مقایسه اسکلت فلزی و بتنی با بررسی مزایا و معایب (تصاویر)

در مبحث ساختمان سازی یکی از چالش های همیشگی، انتخاب کردن بین اسکلت فلزی و بتنی است. تصمیم گیری در مورد اینکه اسکلت فلزی بهتر است یا بتنی به عوامل مختلفی بستگی دارد. به عنوان مثال باید نوع منطقه در طراحی ویلا دقت کرد، شرایط آب و هوایی بسیار تأثیرگذار است که به نوبه خود روی میزان رطوبت و بارندگی و خشکی و گرما اثر می گذارد. به همین دلیل است که شرایط طراحی ویلا در شمال با طراحی ویلا کویری و کوهستانی کاملا متفاوت است. همچنین عوامل فنی و زلزله خیز بودن منطقه نیز در انتخاب بین اسکلت های فلزی و بتنی اثر دارد. به دلیل اهمیت بسیار زیاد این موضوع در مقاومت و پایداری یک سازه تصمیم گرفتیم به بررسی دقیق و مقایسه اسکلت فلزی و بتنی بپردازیم. پس تا انتها با ما همراه باشید.

فرق اسکلت فلزی و بتنی چیست؟

قبل از اینکه به مقایسه اسکلت فولادی و بتنی بپردازیم ابتدا باید با تعریف آنها آشنا شوید. منظور از اسکلت بتنی یا سازه بتنی (Concrete Structure) چیست؟ بتن در زبان فرانسه به معنی هر نوع ماده یا ترکیبی که خاصیت چسبندگی و سیمانی شدن داشته باشد می گویند. سازه های بتنی هم براساس نوع نوع بتن در سه دسته بتن سیمانی ساده، بتن مسلح و بتن پیش تنیده قرار می گیرند.

در مقابل باید بررسی کنیم که منظور از اسکلت فلزی یا سازه فلزی یا فولادی (Steel Structure) چیست؟ به سازه هایی که از فولاد ساخته شده باشند و شکل و خواص آنها با استانداردهای مؤسسه AISC منطبق باشد، اسکلت فلزی یا فولادی می گویند. سازه های فلزی هم براساس نوع فولاد مثل فولاد سبک، فولاد با کربن متوسط، فولاد با کربن بالا و فولاد کم آلیاژ به انواع مختلف تقسیم می شوند. اکنون که با فرق اسکلت فلزی و بتنی آشنا شدیم به بررسی و مقایسه دقیق همراه با ریز جزئیات آن خواهیم پرداخت.

مقایسه اسکلت فلزی و بتنی، کدام بهتر است؟

فرق اسکلت فلزی با بتنی از جنبه های مختلف را قصد داریم در این بخش بررسی کنیم تا در نهایت پس از بررسی مزایا و معایب هر یک به جمع بندی کلی دست پیدا کنیم.

• مقایسه اسکلت فلزی و بتنی در برابر زلزله:

یکی از تفاوت های بین اسکلت فلزی و بتنی، مقاومت در برابر زلزله است. از این منظر می توان با طراحی دقیق سازه و مهندسی آن، هر دو سازه بتنی و فلزی را نسبت به زلزله مقاوم کرد. اما در کل اسکلت بتنی چون وزن بیشتری دارد و اتصال محکم تری با زمین ایجاد می کند، نیروی بیشتری هم تحمل خواهد کرد.

• ماندگاری و دوام سازه:

مقایسه اسکلت فلزی و بتنی در ساختمان از لحاظ دوام و ماندگاری اهمیت بسیار زیادی دارد. این عامل می تواند جلوی بسیاری از صدمات مالی و جانی را بگیرد. سازه های بتنی معمولا با طول عمر 50 یا 60 سال هستند که هر چقدر به این بازه عمر مفید نزدیکتر می شویم، افت و خزش سازه بتنی هم بیشتر شده و تأثیرمنفی آن هنگام وقوع زلزله بالاتر می رود. اما در سمت مقابل، اسکلت فولادی یا فلزی در اثر گذشت زمان دچار افت مقاومت کمتری می شود هر چند در مناطق شمالی و جنوبی به دلیل رطوبت زیاد، مقاومت و طول عمر کمتری دارند. بنابراین شرایط محیطی تأثیر بسیار زیادی روی مقاومت و طول عمر اسکلت فلزی و بتنی دارد و باید در شرایط یکسان مقایسه شوند.

• ارزش اسقاطی:

ارزش اسقاطی یکی از مواردی است که بین اسکلت فلزی و بتنی اختلاف وجود دارد هر چند به این مسأله موقع ساختمان سازی کمتر توجه می شود. به طور کلی اسکلت فلزی موقع تخریب دارای ارزش اسقاطی بسیار بیشتری است و هزینه ای که بابت تخریب آن پرداخت می شود بسیار کمتر است. حتما کامیون و وانت هایی که بار قراضه آهن خرید و فروش می کنند را در سطح شهر دیده اید اما تا به حال وانت با بتن تخریب شده و اسقاطی ندیده اید.

• تفاوت اسکلت فلزی با بتنی در برابر آتش سوزی:

یکی از موارد بسیار مهمی که در مقایسه اسکلت فلزی و بتنی به آن دقت می کنند مقاومت در برابر آتش سوزی است که هر چقدر بیشتر باشد، در آتش سوزی های سهمگین احتمال ریزش ساختمان کمتر می شود. به طور پایه ای، فولاد در برابر آتش سوزی آسیب پذیر است (نقطه ذوب در 1370 درجه) و دچار افت مقاومت 50% بعد از گذشت 10 دقیقه می شود (دمای فولاد به 500 درجه می رسد) که نقطه خمش فولاد است. اما اسکلت بتنی به مراتب مقاومت بیشتری دارد. با اینکه می توان به کمک روش های جدید، مثل استفاده از شاتکریت، تخته های گچی، کاورهای منبسط شونده و مصالح معدنی فیبردار، مقاومت فولاد در برابر آتش سوزی را بیشتر کرد اما هزینه های اضافه نیاز دارد در حالی که سازه بتنی از پایه چنین مقاومتی دارد.

• درجه دشواری اجرا:

عامل مهم بعدی در تفاوت اسکلت فلزی و بتنی، امکاناتی است که برای اجرای سازه در زمان ساخت و ساز ساختمان نیاز است. سازه های فلزی برای اجرا نیازمند برش کاری، جوشکاری، حمل و نصب هستند. تمامی این موارد نیاز به نیروی کار ماهر و متخصص دارد. در سمت مقابل اجرای سازه بتنی به تخصص و مهارت و همچنین امکانات کمتری نیاز دارد که با توجه به وضعیت کنونی کشور انتخاب معقول تری است.

• مدت زمان اجرا:

مقایسه اسکلت فلزی و بتنی از لحاظ مدت زمان مورد نیاز برای اجرا هم حائز اهمیت است مخصوصا در پروژه هایی که ضرورت احداث آنها بالا باشد. اسکلت فلزی در طبقات مختلف به شکل همزمان اجرا می شود و حتی می توان در کارخانه به شکل پیش ساخته نیز تولید کرد (در ساختمان هایی با بیش از 6 طبقه توجیه اقتصادی دارد). بنابراین اجرای سازه فلزی نسبت به بتنی بسیار سریعتر است. در مقابل اجرای اسکلت بتنی به شکل طبقه به طبقه است و تا زمانی که طبقه زیرین اجرا نشده باشد و درجه سفتی بتن به حد مشخصی نرسیده باشد نمی تواند طبقات بعدی را شروع کرد. همین عامل باعث شده تا هزینه فرایندهای بالا دستی در سازه های فلزی کاهش و مدت زمان لازم برای بهره برداری پروژه سریعتر باشد که به نوبه خوبه جلوی ضررهای مالی و سرمایه گذاری را می گیرد. بنابراین حتی در مقایسه اسکلت فلزی و بتنی پیش ساخته هم اولویت با سازه فلزی است.

• انعطاف پذیری در ساخت و ساز:

تفاوت ساختمان اسکلت فلزی و بتنی از لحاظ انعطاف پذیری معماری قابل توجه است. برای ساختمان های بلند سازه های فلزی مناسبتر هستند چون در طبقات پایینی سایز کوچکتری پیدا می کنند و این مورد برای ساختمان هایی که پارکینگ دارند یک مزیت بزرگ است. همچنین در پروژه های ساخت و ساز چنانچه نیاز به تغییر فاصله ستون ها و دهانه ها داشته باشید، سازه های فولادی انعطاف پذیری بیشتری دارند.

• مقایسه هزینه اسکلت فلزی و بتنی:

در برخی پروژه ها، کارفرماها به دنبال تفاوت هزینه اسکلت فلزی و بتنی هستند تا بتوانند هزینه ها را کاهش دهند. با توجه به اینکه فولادهای سازه های فلزی نسبت به فولادهایی که در سازه های بتنی استفاده می شوند، تقریبا تا 30% مقاومت بیشتری هستند، هزینه اجرای اسکلت فلزی را بالاتر می برد. بنابراین اگر تفاوت قیمت اسکلت فلزی و بتنی مهم باشد، بهتر است اسکلت بتنی انتخاب شود.

از طرفی آهن آلات به دلیل اینکه ارزش اسقاطی بالاتری دارند و می توان دوباره از آنها استفاده کرد، هزینه خرید بالاتری نسبت به شن و ماسه و سیمان دارند. ضمنا کل ساختار یک اسکلت فلزی، آهنی و فولادی هستند در صورتی که در اسکلت بتنی ترکیبی از بتن و میلگرد داریم بنابراین هزینه تهیه مصالح در اسکلت فلزی بیشتر است. بنابراین از این جنبه ها نیز که در نظر بگیریم، تفاوت قیمت اسکلت فلزی با بتنی کاملا مشهود خواهد بود.

حتی می توان از نظر سرمایه مورد نیاز هم مقایسه کرد. با مقایسه اسکلت فلزی و بتنی در ساختمان سازی متوجه خواهیم شد که کل پروفیل ها و مصالح اولیه سازه های فلزی باید یکجا خریداری شوند اما در سازه های بتنی امکان خرید تدریجی آنها هم وجود دارد. اما باید بدانید که از لحاظ گودبرداری، سفت کاری و نازک کاری تفاوتی بین این دو وجود ندارد.

نکته بسیار مهم در مقایسه هزینه و قیمت اسکلت فلزی و بتنی این است که با وجود نیاز به سرمایه بیشتر جهت اجرای سازه های فلزی نسبت به بتنی، این هزینه بعدا به دلیل بهره برداری سریعتر و کاهش هزینه های فرادستی، تا حد زیادی جبران خواهد شد.

• وزن:

در مقایسه اسکلت فلزی و بتنی ساختمان توجه به وزن سازه هم اهمیت دارد چرا که فشار کمتری به بخش های مختلف ساختار آن وارد می شود. وزن مخصوص بتن 2400 کیلوگرم، وزن مخصوص فولاد 7850 کیلوگرم است که در حجم یکسان سازه فلزی وزن بیشتری پیدا می کند. اما مقاومتی که سازه بتنی ایجاد می کند بین 25 تا 30 مگاپاسکال است و این رقم در سازه فلزی با فولاد ST37 که پرکاربرد است به 370 مگاپاسکال می رسد. بنابراین برای رسیدن به مقاومت مشابه در سازه بتنی باید تقریبا حجم 12 برابری در نظر بگیریم. در نتیجه در کل وزن سازه فلزی کمتر از سازه بتنی خواهد شد.

• مقایسه اسکلت فلزی و بتنی از لحاظ کیفیت ساخت و اجرا:

ترکیب اسکلت بتنی و فلزی از لحاظ کیفیت ساخت و اجرا هم باید با یکدیگر مقایسه شوند. سازه های فلزی در کارخانه و تحت نظارت و سیستم کنترل کیفی تولید می شوند. از طرفی مشخصات و میزان مقاومت هر پروفیل هم به طور کامل ثبت می شود. از طرفی کیفیت اجرای سازه های فلزی در اتصالات پیچی و جوشی بسیار مهم است ولی تأمین اتصالات پیچی با کیفیت هم ساده است. در سمت مقابل سازه های بتنی با دست و بدون تجهیزات کنترل کیفی تهیه می شوند بنابراین باید با خطای نیروی انسانی را در تفاوت کیفیت هر بتن در پروژه های مختلف امری طبیعی بدانیم. در برخی موارد برای جبران این افت کیفیت، بتن به شکل پیش ساخته تهیه می شود که باید مرکز معتبر شناسایی کرد. با این حال باز هم بسته به کیفیت اجرا، کیفیت نهایی اسکلت بتنی تحت تأثیر قرار می گیرد. بنابراین باید به این موارد در مقایسه اسکلت فلزی و بتنی خانه توجه ویژه ای داشت.

• تفاوت ساختمان اسکلت فلزی و بتنی از لحاظ تعداد طبقات:

از مقایسه و تفاوت های اسکلت فلزی و بتنی که تا اینجا بررسی شدند متوجه شده اید که وزن اسکلت بتنی بیشتر از فلزی است و همین عامل باعث می شود تا هر چه تعداد طبقات یک ساختمان بالاتر می رود، بار مرده سازه هم بیشتر شود و فشار بیشتری به طبقات پایینی ایجاد کند. بهترین راهکار افزایش مقطع ستون ها در طبقات پایینی است که از لحاظ معماری مورد تأیید نیست. از طرفی در طراحی شهرک برای بتن ریزی ساختمان های بلند، مشکلات زیادی وجود دارد و باید پمپ های قوی خریداری کرد. بنابراین از مقایسه وزن اسکلت بتنی و فلزی متوجه می شویم که برای ساختمان هایی که بیشتر از 15 طبقه دارند، بهترین گزینه سازه فلزی است.

• ترکیب اسکلت بتنی و فلزی:

ترکیب اسکلت فلزی و بتنی در برخی مواقع راهگشای نتیجه نهایی مقایسه اسکلت فلزی و بتنی است. بدین منظور در شرایطی که امکان انتخاب بین اسلت فلزی و بتنی سخت باشد، ترکیبی از این دو سازه را استفاده می کنند که نتیجه مقاومت کلی و شکل پذیری بیشتر، انتقال بهتر تنش ها، تعدیل هزینه ها و مقاومت بهتر در برابر شرایط محیطی است.

• سازگاری با محیط زیست:

از نظر سازگاری با محیط زیست و اهمیت دادن به طبیعت اسکلت بتنی یا فلزی؟ کدام بهتر هستند؟ متأسفانه در برخی کشورها از جمله ما به سازگاری مصالح با محیط زیست اهمیت زیادی داده نمی شود و تنها به دنبال راهکارهایی جهت کاهش هزینه ها هستیم. 

اسکلت فلزی در مقایسه با اسکلت بتنی قابلیت بازیافت دارد و می توان از آنها مصالح دیگری مثل میلگرد تولید کرد و منابع زیست محیطی کمتری هم برای تولید سازه های فولادی جدید مصرف می شود. بنابراین نیاز به حفر معدن نیست و در کل محیط زیست کمتر آسیب می بیند. طبق بررسی های انجام شده تا 85% سازه های فولادی قابلیت بازیافت دارند. این مورد برای سازه های بتنی امکان پذیر نیست و برای تولید آن هم باید از منابع محیطی استفاده کرد. بنابراین از مقایسه اسکلت فلزی و بتنی از لحاظ سازگاری با محیط زیست، سازه فلزی به مراتب بهتر است.

مزایا و معایب اسکلت فلزی و بتنی

در بحث مقایسه اسکلت فلزی و بتنی، مقایسه مزایا و معایب این سازه ها اهمیت بسیار بالایی دارد. در این حالت با بررسی تفاوت اسکلت فلزی و بتنی می توانید با در نظر گرفتن موارد گفته شده، سریعتر نتیجه گیری کنید. در ادامه با گروه معماری آد همراه باشید:

مزایای اسکلت بتنی:

• آرماتور، بتن تازه و قالب را می توان تغییر شکل داد بنابراین امکان اجرای این سازه در مقاطع و فرم های مختلف وجود دارد؛

• مقاومت در برابر حریق و آتش سوزی بیشتری دارند؛

• در برابر رطوبت و نم زیاد مقاومت زیادی دارند و عملا با رطوبت بیشتر مقاومت بالاتری پیدا می کنند؛

• صلبیت و درجه سختی سازه بتنی بیشتر است

• دسترس پذیری مصالح اسکلت بتنی بسیار راحتتر است

• نیاز به تأمین کل سرمایه در همان مرحله ابتدایی نیست و به شکل تدریجی می توان تأمین کرد

• محافظت و نگهداری اسکلت بتنی در طول زمان کمتر است

• هزینه اجرای اسکلت بتنی پایینتر است

معایب اسکلت بتنی:

• آرماتوربندی و قالب بندی به تخصص و زمان بالایی نیاز دارد

• افزایش مقطع در این سازه ها برای برخی پروژه ها وزن آن و در نتیجه بار مرده سازه را بیشتر می کند

• آزمایشگاه های مکانیک خاک برای آزمایش پیوسته بتن در محل اجرای پروژه باید در دسترس باشند

• زمان اجرای اسکلت بتنی بیشتر است

• ساختمان پیش ساخته بتنی در مقایسه با فلزی کاربرد کمتری دارد

• مقاومت کششی سازه بتنی کمتر است

• به دلیل وزن بالا برای ساختمان های مرتفع مناسب نیستند

• با محیط زیست سازگاری ندارند چرا که مواد اولیه از محیط زیست تأمین می شوند و پس از تخریب هم قابلیت بازیافت ندارند

• نیاز به قالب بندی دارند

مزایای اسکلت فلزی:

• اسکلت فلزی را می توان در طبقات مختلف به شکل همزمان اجرا کرد و مونتاژ اسکلت از قبل و در محل کارخانه سازنده وجود دارد بنابراین سرعت اجرای پروژه بالاتر است. این مورد را در مبحث ساختمان پیش ساخته توضیح داده ایم.

• یکپارچگی ساختاری در اسکلت فلزی بیشتر است چون تیر، ستون و بادبند به عنوان اجزای اصلی همگن هستند بنابراین محاسبات سازه های فلزی با واقعیت فاصله کمتری دارند. این مورد در مقایسه اسکلت فلزی و بتنی باید دقت شود.

• قطعات فلزی مقاومتر و در نسبت مقاومت به وزن هم بهتر عمل می کنند. بنابراین در مقایسه اسکلت فلزی و بتنی شهری می بینیم که برای ساختمان های مرتفع و ساختمان هایی که روی زمین سست هستند از سازه فلزی کمک می گیرند.

• هزینه تخریب اسکلت فلزی بسیار سریعتر بوده و ارزش اسقاطی هم دارد که در مقایسه اسکلت فلزی و بتنی اشاره شد

• امکان تولید فولاد در شکل و فرم دلخواه وجود دارد بنابراین برحسب نوع پروژه می توان اسکلت فلزی را به شکل متفاوتی طراحی کرد.

• هزینه های حمل و نقل به دلیل خرید یکجا و دفعات پایین جابجایی، کمتر است

• امکان اجرا در مناطق زلزله خیر وجود دارد چون ساختار شکننده ای ندارند و انعطاف پذیر هستند و مقاومت در برابر آسیب مستقیم بیشتری هم دارند

• روش های مختلف برای اتصال در اسکلت فلزی وجود دارد که می توان به اتصالات پیچی، جوشی و پرچی اشاره کرد

• اجرای پروژه نیاز به مساحت کمتری دارد بنابراین می توان از زمین های مناسب ساخت و ساز استفاده بیشتری برد

• اسلکت فلزی را می توان بدون فونداسیون هم اجرا کرد ولی نوع بتنی به فونداسیون بسیار قوی نیاز دارد که بخاطر وزن بالای سازه است

معایب اسکلت فلزی:

• ناهماهنگی ساختاری و ناهمگنی بین تیر و سقف در اسکلت فلزی بیشتر است چون دیافراگم سقف به شکل بتنی دال یک طرفه یا دو طرفه است. بنابراین رفع این نواقص نیازمند بکارگیری تمامی نکات فنی و آیین نامه ای است.

• با مقایسه اسکلت بتنی و فلزی ساختمان به راحتی متوجه می شویم که مقاومت در برابر خوردگی و زنگ زدگی در سازه های فلزی به مراتب کمتر است. بنابراین پوسیدگی های عمیق و سطحی به مرور زمان شکل می گیرند که مقاومت سازه را بسیار کاهش می دهد.

• سرمایه اولیه زیادی نیاز است چون باید کل تجهیزات یکجا خریداری شوند

• سقف اسکلت های فلزی به شکل کرومیت، کامپوزیت و عرشه فولادی است که با رویه بتنی تکمیل و به صورت یک یا دو طرفه اجرا می شوند. بنابراین برای یکپارچگی ساختاری باید از برشگیرهای مناسب با تعداد کافی استفاده کرد که حساسیت بالایی دارد.

• با افزایش طول قطعات امکان کمانش وجود دارد

• رسانایی بالای گرما سبب شده تا پس از اتمام احداث ساختمان، در محیط های گرم، داخل ساختمان هم گرم شود. از طرفی برای نیروی کار انتقال سرما و گرما از سازه به بدن نکته منفی بوده و تحمل شرایط کاری را دشوار می کند.

• از مقایسه اسکلت فلزی و بتنی مشخص است که اجرای آن به نیروی کار ماهر و متخصص نیاز دارد

اسکلت فلزی یا بتنی؟ کدام را انتخاب کنیم؟

در نهایت به عنوان جمع بندی و پس از بررسی مزایا و معایب اسکلت فلزی در مقایسه با اسکلت بتنی انتظار این است که جواب مشخصی به شما بدهیم. اما در واقع انتخاب بین اسکلت فلزی و بتنی به شرایط مختلف بستگی دارد. به عنوان مثال هزینه هایی که کارفرما در نظر دارد، سرعت اجرای پروژه، محل نصب و احداث ساختمان، شرایط نصب، دسترس پذیری نیروی کار متخصص و ماهر، تعداد طبقات و غیره دارد. بنابراین نمی توان به طور مطلق بیان کرد که کدام اسکلت ساختمانی مناسبتر است. با توجه به موارد گفته شده در مقایسه اسکلت فلزی و بتنی و عوامل مختلف بیان شده به راحتی می توانید تصمیم گیری کنید.