امروزه ساختمان سازی به ویژه مسکن از نیازهای عمده جامعه ما است از این رو تحقیق در این زمینه از اهمیت خاصی برخوردار می باشد. در ساخت و ساز انبوه از روش های مختلفی برای سیستم باربر ساختمان استفاده می شود که پس از استفاده وسیع از این سیستم ها اکنون معایب هرکدام از آن ها به وضوح مشخص شده است. در اکثر شهرهای کشور ما عمدتا از سازه های بتن مسلح استفاده می شود. از طرفی در سازه های بتنی درجا نیز ساخت بتن و نحوه بتن ریزی در محل بسیار مهم است، مشکلات اجرای بتن مسلح درجا، زمان بر بودن پروسه اجرای آن، نیاز کشور به سرعت بیشتر در امر ساخت و ساز و اهمیت زیاد رعایت دقیق استانداردهای ساختمانی در امر اجرا به دلیل زلزله خیز بودن مناطق مختلف کشورمان باعث شده که در طول سالیان گذشته نتایج فاجعه باری ناشی از تخریب یا بروز حادثه در ساختمان ها، تلفات جانی و خسارات مادی فراوانی به بار آید. جهت مطالعه انواع ساختمان های پیش ساخته مقاله مربوطه در سایت مرکزآهن را مطالعه نمایید.
وجود مشکلات اشاره شده موجب شده تا طراحان به فکر روش های دیگری برای حل این معضلات و کاهش هزینه ها بیفتند. در راستای این هدف استفاده از قطعات پیش ساخته در سازه های بتنی یکی از روش هایی است که در سال های اخیر به آن پرداخته شده است. این نوع سازه ها در بسیاری از موارد به علت ویژگی های مهمی مانند سرعت بالای اجرا، استفاده از نیروی انسانی کمتر، کیفیت بالای اجرای قطعات و قابلیت راحت تر اجرایی در شرایط سخت جوی نسبت به سازه های بتنی درجا مزیت دارند.
استفاده از بتن پیش ساخته به عنوان یکی از راه کارهای بهینه کردن اجرا در صنعت ساختمان به بیش از صد سال پیش باز می گردد. در مقایسه سیستم های بتنی پیش ساخته اجرا شده در اروپا و آمریکا طی 30 سال گذشته می توان گفت که توسعه آن ها در دو جهت کاملا مخالف صورت گرفته است. در اروپا به دلیل پایین بودن نسبت هزینه کارگر به هزینه مصالح، صرفا پروژه های بسیار کمی که از شیوه های کاملا ابداعی استفاده نموده اند قابلیت اجرایی داشته اند. از سوی دیگر در آمریکا تقاضا برای کارگران ماهر ساختمانی معمولا بیش از عرضه می باشد بنابراین استانداردسازی کاملا مناسب می نماید.
ظرفیت های تولید در آمریکای شمالی از نقطه نظر کمیت بیشتر از اروپا می باشد هرچند این وضعیت به سرعت در حال تغییر است چرا که فاصله میان هزینه کارگر و مصالح در اروپا اکنون در حال کاهش بوده و به زودی امکان به کارگیری عناصر پیش ساخته با کیفیت بالا که در آمریکا تولید و استفاده می شود در اروپا نیز فراهم خواهد شد. در ایران نیز پس از استفاده وسیع از سیستم های فولادی و بتنی درجا در مناطق مختلف و شناخت معایب و مزایای هرکدام، اکنون استفاده از سیستم پیش ساخته در حال گسترش می باشد.
تجربیات گذشته در زمینه استفاده از سیستم های پیش ساخته در سازه ها از لحاظ عملکرد آن ها تحت بار زلزله چندان مطلوب نبوده و تجربیات فراوانی در فروریزی این سازه ها در اثر بار زلزله در طول سال ها وجود داشته است و این امر محققین را بر آن داشته تا تحقیقات خود را در زمینه طراحی و ساخت این سازه ها گسترش دهند.
در اغلب تحقیقات انجام شده ضعف اتصالات اعضای پیش ساخته از مهم ترین معایب استفاده شده در این روش گزارش شده که باعث شده در بسیاری کشورهای جهان سازه های بتنی پیش ساخته در مناطق با لرزه خیزی زیاد مورد استفاده قرار نگیرند.
استفاده از سازه های پیش ساخته بتنی مزایای فراوانی دارد که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد
معایب استفاده از پیش ساختگی نیز در زیر آمده است
سیستم جعبه ای
در این سیستم پیش ساخته، اعضای سازه ای از قطعات مکعب مستطیل توخالی تشکیل شده اند و هر یک می توانند کل یا قسمتی از یک واحد مجزا را تشکیل دهند. به دلیل کم بودن تعداد اتصالات در این روش ساخت، سرعت اجرای این نوع سیستم بسیار بالا بوده و مناسب برای ساخت سازه های موقت با ارتفاع کم است و امکان استفاده مجدد از قطعات وجود دارد. باید توجه داشت که وزن و ابعاد بسیار زیاد قطعات مشکل اصلی این سیستم است.
سیستم دیوار باربر
در این سیستم سازه متشکل از صفحات و دیوارهای پیش ساخته سازه ای است که در نقاط برخورد، قطعات با تمهیدات خاص به یکدیگر متصل می شوند. از این روش می توان برای ساخت سازه های مقاوم لرزه ای با ارتفاع متوسط استفاده نمود. سرعت ساخت در این روش با توجه به تعداد کم اتصالات، بالا بوده ولی اغلب اعضا دارای ابعاد و وزن زیادی هستند. این روش ساخت به دلیل استفاده از المان هایی با ابعاد بزرگ، انعطاف پذیری کمی نسبت به مسائل معماری داشته و در طراحی آن لازم است به نکات معماری توجه شود.
سیستم سازه ای اسکلتی
سازه هایی با سیستم باربر اسکلتی از قاب هایی متشکل از تیرها و ستون ها تشکیل شده است. اتصالات اعضای پیش ساخته در این روش ساخت، ممکن است مفصلی و یا گیردار باشند که در صورت استفاده از اتصالات مفصلی لازم است سیستم باربری جهت تحمل بارهای جانبی در نظر گرفته شود. این سیستم خود به زیر گروه هایی تقسیم می شود:
سازه های اسکلتی با ستون یکپارچه
در این دسته از سازه های پیش ساخته، ستون ها به صورت یکپارچه بوده و تیرها بسته به طول دهانه و نوع اتصال ساخته می شوند. اتصال تیرها به ستون در این نوع سازه ها می تواند صلب یا مفصلی باشد. در اتصال مفصلی تیرها بر روی کربل یا نشیمنگاه های تعبیه شده روی ستون در تراز طبقه قرار می گیرند و در اتصال صلب، بهتر است از روش لامبدا استفاده شود.
سازه های اسکلتی با ستون مجزا
در این سیستم ارتفاع ستون ها یک یا دو طبقه بوده و بنابراین در ارتفاع کل سازه اتصالات ستون- ستون وجود دارد. این اتصالات می توانند مفصلی یا صلب باشد که در صورت استفاده از اتصال مفصلی باید از طریق سیستم دیگری، باربری جانبی سازه فراهم شود. دیگر اعضای به کار رفته در این روش ساخت، همانند سازه های پیش ساخته با ستون یکپارچه است. ابعاد و وزن اعضای پیش ساخته به کار رفته در این روش با هم اختلاف چندانی نداشته و در نتیجه حمل و نقل قطعات به راحتی امکان پذیر است. این سیستم برای ساخت سازه هایی با ارتفاع 10 تا 60 متر مناسب است. کوچکی ابعاد قطعات و در نتیجه تعداد اعضای به کار رفته در سازه، باعث شده سازه های اسکلتی با ستون مجزا از نظر اجرایی دارای سرعت کم و هزینه و نیروی انسانی بیش از سیستم مشابه با ستون یکپارچه باشد.
سازه های اسکلتی قاب پرتال
در این سیستم اعضای پیش ساخته به شکل H، T، L و ... استفاده می شود. به دلیل کم بودن تعداد قطعات و در نتیجه کاهش تعداد اتصالات، این روش ساخت برای اجرای ساختمان های کوتاه نسبت به دو سیستم قبل برتری دارد. اتصالات در راستای اعضای پرتال اغلب به صورت صلب بوده و در جهت دیگر می تواند صلب یا مفصلی باشد. توصیه می شود در صورت استفاده از اتصالات مفصلی، از سیستم های باربر جانبی در آن راستا استفاده شود. با توجه به استفاده از اعضای قابی شکل که قادر به تحمل بارهای جانبی هستند، این سیستم ساخت به تنهایی دارای باربری جانبی در جهت اعضای پرتال بوده و در راستای دیگر بسته به سیستم اجرایی و اتصالات می تواند دارا یا فاقد باربری جانبی باشد.
علی رغم مزایای بسیار زیاد استفاده از صنعت پیش ساختگی در طراحی و اجرای ساختمان ها؛ اتصالات بین قطعات پیش ساخته اهمیت فراوانی در عملکرد این نوع سازه ها به خصوص تحت بار جانبی ایفا می کنند و این موضوع به طور ویژه در مناطق با لرزه خیزی بالا بسیار حائز اهمیت است. رفتار اتصالات پیش ساخته از دو جنبه مقاومت و شکل پذیری باید مشابه اتصالات اعضا در سازه های با بتن درجاریز و یا حتی بهتر از آن ها باشد.
طراحی از نقطه نظر مقاومت
اتصال بین اعضای پیش ساخته باید طوری طراحی گردد که قابلیت انتقال نیرو بین اعضا به شکل مطلوبی امکان پذیر باشد. امروزه طراحی سازه ها (پیش ساخته و درجا) به صورتی انجام می گردد که تحت زلزله های شدید پاسخ غیر خطی پایداری از خود نشان دهند. به عبارتی اتصال باید طوری طراحی شود که قابلیت انتقال نیروی بین اعضای سازه را با شرایط کاملا کنترل شده داشته باشد.
طراحی از نقطه نظر شکل پذیری
شکل پذیری در یک سازه بیان می کند که ناحیه های غیر خطی سازه توانایی ورود به ناحیه پلاستیک و امکان تحمل تغییر شکل های بزرگ تر از تغییر شکل تسلیم را دارند. در عین حال سایر نقاط سازه مقاومت کافی برای تحمل نیروهای اعمالی در نواحی پلاستیک را دارند.
تفاوت اصلی بین سیستم های یکپارچه و سیستم های پیش ساخته در اتصالات آن ها می باشد. سیستم های پیش ساخته از اعضای پیش ساخته تشکیل شده که در محل اجرا به وسیله اتصالات به هم متصل می شوند. اتصالات پیش ساخته را از چند جنبه می توان دسته بندی کرد:
از این لحاظ اتصالات به دو دسته تر و خشک تقسیم می شوند:
اتصالات تر
در این نوع اتصالات پس از کنار هم قرار دادن قطعات پیش ساخته فاصله آن ها با بتن پر شده و اتصال برقرار می گردد. این امر گاهی از طریق هم پوشانی میلگردها و سپس بتن ریزی درجا در تیر یا ستون و یا چشمه اتصال تامین می شود و هدف نزدیک کردن رفتار اتصال به اتصال درجا و عملکرد مناسب تر لرزه ای اتصال است.
اتصالات خشک
در این انتقال نیرو از طریق جوش یا پیچ کردن اعضای مدفون انجام شده و پیوستگی را تامین می کند. رفتار این اتصالات در برابر بارهای لرزه ای چندان قابل اعتماد نیست.
اتصالات سازه پیش ساخته را از این لحاظ می توان به سه دسته تقسیم کرد
اتصال صلب
این نوع اتصال برای مقاومت در مقابل بار قائم و جانبی در قاب ها به کار می رود و می تواند نیروی برشی، لنگر خمشی و نیروی محوری را انتقال دهد. در این اتصال میزان دوران تیر و ستون با هم برابر است.
اتصال نیمه گیردار
اتصالات نیمه گیردار مانند اتصالات گیردار می باشند با این تفاوت که بزرگی لنگر انتقال کاهش می یابد و دوران تیر و ستون در محل اتصال با هم برابر نیست. در بعضی از این اتصالات برخی از عناصر تشکیل دهنده اتصال مانند آرماتور کششی یا وصله ها و مهاربندهای کششی بعد از جاری شدن دچار پارگی و جداشدگی ناگهانی می شوند و دیگر قابلیت بارگذاری ندارند و چنین رفتارهایی باعث کاهش شکل پذیری این اتصالات می شود.
اتصال ساده
اتصالات ساده در برابر دوران تیر از خود مقاومت چندانی نشان نمی دهند و فقط برش و نیروی محوری را منتقل می کنند. قاب هایی که در آن ها از این اتصالات استفاده شده است فقط بارهای ثقلی را انتقال می دهند.
اتصال قوی
در این نوع اتصال به دلیل قوی بود ادوات، اتصال قوی تر از تیر بوده و در صورت اعمال بار اضافه گسیختگی در خارج از ناحیه اتصال رخ داده و اتصال الاستیک باقی می ماند. به عبارت دیگر مفصل پلاستیک در خارج از اتصال تشکیل می گردد.
اتصال شکل پذیر
در این نوع اتصال برخلاف اتصال قوی، گسیختگی و جذب انرژی در ناحیه اتصال رخ داده و مفصل پلاستیک در ناحیه اتصال تشکیل می شود. برای طراحی اتصالات از این نوع می توان با بکارگیری جزئیات خاص، قابلیت جذب انرژی را در اتصال افزایش داد.