سازه صنعتی چیست و انواع آن کدامند؟ بررسی جامع مزایا و معایب هر کدام
انواع سازه صنعتی که در قالب سازه فلزی طراحی و اجرا می‌شود در صنایع مختلف می‌توانند کاربردهای زیادی داشته باشند. سازه صنعتی بر اساس ساختار و اتصالات به انواع مختلفی دسته‌بندی می‌شود. اینکه سازه های صنعتی چیست و انواع آن کدامند و اجرا و طراحی آنها چگونه است از موضوعاتی هستند که در ادامه این مطلب از پاوان در مورد آنها صحبت شده است.
سازه های صنعتی چیست؟
سازه فلزی صنعتی، سازه‌ای است که از مواد فلزی مانند فولاد، آلومینیوم، مس و … ساخته و به منظور پشتیبانی و حمایت از بارهای سنگین و ساختمانی استفاده می‌شود. این سازه‌ها معمولاً در صنایع ساختمانی، صنایع دریایی، صنایع نفت، گاز و پتروشیمی و دیگر صنایع بزرگ استفاده می‌شوند.
سازه فلزی صنعتی شامل انواع مختلفی از سازه‌ها مانند ستون‌ها، بالشتک‌ها، برج‌ها، پل‌ها، سقف‌ها و دیگر سازه‌هایی هستند که برای پشتیبانی از بارهای سنگین و همچنین بهبود پایداری و مقاومت سازه‌های ساختمانی استفاده می‌شوند.
سازه‌هایی چون سوله کارخانه‌ها، سالن‌های بزرگ وسایل صنعتی، کارگاه‌های صنعتی، سوله دپو و غیره از جمله کاربردهای سازه‌های فلزی هستند که به دلیل تفاوت در ساختار و نصب با ساختمان‌های مسکونی، به آنها سازه‌های فلزی صنعتی می‌گویند.
در این میان فلز مورد بحث همان فولاد، رایج‌ترین ماده مورد استفاده برای طراحی و ساخت ساختمان‌های صنعتی است. از مهمترین سازه های صنعتی می توان به انواع مخازن ذخیره سازی اشاره کرد.
فرایند طراحی و آماده‌سازی و نصب سازه های صنعتی چگونه است؟
انواع سازه های صنعتی پس از تهیه و پردازش توسط شرکت‌های تولیدکننده به محل نصب برده می‌شوند، جایی که طراح سازه از قبل نقشه و طرح سازه را آماده کرده و پیاده می‌کند. ساخت اسکلت فلزی سازه‌های صنعتی معمولاً به دو صورت سازه فلزی جوش و یا سازه فلزی پیچ‌ومهره آغاز می‌شود.
در طی انجام این مراحل از انواع دستگاه‌های جوش؛ دستگاه جوش الکترود، دستگاه جوش قوس الکتریکی، دستگاه جوش اتوماتیک دروازه‌ای و انواع دستگاه برش؛ دستگاه‌های هوابرش، قیچی و گیوتین، مته، فرز و غیره استفاده می‌شود تا سازه نهایی از کیفیت و طول عمر مطلوبی برخوردار باشد.
هر چه دستگاه‌های جوش پیشرفته یا ترجیحاً اتوماتیک‌تر و الکترودهای جوش از برندهای معتبر و استاندارد باشند، کیفیت اتصالات مقاطع بالاتر و در نتیجه سازه از استحکام بیشتری برخوردار خواهد بود. همچنین پس از جوش با استفاده از روش‌هایی چون تست جوش RT کیفیت اتصالات چک می‌شود.
پس از آن اسکلت فلزی سندبلاست (یک روش ماشینکاری سایشی) و رنگ‌آمیزی می‌شود و بعد از تأیید کنترل کیفیت رنگ، اسکلت سازه فلزی سوله آماده بارگیری و حمل می‌شود تا به محل ساخت و نصب سوله برسد.
سازه صنعتی شامل دو نوع سازه صنعتی سبک و سازه صنعتی سنگین است که در ادامه به آن می‌پردازیم.
سازه های صنعتی سبک
سیستم اسکلت فولادی سبک (Lightweight Steel Framing) که به‌اختصار LSF نامیده می‌شود، یک سیستم ساختمانی است که برای ساختمان‌های کوتاه و متوسط (تا 5 طبقه) کاربرد دارد. سازه‌های فولادی سبک عمدتاً در ساختمان‌های صنعتی که بارهای زیادی را تحمل نمی‌کنند استفاده می‌شود.
از فولاد سبک با مقطع H شکل (جوش داده شده یا نورد شده) برای ساخت چهارچوب گرید (شبکه) فولادی و از پرلین فولادی نوع C و نوع Z شکل به‌عنوان جداره و تیرهای دیوار استفاده می‌کنند. از صفحات فولادی سبک وزن به‌عنوان ساختار محفظه‌ای سقف و دیوار، توسط پیچ و مهره‌هایی با مقاومت بالا و مواد آب‌بندی برای مونتاژ سازه فولادی سبک استفاده می‌شود.
برای آشنایی با انواع سازه های چادری به مطلب «سازه های چادری چیست؟ ساخت انواع سازه چادری» مراجعه کنید.
کاربردهای سازه های صنعتی سبک
سازه صنعتی سبک باتوجه به سرعت ساخت و مصرف کم فولاد، برای کارخانه‌های صنعتی با دهانه کوچک و متوسط به‌علاوه جرثقیل سقفی کمتر از 20 تن، انبارها، سالن‌های ورزشی کوچک و متوسط و … مناسب است. علاوه بر این، ازآنجایی‌که سازه فولادی سبک وزن به راحتی جمع‌آوری و جدا می‌شود، برای سازه‌های موقتی که نیاز به تخریب دارند نیز مناسب است.
مزایای استفاده از سازه های صنعتی سبک
| ویژگی | توضیحات |
| ساخت سریع، آسان و مقرون به‌صرفه | قطعات را می‌توان با استفاده از و پیچ و مهره‌ها در محل ساخت‌وساز مونتاژ کرد. گاهی اوقات می‌توان آنها را روی زمین جوش داد تا واحدهای بزرگ‌تر را تشکیل داده و سپس مونتاژ کرد. |
| عایق حرارتی و عایق صوتی | استفاده از دیوارهایی با راندمان بالای حفظ حرارت و عایق صدا می‌تواند سازه را به 50 درصد صرفه‌جویی در انرژی برساند. |
| مقاومت عالی در برابر شرایط آب‌وهوایی سخت | اجزای اصلی سازه فلزی سبک فولادی است که چقرمگی و کشش خوبی دارد. ساختار کلی محکم است. به طوریکه حتی در صورت وقوع زلزله، ساختمان فلزی بلافاصله فرو نمی‌ریزد. |
| قادر به ایجاد دهانه‌های بزرگ است | با بهره‌گیری از استحکام بالای فولاد، طراحی سازه فولادی سبک را می‌توان با دهانه‌های بزرگ انجام داد. |
| سازگار با محیط‌زیست | ساختمان اسکلت فولادی سبک با اتصال صفحات فولادی و غیره شکل می‌گیرد که در هر زمان قابل جداسازی هستند. علاوه بر این می‌توان از آن مجدداً استفاده کرد و به طور مؤثری ضایعات منابع را کاهش داد. |
| می‌توان آن را به راحتی با استانداردهای بعدی سازگار کرد | بازسازی و تقویت سازه فولادی از قبل ساخته شده آسان است و سازه متصل شده توسط پیچ‌ومهره نیز می‌تواند در صورت نیاز تخریب شود. |
| طول عمر طولانی فریم فولادی | ساختمان سازه فولادی سبک وزن همه از جدار نازک تشکیل شده است و فریم فولادی آن از ورق گالوانیزه نورد سرد و ضدخوردگی ساخته شده است که به طور مؤثر از خوردگی صفحه فولادی در حین ساخت و استفاده جلوگیری می‌کند. |
| می‌توان آن را برای مطابقت با مشخصات پروژه شما سفارشی تهیه کرد | سبک‌های بسیاری از سازه‌های فولادی صنعتی با طراحی منحصربه‌فرد وجود دارد. علاوه بر این، سازه را می‌توان با رنگ‌های مختلف و دلخواه ساخت. |
سازه صنعتی سنگین
عموماً اسکلت فلزی سنگین در کارخانه‌ها به‌ویژه در کارگاه‌های تولیدی کاربرد دارد. معمولاً جرثقیل‌های سقفی متوسط و بزرگ در کارگاه‌های سازه‌های فولادی سنگین با ظرفیت ده‌ها تن تا صدها تن وجود دارد.
سازه فولادی سنگین دارای چندین ویژگی است؛ مصرف فولاد در هر مترمربع بیشتر یا مساوی 50 کیلوگرم بر مترمربع است. ضخامت ورق فولادی جزء اصلی، بیشتر یا مساوی 10 میلی‌متر است. ظرفیت بالابری جرثقیل بیشتر یا مساوی 25 تن است.
انواع سازه‌های فولادی سنگین وجود دارد؛ مانند سازه فولادی تک دهانه، سازه فولادی دو دهانه و سازه فولادی چند دهانه. به طور خاص، سازه فولادی تک دهانه از دو ردیف ستون فولادی و سازه فولادی سنگین دو دهانه معمولاً از سه ردیف ستون فولادی تشکیل شده است. علاوه بر این، در همه نوع سازه فلزی سنگین می‌توان جرثقیل‌های سقفی نصب کرد.
کاربردهای سازه های صنعتی سنگین
امروزه، سازه‌های فولادی را می‌توان با تقریباً همه انواع کاربردهای سازه، نه محدود به موارد زیر، تطبیق داد:
- ساختمان‌های فولادی صنعتی: انبارهای سازه‌های فولادی، کارگاه‌های سازه‌های فولادی، سوله‌های ذخیره سازه‌های فولادی و غیره.
- سازه‌های پشتیبانی تجهیزات: نگهداری از تجهیزاتی چون جرثقیل، کوره سیمان، برج‌های دیگ بخار و غیره.
- کارخانه‌های صنعتی سنگین: مانند انواع نیروگاه‌ها
مزایای سازه‌های صنعتی سنگین
| ویژگی | توضیحات |
| استحکام بالای سازه | ساختمان فولادی دارای استحکام بالا، وزن سبک و دهانه بزرگ است. |
| ساخت سریع | دوره ساخت سازه فولادی کوتاه است زیرا می‌توان آن را در کارخانه از قبل مهندسی کرد و سپس در محل مونتاژ کرد. |
| هزینه تمام شده کمتر | نسبت به سایر سازه‌ها مانند سازه بتنی و سازه چوبی هزینه کمتری دارد. |
| مقاومت بالای سازه | ساختمان سازه فولادی سنگین دارای مقاومت عالی در برابر آتش و خوردگی است. |
| سازگار با محیط‌زیست | فولاد سازه را می‌توان بدون آلودگی بازیافت کرد. |
| انعطاف‌پذیر بودن سازه | سازه‌های فولادی سنگین را می‌توان با هر شکلی ساخت. همچنین گسترش سازه در آینده نیز امکان‌پذیر است. |
| عمر طولانی‌مدت | نگهداری از سازه فولادی آسان است و می‌توان سال‌ها از آن استفاده کرد. |
اجزای سازه صنعتی کدامند؟
ابتدا برخی اصطلاحات در سازه‌های فلزی وجود دارد که به آن می‌پردازیم؛
پرلین یا لاپه (Purlin): اکثر سازه‌های فولادی سبک از یک سیستم پرلین در سقف‌های شیب‌دار سوله‌ها به‌عنوان تکیه‌گاه برای تیرهای عمودی استفاده می‌کنند که دو نوع C و Z دارد، پره‌های فولادی کم ضخامت متشکل از فولاد زاویه‌دار و پرلین‌های خرپایی است.
خرپا (Truss): خرپا جزء اصلی باربر در سقف سازه است. فرم خرپا شامل مثلث، ذوزنقه و … است که می‌توان آن را به شکل نبشی، لوله‌ای گرد، لوله‌ای مربع و … ساخت.
اسکلت فولادی (Steel frame): اسکلت‌های فولادی تک‌لایه و چندلایه وجود دارد و معمولاً اسکلت فولادی در دو نوع توپر و مشبک موجود است. اسکلت فولادی چندلایه می‌تواند به طور مؤثر، ارتفاع سازه را کاهش دهد و ظاهری ساده و زیبا به وجود آورد.
چهارچوب شبکه فولادی (Grid frame): ساختار شبکه فولادی، سازه‌ای است که بارها به‌صورت عمود بر روی آن اعمال می‌شود و در مقایسه با ساختار تیرها، دال‌ها و خرپاها، دارای ویژگی یکپارچگی خوب و صلبیت بالا است و می‌تواند بارهای دینامیکی وارده مانند زلزله را تحمل کند.
اجزای اصلی سازه‌های صنعتی
سازه‌های صنعتی ، از فولاد به‌عنوان عضو اصلی باربر خود استفاده می‌کند که عمدتاً شامل ستون‌های فولادی، تیرهای فولادی و سقف فولادی است که می‌توان آن را به روش‌های مختلفی مانند پیچ و مهره، جوشکاری و پرچ متصل کرد. سازه فولادی سنگین بر روی سه عضو ساخته شده است که به یکدیگر متصل هستند و باهم ساختار کلی را تشکیل می دهند؛
عضو اصلی: ستون‌های فولادی، تیرهای فولادی، ستون‌های مقاوم در برابر باد، تیرهای باند جرثقیل سقفی. ستون فولادی می‌تواند یک فولاد H شکل با مقطع مساوی یا مقطع متغیر باشد. از فولاد H شکل با مقطع مساوی معمولاً زمانی استفاده می‌شود که دهانه ساختمان از 15 متر تجاوز نکند و ارتفاع ستون بیش از 6 متر نباشد. تیر فولادی مورد استفاده معمولاً نوعی مقطع I شکل است که از صفحات و فلنج بالا و پایین تشکیل شده است.
عضو ثانویه: عضوی دیگر مجموعه؛ پرلین‌های C یا Z، مهاربندی افقی، مهاربندی عمودی و دیوارهای سقفی هستند که معمولاً پرلین C شکل برای سقف و دیوارها استفاده می‌شود و پرلین‌های Z شکل مخصوصاً برای سقف‌های شیب‌دار بزرگ است. سیستم‌های مهاربندی افقی و عمودی برای پایداری کلی قاب فولادی در نظر گرفته شده است.
قطع آخر: ورق‌های فولادی سقف و دیوارهای متصل به یکدیگر هستند. پانل‌های دیوار و سقف به شکل کاشی‌های استیل رنگی نصب می‌شوند. علاوه بر این، به‌منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی و بهبود روشنایی داخلی، معمولاً پانل‌های ترنزپرنت به سقف نیز اضافه می‌شوند.
مزایای سازه های صنعتی فلزی
برخی از ویژگی‌های آورده شده در جدول زیر باعث شده است که سازه‌های فولادی و فلزی از بتن و سایر مصالح ساختمانی متمایز شود. همچنین از دیگر مزایای اسکلت فلزی می‌توان به قابلیت استفاده در ارتفاعات اشاره کرد.
| ویژگی | توضیحات |
| ماندگاری | دوام سازه فولادی نسبت به دیگر سازه‌ها باعث شده تا با مراقبت درست، به عمر طولانی از سازه رسید. |
| استحکام سازه‌های فلزی | استحکام قطعات فلزی بالا و نسبت مقاومت به وزن آنها بیشتر از مصالح بتنی است، این امر در دهانه‌های بزرگ سوله‌ها و ساختمان‌های مرتفع به‌ویژه ساختمان‌هایی که در زمین‌های سست قرار دارند بسیار حائز اهمیت است. |
| خواص همگن | فلز در کارخانه‌های بزرگ تحت نظارت دقیق تولید می‌شود و می‌توان از همگن بودن آن اطمینان حاصل کرد زیرا خواص آن بر خلاف بتن تحت‌تأثیر عوامل خارجی قرار نمی‌گیرد. اطمینان در همگن بودن خواص مواد در ضریب ایمنی که باعث صرفه‌جویی در مصرف مواد می‌شود مؤثر است. |
| خواص کشسانی | فولاد از قانون هوک تا تنش‌های زیاد پیروی می‌کند. به‌عنوان مثال می‌توان با اطمینان در محاسبات ممان اینرسی یک مقطع فولادی را وارد کرد، درحالی‌که در مورد مقاطع بتنی اعداد مربوطه قابل‌اعتماد نیستند. |
| شکل‌پذیری | یکی دیگر از ویژگی‌های مثبت فلزات، شکل‌پذیری آنهاست که قادر است از تمرکز تنش که عامل شکست است، جلوگیری کند و در مقابل نیروهای دینامیکی و ضربه‌ای مقاومت کند، درحالی‌که مصالح بتن به دلیل شکنندگی در برابر این نیروها، بسیار ضعیف است. به بیانی دیگر سازه‌های فولادی به طور ناگهانی تخریب نمی‌شوند و زمان کافی برای تخلیه و تعمیر آنها وجود دارد. |
| تداوم مواد | قطعات فلزی به دلیل مواد تشکیل‌دهنده آنها پیوسته و همگن هستند، اما در قطعات بتنی، آسیب در هر زلزله باعث آسیب به پوشش بتنی روی میل‌گرد می‌شود و ترک‌هایی در پوشش بتنی ایجاد می‌شود که قابل‌کنترل نیست و احتمال ضعیف شدن ساختمان وجود دارد. که حتی ممکن است در پس‌لرزه یا زلزله بعدی ویران شود. |
| انفجار | سازه‌های فولادی نسبت به سازه‌های بتنی مقاومت بیشتری در برابر انفجار دارند. |
| تقویت و امکان سخت شدن | ضعف در یک سازه فلزی که ناشی از محاسبه اشتباه در قوانین اجرایی است را می‌توان با جوشکاری، پرچ کردن و پیچ کردن قطعات جدید و افزودن قطعات یا دهانه‌ها تقویت کرد. |
| مقاومت متعادل مواد | مصالح فلزی دارای استحکام کششی و فشاری یکسان هستند، بنابراین امکان تغییر موقعیت بار بدون آسیب وجود دارد یعنی در صورت تبدیل نیروی فشاری به کششی مشکل خاصی پیش نمی‌آید. در ساختمان‌های بتن‌آرمه، مقاومت بتن در فشار خوب، اما در حالت کششی یا برشی کم است، بنابراین اگر مناطقی تحت نیروی کششی قرار بگیرند، ترک و آسیب پیدا می‌کنند. |
| ضایعات مواد | به دلیل تهیه قطعات اسکلت فلزی در کارخانه‌ها، ضایعات مصالح آنها کمتر از تهیه و استفاده از بتن است. |
| شرایط ساخت و نصب آسان | تهیه قطعات فلزی در کارخانه‌ها و نصب آن در شرایط مختلف آب‌وهوایی با هماهنگی‌های لازم قابل انجام است. |
| سرعت نصب | سرعت اجرا و نصب قطعات فلزی به طور قابل‌توجهی بیشتر از قطعات بتنی است. تکمیل سریع کار باعث می‌شود که پروژه به‌موقع مورد بهره‌برداری قرار گیرد. |
| وزن کم | میانگین وزن ساختمان‌های فولادی را می‌توان بین 245 تا 390 کیلوگرم بر مترمربع یا بین 80 تا 128 کیلوگرم بر مترمکعب تخمین زد، درحالی‌که در سازه‌های بتن‌آرمه این ارقام به ترتیب بین 480 تا 780 کیلوگرم بر مترمربع، یا 160 تا 250 کیلوگرم بر مترمکعب است. |
| فضای اشغال شده کمتر | در دو ساختمان برابر از نظر ارتفاع و ابعاد ستون؛ تیرهای ساختمان‌های فلزی از نظر ابعاد کوچک‌تر از تیرهای ساختمان‌های بتنی است و اشغال یا فضای پرت در ساختمان‌های بتنی بیشتر از ساختمان‌های فلزی است. |
| افزایش کیفیت اسکلت ساختاری | افزایش کیفیت اسکلت سازه به دلیل کنترل‌های قبل، حین و بعد از اجرای سازه‌ها و همچنین کنترل کامل مصالح و وجود سیستم کنترل کیفی مستقر در مجموعه ساختمانی از نظر ابعاد و جوش باعث کیفیت بالای نهایی می‌شود. |
| برگشت‌پذیری کامل مواد | برگشت‌پذیری کامل مصالح سازه‌های فولادی و امکان استفاده مجدد از آنها به‌خصوص در سازه‌های پیچ‌ومهره‌ای از دیگر ویژگی های سازه های فلزی است. |
سخن آخر
از زمان درخواست ساخت تا لحظه نصب، هیچ سیستم ساختمانی دیگری از نظر صرفه اقتصادی، انعطاف‌پذیری، سرعت ساخت و نصب، قابل‌مقایسه با سازه‌های فلزی صنعتی نیست.
بسیاری از کارشناسان، یکی از دلایل توسعه سریع کشورهای نوظهور و توسعه‌یافته را استفاده از سازه‌های صنعتی پیش‌ساخته فولادی در پروژه های زیرساخت صنعتی، تجاری، درمانی و مسکونی این کشورها می‌دانند.