تعمیر و نگهداری ساختمان فلزی

سازه های فلزی

مقدمه

از زمانی که انسان بوجود آمد نیاز به سر پناه در او شکل گرفت. نیاز به سرپناه جهت حفاظت از باران، حفاظت از سرما، حفاظت در برابر حمله حیوانات وحشی، حفاظت در برابر حمله دیگر انسانها و …

در ابتدا سرپناه انسان یک محیط طبیعی مانند غارها بودند اما به مرور با افزایش تعداد انسانها و پدیدار شدن محیط‌های دیگر نیاز به تهیه سرپناه غیرطبیعی احساس شد و ساخت اولین خانه‌ها توسط انسان شروع شد.

خانه‌های اولیه بیشتر از چوب، سنگ و مصالحی که در محیط در دسترس بود ساخته می‌شد. کلبه‌های چوبی بیشتر در جنگلها و سنگی بیشتر در مناطق کویری و هموار بوجود آمد.

ملات های اولیه از گل خالص بود و به مرور با مخلوط کردن با گچ و آهک ملات های چسبنده‌تری تهیه شد و به مرور تکامل یافت تا اکنون که به ساختمانهای بتن آرمه و یا ساختمانهای با اسکلت فولادی تبدیل شده است.

اما آیا ساختمان های قدیمی که فقط توسط مصالح اولیه ساخته می‌شد می توانست در همه مناطق مورد استفاده قرار بگیرد؟ با توجه به اتفاقات و حادثه‌هایی که رخ می‌داد مانند  زلزله، بادهای شدید، سیل و … نیاز به تهیه ساختمانهای محکم از همه جهات بود که هم در برابر زلزله و هم در برابر بارهای جانبی و قائم مقاوم باشد و همچنین ساختمانهای با مصالح بنایی در طبقات کم قابل استفاده بود ولی با این تراکم جمعیت جهت ساخت در طبقات زیاد نمی‌توانستیم از آن بهره‌مند شویم به همین دلیل باید ساختمانی داشته باشیم که در برابر بارهای وارد شده به آن مقاوم باشد به همین جهت بود که ساختمانهای با اسکلت فولادی و بتنی با فونداسیونهای عظیم بوجود آمد و روز به روز در حال تکامل و پیشرفت می‌باشد تا جایی که ساختمانهایی ساخته می‌شوند که در برابر نیروهای عظیم مقاوم بوده مثلاً ساختمانهایی که در برابر زلزله‌های پر قدرت از بین نمی‌روند. شاید حتی ترکهایی در آنها بوجود آید یا حتی اتفاق دیگری در آن بیفتد ولی حداقل اسکلت ساختمان فرو نمی‌ریزد و جان انسان را حفظ می کند.

با بوجود آمدن این ساختمانها انسان با امنیت بیشتری در محل سکونت خود زندگی می‌کند و ترس از بلایای طبیعی او را هراسان نمی‌کند چون یکی از اهداف ساختمان سازی مهندسی رضایت و حفظ جان بهره‌بردار می‌باشد.

انواع ساختمان :

ساختمانها از نظر اسکلت به چند دسته تقسیم می‌شوند که عبارتند از:

1-    ساختمان های با اسکلت فلزی (فولادی)

2-    ساختمان های با اسکلت بتن آرمه

3-    ساختمان های با دیوار باربر با ستون فلزی

4-    ساختمانهایی که با مصالح بنایی اعم از خشت، گل و آجر ساخته می‌شوند

5-    ساختمانهای مختلط که تلفیقی از اسکلت فولادی و بتنی است

هر یک از ساختمانها با هر اسکلت از نظر سازه‌ای ونوع ساخت با هم متفاوت است ولی بیشتر بحث در این قسمت معرفی ساختمانهای فلزی و بتنی و نوع کاربری، مراحل طراحی و ساخت و تفاوتها و مزیت‌های هر یک نسبت به یکدیگر است.

سازه‌های با اسکلت فولادی

سازه‌ فولادی مجموعه‌ای از اعضای باربر، ساخته شده از ورق و یا نیمرخ های فولادی می‌باشد که به کمک اتصالات به یکدیگر متصل شده و اسکلت ساختمان را بوجود می‌آورند.

نیمرخهای فولادی تولیدات کارخانه‌ای هستند که با توجه به روشهای تکامل یافته برای تولید آنها غالباً رفتاری در حد انتظار از خود نشان می‌دهند.

موضوعی که همیشه بحث برانگیز بوده و موجب نگرانی طراحان و سازندگان سازه‌های فولادی است، چگونگی رفتار اتصالاتی است که الف: برای ساخت اعضای مرکب از نیمرخ و ورق ب: برای یکپارچه نمودن اعضاء (شامل تیر، ستون و مهاربندها) در محل گره‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

وسایل اتصالی که برای ساخت اعضاء و اتصال آنها به  یکدیگر به کار می‌رود شامل پرچ، پیچ و جوش است. در این میان استفاده از جوش در ساختمان سازی متعارف در ایران بسیار رایج است. در سطح جهانی قدمت استفاده از جوش‌های ساخت اسکلت فولادی شاید به 100 سال برسد. در کشور ما نیز شاید بتوان قدمتی 50 ساله برای استفاده از جوشکاری در ساختمان تصور نمود. طی این سالیان نسبتاً طولانی مسلماً پیشرفتهای قابل توجهی در شناخت جوش و توسعه فن آوری مربوطه صورت گرفته است اما هنوز هم بدگمانی‌هایی در خصوص رفتار اتصالات جوشی در ذهن مهندسین وجود دارد. صدمات بوجود آمده در اتصالات جوشی ساختمانهای بلند مرتبه تحت اثر زلزله، عاملی برای افزایش این بدگمانی‌هاست.

با وجود تمام این معضلات، هنوز نمی‌توان جانشینی برای اتصالات جوشی متصور بود. عقیده اهل فن بر این است که اگر استانداردهای مربوطه در طراحی و اجرای اتصالات جوشی به کار گرفته شود، با توجه به خواص متالوژیک و مکانیکی ناحیه جوش شده،نباید اشکال خاصی  در رفتار اتصال جوشی بوجود بیاید گواه خوب این دعا استفاده موفق از جوش در صنایع کشتی سازی، اتومبیل سازی، ظروف تحت فشار، خطوط انتقال گاز، و صنایع نظیر می‌باشد که در آنها اتصالات جوشی به طور موفقیت آمیزی ایفای نقش نموده‌اند. با توجه به این موضوع می‌توان نتیجه گیری نمود که عامل اساسی بروز مشکلات در جو شکاری‌های ساختمانی عدم رعایت اصول اساسی در حین اجراست. متأسفانه این معضل در ساختمان سازی کشورما بسیار حادتر است. با وجود سابقه نسبتاً طولانی در استفاده از جوشکاری در صنعت ساختمان در ایران و وجود کارخانه‌های تولید کننده تجهیزات و لوازم جوشکاری از قبیل دستگاههای جوش، الکترود و غیره، از لحاظ سطح آموزش پرسنل جوشکاری و به کار گرفتن آیین نامه‌های تعیین صلاحیت جوشکاران و تأیید کیفیت درزهای جوش، بسیار فقیر هستیم.

اگر از تعدادی پروژه‌های عمرانی خاص صرفنظر کنیم، غالباً اکثر پرسنل جوشکاری شاغل در بخش ساختمان، آموزش خاصی ندیده و فاقد تبحر لازم هستند و معضل مهمتر اینکه هیچ کنترلی بر روی کیفیت اجرای جوش وجود ندارد.

با توجه به قوانین جاری، در سطح ساختمان سازی مسکونی، تنها فرد مسئول در قبال کیفیت ساختمان و رعایت موارد آیین نامه‌ای، مهندس ناظر می‌باشد.

تعریف ساختمانهای اسکلت فلزی:

          منظور از ساختمان فلزی ساختمانی است که ستون ها و تیر های اصلی آن از پروفیل های مختلف فلزی بوده وبار سقف ها و دیوارها و جداکننده ها (پارتیشن ها) بوسیله تیر های اصلی به ستون منتقل شده و به وسیله ستون ها به زمین منتقل گردد .

ساختمانهای با اسکلت فلزی به ساختمانهایی اطلاق می شود که اجزای اصلی بار بر آن از فولاد تشکیل شده باشد. این اجزا شامل:ستونها، تیرهای حمال(شاه تیرها وپلهای اصلی)،تیرهای فرعی، باد بندها وپله ها است که با روشهای مختلف  اتصال (مفصلی ساده،نیمه گیر دار و گیر دار) توسط پرچ،پیچ،جوش متصل می شوند و کلیه بارهای اتصال شده شامل بارهای زنده، مرده و نیروهای جانبی(باد وزلزله) توسط ستونهای فلزی به فونداسیون متصل میشود در این نوع ساختمانها تیرهای فرعی بار سقف را به تیرهای حمال یا باربر می دهند و تیر های حمال بار تیرهای فرعی واضافی (دیوارجدا کننده، دست اندازو.....)  رابه ستونهای فلزی منتقل می کنند. پوشش سقف ها معمولأ به صورت طاق ضربی یا تیرچه بلوک است.

کاربرد ساختمانهای اسکلت فلزی:

این ساختمانها به طور عمده برای مجتمع های مسکونی، ویلایی اداری و ..... مورد استفاده قرار می گیرد .و در شهر ها به دلیل گرانی و محدودیت زمین بسیار مقرون وبصرفه می باشد.

تعریف فولاد:

بیشتر آهن هایی که از کوره بلند به دست می آیند برای تهیه فولاد به کار می برند به این ترتیب آهن خام را ذوب می کنند ومواد خارجی آن را جدا کرده و مقدار معینی کربن به آن اضافه میکنند.

انواع فولاد های ساختمانی که مقاومت آنها در برابر خمش زیاداست عبارتند از:

الف) تیر آهن های معمولیINP تیر آهن بال پهنIPB و تیر آهن های IPE (تیر آهن نیم پهن)

ب) ناودانیU که طرز نمایش آن بصورتUNP میباشد.

ج) نبشی L که بصورت بالهای مساوی یا نا مساوی ساخته می شوند.

سپری که بر دو نوع می باشد:

1-سپری های که قاعده شان دو برابر ارتفاع است.

2-سپری های که ارتفاع وقاعده شان با هم برابر است .این پرو فیل ها در کارهای ساختمانی مثل ساختن شیربانی،در وپنجره، اسکلت و سقف کاذب مصرف می کنند.

ح) پرفیلZ شکل: برای زیر سازی و بستن ورقهای فلزی یا ورقهای آزبست سیمانی در سقف های شیب دار به کار می رود.

تاریخچه مصرف فولاد در بتن:

در سال 1887 کنن و وایس در کتاب سیستم مونییر،تئوری بتن فولادی را بر اساس سه اصل  بنا نهادند که امروزه نیز مورد استفاده قرار می گیرد . این اصول بدین قرارند:

1-تمام نیروی کششی در یک عضو بتن مسلح به وسیله فولاد تحمل می شود.

2-انتقال نیرو به فولاد به وسیله چسبندگی بین بتن و فولاد صورت می گیرد.

3-تغیرات حجمی بتن وفولاد در اثر تغییر درجه حرارت با هم برابرند.

علل مصرف فولاد در بتن:

1-افزایش تنشهای کششی در بتن

2-افزایش دوام بتن

3-افزایش مقاومت فشاری وبرشی

4-پیوستگی کامل بین فولاد وبتن در مقابل ترکهای کششی

انواع فولادهای مصرفی در بتن:

1-از نظر روش ساخت:گرم نورد شده، سرد نورد شده، گرمعمل آمده

2-از نظر شکل رویه:میلگرد با رویه صاف(میلگرد ساده)میلگرد آجدار

3-از نظر جوش پذیری :فولاد جوش پذیر، فولاد جوش پذیر مشروط، فولاد جوش نا پذیر

4-از نظر شکل پذیری:فولاد نرم، فولاد نیمه سخت، فولادسختمقاومت فولادهای مسلح کننده معمولی در بتن تقریبأ100برابرمقاومت کششی بتن و10 برابر مقاومت فشاری بتن است.

میلگرد با سطح صاف ومقطع دایره کامل از جنس نرمه(ΠA)با تنش جاری شدن ²kg⁄cm 2400 می باشند.

عنوان خاموت در تیرها وتنگ در ستونها ،میلگردهای حرارتی در دالها و میلگردهای اصلی وخمشی در منابع آب وسازهایی که ترک خوردگی در آنها مهم است به کار میرود.

میلگردهای آجدار دارای برجستگیهایی در سطح میلگرد به نام آج  هستند وظیفه آنها افزایش پیوستگی بتن و میلگرد است این میلگردها ممکن است نیمه سخت ویا سخت باشند

فرمهای رایج کاربرد میلگرد در بتن:

-میلگرد طولی: برای افزایش مقاومت کششی بتن به کار برده می شود.

-خاموت ها: برای جلو گیری از بیرون زدگی آرماتورهای طولی در اثر کمانش وتحمل نیروهای برشی وجلوگیری از گسترش ترک می باشد.

-سنجاقک: برای تقویت مقاومت برشی خاموتها واتصال کامل بین میلگردها ی طولی وخاموت.

-خرک: برای قرار دادن دو شبکه متوالی افقی با فاصله معین درداخل قالب (در بتن ریزی کف وفونداسیون).

-رکابی: برای در امتداد نگه داشتن آرماتورهای طولی یا عمودی در بتن ریزی دیوارها(به شکلU)

ادکا: برای تحمل لنگر های منفی در تکیه گاههای تیر (تیر یکسره) و برای تحمل نیروهای برشی.

قطر ومشخصات میلگرد:

عبارتند از قطری که در برگ شناسایی ذکر می شود و معادل قطر دایره هم مساحت با مقطع عرضی میلگرد بر حسب میلیمتر است.

حداقل قطر خم ها برای میلگردها:

1-برای میلگردهای که قطر آنها کمتر از mm28 است،حداقلخم از Db5 تاDb6

2-برای میلگردهای که قطر بینmm34-28 است،حداقل خم ازDb5 تاDb8

3- برای میلگردهایی که قطر آنها بین mm55-34 است،حداقل خم از Db7 تاDb10 حداقل قطر خم برای خاموتها به شرح زیر است:

برای میلگردهایی که قطر آنها mm16 وکمتر باشد، حداقل قطر خم ازDb2.5  تاDb4 توجه منظور از Db همان قطر میلگرد است.

استاندارد طول قلاب در میلگرد ها به شرح زیر می باشد:

الف) میلگرد اصلی:

1-برای قلاب 180 درجه، طول قلاب Ø10 است.

2-برای قلاب 90 درجه، طول قلاب برابر Ø15 است.

3-برای خاموتها:برای قلاب 180 درجه، طول قلاب بعد از انحنا(نیم دایره)برابر4 تا 6.5 سانتی متر است.

4-برای قلاب 135 درجه ،طول قلاب بعد از خم کردن 135 درجه برابر 6 تا 6.5 سانتی متر است.

ب) میلگرد های آجدار:

اکثر استانداردها تنها استفاده از میلگردهای آجدار را توصیه می کنند چون چسبندگی آنها به بتن بهتر انجام می گیرد.

مزایا و معایب ساختمان های فلزی

اجرای این نوع ساختمان ها خیلی سریع پیشرفت می نماید ، ودر صورتی که برای ساختن ساختمان های بتونی یا آ جری زمان بیشتری لازم است .

ستون ها و قطعات بار بر ساختمان های فلزی فضای کمتری را اشغال می نمایند و این خود با عث بوجود آمدن سطح مفید زیادتر در ساختمان های فلزی می گردد در صورتی که برای ساختمان های بتونی مرتفع ناچار به ایجاد ستونها و دیوار های قطور می باشیم .

ساخت قطعات ساختمان های فلزی در خارج از محوطه کارگاه(مثلا در کارخانه های فلز کاری) ممکن بوده و این خود از لحاظ دقت کار وکیفیت بهتر قطعات و همچنین از لحاظ اقتصادی به صرفه می باشد .

ساختن ساختمان های فلزی (البته در قسمت فلز کاری) کمتر تابع آب وهوا و عوامل جوی میباشد در صورتی که ادامه کار ساختمان های بتونی در هوای زیر صفر ممکن نیست ، بعضی از آیین نامه ها جوش کاری و چکش کاریرا در هوای خیلی سرد اجازه نمی دهند.

امکان تقویت ساختمان بعد از اتمام کار و بالاخره نزدیک بودن فرضیات با عمل در ساختمان های فلزی از مزایای آن میباشد زیرا بعضی از فرضیاتی که در ساختمان های بتونی می کنیم به سختی با عمل وفق می دهد از جمله همگن بودن بتون و فولاد و مساوی بودن تنش وکرنش این دو ماده که عملاً این دو ماده همگن نیستند ولی در ساختمان های فلزی چون از یک ماده استفاده می نماییم (فولاد) فرضیات به عمل نزدیکتر است .

اینها از مزایای سا ختمان های فلزی است ودر عوض این نوع ساختمان ها در مقابل آتش سوزی بسیار ضعیف بوده و با کوچکترین حریقی که در کنار ستون ها ایجاد شود فوری فولاد گداخته شده ودر مقابل بار وارده کمانش نموده و به سرعت ممانهای موجود در قطعات افزایش یافته و ساختمان خراب می شود ،به همین علت است که در بعضی کشور ها سازندگان ساختمانهای فلزی مجبور هستند برای ساختمان های خود پله های بتونی ایجاد نمایند تا در موقع آتش سوزی ساکنان ساختمان بتوانند خود را نجات دهند .