مقایسه سازه‌های فضاکار با سوله‌های سنتی متداول

از نظر میزان مصالح مصرفی و وزن نهایی سازه

---

آخرین تاریخ به‌روز‌رسانی: 1405/05/04

با توجه به رفتار سه‌بعدی و توزیع یکنواخت نیروها در سازه‌های فضاکار، انتظار می‌رود این سیستم در دهانه‌های بزرگ عملکرد بهینه‌تری از نظر نسبت مقاومت به وزن داشته باشد و در بسیاری از موارد موجب کاهش مصرف فولاد و سبک‌تر شدن سازه شود. در مقابل، سوله‌های تیرورقی به دلیل عملکرد خطی اعضا و تمرکز نیرو در قاب‌ها، معمولاً نیازمند مقاطع سنگین‌تر و مصرف مصالح بیشتری هستند. در این نوشتار، به بررسی و تحلیل فنی و اقتصادی دو سیستم سازه‌ای و ارزیابی میزان تأثیر نوع سیستم باربر بر وزن تمام‌شده و حجم مصالح مصرفی در پروژه‌های صنعتی و دهانه‌های بزرگ پرداخته ایم.

از نظر سازگاری با معماری و قابلیت اجرای فرم‌های متنوع و پیچیده:

سازه های فضاکار به‌مراتب انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به سوله‌های متداول تیرورقی دارند. ماهیت شبکه‌ای و مدولار این سیستم باعث می‌شود بتوان آن را به‌راحتی با پلان‌ها و فرم‌های آزاد، سطوح منحنی، پوسته‌های دو‌انحنایی و هندسه‌های غیرمتعارف تطبیق داد، بدون آنکه کارایی سازه‌ای به‌طور جدی کاهش یابد. در مقابل، سوله‌های تیرورقی عمدتاً بر اساس منطق قاب‌های دوبعدی طراحی می‌شوند و به همین دلیل در فرم‌های ساده، خطی و دهانه‌های مشخص عملکرد مناسب دارند، اما در مواجهه با فرم‌ها و یا معماری‌های پیچیده نیازمند تغییرات سازه‌ای پرهزینه و محدودکننده هستند. بنابراین از دید معماری، اسپیس فریم امکان سازگاری بیشتری با طراحی‌های خلاقانه و فرم‌های متنوع را فراهم می‌کند، در حالی که سوله‌های تیرورقی بیشتر تابع منطق عملکردی و اقتصادی در فرم‌های ساده باقی می‌مانند.

از نظر قابلیت سازگاری با موقعیت‌ها و الگوهای متنوع ستون‌گذاری:

سازه‌های فضاکار انعطاف‌پذیری بالایی دارند و می‌توانند بارها را به‌صورت گسترده و چندمسیره به تکیه‌گاه‌ها منتقل کنند، به همین دلیل امکان حذف یا جابه‌جایی نسبی ستون‌های میانی در آن‌ها بیشتر است و حتی در دهانه‌های بزرگ می‌توان با حداقل ستون‌گذاری به فضاهای یکپارچه دست یافت. این ویژگی باعث می‌شود در پروژه‌هایی که محدودیت‌های عملکردی یا معماری در جانمایی ستون‌ها وجود دارد، عملکرد مناسبی داشته باشند. در مقابل، سوله‌های تیرورقی به دلیل ماهیت قاب‌های خمشی یا ساده خود، وابستگی بیشتری به شبکه منظم ستون‌ها دارند و تغییر در فاصله یا محل ستون‌گذاری معمولاً منجر به افزایش قابل توجه مقاطع، وزن سازه یا کاهش کارایی سیستم می‌شود. بنابراین در شرایطی که آزادی عمل در پلان و ستون‌گذاری اهمیت دارد، سازه‌های فضایی گزینه سازگارتر و منعطف‌تری نسبت به سوله‌های متداول محسوب می‌شوند.

• بیشتر بدانیم: حداکثر دهانه قابل پوشش با سازه فضایی

از نظر استحکام در برابر بارهای ثقلی (مانند بار مرده و زنده):

هر دو سیستم سازه‌ای قابلیت عملکرد مناسب دارند، اما رفتار آن‌ها متفاوت است. در سازه‌های فضاکار، به دلیل ماهیت و توزیع سه‌بعدی نیروها در اعضای شبکه‌ای، بارهای ثقلی به‌صورت گسترده در کل سیستم پخش شده و مسیر انتقال نیرو کوتاه‌تر و چندجهته می‌شود؛ این موضوع باعث کاهش تنش‌های موضعی و افزایش کارایی سازه در دهانه‌های بزرگ می‌گردد. در مقابل، در سوله‌های تیرورقی، انتقال بارهای ثقلی عمدتاً از طریق قاب‌های اصلی و تیرهای فرعی به ستون‌ها انجام می‌شود، بنابراین تمرکز نیرو در اعضای اصلی بیشتر بوده و در نتیجه نیاز به مقاطع قوی‌تر و کنترل خیز و تغییرشکل اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. به همین دلیل، در دهانه‌های بزرگ و بارهای یکنواخت، سازه‌های فضایی معمولاً رفتار کارآمدتر و اقتصادی‌تری از نظر توزیع تنش و کنترل تغییرشکل نسبت به سوله‌های تیرورقی از خود نشان می‌دهند.

• مفهوم پایه: «بارگذاری» از طریق لینک: بارگذاری و اهمیت کنترل،مشاوره و کنترل در سازه فضاکار

از نظر بهره وری و سهولت حمل‌ونقل:

سازه های فضاکار با توجه به امکان بسته بندی مناسب تر و کم حجم تر، امکان استفاده از حداکثر ظرفیت تریلر و کامیونت ها را ممکن می سازند در حالیکه در برخی از موارد، سازه های ساخته شده با تیرورق، به دلیل حجم بالای بعضی از قطعات، بخشی از ظرفیت وسایل نقلیه قابل تکمیل نبوده و باعث افزایش هزینه حمل می گردد. بسته بندی، بارگیری و تخلیه قطعات سازه فضایی نیز در پالت های مخصوص با سهولت و ایمنی بالاتری همراه می باشند.

از نظر میزان صلبیت دیافراگمی سقف در دو جهت:

سازه‌های فضایی(space frame) عملکرد بسیار مطلوب‌تری نسبت به سوله‌های متداول تیرورقی دارند. در سازه‌های فضاکار، به دلیل ماهیت شبکه‌ای دوبعدی یا سه‌بعدی و اتصال پیوسته اعضا، سقف به‌صورت یک دیافراگم نسبتاً صلب در هر دو جهت عمل کرده و بارهای جانبی و ثقلی را به شکل یکنواخت به تکیه‌گاه‌ها منتقل می‌کند. این ویژگی باعث افزایش پایداری کلی و کاهش تمرکز تنش در نقاط خاص می‌شود. در مقابل، در سوله‌های تیرورقی، سقف معمولاً از قاب‌های خمشی یا تیرهای فرعی و پوشش سبک تشکیل شده که در بسیاری از موارد در یکی از جهات یا هر دو جهت، دیافراگم کاملاً صلب محسوب نمی‌شود مگر با استفاده از مهاربندها یا ورق‌های تقویتی (مثل سقف‌های ورق گالوانیزه ذوزنقه‌ای یا سیستم‌های ساندویچ پانل با اتصال مناسب). بنابراین صلبیت دیافراگمی در سوله‌ها وابسته به جزئیات اجرایی و سیستم پوشش است، در حالی که در سازه‌های فضاکار این صلبیت به‌صورت ذاتی در ساختار سیستم وجود دارد.

• بیشتر بدانیم: انواع پوشش های سازه فضاکار و سازه فضایی چیست؟

از نظر مقاومت در برابر خرابی پیش‌رونده (Progressive Collapse):

سازه‌های فضایی یا همان اسپیس فریم به دلیل ماهیت شبکه‌ای، پیوسته و چندمسیره انتقال نیرو، عملکرد بسیار مطمئن‌تری نسبت به سوله‌های متداول تیرورقی دارند. در این سیستم، حذف یا آسیب دیدن یک یا چند عضو معمولاً باعث بازتوزیع سریع نیروها در کل شبکه شده و از گسترش موضعی خرابی جلوگیری می‌کند، زیرا مسیرهای جایگزین متعددی برای انتقال بار وجود دارد. در مقابل، سوله‌های تیرورقی به دلیل رفتار قاب‌بندی خطی و وابستگی بیشتر اعضا به یکدیگر در مسیرهای مشخص باربری، در صورت آسیب‌دیدگی یکی از اعضای اصلی (مانند تیر یا ستون)، احتمال تمرکز تنش و گسترش خرابی به دهانه‌های مجاور بیشتر است. هرچند می‌توان با استفاده از مهاربندی مناسب و طراحی مقاوم در برابر حذف عضو، عملکرد این نوع سازه‌ها را بهبود داد، اما به‌طور ذاتی سازه‌های فضاکار از نظر افزونگی سازه‌ای (Redundancy) و مقاومت در برابر خرابی پیشرونده عملکرد بهتری ارائه می‌دهند.

از نظر اطمینان در استحکام سازه‌ای:

سازه‌های فضاکار معمولاً سطح بالاتری از ایمنی و قابلیت اعتماد را ارائه می‌دهند، زیرا رفتار آن‌ها بر پایه توزیع یکنواخت نیرو در تعداد زیادی عضو و ایجاد افزونگی سازه‌ای (Redundancy) استوار است. در این سیستم، حتی در صورت ضعف یا خرابی موضعی یک عضو، نیروها از مسیرهای متعدد دیگر بازتوزیع می‌شوند و احتمال رسیدن به گسیختگی کلی کاهش می‌یابد، که این موضوع اطمینان کلی سازه را افزایش می‌دهد. در مقابل، سوله‌های تیرورقی به دلیل وابستگی بیشتر به اعضای اصلی مانند تیرها و ستون‌های قاب، حساسیت بیشتری نسبت به خطاهای طراحی، اجرا یا افزایش بارهای غیرمنتظره دارند و معمولاً مسیرهای باربری محدودتری را دنبال می‌کنند. هرچند این نوع سوله‌ها در صورت طراحی اصولی و رعایت آیین‌نامه‌ها ایمن هستند، اما از نظر میزان افزونگی و رفتار پساخرابی، سطح اطمینان ذاتی سازه‌های فضاکار بالاتر ارزیابی می‌شود.

از نظر قابلیت نصب و اجرای تأسیسات مکانیکی و الکتریکی:

علیرغم سادگی و متداول بودن اجرای تاسیسات مکانیکی و الکتریکی در سوله های سنتی، سازه های فضایی از دو جنبه مهم نسبت به سوله دارای مزیت می باشد. نخست آنکه در سازه فضایی امکان عبور کانال های مکانیکی و تاسیساتی و الکتریکی از بین دو لایه اعضای سازه فضایی فراهم بوده و استفاده مفید و کاربردی از ارتفاع سالن را در عین حفظ زیبایی ممکن می نماید. بعلاوه با توجه به نزدیک بودن گره های سازه فضاکار به یکدیگر (معمولا فاصله گوی های سازه فضایی 3 متر می باشند در حالیکه فاصله تیرهای اصلی در سوله 6 متر می باشند) در مقایسه با سوله، زیرسازی مورد نیاز برای اجرای تاسیسات در سازه های فضاکار، به مراتب ساده تر، اقتصادی تر و با مصرف مصالح کمتری نسبت به سوله های متداول سنتی می باشند.

از نظر اکوفرندلی بودن (سازگاری با محیط ‌زیست):

سازه‌های فضاکار(space structure) معمولاً عملکرد بهتری نسبت به سوله‌های متداول تیرورقی دارند. به دلیل کارایی بالاتر در توزیع نیرو و استفاده بهینه از مصالح، این سیستم‌ها در بسیاری از موارد با وزن کمتر و مصرف فولاد پایین‌تر به همان ظرفیت باربری یا حتی بیشتر دست می‌یابند، که این موضوع به کاهش مصرف منابع طبیعی و انرژی نهفته در تولید مصالح منجر می‌شود. همچنین امکان پیش‌ساختگی بالا و تولید صنعتی قطعات کوچک‌تر، باعث کاهش پرت مصالح در کارگاه و بهبود کنترل کیفیت می‌شود. در مقابل، سوله‌های تیرورقی به دلیل مقاطع سنگین‌تر و وابستگی بیشتر به ورق‌های فولادی با ضخامت بالا، معمولاً مصرف مصالح و انرژی بیشتری دارند و در نتیجه ردپای کربنی بالاتری ایجاد می‌کنند. البته هر دو سیستم در صورت طراحی بهینه و استفاده از فولاد بازیافتی می‌توانند تا حدی پایدار محسوب شوند، اما از دید کلی، سازه‌های فضایی گزینه سازگارتر با اصول توسعه پایدار و کاهش اثرات زیست‌محیطی هستند.

از نقطه نظر اقتصادی:

مقایسه سازه‌های فضاکار و سوله‌های متداول تیرورقی وابسته به عوامل مختلفی مانند دهانه، نوع کاربری، سرعت اجرا و هزینه‌های حمل و نصب است. به‌طور کلی، با افزایش نسبت سهم قیمت مصالح در قیمت تمام شده سازه ها، سازه فضایی معمولا مقرون به صرفه تر از سوله های ساخته شده با تیرورق می باشند. اگرچه در دهانه های کوچک تا متوسط معمولاً اختلاف قیمت سازه های فضاکار و سوله قابل توجه نمی باشد، در مقابل، سازه‌های فضاکار در دهانه‌های بزرگ این اختلاف قابل توجه تر می شود، زیرا وزن کمتر سازه، کاهش مصرف فولاد، کاهش بارهای وارد بر فونداسیون و امکان پوشش فضاهای وسیع بدون ستون میانی باعث کاهش قابل توجه هزینه‌های کل پروژه می‌گردد. بنابراین از دید اقتصادی، در پروژه‌های با دهانه بزرگ و نیاز به فضاهای یکپارچه، سازه‌های فضایی می‌توانند با اختلاف، گزینه بهینه‌تری از نظر هزینه تمام‌شده باشند.

• بیشتر بدانیم: نحوه محاسبه قیمت سازه فضایی

از نظر عملکرد در برابر آتش‌سوزی:

هر دو سیستم سازه‌ای فولادی در صورت عدم استفاده از پوشش‌های محافظ، در برابر افزایش دما آسیب‌پذیر هستند، زیرا با بالا رفتن دما مقاومت و سختی فولاد کاهش می‌یابد. با این حال، سازه‌های فضاکار به دلیل توزیع نیرو در تعداد زیادی عضو و وجود مسیرهای متعدد انتقال بار، معمولاً رفتار پایدارتر و ایمن‌تری در برابر خرابی ناگهانی ناشی از آتش‌سوزی از خود نشان می‌دهند و احتمال فروپاشی موضعی یا یکباره در آن‌ها کمتر است. در مقابل، سوله‌های تیرورقی وابستگی بیشتری به اعضای اصلی قاب دارند و در صورت کاهش مقاومت یک تیر یا ستون کلیدی، امکان گسترش سریع ناپایداری سازه بیشتر خواهد بود. البته در هر دو سیستم، استفاده از پوشش‌های ضدحریق، رنگ‌های منبسط‌شونده و طراحی مطابق ضوابط مقاومت حریق نقش تعیین‌کننده‌ای در افزایش ایمنی سازه دارد.

از نظر ایمنی و استحکام در برابر انفجار و برخوردهای پیش‌بینی‌نشده:

سازه‌های فضایی به دلیل ماهیت شبکه‌ای، پیوستگی اعضا و وجود مسیرهای متعدد انتقال نیرو، عملکرد مقاوم‌تر و پایدار‌تری نسبت به سوله‌های متداول تیرورقی دارند. در این سیستم، انرژی ناشی از انفجار یا ضربه در سطح گسترده‌تری از سازه توزیع می‌شود و تمرکز تنش کاهش می‌یابد، بنابراین احتمال خرابی موضعی و گسترش ناگهانی آسیب کمتر است. همچنین افزونگی سازه‌ای بالا در فضاکار باعث می‌شود در صورت حذف یا آسیب‌دیدگی برخی اعضا، کل سازه بلافاصله دچار فروپاشی نشود. در مقابل، سوله‌های تیرورقی به دلیل وابستگی بیشتر به قاب‌ها و اعضای اصلی باربر، در برابر انفجار یا برخورد شدید حساس‌تر هستند و آسیب به یک عضو کلیدی می‌تواند پایداری بخش قابل توجهی از سازه را تحت تأثیر قرار دهد. به همین دلیل، از دید ایمنی سازه‌ای در شرایط بحرانی و بارگذاری‌های غیرمنتظره، سازه‌های فضاکار معمولاً عملکرد مطمئن‌تر و مقاوم‌تری ارائه می‌دهند.

از منظر اجرای سقف کاذب:

با توجه به اینکه اتصالات گوی سان اغلب در سازه های فضا کار در فواصل 3 متری و در کل سطح لایه پایین شبکه فضایی سقف قرار دارند، امثال اجرای سقف کاذب و زیر سازی مورد نیاز آن بالاتر و مصالح مصرفی پایین تری در مقایسه با سوله های سنتی با فواصل 6 متری تیرهای اصلی وجود دارد. علاوه بر سهولت اجرا و اقتصادی تر بودن در اجرای سقف کاذب، سازه های فضایی امکان اجرای فرم های پیچیده و پارامتریک را در سقف های کاذب مختلف و با مصالح متنوع و سبک را نیز بوجود می آورند.

از نظر مقاومت در برابر خوردگی:

سازه‌های فضاکار معمولاً عملکرد مناسب‌تر و دوام بالاتری نسبت به سوله‌های متداول تیرورقی دارند. در این سیستم، اعضا اغلب دارای مقاطع کوچک‌تر و تولید صنعتی دقیق‌تری هستند و معمولاً پیش از نصب، پوشش‌های ضدخوردگی و رنگ‌آمیزی کارخانه‌ای با کیفیت بالاتری روی آن‌ها اعمال می‌شود. همچنین توزیع یکنواخت نیروها در سازه فضاکار باعث می‌شود حساسیت سازه به کاهش موضعی مقاومت ناشی از خوردگی کمتر باشد. در مقابل، سوله‌های تیرورقی به دلیل استفاده از مقاطع سنگین و سطوح فولادی گسترده‌تر، در صورت آسیب‌دیدگی پوشش محافظ، بیشتر در معرض خوردگی موضعی و کاهش ظرفیت سازه‌ای قرار می‌گیرند. بنابراین، در شرایط محیطی مرطوب یا خورنده، سازه‌های فضاکار در صورت اجرای صحیح پوشش‌های محافظ، می‌توانند دوام و مقاومت بیشتری در برابر خوردگی داشته باشند.

از نظر مقاومت در برابر نیروهای لرزه ای و زلزله:

سازه‌های فضاکار به دلیل رفتار سه‌بعدی، توزیع یکنواخت نیروها و وجود مسیرهای متعدد انتقال بار، عملکرد لرزه‌ای بسیار مناسبی دارند. این سیستم‌ها به‌واسطه وزن کمتر و صلبیت فضایی بالا، نیروهای ناشی از زلزله را به شکل مؤثرتری در کل سازه پخش کرده و احتمال تمرکز تنش و خرابی موضعی را کاهش می‌دهند. همچنین افزونگی سازه‌ای بالا در فضاکارها باعث افزایش پایداری و مقاومت در برابر فروپاشی در هنگام زلزله می‌شود. در مقابل، سوله‌های تیرورقی اگرچه در صورت طراحی صحیح مطابق آیین‌نامه‌های لرزه‌ای می‌توانند عملکرد ایمنی داشته باشند، اما به دلیل جرم بالتر، وابستگی بیشتر به قاب‌های اصلی و تمرکز نیرو در اعضای مشخص، حساسیت بیشتری نسبت به تغییرشکل‌های شدید و خرابی موضعی دارند. بنابراین در دهانه‌های بزرگ و پروژه‌هایی با اهمیت لرزه‌ای بالا، سازه‌های فضاکار معمولاً عملکرد مطمئن‌تر و کارآمدتری نسبت به سوله‌های متداول تیرورقی ارائه می‌دهند.

---

بیشتر بدانیم:

مفاهیم پایه:

سازه:

• مفهوم پایه: «انتخاب شرکت سازه فضاکار » از طریق لینک: انتخاب شرکت سازه فضاکار
• مفهوم پایه: «نصب و اجرای سازه فضاکار» از طریق لینک: اجرای سازه فضاکار

پوشش:

• مفهوم پایه: «پوشش پلی‌کربنات» از طریق لینک: پوشش‌های کلزیپ، ساندویچ پانل، شیشه و پلی‌ کربنات در سازه فضاکار
• مفهوم پایه: «ورق پانچ متال» از طریق لینک: پوشش‌های ورق پانچ متال، ساندویچ پانل، شیشه و پلی‌کربنات در سازه فضاکار

طراحی:

• مفهوم پایه: «کنترل» از طریق لینک: اهمیت کنترل،مشاوره و کنترل در سازه فضاکار
• مفهوم پایه: «فرایند طراحی» از طریق لینک: فرایند طراحی و اهمیت کنترل،مشاوره و کنترل در سازه فضاکار

نما:

• مفهوم پایه: «کرتین وال/ فیس گپ» از طریق لینک: انواع نماهای شیشه ای
• مفهوم پایه: «نمای شیشه ای هوشمند» از طریق لینک: انواع نماهای شیشه ای

سوالات متداول:

• بیشتر بدانیم: انتخاب شرکت سازه فضاکار و سازه فضایی

مقاله‌ها:

• برای آشنایی بیشتر با بزرگترین شهربازی های سرپوشیده جهان از سقف سازه فضایی به مقاله مجموعه تفریحی دنیاز فراری وورد ابوظبی را ملاحظه فرمایید.
• برای آشنایی بیشتر با پوشش شفاف دهانه‌بزرگ با شیشه و ETFE ‌ مقاله اسکای لایت و نورگیر سازه فضایی را ملاحظه فرمایید.

پروژه‌های رزان:

• نمونه سالن‌های قوسی با دهانه‌های بسیار بزرگ را در سالن اختلاط کارخانه سیمان صوفیان مشاهده فرمایید.
• نمونه سالن‌های قوسی با دهانه‌های بسیار بزرگ را در سالن اختلاط مواد کارخانه سیمان سامان‌غرب مشاهده فرمایید.
• نمونه پروژه‌های فلزی - صنعتی مرتفع را در کولینگ تاورهای نیروگاه سیکل ترکیبی جهرم مشاهده فرمایید.