طراحی و محاسبات سازه‌ای در سیستم LSF (Light Steel Frame) یکی از مهم‌ترین مراحل ساخت ساختمان است؛ زیرا سبک بودن اعضای فولادی به این معنا نیست که سازه به محاسبات ساده‌تری نیاز دارد. در این سیستم باید ظرفیت اعضای فولادی سردنوردشده، اتصالات، دیوارهای باربر، سقف، مهاربندی و سیستم انتقال بار به‌صورت یکپارچه بررسی شود. راهنماهای تخصصی LSF برای ساختمان‌های مسکونی نیز طراحی فونداسیون، کف، دیوار، سقف، اتصالات، عملکرد حرارتی و صوتی و مقاومت در برابر آتش را جزو موضوعات اصلی طراحی می‌دانند.
۱. طراحی سازه LSF از کجا شروع می‌شود؟ طراحی سازه LSF با مشخص شدن نقشه معماری و اطلاعات پروژه آغاز می‌شود. مهندس سازه باید اطلاعاتی مانند:
را در طراحی در نظر بگیرد. در استانداردهای طراحی قاب فولادی سردنوردشده، ساختمان باید برای بارهایی که در طول عمر بهره‌برداری انتظار می‌رود و ترکیب بارهای مربوطه طراحی شود.
۲. تعیین سیستم سازه‌ای ساختمان در مرحله بعد باید مشخص شود که ساختمان چگونه بارهای قائم و جانبی را تحمل می‌کند. در ساختمان‌های LSF معمولاً دیوارهای باربر، اعضای کف و سقف و سیستم مهاربندی یا دیوار برشی نقش اصلی را در انتقال بار دارند. سیستم مقاوم جانبی می‌تواند با استفاده از مهاربندها، دیوارهای مقاوم در برابر برش یا عملکرد دیافراگمی پوشش‌ها تأمین شود.
برای یک ویلای یک یا دو طبقه، مهندس سازه باید مسیر انتقال بار را از سقف و طبقات به دیوارهای باربر و سپس به فونداسیون مشخص کند.
۳. محاسبه بارهای وارد بر سازه یکی از مهم‌ترین بخش‌های طراحی، تعیین بارهای وارد بر ساختمان است.
بار مرده بار مرده شامل وزن دائمی اجزای ساختمان است؛ مانند:
اگرچه سازه LSF سبک است، اما تمام لایه‌های ساختمان باید در محاسبات لحاظ شوند. بار زنده بار زنده مربوط به وزن افراد، وسایل، مبلمان و بارهای متغیر ساختمان است. مقدار آن بر اساس کاربری ساختمان و مقررات محل پروژه تعیین می‌شود. بار باد باد می‌تواند به دیوارها و سقف ساختمان فشار یا مکش وارد کند. به همین دلیل، علاوه بر مقاومت اعضای قائم، اتصالات و سیستم مقاوم جانبی نیز باید برای نیروهای باد بررسی شوند. استانداردهای طراحی LSF، اثرات باد بر اعضای دیوار و همچنین کنترل تغییرشکل را مورد توجه قرار می‌دهند. بار برف در مناطقی که احتمال بارش برف وجود دارد، وزن برف روی سقف باید در طراحی لحاظ شود. شکل سقف، شیب آن و شرایط اقلیمی منطقه می‌توانند بر مقدار بار طراحی تأثیر بگذارند. بار زلزله در مناطق لرزه‌خیز، سازه باید در برابر نیروهای ناشی از زلزله طراحی شود. در این حالت، فقط اعضای قائم اهمیت ندارند؛ بلکه دیوارهای برشی، مهاربندها، دیافراگم‌ها، اتصالات و اتصال سازه به فونداسیون نیز باید بررسی شوند. استانداردهای تخصصی قاب فولادی سردنوردشده برای سیستم‌های مقاوم لرزه‌ای الزامات تکمیلی در نظر می‌گیرند.
۴. طراحی اعضای قائم یا استادها استاد (Stud) یکی از اصلی‌ترین اعضای سازه LSF است و معمولاً به‌صورت قائم در دیوار قرار می‌گیرد. این عضو می‌تواند تحت اثر نیروهای فشاری ناشی از طبقات و سقف قرار بگیرد و در بعضی شرایط هم‌زمان تحت تأثیر خمش ناشی از بارهای جانبی باشد. بنابراین در طراحی استادها باید مواردی مانند:
بررسی شود. در اعضای فولادی سردنوردشده، موضوع کمانش اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا مقاطع نسبتاً نازک هستند و رفتار آن‌ها با مقاطع فولادی نورد گرم متفاوت است. روش‌های طراحی فولاد سردنوردشده، از جمله روش‌های مبتنی بر عرض مؤثر و مقاومت مستقیم (DSM)، برای بررسی رفتار این اعضا به کار می‌روند.
۵. طراحی رانرها رانر (Runner/Track) اعضای افقی هستند که در قسمت بالا و پایین قاب دیوار قرار می‌گیرند. رانرها وظیفه اتصال استادها و تشکیل قاب دیوار را بر عهده دارند و در انتقال نیرو بین اجزای قاب نقش دارند. در طراحی باید ظرفیت رانر، اتصالات آن و نحوه انتقال نیرو به اعضای مجاور بررسی شود.
در ساختمان‌های مسکونی LSF، اعضای فولادی کف و سقف باید برای بارهای واردشده طراحی شوند. در طراحی این اعضا مواردی مانند:
بررسی می‌شود. استانداردهای LSF، طراحی اعضای کف، سقف و تیرچه‌ها را در کنار دیوارهای سازه‌ای و سیستم‌های باربر جانبی پوشش می‌دهند.
۷. طراحی دیوارهای باربر در ساختمان ویلایی LSF، برخی دیوارها وظیفه انتقال بار طبقات و سقف را بر عهده دارند. بار باید از سقف به اعضای دیوار، از دیوار به فونداسیون و در نهایت به زمین منتقل شود. به همین دلیل، محل قرارگیری دیوارهای باربر باید در طراحی معماری و سازه‌ای از ابتدا هماهنگ شود.
۸. طراحی سیستم مقاوم در برابر نیروهای جانبی یکی از بخش‌های بسیار مهم طراحی LSF، تأمین پایداری ساختمان در برابر باد و زلزله است. این کار می‌تواند با استفاده از سیستم‌هایی مانند:
انجام شود. راهنمای جدید SCI درباره سیستم‌های پایداری LSF نیز سیستم‌هایی مانند مهاربندی X، مهاربندی یکپارچه و عملکرد دیافراگمی صفحات پوششی را به‌عنوان روش‌های تأمین پایداری معرفی می‌کند.
۹. طراحی سقف LSF در طراحی سقف باید ابتدا بارهای وارد بر سقف مشخص شود. سپس اعضای سقف، تیرچه‌ها، اتصالات و پوشش سازه‌ای بررسی می‌شوند. در سقف‌های شیب‌دار ویلا، علاوه بر وزن سقف، بار برف و باد نیز اهمیت زیادی دارد. همچنین تغییرشکل سقف باید کنترل شود تا از ایجاد مشکلاتی مانند ترک در پوشش‌ها، تغییر شکل بیش از حد یا اختلال در عملکرد لایه‌های سقف جلوگیری شود.
۱۰. طراحی اتصالات LSF اتصالات یکی از حساس‌ترین قسمت‌های سازه LSF هستند. ممکن است اعضای سازه‌ای از نظر ظرفیت کافی باشند، اما اگر اتصال آن‌ها به‌درستی طراحی نشده باشد، عملکرد کل سیستم تحت تأثیر قرار می‌گیرد. در سیستم LSF از روش‌هایی مانند:
استفاده می‌شود. استانداردهای تخصصی LSF برای طراحی اتصالات فولاد به فولاد، اتصالات صفحات پوششی و سایر اتصال‌دهنده‌ها الزامات مشخصی دارند. ۱۱. طراحی اتصال سازه به فونداسیون نیروهای وارد بر ساختمان در نهایت باید از طریق سیستم سازه‌ای به فونداسیون منتقل شوند. در این مرحله مواردی مانند:
بررسی می‌شوند. این قسمت اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا ساختمان LSF سبک است و در بعضی شرایط، نیروهای کششی ناشی از باد یا زلزله می‌توانند در طراحی اتصال به فونداسیون تعیین‌کننده باشند. ۱۲. طراحی فونداسیون فونداسیون LSF باید متناسب با بارهای سازه و شرایط خاک طراحی شود. بنابراین ابتدا اطلاعات ژئوتکنیکی و ظرفیت باربری خاک بررسی می‌شود و سپس نوع و ابعاد فونداسیون تعیین می‌شود. نکته مهم این است که سبک بودن ساختمان LSF به معنی یکسان بودن فونداسیون همه پروژه‌های LSF نیست؛ نوع فونداسیون به شرایط واقعی زمین و محاسبات پروژه بستگی دارد. راهنماهای طراحی LSF برای ساختمان‌های مسکونی نیز فونداسیون را در کنار دیوار، کف و سقف به‌عنوان یکی از اجزای اصلی سیستم ساختمان بررسی می‌کنند. ۱۳. کنترل تغییر شکل سازه در طراحی LSF فقط مقاومت سازه بررسی نمی‌شود؛ تغییرشکل و بهره‌برداری مناسب ساختمان نیز اهمیت دارد. برای مثال، اگر تیر سقف بیش از حد تغییر شکل دهد، ممکن است باعث ایجاد مشکل در کف یا پوشش‌های نهایی شود. بنابراین باید تغییرشکل:
سقف
اب‌های اطراف بازشوها
کنترل شود.
راهنماهای طراحی LSF مسکونی نیز کنترل بهره‌برداری کف‌ها را به‌عنوان یکی از موضوعات مهم طراحی مطرح می‌کنند.
۱۴. طراحی اطراف درها و پنجره‌ها بازشوها باعث قطع شدن تعدادی از اعضای قائم دیوار می‌شوند. به همین دلیل، اطراف در و پنجره باید به شکل مناسبی قاب‌بندی و در صورت نیاز تقویت شود. در اطراف بازشو ممکن است از اعضای تقویتی برای انتقال بار استفاده شود. اندازه و نوع این تقویت‌ها باید از محاسبات سازه‌ای به دست بیاید.
۱۵. هماهنگی سازه با معماری و تأسیسات طراحی LSF نباید جدا از معماری و تأسیسات انجام شود. برای مثال، محل عبور لوله‌ها و کابل‌ها، بازشوهای بزرگ، پنجره‌های سرتاسری، تغییرات ارتفاع سقف و شکل خاص نما می‌توانند روی طراحی سازه تأثیر بگذارند. به همین دلیل، بهتر است معماری، سازه و تأسیسات از مراحل ابتدایی پروژه با یکدیگر هماهنگ باشند.
۱۶. کنترل خوردگی و دوام مقاطع LSF معمولاً از فولاد گالوانیزه ساخته می‌شوند و پوشش روی آن‌ها برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی به کار می‌رود. اما دوام سازه تنها به گالوانیزه بودن مقاطع وابسته نیست. طراحی صحیح جزئیات، جلوگیری از تجمع رطوبت، اجرای مناسب پوشش‌ها و توجه به شرایط محیطی نیز اهمیت دارد. در راهنماهای تخصصی LSF، موضوع دوام و حفاظت در برابر شرایط محیطی نیز به‌عنوان بخشی از طراحی ساختمان مطرح شده است.
در ساختمان‌های مسکونی، عملکرد اجزای LSF در برابر آتش باید مطابق الزامات مقررات پروژه بررسی شود. پوشش‌های دیوار و سقف، تعداد لایه‌های صفحات، عایق‌ها و جزئیات اتصالات می‌توانند در عملکرد حریق مجموعه تأثیر داشته باشند. بنابراین مقاومت در برابر آتش نباید فقط به خود مقطع فولادی محدود شود، بلکه کل سیستم دیوار یا سقف باید در نظر گرفته شود. راهنماهای طراحی LSF مسکونی نیز طراحی حریق را در کنار طراحی سازه‌ای و عملکرد حرارتی و صوتی بررسی می‌کنند.
پس از انجام محاسبات، مهندس سازه باید مجموعه‌ای از نقشه‌ها و اطلاعات فنی را تهیه کند؛ از جمله:
این اطلاعات مبنای تولید قطعات و اجرای سازه در کارگاه یا کارخانه قرار می‌گیرند. جمع‌بندی طراحی و محاسبات سازه‌ای در ساختمان‌های مسکونی و ویلایی LSF، فرآیندی چندمرحله‌ای است که از بررسی زمین و نقشه معماری شروع شده و با تعیین بارها، انتخاب سیستم سازه‌ای، طراحی اعضای فولادی، دیوارها، سقف، مهاربندی، اتصالات و فونداسیون ادامه پیدا می‌کند. در پایان نیز کنترل تغییرشکل، دوام، عملکرد حرارتی و صوتی و الزامات حریق باید مورد توجه قرار گیرد. منابع تخصصی LSF نیز طراحی را یک سیستم یکپارچه شامل فونداسیون، کف، دیوار، سقف، اتصالات و عملکرد ساختمان در نظر می‌گیرند.