق افتد. این آزمون بخشی از پروژه چهار ساله‌ای است که زیر نام NEESWood و با همکاری مراکز پژوهشی زمین‌لرزه در سطح جهانی انجام گرفته است. هدف از اجرای این آزمون که بزرگترین آزمون زمین لرزه تاریخ بشری است، به مبارزه طلبیدن آیین نامه های جدید ایالات متحده امریکا بود که محدودیت‌هایی برای ارتفاع ساختمان‌های اسکلت چوبی در مناطق زلزله خیز کشور مانند نواحی شمال کالیفرنیا اعمال کرده بود. بیشتر ساختمانهای با ارتفاع هفت طبقه از فولاد و یا بتن ساخته میشوند که در برابر زمین لرزه مقاومت خوبی از خود نشان نداده‌اند. رییس مهندسی زلزله دانشگاه ایالتی فورت‌کالیز کلورادو گفت: "ما در این پروژه کوشش کرده‌ایم نشان دهیم که اگر خانه‌های چوبی به درستی و مطابق آیین‌نامه‌ها طراحی شوند، بهتر از هر سیستم ساختمانی دیگر می‌توانند در برابر زمین‌لرزه‌های شدید مقاومت کنند."

 شکل 13- آزمون زلزله به قدرت 5/7 ریشتر بر روی ساختمان هفت طبقه چوبی در ژاپن

       در ایالات متحده امریکا، بیش از 80 درصد تمامی ساختمانها ازجمله ساختمان های اداری، صنعتی و مسکونی، بیش از 90 درصد تمامی ساختمانهای مسکونی و در حدود 98 درصد ساختمانهای ایالت زلزله خیز کالیفرنیا دارای سازه چوبی می‌باشند.

       آزمون‌های زمین لرزه انجام شده بر روی ساختمان‌های با قاب سبک فولادی نشان دهنده مقاومت خوب آنها در برابر زمین لرزه است ولی از آنجایی که عمر زیادی از ساخت و ساز با این ساختمان‌ها نمی‌گذرد، تجربه چندانی در برابر مقاومت واقعی آنها در مقابل زمین لرزه در دست نیست.

نقاط قوت و ضعف سیستم‌های قاب سبک در مقایسه با یکدیگر

  1. سازه سیستم قاب سبک فولادی در برابر موریانه و قارچها مقاوم است و بر خلاف سازه سیستم‌های ساختمانی چوبی نیازی به فرآوری با مواد شیمیایی ندارد ولی در محل برش‌ها و در صورت زخمی شدن لایه پوششی فولاد خطر خوردگی وجود دارد.

  2. وزن وادارهای (استادهای) فولادی از وادارهای چوبی کمتر است، با وجود آنکه وزن فولاد حدود 12 برابر بیشتر از وزن چوب است. این به‌دلیل سطح مقطع کوچک‌تر وادارهای فولادی است.

  3. ضریب هدایت حرارتی فولاد (57 W/m.K)  بسیار بیشتر از ضریب هدایت حرارتی چوب(0.12 W/m.K)  است و در نتیجه در پوسته خارجی این سیستم ساختمانی انرژی زیادی بواسطه پدیده پل حرارتی به هدر رفته و نیاز به عایق حرارتی تکمیلی دارد. ضریب هدایت حرارتی پشم‌های معدنی درحدود 0.04W/m.K و به ضریب هدایت حرارتی چوب نزدیک‌تر است.

شکل14-   انتقال حرارت از میان دیوار قاب سبک فولادی    -      انتقال حرارت از میان دیوار قاب سبک چوبی

  1. ساختمان‌های قاب سبک فولادی، به‌دلیل محصور شدن در میان سطح وسیعی از ورق‌های فولادی، در میدان الکترومغناطیسی قرار می‌گیرند.

  2. ساختمان‌های قاب سبک فولادی در کشورهای صنعتی، از ساختمان‌های قاب سبک چوبی گران‌تر تمام می‌شوند. بر طبق تحقیقات اداره توسعه مسکن شهری کشور ایالات متحده امریکا، مصالح ساختمان‌های قاب سبک فولادی 5/14 درصد گران تر از مصالح ساختمان‌های چوبی است.

  3. هزینه تمام شده ساختمان‌های فولادی، در کشورهای صنعتی، شامل مزد کارگر و قیمت مصالح در مجموع 4/42 درصد بیشتر از ساختمان‌های چوبی است.

  4. زمان ساخت خانه‌های قاب سبک فولادی 3/4 درصد طولانی تر از زمان ساخت خانه‌های چوبی است.

  5. مخارج طراحی، نظارت، سرپرستی و داد وستد با خانه‌های سبک قاب فولادی 3/7 درصد بیشتر از خانه‌های اسکلت چوبی در کشورهای صنعتی است.

  6. سازه ساختمان‌های قاب سبک فولادی بار حریق ندارند و در نتیجه خطر انتشار آتش در هنگام آتش‌سوزی آنها از ساختمان‌های چوبی کمتر است ولی ورق‌های فولاد سرد نورد (CFS) مقاومت بسیار کمتری، نسبت به سازه چوبی، در هنگام آتش سوزی دارند.

  7. هرگاه تمامی نکات فنی و عایق کاری حرارتی تکمیلی در اجرای قاب سبک فولادی به درستی رعایت نشود، خطر ایجاد صدا در حالت‌های انقباض و انبساط حرارتی وجود دارد.

  8. برای ساخت خانه‌های چوبی در ایران، در شرایط موجود، نیاز به چوب وارداتی است که برای حفاظت از منابع طبیعی از عوارض گمرکی معاف شده است، ولی بیشتر فولاد سرد نورد مورد نیاز در داخل کشور تولید می‌شود.

  9. هردو سیستم برای تنوع در معماری فضا قابلیت بالایی دارند ولی سیستم قاب سبک چوبی قابلیت شکل پذیری و اجرای دهانه‌های متنوع بیشتری نسبت به سیستم قاب سبک فولادی داشته و در کشورهای دارنده این فناوری مورد توجه آرشیتکت‌ها می‌باشد.

  10. در سیستم قاب سبک فولادی محدودیت دهانه بارگذاری وجود دارد بگونه‌ای که از جمله الزامات این سیستم بکارگیری حداکثر دهانه تا 5 متر می‌باشد. در سیستم قاب سبک چوبی چنین محدودیتی وجود نداشته و دهانه‌های بزرگی را می‌توان بدون استفاده از ستون پوشانید.

  11. ساختمان‌های ساخته شده با سیستم قاب سبک فولادی قدمت کمی داشته و در خصوص عمر مفید و تاثیر عوامل مربوط به زمان آنها تجربه‌ای کسب نشده است در حالی که نزدیک به 200 سال از عمر سیستم ساختمانی قاب سبک چوبی می‌گذرد و تجربه گسترده‌ای در خصوص عمر مفید آن کسب گردیده است.

  12. ساختمان‌های با قاب سبک چوبی مقاوم ترین سیستم ساختمانی در برابر زمین‌لرزه، بر طبق تجربیات بدست آمده از زمین لرزه‌های گذشته شناخته شده است. آزمون‌های لرزه‌ای در اندازه واقعی بسیاری بر روی ساختمانهای این سیستم ساختمانی انجام شده و دانش گسترده‌ای در خصوص رفتار لرزه‌ای آن در دست می‌باشد. ساختمان‌های قاب سبک فولادی زمین‌لرزه‌های زیادی را تجربه نکرده و دانش زیادی در خصوص رفتار لرزه‌ای آنها در دست نمی‌باشد. آزمون‌های زمین لرزه انجام شده بر روی ساختمان‌های با قاب سبک فولادی نشان دهنده مقاومت خوب آنها در برابر زمین لرزه است ولی تا کنون آزمون‌های لرزه‌ای در اندازه واقعی بر روی این ساختمان‌ها انجام نشده و تجربه چندانی در برابر مقاومت واقعی آنها در مقابل زمین لرزه در دست نیست

  13. هردو سیستم ساختمانی در ایران با مشکل عدم آشنایی و پذیرش آن توسط شهروندان روبرو می‌باشند، بخصوص در مورد چوب که توده مردم آنرا به‌سختی می‌توانند در شمار مصالح ساختمانی آورند.

نتیجه گیری

       این سیستم‌های ساختمانی در زمان کمی برپا می‌شوند، و سرعت اجرا نسبت به شیوه‌های سنتی و حتی صنعتی سنگین بسیار بالاتر است. نسبت فرآوری محصول در کارخانه نسبت به ساخت درجا در این سیستم‌های ساختمانی، بر اساس نوع اجرا و میزان پیش‌ساختگی، می‌تواند بسیار متغیر و متفاوت باشد. این سیستم‌ها قابلیت اجرا در تمام شرایط جوی را دارند و با تغییرات شرایط جوی، مشکلات جدی در اجرا به‌وجود نخواهد آمد مشروط بر اینکه از ریزش مستقیم برف و باران بر روی سازه و جمع شدن آب زیاد در داخل ساختمان جلوگیری بعمل آید. این سیستم‌های ساختمانی در واقع سیستم‌های مدوله شده می‌باشند که استفاده از قطعاتِ از پیش‌برش‌خورده یا پانل‌های مدوله شده پیش‌ساخته، قابلیت اجرای طرح‌های مدولار را افزایش می‌دهد. این سیستم‌ها و بخصوص سیستم ساختمانی چوبی برای تنوع در معماری فضا و اختیار دادن به طراح در ایجاد طرح‌های گوناگون قابلیت بالایی دارند.

       سهولت اجرای دهانه‌های متنوع و تغییر ارتفاع، به‌اضافه سادگی قرار دادن بازشو در جداره‌ها، این سیستم‌ها را از جهت تطابق با طرح‌های معماری در سطح بسیار خوبی قرار داده است. به‌دلیل کاهش زیاد وزن، اتلاف اندک مصالح نسبت به شیوه‌های سنتی و دستی، کاربرد مصالح و اجزای ساختمانی مدوله شده، اجرای نازک کاری پیش ساخته با روش خشک و سرعت بالا این سیستم‌ها برای انبوه‌سازی بسیار مناسب می‌باشند. هرگاه عمل‌آوری شیمیایی اجزای چوبی ساختمان، در مکان‌های مورد نیاز، به‌خوبی انجام شده‌باشد، و به شرط رعایت اصول فنی در طراحی و اجرا، سیستم ساختمان چوبی مقاومت کافی در برابر حشرات، قارچ‌ها و میکروارگانیسم‌ها خواهد داشت. قطعات فولادی نیز با مواد مقاوم در برابر خوردگی به‌خوبی محافظت می‌شوند. از نظر زیست‌محیطی، این سیستم‌های ساختمانی در زمره سیستم‌هایی می‌باشند که انرژی اندکی برای ساخت اجزای آنها مصرف می‌شود و تمام مصالح آنها از طبیعت گرفته شده است بگونه‌ای که ساختمان‌های اسکلت چوبی در کشورهای صنعتی از مالیات‌های مربوط به آلودگی محیط زیست معاف شده اند.

       اجرای خشک، امکان برچیدن و در برخی موارد استفاده مجدد مصالح و اجزای این سیستم‌ها را تا حد زیادی ایجاد کرده است، به‌علاوه آن‌که قطعات و اجزای ساختمانی این سیستم‌ها به طور کلی از مصالح قابل بازگشت به چرخه تولید ساخته شده‌اند. ساخت و ساز و بخصوص انبوه سازی ساختمان های قاب سبک چوبی و LSF بیش از پیش در کشورهای صنعتی جهان در حال توسعه است. در کشور سوئد هم‌اکنون برجهای ده طبقه چوبی در شهرک چوبی "لیمنولوگ" ساخته شده‌اند.

       در ایران به دلیل نیاز مبرم به مسکن و زلزله خیز بودن کشور، این سیستم‌های ساختمانی که دارای سرعت بالای ساخت و مقاومت بسیار خوبی در برابر زمین‌لرزه می‌باشند، در صورت اجرای درست، می‌توانند برای صنعت ساختمان کشور بسیار مفید واقع شوند. متاسفانه بسیاری از دست اندرکاران ساخت و ساز با این سیستم‌های ساختمانی، بدون آشنایی کامل و تجربه کافی، اقدام به ساخت و ساز با این سیستم‌های ساختمانی کرده و کاربری و آینده آن را در کشور به خطر انداخته‌اند. باید در نظر داشت که هرساختمانی که در آن چوب یا فولاد سردنورد به‌کار برده شده باشد در شمار این سیستم‌های ساختمانی نیست.

       پیروی از آیین‌نامه‌های معتبر ساختمان‌های قاب سبک، اجرای صحیح و انجام محاسبات فیزیک ساختمان، علاوه بر محاسبات ثقلی و لرزه‌ای، مقاوم سازی در برابر آتش و انتشار آن، عایق‌کاری حرارتی، رطوبتی، صوتی و هوابندی از الزامات این سیستم‌های ساختمانی است که بدون آنها (بر خلاف سیستم‌های ساختمانی سنتی) کاربری این ساختمان‌ها به‌شدت زیر سئوال رفته و در آینده بسیار نزدیک خسارات جبران ناپذیری به‌همراه خواهد داشت.

 

مراجع:

  1. دکتر سپهر گنجه‌ای، "بررسی و ارزیابی چند سیستم مطرح در پروژه‌های انبوه سازی ساختمان‌های مسکونی." مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن.  تهران 1388. سیستم خانه‌های اسکلت سبک چوبی

  2. دکتر بهروز کاری، دکتر رسول احمدی، "بررسی و ارزیابی چند سیستم مطرح در پروژه‌های انبوه سازی ساختمان‌های مسکونی.". مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن.  تهران 1387. سیستم قاب سبک فولادی

  3. Sepehr Gangei, "A Study of Creep of Wood. Taking into Account the Influence of Constant as well as cyclically varying relative humidity". Doctoral Dissertation Thesis, Institute of Building Materials, The Royale Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 1987.
  4. Sepehr M. Gangei 1983: "The Rheology of Wood". Institute of Building Materials, The Royale Institute of Technology, Publication trita-byma 1982:8, Stockholm, Sweden.
  1. Sepehr Gangei, "The Influence of Moisture Variations in Creep of Timber". The Royale Institute of Technology, Stockholm, Sweden 1986.
  2. Sepehr Gangei, T. Toratti, "Long Term Bending Creep of Wood in Cyclic Relative Humidity". Wood Science and Technology, Springer Verlag 27:49-59.1993.
  3. Sepehr Gangei, "The Influence of Aging on the Physical and Mechanical Properties of Wood". The Swedish National Testing and Research Institute, Stockholm, Sweden, 1988.
  4. Wood Handbook, "Wood as an Engineering Material". Technical Report, Forest Products Laboratory. USA, 2006.
  5. Canadian Sheet Steel Building Institute, "Residential Steel Framing", Installation Manual, CSSBI, Ontario, 1999.
  6. "Prescriptive Method for Connecting Cold-Formed Steel Framing to Insulating Concrete Form Walls in Residential Construction", U.S. Department of Housing and Urban Development, The Steel Framing Alliance, The Portland Cement Association, The Insulating Concrete Form Association, Building Works, Inc., Cambridge, MA, February 2003.
  1. Sepehr Gangei, Antti Hanhijarvi, "A Model for Accumulation of Viscoelastic and Mechano-sorptive Creep in Wood". Swedish National Testing and Research Institute, Stockholm, Sweden 1991.

 

برای دریافت PDF مقاله سیستم‌های قاب سبک ساختمانی، بر روی "دریافت مقاله" بزنید.

ارسال نظر

ارسال

فرم درخواست استعلام خدمات 

این فرم در راستای ارایه هر چه بهتر و دقیق تر مشاوره و اجرای پروژه های ساختمانی برای بازدید کنندگان سایت چوبین سازه در نظر گرفته شده، شایان ذکر است تیم های فنی و اجرایی ما بهترین پیشنهاد ها را در اسرع وقت و طبق نیازهای مطرح شده به شما ارایه خواهند کرد.

 

 

:
:
:
: