زمانی که قرار است سازه‌ای را طراحی کنیم، یکی از تصمیمات اساسی انتخاب نوع سیستم سازه‌ای است. اسکلت فلزی و بتنی دو روش رایج برای ساخت ساختمان‌هایی با کاربردهای گوناگون محسوب می‌شوند. هر یک از این دو گزینه می‌تواند بر اساس معیارهایی مثل شرایط اقلیمی، هزینه، سرعت اجرا، شکل‌پذیری در برابر زلزله و مسائل نگهداری انتخاب شود. مهندسان پروژه معمولاً با توجه به مشخصات فنی، مقررات و محدودیت‌های پروژه تصمیم می‌گیرند که کدام سیستم را به‌کار گیرند. در ادامه، به بررسی تفاوت‌های اصلی میان اسکلت فلزی و اسکلت بتنی می‌پردازیم و نکاتی عملی در این زمینه مطرح می‌کنیم.
مصالح و رفتار مکانیکی
اسکلت فلزی از مقاطع فولادی ساخته می‌شود که غالباً در کارخانه تولید و در کارگاه مونتاژ می‌گردد. این مقاطع، به دلیل مقاومت کششی و شکل‌پذیری بالای فولاد، رفتار بسیار مناسبی تحت بارهای محوری و خمشی دارند. فولاد می‌تواند نیروهای کششی و فشاری را به‌خوبی تحمل کند و در صورت طراحی درست جوش یا پیچ‌ومهره، اتصالاتش هم مقاوم و هم انعطاف‌پذیر خواهند بود.
اما در اسکلت بتنی، مصالح اصلی بتن و میلگرد هستند. بتن مقاومت فشاری بالایی دارد ولی کشش را ضعیف تحمل می‌کند. برای جبران این ضعف، میلگردها در بخش‌های کششی تعبیه می‌شوند تا در کنار بتن، یک مقطع مرکب ایجاد شود. نتیجه این همکاری، ظرفیت فشاری و کششی مطلوب در برابر نیروهای وارد بر سازه است. با این حال، در صورت اجرای نامناسب یا انتخاب آرماتور ناکافی، ممکن است اعضای بتنی زودتر ترک بخورند یا دچار افت مقاومت شوند.
وزن سازه و تأثیر در طراحی
از لحاظ وزن، اسکلت فلزی عموماً سبک‌تر از اسکلت بتنی در دهانه‌های مشابه است. بخش مهمی از وزن سازه بتنی را حجم بالای بتن تشکیل می‌دهد. وقتی ساختمان با ارتفاع زیاد مدنظر باشد، سبک‌تر بودن فولاد می‌تواند امتیاز مهمی در طراحی به‌شمار آید و اثر بار مرده را کاهش دهد. البته در برخی ساختمان‌های کوتاه، سنگین بودن اسکلت بتنی الزاماً نکته منفی نیست؛ گاهی وزن بیشتر موجب بهبود رفتار دینامیکی در برابر نیروهای جانبی خفیف می‌شود. بنابراین انتخاب به ارتفاع بنا، نوع بارگذاری و مقررات لرزه‌ای وابسته است.
سرعت اجرا و مسائل کارگاهی
سرعت اجرای ساختمان برای بسیاری از پروژه‌ها تعیین‌کننده است. در اسکلت فلزی، قطعات در کارخانه تولید می‌شوند و سپس در محل کارگاه، مونتاژ و نصب می‌گردند. به همین دلیل، در صورت آماده بودن شرایط و رعایت دقت در اتصالات، اجرای اسکلت فلزی می‌تواند سریع‌تر پیش برود. از طرفی، در اسکلت بتنی باید بتن در محل ساخته و در قالب ریخته شود، سپس زمانی برای گیرش و عمل‌آوری آن صرف شود. هرچند با فناوری‌هایی مثل استفاده از بتن خودمتراکم یا اجرای قالب‌های تونلی می‌توان تا حدی سرعت کار را افزایش داد، اما در حالت عادی، فرآیند بتنی دیرتر از فولادی به اتمام می‌رسد.
شکل‌پذیری در برابر زلزله
در مناطقی با خطر لرزه‌ای بالا، شکل‌پذیری المان‌ها و اتصالات اهمیت زیادی دارد. فولاد ذاتاً مواد چقرمه‌ای است و پیش از گسیختگی، تغییر شکل زیادی را تحمل می‌کند. این ویژگی در طراحی لرزه‌ای اسکلت فلزی امتیازی بزرگ به‌شمار می‌آید، به‌خصوص اگر اتصالات آن به‌درستی طراحی و اجرا شوند. بتن مسلح نیز با استفاده از میلگرد می‌تواند رفتار شکل‌پذیری از خود نشان دهد، ولی به‌طور معمول، شکل‌پذیری فولاد بیش از بتن است. با این حال، در برخی آیین‌نامه‌های پیشرفته، روش‌های طراحی لرزه‌ای برای سیستم بتنی به گونه‌ای تنظیم شده که با خاموت‌گذاری و آرماتور عرضی مناسب، دیوارها و ستون‌ها ظرفیت تغییرشکل بالاتری پیدا کنند. در نهایت، انتخاب صحیح جزئیات اجرایی تعیین می‌کند که اسکلت تا چه حد قادر است انرژی زلزله را جذب کند.
هزینه‌های ساخت و نگهداری
مبحث هزینه به عوامل مختلفی مربوط می‌شود: قیمت میلگرد، سیمان، فولاد، حمل‌ونقل و حتی وضعیت کارگری در منطقه. در بسیاری از مواقع، اسکلت بتنی از نظر قیمت تمام‌شده برای ساختمان‌های میان‌طبقه یا مسکونی به‌صرفه‌تر است؛ چون بتن و میلگرد در بازار نسبتاً ارزان‌تر و قابل دسترس هستند. در اسکلت فلزی، هزینه تهیه فولاد و عملیات جوشکاری یا پیچ‌ومهره بالاتر می‌رود.
با این حال، اگر پروژه‌ای با دهانه‌های بزرگ یا ارتفاع زیاد باشد، فولاد می‌تواند یک گزینه اقتصادی باشد؛ چراکه کاهش وزن سازه و سرعت بالاتر اجرا، هزینه‌های جانبی را کم می‌کند. از طرفی، در بحث نگهداری، سازه بتنی در محیط‌های معمولی کمتر نیاز به رسیدگی دوره‌ای دارد، ولی فولاد در صورت قرار گرفتن در معرض رطوبت یا مواد خورنده، لازم است پوشش ضدخوردگی یا تمهیدات حفاظتی داشته باشد.
انعطاف در تغییرات معماری
انعطاف در تغییر کاربری یا اعمال اصلاحات معماری در طول عمر ساختمان موضوع مهمی است. در اسکلت فلزی، به‌خاطر سبک بودن و امکان برش یا تقویت عضو فلزی، امکان ایجاد بازشوهای جدید یا تغییر در طرح معماری راحت‌تر فراهم می‌شود. در حالی که در اسکلت بتنی، تغییر دادن ابعاد ستون یا ایجاد بازشو در دیوارهای برشی به کار مهندسی پیچیده‌تری نیاز دارد. معمولاً در ساختمان‌های بتنی، حذف یا اصلاح اعضای باربر به لحاظ ایمنی خطرناک‌تر است. پس اگر پروژه‌ای مستعد تغییرات آینده باشد، اسکلت فلزی می‌تواند گزینه بهتری به‌شمار آید.
مسائل زیست‌محیطی
اگرچه موضوعات محیط زیستی در گذشته چندان مورد توجه نبودند، اما این روزها کاهش مصرف منابع و تأثیرات کربنی نقش پررنگی در انتخاب سیستم سازه‌ای دارد. فرآیند تولید سیمان برای بتن، انتشار دی‌اکسیدکربن بالایی دارد و از سوی دیگر، تولید فولاد هم مصرف انرژی چشمگیری دارد. در بسیاری از پروژه‌ها، امکان بازیافت بالای قطعات فلزی نکته مثبتی برای فولاد محسوب می‌شود، اما برای استفاده از بتن هم می‌توان با استفاده از مواد افزودنی و به‌کارگیری طرح‌های اختلاط پیشرفته، تا حدی اثرات زیست‌محیطی را کاهش داد. در نهایت، این جنبه بستگی به سیاست‌های کلی پروژه و میزان حساسیت به ملاحظات سبز دارد.
شرایط اقلیمی و خورندگی
شرایط اقلیمی هم می‌تواند در انتخاب بین اسکلت فلزی و بتنی نقش داشته باشد. در مناطق شرجی و ساحلی، خورندگی فولاد مشکل‌ساز می‌شود؛ مگر آنکه پوشش‌های محافظتی مؤثری اعمال شود. در مقابل، رطوبت بالا هم می‌تواند در المان‌های بتنی موجب پدیده خوردگی میلگرد در طول زمان شود. در مناطقی با هوای بسیار سرد، عملکرد بتن در دماهای پایین باید در نظر گرفته شود و همچنین در مکان‌های گرم، انبساط و جمع‌شدگی مصالح اهمیت پیدا می‌کند. هر سیستم در برابر عوامل محیطی، باید با روش‌های فنی درست حفاظت گردد.
جایگاه سازه‌های مرکب (کامپوزیت)
همیشه انتخاب سازه صرفاً بتنی یا تمام‌فلزی نیست. گاه ساختارهای مرکب اجرا می‌شوند که مثلاً ستون‌های فولادی با دال‌های بتنی به کار می‌روند. این سیستم کامپوزیت می‌تواند ترکیبی از مزایای بتن و فولاد باشد و در پل‌ها و ساختمان‌های بلند مرتبه هم کاربرد پیدا کند. در حقیقت، طراحان با ایجاد یک هسته بتنی و قاب‌های فولادی پیرامونی، یا دیوارهای برشی بتنی و ستون‌های فولادی، تلاش می‌کنند عملکرد لرزه‌ای مطلوب و سرعت اجرایی مناسب داشته باشند. در چنین رویکردهایی، انتخاب بخش‌های کلیدی به‌صورت فلزی یا بتنی با محاسبات خاصی انجام می‌شود.
خلاصه
تفاوت اسکلت فلزی و بتنی در نکاتی مثل مقاومت کششی، رفتار لرزه‌ای، هزینه ساخت، سرعت اجرا و مسائل نگهداری متجلی می‌شود. برای ساختمان‌های مرتفع یا سازه‌هایی که نیاز به دهانه بزرگ دارند، ممکن است فولاد گزینه جذاب‌تری باشد. در عوض، برای ساختمان‌های میان‌طبقه یا جاهایی که هزینه اولویت اول است، اسکلت بتنی می‌تواند پاسخگو باشد. البته ورود به جزئیات فنی در این مقایسه ضروری است و هر پروژه باید با محاسبات دقیق مهندسی طراحی شود.
شرکت سی اف تی هم با ارائه مطالب تخصصی در زمینه طراحی سازه و تحلیل رفتار مصالح، می‌تواند منبعی مفید برای مهندسان و دانشجویان باشد. فراموش نکنیم که در نهایت، عملکرد یک سازه به ترکیب عوامل مختلفی برمی‌گردد: نوع معماری، شرایط جغرافیایی، دسترسی به مصالح، الزامات آیین‌نامه‌ای و سطح انتظارات کارفرما. در نتیجه، تعیین اینکه کدام اسکلت بهتر است، نیازمند بررسی جامع تمام این پارامترها است. هر دو نوع سازه، با اجرای دقیق و رعایت آیین‌نامه‌ها، می‌توانند عملکردی ایمن و پایدار داشته باشند و پاسخگوی نیازهای پروژه باشند.
