سیستم های باربر سازه ای و ساز و کار آن ها

 آنچه در این مقاله می خوانید:

 

هر ساختمانی که ساخته‌می‌شود بارهایی را به اجزا و فونداسیون منتقل می کند. این بارها را به دو دسته ثقلی (عمودی) و جانبی تقسیم می کنند که نحوه انتقال آن ها به نحوه اتصال اجزا مختلف ساختمان بستگی دارد. انبوه سازان باید قادر باشند نقشه ساختمان را به گونه طراحی کنند که «سیستم های باربر سازه ای» به صورت اصولی اجرا شوند.

در حال حاضر انواع سیستم های باربر سازه ای مختلفی وجود دارند که در آیین نامه 2800 به 5 دسته مختلف تقسیم می شوند. پرکاربردترین آن ها قاب خمشی است که برای ساختمان های مرتفع از آن استفاده می کنند. سیستم باربر سازه ای اهمیت بالایی در ساختمان سازی دارد؛ زیرا امروزه جمعیت شهرها به شدت در حال افزایش است و ساخت و سازهای مرتفع و بلند در اکثر نقاط شهرها به چشم می خورد.

بنابراین لازم است مهندسین ساختمان برای ساخت یک سازه محکم و قوی در برابر حوادث طبیعی، با سیستم های باربر و ساز و کار آن ها آشنایی داشته باشند. در ادامه مجله املاک داران قصد داریم در این مورد بیشتر صحبت کنیم تا به اطلاعات جامعی از این سیستم های باربر سازه ای برسید.

بارهای وارد بر یک ساختمان چند نوع هستند؟

همان گونه که در بالا به آن اشاره کردیم بارهای وارد بر ساختمان به دو قسمت قائم و جانبی تقسیم می شوند؛ اما در برخی مواقع می توان از ترکیب چند سیستم باربر سازه ای سیستم قاب خمشی با سیستم مهاربندی را نیز برای ساختمان ها ایجاد کرد.

بارهای وارد بر ساختمان را بر اساس آیین نامه 2800 در نظر می گیرند. این آیین نامه در رابطه با طراحی لرزه‌ای ساختمان ها برای ساخت برج های بزرگ در ایران تدوین شده‌است. سازه های بتنی و فلزی از جمله متداول ترین سازه های کشور هستند که در آیین نامه 2800 وجود دارند.

اجرای این نوع سیستم باربر سازه ای نسبت به سیستم های باربری سازه ای دیگر راحت تر هستند و اکیپ های اجرایی بیشتری ندارند. اما سازه هایی که خارج از آیین نامه 2800 قرار دارند نکات طراحی آن ها بسیار زیاد است. به طوری که قوانین سفت و سختی برای اجرای آن ها وجود دارد و مهندسان سازه ای نمی توانند آن ها را به راحتی طراحی کنند. بلکه به تجربه و اطلاعات بالایی نیاز دارند.

سیستم باربر سازه ای

سامانه های باربر قائم در سیستم باربر سازه ای چگونه طراحی می شوند؟

در سیستم های باربر قائم از طریق 4 مرحله می توان یک بار ثقلی را دفع کرد. در ادامه مراحل گام به گام آن را برای شما بیان می کنیم.

  • بارهای قایم به سقف ها وارد می شوند.
  • بارهای وارد شده به سقف به شاهتیرها منتقل می شوند.
  • شاهتیرها، بارهای ثقلی را که از سقف دریافت کرده و به دو سر تکیه گاه خود یعنی محل حضور ستون‌ ها انتقال می دهند.
  • ستون ها نیز بارها را از شاهتیرها دریافت کرده و آن را به شالوده ها منتقل می کنند.

سامانه های باربر جانبی در سیستم باربر سازه ای چگونه بار را منتقل می کنند؟

سامانه باربر جانبی به قسمتی از سازه می گویند که بارهای ناشی از باد و زلزله را تحمل می کند. در ساختمان های بلند، تیر و ستون برای تحمل نیروهای جانبی (باد یا زلزله) وجود دارد که باید به درجه گیرداری اتصالات آن ها در ساختمان ها توجه کرد.

اگر اتصالات میان تیر و ستون ها مستحکم باشد و زاویه میان آن ها تغییر نکند نیروهای جانبی را می توانند به خوبی تحمل کنند تا از حالت شاقولی خارج نشود. در حالی که اگر در ستون ها نیروی گیرداری وجود نداشته باشد با وارد شدن نیرو، زاویه میان ستون ها تغییر خواهد کرد. لذا ساختمان از حالت طبیعی خود خارج و به یک طرف متمایل می شود. در نهایت ساختمان استحکام خود را از دست‌داده و خراب می شود.

اهمیت استفاده از انواع سیستم های باربر سازه ای

شاید برای شما سوال پیش آمده باشد که چرا باید از سیستم های باربر سازه ای استفاده کنیم و چرا ضرورت دارد که انبوه سازان از آن در ساخت پروژه های عمرانی خود استفاده کنند. در رابطه با این سوال باید گفت که در حال حاضر تقاضا برای ساخت ساختمان های بلند نسبت به سال های قبل افزایش یافته است؛ زیرا جمعیت شهرها همچنان در حال گسترش است و زمین برای زندگی این افراد محدود است.

بنابراین مهندسان ساختمان سازی برای رفع نیاز این جمعیت اقدام به ساخت ساختمان های مرتفعی می کنند که ایمنی بالایی دارند.

نوع مصالح و تکنیک هایی که در ساخت و سازهای بلند استفاده می شود در کارایی و ارتفاع ساختمان ها تاثیرگذار است. لذا در سال های اخیر پیشرفت زیادی در معرفی سیستم های باربر سازه ای مواجه بودیم تا ساختمان های بلند نیز پایدار باشند.

بنابراین لازم است مهندسان سازه با در نظر گرفتن ارتفاع سازه، بارهای جانبی کنترل کننده سازه، تکنولوژی، مصالح موجود و شکل سازی سازه از انواع سیستم های باربری سازه ای استفاده کنند.

سیستم باربر سازه ای

پرکاربردترین سیستم های سازه ای در ساختمان سازی های کوتاه

سیستم باربری

سیستم باربری به سیستمی می گویند که در آن هیچ قاب ساختمانی وجود ندارد؛ یعنی یک ساختمان بدون تیر و ستون ساخته می شود. این ساختمان ها به دیوارهای باربر یا قاب های تکیه گاه نیز معروف هستند که بار عمودی را تحمل می کنند و نیروهای جانبی نیز توسط این دیوارها تحمل می شوند. در واقع آن ها بار ثقلی و بار جانبی را با هم تحمل می کنند.

درون این نوع دیوارها قاب های فولادی نورد سرد مانند LSF وجود دارند که توسط تیرهای فولادی یا صفحات پوششی فولادی پشتیبانی می شوند. در حال حاضر دو نوع دیوارهای باربر برشی بنایی مسلح و برشی بتن آرمه وجود دارد که هر کدام از آن ها با توجه به نظر مهندسان ساختمان در سازه های مختلف استفاده می شوند.

سیستم مهاربندی شده

یکی از قدیمی ترین و رایج ترین سیستم های باربری سازه ای سیستم مهاربندی شده است. مهاربندها در واقع اعضای باربر مورب هستند که می توانند بارهای جانبی که به سیستم وارد می شوند را به صورت کششی و فشاری تحمل کنند. سیستم قاب ساختمان با ساپورت ساده خود به یکی از سیستم های باربر سازه ای تبدیل شده است که مهندسان زیادی در طول دوره های مختلف به آن توجه ویژه ای داشته اند.

در این روش، قاب سازه به صورت لولایی ایجاد شده و بارهای جانبی به قاب های لولایی وارد می شوند. این نیروها به صورت ایستا هستند و بارهای جانبی به تکیه گاه آن ها وارد می شوند. در این روش بارهای وارد به تکیه گاه ساختمان را می توان به صورت تقریبی حساب کرد. برای همین در گذشته که ابزارهای محاسبه بار وارد به تکیه گاه ها وجود نداشت از این روش استفاده می کردند.

سیستم قاب منحنی ترکیبی

در برخی مواقع نیروهای وارد شده به ساختمان به قدری زیاد است که تیر و ستون ها نمی توانند آن ها را تحمل کنند؛ بنابراین لازم است از تکیه گاه های مختلفی در آن استفاده شود. این تکیه گاه ها می تواند دیوارهای فلزی یا برشی باشد. اما باید دقت کنید که حدود 30 درصد بار توسط خود قاب خمشی تحمل شوند. در این نوع سیستم های باربر سازه ای نیاز به محاسبات دقیق و پیچیده ای وجود دارد.

پرکاربردترین سیستم های باربر سازه ای در ساختمان‌ سازی های بلند

سیستم های موازی باربر

این سیستم ها بیشتر در سازه های آپارتمانی قابل استفاده هستند و از عناصر صفحه ای به شکل قائم ساخته می شوند. به طوری که در آن نیازی به فضاهای آزاد بزرگ نیست و استفاده از سیستم های مکانیکی سازه هسته ای در آن ضرورت ندارد. معمولا از سیستم موازی باربر در سراسر جهان برای ساخت ساختمان های اداری استفاده می کنند.

سیستم هسته ای

در این روش، بارهای ثقلی را توسط یکی از روش های بالا به هسته سازه وارد می کنند. منظور از هسته سازه همان دیوارهای برشی در مقیاس بزرگ در پروفیل های مختلف هستند. هسته سازه می تواند به صورت هسته باز و هسته بسته اجرا شود. اجرای هسته به شکل U را هسته باز می گویند که در آن پیچش به صورت دقیق مورد بررسی قرار می گیرد. استفاده از این روش سیستم های باربر سازه ای برای ساخت آپارتمان هایی بین 20 الی 35 طبقه مناسب است.

سیستم باربر سازه ای

منظور از قاب خمشی چیست؟

رایج ترین سیستم باربر سازه ای، سیستم قاب خمشی است که استفاده از آن در سراسر جهان رایج است. دلیل پر کار بودن سیستم قاب خمشی به دلیل پنجره های زیاد و باز شونده ای است که در ساختمان های آن می توان ایجاد کرد. این ویژگی به خصوص در سبک معماری جدید به دلیل نیاز به فضای نورگیر، زیاد استفاده می شود.

در سازه های قاب خمشی نیروهای جانبی ابتدا توسط تیرها تحمل می شوند. سپس به ستون ها و در نهایت به فونداسیون وارد می شوند. در این سیستم باربر سازه ای ارتفاع تیرها اکثرا زیاد است که این کار می تواند معماری را برای معماران دشوار کند. به همین دلیل در این نوع سازه ها از سخت کننده ها (استیفنر) در کنار تیرها استفاده می کنند.

استفاده از این معماری که پنجره های زیادی را در خود جای می دهد می تواند در ساختمان های ویلایی یک یا دو طبقه ای یا ساختمان هایی با ارتفاع 200 متر مورد استفاده قرار بگیرند.

سازه های قاب خمشی از دو نوع فولادی و بتنی ساخته‌می‌شوند و شکل پذیری معمولی، متوسط و ویژه طراحی دارند. در نوع ویژه آن می توانید ارتفاع را تا 200 متر بسازید که بیشترین حد مجاز ارتفاع را در آن می توان ایجاد کرد. اما به یاد داشته باشید که استفاده از سیستم های باربر سازه ای قاب خمشی برای مناطق زلزله خیز مناسب نیست. زیرا در آن بعد از زلزله تیرها خرابی های زیادی را به بار می آورند و شما نمی توانید با تعمیر دوباره ساختمان از آن بهره برداری اولیه را داشته باشید.

معایب و مزایای استفاده از سیستم های باربر سازه ای قاب خمشی

هرچند که استفاده از سیستم باربر سازه ای قاب خمشی کاربرد زیادی دارد؛ اما استفاده از آن نیز معایبی دارد. به طوری که در ادامه به مزایا و معایب استفاده از سیستم باربر قاب خمشی اشاره می کنیم.

  • در طراحی ساختمان آزادی عمل بالایی ایجاد می کند.
  • در این نوع سیستم های باربر سازه ای انعطاف پذیری بالایی وجود دارد.
  • مناسب برای ساخت و طراحی ساختمان هایی تا ارتفاع 25 طبقه است.
  • دارای اتصالات سنگین و پیچیده‌ای است.
  • استفاده از سیستم های باربر سازه ای قاب خمشی وزن سازه را بالا می برند.
  • هزینه طراحی و ساخت بالایی دارد.
  • در سیستم های باربر سازه ای خمشی مکان های جانبی (دریفت) را زیاد تغییر می دهند.

چند نوع سیستم باربر سازه ای قاب خمشی وجود دارد؟

قاب های خمشی را با توجه به استهلاک انرژی به سه دسته مختلف تقسیم می کنند که در ادامه به آن ها اشاره خواهیم کرد.

سیستم قاب معمولی خمشی

سیستم قاب خمشی معمولی به قابی گفته می شود که در برابر زلزله تغییر شکل های فرا ارجاعی اندکی را از خود نشان می دهد و اجزای تشکیل دهنده آن جزییات زیادی ندارد. لذا برای اجرای این سیستم های باربر سازه ای نیازی به اطلاعات زیاد ندارید.

سیستم قاب متوسط خمشی

سیستم قاب خمشی متوسط به قابی گفته می شود که در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله تغییر شکل های فرا ارتجاعی محدودی را از خود نشان می دهد. معمولا در این سیستم های باربر سازه ای در خارج از اتصال تیر به ستون در انتهای یکی یا دو تا آن، مفصل های پلاستیکی قرار می دهند. این مفاصل پلاستیکی ظرفیت دورانی دارند. حداقل تغییر مکان جانبی نسبی طبقه ها در آن 0.2 رادیان است که در ناحیه فرا ارتجاعی باید به 0.1 رادیان برسد.

سیستم قاب ویژه خمشی

به سیستم های باربر سازه ای که در برابر نیروهای جانبی زلزله تغییر شکل های فرا ارتجاعی قابل توجهی از خود نشان می دهند، سیستم قاب خمشی ویژه می گویند. در این نوع سیستم های قاب خمشی نیز در خارج انتهای یک یا دو مورد از محدوده اتصال تیر به ستون، اتصالات پلاستیکی با قابلیت تغییر موقعیت جانبی نسبی ایجاد می کنند. در این اتصالات پلاستیکی قوس کف باید حداقل 0.4 قوس باشد که در ناحیه فرار ارتجاعی به 0.03 قوس برسد.

کلام پایانی

طراحی و اجرای سیستم های باربر سازه ای در ساختمان های مختلف متفاوت است. به طوری که مهندسان ساختمان باید در ساخت پروژه های مختلف بارهایی که به سازه وارد می شوند را به قسمت های مختلف آن منتقل کنند تا ساختمان ها در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله تا حتی‌الامکان مقاوم باشند.

در حال حاضر روش های مختلفی برای انتقال بار ساختمان به قسمت های مختلف وجود دارند که در بالا به چند مورد آن اشاره کردیم. استفاده از سیستم های باربر سازه ای در ساختمان های بلند و کوتاه با هم تفاوت دارد که شما با توجه به نوع ساختمان می توانید از مدل های باربر سازه ای باربر، هسته ای، قاب خمشی و غیره استفاده کنید.

استفاده از قاب خمشی نیاز به هزینه و طراحی بالایی دارد، ولی شما می توانید تعداد پنجره های زیادی را در آن ایجاد کنید و یک سازه مطابق با معیارهای مدرن بسازید.