مقدمه
نیاز به مسکن همواره یکی از نیازهای اساسی انسان بوده و همواره بشر دست به اختراعاتی زده که بتواند این نیاز را به بهترین شیوه‌ی ممکن رفع کند. امروزه سازه‌های پیش ساخته به علت سرعت بالا در ساخت و داشتن قیمت مناسب و همچنین سبک بودن وزن سازه، یکی از پرطرفدارترین شیوه‌های ساخت خانه هستند. این سازهها انواع مختلفی دارند که در این مقاله به آن اشاره خواهد شد.
اولین سازه پیش ساخته توسط مهاجران انگلیسی به استرالیا برده شد که به آن “خانه‌ی قابل حمل” می‌گفتند. در سال‌های 1902 تا 1910 در امریکا شرکت‌های زیادی شروع به فرو قطعات پیش ساخته‌ی ساختمان‌ها کردند؛ چون سازه پیش ساخته در مقایسه با سازه‌های دیگر به نیروی کار کمتری نیاز داشت و در نتیجه قیمت نهایی به صرفه‌تر بود.
بین سال‌های 1945 تا 1949 پس از پایان جنگ جهانی دوم در بریتانیا بیش از 156000 سازه پیش ساخته وجود داشت که هنوز هم تعدادی از این خانه‌ها پابرجاست! در آلمان نیز تا سال 1948 بیش از 5000 خانه‌ی پیش ساخته برای ارتش امریکا ساخته شد.
انواع سازه پیش ساخته
- سازه‌های پیش ساخته بتنی
- سازه‌های پیش ساخته فلزی (LSF)
- سازه‌های پیش ساخته چوبی
- سازه‌های پیش ساخته ساندویچ پانلی
سازه پیش ساخته بتنی
این سازهها یکی از مقاوم‌ترین و پر استفاده‌ترین سازه‌های پیش ساخته محسوب می‌شوند. در طراحی این سازهها از بتن و فولاد استفاده می‌شود که در ساخت‌وساز ساختمانهای چند طبقه و حتی ساخت سدها، تونل‌ها و برج‌ها استفاده می‌شود.
این سازهها به دو روش زیر قابل اجرا هستند:
- سیستم سازه‌ای تیر، ستون و سقف نیمه پیش ساخته‌ی بتن مسلح با اتصالات تر
- سیستم سازه‌ای قاب پیش ساخته بتن‌آرمه با اتصالات خشک
روند ساخت ساختمانهای بتنی پیش ساخته اینگونه است که ابتدا مصالح و قالب‌های سازه را آماده می‌کنند، سپس درون قالب را آرماتور می‌بندند و بعد از آن بتن‌ریزی انجام می‌شود. این اجزا به صورت استاندارد و انبوه در کارخانه ساخته می‌شوند و سپس در مکان مورد نظر نصب می‌شوند به طوری که بتوانند وظایف مورد انتظار سازه را طبق آئین‌نامه رعایت کنند. در ساخت این سازهها یکی از مهم‌ترین فاکتورهای طراحی و اجرا، نحوه‌ی اتصالات این قطعات به هم است که بتوانند به طور یکپارچه عمل کنند.
اعضای مختلف سازه پیش ساخته بتنی
- قطعات فونداسیون پیش ساخته: این فونداسیون‌ها باید بتوانند بارهای قائم، لنگرها و برش‌های منتقله از ستون‌ها را به خاک زیرین خود منتقل کنند. در اتصال بین ستون و فونداسیون اگر از طریق گلدانی انجام شود، باید فضای گلدانی‌ها به اندازه‌ی کافی بزرگ باشد تا بتوان بتن یا مواد پرکننده را در اطراف زیرستون به راحتی ریخت و متراکم نمود. در این فونداسیون‌ها فرض می‌شود که انتقال بارهای قائم از ستون به شالوده، توسط سطح زیرین ستون انجام می‌شود.
- ستون‌های پیش ساخته: طراحی ستون‌های بتنی پیش ساخته، باید مطابق با ضوابط آئین‌نامه ایران در مورد قطعات فشاری و ستون‌ها باشد و رعایت کردن موارد زیر الزامی است:
- ستون‌های بتنی در صورتی که به طور افقی تولید و جابه‌جا شوند، باید به نیروها و لنگرهای اضافی توجه داشت و با احتساب ضریب ضربه مناسب طراحی شوند.
- جزئیات خاص آرماتوربندی در دو سر ستون‌ها با توجه به اینکه احتمال شکاف وجود دارد، ضروری است.
- تیرهای پیش ساخته: تیرهای ساختمانهای بتنی پیش ساخته اصولا به صورت ساده روی دو تکیه‌گاه طراحی می‌شوند و در برابر بارهای ناشی از باد، بارگذاری‌های نامتعادل، خطاهای احتمالی هنگام نصب یا ضربه، تمهیدات کافی در نواحی تکیه‌گاهی اعمال شود که مقاومت خوبی از خود نشان دهند.
- قطعات سقف سازه پیش ساخته: قطعات پیش ساخته‌ی سقف با مقاطع مختلفی از جمله مقاطع توپر مستطیلی، U شکل و T شکل ساخته می‌شوند. انتخاب این مقاطع بر اساس مقاومت، پایایی، مقاومت در برابر آتش‌سوزی و همچنین تغییر شکل‌های دراز مدت است.
سازه پیش ساخته بتنی مزایا و معایبی دارد که به آنها اشاره می‌کنیم.
مزایای سازه پیش ساخته بتنی:
- مقاومت بسیار بالا در برابر آتش‌سوزی دارند.
- داشتن مقاومت بالا در برابر رطوبت و آب.
- عمر مفید بالایی در مقایسه با دیگر انواع سازهها دارند.
- قیمت مناسب ساخت این سازهها
- مصالح این سازه را می‌توان به اشکال مد نظر خود در آورد.
- راحتی فوق‌العاده در نصب و اجرای آنها.
- همچنین چون قطعات این سازه در کارخانه‌ها تحت نظر افراد با تجربه و متخصص وبا برنامه‌ریزی تولید می‌شوند، کیفیت و مرغوبیت بیشتری نسبت به سازه‌های بتنی درجا دارند.
معایب سازه پیش ساخته بتنی:
- مقاومت کششی پایین این سازه در مقایسه با دیگر انواع سازه‌های پیش ساخته.
- وزن بسیار بالاتری نسبت به سازه‌های پیش ساخته دیگر دارند.
- گذر زمان باعث مشاهده‌ی خوردگی و ترک در این سازهها می‌شود و عمر مفید سازه کاهش می‌یابد.
- نصب قطعات سخت است و به افراد حرفه‌ای نیاز دارد.
سازه پیش ساخته فلزی (LSF)
سازه‌های LSF سازه‌هایی هستند بر اساس دیوارهای باربر که ما باید نیروی ثقلی را به جای اینکه به تیر و ستون‌های معمولی (که در سازه‌های بتنی و فولادی داریم)، به دیوارها انتقال دهیم. ساختمانهای فولادی سبک سرد نورد شده به دو روش کلی “قاب بندی طبقه‌ای” و “قاب بندی دیوار ممتد” اجرا می‌شوند.
در روش اول، ابتدا دیوار طبقه و سپس سقف اجرا می‌شود و پس از آن دیوار طبقه‌ی بالایی اجرا می‌شود. در روش قاب‌بندی دیواری ممتد، ابتدا دیوارهای تمامی طبقات اجرا و سپس سقف طبقات نصب می‌شود. در واقع اکثر اجزای این سازهها در کارخانه، طبق نقشه‌ی معماری ساخته و سپس در محل ساختمان با استفاده از پیچ و بولت و … نصب و برپا می‌شود (درست مثل لِگوهای بازی، باید این اجزا به‌هم پیچ شوند و سازه را تشکیل دهند).
اجزای تشکیل دهنده سازه‌ی LSF
شالوده (فونداسیون)
فونداسیون مرسوم در این سیستم عمدتا به صورت نواری یا بسته به نوع پروژه به صورت گسترده اجرا می‌شود. عمق آن نسبت به انواع سازه‌های متداول دیگر کمتر است (معمولا 50 سانتی‌متر). همچنین ضروری است زیر تمامی دیوارهای باربر، شالوده اجرا گردد.
مقاطع اصلی
مقاطع تشکیل شده از ورق‌های فولادی سبک که به وسیله‌ی نورد سرد تهیه شده، به عنوان سازه‌ی اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مقاطع به نام اِستاد (Stud) یا وادار و رانر (Runner) یا تِراک (Track) شناخته شده‌اند. جنس این مقاطع از ورق‌های گالوانیزه است.
استاد: استاد اصلی‌ترین عضو سازه برای تحمل بارهای وارده می‌باشد. این مقاطع اصولا C شکل هستند و مطابق جدول بار، با فواصل مشخص شده‌ی 20، 30، 40 و 60 سانتی‌متر جایگذاری می‌شوند.
رانر: رانرها اعضای غیرباربر ولی سازه‌ای و اصولا U شکل هستند. در واقع رانرها مهم‌ترین عضو قاب LSF هستند که استادها به واسطه‌ی آنها فیکس می‌شوند. نام تراک در مقیاس بزرگتر به کار برده می‌شود.
دیوارها
شامل دیوارهای باربر و غیرسازه‌ای هستند. برای دیوارهای باربر دو نوع روش قاب بندی در ساختمان وجود دارد:
- قاب‌بندی دیوارهای باربر را می‌توان در کارگاه مشروط به ایجاد یک سطح تراز و شاسی‌کشی مناسب ساخت و سپس در جای دقیق یرپا داشت.
- تولید پانل پیش ساخته در کارخانه که در آن پیش سازی سقف‌ها، دیوارها و خرپاها به کمک میزهای مونتاژ انجام می‌شود و پس از حمل به محل، عملیات نصب پانل‌های آماده انجام می‌شود.
برای نصب دیوارها از انکر بولت‌ها و نوعی مهار کننده موقت در محل مشخص، استفاده می‌شود. اجرای دیوارهای سازه‌ای در هر دو روش می‌تواند بعد از اجرای دیوار باربر و سقف باشد.
سقف
سیستم سقف سازه‌ای شامل اجزای زیر می‌شود:
- تیرچه
- رانر پیرامونی
- سخت کننده‌های جان
- بست‌های تسمه‌ای
- بست‌های انسجام دهنده
- پوشش سقف (صفحات چوبی، فولادی، بتن درجا و …)
در سازه‌های ال اس اف معمولا روش‌های مختلفی برای اجرای سقف وجود دارد. پر کاربردترین روش اجرای سقف، خرپاهای سقفی و سیستم تیرریزی مسطح است و پوشش سقف عمدتا به صورت خشک یا بتن درجا اجرا می‌گردد. همچنین کاربرد سقف‌های مرکب بتن و عرشه فولادی با رعایت ضوابط مربوط مجاز است.
مزایای سازه پیش ساخته LSF
- سبک بودن سازه و در نهایت مقاومت در برابر زلزله
- سرعت بسیار بالای اجرا و نصب
- سهولت اجرای تاسیسات برقی و مکانیکی
- افزایش فضای مفید داخلی در مقایسه با روش‌های سنتی، به علت کاهش ضخامت دیوارها
- کاهش مصرف انرژی به دلیل عایق‌بندی صوتی و حرارتی (اصولا از پشم سنگ به عنوان عایق حرارت استفاده می‌شود که ضریب انتقال گرمایشی آن 0.47 است و در جاهایی که از لحاظ آب و هوایی خیلی سرد و یا خیلی گرم هستند، استفاده از این اسکلت شدیدا توصیه می‌شود).
- حمل و نقل آسان (یک قاب دهانه‌ی 6 متری بسته شده‌ی این سازه را می‌توانند دو نفر به راحتی حمل کنند. به همین علت در مناطق صعب‌العبور که ماشین نمی‌تواند به راحتی عبور و مرور کند و ساخت و ساز سخت است، بهترین نوع اسکلت سازه‌ای است).
- قابل بازیافت بودن متریال (اکثر متریال سازه‌ای و غیر سازه‌ای به علت اینکه اکثرا از مواد فلزی هستند قابلیت بازیافت را دارند).
- استقامت بالا (فرآیند نورد سرد که بر روی سازه‌های فولادی سبک انجام می‌شود به افزایش استقامت و در نتیجه طول عمر ساختمان کمک می‌کند).
- این مدل اسکلت در مقایسه با اسکلت فلزی و بتنی دور ریز متریال کمتری دارد.
- کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری به دلیل راحتی سرویس (با توجه به اینکه تاسیسات جای مشخصی دارند به راحتی قابل تعمیر و تعویض هستند).
- مقاوم در برابر آتش‌سوزی، خوردگی‌های شیمیایی، هوازدگی و …
- نیاز به فضا و تجهیزات کارگاهی ندارد.
معایب سازه پیش ساخته LSF
- در ابعاد دهانه محدودیت وجود دارد.
- تعداد طبقات در این سیستم ساختمانی محدود است.
- تولید ورق گالوانیزه در کارخانه، در مقایسه با سایر متریال ساختمانی گران‌تر است.
- برای مونتاژ قطعات به نیروی کارِ متخصص و ماهر نیاز است.
سازه پیش ساخته چوبی
ساختمانهای پیش ساخته‌ی چوبی که از دیرباز مورد استفاده قرار می‌گرفتند، از قدیمی‌ترین نوع سازه پیش ساخته محسوب می‌شوند. همانطور که می‌دانید چوب در بسیاری از کشورها همچنین در برخی از شهرهای شمالی ما به عنوان مهم‌ترین و اصلی‌ترین مصالح در ساختمان به شمار می‌رود. استفاده از این نوع سیستم سازه‌ای در مناطق با رطوبت بالا همچون شهرهای شمالی ایران، اروپا و کانادا رایج است. این ساختمان‌ها در کارخانه طراحی و تولید می‌شوند و در محل مورد نظر نصب و جایگذاری می‌شوند.
امروزه شاهد طراحی مدرن و ساخت انواع سازه‌های پیش ساخته‌ی چوبی در کشورهای اروپایی هستیم و به اندازه‌ی سازه‌های ال اس اف و سازه‌های بتنی از این روش استفاده می‌شود. دلیل استفاده از سازه‌های چوبی، فراوانی آن در طبیعت است. اما این موضوع از لحاظ محیط زیست به علت قطع فراوان درختان و تغییرات اقلیمی و جوی رد شده است.
از مزایا و معایب این سازهها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
مزایای سازه پیش ساخته چوبی
- قیمت مقرون به صرفه
- استحکام در برابر زلزله
- توانایی تحمل بار بیشتر
- نمایی بسیار زیبا و جذاب
- عایق بسیار مناسب در برابر صدا
- سازگاری بهتر با محیط زیست
- وزن بسیار کمتر در مقایسه با سایر سازهها
- اجرای سریع و آسان
- داشتن فرصت بازیافت سازه‌ی چوبی
معایب سازه پیش ساخته چوبی
- این سازهها به عنوان سازه‌ای استاندارد در پروژه‌های دولتی معرفی نشده است.
- فقط در برخی مناطق می‌توان از این سازه استفاده کرد.
- مقاومت پایینی در مقابل آتش‌سوزی دارد.
- برای اجرای این سازه به ماشین‌آلات و لوازم گوناگون نیاز است.
سازه پیش ساخته ساندویچ پانلی
به کارگیری بتن به عوان ماده اصلی ساختمان، نیاز به قالب‌بندی، داربست، زمان برای گیرش بتن و عمل‌آوری دارد. به همین علت ساخت سازه پیش ساخته بتنی مورد توجه قرار گرفته ولی ایراد اصلی این قطعات از پیش ساخته‌ی بتن مسلح اول، نحوه اتصالات است. به طوری که بتواند در برابر بارهای وارده مقاوم باشد و در درجه‌ی دوم، حمل قطعات از کارخانه به محل نصب است که یک مشکل اقتصادی محسوب می‌شود؛ چون اصولا قطعات حجیم و سنگینی هستند و به هزینه و زمان حمل زیادی نیاز دارند.
ساندویچ پانل‌ها از جمله سازه‌های امروزی و مدرن هستند که برای ساخت بسیاری از ویلاها از آنها استفاده می‌شود. استفاده از این سازه در عین سبک بودن، ایمنی ساختمان را نیز بالا می‌برد. حمل و جابه‌جایی این سازه به راحتی انجام می‌پذیرد و به علت وزن پایین و قیمت مناسب طرفداران زیادی دارد.
در سیستم ساندویچ پانلی، صفحات از سه قسمت تشکیل شده که قسمت وسط عایق حرارتی و در دو طرف آن شبکه فلزی قرار دارد که به وسیله‌ی مفتول‌های فولادی مورب به یکدیگر وصل شده‌اند. این مقاطع پس از انتقال به محل مورد نظر، به یکدیگر متصل شده و از دو طرف به آنها بتن پاشیده می‌شود. از ترکیب پانل و بتن، سازه‌ی ساختمان تشکیل می‌شود. از این پانل‌ها هم در سقف و هم در دیوار استفاده می‌شود که دیوارها فقط نقش جداکننده ندارند، بلکه عملکرد سازه‌ای دارند و باید بتوانند بارهای ثقلی و جانبی را تحمل و منتقل کنند.
از انواع پانل‌های ساندویچی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
پانل‌های تمام کامپوزیت: پانل‌هایی هستند که لایه‌ی بتنی آن به صورتی متصل شده که هر دو لایه در برابر بارهای خمشی مشارکت داشته باشند و اتصالات، برش طولی را منتقل می‌کنند.
پانل‌های نیمه کامپوزیت: پانل‌هایی هستند که لایه‌های بتنی آن به وسیله‌ی المان‌هایی که هیچ قابلیتی برای انتقال برش طولی ندارند، متصل شده‌اند.
از مزایای این سازهها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- قابلیت جابه‌جایی آسان
- زیبایی ظاهری
- رعایت موارد بهداشتی در اجرای این سازه
- قابلیت بازیافت دارند
- زمان اجرای کوتاه
- مقاوم در برابر رطوبت و ضربه
- عایق در برابر حرارت و صوت
اتصالات قطعات سازه پیش ساخته بتنی
روش‌های متنوعی برای اتصال قطعات بتنی پیش ساخته وجود دارد که بر اساس نوع پروژه و محل نصب، متفاوت است. اتصالات باید به گونه‌ای انجام شود که نیرو را به بهترین شکل ممکن بین قطعات سازه منتقل کند. این قطعات به وسیله‌ی گروت‌ریزی، بتن درجاریز، میلگردهای پیش‌تنیده و اتصالات مکانیکی به یکدیگر وصل می‌شوند.
یکی از نکات مهم در نحوه‌ی اتصال قطعات پیش ساخته‌ی بتنی، توجه به ناحیه‌ی اتصال است. ناحیه‌ی اتصال باید به گونه‌ای باشد که بتواند فشارهای جانبی و ثقلی را تحمل کند و شکل‌پذیری کافی داشته باشد. آمارها نیز نشان دهنده این است که هنگام زلزله ضعف این سازهها در اتصالات آنهاست. به همین علت انتخاب نوع و محل اتصال در مقاوم‌سازی و پایداری سازه اهمیت بالایی دارد.
انواع اتصال قطعات پیش‌ساخته‌ی بتنی از نظر نحوه‌ی اتصال به دو نوع “اتصال تر” و “اتصال خشک” تقسیم می‌شود.
اتصالات خشک: یکی از انواع اتصالات قطعات سازه پیش ساخته بتنی، اتصال خشک است. در این نوع اتصال، قطعات به وسیله‌ی جوش و پیچ صفحات و یا به کمک پروفیل‌ها به یکدیگر وصل می‌شوند. اتصالات پیش‌تنیده در این دسته قرار می‌گیرند.
یکی از نکات مهم در اتصال خشک، کیفیت پیچ و جوش مورد استفاده است و اگر این اتصال به درستی انجام نشود و به اندازه‌ی کافی مقاوم نباشد، پایداری زلزله در برابر سازه به خطر می‌افتد و همین امر سبب شده که مهندسان در استفاده از آن با احتیاط عمل کنند.
اتصالات تر: در این مدل اتصال، قطعات پیش ساخته‌ی بتنی از طریق بتن‌ریزی و اتصال میلگرد‌ها به یکدیگر پیوند داده می‌شوند.
همچنین قطعات پیش ساخته‌ی بتنی برای اتصالات تر به نحوی طراحی می‌شوند که در برابر نیروهای وارده رفتاری مشابه با سازه‌های بتنی درجا از خود نشان دهند. از این رو از ضوابط سازه‌های درجا که در آئین‌نامه هست برای طراحی آنها استفاده می‌شود ولی درباره اتصالات خشک اینگونه نیست. در واقع چون رفتار سازه شبیه به سازه‌ی بتنی درجا نیست، نمی‌توان از آئین‌نامه برای طراحی آن استفاده کرد و همین موضوع (نبود آئین‌نامه مناسب برای طراحی اتصالات خشک) موجب شده که از این نوع اتصال، به خصوص در مناطق زلزله‌خیز، کمتر استفاده شود.
حمل و نصب سازه پیش ساخته به چه صورت است؟
پس از تمام شدن مراحل ساخت‌وساز، ساختمان از کارخانه تا محل نصب به وسیله تعدادی کامیون و تریلی حمل می‌شود و سپس به کمک نیروهای متخصص سازنده در کنار هم چیده می‌شوند. تعداد تریلر و کامیون که می‌تواند سازهها را حمل کند، بستگی به متراژ ساختمان دارد. به طور مثال چنانچه متراژ ساختمانی 250 متر مربع باشد، نیاز به 8 تریلر است. به طور کلی هر تریلر گنجایش 30 مترمربع را دارد. وزن هر مترمربع سازه پیش ساخته حدود 650 کیلوگرم است. اسکلت این نوع سازهها به گونه‌ای طراحی و ساخته شده که با هیچ‌گونه مشکلی در حمل آنها مواجه نمی‌شویم و آسیبی نمی‌بینند.
نصب قطعات سازه پیش ساخته باید تحت سرپرستی و نظارت افراد با تجربه و یا تکنسین‌های متخصص که برای نصب این سازهها آموزش دیده‌اند انجام گیرد. همچنین ماشین‌آلاتی که هنگام نصب استفاده می‌شوند با توجه به ابعاد و وزن قطعات و شعاع عملکرد آنها انتخاب می‌شوند.
کنترل قبل و پس از نصب قطعات بایستی انجام پذیرد تا از خطاهای احتمالی جلوگیری شود.
قیمت تمام شده‌ی سازه پیش ساخته چقدر است؟
برای برآورد قیمت این سازهها لازم است چندین فاکتور را در نظر بگیریم. همانگونه که برآورد یک سازه‌ی معمولی به نوع و کیفیت مصالح به کار رفته در آن و همینطور متراژ ساختمان و … وابسته است، ساخت این نوع سازهها نیز به همین عوامل بستگی دارد. به همین علت نمی‌توان به طور دقیق نرخ سازه را قبل از مشخص شدن مصالح و متراژ و … تعیین کرد و هزینه‌ی یک سازه پیش ساخته را مشخص کرد. همچنین یکی از عوامل تاثیرگذار در هزینه‌ی سازه پیش ساخته، حمل و نقل آن است.