سازه LSF مخفف کلمه Lightweight Steel Frame یا همان سازه پیش‌ساخته سبک است. یکی از مزایای اصلی اسکلت فلزی سبک، تطبیق پذیری آن با طیف وسیعی از انواع ساختمان‌هایی است که می‌توان از آن استفاده کرد. کاربردهای اسکلت فلزی سبک از مسکن‌های کم ارتفاع گرفته تا سازه‌های چند طبقه و آسمان خراش‌ها، از جمله قاب‌های سازه‌ای پانلی، سیستم‌های دیوار پرکننده خارجی و ساخت و ساز مدولار کاملاً تمام شده در خارج از محل را شامل می‌شود. به دلیل کاربردهای بالای این نوع سازه، تیم مرکزآهن تصمیم گرفته است شما را با سازه LSF بیشتر آشنا کند.
کشو ایران از جمله کشورهایی است که در سال‌های اخیر با زمین لرزه و بلایای طبیعی متنوعی دست و پنجه نرم کرده است. وقوع این گونه مشکلات باعث شده است ساختمان سازی با روش‌های نوین و جدید اهمیت بالایی پیدا کند. یکی از روش‌های جدید ساختمان سازی، روش LSF است که امروز می‌خواهیم به بررسی آن بپردازیم. اصلی‌ترین هدف LSF، کاهش وزن ساختمان است. این نوع سازه که یک سیستم پیش ساخته است امروزه در بسیاری از ساخت و سازها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
سازه LSF از مقاطع فولادی جدار نازک باز تشکیل شده که این مقاطع با انجام عملیات نورد سرد بر روی ورق نازک فلزی ساخته می‌شود. مزایای زیاد این سیستم از جمله پیش ساخته بودن، سرعت زیاد در اجرا، سازگاری مناسب با محیط زیست، مقاومت لرزه‌ای مطلوب و صرفه اقتصادی، استفاده از این سیستم را با استقبال زیادی مواجه نموده است. از آنجا که در ایران قسمت عمده‌ای از تولید ورق با ضخامت‌های 2 تا 6 میلی‌متر، مصارف محدودی دارد و به دلیل وجود تکنولوژی نورد سرد در کشور؛ در صورت بهره گیری از این تکنولوژی، چشم انداز روشنی در صنعت ساختمان سازی به وجود خواهد آمد.
آنچه در ادامه خواهید خواند:
سازه LSF که طی سال‌های گذشته کاربرد فراوانی در کشورهای پیشرفته پیدا کرده چندی است که به عنوان یک راه حل مناسب برای برطرف نمودن مشکل کمبود مسکن؛ مورد توجه مسئولین و تصمیم‌گیران بخش ساختمان و مسکن در کشورمان قرار گرفته است. این سیستم پیش ساخته که به دلیل مطالعات و تحقیقات انجام شده در اغلب کشورهای دنیا به خوبی شناخته شده و مزایای قابل توجهی در ساخت و ساز ایجاد نموده است، در کشور ما سیستمی بسیار جدید و ناشناخته‌ای است. در ادامه به بررسی کامل این سازه خواهیم پرداخت.
از آنجایی که سیستم‌های پیش ساخته، دارای کیفیت بالایی هستند، به افزایش عمر مفید ساختمان و دوام ساخت آن کمک می‌کنند و باعث بهبود مقاومت سازه در برابر زمین لرزه می‌شوند؛ استفاده از آنها در سال‌های اخیر بسیار پرطرفدار شده است. از زاویه‌ای دیگر علاقه به ساخت سریع سازه برای رفع مشکل کمبود مسکن، استفاده از این روش‌ها را مرسوم کرده است.
استفاده از روش‌های صنعتی (روش‌هایی مانند LSF) باعث جایگزینی مصالح قدیمی و سنتی شده است. منظور این است که با تغییر روش‌های ساخت، مصالحی که برای ساخت سازه‌های قدیمی استفاده می‌شدند کارایی خود را از دست داده و در نتیجه مصالح جدید جایگزین شدند. مصالحی که برای ساختمان سازی جدید استفاده می‌شوند، دارای کیفیت بسیار بالایی نسبت به مصالح قدیمی هستند.
کمبود منابع موردنیاز برای تامین مصالح ساختمانی و لزوم صرفه‌جویی در مصرف مصالح و استفاده بهینه از آنها تمایل به استفاده از اعضای جدار نازک سرد نورد شده و انجام ساخت و ساز سریع را افزایش می‌دهد. از جمله مهمترین مواردی که تمایل به استفاده از این اعضا را افزایش می‌دهد عبارتند از:
محدود بودن منابع موردنیاز برای تامین مصالح ساختمانی و لزوم استفاده بهینه از مصالح: مقاطع جدار نازک سرد نورد شده نسبت به مقاطع گرم نورد شده دارای نسبت مقاومت به وزن بالاتری هستند و بنابراین جایگزین نمودن این مقاطع، با مقاطع فولادی سنگین، سبب افزایش بهره‌وری در صنعت ساخت و ساز می‌گردد.
افزایش غیرقابل اجتناب قیمت آهن آلات در بیشتر نقاط دنیا: مقاطع سرد نورد شده به دلیل سادگی تولید و زمان کمی که برای تولید آنها به کار می‌رود با قیمت مناسب‌تری در مقایسه با دیگر مصالح ساختمانی در دسترس هستند.
زمان طولانی صرف شده برای تولید مصالح ساختمانی: مقاطع سرد نورد شده نسبت به مقاطع گرم نورد شده یا مقاطع بتنی پیش ساخته در زمان بسیار کمتری تولید می‌شوند.
معایب و مزایای استفاده از سازه LSF بنا به شرایط پروژه مشخص می‌شود. بهتر است همه موارد را در نظر گرفته و با توجه به نیازها و محدودیت‌ها، بهترین انتخاب را داشته باشید. اما به طور کلی موارد زیر را می‌تواند از جمله معایب سازه‌های از پیش ساخته دانست:
برای اجرای سیستم ساختمانی LSF همانند سایر سیستم‌های رایج ساختمان سازی، ابتدا طرح‌های معماری و سازه‌ای و سپس نقشه‌های اجرایی تهیه شده و براساس آن سیستم، اجرا می‌شود.
شالوده
شالوده در زمان اجرا برای نصب دیوار نوارهایی با عمق 40 تا 50 سانتی‌متر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مرحله بعد آرماتوربندی، قالب بندی و بتن ریزی انکربولت‌ها در فاصله استاندارد در شالوده اجرا شده و دیوارها تعبیه می‌شوند. فاصله استاندارد تعریف شده برای شالوده به طور معمول از 40 تا 60 سانتی‌متر متغیر است.
پس از اجرای پی، نوبت به برپایی دیوارها می‌رسد. برای اجرای دیوار با استفاده از انکربولت‌هایی که از قبل به این منظور کار گذاشته شده‌اند، ابتدا تراک‌های کف نصب می‌شوند و سپس استادها به صورت کشویی داخل تراک کف قرار می‌گیرند. منظور از تراک، اعضای افقی است که از بالا و پایین به صورت کشویی استادها را در بر می‌گیرند. استاد یکی از بخش‌های اصلی برای ساخت و برپایی دیوار است که وظیفه تحمل بار را به عهده دارد.
در سیستم ساختمانی LSF، استاد و تراک‌ها جزئی از اعضای اصلی هستند. این اعضا به صورت پانلی، بار را به تکیه‌گاه منتقل می‌کنند. دیوار باربر وظیفه انتقال بار عمودی ساختمان، جذب بار جانبی و محافظت در برابر باد و زلزله را به عهده دارد. از دیوارهای غیر باربر بیشتر برای جدا کردن فضای داخلی سازه استفاده می‌شود. برای اینکه عبور تاسیسات راحت انجام شود، استادها قبل از نصب، سوراخکاری می‌شوند.
این استادها با فاصله 40-60 سانتی متری به تراکت‌ها متصل می‌شوند. در سیستم ساختمانی lsf، معمولا دیوارها با اتصال دادن استادهای فولادی به تراک‌های فولادی؛ بادبندی شده و با نصب پانل‌های گچی به شکل پانلی ساخته می‌شوند. در صورت اضافه کردن بادبند این شیوه ساخت برای مقاومت در برابر بارهای جانبی؛ از جمله بارهای حاصل از باد و زمین لرزه خیلی مناسب است.
مهاربندها با استفاده از ورق‌های نازکی به ضخامت 0.8 تا 2 میلی‌متر ساخته می‌شوند. به دلیل نحوه ساخت، مهاربندها تنها قادر به تحمل بار کششی در سازه هستند. برای اینکه اطمینان حاصل شود، مهاربند بعد از مواجه با بارهای جانبی، باربری را شروع می‌کند؛ اجزای این اعضا معمولا توام با پیش کشش اولیه است.
جالب است بدانید در اجرای مهاربند برای سازه‌های مدل LSF برخلاف سازه‌های فولادی پیاده سازی می‌شود! در سازه فولادی، مهاربند ضربدری و در دو انتهای قالب‌ها متصل می‌شوند، این در صورتی است که برای سازه lsf علاوه بر اینکه مهاربند در انتها متصل می‌شود، با کمک پیچ به تمام استادهای میانی نیز متصل می‌شود.
شیوه‌های اجرایی گوناگونی برای سقف‌ها و بام در سیستم LSF بکار گرفته می‌شود به طوری که انواع بام‌ها از فرم‌های ساده مسطح گرفته تا بام‌های متقاطع با شیب‌های غیر مساوی، قابل اجرا هستند. دو نوع از معمول‌ترین شیوه اجرای بام‌ها عبارتند از:
در ساخت و ساز سقفهای میانی در سیستم LSF تیرریزی‌ها عموما در امتداد استادهای دیوار انجام می‌گیرد. هریک از تیرها معمولا بار خود را مستقیما به استادها منتقل می‌نمایند. قطعات فوق، معمولا با اشکال C و یا Z ساخته و اجرا می‌شوند.
پوشش این نوع سقف‌ها معمولا با بتن ریزی و یا با نصب تخته‌های چوبی یا گچی انجام می‌شود. در مناطقی که وزش باد شدید داشته و یا زلزله خیز است، قاب سقف را باید مهاربندی کرد. علاوه بر آن برای مقاومت در مقابل باد و بلند شدن بام باید اتصال مناسبی بین دیوارهای باربر و سقف انتخاب نمود. اجرای فوم و روفیکس علاوه بر ایجاد عایق صوتی و حرارتی مناسب؛ از نفوذ شیره بتن هنگام بتن‌ریزی جلوگیری می‌نماید.
همان طور که گفته شد مقاطع CFS که به عنوان تیرچه‌های سقف یا استادهای دیوار به کار می‌روند در طول عضو، دارای سوراخ‌هایی بوده که برای عبور و نصب تاسیسات از آنها استفاده می‌گردد. با توجه به پیش ساخته بودن سیستم و بهره‌گیری از اتصالات پیچی، امکان دسترسی به اتصالات جهت تعمیر، ترمیم و یا تعویض برخی قطعات به سادگی امکان‌پذیر بوده و به عنوان یکی دیگر از مزایای سیستم LSF که منجر به افزایش عمر مفید ساختمان نیز خواهد شد محسوب می‌گردد.
به منظور مشخص شدن تفاوت‌های سازه LSF با سیستم‌های سنتی رایج در کشور در ساخت ساختمان‌های کوتاه مرتبه و میان مرتبه، در این قسمت چندین پروژه مختلف با استفاده از سیستم سازه فولادی معمولی؛ سازه بتنی و سیستم LSF طراحی شده و نتایج به دست آمده با یکدیگر مقایسه شده است. پروژه‌های انجام شده شامل ۳ ساختمان دو طبقه، سه طبقه و پنج طبقه است که با استفاده از هر سه روش طراحی شده و مقایسه نسبتا جامعی از نتایج به دست آمده ارائه شده است.
| مشخصات | سیستم ساختمانی | سیستم سازه | سیستم مقاوم در برابر نیروهای جانبی | ضریب رفتار (R) | سیستم سقف | |||
| تعداد طبقات | جهت X | جهت Y | جهت X | جهت Y | جهت X | جهت Y | ||
| 2 و 3 | فولادی | قاب خمشی | قاب ساده | قاب خمشی متوسط | قاب مهاربندی شده | 7 | 6 | تیرچه بلوک |
| بتنی | قاب خمشی | قاب خمشی متوسط | 7 | تیرچه بلوک | ||||
| lsf | قاب ساده | سیستم مهاربندهای کششی | 4 | کامپوزیت | ||||
| 5 | فولادی | قاب خمشی | قاب ساده | قاب خمشی متوسط | قاب مهاربندی شده | 7 | 6 | تیرچه بلوک |
| بتنی | قاب خمشی | سیستم دوگانه متوسط | 8 | تیرچه بلوک | ||||
| lsf | قاب ساده | دیوار برشی بتنی متوسط | 5 | کامپوزیت | ||||
استفاده از سازه LSF در ساخت انواع ساختمان‌های ۱ و ۲ طبقه مسکونی، ویلایی، اداری، دفاتر تجاری کوچک، آموزشی و واحدهای صنعتی به دلیل مزایای فراوان از جمله سبک بودن، اقتصادی بودن، مصرف کم مصالح ساختمانی، افزایش فضای مفید داخلی، عملکرد صوتی مطلوب و اتلاف کم انرژی در بسیاری از کشورهای دنیا مرسوم هستند. لازم به ذکر است که برای اجرای هر متر مربع از سازه LSF در حدود ۳۰۰ کیلوگرم ماده اولیه نیاز بوده و ضایعات به جامانده کمتر از ۲ تا ۳ کیلوگرم خواهد بود.
این در حالی است که در سیستم‌های سنتی، ماده اولیه برداشت شده از طبیعت بیش از ۱۰۰۰ کیلوگرم است که حداقل ۱۰۰ کیلوگرم ضایعات ساختمانی غیر قابل بازیافت به دنبال خواهد داشت. به این ترتیب در صورتی که به عنوان مثال، سالانه صد هزار واحد مسکونی ۷۵ متری (معادل با هفت و نیم میلیون متر مربع ساختمان) با سیستم LSF اجرا شود منجر به صرفه‌جویی قابل توجهی در استفاده از منابع ملی خواهد شد.
جدول مقایسه ویژگی های سازه lsf با سیستم ساختمان فولادی و بتنی
| پارامترهای مهم | سیستم lsf | سیستم سازه فولادی معمولی | سیستم سازه بتنی | |
| جهت X | جهت Y | |||
| مقدار فولاد و آرماتور مصرفی | 25.12 | 55 | 33.25 | |
| مقدار بتن مصرفی | 240.4 | 546.5 | 1140.4 | |
| وزن اسکلت ساختمان (ton) | 4.53 | 10.25 | 112.25 | |
| وزن کل ساختمان (ton) | 86.4 | 209.18 | 317.6 | |
با توجه به مطالب ارائه شده در قسمت‌های قبل به کارگیری سازه LSF در صنعت ساختمان سازی ایران دارای مزایای زیادی است که مهمترین آنها در جدول زیر ارائه شده است.
| ردیف | گروه ها | مزایا |
| ۱ | طراحان | انعطاف در طراحی – تنوع در مصالح نما- برآورده نمودن الزامات مربوط به استانداردهای ساختمان – طراحی یک سیستم مدرن ساختمانی – رعایت کامل مقررات مبحث ۱۹ به صورت خودکار |
| ۲ | سازندگان | سرعت در اجرای سیستم – کاهش هزینه نیروی کار – زمان کم توقف – فعالیت موازی و بدون وقفه در دیگر بخش های ساختمان- امکان انجام تعمیرات و مقاوم سازی سریع بدون ایجاد خلل در کاربری سهولت در نصب سیستم های تاسیساتی – نیاز کم به تجهیزات – نیاز به فضای کم کارگاهی – ایمنی در محل کارگاه – پیش ساختگی و تولید انبوه – سبک بودن سازه- کاهش هزینه ها |
| ۳ | استفاده کنندگان | هزینه های بهره برداری کمتر – عملکرد صوتی خوب- محیط داخلی سالم- مقاومت در برابر آتش- مقاومت در برابر زلزله وتوفان های شدید- افزایش فضای مفید داخلی |
| ۴ | مسئولان و حامیان محیط زیست | مصالح کمتر و قابل بازیافت بودن- ترافیک کمتر و حمل و نقل – جلوگیری از اتلاف انرژی- پاکیزگی کارگاه ساختمانی- کاهش مصرف انرژی |
| ۵ | منابع ملی | نیاز به ماده اولیه به مراتب کمتر نسبت به سیستم های سنتی – امکان بازیافت ضایعات ساختمانی به طور کامل |
استفاده از سازه LSF به دلیل مزایای فراوان از جمله سرعت و کیفیت بالای ساخت و عملکرد لرزه‌ای مناسب در سال‌های اخیر در بسیاری از کشورهای دنیا رواج قابل توجهی یافته است. سازه LSF که از اعضای فولادی سرد نورد شده ساخته می‌شود از سال ۱۹۴۶ وارد صنعت ساختمان شد اما به دلیل اقتصادی نبودن کاربرد محدودی یافت. از سال ۱۹۹۰ به دلایل زیاد از جمله افزایش قیمت چوب و محدود بودن منابع تهیه آن، مشکلات زیست محیطی، نیاز به تولید سریع و انبوه مسکن و ضرورت استفاده از پیش ساخته سازی؛ سیستم LSF کاربرد وسیعی یافت به طوری که امروزه این سیستم در آمریکا؛ کانادا؛ استرالیا؛ ژاپن و بسیاری از کشورهای دیگر در احداث ساختمان‌های تجاری و مسکونی کوتاه مرتبه و میان مرتبه، کاربرد زیادی دارد. در ادامه تاریخچه مختصری از سازه LSF در کشورهای گوناگون ارائه شده است.
در شمال آمریکا چوب برای قرن‌ها به دلیل فراوانی؛ دسترسی آسان؛ ارزان بودن قیمت نسبت به دیگر مصالح ساختمانی و همچنین راحتی کار ساخت و ساز به عنوان کاربردی‌ترین مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گرفت. لیکن از سال ۱۹۳۰ توجه به ملاحظات زیست محیطی و تلاش برای اقتصادی کردن فعالیت‌های ساخت و ساز ساختمان؛ سبب شد تحقیقات گسترده‌ای به منظور شناسایی مصالح ساختمانی مناسب، جهت جایگزین نمودن با مصالح ساختمانی نامناسب و نیز یافتن روش‌های نوین ساخت و ساز انجام شود.
این تحقیقات در واقع شروعی برای بکارگیری قطعات CFS در صنعت ساختمان سازی در آمریکا گردید. از سال ۱۹۵۶ به دلیل تنزل قابل توجه در کیفیت چوب و ارزان شدن قیمت فولاد، سازه LSF مورد توجه متخصصین؛ مسئولین و سازندگان ساختمان قرار گرفت، به طوری که سازندگان ساختمان از قطعات سبک فولادی در ساخت دیوارهای غیرباربر جدا کننده و همچنین ساخت دیوارهای پیرامونی در ساختمان‌های بلند بهره بردند.
تا سال ۱۹۹۰ بکارگیری قطعات CFS در بخش ساختمان سازی تجاری رواج یافت ولی به دلیل هزینه بالای ساخت و ساز مسکن با قاب فولادی سبک؛ استفاده از این سیستم در ساخت و ساز مسکن به طور گسترده مورد قبول واقع نشد. در سال ۱۹۹۲ تعداد ۵۰۰ خانه مسکونی با بهره‌گیری از سیستم قاب فولادی سبک ساخته شد. در سال‌های ۱۹۹۳ و ۱۹۹۴ تعداد خانه‌های ساخته شده با این روش به ترتیب به ۱۵۰۰۰ و ۷۵۰۰۰ واحد افزایش یافت. این رقم در سال ۲۰۰۲ به پنج برابر نسبت به سال ۱۹۹۴ افزایش یافت.
مزایای قابل توجه استفاده از این روش مانند سازگاری با محیط زیست، تقلیل میزان ضایعات ساختمانی، امکان استفاده مجدد از قطعات به کار رفته در ساخت و امکان بازیافت قطعات به کار رفته با هزینه مناسب، سرعت بالای ساخت و اقتصادی بودن؛ فولاد را به عنوان عنصر اصلی ساخت و ساز در آمریکا مطرح نمود به طوری که امروزه سهم قابل توجهی از ساختمان‌های مسکونی ساخته شده در آمریکا با استفاده از سیستم قاب فولادی سبک ساخته می‌شود.
در کشور انگلستان از سال ۱۹۳۰ به کارگیری فولاد در ساختمان‌سازی رونق گرفت و از دهه ۱۹۴۰ برای تامین قطعات فولادی مورد نیاز، از مقاطع فولادی فرم داده شده در حالت سرد برای جایگزین نمودن با قطعات فولادی گرم و سنگین در ساختمان‌های صنعتی استفاده شد. در حال حاضر بالغ بر ۲۰ تن از سازندگان مطرح خانه‌های مسکونی در انگلستان به منظور ساخت خانه‌های یک و دو طبقه از این سیستم استفاده می‌کنند.
در کشور ژاپن قبل از جنگ جهانی اول، بیشتر ساختمان‌های شهری از چوب ساخته می‌شد! با شروع جنگ جهانی اول و به دنبال آن وقوع آتش سوزی‌های گسترده در مناطق مسکونی، بخش وسیعی از این خانه‌ها در اثر آتش سوزی ویران شدند. به منظور جبران خسارات ناشی از جنگ در بخش مسکن نیاز به ساخت سریع چهار میلیون واحد مسکونی بود که بازسازی مجدد خانه‌های ویران شده با روش سنتی معادل با صرف زمانی در حدود ۱۵۰ سال برای تولید الوارهای چوبی لازم جهت ساخت بود.
دولت ژاپن برای سامان‌دهی به امر ساخت و ساز در کشور و فعال کردن کارخانجات تولید کننده مسکن، وزارت ساختمان را در این کشور تاسیس نمود. این وزارتخانه برای تامین مسکن موردنیاز، سیاست‌های جدیدی را برای طراحی؛ تولید و ساخت مسکن ارائه نمود که از آن جمله می‌توان به استفاده از ساختمان‌های پیش ساخته با استفاده از مصالح ساختمانی غیر آتش زا؛ کوتاه کردن مدت زمان عملیات ساختمانی در کارگاه و نهایتا تلاش برای محافظت از منابع چوب اشاره کرد.
با توجه به این دیدگاه، بکارگیری قطعات فولادی سرد نورد شده در بخش مسکن به سرعت پذیرفته شد و صنعت فولاد ژاپن، اقدام به ساخت قطعات فرم داده شده از ورق فولادی با ضخامت نازک، جهت جایگزین کردن با قطعات چوبی نمود. لذا از سال ۱۹۵۰ سهم سازه LSF در ساخت و ساز مسکن ژاپن افزایش قابل توجهی یافت. همان طور که ذکر شده سیستم ساختمانی قاب فولادی سبک، موسوم به سازه LSF با استفاده از مقاطع فولادی سرد نورد شده برپا می‌شود.
به منظور آشنایی بیشتر با مقاطع فولادی سرد نورد شده، مطالعه مطلب کاربردهای مقاطع سرد نورد شده از تیم مرکزآهن می‌تواند کمک بسیار بزرگی برای شما باشد.
کلام آخر
سازه lsf که به عنوان یکی از انواع سازه‌های کاربردی شناخته می‌شود، امروزه در ساختمان سازی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. سازه اسکلت فلزی سبک، علاوه بر اینکه در کشور ایران مورد استفاده قرار می‌گیرد، در کشورهای پیشرفته دیگر نیز کاربرد دارد. دلیل استفاده فراوان از سازه‌های اسکلت فلزی سبک، مزایای بی‌شمار و پیاده‌سازی آسان آن است. در این مطلب شما با تمام این موارد آشنا شدید. در ساخت و ساز و پیاده سازی اسکلت فلزی سبک از مصالح متنوعی استفاده می‌شود که از جمله آنها می‌توان به انواع میلگرد، تیرآهن، نبشی، ناوردانی و … اشاره کرد. قیمت میلگرد ، تیرآهن و دیگر مصالح در سایت مرکزآهن قابل بررسی است.