مزایا و معایب سازه‌های فولادی و بتنی: انتخاب هوشمند برای ساخت و ساز
1. مقدمه‌ای بر انواع سیستم‌های سازهای
طبق گفته‌های پیشین، در مرحله اول باید به آشنایی نسبت به انواع سیستم‌های سازهای و نقاط قوت و ضعف آنها بپردازیم. به همین دلیل در این قسمت به این موضوع پرداخته شده است.
1.1. سازه‌های بتنی
1.1.1. مزایای اسکلت بتنی
● دسترسی و هزینه مناسب:
تمام اجزای بتن شامل شن، سیمان و آب به عنوان مصالح محلی و ارزان به حساب می‌آیند. همچنین بتن آماده با کیفیت و ویژگی‌های مختلف در اکثر مناطق قابل تهیه است.
● امکان خرید تدریجی مصالح:
یکی از ویژگی‌های مهم ساختمان‌های بتنی این است که مصالح آن به صورت تدریجی خریداری می‌شود، که این امر فشار مالی کمتری به سازنده وارد می‌کند.
شکل 1. مصالح متداول در ساختمان‌های بتنی
● نیروی کار فراوان و قابل دسترس:
اجرای سازه بتنی نسبت به مصالح دیگر مانند فولاد و چوب به نیروی کار متخصص و مهارت کمتری نیاز دارد.
● مقرون به صرفه بودن در برخی موارد:
در برخی از اجزای ساختمانی مانند فونداسیون‌ها، دیوارهای زیرزمین و شمع‌ها، بتن تنها گزینه اقتصادی موجود به شمار می‌رود.
● امکان اجرای مقاطع و اشکال متنوع:
بتن به راحتی می‌تواند به هر شکلی تبدیل شود. با تهیه قالب مناسب، تقریباً هر مقطع و شکلی را می‌توان با بتن تولید کرد. این ویژگی بتن مزیتی نسبت به فولاد به حساب می‌آید، زیرا فولاد در کارخانه با مقاطع و اشکال محدود تولید می‌شود و در صورت نیاز به ساخت اشکال جدید، از نظر هزینه به صرفه نخواهد بود.
شکل 2. نمونه‌هایی از طراحی‌های خاص ساختمان‌های بتنی
● مقاومت در برابر آتش‌سوزی:
بتن دارای مقاومت بسیار خوبی در برابر آتش سوزی است. یک ساختمان بتن‌آرمه می‌تواند ساعت‌ها در برابر آتش شدید دوام بیاورد بدون اینکه فروریخته شود. این ویژگی این امکان را فراهم می‌آورد که زمان کافی برای کنترل آتش و نجات جان افراد داخل ساختمان وجود داشته باشد. این خصوصیت، مزیت دیگری برای اسکلت بتنی نسبت به اسکلت فلزی می‌باشد.
● مقاومت در برابر رطوبت:
بتن همچنین در برابر رطوبت و آب مقاوم است. اگر آبی که با بتن در تماس است، فاقد یون‌های مضری همچون یون سولفات و یون کلرور باشد، هیچ گونه مشکلی برای بتن و حتی میلگردهای درون آن ایجاد نمی‌کند.
● کمتر احساس لرزش برای ساکنان:
اجزای بتن‌آرمه دارای صلبیت بالایی هستند. به همین دلیل، ساکنان یک ساختمان بتن‌آرمه معمولاً هنگام وزش باد شدید یا فعالیت زیاد همسایگان، احساس لرزش نمی‌کنند و آرامش آنها حفظ می‌شود.
● نیاز به نگهداری کمتر در دوران بهره‌برداری:
ساختمان‌های با اسکلت بتنی نسبت به ساختمان‌های اسکلت فلزی نیاز به نگهداری و مراقبت کمتری دارند. اگر استانداردهای لازم در حین اجرای اسکلت بتنی به‌خوبی رعایت شوند، ساختمان پس از اتمام کار به توجه ویژه‌ای احتیاج نخواهد داشت.
2.1.1. معایب اسکلت بتنی
● زمان اجرا طولانی‌تر:
زمان مورد نیاز برای ساخت یک ساختمان با اسکلت بتنی به مراتب بیشتر از ساختمان با اسکلت فلزی است.
شکل 3. مراحل اجرای ساختمان بتنی
● تضمین کیفیت کمتر:
به دلیل اینکه کنترل کیفیت بتن معمولاً در کارگاه انجام می‌شود، تضمین کیفیت آن نسبت به فولاد که در کارخانه تولید می‌شود، کمتر است. اما در صورتی که از بتن آماده استفاده شود، این مشکل تا حد زیادی برطرف می‌شود.
● وزن بیشتر:
وزن نهایی و بار مرده ساختمان با اسکلت بتنی نسبت به ساختمان با اسکلت فلزی بیشتر است.
● تعویض و ترمیم دشوار:
اگر بخشی از ساختمان بتنی دچار آسیب شود، تعویض یا ترمیم آن فرآیندی دشوار خواهد بود.
شکل 4. نمونه‌ای از آسیب‌های اجزا ساختمان‌های بتنی
● مقاومت کششی پایین:
بتن دارای مقاومت کششی بسیار کمی است که تقریباً یک‌دهم مقاومت فشاری آن می‌باشد. این موضوع بتن را در برابر زلزله آسیب‌پذیر می‌کند.
● فساد سریع مواد:
بتن باید بلافاصله بعد از تولید استفاده شود و بهترین زمان مصرف آن فقط تا دو ساعت بعد از ساخت است.
● تأثیر شدید شرایط جوی:
شرایط جوی نظیر سرما و گرما می‌تواند بر اجرای بتن تأثیر بگذارد. (به روش‌های خاصی برای عمل‌آوری بتن نیاز دارد که بر مقاومت آن مؤثر است)
● آسیب‌پذیری در برابر انفجار:
بتن در مواجهه با انفجار آسیب‌پذیر است.
شکل 5. آسیب وارده از انفجار در یک ساختمان بتنی
3.1.1. خلاصه مزایا و معایب سازه‌های بتنی به صورت جدول
برای مقایسه سریع و مؤثر مزایا و معایب سازه‌های بتنی، توضیحات قبلی را به شکل جدول ارائه می‌دهیم.
جدول 1. مقایسه معایب و مزایای سازه‌ها بتنی
2.1. سازه فولادی
1.2.1. مزایای اسکلت فلزی
● نصب سریع‌تر:
زمان لازم برای نصب قطعات فلزی به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای کمتر از نصب قطعات بتنی است، که این موضوع به تسریع روند ساخت کمک می‌کند.
شکل 6. ساختمان فلزی در حال ساخت
● وزن پایین‌تر:
اسکلت فلزی به‌طور کلی سبک‌تر از اسکلت بتنی است، که منجر به کاهش وزن کل سازه خواهد شد.
● انتخاب اول برای بناهای بزرگ، ساختمان‌های چند طبقه و سوله‌ها:
قطعات فلزی دارای استحکام بالایی هستند و نسبت مقاومت به وزن آنها نسبت به مصالح بتنی بیشتر است. به همین دلیل، اسکلت فلزی به بالا رفتن دهانه‌های بزرگ (بیش از 8 متر)، ساختمان‌های بلند و بناهایی که در زمین‌های ناپایدار ساخته می‌شوند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
شکل 7. نصب سوله با اسکلت فلزی
● کیفیت تضمین‌شده:
به دلیل اینکه فلزها در کارخانجات بزرگ و تحت نظارت دقیق تولید می‌شوند، می‌توان به یکنواختی خواص آنها اطمینان داشت.
● عملکرد بهتر در برابر زلزله:
خصوصیات فولاد در عمل به‌طور عمده با نتایج آزمایشگاه و تحلیل‌های نظری تطابق دارد. این بدان معناست که در مقایسه با اعضای بتنی، فلز می‌تواند تنش‌های فشاری و کششی را به‌خوبی تحمل کند، همچنین فلز به دلیل شکل‌پذیری بالایی که دارد، در زمان زلزله و حرکات ارتعاشی نسبت به اعضای بتنی مقاومت بهتری از خود نشان می‌دهد.
● آسانی در تعمیر و تقویت:
اسکلت فلزی قابلیت تقویت و اصلاح دارد. اگر به هر دلیلی اسکلت در مقاومتی که باید داشته باشد، ضعیف باشد، می‌توان با استفاده از جوش، پرچ یا پیچ کردن قطعات جدید، آن را تقویت یا اصلاح کرد.
● مقاومت در برابر انفجار:
ساختمان‌های با اسکلت فلزی در برابر انفجار مقاومت بیشتری دارند و به‌طور کلی آسیب‌پذیری کمتری دارند.
2.2.1. معایب سازه فلزی
● هزینه اولیه بالا:
در سازه‌های فلزی، بخش عمده‌ای از هزینه‌های ساخت باید در ابتدای پروژه و برای خرید مصالح فلزی پرداخت شود. در سال‌های اخیر، به دلیل افزایش مستمر قیمت این مصالح و کاهش قدرت خرید سازندگان، تمایل به استفاده از ساختمان‌های با اسکلت فلزی در ایران افت کرده است.
● ضعف در آتش‌سوزی:
در دماهای بالا و هنگام وقوع آتش‌سوزی، مقاومت سازه‌های فلزی کاهش می‌یابد. اگر دمای فلز به ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد، ایستایی و توازن ساختمان به خطر می‌افتد.
شکل 8. خرابی ناشی از آتش‌سوزی به ساختمان با اسکلت فلزی
● خوردگی و فساد فلز در برابر عوامل خارجی و جوی:
اجزای سازهای در ساختمان‌های فلزی در معرض عوامل جوی دچار خوردگی شده و این امر موجب کاهش ابعاد و مقاومت آنها می‌شود. به همین دلیل هزینه‌های نگهداری و محافظت از این سازه‌ها بیشتر از سازه‌های بتنی است.
● مشکلات ناشی از جوش نامناسب:
اتصالات میان قطعات فلزی ممکن است به دلیل جوشکاری نادرست، کارایی لازم را نداشته باشد. به علت نداشتن مهارت کافی توسط جوشکاران، استفاده از تجهیزات قدیمی، کنترل نادرست توسط مهندسان ناظر و هزینه بالای آزمایش جوش، مشکلاتی ممکن است پیش آید. در تصویر زیر نمونه‌هایی از نواقص جوشکاری به‌دلیل عملکرد نادرست قابل مشاهده است.
شکل 9. برخی اشکالات به وجود آمده در هنگام جوشکاری
3.2.1. خلاصه مزایا و معایب سازه‌های فولادی در قالب جدول
در این بخش مشابه قسمت مربوط به سازه‌های بتنی، به ارائه یک مقایسه جامع از مزایا و معایب سازه‌های فولادی به‌صورت جدول خواهیم پرداخت.
2. معیارهای انتخاب نوع سیستم
سیستم‌های سازهای
با توجه به توضیحات بخش قبلی و معرفی کلی دو نوع سیستم فولادی و بتنی به همراه مزایا و معایب آنها، در این بخش فهرستی از مهم‌ترین عواملی که باید در انتخاب نوع سیستم سازهای با توجه به شرایط هر پروژه در نظر گرفته شود، ارائه می‌شود.
در هر پروژه، ضروری است که معیارهایی که از اهمیت بیشتری برخوردارند، شناسایی و بررسی شوند تا در نهایت نوع مناسب سیستم سازهای انتخاب گردد.
1.2. منابع و روش تأمین مالی پروژه
برای کارفرمایانی که تمایل دارند هزینه‌های پروژه را به شکل تدریجی و بر اساس پیشرفت کار پرداخت کنند، اسکلت بتنی گزینه مطلوب‌تری خواهد بود. به این دلیل که هزینه اصلی اجرای سازه فلزی، عمدتاً مربوط به خرید فولاد آن است و نیاز به نقدینگی بیشتری در ابتدای پروژه دارد. از سوی دیگر، با توجه به اینکه در کشور ما وام مسکن پس از اتمام سقف طبقات پرداخت می‌شود، در سازه‌های بتنی می‌توان با اتمام هر سقف وام دریافت کرد و به پروژه تزریق نمود، که این یک مزیت برای اسکلت بتنی محسوب می‌شود.
2.2. هزینه‌های ساخت
فولاد به کار رفته در سازه‌های فولادی، در صورتی که به درستی طراحی شود، دارای مقاومت بیشتری نسبت به مقدار مشابهی از بتن است، معمولاً حدود ۳۰ درصد بیشتر. از این رو، هزینه اجرای اسکلت فلزی بیشتر است. بنابراین، برای کارفرمایانی که به دنبال کاهش هزینه‌های ساخت هستند، سازه بتنی گزینه بهتری خواهد بود.
3.2. ارزش مواد قابل بازیافت
در ساخت و سازهای عمومی در کشور، کمتر به مسئله ارزش مواد قابل بازیافت توجه می‌شود. به این معنا که در زمان تخریب، سازه‌های فلزی عموماً دارای ارزش بالاتری هستند و هزینه تخریب آنها کمتر است که می‌تواند مزیتی برای انتخاب اسکلت فلزی باشد.
4.2. شرایط و امکانات محلی
نزدیکی به کارخانه‌های تولید فولاد یا بتن می‌تواند تأثیر زیادی بر هزینه‌های پروژه بگذارد و به همین دلیل، یک معیار مهم برای انتخاب نوع سیستم سازهای محسوب می‌شود.
5.2. سهولت و سرعت اجرا
سازه‌های فلزی به دلیل امکان اجرای همزمان طبقات، از سرعت ساخت بیشتری نسبت به سازه‌های بتنی برخوردارند. همچنین، اگر اسکلت فلزی در کارخانه ساخته شود، زمان اجرا به طور قابل توجهی کاهش خواهد یافت. در مقابل، در سازه‌های بتنی اجرای هر طبقه به صورت پیوسته و پس از طبقه زیرین انجام می‌شود و زمان بیشتری لازم دارد. این سرعت بیشتر در اجرای سازه‌های فلزی می‌تواند منجر به کاهش هزینه‌های اداری و تسریع در بهره‌برداری از پروژه شود، که به نوبه خود سبب جبران برخی از هزینه‌های ساخت بالاتر خواهد شد.
6.2. محدودیت‌های معماری
در برخی پروژه‌ها، به دلیل نیاز به تأمین فضای پارکینگ یا سایر فضاها، با محدودیت‌های معماری مواجه هستیم. در این موارد، به دلیل حجم کمتر ستون‌های فولادی، معمولاً نیاز به استفاده از اسکلت فلزی خواهیم داشت.
7.2. مقاومت در برابر زلزله
یک باور غلط رایج وجود دارد که می‌گوید ساختمان‌های با اسکلت فلزی در برابر زلزله مقاوم‌تر هستند و یا برعکس. این ایده نادرست است زیرا هر دو سیستم بتنی و فولادی می‌توانند برای مقاومت در برابر زلزله به‌طور مناسب طراحی شوند. در واقع، عامل اصلی در این زمینه طراحی و اجرای صحیح سازه است. ذکر این نکته ضروری است که سازه‌های بتنی به دلیل وزن بیشتر، در زلزله‌ها نیروهای بیشتری را تحمل می‌کنند.
3. مقایسه سیستم‌های سازهای فولادی و بتنی برای انتخاب معیاری
جدول 3. مقایسه بین سازه‌های فولادی و بتنی
نتیجه‌گیری
همان‌طور که در مقاله اشاره شد، هر دو نوع سیستم سازهای، یعنی بتنی و فولادی، ویژگی‌ها و نقص‌های مخصوص به خود را دارند و هیچ‌کدام به طور خاصی بر دیگری برتری ندارند. نکته اصلی در تمایز آنها، پیاده‌سازی درست است.
برای انتخاب نوع سیستم سازهای، باید به ویژگی‌ها و مشخصات پروژه، مکان پروژه، امکانات موجود، زمان‌بندی، هزینه‌ها، منابع مالی و سایر عوامل مربوطه توجه شود. همچنین باید به این نکته توجه کرد که کدامیک از این عوامل از اهمیت بیشتری برخوردار است. بنابراین، مشاوره با یک تیم متخصص و با تجربه در این زمینه امری ضروری است؛ زیرا در صورت بروز اشتباه، امکان تغییر و اصلاح وجود نخواهد داشت و تمام ابعاد پروژه ممکن است تحت تأثیر قرار گیرد.
