از دیدگاه مهندسی عمران، سازه به هر سامانه‌ای گفته می‌شود که بتواند بارها (نیروها) را تحمل کند و آن‌ها به شکلل ایمن به تکیه گاه‌ها یا زمین منتقل سازد. هدف اصلی یک سازه، تامین پایداری، مقاومت و ایمنی برای بناها یا تاسیسات عمرانی در برابر انواع بارهای وارد بر آن (بار مرده، بار زنده، بار باد، بار زلزله و …) است. در ادامه با نگاه دقیق‌تر و علمی، جنبه‌های مختلف سازه را بررسی می‌کنیم.
تعریف سازه در مهندسی عمران
در مهندسی عمران، سازه در ساده‌ترین بیان، شامل اجزایی است که به صورت هماهنگ عمل میکنند تا:
- بارها را دریافت و توزیع کنند
- تغییر شکل‌ها را در محدوده مجاز حفظ کنند
- در برابر نیروهای مخرب پایدار بمانند
این اجزا می‌توانند تیرها، ستون‌ها، دال‌ها، دیوارها، بادبندها، فونداسیون‌ها و … باشند. هر کدام از این اعضا وظیفه‌ی خاصی را در سیتسم کلی سازه ایفا میکنند.
سازهها بر اساس شکل هندسی و کاربرد
در مهندسی عمران، سازهها بسته به نوع کاربرد و شکل هندسی، دسته‌بندی‌های گوناگونی دارند:
سازه‌های ساختمانی
سازه‌های ساختمانی مثل ساختمان‌های مسکونی، اداری، تجاری و صنعتی که به طور عمده از اسکلت فلزی یا بتنی ساخته می‌شوند.
سازه‌های پل
پل‌های بتنی، فلزی یا کابلی که با هدف اتصال نقاط مختلف بر فراز رودخانه‌ها، دره‌ها یا مسیرهای دیگر ساخته می‌شوند.
سازه‌های آبی
سدها، کانال‌ها، سازه‌های دریایی و اسکله‌ها که در ارتباط با آب و کنترل جریان آن هستند.
سازه‌های خاص
برج‌ها، دودکش‌های بلند، مخازن نفت و گاز، سازه‌های فضاکار و و … که طراحی و اجرای آن‌ها به مهارت‌ها و محاسبات تخصصی بیشتری نیاز دارد.
بارها و عوامل موثر بر سازه
سازه برای این که بتواند به درستی عمل کند، باید از ابتدا تا انتهای عمر خود با انواع بارها و شرایط محیطی مقابله کند. بارها انواع مختلفی دارند که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.
- بار مرده (ِDead Load): وزن سازه و مصالح به کار رفته نظیر بتن، فولاد، آجر، کف پوش‌ها و …
- بار زنده (Live Load): بارهای متغیری که در طول عمر سازه روی آن اعمال می‌شوند، مانند حضور افراد، وسایل نقلیه، تجهیزات و مبلمان
- بار باد (Wind Load): نیروهای ناشی از وزش باد که می‌توانند افقی یا مورب به سازه وارد شوند.
- بار زلزله (Seismic Load): نیروهای دینامیکی ناشی از حرکات لرزه‌ای زمین. طراحی در برابر زلزله اهمیت ویژه‌ای در مناطق زلزله خیز دارد.
- بار برف و یخ: در مناطق سردسیر، فشار ناشی از برف و یخ می‌تواند قابل توجه باشد و در طراحی سقف‌ها و سازه‌های باز اثرگذار است.
معرفی انواع سازهها
سازه بتنی
سازه بتنی سازهای است که اعضای اصلی آن (تیر، ستون، دال و …) از بتن مسلح (بتن، میلگرد فولادی) تشکیل شده‌اند. بتن مقاومت فشاری بالایی دارد و میلگرد در برابر کشش مقاومت می‌کند. از سازه‌های بتنی در ساختمان‌های مسکونی، تجاری، اداری، پل‌ها، تونل‌ها و سازه‌های سنگین مانند سدها استفاده می‌شود.
از جمله ویژگی‌های سازه بتنی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- مقاومت بالا در برابر فشار
- امکان شکل‌دهی متنوع: بتن در حالت خمیری می‌تواند در قالب‌های مختلف ریخته شود.
- هزینه نگهداری نسبتا پایین
- زمان اجرای طولانی‌تر نسبت به سیستم‌های دیگر به دلیل نیاز به قالب‌بندی و عمل‌آوری بتن
سازه فولادی
سازه فولادی، اعضای باربر مثل ستون، تیر و بادبند از مقاطع فولادی ساخته می‌شوند که یا به شکل نوردشده مانند IPB و IPE هستند یا به صورت ورق ساخته و جوش یا پیچ می‌شوند. از سازه‌های فولادی در ساختمان‌های بلندمرتبه، سالن‌های صنعتی، پل‌ها، اسکلت‌های سوله و برج‌ها استفاده می‌شود.
از جمله ویژگی‌های سازه فولادی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- مقاومت کششی بالا و شکل‌پذیری مناسب
- سرعت اجرای بالا: قطعات در کارخانه تولید و در محل نصب می‌شوند.
- وزن کمتر در مقایسه با بتن (در اعضای با مقاومت مشابه)
- حساسیت به خوردگی و نیاز به مراقبت‌های ضدزنگ
سازه‌های ساختمانی
سازه‌های ساختمانی می‌توانند فولادی یا بتنی باشند. اما این روزها با پیشرفت تکنولوژی سازه‌های پیشرفته و نوین‌تری مورد استفاده قرار می‌گیرند که هم سبک‌تر و هم سرعت اجرای سریع‌تری دارند.
1. سازه فضاکار (Space Frame)
سازه فضاکار، مجموعه‌ای از اعضای باربر به صورت شبکه‌ای سه بعدی است که نیروها را در جهات مختلف پخش می‌کند. این نوع سیستم معمولا از ترکیب المان‌های فولادی یا آلومینیومی (میله‌ها و گوی‌های اتصال) تشکیل می‌شود. سازه‌ی فضا کار در پوشش سالن‌های بزرگ، استادیوم‌ها، آشیانه‌های هواپیما، پارکینگ‌های وسیع و سازه‌های نمایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
از جمله ویژگی‌های سازه فضاکار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- توزیع سه بعدی نیروها: بارها به شکل گسترده در کل شبکه پخش می‌شوند.
- فرم‌های معماری متنوع: امکان خلق پوشش‌های بزرگ و آزاد با حداقل ستون وسط
- نصب نسبتا سریع اما نیازمند دقت بالا در تولید و مونتاژ
2. سازه LSF (Light Steel Frame)
سیستم LSF یک روش ساخت با مقاطع فولادی سردنوردشده (CFS) است که اجزای سبک و با ضخامت کم فولاد را شامل می‌شود. از پروفیل‌هایی با سطح مقطع ناودانی یا C شکل به عنوان ستون‌ها و تیرهای سبک استفاده می‌شود. از جمله موارد استفاده از سازه LSF می‌توان به ساختمان‌های کم طبقه (4 تا 5 طبقه)، ویلاها، ساختمان‌های پیش‌ساخته و پروژه‌هایی که سرعت احداث بالا مد نظرشان است اشاره کرد.
از جمله ویژگی‌های سازه LSF می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- وزن سبک و در نتیجه کاهش بارهای مرده و لرزه‌ای
- سرعت اجرای بالا و کاهش هزینه‌های کارگاهی
- عایق بندی صوتی و حرارتی آسان‌تر به کمک پانل‌های گچی و مصالح عایق
3. سازه ICF
ICF یا Insulated Concrete Forms به ساختارهای بتنی گفته می‌شود که از قالب‌های عایق بندی شده برای تشکیل دیوارها و دیگر اجزای سازهای استفاده میکنند. این قالب‌ها معمولا از دو لایه مواد عایق مانند فوم پلی استایرن تشکیل شده‌ااند که بین آن‌ها بتن ریخت می‌شود تا دیوارهای مقاوم و عایق حرارتی و صوتی ایجاد شود.
از جمله ویژگی‌های ICF می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- عایق صوتی و حرارتی بالا
- مقاومت بالا
- سرعت بالا در اجرا
- دوام و پایداری و نگهداری راحت‌تر
- سازگار با محیط زیست به دلیل کاهش مصرف انرژی از طریق استفاده از مواد عایق
4. سازه پیش تنیده
سازه پیش تنیده در واقع سازهای است که در آن تنش‌های پیشین برای تقویت مقاومت و تحمل بار استفاده می‌شود. در این سازهها قبل از اعمال بار، یک فشار کششی عمدی به قطعات فلزی (مانند کابل‌های فولادی) وارد می‌شود تا هنگام بارگذاری این تنش‌های کششی باعث کاهش تنش‌های فشاری دورن سازه شوند و در نتیجه مقاومت سازه در برابر نیروهای خارجی افزایش یابد. از این نوع سازه در ساختمان‌ها بلند با دهانه‌های بلندتر استفاده می‌شود.
از جمله ویژگی‌های سازه پیش تنیده می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- افزایش مقاومت در برابر بارهای کششی و فشاری
- کاهش ابعاد و وزن سازه
- افزایش عمر مفید سازه
5. سازه پانلی
در این نوع سازهها از دیوارهای پانلی به عنوان دیوارهای پیش ساخته استفاده می‌شود. این دیوارها از مواد محکم و عایق ساخته شده‌اند و به همین دلیل برای استفاده در سازه‌های صنعتی و غیرصنعتی مناسب است. نصب سازه‌های ساختمانی پیش ساخته بسیار آسان است و می‌تواند جایگزین خوبی برای ساختمان‌های سنتی باشد. این سازهها با انواع مصالح ساختمانی سازگارند بنابراین در استفاده از آن‌ها محدودیتی ندارید.
از جمله ویژگی‌های سازه پانلی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- وزن پایین
- نقل و انتقال راحت
- عایق حرارتی، صوتی
- عدم نیاز به تخریب
- مقاوم در برابر عوامل محیطی
سازه سبک چیست؟
با گسترش تکنولوژی در حوزه ساختمان و مصالح ساختمانی، مسئله‌ی استفاده از سازه سبک بیش از پیش اهمیت پیدا کرد چرا که اجرای آن به امری ممکن تبدیل شده بود. سازه‌های سبک به دلیل کاهش وزن، سرعت اجرا، مقاومت در برابر زلزله و صرفه‌جویی در هزینه، گزینه‌ای ایدئال برای ساخت و سازهای مدرن به شمار می‌آیند. با توجه به نیاز روزافزون به کاهش مصرف انرژی و بهینه سازی هزینه‌های ساختمانی، استفاده از این نوع سیستم‌ها در حال گسترش است.
انواع سازه سبک
سازه سبک در واقع از مواد و مصالح ساختمانی مختلف ساخته شده‌اند اما در ویژگی‌های زیر با هم اشتراک دارند:
- وزن کم
- مقاومت بالا
- صرفه‌جویی در هزینه و زمان
- مقاومت در برابر زلزله
- عایق حرارتی و صوتی مناسب
- دوستدار محیط زیست
از جمله متریال‌هایی که در ساخت سازه سبک استفاده می‌شود می‌توان به سازه فولادی سبک یا همان LSF، سازه چوبی، بتن سبک (حاصل ترکیبی از بتن گازی و بتن فوم) و دیوارهای پانلی اشاره کرد.
مراحل طراحی سازه
برای طراحی سازه، مهندس عمران از روش‌های تحلیلی و نرم افزارهای پیشرفته مدلسازی استفاده می‌کند. فرایند طراحی عموما شامل مراحل زیر است:
- تعریف نوع و کاربری سازه: با توجه به نیاز پروژه و محل ساخت (کاربری، ارتفاع، تعداد طبقات، شرایط ژئوتکنیکی و اقلیمی).
- انتخاب سیستم سازهای: تصمیم‌گیری بین سیستم‌های قاب خمشی، دیوارهای برشی، سیستم‌های مختلط، سیستم‌های پیش‌تنیده و …
- انتخاب مصالح: مصالح اصلی (فولاد، بتن، چوب، مصالح نوین مثل کامپوزیت‌ها و …) براساس شرایط بارگذاری، شرایط آب و هوایی و هزینه.
- محاسبه بارها: تخمین و محاسبه دقیق بارهای وارد بر سازه با تکیه بر آیین‌نامه‌ها و ضرایب اطمینان
- تحلیل و طراحی: بررسی اندرکنش اعضای سازه، اندازه گذاری اجزا (مانند سطح مقطع تیر و ستون، آرماتورهای لازم در بتن، جوش و پیچ در فولاد و غیره) و اطمینان از تامین مقاومت و شکل‌پذیری کافی.
- ترسیم نقشه‌ها و جزئیات اجرایی: در نهایت، طرح سازه در قالب نقشه‌های دقیق برای اجرا آماده می‌شود.
مراحل ساخت و اجرای سازه
- زیرسازی و فونداسیون: مهم‌ترین مرحله‌ی اجرایی است؛ چرا که نواقص در فونداسیون کل سازه را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
- نصب اسکلت و اعضای باربر: بسته به نوع سازه، شامل آرماتوربندی، قالب‌بندی و بتن ریزی در سازه‌های بتنی یا مونتاژ قطعات فولادی و اتصال آن‌ها در سازه‌های فلزی.
- کنترل کیفی: در تمامی مراحل ساخت، نظارت و بازرسی دقیق از لحاظ مصالح و روش اجرا برای تضمین کیفیت و ایمنی سازه ضروری است.
در صورت تمایل به دریافت مشاوره در زمینه طراحی، ساخت و اجرای سازه فرم زیر را کامل کنید تا کارشناسان ما در اسرع وقت با شما تماس بگیرند.
