سازه فلزی و انواع آن؛ آشنایی کامل با ساختار، مصالح، مزایا و کاربردها

سازه فلزی به ساختارهایی گفته می‌شود که اسکلت اصلی آن از فلزاتی مانند فولاد، آهن و آلومینیوم ساخته شده و نقش باربری و حفظ استحکام بنا را بر عهده دارد. این نوع سازه‌ها به دلیل دوام بالا، انعطاف‌پذیری در طراحی و سرعت اجرای مناسب، در ساختمان‌های مدرن، پل‌ها، سوله‌ها و برج‌ها کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده‌اند. در این مقاله از آهن صد، به‌ صورت جامع انواع سازه فلزی، کاربردها، مزایا و معایب، مصالح مورد استفاده و روش‌های اجرای آن‌ها بررسی شده تا شما بتوانید با دیدی کامل با این موضوع مهم و جذاب آشنا شوید.

سازه فلزی چیست و چه کاربردی دارد؟

سازه فلزی به ساختاری گفته می‌شود که اسکلت اصلی آن از فلزات مقاوم، عمدتاً فولاد و آهن، ساخته شده است. برای این منظور از مقاطع فولادی مختلف مانند ناودانی، دوبل، قوطی، تیرآهن I و H و پروفیل‌های سبک و سنگین استفاده می‌شود تا بارهای ساختمان یا سازه به‌طور یکنواخت به فونداسیون منتقل شوند و مقاومت کافی در برابر نیروهای مختلف مثل باد، زلزله و وزن مرده ایجاد شود. این نوع سازه‌ها در پروژه‌های مختلف کاربرد دارند؛ از جمله ساختمان‌های بلند، پل‌ها، سوله‌های صنعتی، پالایشگاه‌ها، برج‌ها و سازه‌های ویژه که نیاز به استحکام و دوام بالا دارند.

انواع سازه‌های فلزی بر اساس نوع ساخت و کاربرد

سازه‌های فلزی بر اساس شیوه ساخت، نوع اتصال و کاربرد نهایی به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. هر دسته ویژگی‌ها، مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارد و انتخاب مناسب آن‌ها به نوع پروژه، بارگذاری، دهانه و الزامات طراحی بستگی دارد. در ادامه، پرکاربردترین انواع سازه‌های فلزی بررسی می‌شوند:

1. سازه فلزی تیرورقی (Built-up)

در این نوع سازه، مقاطع فولادی با ترکیب چند تیرورق یا ورق‌های تقویتی ساخته می‌شوند تا مقاومت بیشتری در برابر خمش و برش ایجاد شود. معمولاً در سازه‌های صنعتی و پل‌ها با دهانه‌های بلند کاربرد دارد و مزیت آن تحمل بار زیاد و قابلیت طراحی دقیق است.

2. سازه فلزی خرپایی (Truss Structure)

سازه‌های خرپایی از اتصال مثلثی مقاطع فولادی ساخته می‌شوند و برای پوشش دهانه‌های بزرگ بدون ستون میانی مناسب هستند. این سازه‌ها در سوله‌ها، سالن‌های ورزشی و پل‌ها کاربرد دارند و مزیت اصلی آن‌ها سبکی و استحکام بالا است.

3. سازه فلزی پیچ و مهره‌ای

در این نوع، اجزای فلزی با پیچ و مهره به هم متصل می‌شوند. مزیت آن سرعت نصب بالا، امکان جداسازی و تعمیر راحت است و معمولاً در سازه‌های موقت، سوله‌ها و پل‌های سبک کاربرد دارد.

4. سازه فلزی جوشی

در سازه‌های جوشی، اتصالات بین اجزا با جوشکاری دائمی انجام می‌شود. این روش استحکام بالا و یکپارچگی کامل سازه را فراهم می‌کند و برای سازه‌های بلندمرتبه، صنعتی و ساختمانی با بارگذاری سنگین مناسب است.

5. سازه فلزی سبک (LSF)

Light Steel Frame یا سازه سبک فلزی شامل پروفیل‌های نازک فولادی سرد نورد شده است. این سازه‌ها برای ساختمان‌های کم‌ارتفاع، ویلاها و فضاهای مسکونی کاربرد دارند و مزیت آن‌ها سرعت ساخت، سبکی و عایق بودن نسبی است.

6. سازه فضاکار (Space Frame)

سازه فضاکار از شبکه سه‌بعدی مقاطع فلزی تشکیل می‌شود که بار را به‌طور یکنواخت توزیع می‌کند. این سازه‌ها برای سقف‌های بزرگ و بدون ستون داخلی، نمایشگاه‌ها و سالن‌های ورزشی کاربرد دارند و طراحی آن‌ها انعطاف‌پذیر و مدرن است.

7. سازه فلزی قوسی یا نیم‌قوسی

این سازه‌ها با فلزاتی که به شکل قوس یا نیم‌قوس خم شده‌اند ساخته می‌شوند و برای سوله‌ها، سالن‌های صنعتی و انبارها مناسب‌اند. مزیت اصلی آن‌ها زیبایی ظاهری و کاهش نیاز به ستون میانی است.

8. سازه فلزی مرکب (ترکیب فلز و بتن)

در این نوع، فلز و بتن با هم ترکیب می‌شوند تا مقاومت بیشتر و عملکرد بهینه در برابر خمش و برش ایجاد شود. کاربرد آن‌ها در پل‌ها، ساختمان‌های بلند و سازه‌های صنعتی با بارگذاری زیاد است و مزیت اصلی آن‌ها ترکیب دوام فلز و سختی بتن است.

مصالح و مقاطع مورد استفاده در سازه‌های فلزی

در ساخت سازه‌های فلزی، انتخاب مصالح و مقاطع مناسب نقش حیاتی در استحکام، پایداری و طول عمر سازه دارد. هر مقطع یا فلز کاربرد ویژه‌ای دارد و با توجه به بارگذاری و محل نصب، استفاده می‌شود:

• تیرآهن (IPE، INP، IPB): تیرآهن‌ها مقاطع اصلی باربر در سازه هستند و عمدتاً برای تیرهای اصلی، ستون‌ها و خرپاها به کار می‌روند. مقاومت بالا در برابر خمش و فشار، سبکی نسبی و قابلیت اتصال با پیچ و جوش از ویژگی‌های برجسته آن‌ها است. البته، قیمت تیرآهن تاثیر مستقیمی بر برآورد هزینه سازه دارد، چون معمولا بیشترین حجم فولاد مصرفی پروژه را تشکیل می‌دهد و تاثیر مستقیم بر مقاومت سازه دارد.

• ناودانی، نبشی، قوطی و پروفیل: این مقاطع برای تیرچه‌ها، ستون‌های فرعی، مهاربندها و قاب‌های سبک استفاده می‌شوند. مزیت آن‌ها انعطاف در طراحی، سهولت نصب و توانایی توزیع بار در بخش‌های مختلف سازه است. انعطاف در طراحی، سهولت نصب و توانایی توزیع بار از مزایای کلیدی این مقاطع است.

• ورق فولادی (سیاه، گالوانیزه، استیل): ورق‌ها در پوشش سقف، دیواره‌ها، کف‌ها و اتصالات سازه‌ای کاربرد دارند. ورق گالوانیزه و استیل مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند، در حالی که ورق سیاه برای بخش‌های باربر و جوشکاری مناسب است. از این رو، انتخاب نوع ورق مناسب بر اساس نوع سازه نه تنها بر پایداری سازه، بلکه بر هزینه‌های نهایی نیز اثرگذار است.

• میلگرد: میلگردها برای تقویت اتصالات و سازه‌های مرکب فلز-بتن به کار می‌روند. آن‌ها با افزایش مقاومت در برابر کشش و ترک‌خوردگی، عملکرد سازه را بهبود می‌بخشند. از آنجا که میلگردها در سایزها، گریدها و ترکیب‌های مختلف تولید می‌شوند، قیمت هر نوع آن بسته به مشخصات فنی و کاربرد متفاوت است. از این رو، باید میلگر با سایز مناسب نسبت به سازه انتخاب شود.

• پیچ و مهره‌های فولادی: پیچ و مهره‌ها برای اتصال اجزا در سازه‌های پیچ و مهره‌ای یا قاب‌های ترکیبی استفاده می‌شوند. قابلیت جدا شدن و تعمیر آسان، سرعت نصب بالا و اطمینان در تحمل بار از مزایای کلیدی آن‌ها است. استفاده از اتصالات استاندارد نه‌تنها نصب را سریع‌تر می‌کند، بلکه امکان دمونتاژ و تعمیر سازه را نیز فراهم می‌سازد.

مزایا و معایب سازه فلزی

سازه‌های فلزی به دلیل دوام، انعطاف‌پذیری و سرعت اجرا در دنیا بسیار محبوب‌اند و در پروژه‌های صنعتی، ساختمانی و پل‌سازی کاربرد گسترده دارند. با این حال، این نوع سازه‌ها چالش‌هایی هم دارند که در طراحی و نگهداری باید مدنظر قرار گیرد.

مزایا	معایب
نصب سریع اجزا و کاهش زمان ساخت نسبت به سازه‌های بتنی	نیاز به پوشش ضدزنگ و نگهداری دوره‌ای
مقاومت بالا با وزن کمتر و کاهش فشار روی فونداسیون	هزینه اولیه بیشتر نسبت به سازه بتنی
امکان پوشش فضاهای وسیع بدون ستون میانی	نیازمند طراحی دقیق درزهای انبساط
قابلیت جداسازی و جابجایی آسان بدون آسیب	حساسیت بالا به کیفیت جوش و اتصالات
ارزش اقتصادی و زیست‌محیطی بالا به‌دلیل قابلیت بازیافت	—
عملکرد مناسب در برابر زلزله و باد به‌دلیل انعطاف‌پذیری بالا	—

فرآیند اجرای سازه فلزی (مراحل ساخت تا نصب)

اجرای سازه فلزی فرآیندی گام‌به‌گام و دقیق است که رعایت هر مرحله، تضمین‌کننده استحکام و طول عمر سازه خواهد بود. در ادامه، مراحل اصلی این فرآیند را بررسی می‌شوند:

1. طراحی سازه در نرم‌افزار (SAP, ETABS): اولین گام، طراحی دقیق سازه با نرم‌افزارهای مهندسی است تا بارگذاری‌ها، نیروهای دینامیکی و اتصالات به‌درستی محاسبه شوند. این مرحله پایه‌ای‌ترین قسمت است و کوچک‌ترین خطا می‌تواند به مشکلات جدی در مراحل بعدی منجر شود.
2. برش و آماده‌سازی مقاطع در کارگاه: پس از طراحی، مقاطع فولادی مانند تیرآهن، ناودانی و ورق‌ها برش و سوراخ‌کاری شده و آماده اتصال می‌شوند. دقت در ابعاد و زاویه‌ها، سرعت نصب و کیفیت نهایی سازه را تضمین می‌کند.
3. مونتاژ اولیه: در این مرحله، اجزا در کارگاه یا محوطه مجاور سایت به صورت اولیه مونتاژ می‌شوند تا مطمئن شویم قطعات درست به هم متصل می‌شوند و با طراحی مطابقت دارند.
4. رنگ و ضدزنگ: مقاطع فولادی با رنگ‌های ضدزنگ، اپوکسی یا گالوانیزه پوشش داده می‌شوند تا در برابر خوردگی و رطوبت مقاوم شوند و عمر مفید سازه افزایش یابد.
5. انتقال به محل پروژه: قطعات آماده‌شده با جرثقیل یا کامیون‌های مناسب به محل پروژه منتقل می‌شوند. در این مرحله، رعایت نکات ایمنی و محافظت از پوشش ضدزنگ اهمیت بالایی دارد.
6. نصب و اتصالات (جوشی یا پیچ و مهره‌ای): سازه در محل پروژه با روش‌های جوشی یا پیچ و مهره‌ای نصب می‌شود. این مرحله حساس‌ترین بخش است؛ کنترل دقیق کیفیت جوش‌ها و محکم بودن پیچ‌ها برای دوام و ایمنی سازه ضروری است.
7. کنترل نهایی و بازرسی جوش: در آخرین مرحله، بازرسی جوش‌ها، پیچ‌ها و تراز کلی سازه انجام می‌شود تا مطمئن شویم سازه به درستی نصب شده و تمام استانداردهای مهندسی رعایت شده‌اند. این مرحله تضمین‌کننده عمر مفید و عملکرد ایمن سازه است.

مقایسه سازه فلزی و بتنی

سازه‌های فلزی و بتنی دو نوع رایج در ساخت‌وساز هستند که هرکدام ویژگی‌ها و مزایای خاص خود را دارند. سازه فلزی به دلیل سبکی، سرعت اجرا و مقاومت در برابر نیروهای دینامیکی در بسیاری از پروژه‌ها ترجیح داده می‌شود، در حالی که سازه بتنی از دوام و مقاومت فشاری بالا برخوردار است اما زمان اجرا و وزن آن بیشتر است. در ادامه، این دو نوع سازه از جنبه‌های مختلف مقایسه می‌شوند:

ویژگی	سازه فلزی	سازه بتنی
وزن	سبک و مناسب برای کاهش فشار روی فونداسیون	سنگین، نیاز به فونداسیون قوی‌تر
سرعت ساخت	نصب سریع و پیش‌ساخته	زمان‌بر، نیاز به قالب‌بندی و خشک شدن بتن
هزینه اولیه	معمولاً بالاتر، اما با صرفه‌جویی در زمان جبران می‌شود	کمتر از فلز، اما هزینه قالب و زمان بیشتر می‌شود
دوام	مقاوم در برابر بارهای دینامیکی، نیاز به نگهداری ضدزنگ	مقاوم در برابر خوردگی و سایش، عمر طولانی
مقاومت زلزله و باد	انعطاف‌پذیر و مناسب مناطق لرزه‌خیز	سخت و شکننده‌تر، نیاز به طراحی دقیق برای مقاومت لرزه‌ای
زیبایی ظاهری	امکان اجرای سازه‌های مدرن و دهانه‌های بلند	محدودیت در طراحی، بیشتر کاربرد سازه‌ای
نگهداری	نیازمند پوشش ضدزنگ و بازرسی دوره‌ای	نگهداری کم، ولی در صورت ترک یا آسیب تعمیر دشوار

عوامل مؤثر در انتخاب نوع سازه فلزی

انتخاب نوع سازه فلزی یک تصمیم کلیدی و تاثیرگذار بر هزینه، دوام و عملکرد پروژه است. برای تصمیم‌گیری صحیح باید عوامل مختلفی را بررسی کرد تا سازه نهایی با نوع کاربری، محیط و بودجه همخوانی داشته باشد:

• نوع کاربری پروژه: کاربری سازه تعیین می‌کند که چه نوع سازه‌ای مناسب است. برای مثال، سوله‌ها و کارخانه‌ها نیاز به دهانه‌های بلند و پوشش وسیع دارند، برج‌ها و ساختمان‌های بلند به سازه‌های مقاوم در برابر باد و زلزله نیاز دارند و ویلاها و ساختمان‌های کم‌ارتفاع معمولاً با سازه سبک و LSF قابل اجرا هستند.
• موقعیت جغرافیایی و شرایط آب‌وهوایی: شرایط محیطی، بارش برف، شدت باد و رطوبت تعیین‌کننده نوع مصالح و پوشش است. در مناطق مرطوب، استفاده از پوشش گالوانیزه و رنگ ضد زنگ ضروری است و در مناطق با باد شدید، انتخاب سازه‌ای با مهاربندی مناسب اهمیت پیدا می‌کند.
• بودجه و زمان‌بندی پروژه: سازه‌های فلزی معمولاً هزینه اولیه بالاتری دارند اما سرعت نصب بالاست، بنابراین برای پروژه‌هایی با محدودیت زمان، سازه فلزی گزینه بهتری است. در پروژه‌های با بودجه محدود، ترکیب مصالح یا انتخاب سازه سبک می‌تواند بهینه باشد.
• نیاز به جابه‌جایی یا دمونتاژ سازه: اگر سازه قرار است قابل جابجایی یا قابل توسعه باشد، سازه‌های پیچ و مهره‌ای یا سبک فلزی (LSF) مناسب‌تر هستند، زیرا امکان دمونتاژ و نصب مجدد را فراهم می‌کنند.
• بارهای طراحی و نوع زمین: نوع بارهای وارد بر سازه (مرده، زنده، باد، زلزله) و شرایط خاک فونداسیون، انتخاب مقطع، اتصالات و روش نصب را تعیین می‌کند. سازه باید توانایی تحمل نیروهای وارده را داشته باشد تا ایمنی و دوام سازه تضمین شود.

نگهداری و افزایش عمر مفید سازه فلزی

برای افزایش طول عمر و حفظ دوام سازه فلزی، رعایت نکات نگهداری و محافظت از مصالح اهمیت بالایی دارد. یکی از مهم‌ترین اقدامات، رنگ‌آمیزی و پوشش ضدزنگ دوره‌ای است. استفاده از پوشش‌های اپوکسی یا گالوانیزه گرم باعث ایجاد یک لایه محافظ می‌شود که سازه را در برابر خوردگی، رطوبت و باران اسیدی مقاوم می‌کند و عمر مفید آن را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. علاوه بر پوشش، بازرسی دوره‌ای جوش‌ها و پیچ‌ها باید انجام شود. توصیه می‌شود هر دو سال یک‌بار اتصالات و جوش‌ها از نظر خوردگی، شل شدن یا ترک بررسی شوند تا از مشکلات ساختاری و کاهش مقاومت جلوگیری شود.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

سازه‌های فلزی به دلیل سبکی، سرعت اجرا، مقاومت در برابر نیروهای دینامیکی و انعطاف‌پذیری طراحی، گزینه‌ای محبوب و کارآمد در ساخت‌وساز مدرن هستند. با انتخاب صحیح نوع سازه بر اساس کاربری، شرایط محیطی، بودجه و بارگذاری‌ها، می‌توان از حداکثر مزایای این سازه‌ها بهره برد. همچنین رعایت نگهداری دوره‌ای، پوشش‌های ضدخوردگی و کنترل کیفیت اتصالات باعث افزایش طول عمر و ایمنی سازه خواهد شد. سازه فلزی به ویژه در پروژه‌هایی که زمان، مقاومت و امکان دهانه‌های بلند اهمیت دارد، انتخاب برتر محسوب می‌شود.

---

سوالات متداول سازه‌های فلزی: