انواع سازه های فلزی و کاربرد های آنها

انواع سازه های فلزی در ساخت و ساز مدرن امروز جایگاه ویژه‎ای دارند. بسیاری از سازه‌های عظیم ورزشگاهی، نمایشگاهی، سوله‌‌ها، پل های ارتباطی و حتی ساختمان‎های چند طبقه به واسطه ساز‌ه‌های فلزی بنا می‎شوند. سازه‌های عظیم، نیاز به فولادی مقاوم و مستحکم با قابلیت جوش پذیری دارند. سنگ آهن بعد از استخراج دارای ناخالصی‎هایی است که با روش فلوتاسیون حذف می‎شوند. سپس تبدیل به پودر سنگ آهن، گندله و آهن اسفنجی می‎شود. طی مراحلی به کنسانتره آهن تبدیل خواهد شد. این کنسانتره پس از طی مراحل خردایش، آسیاب کشی، پرعیارسازی و آبگیری بدست می آید. با توجه به نیاز صنایع، فولاد یا عناصر فلزی با عیارهای مختلف آلیاژی، غیرآلیاژی و فروآلیاژی تولید می‎شوند. سپس این کنسانتره به کارخانه ها برای تولید ورق‎ها، مقاطع و پروفیل فولادی فرستاده می‎شوند. می‎توانید برای آشنایی با پروفیل به مبحث «پروفیل چیست» مراجعه کنید.

برای افزایش یا تغییر در ویژگی‎های مختلف فولاد، از فروآلیاژ هایی مانند فروسیلیس، فرومنگنز و فروسیلیکو منگنز استفاده می‌کنند. البته این فروآلیاژها در صنایع دیگر نیز کاربرد دارند. به طور مثال فروسیلیس در صنعت جوشکاری و الکترود گرافیتی استفاده می‎شود. پس فولاد استفاده شده در سازه‌‌های فلزی باید دارای ویژگی های مهمی باشند. به دلیل اینکه بناست وزن‎های زیادی را در زمان واحد تحمل کند و در شرایط بیرونی، کمترین تأثیر منفی را داشته باشد.

سازه فلزی چیست؟

برای آشنایی با انواع سازه های فلزی ابتدا با تعریف «سازه فلزی» آشنا می‌شویم. سازه فلزی به سازه‎ای گفته می‌شود که بیشترین بخش از مصالح آن، از فلز یا به طور خاص فولاد تشکیل می‎شود. در حال حاضر در سراسر جهان فولاد به شکل های مختلف، جزو مهمترین مصالح در ساخت و سازها به شمار می‌آید. سازه فلزی که با نام اسکلت فلزی نیز شناخته می‌شود از تیر و ستون تشکیل می شود. اتصالات بین این دو نیز به وسیله جوشکاری، پرچ، پیچ و مهره انجام می شود. این ستون‎ها با اتصال به یکدیگر، باعث نگهداری سقف، دیوار و کف می‌شوند. ناگفته نماند تیرها که شبیه I هستند بخش افقی سازه فلزی را تشکیل داده و ستون ها بخش عمودی را می‎سازند.

ستون‎ها بر اساس شکل سطح مقطع به انواع مربع، مستطیل، دایره ای، T شکل و L شکل تقسیم بندی می‎شوند. انواع تیر نیز به تیرهای خرپا، تیرهای هیپ، تیر فرعی (تیرچه)، تیر اصلی (شاه تیر) و تیرهای ترکیبی دسته بندی می‎شوند. بهترین کارخانه های تولید پروفیل و مقاطع فولادی، تمام یا اکثر مقاطع فولادی ذکر شده را در لیست تولید خود دارند.

سازه‌های فولادی به چهار گروه تقسیم می‎شوند:

انواع سازه های فلزی مانند سازه قابی (Framed Structure)

یکی از رایج ترین انواع سازه های فلزی، سازه فلزی قابی یا قاب بندی شده است. برای تمام سازه‎های فلزی قابی از پروفیل‎های I شکل استفاده می‌کنند. به عبارتی از ستون عمودی و افقی یک شبکه‎ای به شکل مستطیل ساخته می‎شوند. شاید اسکلت‎های بزرگ فلزی را در شهر دیده باشید که خانه های دو یا سه طبقه تا آسمان خراش‎ها را شامل می‎شوند. در سازه فلزی قابی، اسکلت از فولاد است اما برای ساخت دیوارها، سقف و طبقات از سایر مصالح مانند آجر، سیمان، بلوک و بتن استفاده می‌کنند. بنابراین وظیفه سازه فلزی قابی اتصال سایر مصالح به یکدیگر و سازه فلزی است. استفاده از این روش مزایای بسیاری دارد:

سرعت در ساخت و نصب بالاست.
می‌توان به اشکال مختلفی آن را ساخت.
نخاله و دورریز ساختمانی بسیار کم می‎شود.
فضایی که قابل پوشش است بیشتر خواهد بود.
وزن آن نسبت به سازه‎های بتنی بسیار کمتر است.
نحوه اتصال تیر و ستون‏ها به روش اتصال ریلی، نقطه‎ای یا پیچی انجام می‎شود.

رایج‌ترین شکل استفاده از انواع سازه فلزی، سازه فلزی قابی است که در ساخت و ساخت برج ها، ساختمان های مسکونی، تجاری و… کاربرد دارد. در واقع اگر سازه قابی ابداع نشده بود هرگز امکان ساخت آسمان خراش ها، ساختمان‎های عظیم با زیربنا ها و تعداد طبقات زیاد امکان‌پذیر نبود. علاوه بر این در ساخت انواع کارگاه ها، کارخانه‌های صنعتی، انبار و سازه های مختلف موقت نیز کاربرد دارند.

انواع سازه های فلزی مانند سازه پوسته ای (Shell Structure) و کاربرد آن

یکی دیگر از انواع سازه های فلزی، سازه فلزی پوسته‎ای است. سازه فلزی پوسته‎ای به سازه‎ای اطلاق می شود که مواد اولیه آن ورق های فولادی هستند. از این ورق‎ها برای ساخت جداره یا پوسته سازه استفاده می‎کنند. پس برای ساخت سازه‎هایی به شکل استوانه، کره‎ای و… کاربرد دارد. برای ساخت این نوع سازه‎ها از داربست و قالب استفاده نمی‌شود. از قطعات و مقاطع فرعی برای قسمت‎هایی از پوسته که خمیده می‎شوند استفاده می کنند. پس می توان مساحت های بزرگتری را با استفاده از آن پوشش داد و ساخت.

پوسته‎های فولادی وزن بسیار سبکی دارند و در ابعاد و اشکال متنوع در بهترین کارخانجات فولاد تولید می شوند. از دیگر ویژگی‌های مثبت آن مقاومت فوق العاده بالا در برابر نیروهای کششی، فشاری و برشی است. سازه های فلزی پوسته‎ای برای ساخت حجم های گنبدی، مخروطی، استوانه و کره ای کاربرد دارند. ساخت سیلوهای کشاورزی، تانکر آب، مخزن سیالات در صنایع پتروشیمی از دیگر موارد کاربرد آن محسوب می‌شود. یکی از ایرادات مهم این نوع سازه، عدم ایجاد خم طولی و عرضی قطعات فولادی در کارگاه است.

سازه فلزی معلق (Suspension Structure)

از دیگر انواع سازه های فلزی می‎توان به سازه فلزی معلق اشاره کرد. این نوع سازه دارای سطحی افقی یا یک صفحه افقی است که توسط کابل های کششی با قدرت و استحکام بالا ثابت نگه داشته می‌شوند. شیوه معماری آن به گونه ای است که فقط در هسته مرکزی، عضو قائم وجود دارد و بقیه فضاها باز هستند. شکل آن کاملاً مشابه به نمودار لحظه ای است. در اکثر سازه های فولادی معلق، اغنا وجود دارد. این امر به دلیل مقاومت در برابر باد، لرزش و ارتعاش (فشارهای خارج از مرکز) است.

مهمترین نقش در ثبات سازه های معلق مربوط به کابل و کابل تابدار، زنجیر سیم و دیافراگم ورقی است. تنها نیروی وارد بر آن ها نیروی کششی است. تمام این کابل‎ها و… به یک تکیه گاه یا هسته مرکزی متصل هستند که موجب معلق شدن سایر عناصر متصل به آن می‌شود. ساخت این سازه‎ها بسیار راحت است. از سازه فلزی معلق در ساخت انواع عرشه پل، پل‎های معلق و اسکلت سقف‎ها استفاده می‎کنند. یکی از ویژگی‌های مثبت این نوع سازه وزن بسیار سبک آن است.

سازه فلزی خرپایی (Truss Structure)

آخرین مورد از انواع سازه های فلزی، سازه فلزی خرپایی نام دارد. واژه خرپا به معنای شبکه‎ای مشبک است که از تیرها و اجزای دیگر ساخته می‏شود. تیرهایی که در این سازه استفاده می‎شوند به شکل مثلث هستند. اتصال آن‎ها به صورت مفصلی بوده که ساختاری مشبک را تشکیل داده و نیرو را به زمین منتقل می‌کنند. در نهایت موجب شکل‌گیری 5 واحد مثلثی یا بیشتر خواهد شد. اعضای تشکیل دهنده این واحدها صاف هستند و فقط انتهای این واحدها (مفصل ها Node) به وسیله جوش به یکدیگر متصل می‌شوند. در نهایت یک کل از اتصال واحد ها شکل می گیرد، زیرا نیروهای خارجی فقط به این مفصل ها وارد می شوند.

سازه‎های خرپایی دسته بندی های مختلفی دارند:

سازه خرپایی وارن
سازه خرپایی پرات
سازه خرپایی کی (K)
سازه خرپایی چندگانه
سازه خرپایی دو بعدی
سازه خرپایی سه بعدی

از این سازه ها در ساخت اشکال مختلف ساختمانی و انواع ماشین‎ها استفاده می‎کنند.

مزایای استفاده از انواع سازه های فلزی

یکی از مهمترین کاربرد انواع سازه های فلزی امکان ساخت هر چیزی است که انسان بخواهد، یک آسمان خراش یا یک ورزشگاه بزرگ فوتبال. بنابراین می‌توان گفت محدودیت کمی در استفاده از آن وجود دارد. مزیت های استفاده از انواع سازه‎های فولادی شامل موارد زیر است:

اولین ویژگی مثبت، مربوط به ویژگی بی نظیر فولاد نسبت به بتن است. مانند قابلیت شکل پذیری، مقاومت، وزن سبک و...
امکان اتصال سازه‎های فولادی با مواد مختلف مانند جوشکاری، پرچ، پیچ و مهره وجود دارد.
می‎توان قطعات یا بخشی از سازه فولادی را به صورت پیش ساخته تهیه کرد.
نصب آن‎ها بسیار آسان است و در مدت زمان کوتاهی انجام می شود.
این سازه ها مقاومت بالایی در برابر کشش و فشار دارند.

یکی از مهمترین معایبی که می‎توان برای انواع سازه های فلزی بیان کرد زنگ زدگی در بلندمدت است. زنگ زدگی باعث اکسید آهن خواهد شد. البته می توان با روش‎های مختلفی مانند گالوانیزه کردن و پوشش‎های ضد زنگ، تا درصد بسیار بالایی از زنگ‌زدگی پیشگیری کرد.