سازه اسکلت بتنی چیست؟

سازه اسکلت بتنی نوعی روش ساخت سازه است که در آن شبکه ای از ستون ها و تیرها برای انتقال موفقیت آمیز بارهای وارد شده سازه به پی مورد استفاده قرار می گیرند. همانند اسکلت بدن که قامت ما را استوار نگه داشته است، سازه اسکلت بتنی نیز به عنوان ساختاری مستحکم و به هم متصل محسوب می شود که هدف حفظ سازه در بدترین شرایط ممکن است. برای شناخت بهتر این نوع از اسکلت ساختمانی با ما همراه باشید.

تعریف سازه اسکلت بتنی

یک قاب بتنی یک شکل معمول از شیوه ساخت بناست که شامل شبکه ای از ستون ها و تیرهای متصل به یکدیگر است که اسکلت ساختمان را تشکیل می دهد. این شبکه از تیرها و ستون ها معمولاً بر روی یک فونداسیون بتنی ساخته می شود. ساختمان سپس با احداث سقف (دال بتنی)، دیوارها (تیغه چینی و دیوارهای پیرامونی)، نما و غیره اتمام می یابد.

از آنجا که بتن مقاومت کششی کمی دارد، نیاز به تقویت خواهد داشت. میلگرد یا آرماتور، برای تقویت و افزایش مقاومت کششی بتن مورد استفاده قرار می گیرد. برای بهبود کیفیت چسبندگی و اصطکاک با بتن، سطح میلگرد اغلب آجدار است. «بتن مسلح» اصطلاحی رایج برای این نوع بتن است.

قاب های بتنی می توانند پیش ساخته (تولید شده در کارخانه) باشند یا در محل کارگاه ساختمانی بتن ریزی انجام شود. قاب های بتنی پیش ساخته معمولاً برای سازه های یک طبقه و کم ارتفاع استفاده می شود. اعضای بتنی به محلی منتقل می شوند که در آن جرثقیل بلند شده و آنها را در محل قرار می دهد تا قاب ساخته شود.

اما با استفاده از قالب می توان اعضای بتنی را در محل ساخت. قالب به صورت موقت قرار می گیرد تا بتن بعد از ریخته شدن، سفت شود. قالب های سنتی با استفاده از چوب ساخته می شدند اما قالب های امروزی از فلز هستند. در نهایت، میکسرهای بتن آماده به محل پروژه اعزام می شوند تا روند بتن ریزی را اجرا کنند.

اجزای اصلی سازه اسکلت بتنی

اسکلت بتنی از اعضای سازه ای مختلف به شرح زیر تشکیل شده است :

1- ستون

ستون یک عضو سازه ای مهم در یک ساختار قابی است. ستون به اعضای عمودی گفته می شود که بارها را از تیر گرفته و به فونداسیون یا پی منتقل می کند. بارهای حمل شده ممکن است محوری یا خارج از مرکز باشند. طراحی ستون ها از طراحی تیرها و دال ها مهم تر است. بدین دلیل که اگر یک تیر تخریب شود، این به معنای شکست در قسمتی از سازه است اما اگر یک ستون خراب شود، این به معنای شکست کلی ساختار است.

2- تیر

تیر یک عضو سازه ای افقی در ساختار قابی محسوب می شود. تیرها بارها را از دال (سقف) دریافت کرده و به ستون ها منتقل می کنند. بارها به صورت عمودی، خمشی و پیچشی به تیرها وارد می شوند. تیرهای بتنی معمولاً به انواع زیر تقسیم می شوند:

• تیرهای اصلی: انتقال بارهای کف و تیرهای ثانویه به ستون ها
• تیرهای ثانویه: انتقال بارهای کف به تیرهای اصلی

3- دال

دال یک عضو افقی مسطح است که به عنوان پوشش سقف استفاده می شود و سرپناهی برای ساکنان ساختمان محسوب می شود. این عنصر صفحه ای بارها را عمدتاً به شکل خمشی حمل می کند. دال می تواند نیروهای باد و زلزله زیادی را حمل کند و سپس آنها را به تیرها منتقل کند. به صورت سنتی، در سازه اسکلت بتنی وظیفه انتقال نیرو بر عهده تیرها و ستون ها است  ولی در ساختارهای جدید، دال های بتنی نیز در تحمل بار نقش مهمی ایفا می کنند.

4- فونداسیون

تنها عملکرد فونداسیون، انتقال بار ناشی از ستون ها به زمین است. فونداسیون در ساختار بتنی مهمترین عضو محسوب می شود زیرا وظیفه محافظت از بار وارده به ستون ها را بر عهده دارد. با این حال، المان فرعی در اسکلت سازه بتنی محسوب می شود زیرا اسکلت  بتنی بیشتر دلالت بر اعضای قابی یا به اصطلاح تیر و ستونی دارد.

5- دیوار برشی

دیوار برشی از عناصر سازه ای مهم در ساختمان های بلند محسوب می شود. دیوارهای برشی در واقع اعضای عمودی هستند که نقش دیوار باربری دارند. این دیوارها بارهای افقی مانند بار باد و زلزله را تحمل می کنند. دیوارهای برشی بارهای عمودی را نیز حمل می کنند. مهم است که درک کنیم که دیوارهای برشی فقط برای بارهای افقی در یک جهت عمل می کنند  که در محور ابعاد طولانی دیوار قرار دارند.

انوع سازه اسکلت بتنی

سازه اسکلت بتنی به انواع زیر تقسیم می شود :

1- ساختار قاب صلب (Rigid Frame Structure)

این قاب ها در محل ساخته می شوند و ممکن است یکپارچه ریخته شوند یا از قبل در کارخانه تولید شوند. این ساختار ثبات بیشتری ایجاد می کند و به طور مؤثر در برابر چرخش مقاومت می کند. مزیت یک قاب صلب این است که دارای موقعیت های خمشی مثبت و منفی در سراسر ساختار به دلیل برهم کنش دیوارها، تیرها و دال ها هستند.

2- ساختار قاب مهاربندی شده (Braced Frame Structure)

این ساختار قاب با عملکرد مهاربندی اعضای مورب در برابر نیروهای جانبی مقاومت می کند. با قرار دادن اعضای سازه ای مورب در مناطق مستطیل شکل، یک قاب مهاربندی می شود. قاب های سازه ای مهاربندی شده از قاب سازه ای صلب، کارآیی بیشتری دارند و در برابر تغییرشکل های بزرگ مقاومت بالایی می کنند.

نکته : سازه های اسکلت بتنی در 99.9 درصد موارد دارای اتصالات صلب هستند.

مزایای سازه اسکلت بتنی

• به راحتی در محل پروژه اجرا می شود.
• مقاومت آن در برابر آتش بهتر از فولاد است، بنابراین توانایی مقاومت در برابر آتش را برای مدت طولانی تری دارد.
• دارای طول عمر طولانی با هزینه نگهداری کم است.
• در بعضی از سازه ها مانند اسکله ها، سدها و پل ها مقرون به صرفه ترین ماده ساختاری است.
• می توان آن را به هر شکلی که لازم باشد ریخت.
• اقتصادی ترین ماده ساختاری است.
• مقاومت تسلیم فولاد حدود 15 برابر مقاومت فشاری بتن سازه ای و بیش از 100 برابر مقاومت کششی آن است.
• با استفاده از فولاد در بتن، بعُد مقطعی کاهش می یابد.

معایب سازه اسکلت بتنی

• به مخلوط کردن، بتن ریزی و عمل آوری دقیق احتیاج دارد (همه این ها بر مقاومت نهایی عضو تأثیر می گذارد).
• هزینه قالب بندی برای بتن ریزی در سازه های بزرگ نسبتاً زیاد است.
• ایجاد ترک در بتن به دلیل جمع شدگی و اعمال بارهای زنده زیاد وجود دارد (با تدابیری می توان این مشکل را حل کرد).
• اگر بتن ریزی به درستی انجام نشود، فولاد شروع به خوردگی می کند و در نتیجه قدرت خود را از دست می دهد و در نهایت عمر آن کاهش می یابد. همچنین، تعمیرات پس از آن بسیار گران و دشوار است.

مراحل ساخت سازه اسکلت بتنی

بتن از قرن نوزدهم برای بشر شناخته شده است. در روزهای اخیر، تکامل استفاده از فنآوری های بتن بسیار گسترده بوده است اما در همۀ آنها، مراحل ساخت اسکلت بتنی به شرح زیر هستند :

1- برآورد مواد

برای ساخت بتنی با کیفیت بالا، نسبت مواد تشکیل دهنده بتن باید به درستی و با دقت اندازه گیری شود. اندازه گیری دقیق مواد تشکیل دهنده بتن را می توان با فرآیند طرح اختلاط انجام داد. برآورد مواد فرآیندی است که در آن مقدار یا نسبت موادی مانند سیمان، سنگدانه ها، آب و سایر مواد بر اساس وزن یا حجم برای تهیه مخلوط بتن اندازه گیری می شود.

2- آماده سازی سایت

آماده سازی سایت مهم ترین جنبه در ساخت اسکلت سازه بتنی است. زمینی که سازه بتنی روی آن احداث می شود باید از استحکام بالایی برخوردار باشد. برای این منظور انجام موارد زیر ضروری است :

• گودبرداری : گودبرداری اولین گام در آماده سازی زمین برای کارهای ساخت و ساز است. بسته به نوع سازه، گودبرداری اصول خاص خود را دارد.
• تسطیح : زمین را با استفاده از روش های خاص تسطیح و فشرده سازی می کنند تا برای ساخت و ساز آمده شود.

3- قالب بندی

قالب ساختاری است که برای حمایت از بتن ریزی استفاده می شود. قالب را می توان با استفاده از قالب های فولادی، چوبی، آلومینیومی یا فرم های پیش ساخته ایجاد کرد. ساخت قالب به کمی زمان نیاز دارد و مستلزم صرف 20 تا 25 درصد از هزینه سازه یا حتی بیشتر است. عمل برداشتن قالب به برچیدن قالب معروف است. قالب های فلزی محبوب هستند و بارها قابل استفاده مجدد هستند.

4- آرماتوربندی

آرماتورها باید قبل از بتن ریزی به طور دقیق در محل با استفاده از مفتول بسته شوند. آرماتوربندی باید همانطور که در نقشه های اجرایی نشان داده شده اند (طول، نمره، خم و موقعیت) در محل قرار گیرد. برای اطمینان از اتصال فولاد به بتن و ایجاد مقاومت کافی، باید پوشش بتن طبق آیین نامه در نظر گرفته شود.

5- طرح اختلاط بتن

اختلاط مناسب مواد تشکیل دهنده بتن بسیار ضروری است زیرا کیفیت بتن را مشخص می کند. گفته می شود که بتن اگر شرایط زیر را برآورده کند، دارای طرح اختلاط خوبی است.

• مخلوط بتن باید یکنواخت باشد.
• بتن باید از سازگاری مناسبی برخوردار شود که برای آن طراحی شده است.
• تمام مواد تشکیل دهنده بتن با یکدیگر به خوبی مخلوط شوند.
• خمیر سیمانی باید تمام سطح سنگدانه را بپوشاند.

6- بتن ریزی

بتن ریزی می تواند شامل روش های مختلفی مانند پمپاژ و حمل دستی باشد. بتن ریخته شده با استفاده از ویبراتور برای اطمینان از تراکم مناسب، متراکم می شود. باید مراقب بود تا از منافذ هوا جلوگیری شده و سطح یکنواختی حاصل شود.

7- عمل آوری بتن

عمل آوری بتن آخرین و یکی از مهم ترین فعالیت هایی است که باید در روند ساخت بتن انجام شود. عمل آوری بتن فرآیند مرطوب نگه داشتن بتن است تا بتواند مقاومت کامل آن را بدست آورد. این مرحله آخر در عملکرد بتن نقش بسزایی دارد و نیاز به توجه کامل و دقیقه ای خواهد داشت.

انواع بارهای وارده به سازه اسکلت بتنی

بارهای مرده (Dead Loads)

بار ثابت و بدون تغییر را بار مرده می گویند. این بار در طول عمر بهره برداری سازه، تغییر نمی کند. این بارها ناشی از وزن ساختمان هستند که اعضای زیر را شامل می شوند :

• دیوارهای داخلی و پیرامونی
• کفسازی
• دیوارهای کناری سازه
• سقف ها
• تیرها
• ستون ها
• نازک کاری
• تجهیزات و تأسیسات ثابت
• وزن جرثقیل ثابت

بارهای زنده (Live Loads)

بار متغیر را بار زنده می گویند. هر گونه بار اعم از بار ناشی از وزن افراد، وسائل داخل واحدهای ساختمان، بار برف، بار خودروها (پارکینگ) و غیره هستند. این بار در طراحی سازه اسکلت بتنی براساس مقادیر آئین نامه و برحسب نوع کاربری بنا، استفاده می شود.

بارهای دینامیک (Dynamic Loads)

این بارها معمولاً در پل ها و زیرساخت های مشابهی رخ می دهند و بارهایی هستند که از ترافیک ایجاد می شوند. بارهای ناشی از بارهای ترمز و شتاب را باید جزء بارهای دینامیک در نظر گرفت.

بارهای باد (Wind Loads)

بار باد یک عامل طراحی بسیار مهم است که به ویژه برای ساختمان های بلند و برج ها باید مورد توجه قرار گیرد. ساختمان ها نه برای مقاومت در برابر شرایط باد بلکه در شرایط شدید که ممکن است هر 100 سال یکبار رخ دهد، طراحی شده اند. می توان از یک ساختمان برای مقاومت در برابر نیروی باد 150 کیلوگرم بر متر مربع استفاده کرد که در صورت ضرب در سطح ساختمان، می تواند نیروی بسیار مهمی باشد.

بارهای زلزله (Earthquake Loads)

در زلزله، زمین ساختمان را به صورت افقی و عمودی به شدت تکان می دهد مانند اسبی که سوار خود را تکان می دهد. زلزله می تواند باعث خرابی ساختمان شود. هر چه ساختمان سنگین تر باشد، نیروی زلزله بیشتر بر آن وارد می شود. توجه به این نکته ضروری است که باد و زلزله هر دو نیروهای افقی را بر ساختمان تحمیل می کنند.

نکته: بارهای مرده و زنده را بارهای عمودی و بارها زلزله و باد را بارهای جانبی می گویند.

کلام آخر

سازه اسکلت بتنی شکل متداول سازه ای است که شامل شبکه ای از ستون ها و تیرهای متصل به هم است. ستون ها اعضای عمودی قاب هستند و عنصر اصلی باربری ساختمان محسوب می شوند. از آنجا که مقاومت کششی بتن کم است، پس باید با استفاده از میلگرد تقویت شود. برای بهبود کیفیت پیوند میلگرد با بتن، سطح میلگرد غالباً آجدار است. سازه اسکلت بتنی با توجه به مشخصاتی که دارد، امروزه به فور در ساخت و ساز استفاده می شود.

منابع :

https://www.designingbuildings.co.uk/wiki/

http://www.understandconstruction.com/concrete-frame-structures.html