ساختمان‌های چندطبقه با سیستم LSF (Light Steel Frame) به دلیل وزن کم، سرعت اجرای بالا، دقت مناسب در ساخت و امکان تولید صنعتی اجزای سازه، در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته‌اند. با این حال، طراحی سازه LSF برای ساختمان‌های چندطبقه با طراحی یک ساختمان یک‌طبقه تفاوت‌هایی دارد و باید عواملی مانند بارهای ثقلی، بار باد، زلزله، پایداری جانبی، کمانش اعضا، اتصالات و مسیر انتقال بار به‌صورت هم‌زمان بررسی شوند.
سازه LSF چیست؟ LSF مخفف Light Steel Frame و به معنای قاب فولادی سبک است. این سیستم معمولاً از مقاطع فولادی سردنوردشده با ضخامت کم تشکیل می‌شود که به‌صورت کارخانه‌ای تولید و سپس در محل پروژه مونتاژ می‌شوند. اعضای اصلی این سیستم معمولاً شامل موارد زیر هستند:
در ساختمان‌های چندطبقه، این اجزا باید به‌گونه‌ای طراحی شوند که بارهای واردشده از طبقات بالاتر را به‌صورت ایمن به طبقات پایین‌تر و در نهایت به فونداسیون منتقل کنند.
چرا طراحی سازه در ساختمان چندطبقه LSF اهمیت بیشتری دارد؟ در یک ساختمان چندطبقه، بارهای طبقات مختلف روی یکدیگر جمع می‌شوند. بنابراین اعضای طبقات پایین معمولاً بار بیشتری نسبت به طبقات بالاتر تحمل می‌کنند. علاوه بر بارهای قائم، ساختمان باید در برابر نیروهای جانبی نیز پایدار باشد. مهم‌ترین نیروهای جانبی عبارت‌اند از:
بنابراین طراحی ساختمان چندطبقه LSF تنها به انتخاب ابعاد استادها و تیرها محدود نمی‌شود، بلکه باید یک سیستم باربر کامل و پیوسته طراحی شود.
مراحل طراحی سازه ساختمان چندطبقه LSF طراحی سازه را می‌توان در چند مرحله اصلی انجام داد. ۱. بررسی مشخصات پروژه در ابتدا اطلاعات معماری و شرایط محل پروژه بررسی می‌شود. اطلاعاتی مانند:
باید مشخص شود.این اطلاعات پایه طراحی سازه را تشکیل می‌دهند.
۲. تعیین سیستم باربر ساختمان پس از بررسی معماری، باید مشخص شود که ساختمان چگونه بارهای قائم و جانبی را تحمل می‌کند. در ساختمان LSF معمولاً دیوارهای باربر، تیرچه‌های کف و سیستم مهاربندی در انتقال نیرو نقش دارند. یک مسیر ساده انتقال بار به این شکل است: سقف → تیرچه‌ها → دیوارهای باربر → طبقات پایین‌تر → فونداسیون → زمین در برابر نیروهای جانبی نیز مسیر انتقال نیرو باید به‌طور کامل مشخص باشد: باد یا زلزله → پوشش و دیافراگم → سیستم باربر جانبی → اتصالات → فونداسیون پیوستگی این مسیر یکی از مهم‌ترین اصول طراحی ساختمان چندطبقه LSF است.
۳. محاسبه بارهای وارد بر سازه یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی، تعیین بارهای وارد بر ساختمان است. بارها معمولاً به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند: بارهای مرده بار مرده شامل وزن دائمی اجزای ساختمان است؛ مانند:
وزن دقیق هر لایه باید بر اساس مشخصات واقعی مصالح محاسبه شود. بارهای زنده بار زنده به استفاده و بهره‌برداری از ساختمان مربوط است. برای مثال، ساختمان مسکونی، اداری، تجاری و انبار به دلیل نوع استفاده، بارهای بهره‌برداری متفاوتی دارند. بنابراین نمی‌توان برای تمام ساختمان‌های LSF یک مقدار ثابت در نظر گرفت.
۴. بررسی بار باد در ساختمان‌های چندطبقه، باد می‌تواند نیروهای قابل توجهی ایجاد کند؛ به‌خصوص در ساختمان‌های بلندتر و ساختمان‌هایی که در مناطق بادخیز قرار دارند. نیروی باد می‌تواند باعث:
شود.در طراحی باید علاوه بر مقاومت اعضا، تغییر مکان جانبی ساختمان نیز بررسی شود.
۵. بررسی بار زلزله یکی از مهم‌ترین بخش‌های طراحی ساختمان چندطبقه LSF، طراحی در برابر زلزله است. وزن نسبتاً کم ساختمان‌های LSF می‌تواند باعث کاهش نیروی لرزه‌ای ناشی از جرم ساختمان شود، اما این موضوع به معنی بی‌نیازی از طراحی دقیق لرزه‌ای نیست. در طراحی لرزه‌ای باید موارد زیر بررسی شوند:
در مناطق لرزه‌خیز، انتخاب صحیح سیستم مقاوم جانبی اهمیت بسیار زیادی دارد.
۶. طراحی اعضای قائم یا استادها استادها یکی از اصلی‌ترین اعضای سازه LSF هستند. این اعضا معمولاً بارهای واردشده از سقف و طبقات بالاتر را تحمل می‌کنند. در ساختمان چندطبقه، استاد طبقات پایین ممکن است تحت اثر بار چند طبقه قرار گیرد؛ بنابراین طراحی آن باید با دقت بیشتری انجام شود. مهم‌ترین کنترل‌های استاد عبارت‌اند از:
کنترل مقاومت فشاری عضو باید بتواند نیروی فشاری واردشده را تحمل کند.
کنترل کمانش به دلیل نازک بودن مقاطع LSF، کمانش اهمیت ویژه‌ای دارد. ممکن است عضو قبل از رسیدن تنش فولاد به مقاومت نهایی خود، به دلیل کمانش دچار ناپایداری شود.
کنترل کمانش موضعی قسمت‌های نازک مقطع نیز ممکن است دچار کمانش موضعی شوند.
در برخی شرایط، عضو می‌تواند هم‌زمان تحت اثر خمش و پیچش قرار گیرد. بنابراین صرفاً بررسی تنش فشاری برای طراحی استاد کافی نیست.
۷. طراحی تیرچه‌های کف کف طبقات در ساختمان چندطبقه LSF معمولاً با تیرچه‌های فولادی سبک اجرا می‌شود. تیرچه‌ها باید برای بارهای مختلف طراحی شوند، از جمله:
کنترل‌های مهم تیرچه شامل:
در ساختمان‌های مسکونی، کنترل ارتعاش کف نیز اهمیت دارد؛ زیرا ممکن است کفی از نظر مقاومت کاملاً ایمن باشد اما هنگام راه رفتن احساس لرزش نامطلوب ایجاد کند.
۸. طراحی سقف سقف LSF باید علاوه بر تحمل وزن خود، بارهای واردشده از شرایط بهره‌برداری و محیطی را نیز منتقل کند. بسته به نوع ساختمان، سقف می‌تواند در برابر مواردی مانند:
قرار بگیرد. اتصال سقف به دیوارها نیز باید به‌گونه‌ای باشد که انتقال نیرو به شکل پیوسته انجام شود.
۹. طراحی سیستم باربر جانبی این بخش یکی از مهم‌ترین تفاوت‌های طراحی ساختمان چندطبقه با ساختمان‌های کوچک LSF است. ساختمان باید در برابر نیروهای افقی مقاومت کند. برای این منظور می‌توان از سیستم‌های مناسب باربر جانبی، متناسب با طراحی و مقررات پروژه، استفاده کرد. از جمله روش‌های متداول می‌توان به:
اشاره کرد. انتخاب سیستم باید بر اساس ارتفاع ساختمان، تعداد طبقات، شرایط لرزه‌ای، معماری و الزامات آیین‌نامه‌ای انجام شود.
۱۰. طراحی دیوارهای باربر LSF در ساختمان‌های چندطبقه، برخی دیوارها ممکن است نقش باربر داشته باشند. این دیوارها باید بتوانند بارهای منتقل‌شده از طبقات بالا را تحمل کنند. در طراحی دیوار باربر باید موارد زیر بررسی شود:
وجود در و پنجره نیز می‌تواند مسیر انتقال نیرو را تغییر دهد؛ بنابراین اطراف بازشوها نیاز به طراحی دقیق دارد.
۱۱. طراحی اطراف بازشوها بازشوهای در و پنجره باعث قطع شدن تعدادی از اعضای دیوار می‌شوند. به همین دلیل باید اطراف بازشوها اعضای مناسب برای انتقال بار در نظر گرفته شود. این بخش‌ها معمولاً شامل:
هستند. در ساختمان چندطبقه، طراحی بازشوها اهمیت بیشتری پیدا می‌کند؛ زیرا بار طبقات بالاتر نیز ممکن است از این ناحیه عبور کند.
۱۲. طراحی اتصالات در سازه LSF اتصال در سازه LSF یکی از حساس‌ترین بخش‌های طراحی است. حتی اگر اعضای سازه‌ای به‌درستی طراحی شده باشند، اتصال ضعیف می‌تواند عملکرد کل سیستم را تحت تأثیر قرار دهد. اتصالات باید در برابر نیروهای مورد انتظار بررسی شوند، از جمله:
نوع پیچ، تعداد پیچ‌ها، فاصله آنها، ضخامت ورق‌ها و جزئیات اتصال باید مطابق محاسبات و ضوابط طراحی تعیین شود.
۱۳. طراحی فونداسیون اگرچه LSF یک سیستم سبک است، اما ساختمان چندطبقه همچنان نیازمند فونداسیون مناسب است. طراحی فونداسیون باید بر اساس:
انجام شود. نکته مهم این است که سبک بودن سازه به معنی امکان استفاده از هر نوع فونداسیون نیست؛ نوع فونداسیون باید از طریق بررسی ژئوتکنیکی و محاسبات سازه تعیین شود.
۱۴. کنترل تغییر شکل سازه یکی از بخش‌های مهم طراحی ساختمان‌های LSF، کنترل تغییر شکل است. حتی اگر مقاومت اعضا کافی باشد، تغییر شکل بیش از حد می‌تواند باعث آسیب به:
شود. بنابراین کنترل تغییر مکان جانبی و تغییر شکل اعضای افقی و قائم ضروری است.
۱۵. کنترل دریفت طبقات در ساختمان چندطبقه، نیروهای جانبی می‌توانند باعث جابه‌جایی نسبی طبقات شوند. به این تغییر مکان نسبی، دریفت طبقه گفته می‌شود. دریفت بیش از حد می‌تواند علاوه بر تأثیر بر ایمنی سازه، به اجزای غیرسازه‌ای نیز آسیب وارد کند. به همین دلیل باید مقدار دریفت محاسبه‌شده با حدود مجاز آیین‌نامه‌ای مقایسه شود.
۱۶. مدل‌سازی سازه LSF پس از تعیین مشخصات اعضا، مدل سازه‌ای تهیه می‌شود. در مدل‌سازی باید رفتار واقعی سیستم تا حد امکان در نظر گرفته شود. پارامترهایی مانند:
باید به‌درستی تعریف شوند. نرم‌افزار محاسباتی می‌تواند در تحلیل نیروها و تغییر شکل‌ها کمک کند، اما مدل‌سازی صحیح و انتخاب فرضیات مناسب از خود نرم‌افزار مهم‌تر است.
۱۷. ترکیب بارها در طراحی سازه، بارها معمولاً به‌صورت منفرد بررسی نمی‌شوند و ترکیب‌های بارگذاری مختلف باید مطابق مقررات پروژه مورد بررسی قرار گیرند. برای مثال، شرایط مختلفی مانند:
باید بررسی شوند. مقادیر و ضرایب دقیق ترکیب بارها باید از استاندارد و آیین‌نامه حاکم بر پروژه تعیین شوند.
۱۸. کنترل پایداری کلی ساختمان پس از طراحی اعضا، باید پایداری کل ساختمان بررسی شود. مواردی مانند:
باید مورد توجه قرار گیرد. این موضوع در ساختمان‌های چندطبقه اهمیت ویژه‌ای دارد؛ زیرا ارتفاع بیشتر می‌تواند حساسیت ساختمان به نیروهای جانبی و تغییر شکل را افزایش دهد.
۱۹. اهمیت دیافراگم کف در ساختمان LSF کف ساختمان فقط یک سطح برای رفت‌وآمد نیست؛ در بسیاری از سیستم‌های LSF، کف می‌تواند در انتقال نیروهای جانبی نیز نقش داشته باشد. دیافراگم کف باید بتواند نیروهای جانبی را جمع‌آوری کرده و آنها را به سیستم مقاوم جانبی منتقل کند. بنابراین طراحی کف باید با طراحی دیوارهای مقاوم در برابر بار جانبی هماهنگ باشد.
۲۰. اثر بازشوها و نامنظمی معماری در طراحی ساختمان چندطبقه LSF، معماری تأثیر زیادی بر رفتار سازه دارد. وجود مواردی مانند:
می‌تواند رفتار سازه را پیچیده کند. به همین دلیل بهتر است طراحی معماری و سازه‌ای از ابتدای پروژه با یکدیگر هماهنگ باشند.
۲۱. طراحی بر اساس مسیر انتقال بار یکی از بهترین روش‌ها برای بررسی طراحی سازه LSF این است که برای هر نیرو، مسیر انتقال آن مشخص شود. برای بار ثقلی: سقف → تیرچه → دیوار باربر → طبقه پایین → فونداسیون → خاک برای بار جانبی: زلزله/باد → دیافراگم → دیوار یا مهاربند مقاوم → اتصال → فونداسیون اگر در هر قسمت از این مسیر، عضو یا اتصال مناسبی وجود نداشته باشد، طراحی می‌تواند دچار مشکل شود.
۲۲. اشتباهات رایج در طراحی سازه چندطبقه LSF برخی اشتباهات می‌توانند عملکرد سازه را به‌شدت تحت تأثیر قرار دهند.
انتخاب مقطع بدون محاسبه نباید ابعاد استاد یا تیرچه صرفاً بر اساس تجربه یا پروژه‌های قبلی انتخاب شود.
بی‌توجهی به کمانش مقاطع سردنوردشده به دلیل نازکی ورق نسبت به کمانش حساس هستند.
طراحی جداگانه اعضا اعضای LSF باید به‌عنوان یک سیستم سازه‌ای هماهنگ طراحی شوند.
بی‌توجهی به اتصالات ظرفیت اتصال باید با نیروهای واقعی سازه هماهنگ باشد.
نادیده گرفتن تغییر شکل صرفاً کنترل مقاومت کافی نیست و تغییر شکل اعضا نیز باید بررسی شود.
عدم هماهنگی معماری و سازه تغییرات معماری پس از طراحی سازه می‌تواند مسیر انتقال بار را مختل کند.
بی‌توجهی به فونداسیون سبک بودن سازه نباید باعث حذف مطالعات ژئوتکنیکی و طراحی دقیق فونداسیون شود.
۲۳. اهمیت استانداردها و آیین‌نامه‌ها طراحی نهایی ساختمان LSF باید بر اساس مقررات معتبر و الزامات محل اجرای پروژه انجام شود. بسته به کشور و محل پروژه، مواردی مانند:
باید بررسی شوند. بنابراین نمی‌توان یک روش محاسباتی ثابت را برای تمام پروژه‌های LSF در همه کشورها و شرایط اقلیمی به کار برد.
جمع‌بندی طراحی سازه برای ساختمان‌های چندطبقه LSF یک فرآیند چندمرحله‌ای است که از بررسی معماری و شرایط زمین آغاز می‌شود و تا طراحی اعضای سازه‌ای، سیستم باربر جانبی، اتصالات و فونداسیون ادامه پیدا می‌کند. در این نوع ساختمان‌ها، سبک بودن سازه، نازک بودن مقاطع و استفاده از اعضای سردنوردشده باعث می‌شود کنترل کمانش، اتصالات، تغییر شکل و پایداری اهمیت ویژه‌ای داشته باشد. همچنین در ساختمان‌های چندطبقه، باید مسیر انتقال بار از سقف و طبقات بالاتر تا فونداسیون به‌صورت کاملاً پیوسته و مهندسی‌شده طراحی شود. در نهایت، طراحی موفق یک ساختمان چندطبقه LSF تنها به انتخاب مقاطع مناسب محدود نمی‌شود؛ بلکه هماهنگی معماری و سازه، تحلیل دقیق بارهای ثقلی و جانبی، طراحی اتصالات، کنترل تغییر شکل و دریفت، بررسی فونداسیون و رعایت آیین‌نامه‌های مربوطه همگی بخش‌های ضروری این فرآیند هستند.