سازه اسکلت بتنی چیست؟

سازه اسکلت بتنی (Concrete Framed Structure) یک شکل معمول از ساختمان سازی است که اعضای باربرش از بتن ارمه ساخته شده‌اند. با نگاهی گذرا به اسکلت بتنی می‌توان دریافت که این قاب ساختمانی از شبکه‌ای متقاطع از تیرها و ستون‌ها تشکیل شده است. در ساخت و سازهای بتنی، دیوارها فقط نقش عناصر جداکننده را بازی می‌کنند و بارهای عمودی و جانبی از طریق تیرها به ستون‌ها و سپس به پی ساختمان منتقل می‌شود. با این حال، برای شاخت بیشتر سازه اسکلت بتنی و درک بهتر فواید و معایبش، با مقاله دیگری از کلینیک صنعت ساختمان همراه باشید.

سازه اسکلت بتنی یکی از محبوب‌ترین انواع سازه‌های ساختمانی است. از جهت بتنی نامیده می‌شود که قاب ساختمان که متشکل از اعضای افقی (تیر) و عمودی (ستون) باربر است، تماماً از بتن مسلح ساخته شده است. اما دلیل استفاده از فولاد در بتن چیست؟ فلسفه طراحی سازه‌های بتن آرمه از این قرار است که بتن مقاومت فشاری بسیار بالایی دارد، اما از نظر مقاومت کششی ضعیف است.

به طور کلی مقاومت بتن در کشش تنها 10 درصد استحکام آن در فشار است. از این رو برای سادگی در طراحی نخست از استحکام کششی اعضاء صرفه نظر می‌شود. سپس در هر جایی از عضو که کشش رخ دهد، احتمالاً ترک‌های عمودی نیز ایجاد خواهند داد. بنابراین در این نواحی از میلگرد استفاده می‌شود تا عدم باربری کششی به کلی برطرف شود.

اسکلت بتونی می‌تواند از پیش ساخته (خارج از کارگاه) یا در محل پروژه ساخته شوند. فریم‌های بتونی پیش ساخته به طور معمول برای سازه‌های یک طبقه و کم ارتفاع استفاده می‌شوند. اعضای بتونی پیش ساخته به محل کارگاه منتقل شده و توسط جرثقیل در موقعیت مورد نظر قرار داده می‌شوند.

بتن را می‌توان در داخل کارگاه تهیه کرد و با استفاده از قالب فلزی بتن ریزی را انجام داد. در ایران عرف است که ستون‌ها با طرح اختلاط کارگاهی ساخته شده و بتن ریزی می‌شوند. اما برای تیرها، سقف ها، راه پله و اعضای دیگر، نیاز به مخلوط آماده کارخانه‌ای (حمل با تراک میکسر) است.

فواید سازه اسکلت بتنی

در زیر به جوانب مثبت سازه بتنی اشاره می‌کنیم:

مقاومت فشاری بالایی دارد.
دوام و طول عمر بالایی دارد (در طول زمان مقاومت آن بیشتر می‌شود).
مقاومت آن در برابر آتش بهتر از فولاد است، بنابراین می‌تواند برای مدت زمان طولانی‌تر از برابر آتش مقاومت کند.
هزینه های تعمیر و نگهدای بسیار پایینی دارد.
در ساخت اسکله‌ها‌ و سدها، اسکلت بتنی اقتصادی‌ترین سازه است.
از بتن می‌توان برای ساخت هر نوع طرح معماری استفاده کرد (با استفاده از قالب به هر شکلی در می‌آید).
اعضای بتنی سفت و سخت هستند و کمترین انحراف را دارند.
اضافه شدن فولاد به بتن می‌تواند مقاومت فشاری آن را در حدود 15 برابر و مقاومت کششی‌اش بیش از 100 افزایش دهد.
در اعضای بتن مسلح می‌توان ابعاد مقاطع را کاهش دارد (ابعاد تیر و ستون).
در مقایسه با سایر قاب‌های ساختمانی، برای سازه اسکلت بتنی می‌توان از نیروهای عادی (با تخصص کم) نیز استفاده کرد.
سرعت ساخت سازه بتنی بیشتر از سازه فولادی است.
حمل و نقل بتن جهت بتن ریزی با سرعت بالایی انجام می‌شود (توسط تراک میکسر).
هزینه نگهداری سازه اسکلت بتن در شرایط عادی تقریباً ناچیز است.
قیمت ساخت سازه بتنی کمتر از فلزی است.

معایب سازه اسکلت بتنی

جوانب منفی ساختمان اسکلت بتنی عبارتند از:

طرح اختلاط بتن نیاز به دقت زیادی دارد.
بتن ریزی و عمل آوری بتن مستلزم دقت بالایی هستند.
هزینه قالب بندی برای بتن ریزی نسبتاً زیاد است.
مقاومت کششی کمتری نسبت به فولاد دارد (که با آرماتور این مشکل حل می‌شود).
اگر بتن ریزی به درستی انجام نشود، فولاد شروع به خوردگی می‌کند و در نتیجه قدرتش از دست داده و در نهایت عمرش کوتاه می‌شود.
بار مرده سازه بتنی به مراتب بیشتر از سازه فولادی است (این مورد را می‌توان با بتن سبک جبران کرد).
ارزش آتی پایینی دارد (بعد از تخریب ساختمان بتن آرمه، بتن و فولاد دیگر ارزش مادی ندارند).

انواع سازه اسکلت بتنی

زمانی که در خیابان راه می‌روید‌، می‌توانید بتن را در همه جا مشاهده کنید. از آن در ساخت بناهای عظیم، پل‌ها، جاده‌ها، پیاده روها، کفپوش‌ها و به معنای واقعی کلمه هرچه به چشم ما می‌آیند، همه از بتن هستند. به طور خلاصه، هرجا ساختاری در حال احداث است، بتن وجود نیز دارد.

اولاً، استفاده از بتن در ساخت و سازهای مدرن از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا بتن استحکام و پایداری ساختمان را افزایش می‌دهد. ثانیاً، بتن ارزان قیمت بوده و به شکل‌های مختلف قابل استفاده است. این انعطاف پذیری و تطبیق پذیری بالا، بتن را به متریالی محبوب برای ساخت هرگونه ساختار تبدیل کرده است. برج الخلفیه در دبی، نمونه‌ای از یک سازه اسکلت بتنی معروف در جهان است.

روش‌های طراحی سازه‌های بتنی

سه نوع روش طراحی ساختاری وجود دارد.

طراحی به روش مقاومت نهایی
طراحی به روش طرح مستقیم
طراحی به روش حالت حدی

این روش‌ها هم برای سازه بتنی و هم سازه فولادی استفاده می‌شوند. در ایران روش حالت حدی متداول‌تر است. دلیل اصلی استفاده از روش حالت حدی، ضریب ایمنی جزئی بر روی مواد و همچنین انواع مختلف بارها است. اما ما در زیر به تشریح روش‌های طرح مستقیم و حالت حدی اشاره می‌کنیم:

1- نظریه خط مستقیم یا تئوری الاستیک (WSM)

در تئوری خط مستقیم مقاومت فشاری نهایی بتن و تنش نقطه تسلیم فولاد توسط عوامل ایمنی متفاوت جدا می‌شوند تا تنش مجاز که ممکن است در دو ماده در شرایط کار مجاز باشد را تعیین کرد. مشخصات این روش طراحی به شرح زیر است:

رفتار سازه در منحنی تنش – کرنش در محدوده خطی قرار دارد.
به عنوان طراحی پلاستیک شناخته می شود.
در این روش، ماده از قانون هوک پیروی می‌کند زیرا مجاز نیست که تنش از مرز تسلیم عبور کند.
در این روش، ضریب ایمنی در نظر گرفته می‌شود.
کلیه تنش‌های کششی توسط میلگردها تحمل می‌شوند.
معادله خمشی برقرار است، بدان معنا که فشار در تارهای بالا و پایین در فاصله برابری با تار خنثی قرار دارند.
آرماتور فولادی در هنگام جاسازی در بتن عاری از فشارهای اولیه هستند.

2- تئوری بار نهایی یا روش حالت محدود (LSM)

در تئوری بار نهایی، مقاومت تیر در برابر خمش خالص با مقاومت نهایی بتن یا تنش در حد تسلیم فولاد تعیین می‌شود و سپس می‌توان این مقاومت را با ضریب ایمنی مناسب تقسیم کرد تا مقاومت خمشی که را می‌توان به آن اعتماد تعیین شود. ویژگی‌های این روش طراحی عبارتند از:

رفتار سازه در منحنی تنش – کرنش در مححدوده غیر خطی قرار دارد.
به عنوان طراحی الاستیک شناخته می‌شود.
تنش مجاز از حد تسلیم عبور می‌کند.
در این روش فاکتور ایمنی جزئی در نظر گرفته شده است.
معادله خمشی برقرار است، بدان معنا که فشار در تارهای بالا و پایین در فاصله برابری با تار خنثی قرار دارند.
تنش نهایی به عنوان تنش مجاز تلقی می‌شود.

کلام آخر

برای تحقق اهداف، سازه اسکلت بتنی باید شرایط ایمنی، سرویس پذیری، اقتصادی و کارآیی را برآورده کند. همه این موارد در گرو این موضوع قرار دارد که این نوع سازه چطور به چه روشی می‌خواهد در زمان بهره برداری حداکثر ظرفیت خود را نشان دهد. براساس آمارها، سازه‌های بتنی اگر به درستی طراحی و اجرا شوند، می‌توانند تا سال‌ها مورد بهره بردار قرار گیرند، بدون آنکه نیاز به تعمیر و نگهداری داشته باشند.