ساختمان‌های اداری به دلیل نیاز به طراحی منظم، فضاهای قابل تغییر، اجرای سریع، کنترل وزن سازه و هماهنگی دقیق معماری و تأسیسات، از پروژه‌هایی هستند که می‌توان برای آن‌ها سیستم قاب سبک فولادی یا LSF (Light Steel Frame) را مورد بررسی قرار داد.
در این سیستم، بخش اصلی قاب سازه‌ای از مقاطع فولادی سردنوردشده تشکیل می‌شود و اعضایی مانند استاد، رانر، تیرچه، خرپا، مهاربند و اجزای اتصال، بر اساس محاسبات سازه‌ای طراحی و اجرا می‌شوند. در ایران نیز برای سیستم LSF، دستورالعمل‌های تخصصی از
جمله نشریات ۶۱۲ و ۶۱۳ و الزامات مرتبط در مبحث یازدهم مقررات ملی ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرند.
طراحی ساختمان اداری LSF چیست؟ طراحی ساختمان اداری با سازه LSF فقط به انتخاب ابعاد پروفیل‌های فولادی محدود نمی‌شود. در واقع، طراحی باید مجموعه‌ای از بخش‌های معماری، سازه، تأسیسات، انرژی، حریق و جزئیات اجرایی را به شکل هماهنگ در نظر بگیرد. هدف اصلی طراحی این است که ساختمان:
استانداردهای تخصصی فولاد سردنوردشده نیز طراحی، ساخت، نصب و کنترل کیفیت اعضا و اتصالات این سیستم را پوشش می‌دهند. برای نمونه، AISI S240 به قاب‌های سازه‌ای فولاد سردنوردشده و AISI S400 به طراحی لرزه‌ای سیستم‌های فولاد سردنوردشده می‌پردازد.
مراحل طراحی ساختمان اداری با سازه LSF
۱. بررسی نیازهای پروژه اولین مرحله، مشخص کردن ویژگی‌های ساختمان است. برای یک ساختمان اداری باید مواردی مانند موارد زیر مشخص شوند:
این اطلاعات مستقیماً روی طراحی معماری و در ادامه روی طراحی سازه تأثیر می‌گذارند.
۲. طراحی معماری ساختمان اداری در ساختمان LSF بهتر است معماری و سازه از ابتدای پروژه با یکدیگر هماهنگ باشند. پلان ساختمان باید به گونه‌ای طراحی شود که محل دیوارهای باربر، دیوارهای برشی، بازشوها، راه‌پله و سایر عناصر مهم با سیستم سازه‌ای هماهنگ باشد. یکی از مزایای بالقوه LSF برای ساختمان‌های اداری، امکان ایجاد فضاهای داخلی با قابلیت تغییر است. برای مثال، ممکن است در آینده یک فضای اداری بزرگ به چند اتاق کوچک‌تر تقسیم شود یا برعکس، چند فضای کوچک به یک فضای کاری بزرگ تبدیل شوند. البته هر دیوار یا عضو داخلی را نمی‌توان بدون بررسی حذف یا جابه‌جا کرد؛ زیرا برخی دیوارها ممکن است نقش سازه‌ای داشته باشند.
۳. تعیین سیستم سازه‌ای بعد از مشخص شدن طرح معماری، سیستم سازه‌ای انتخاب می‌شود. در یک ساختمان اداری LSF ممکن است از مجموعه‌ای از عناصر زیر استفاده شود:
اعضای قائم استادها یا Stud که در دیوارهای سازه‌ای قرار می‌گیرند.
اعضای افقی رانرها یا Track که در بالا و پایین قاب دیوار نصب می‌شوند.
تیرچه‌های کف برای انتقال بار کف طبقات به دیوارهای باربر.
خرپاهای سقف برای تشکیل سیستم باربر سقف در صورت استفاده از سقف خرپایی.
دیوارهای برشی برای مقابله با نیروهای جانبی.
مهاربندها برای تأمین پایداری جانبی در سیستم‌هایی که از مهاربندی استفاده می‌کنند.
اتصالات برای اتصال اعضای مختلف به یکدیگر و انتقال نیروها. استاندارد AISI S240 نیز اعضا و اتصالات سازه‌ای فولاد سردنوردشده را در کاربردهای قاب سبک پوشش می‌دهد.
۴. محاسبه بارهای ساختمان اداری یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی، تعیین بارهای وارد بر ساختمان است. بارها معمولاً شامل موارد زیر هستند:
بار مرده وزن دائمی اجزای ساختمان مانند:
بار زنده
بار ناشی از حضور افراد، مبلمان، تجهیزات اداری و سایر بارهای متغیر. در ساختمان اداری، بار زنده باید بر اساس کاربری دقیق هر فضا و مقررات مربوط تعیین شود.
بار باد فشار و مکش باد روی نما و همچنین نیروهای جانبی وارد بر ساختمان باید در طراحی لحاظ شوند.
بار زلزله در مناطق زلزله‌خیز، نیروی زلزله یکی از مهم‌ترین عوامل طراحی ساختمان LSF است و باید بر اساس ضوابط لرزه‌ای مربوط تعیین شود.
بار برف در مناطق دارای بارش برف، وزن برف روی سقف نیز باید در محاسبات لحاظ شود.
۵. طراحی اعضای فولادی LSF پس از تعیین بارها، نیروهای ایجادشده در اعضا محاسبه می‌شوند. در این مرحله، اعضایی مانند استادها، رانرها، تیرچه‌ها و خرپاها از نظر ظرفیت باربری بررسی می‌شوند. یکی از نکات مهم در طراحی LSF این است که مقاطع فولاد سردنوردشده معمولاً دارای ضخامت نسبتاً کم هستند؛ بنابراین موضوعاتی مانند کمانش موضعی، کمانش پیچشی و کمانش کلی باید با دقت بررسی شوند. به همین دلیل، انتخاب پروفیل صرفاً بر اساس اندازه ظاهری آن کافی نیست و باید ظرفیت واقعی عضو با توجه به شرایط تکیه‌گاهی و بارگذاری محاسبه شود.
۶. طراحی دیوارهای باربر در ساختمان اداری LSF، برخی دیوارها می‌توانند نقش سازه‌ای داشته باشند. استادهای این دیوارها بارهای طبقات و سقف را به پایین منتقل می‌کنند. در طراحی دیوار باربر باید موارد زیر بررسی شوند:
۷. طراحی دیوارهای برشی و سیستم مقاوم جانبی
ساختمان اداری باید در برابر نیروهای افقی نیز پایدار باشد. نیروهای جانبی می‌توانند ناشی از زلزله و باد باشند. برای مقابله با این نیروها، بسته به سیستم انتخاب‌شده، می‌توان از دیوارهای برشی یا سیستم‌های مهاربندی مناسب استفاده کرد. در طراحی لرزه‌ای، تنها مقاومت یک عضو اهمیت ندارد؛ بلکه باید یک مسیر پیوسته انتقال نیرو از سقف و کف تا فونداسیون وجود داشته باشد. استاندارد AISI S400 به طراحی لرزه‌ای اعضا، اتصالات و سیستم‌های مقاوم لرزه‌ای فولاد سردنوردشده می‌پردازد.
۸. طراحی کف ساختمان اداری کف طبقات اداری باید علاوه بر تحمل بار، عملکرد مناسبی از نظر ارتعاش و تغییرشکل داشته باشد. اجزای سیستم کف می‌توانند شامل موارد زیر باشند:
در طراحی کف باید دهانه، بارگذاری، فاصله تیرچه‌ها، نحوه اتصال و جزئیات دیافراگم بررسی شوند.
۹. طراحی سقف سقف ساختمان اداری باید علاوه بر تحمل وزن خود، بارهای محیطی مانند برف و باد را نیز تحمل کند. بسته به معماری ساختمان می‌توان از سیستم‌های مختلف سقف استفاده کرد. در طراحی سقف باید موارد زیر مشخص شوند:
۱۰. طراحی فونداسیون اگرچه بخش فوقانی ساختمان LSF سبک است، اما فونداسیون همچنان باید بر اساس نیروهای واقعی وارد بر ساختمان طراحی شود. در طراحی فونداسیون باید موارد زیر بررسی شوند:
سطح فونداسیون باید برای نصب قاب‌های LSF مناسب و تراز باشد. در دستورالعمل‌های اجرایی LSF نیز بر اهمیت تراز بودن سطح فونداسیون و جلوگیری از تماس مستقیم اعضای فولادی با زمین یا بتن تازه تأکید شده است.
۱۱. طراحی اتصالات در ساختمان اداری LSF اتصالات یکی از حساس‌ترین بخش‌های ساختمان LSF هستند. در این سیستم ممکن است از اتصالات پیچی یا سایر روش‌های مجاز و طراحی‌شده استفاده شود. اتصالات باید بتوانند نیروهای مورد نیاز را منتقل کنند. در طراحی اتصال باید موارد زیر مشخص شود:
اجرای اتصال نباید با حدس و تجربه کارگاهی انجام شود؛ جزئیات آن باید در نقشه‌های اجرایی مشخص باشد.
۱۲. طراحی بازشوهای در و پنجره در ساختمان اداری تعداد زیادی در و پنجره وجود دارد و بازشوها می‌توانند مسیر انتقال بار دیوار را تغییر دهند. در اطراف بازشوهای بزرگ ممکن است به اعضای تقویتی و جزئیات خاص نیاز باشد. بنابراین محل بازشوها باید در هماهنگی بین معماری و سازه تعیین شود. به‌خصوص در نماهای شیشه‌ای، ورودی‌های بزرگ و پنجره‌های سرتاسری باید از ابتدای طراحی با سیستم باربر هماهنگ شوند.
۱۳. طراحی تأسیسات ساختمان اداری LSF ساختمان اداری معمولاً نسبت به ساختمان مسکونی به تأسیسات بیشتری نیاز دارد. برای نمونه:
بهتر است مسیر تأسیسات پیش از اجرای قاب‌ها مشخص شود. سوراخ‌کاری یا بریدن اعضای سازه‌ای بدون بررسی مهندس سازه می‌تواند ظرفیت عضو را کاهش دهد و نباید به‌صورت خودسرانه انجام شود.
۱۴. طراحی عایق حرارتی ساختمان اداری در طول روز ساعات زیادی مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ بنابراین کنترل مصرف انرژی اهمیت زیادی دارد. برای بهبود عملکرد حرارتی ساختمان LSF باید مواردی مانند:
بررسی شوند. در الزامات مرتبط با LSF نیز رعایت الزامات انرژی و انتخاب نوع و ضخامت عایق بر اساس مقاومت حرارتی مورد نیاز مورد تأکید قرار گرفته است.
۱۵. طراحی عایق صوتی در ساختمان اداری، انتقال صدا میان اتاق‌ها می‌تواند باعث کاهش آسایش کارکنان شود. برای مثال:
نیازمند سطح مناسبی از جداسازی صوتی هستند. برای بهبود عملکرد صوتی می‌توان از ترکیب عایق داخل دیوار، صفحات چندلایه و جزئیات مناسب اتصال استفاده کرد.
۱۶. طراحی ساختمان LSF از نظر حریق
مقاومت در برابر آتش یکی از بخش‌های مهم طراحی ساختمان اداری است. اگرچه فولاد ماده‌ای غیرقابل‌اشتعال است، اما افزایش دما می‌تواند ظرفیت مکانیکی آن را کاهش دهد. بنابراین باید عملکرد کل سیستم دیوار، کف و اعضای سازه‌ای در برابر آتش بررسی شود. مواردی مانند:
باید مطابق الزامات پروژه و مقررات مربوط طراحی شوند.
۱۷. طراحی معماری داخلی ساختمان اداری LSF یکی از موضوعات مهم در ساختمان اداری، امکان تغییر چیدمان داخلی است. برای مثال، یک شرکت ممکن است ابتدا به: ۱۰ اتاق اداری + یک سالن جلسات نیاز داشته باشد؛ اما چند سال بعد بخواهد: ۶ اتاق + یک فضای کار باز + دو اتاق جلسات ایجاد کند. بنابراین بهتر است از ابتدا بین دیوارهای باربر و دیوارهای جداکننده غیرسازه‌ای تفکیک مناسبی ایجاد شود.
۱۸. طراحی ساختمان اداری LSF از نظر دریفت دریفت یا تغییرمکان نسبی طبقات یکی از پارامترهای مهم در طراحی ساختمان‌های چندطبقه است. در ساختمان اداری، کنترل دریفت علاوه بر پایداری سازه می‌تواند برای جلوگیری از آسیب به:
اهمیت داشته باشد. بنابراین طراحی نباید فقط بر اساس مقاومت اعضا انجام شود؛ کنترل تغییرمکان و بهره‌برداری ساختمان نیز ضروری است.
۱۹. هماهنگی BIM و نقشه‌های اجرایی برای پروژه‌های اداری، استفاده از مدل‌سازی اطلاعات ساختمان می‌تواند به هماهنگی بین بخش‌های مختلف کمک کند. در مدل پروژه می‌توان بخش‌های زیر را هماهنگ کرد: معماری ← سازه ← برق ← مکانیک ← حریق این هماهنگی می‌تواند برخورد کانال‌های تأسیساتی با اعضای سازه‌ای، مشکلات بازشوها و تداخل مسیرها را پیش از اجرا آشکار کند.
۲۰. مدارک لازم برای طراحی ساختمان اداری LSF یک پروژه حرفه‌ای LSF باید دارای مجموعه‌ای از مدارک باشد، از جمله:
نقشه‌های معماری پلان‌ها، نماها، مقاطع و جزئیات.
نقشه‌های سازه پلان قاب‌بندی، دیوارهای سازه‌ای، کف، سقف، مهاربندی و اتصالات. محاسبات سازه محاسبات اعضا، اتصالات، بارگذاری و سیستم مقاوم جانبی.
نقشه‌های اجرایی جزئیات نصب اعضا و اتصالات.
نقشه تأسیسات برق، مکانیک، تهویه و سایر سیستم‌ها.
مشخصات مصالح نوع و مشخصات فولاد، عایق، صفحات، پیچ‌ها و سایر مصالح.
جمع‌بندی طراحی ساختمان اداری با سازه LSF یک فرآیند چندمرحله‌ای است که از طراحی معماری آغاز شده و تا طراحی سازه، فونداسیون، اتصالات، کف و سقف، سیستم مقاوم جانبی، تأسیسات، عایق‌کاری و جزئیات اجرایی ادامه پیدا می‌کند. مهم‌ترین نکته در این نوع ساختمان‌ها، هماهنگی بین تمام اجزای پروژه است. LSF زمانی می‌تواند عملکرد مناسبی داشته باشد که اعضای فولادی، اتصالات، دیوارهای سازه‌ای، سیستم کف و سقف و سیستم مقاوم در برابر نیروهای جانبی به صورت یک مجموعه واحد طراحی شوند.