سازه فلزی چیست؟ بررسی ویژگی‌ها و کاربردهای آن

سازه‌های فلزی از اصلی‌ترین اجزای ساخت‌وساز مدرن هستند که با استفاده از فولاد و سایر مصالح فلزی ساخته می‌شوند. سالانه بیش از 1.8 میلیارد تن فولاد در جهان تولید می‌شود که چین به‌تنهایی بیش از 50 درصد از این میزان را به خود اختصاص داده است. از برجسته‌ترین نمونه‌های این سازه‌ها می‌توان به استادیوم ملی پکن، معروف به آشیانه پرنده، اشاره کرد که برای المپیک 2008 ساخته شد و شامل 42 تن فولاد است. در این مطلب از پاوان قصد داریم به معرفی سازه فلزی، مزایا و معایب آن بپردازیم و نقش آن را در صنعت ساخت و ساز مورد بررسی قرار دهیم.

سازه فلزی چیست؟

سازه فلزی به هر نوع ساختار یا چارچوبی گفته می‌شود که عمدتاً از فلز (مانند فولاد، آلومینیوم یا آهن) ساخته شده باشد. این سازه‌ها به دلیل استحکام بالا، دوام طولانی و قابلیت اجرا در ابعاد مختلف، در ساخت ساختمان‌ها، پل‌ها، سوله‌ها، برج‌ها و بسیاری از پروژه‌های صنعتی و عمرانی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سازه‌های فلزی معمولاً به دو روش جوشکاری یا پیچ و مهره مونتاژ می‌شوند و در برابر نیروهای خارجی مانند باد، زلزله و بارهای سنگین مقاومت بالایی دارند.

تاریخچه اسکلت فلزی یا سازه فولادی

سازه‌های فلزی از اواخر قرن ۱۸ و با پیشرفت صنعت فولاد به یکی از ارکان اصلی ساخت‌وساز تبدیل شدند. در ابتدا، آهن به‌صورت محدود در پل‌ها و بناهای صنعتی استفاده می‌شد، اما با انقلاب صنعتی و فرآیند بسمر در قرن ۱۹، تولید فولاد ارزان‌تر و مقاوم‌تر شد.

نخستین سازه‌های شاخص فلزی شامل پل آهنی (۱۷۷۹) و برج ایفل (۱۸۸۹) بودند. در قرن ۲۰، با توسعه جوشکاری و اتصالات پیچ و مهره‌ای، ساختمان‌های مرتفع مانند ساختمان بیمه هوم (۱۸۸۵) و امپایر استیت (۱۹۳۱) ساخته شدند.

امروزه، سازه‌های فولادی با فناوری‌های مدرن، به دلیل استحکام، سرعت اجرا و مقاومت در برابر زلزله، کاربرد گسترده‌ای در ساخت آسمان‌خراش‌ها، پل‌ها و ساختمان‌های صنعتی دارند.

مطالب مرتبط: دیتیل و جزئیات سازه فلزی از اتصالات تیر به تیر تا تیر به ستون

فکت‌های جالب راجع به سازه‌های فلزی

تولید فولاد که اصلی‌ترین ماده در سازه‌های فلزی است، سالانه بیش از 1/8 میلیارد تن در جهان انجام می‌شود و چین به‌تنهایی بیش از 50 درصد از تولید جهانی را به خود اختصاص داده است.

از نظر میزان مصرف، کشورهایی مانند چین، ایالات متحده، هند، ژاپن و آلمان بیشترین استفاده را در ساخت‌وساز و توسعه زیرساخت‌های فلزی دارند. به‌ویژه چین، با اجرای پروژه‌های عظیم عمرانی و توسعه شهری، پیشتاز مصرف فولاد در جهان محسوب می‌شود.

اولین سازه فلزی جهان، پل سِورْن (Iron Bridge) در انگلستان است که در سال 1779 ساخته شد. این پل که کاملاً از فلز (چدن) ساخته شده، برای عبور از رودخانه سورن طراحی شده و نقطه عطفی در مهندسی سازه‌های فلزی به شمار می‌رود.

در اینجا به برخی از مشهورترین و بزرگ‌ترین سازه‌های فلزی جهان اشاره می‌کنیم:

• استادیوم ملی پکن (چین): معروف به آشیانه پرنده، این سازه برای المپیک 2008 طراحی شد و یکی از بزرگ‌ترین سازه‌های فولادی جهان است که از 42/000 تن فولاد ساخته شده است (منبع).
• ساختمان امپایر استیت (آمریکا): این آسمان‌خراش نمادین نیویورک، در سال 1931 ساخته شد و فریم فولادی آن 57/000 تن وزن دارد. نمای آن از 200,000 فوت مکعب سنگ آهک و گرانیت، 10 میلیون آجر و 730 تن آلومینیوم و فولاد ضدزنگ ساخته شده است. ساخت این ساختمان عظیم تنها 13 ماه طول کشید.
• پل بندر سیدنی (استرالیا): بزرگ‌ترین پل قوسی فولادی جهان که 52/800 تن فولاد در ساخت آن به کار رفته است. قوس آن به تنهایی 39/000 تن وزن دارد. این پل یکی از نمادهای اصلی استرالیا محسوب می‌شود و دارای 49 متر عرض، 8 خط عبور خودرو، دو مسیر قطار، یک پیاده‌رو و مسیر دوچرخه‌سواری است.

اجزای سازه فولادی کدام هستند؟

یک سازه فلزی به‌طور کلی از اجزای زیر تشکیل شده است:

تیرها

تیرها اعضای افقی اصلی در یک سازه فلزی هستند که وظیفه انتقال بار از سقف و سایر قسمت‌های سازه به ستون‌ها را بر عهده دارند. 

آن‌ها می‌توانند از تیرآهن‌های نورد شده، تیرهای ساخته‌شده از ورق یا تیرهای مرکب تشکیل شوند. علاوه بر نقش باربری، تیرها اجزای کوچکی مانند صفحه‌ستون، کف پله‌ها و ورق‌های باربر را نیز شامل می‌شوند.

ستون‌ها

ستون‌ها اعضای عمودی سازه هستند که نیروهای فشاری را تحمل کرده و بارهای واردشده را به فونداسیون منتقل می‌کنند. این اعضا معمولاً از تیرآهن، قوطی یا پروفیل ساخته می‌شوند. در برخی موارد، برای افزایش استحکام ستون‌های قوطی شکل، داخل آن‌ها بتن‌ریزی می‌شود.

اجزای کششی

اجزای کششی در سازه‌های فلزی برای تحمل و انتقال بارهای کششی طراحی شده‌اند. این اعضا به‌گونه‌ای ساخته می‌شوند که در برابر نیروی کشش مقاوم بوده و از تغییر شکل سازه جلوگیری کنند.

اجزای کششی معمولاً در قسمت‌هایی مانند مهاربندها و خرپاها مورد استفاده قرار می‌گیرند و نقشی کلیدی در پایداری و ایمنی ساختمان دارند.

اعضای خمشی و فشاری

اعضای خمشی و فشاری شامل اجزایی مانند تیرها و اتصالات سخت هستند که برای تحمل نیروهای خمشی و فشاری طراحی شده‌اند. این اعضا معمولاً در قالب سیستم قاب خمشی اجرا می‌شوند و به شکل صلیبی در نقاط حساس سازه قرار می‌گیرند.

بادبندها

بادبندها اعضایی هستند که وظیفه مقاوم‌سازی سازه در برابر نیروهای جانبی، مانند باد و زلزله را بر عهده دارند. این اعضا معمولاً به‌صورت ضربدری (X) یا V شکل در قاب‌های سازه اجرا می‌شوند. بادبندها از تغییر شکل بیش‌ازحد سازه جلوگیری کرده و مانع از تخریب ناشی از نیروهای جانبی می‌شوند.

مطالب مرتبط: سازه‌های فلزی جدید چیست و چرا آینده با آن‌هاست؟

اتصالات

اتصالات بخش‌های مهمی در سازه فلزی هستند که وظیفه اتصال تیرها، ستون‌ها و سایر اجزا را بر عهده دارند. این اتصالات به دو روش جوشی و پیچ و مهره‌ای اجرا می‌شوند. 

اتصالات جوشی نیاز به مهارت بالایی دارند و معمولاً در کارخانه یا کارگاه انجام می‌شوند، درحالی‌که اتصالات پیچ و مهره‌ای سرعت نصب بیشتری دارند و امکان جداسازی آن‌ها نیز وجود دارد.

صفحه‌ ستون (بیس پلیت – Base Plate)

صفحه‌ ستون یکی از اجزای کلیدی در سازه‌های فلزی است که در پایین ستون‌ها قرار می‌گیرد. این صفحه فولادی نقش انتقال بار ستون به فونداسیون را ایفا می‌کند و باید به‌گونه‌ای طراحی شود که تنش‌ها را به‌صورت یکنواخت توزیع کرده و از تمرکز تنش در نقاط خاص جلوگیری کند.

مهاربندها

مهاربندها برای افزایش مقاومت سازه در برابر تغییر شکل‌های ناخواسته و نیروهای جانبی مورد استفاده قرار می‌گیرند. آن‌ها معمولاً به‌صورت اعضای مایل در بین قاب‌های سازه قرار می‌گیرند و از واژگونی یا تغییر شکل بیش‌ازحد ساختمان جلوگیری می‌کنند.

سقف و پوشش‌ها

سقف سازه‌های فلزی می‌تواند از انواع مختلفی مانند سقف‌های کامپوزیت، عرشه فولادی و تیرچه‌بلوک تشکیل شود. این اجزا علاوه بر پوشاندن فضای بالایی ساختمان، نقش مهمی در توزیع بارهای واردشده و پایداری کلی سازه دارند.

دال‌ها و کف‌سازی

دال‌های بتنی یا کامپوزیت معمولاً بر روی تیرهای سازه قرار گرفته و بارهای ثقلی را به تیرها و ستون‌ها منتقل می‌کنند. این دال‌ها علاوه بر ایجاد سطح مناسب برای راه رفتن و قرارگیری تجهیزات، به افزایش استحکام کلی سازه نیز کمک می‌کنند.

مطالب مرتبط: سازه صنعتی چیست و انواع آن کدامند؟ بررسی جامع مزایا و معایب هر کدام

انواع سازه‌های فلزی

در اینجا به برخی از رایج‌ترین انواع سازه‌های فلزی اشاره می‌کنیم:

1.   سازه قابی (قاب‌بندی شده)

سازه‌های قابی شامل ستون‌ها و تیرهایی هستند که به‌صورت ساده یا گیردار به یکدیگر متصل می‌شوند. این سازه‌ها عمدتاً در ساخت پل‌ها، ساختمان‌های چندطبقه و سازه‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

از ویژگی‌های مهم این نوع سازه، توانایی بالای آن در تحمل نیروهای افقی و عمودی است که باعث افزایش استحکام در برابر زلزله می‌شود. یکی از نقاط ضعف سازه‌های قابی، مقاومت کم در برابر حرارت بالا و آتش‌سوزی است که با استفاده از پوشش‌های ضد حریق مانند گچ، بتن و پلیمرهای مقاوم می‌توان این مشکل را کاهش داد.

مزایا:

• قابلیت تحمل نیروهای افقی و عمودی
• افزایش استحکام در برابر زلزله
• امکان مونتاژ در کارخانه و نصب سریع

معایب:

• مقاومت کم در برابر حرارت بالا و آتش‌سوزی
• نیاز به پوشش‌های ضد حریق

2.   سازه پوسته‌ای

در این نوع سازه، از ورق‌های فولادی برای ایجاد یک پوسته محافظ استفاده می‌شود. یکی از ویژگی‌های برجسته سازه‌های پوسته‌ای، قابلیت پوشش دهی فضاهای وسیع بدون نیاز به ستون‌های میانی است.

همچنین، این نوع سازه به دلیل زیبایی ظاهری و وزن سبک، در پروژه‌های خاص معماری و صنعتی محبوبیت دارد. بااین‌حال، خم کردن ورق‌های پوسته‌ای به‌صورت طولی و عرضی دشوار است و نیاز به استفاده از مکمل‌های فرعی دارد.

مزایا:

• امکان پوشش دهی فضاهای وسیع بدون ستون میانی
• وزن سبک و ظاهر زیبا
• مناسب برای پروژه‌های معماری خاص

معایب:

• خم کردن ورق‌های پوسته‌ای دشوار است
• نیاز به استفاده از مکمل‌های فرعی به جای ورق‌های خمیده

3.   سازه معلق

این نوع سازه که بیشتر در پل‌ها، سایبان‌ها، خطوط لوله و سقف پارکینگ‌های روباز کاربرد دارد، با استفاده از کابل‌های کششی معلق نگه داشته می‌شود. سازه‌های معلق به دلیل وزن سبک، زیبایی ظاهری و نصب آسان مورد توجه هستند. بااین‌حال، حساسیت بالای آن‌ها به تنش‌های فیزیکی و امکان تغییر شکل در اثر فشارهای ناگهانی، از جمله معایب این نوع سازه است.

مزایا:

• وزن سبک
• ظاهر زیبا
• نصب آسان
• ایمنی بالا

معایب:

• حساسیت به تنش‌های فیزیکی
• امکان تغییر شکل در اثر فشارهای ناگهانی
• مناسب برای برخی پروژه‌ها (نه همه کاربردها)

4.   سازه خرپایی

سازه خرپایی از میله‌های فولادی مثلثی شکل تشکیل شده که به‌صورت مفصلی به تکیه‌گاه متصل می‌شوند. این سازه‌ها عمدتاً در پل‌ها، سقف‌های کاذب، سوله‌ها و سازه‌های صنعتی به کار می‌روند.

ویژگی مهم سازه‌های خرپایی، توانایی آن‌ها در انتقال نیروها به زمین از طریق مفصل‌ها است. از مزایای این سازه می‌توان به امکان مونتاژ در کارخانه، نصب سریع، استفاده مجدد و امکان عبور تأسیسات برقی و مکانیکی اشاره کرد. از معایب آن نیز می‌توان به اشغال فضای زیاد، وزن بالا و هزینه‌های نگهداری و تعمیرات اشاره کرد.

مزایا:

• امکان مونتاژ در کارخانه
• نصب سریع و آسان
• استفاده مجدد
• امکان عبور تأسیسات برقی و مکانیکی از فضاهای مثلثی

معایب:

• اشغال فضای زیاد
• وزن بالای سازه
• هزینه بالای نگهداری و تعمیرات

5.   سازه فولادی سبک (LSF)

سازه LSF یک نوع سازه سبک است که از مقاطع فولادی سردنوردشده ساخته می‌شود. این سازه بیشتر در ساختمان‌های کم ارتفاع، ویلاها و پروژه‌های سریع‌الاجرا استفاده می‌شود. از مزایای آن می‌توان به کاهش مصرف مصالح ساختمانی، کاهش وزن سازه و سرعت بالای اجرا اشاره کرد.

مزایا:

• کاهش مصرف مصالح ساختمانی
• کاهش وزن سازه
• سرعت بالای اجرا
• مناسب برای ساختمان‌های کم ارتفاع و ویلاها

معایب:

• مناسب برای پروژه‌های بزرگ مقیاس نیست
• ممکن است نیاز به تقویت در برابر بارهای سنگین داشته باشد

مطالب مرتبط: سازه های چادری چیست؟ ساخت انواع سازه چادری

انواع شکل ستون‌های اسکلت فلزی یا سازه فولادی چیست؟

ستون‌های اسکلت فلزی یا سازه فولادی به‌طور کلی به چندین شکل مختلف طراحی می‌شوند که هرکدام بسته به نوع کاربرد، نیازهای مهندسی و الزامات فنی انتخاب می‌شوند. مهم‌ترین انواع ستون‌های فولادی عبارت‌اند از:

ستون‌های نبشی (Angle Column)

این نوع ستون‌ها از دو یا چند نبشی فولادی که به‌طور عمودی به یکدیگر متصل شده‌اند، ساخته می‌شوند. این ستون‌ها معمولاً برای سازه‌هایی که نیازی به بارگذاری سنگین ندارند، مناسب هستند.

مزایا:

• ساده و اقتصادی
• مناسب برای بارهای متوسط

معایب:

• مقاومت کم در مقایسه با ستون‌های دیگر
• نیاز به تقویت در صورت بارگذاری سنگین

ستون‌های پروفیل (I-Beam Column)

این نوع ستون‌ها از پروفیل‌های فولادی مانند تیرآهن‌های I شکل ساخته می‌شوند. این ستون‌ها بسیار مقاوم هستند و می‌توانند بارهای سنگینی را تحمل کنند.

مزایا:

• مقاومت بالا در برابر بارهای عمودی
• استفاده گسترده در سازه‌های فولادی صنعتی و ساختمانی

معایب:

• نیاز به تقویت در شرایط خاص
• وزن زیاد در مقایسه با برخی دیگر از انواع ستون‌ها

ستون‌های لوله‌ای (Tube Column)

ستون‌های لوله‌ای از لوله‌های فولادی دایره‌ای شکل ساخته می‌شوند و معمولاً برای سازه‌های با طراحی مدرن و مقاوم در برابر بارهای متنوع به کار می‌روند. این نوع ستون‌ها استحکام بالایی دارند و در برابر نیروهای خمشی و پیچشی مقاوم هستند.

مزایا:

• مقاومت بالا در برابر نیروهای پیچشی
• مناسب برای طراحی‌های مدرن و سبک

معایب:

• هزینه بالا به دلیل پیچیدگی ساخت
• نیاز به روش‌های خاص برای جوشکاری و اتصال

ستون‌های قوطی (Box Column)

این ستون‌ها معمولاً از مقاطع مربع یا مستطیلی فولادی ساخته می‌شوند و به شکل یک جعبه یا قوطی هستند. این نوع ستون‌ها برای استفاده در ساختمان‌های بلند و پل‌ها کاربرد دارند.

مزایا:

• مقاومت بالا در برابر نیروهای فشاری
• مناسب برای بارهای سنگین

معایب:

• وزن زیاد
• هزینه بالاتر در مقایسه با ستون‌های ساده‌تر

ستون‌های ترکیبی (Composite Column)

این ستون‌ها ترکیبی از فولاد و بتن هستند. این نوع ستون‌ها به‌ویژه در پروژه‌های بزرگ و ساختمان‌های بلند برای بهبود مقاومت و کاهش وزن کلی سازه به کار می‌روند.

مزایا:

• ترکیب مزایای فولاد و بتن برای ایجاد ستون مقاوم
• بهبود عملکرد در برابر نیروهای فشاری و خمشی

معایب:

• هزینه ساخت بالاتر
• نیاز به فضای بیشتر برای ساخت

ستون‌های فولادی با مقطع مربعی یا مستطیلی (Square/Rectangular Column)

این ستون‌ها از مقاطع مربعی یا مستطیلی فولادی ساخته می‌شوند و برای سازه‌هایی که نیاز به استحکام بالا دارند، مانند ساختمان‌های صنعتی و تجاری، استفاده می‌شوند.

مزایا:

• استحکام مناسب در برابر بارهای فشاری
• امکان استفاده در انواع مختلف سازه‌ها

معایب:

• نیاز به استفاده از ورق‌های ضخیم‌تر برای تحمل بارهای سنگین

این انواع ستون‌ها بر اساس نیازهای مهندسی و طراحی خاص یک پروژه انتخاب می‌شوند تا مقاومت، ایمنی و بهره‌وری سازه تضمین شود.

مطالب مرتبط: [0 تا 100] روش های کنترل سازه فعال و غیرفعال سازه

مزایای سازه‌های فلزی

سازه‌های فلزی به دلیل ویژگی‌ها و مزایای خاص خود، در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی و صنعتی استفاده می‌شوند. برخی از مهم‌ترین مزایای سازه‌های فلزی عبارت‌اند از:

• مقاومت و دوام بالا: اجزای سازه‌های فولادی سبک‌تر و قوی‌تر از محصولات چوبی یا بتنی هستند. یک محصول فولادی که برای تحمل فشار تولید می‌شود، حدود 30 تا 50 درصد سبک‌تر از محصول چوبی مشابه خود است. این ویژگی باعث می‌شود که استفاده از اسکلت فلزی استحکام و دوام بیشتری برای ساختمان به همراه داشته باشد.
• امکان ساخت آسان و در اندازه‌های متنوع: داربست‌های فلزی در اندازه‌های متنوعی در بازار موجود هستند و حتی امکان ساخت سفارشی آن‌ها هم وجود دارد. این انعطاف‌پذیری در اندازه و طراحی باعث می‌شود که سازه‌های فولادی برای انواع مختلف پروژه‌ها مناسب باشند.
• مقاومت در برابر آتش: اسکلت‌های فلزی در برابر آتش بسیار مقاوم هستند؛ بنابراین، در صورت استفاده از سازه‌های فولادی، خطر بروز آتش‌سوزی در ساختمان کاهش می‌یابد و گسترش آتش به کندی صورت می‌گیرد.
• مقاوم در برابر آفات و حشرات: اسکلت‌های فولادی در برابر خطرات حشراتی مانند موریانه ایمن هستند و با مشکلاتی که از طریق حشرات برای چارچوب‌های چوبی ایجاد می‌شود، مواجه نمی‌شوند.
• مقاومت در برابر رطوبت و وضعیت‌های آب و هوایی مختلف: با توجه به میزان کربنی که در اسکلت فولادی ساختمان وجود دارد، این سازه می‌تواند در برابر رطوبت مقاوم باشد و وضعیت‌های مختلف آب و هوایی را تحمل کند، بدون اینکه دچار آسیب شود.

این ویژگی‌ها باعث می‌شود که سازه‌های فلزی در مقایسه با سایر انواع سازه‌ها، عملکرد بهتری داشته باشند و گزینه‌ای مناسب برای انواع پروژه‌ها باشند.

چالش و معایب سازه‌های فلزی

با وجود مزایای فراوان، سازه‌های فلزی نیز دارای برخی معایب هستند که باید در نظر گرفته شوند:

• هزینه بالای ساخت اولیه: یکی از معایب اصلی سازه‌های فلزی، هزینه‌های بالای ساخت اولیه است. تولید و آماده‌سازی اجزای فلزی نیاز به تجهیزات خاص و فرآیندهای پیچیده دارد که هزینه‌های زیادی به همراه دارد. همچنین، هزینه نصب و مونتاژ این نوع سازه‌ها می‌تواند بیشتر از سازه‌های بتنی باشد.
• حساسیت به خوردگی: اگرچه سازه‌های فلزی مقاوم هستند، اما در صورتی که تحت تأثیر رطوبت یا شرایط محیطی نامساعد قرار گیرند، می‌توانند دچار خوردگی شوند. برای جلوگیری از این مشکل، نیاز به پوشش‌های ضد زنگ و مراقبت‌های خاص وجود دارد. این مسئله می‌تواند نیاز به نگهداری و تعمیرات اضافی در طول زمان داشته باشد.
• حساسیت به حرارت بالا: فلزات به حرارت حساس هستند و در دماهای بالا خاصیت خود را از دست می‌دهند. در صورت آتش‌سوزی یا مواجهه با دمای بالا، سازه‌های فلزی ممکن است تغییر شکل دهند و استحکام خود را از دست بدهند. برای مقابله با این مشکل، پوشش‌های مقاوم به آتش روی سازه‌ها اعمال می‌شود، اما این هزینه‌ها را نیز افزایش می‌دهد.
• محدودیت در ایجاد فضای داخلی: سازه‌های فلزی معمولاً به ستون‌های زیادی نیاز دارند که می‌تواند فضای داخلی ساختمان را محدود کند. به‌ویژه در ساختمان‌های با ارتفاع بالا، ممکن است نیاز به استفاده از اجزای فلزی بیشتر باشد که فضای زیادی را اشغال کنند.
• نیاز به تخصص در طراحی و اجرا: ساخت و طراحی سازه‌های فلزی نیازمند تخصص‌های مهندسی دقیق و ماهر است. در نتیجه، به‌کارگیری مهندسان و کارگران متخصص برای نصب و اجرای سازه‌های فلزی ضروری است که می‌تواند هزینه‌های پروژه را افزایش دهد.
• تولید آلودگی و تأثیرات زیست‌محیطی: فرآیند تولید فولاد و فلزات می‌تواند آلودگی‌های محیطی ایجاد کند، به‌ویژه در مواردی که از منابع طبیعی برای استخراج مواد اولیه استفاده می‌شود؛ بنابراین، باید به انتخاب روش‌های تولید سبز و پایدار توجه شود.

با وجود این معایب، می‌توان با استفاده از تکنیک‌های نوین و انجام مراقبت‌های مناسب، بسیاری از مشکلات سازه‌های فلزی را کاهش داد.

کاربرد سازه‌های فلزی

سازه‌های فلزی در انواع پروژه‌های ساخت و ساز و صنعتی کاربرد دارند. در اینجا برخی از کاربردهای رایج سازه‌های فلزی آورده شده است:

• ساختمان‌های مسکونی و تجاری: استفاده در برج‌ها و ساختمان‌های بلندمرتبه برای استحکام و کاهش زمان ساخت.
• پل‌ها و سازه‌های حمل و نقل: مناسب برای ساخت پل‌ها و جاده‌ها به دلیل تحمل بارهای سنگین و شرایط سخت محیطی.
• صنایع نفت و گاز: استفاده در دکل‌ها، سکوها، برج‌ها و ایستگاه‌های فرآوری به دلیل مقاومت بالا در برابر شرایط سخت.
• کارخانه‌ها و صنایع تولیدی: ساخت سوله‌ها و انبارها برای تحمل بارهای سنگین تجهیزات صنعتی.
• انبارها و سوله‌ها: ساخت انبارها برای ذخیره‌سازی کالاها و تجهیزات.
• ورزشگاه‌ها و استادیوم‌ها: طراحی فضاهای بزرگ بدون ستون برای راحتی تماشاگران و ورزشکاران.
• سقف‌های کاذب و پوشش‌های فلزی: استفاده در پوشش‌های ساختمانی برای دوام بیشتر.
• سازه‌های مقاوم در برابر زلزله: سازه‌های فلزی به دلیل انعطاف‌پذیری بالا برای مقاومت در برابر زلزله.
• فضاهای تجاری موقت و نمایشگاه‌ها: ساخت سازه‌های سریع‌الساخت و قابل جابجایی.
• پارکینگ‌های روباز و سقف‌های پارکینگ: ساخت سایبان‌ها و پارکینگ‌ها با استحکام و مقاومت در برابر شرایط محیطی.

مراحل اجرای سازه فلزی

مراحل ساخت ساختمان اسکلت فلزی به طور کلی شامل موارد زیر است:

مرحله اول-ساخت پایه و فوندانسیون: در این مرحله، خاک‌برداری انجام می‌شود و با استفاده از تجهیزات دقیق، محل فوندانسیون تراز می‌شود. سپس فوندانسیون با میلگرد و بتن ساخته می‌شود تا استحکام لازم برای نگهداری اسکلت فلزی فراهم گردد.

مرحله دوم-ساخت ستون فولادی: ستون‌ها از تیرآهن‌های مختلف ساخته می‌شوند و به فوندانسیون متصل می‌شوند. این ستون‌ها بارهای سازه را به‌طور مؤثر به فوندانسیون انتقال می‌دهند. اتصال ستون‌ها با استفاده از بیس پلیت و جوش یا بولت انجام می‌شود.

مرحله سوم-نصب تیرهای فلزی: تیرهای فلزی برای انتقال بار از سقف و کف به ستون‌ها استفاده می‌شوند. این تیرها بر اساس نقشه‌های اجرایی به‌صورت تراز و محکم به ستون‌ها متصل می‌شوند و پس از نصب، رنگ‌آمیزی و زنگ‌زدایی می‌شوند.

مرحله چهارم-سیستم‌های سقف: سقف‌ها بارهای عمودی را به تیرها منتقل می‌کنند. در این مرحله، سقف‌های تیرچه بتنی نصب می‌شوند که به‌طور یک‌طرفه بار را به تیرهای فلزی منتقل می‌کنند.

مرحله پنجم-سیستم بادبند: بادبندها با استفاده از ناودانی یا نبشی در میان ستون‌ها و تیرها نصب می‌شوند تا نیروهای جانبی مانند زلزله و باد را به ستون‌ها منتقل کنند و پایداری ساختمان را افزایش دهند.

مرحله ششم-نازک‌کاری: در این مرحله، پوشش دهی نهایی، رنگ‌آمیزی، نصب درب و پنجره‌ها و سایر اجزای تکمیلی انجام می‌شود. این مراحل به ساختمان ظاهر نهایی و ایمنی لازم را می‌دهند.

سازه فلزی در مقایسه با سازه بتنی

سازه‌های فلزی و بتنی در بسیاری از جنبه‌ها با یکدیگر تفاوت دارند. در زیر برخی از این تفاوت‌ها به تفصیل توضیح داده شده است.

• هزینه ساخت: ساخت سازه‌های بتنی معمولاً از سازه‌های فلزی ارزان‌تر است، زیرا در بتن نیروی کار کمتری لازم است و هزینه مصالح نیز معمولاً کمتر است. از طرفی، در سازه‌های فلزی، نیاز به هزینه بیشتر برای تأمین مواد اولیه و نیروی کار متخصص است.
• سرعت اجرا: سازه‌های فلزی سریع‌تر از سازه‌های بتنی ساخته می‌شوند. فلزات آماده به کار در کارخانه تولید شده و سریعاً در محل مونتاژ می‌شوند، در حالی که سازه‌های بتنی نیاز به زمان بیشتری برای بتن‌ریزی و سخت شدن دارند.
• مقاومت در برابر آتش: بتن مقاومت بالاتری در برابر آتش دارد و از این لحاظ ایمن‌تر از سازه‌های فلزی است که می‌توانند در اثر حرارت شدید دچار آسیب شوند.
• مقاومت در برابر زلزله: سازه‌های فلزی معمولاً انعطاف‌پذیرتر و مقاوم‌تر در برابر زلزله هستند. در مقابل، سازه‌های بتنی بیشتر شکننده‌اند و ممکن است در اثر زلزله آسیب بیشتری ببینند.
• دوام: در حالی که سازه‌های بتنی معمولاً دوام بیشتری دارند و در شرایط مناسب کمتر دچار فرسایش می‌شوند، سازه‌های فلزی می‌توانند به دلیل زنگ‌زدگی و خوردگی دچار مشکلات طولانی‌مدت شوند، به ویژه در مناطق مرطوب.
• وزن: سازه‌های بتنی وزن بیشتری دارند و به همین دلیل نیاز به فونداسیون محکم‌تر دارند؛ اما سازه‌های فلزی وزن کمتری دارند و می‌توانند به راحتی از فونداسیون‌های سبک‌تر استفاده کنند.
• مقاومت کششی: در مقاومت کششی، فولاد عملکرد بهتری نسبت به بتن دارد. فلزات برای تحمل بارهای کششی بهتر از بتن عمل می‌کنند.

در جدول زیر خلاصه‌ای از تفاوت سازه فلزی و سازه بتنی ارائه شده است.

ویژگی	سازه بتنی	سازه فلزی
هزینه ساخت	ارزان‌تر	گران‌تر
سرعت اجرا	کندتر (زمان لازم برای بتن‌ریزی)	سریع‌تر (مونتاژ سریع‌تر)
مقاومت در برابر آتش	بالا	پایین‌تر
مقاومت در برابر زلزله	شکننده‌تر	مقاوم‌تر و انعطاف‌پذیرتر
دوام	بالا (کاهش فرسایش)	ممکن است دچار زنگ‌زدگی شود
وزن	سنگین‌تر (نیاز به فونداسیون محکم)	سبک‌تر (نیاز به فونداسیون سبک‌تر)
مقاومت کششی	پایین‌تر	بالا (مقاومت کششی عالی)

سخن آخر

سازه‌های فلزی به دلیل ویژگی‌هایی همچون دوام بالا، مقاومت در برابر بارهای سنگین و زمان ساخت کوتاه، گزینه‌ای مناسب برای بسیاری از پروژه‌های عمرانی به شمار می‌روند.

از طرفی، هزینه بالاتر نسبت به سازه‌های بتنی و نیاز به مراقبت‌های ویژه در برابر عوامل محیطی می‌تواند از معایب این سازه‌ها باشد. با این حال، انتخاب سازه فلزی یا بتنی بستگی به شرایط پروژه، نوع ساخت و نیازهای خاص آن دارد.