مقایسه سازه های فولادی و بتنی (تفاوت ها و مزیت ها)
معمول‌ترین روش‌های ساخت ساختمان‌ها در سراسر دنیا سه روش ساختمان با مصالح بنایی، ساختمان با اسکلت فلزی و ساختمان با اسکلت بتنی است. سازه‌های بدون اسکلت معمولاً در ساختمان‌هایی با مساحت و ارتفاع کم که از اهمیت بالایی برخوردار نیستند به کار می‌رود. در ایران قبلاً سازه‌های فولادی رواج بیشتری داشت، اما امروزه به دلیل شناخت مزایای سازه‌های بتنی، این نوع اسکلت جایگاه بسیار خوبی در صنعت ساخت‌وساز پیدا کرده است. انتخاب نوع اسکلت فلزی یا بتنی به عوامل تعیین‌کننده بسیار زیادی وابسته است که در زیر به مهم‌ترین آن‌ها اشاره می‌شود:
- > منطقه جغرافیایی محل احداث سازه
- > مقاومت موردنیاز سازه
- > زمان لازم برای تحویل پروژه
- > بودجه موردنیاز برای انجام پروژه
- و ...
حال به تفاوت سازه فلزی و بتنی می‌پردازیم و مزایا و معایب سازه‌های فلزی و بتنی را موردبحث و بررسی قرار می‌دهیم.
مقایسه ساختمان بتنی و فلزی ازلحاظ محل احداث پروژه:
یکی از مهم‌ترین فاکتورهای انتخاب نوع سازه، محل احداث پروژه است. مثلاً در شرایط آب و هوایی مرطوب و در معرض بارندگی‌های مکرر، سازه فلزی نامناسب است چون در معرض زنگ‌زدگی و خوردگی قرار دارد.
ماندگاری بالا یکی از مزایای سازه‌های بتنی در مناطق با رطوبت بالاست. از طرفی در مناطقی که یون سولفات وجود دارد، میلگرد موجود در بتن در معرض حمله قرار دارد. ضمناً وضعیت گسل‌های آن منطقه و عملکرد سازه در زلزله نیز عامل مؤثر در انتخاب نوع سازه است. همچنین یکی دیگر از عوامل مهم در مورد محل پروژه، تأمین مصالح موردنیاز سازه در محل است. مثلاً نزدیک بودن محل پروژه به معادن سنگدانه و یا کارخانه بتن و یا محل تهیه آهن‌آلات، باعث کاهش هزینه حمل‌ونقل مصالح می‌شود و ازنظر اقتصادی در انتخاب نوع سازه تأثیرگذار است.
تفاوت سازه فلزی و بتنی ازلحاظ مقاومت سازه:
برای انتخاب یک اسکلت مناسب برای ساختمان ابتدا باید نوع بهره‌برداری از ساختمان و درجه اهمیت آن را تعیین کنیم. در مقایسه مقاومت ساختمان بتنی و فلزی نمی‌توان یکی را مقاوم‌تر از دیگری معرفی کرد. چون در صورت طراحی مناسب و اجرای خوب سازه، هر دو اسکلت باید بتوانند نیروهای وارده را به‌خوبی تحمل کنند؛ اما در مورد نیروی زلزله، وزن سازه یکی از عوامل تشدیدکننده این نیرو است و ازآنجاکه وزن اسکلت بتنی از وزن سازه فولادی بسیار سنگین‌تر است، نیروی زلزله شدیدتری به اسکلت بتنی وارد می‌شود.
وزن سازه‌های فولادی حدوداً 250 تا 390 kg/m^2 و وزن سازه اسکلت بتنی حدوداً 480 تا 780 kg/m^2 است. از طرفی صلبیت بالای بتن باعث می‌شود هنگام وزش باد و تکان‌های شدید از طبقات فوقانی، لرزه‌ای در سازه بتنی ایجاد نشود و احساس آرامش ساکنین سازه بتنی از سازه فولادی بیشتر است. شاید این موضوع یکی از مهم‌ترین مزایای سازه‌های بتنی باشد.
در حالت کلی میتوان گفت نسبت مقاومت فولاد به وزن آن در مقایسه با بتن بزرگ‌تر است. نکته دیگر اینکه مقاومت فولاد در مورد نیروهای کششی و فشاری و برشی تقریباً یکسان بوده و در نیروهای رفت و برگشتی، نیروی کششی و فشاری قابل تبدیل بوده و این باعث می‌شود سازه فلزی عکس‌العمل خوبی نشان دهد؛ اما در بتن مقاومت فقط در نیروهای فشاری خوب بوده و بتن در مورد نیروهای کششی و برشی عملکرد ضعیفی دارد و درصورتی‌که با میلگرد مسلح نشود، به‌راحتی ترک برداشته و تخریب می‌شود.
ضمناً فولاد به دلیل همگن بودن مواد و شکل‌پذیری بالا، نیروهای دینامیکی و ضربه‌ای را به‌خوبی تحمل می‌کند، درحالی‌که بتن به دلیل ساختار ناهمگن خود ترد و شکننده است و در مقابل این نیروها و انفجار ترک خورده و عملکرد سازه مختل می‌شود.
یک تفاوت دیگر ساختمان فلزی و بتنی این است که با افزایش عمر، مقاومت در سازه فلزی کاهش پیدا نمی‌کند، اما بتن با گذشت زمان دچار اُفت و خزش و ترک می‌شود که به عملکرد سازه آسیب‌زده و مقاومت آن را کم می‌کند.
همچنین در ادامه بررسی مزایا و معایب سازه‌های فلزی و بتنی باید گفت ساختمان فلزی امکان توسعه، ترمیم، تقویت و مقاوم‌سازی اعضاء حین اجرا و پس از ساخت وجود دارد. البته نقطه‌ضعف فولاد در مقاومت، کمانش قطعات فشاری به‌مرورزمان است. ضمناً فولاد در برابر حرارت‌های زیاد ایجاد شده در اثر آتش‌سوزی، مقاومت خود را از دست می‌دهد و در درجه حرارت بالای 600 درجه سانتی‌گراد سازه فلزی فرو می‌ریزد، درحالی‌که بتن در حرارت بالای 1000 درجه سانتی‌گراد حدود 1 الی 6 ساعت مقاومت از خود نشان می‌دهد.
مزایا و معایب سازه‌های فلزی و بتنی در زمان اجرای پروژه:
درصورتی‌که سرعت اتمام پروژه برای ما اولویت داشته باشد، سازه فلزی گزینه مناسب‌تری از سازه بتنی است؛ زیرا اسکلت بتنی باید طبقه به طبقه اجرا شود و زمان لازم برای قالب‌بندی، شمع‌بندی و گیرش اولیه بتن را باید در نظر بگیریم. این در حالی است که در اسکلت فلزی امکان اجرای بی‌وقفه تمام طبقات به‌صورت هم‌زمان با یکدیگر وجود دارد. حتی در صورت تهیه اسکلت فلزی پیش‌ساخته از کارخانه و مونتاژ در محل پروژه، سرعت اجرا از حالت عادی بیشتر هم می‌شود.
همچنین از مزیت‌های مهم سازه‌های فلزی امکان توسعه سازه بعد از بهره‌برداری است بدین معنی که اگر کارفرما یا صاحبان سازه ساختمانی بخواهند طبقه‌ای به ساختمان اضافه نمایند سازه فولادی این قابلیت حائز اهمیت را دارد که با متصل نمودن ستون به ستون‌های از قبل اجرا شده با اتصال پیچی یا جوشی و اتصال تیرها و ... سازه را توسعه داد.
مورد دیگر محدودیت‌های اجرای سازه بتنی در شرایط جوی سرد و گرم است که سرعت اجرای کار را پایین آورده و حتی در مواردی کار را متوقف می‌کند که سازه فلزی از این محدودیت‌ها مستثنا است.
تفاوت ساختمان فلزی و بتنی در هزینه انجام پروژه:
ازآنجایی‌که در اسکلت فلزی مصرف فولاد بیشتر از اسکلت بتنی است، هزینه اجرای سازه فلزی به‌مراتب بیشتر از بتنی است و اسکلت بتنی گزینه مقرون‌به‌صرفه‌تری است.
طبق آمار و برآوردهای انجام شده، هزینه ساخت هر مترمربع سقف و ستون بتنی در دی‌ماه 97 از 550,000 تا 700,000 تومان بوده است درصورتی‌که هزینه ساخت هر مترمربع سقف و ستون فلزی از 600,000 تا 800,000 تومان بوده است.
در ضمن هزینه میلگرد، سیمان و قالب‌ها تدریجاً به‌مرور پیشرفت پروژه باید به آن تزریق شود اما هزینه خرید فولاد برای اسکلت فلزی باید در اوایل پروژه انجام شود که ازلحاظ اقتصادی و تأمین بودجه فشار بیشتری به کارفرما وارد می‌شود. با توجه به اینکه در کشور ما، وام مسکن پس از اتمام سقف هر طبقه به آن تعلق می‌گیرد، در صورت اجرای اسکلت بتنی پس از اتمام هر سقف میتوان وام مربوطه را دریافت کرد.
مورد دیگر در مقایسه هزینه این دو نوع اسکلت، بحث مراقبت و نگهداری‌های پس از ساخت است که سازه بتنی نیاز به مراقبت خاصی ندارد و عمر بهره‌برداری طولانی دارد اما ساختمان فلزی برای مراقبت از خوردگی نیاز به هزینه‌های جانبی دارد.
بااین‌حال در صورت مراقبت از فولاد، دوام و مدت بهره‌برداری آن از سازه بتنی بیشتر می‌شود. نکات مثبت سازه فولادی در بحث هزینه، یکی کاهش پرت مصالح (به دلیل ساخت آهن‌آلات در کارخانه) و به دنبال آن کاهش هزینه‌ها در سازه فلزی است. همچنین آهن‌آلات باقی‌مانده پس از تخریب یک اسکلت فلزی دارای ارزش نسبی بوده، درحالی‌که از تخریب یک سازه بتنی، فقط نخاله‌های ساختمانی باقی می‌ماند و ضمناً تخریب سازه بتنی دشوارتر و پرهزینه‌تر از سازه فلزی است.
مزایا و معایب سازه‌های فلزی و بتنی در اشغال فضا و تداخل‌های معماری:
سازه بتنی نسبت به فلزی سنگین‌تر و حجیم‌تر است و به دلیل بزرگ بودن ابعاد تیر و ستون‌ها در اسکلت بتنی، فضای مرده بیشتری در ساختمان داریم؛ یعنی در مقایسه دو ساختمان بتنی و فلزی یکسان، در سازه بتنی فضای مفید و قابل‌استفاده کمتری خواهیم داشت که این موضوع موجب ایجاد محدودیت‌های معماری مخصوصاً در بحث تأمین پارکینگ‌ها می‌شود. همچنین در دهانه‌های بزرگ، ارتفاع تیرها نیز افزایش می‌یابد (به دلیل جلوگیری از تغییر شکل و کمانش) که همین موضوع ارتفاع مفید طبقات را کم می‌کند.
نکته دیگر این است که در سازه‌های فلزی نیازی به اجرای سقف کاذب نیست، اما در سازه‌های بتنی معمولاً مجبور به اجرای سقف کاذب هستیم. نکته مثبت در مورد بتن، تنوع مقاطع بتنی و امکان ایجاد اعضا با مقاطع مختلف است.
قطعیت، ضریب اطمینان و کنترل کیفیت
در محاسبات سازه بتنی اعداد به‌صورت تقریبی و با ساده‌سازی معادلات به دست آمده‌اند، اما در سازه فولادی به دلیل همگن بودن فولاد، اعداد محاسباتی از قطعیت بالایی نسبت به مقادیر عملی برخوردارند. ازآنجاکه بتن معمولاً در محل پروژه آماده می‌شود و کنترل کیفیت کمتری دارد اما فولاد در کارخانه و با نظارت و دقت بالا تولید می‌شود، ضریب اطمینان کوچک‌تری برای فولاد در نظر می‌گیریم که همین امر باعث صرفه‌جویی در مصالح می‌شود.
مقایسه سازه‌های بتنی و فولادی
بزرگ‌ترین نقطه‌ضعف سازه فولادی عدم اجرای صحیح اتصالات در آن است که سازه بتنی به دلیل یکنواخت بودن و عدم نیاز به اتصالات بین تیر و ستون‌ها دارای برتری نسبت به سازه فولادی است. بهترین روش اجرای اتصالات در اسکلت فولادی استفاده از پیچ و مهره است که متأسفانه در ایران زیاد مرسوم نشده است. در صورت اجرای جوشکاری نامناسب و عدم کنترل و نظارت و تست جوش، باعث عملکرد نامناسب اسکلت فلزی مخصوصاً در مواجهه با نیروهای زلزله می‌شود.
در ادامه مزایا و معایب هریک از این سازه‌ها را میتوان به‌طور خلاصه به‌صورت زیر بیان کرد:
مزایای سازه‌های بتنی:
دلایل انتخاب سازه‌های بتنی به شرح زیر است:
- 1. سازه‌های بتنی مقاومت حرارتی و رطوبتی بالایی دارند.
- 2. سازه‌های بتنی از استحکام خمشی بالایی در هر دو راستای سازه برخوردارند.
- 3. اجرای سازه‌های بتنی آسان است.
- 4. اتصال تیر و بدنه سقف به دلیل همگن بودن مصالح مناسب‌تر از سازه‌های فلزی است.
معایب سازه‌های بتنی:
3 مشکل اصلی یک سازه بتنی:
- 1. زمان اجرای سازه‌های بتنی طولانی‌تر از سازه‌های فلزی است.
- 2. وزن سازه‌های بتنی زیاد است.
- 3. نیاز به وجود آزمایشگاه‌های مکانیک خاک برای آزمایش‌های مربوط به بتن وجود خواهد داشت.
مزایای سازه‌های فولادی:
5 مزیت مهم سازه فولادی را میتوان در موارد زیر خلاصه کرد:
- 1. مقاومت سازه با گذشت زمان تغییر نکرده و طول عمر بالایی دارد.
- 2. میتوان اجرای طبقات را به‌طور هم‌زمان انجام داد و به همین دلیل سرعت اجرای این نوع سازه بالاست.
- 3. وجود اسکلت‌های فولادی پیش‌ساخته سبب می‌شود که اجرای این سازه راحت‌تر باشد.
- 4. اگر اسکلت سازه آسیب ببیند امکان ترمیم و تعمیر خواهد داشت.
- 5. سازه‌های فلزی انعطاف‌پذیری بالایی دارند.
معایب سازه‌های فولادی:
ازجمله معایب سازه‌های فولادی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- 1. قیمت این سازه بیشتر است.
- 2. در صورت نبود اتصالات اصولی در مواقع زلزله آسیب بیشتری نسبت به سازه‌های بتنی می‌بینند.
- 3. امکان اکسیدشدگی و زنگ‌زدگی این سازه‌ها وجود دارد.
- 4. در برابر حرارت مقاوم نبوده و در صورت آتش‌سوزی تغییر شکل می‌دهند که می‌تواند با خسارات جبران‌ناپذیری همراه باشد.
استفاده هم‌زمان از فولاد و بتن در ساختمانی چه مزیتی دارد؟
جالب است بدانید در حال حاضر به دلیل مزیت‌های استفاده هم‌زمان از فولاد و بتن در ساختمان استفاده از این روش بسیار رایج شده است. درواقع با این کار میتوان معایب بتن و فولاد را پوشش داد و از مزایای هرکدام از آن‌ها بهره برد.
مقایسه ساختمان بتنی و فلزی و توجه به مزایا و معایب هریک ازجمله مسائلی است که هر مهندس ساختمانی باید از آن مطلع باشد.