یکی از اولین سؤال‌هایی که کارفرماها قبل از ساخت ویلا یا خانه با سیستم LSF می‌پرسند این است: «این سازه در زلزله چه می‌شود؟». سؤال کاملاً به‌جایی است؛ بیشتر شهرها و مناطق ویلایی ایران، از تهران و لواسان تا دماوند و شمال، روی گسل‌های فعال قرار دارند و هر تصمیمی درباره نوع اسکلت، در واقع تصمیمی درباره ایمنی خانواده است.
در این مقاله بدون اغراق و بدون تبلیغ توضیح می‌دهیم که مقاومت سازه ال اس اف در برابر زلزله از کجا می‌آید، آیین‌نامه‌های ایران چه می‌گویند، این سازه در مقایسه با بتنی و فولادی سنگین چه رفتاری دارد و مهم‌تر از همه، چه اشتباهاتی در طراحی و اجرا می‌تواند این مزیت را از بین ببرد. اگر هنوز با خود سیستم آشنا نیستید، پیشنهاد می‌کنیم اول مقاله ال اس اف چیست؟ را بخوانید.
خلاصه در چند خط
- نیروی زلزله با وزن ساختمان رابطه مستقیم دارد. ساختمان LSF معمولاً چند برابر سبکتر از ساختمان بتنی هم‌اندازه است، پس نیروی کمتری به آن وارد می‌شود.
- بار زلزله در LSF را دیوارهای برشی (با بادبند تسمهای یا پوشش سازهای)، کفها و سقفها بهعنوان دیافراگم، و اتصالات پیچی به پی منتقل میکنند.
- طراحی باید بر اساس نشریه ۶۱۲ و استاندارد ۲۸۰۰ و با محاسبات مهندس سازه انجام شود؛ سبک بودن به‌تنهایی ساختمان را ضد زلزله نمی‌کند.
- بیشترین خطر از اجرای غلط می‌آید: فونداسیون و انکر بولت ضعیف، حذف بادبند به خاطر پنجره، پیچ ناکافی و پروفیل غیر استاندارد.
چرا وزن، مهم‌ترین عامل در رفتار ساختمان هنگام زلزله است؟
زلزله به ساختمان «ضربه» نمی‌زند؛ زمین زیر ساختمان حرکت میکند و ساختمان به خاطر جرمی که دارد، در برابر این حرکت مقاومت میکند. نیرویی که در این لحظه در اعضای سازه ایجاد می‌شود، طبق قانون دوم نیوتن با جرم ساختمان نسبت مستقیم دارد. به زبان ساده: هرچه ساختمان سنگین‌تر باشد، نیروی زلزله‌ای که باید تحمل کند بیشتر است.
استاندارد ۲۸۰۰ ایران هم دقیقاً بر همین اساس کار میکند. در روش استاتیکی معادل، نیروی برشی پایه زلزله از حاصل‌ضرب یک ضریب (که به خطر لرزهای منطقه، نوع خاک، اهمیت ساختمان و نوع سیستم سازه بستگی دارد) در وزن مؤثر ساختمان به دست می‌آید. یعنی اگر بقیه شرایط یکسان باشد، کاهش وزن ساختمان مستقیماً نیروی طراحی زلزله را کاهش میدهد.
یک ساختمان بتنی معمولی با سقف تیرچه‌بلوک، دیوارهای آجری یا بلوکی، کف‌سازی ماسه‌سیمان و نمای سنگ، وزن قابل توجهی دارد. در ساختمان LSF اسکلت از پروفیل‌های فولادی گالوانیزه سرد نورد ساخته می‌شود و دیوارها، کفها و نما با مصالح خشک مثل فایبر سمنت برد و کناف پوشش داده می‌شوند. نتیجه این است که وزن کل ساختمان معمولاً به کسری از وزن ساختمان بتنی مشابه می‌رسد؛ در منابع مختلف این نسبت حدود یک‌سوم تا یک‌چهارم ذکر می‌شود که بسته به جزئیات طرح، نوع کف و نمای انتخابی تغییر میکند.
کاهش وزن دو اثر مثبت دیگر هم دارد: بار کمتری به فونداسیون می‌رسد و در صورت آسیب احتمالی، آوار سبکتر است و خطر جانی کمتری برای ساکنان دارد.
سازه ال اس اف چطور نیروی زلزله را تحمل میکند؟
سبک بودن نقطه شروع است، اما ساختمان باید سیستمی داشته باشد که همان نیروی کمترِ زلزله را هم بهطور ایمن از بام تا پی منتقل کند. در LSF این کار را چهار جزء اصلی انجام می‌دهند.
۱. دیوارهای برشی (Shear Wall)
همه دیوارهای یک ساختمان LSF در برابر نیروی جانبی نقش یکسانی ندارند. مهندس سازه تعدادی از دیوارها را در هر دو جهت ساختمان بهعنوان دیوار برشی طراحی میکند. این دیوارها باید به‌صورت متقارن و پیوسته در پلان پخش شوند تا ساختمان هنگام زلزله دچار پیچش نشود. چیدمان دیوارهای برشی یکی از اولین چیزهایی است که در مرحله طراحی سازه ال اس اف باید با پلان معماری هماهنگ شود؛ پلانی که یک ضلع آن تماماً شیشه باشد، بدون راهکار جایگزین، از نظر لرزهای مشکل‌ساز است.
۲. بادبند تسمهای ضربدری (X-Bracing)
رایج‌ترین روش برای سخت کردن دیوار برشی در LSF، نصب تسمه‌های فولادی به‌صورت ضربدری روی قاب دیوار است. هنگام زلزله، تسمهای که در کشش قرار می‌گیرد نیرو را به گوشه‌های دیوار و از آنجا به پی منتقل میکند. کیفیت این بادبند به سه چیز بستگی دارد: سفت (پیش‌کشیده) بودن تسمه، تعداد و نوع پیچ‌های اتصال در دو انتها، و وجود ستون‌های تقویتی (دوبل) در لبه دیوار که نیروی کششی و فشاری را تحمل کنند.
۳. پوشش سازهای دیوار و دیافراگم کف
در بعضی طرح‌ها به‌جای بادبند یا همراه با آن، از پوشش سازهای روی قاب استفاده می‌شود؛ مثلاً صفحات سمنت برد یا OSB که با الگوی پیچ‌کاری مشخصی به قاب بسته می‌شوند و مثل یک صفحه سخت عمل میکنند. کفها و سقفها هم باید بهعنوان دیافراگم طراحی شوند؛ یعنی صفحه‌ای سخت که نیروی زلزله را بین دیوارهای برشی تقسیم کند. اگر کف به‌درستی به دیوارها متصل نشود، هر دیوار جداگانه رفتار میکند و سیستم یکپارچه شکل نمی‌گیرد.
۴. اتصالات پیچی و شکل‌پذیری
اتصالات در LSF با پیچ‌های خودکار (سلف دریل) انجام می‌شود، نه جوش. اتصال پیچی اگر درست طراحی شود، هنگام زلزله قبل از شکست کامل، کمی تغییر شکل میدهد و انرژی زلزله را مستهلک میکند. به این ویژگی شکل‌پذیری می‌گویند و یکی از دلایلی است که ساختمانهای فولادی سبک معمولاً به‌جای فروریزش ناگهانی، تغییر شکل‌های قابل مشاهده نشان می‌دهند. البته شکل‌پذیری فقط زمانی وجود دارد که تعداد، فاصله و نوع پیچ‌ها مطابق نقشه اجرا شود.
اتصال به فونداسیون؛ حلقه‌ای که نباید ضعیف باشد
نیروی زلزله در نهایت باید از دیوارها وارد پی شود. در LSF این کار با دو نوع اتصال انجام می‌شود:
- انکر بولت‌ها که رانر پایین دیوار را به فونداسیون میبندند و جلوی لغزش افقی دیوار را می‌گیرند.
- اتصالات مهار بلندشدگی (Hold-down) که در لبه دیوارهای برشی نصب می‌شوند و جلوی بلند شدن یک طرف دیوار هنگام نوسان را می‌گیرند.
چون ساختمان LSF سبک است، وزن خودش برای مقابله با بلندشدگی کافی نیست و این اتصالات حیاتی‌اند. محل انکر بولت‌ها باید قبل از بتن‌ریزی دقیقاً با نقشه دیوارها هماهنگ شود؛ جابه‌جایی چند سانتی‌متری ممکن است کل اتصال را بی‌اثر کند. جزئیات بیشتر درباره انواع پی و نکات اجرایی را در مقاله فونداسیون ال اس اف؛ انواع پی و نکات اجرایی توضیح داده‌ایم.
مقایسه رفتار لرزهای LSF با ساختمان بتنی و فولادی سنگین
مقایسه منصفانه یعنی هر سیستم را در حالت «درست طراحی و درست اجرا شده» با هم مقایسه کنیم. یک ساختمان بتنی خوب، ایمن است و یک ساختمان LSF بد، ایمن نیست. با این فرض، تفاوت‌های اصلی این‌هاست:
| معیار | سازه ال اس اف (LSF) | اسکلت بتنی | اسکلت فولادی سنگین |
|---|---|---|---|
| وزن ساختمان و نیروی زلزله | کم؛ نیروی طراحی زلزله کمتر | زیاد | متوسط تا زیاد (بسته به سقف و دیوارها) |
| شکل‌پذیری | خوب، به شرط اتصالات پیچی درست | وابسته به آرماتوربندی و کیفیت بتن | خوب، به شرط کیفیت جوش |
| حساسیت به کیفیت اجرا | زیاد (پیچ، بادبند، انکر) | زیاد (بتن، آرماتور، عمل‌آوری) | زیاد (جوش، اتصالات) |
| آوار در صورت آسیب | سبک | سنگین | متوسط تا سنگین |
| آسیب اجزای غیرسازه‌ای | کم (دیوار و نمای خشک) | ریزش دیوار آجری و نما محتمل‌تر | ریزش دیوار آجری و نما محتمل‌تر |
| محدودیت ارتفاع | مناسب ساختمانهای کمارتفاع | محدودیت کمتر | محدودیت کمتر |
برای مقایسه کامل‌تر از نظر هزینه، زمان ساخت و دوام، مقاله سازه ال اس اف یا اسکلت بتنی و فلزی را ببینید.
آییننامهها چه می‌گویند؟ نشریه ۶۱۲، استاندارد ۲۸۰۰ و مبحث ۱۰
ساختمان LSF در ایران یک سیستم «آزاد» و بدون ضابطه نیست. طراحی و اجرای آن باید با چند مرجع فنی هماهنگ باشد:
- نشریه ۶۱۲ (ضوابط طراحی و اجرای ساختمانهای با سیستم قاب فولادی سبک سرد نورد): مرجع اصلی LSF در ایران است و موضوعاتی مثل محدوده کاربرد سیستم، حداقل مشخصات پروفیل‌ها و پوشش گالوانیزه، طراحی دیوارهای برشی و جزئیات اتصالات را مشخص میکند.
- استاندارد ۲۸۰۰ (آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله): نیروی زلزله را بر اساس پهنه خطر لرزهای، نوع زمین و اهمیت ساختمان تعیین میکند. همان روابطی که برای ساختمان بتنی استفاده می‌شود، برای LSF هم معتبر است.
- مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمانهای فولادی): الزامات عمومی طراحی اعضای فولادی، از جمله فولاد سرد نورد.
- استانداردهای بین‌المللی مثل آیین‌نامه‌های AISI آمریکا برای فولاد سرد نورد که مبنای بخش زیادی از ضوابط جهانی این سیستم هستند.
یک نکته مهم: محدوده مجاز تعداد طبقات و ارتفاع ساختمان LSF و شرایط استفاده از آن در هر پهنه لرزهای، در نشریه ۶۱۲ و گواهی‌نامه‌های فنی مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی تعیین شده است. قبل از طراحی، این محدوده را با آخرین ویرایش ضوابط بررسی کنید. خلاصه کاربردی نشریه را در مقاله نشریه ۶۱۲ و ۶۱۳ برای ساختمانهای LSF آورده‌ایم.
چه اشتباهاتی مقاومت سازه ال اس اف در برابر زلزله را کم میکند؟
تقریباً همه نگرانی‌های واقعی درباره رفتار لرزهای LSF به اجرای غیر اصولی برمی‌گردد، نه به خود سیستم. این‌ها رایج‌ترین مشکلاتی است که در بازدید از پروژه‌های دیگران دیده می‌شود:
- ساخت بدون محاسبه سازه: بعضی مجری‌ها با «تجربه» و بدون نقشه محاسباتی، دیوارها را می‌سازند. سبک بودن جای محاسبه را نمی‌گیرد؛ تعداد و محل دیوارهای برشی باید از محاسبه بیرون بیاید.
- حذف یا قطع بادبند برای باز کردن پنجره: اگر در دیوار برشی بازشو ایجاد شود یا تسمه‌ها بریده شوند، آن دیوار عملاً از سیستم مقاوم خارج می‌شود. هر تغییر در بازشوها باید به تأیید مهندس محاسب برسد.
- پیچ‌کاری ناقص: کم کردن تعداد پیچ‌ها، استفاده از پیچ نامناسب یا هرز شدن پیچ در پروفیل، مستقیماً ظرفیت اتصال را کم میکند.
- پروفیل با ضخامت یا گالوانیزه کمتر از نقشه: پروفیل نازک‌تر شاید از نظر ظاهری فرقی نکند، اما ظرفیت باربری و دوام آن پایین‌تر است. مشخصات پروفیل باید در کارگاه کنترل شود.
- انکر بولت و هولددان ناکافی یا جابه‌جا: قوی‌ترین دیوار برشی هم اگر به پی بسته نشده باشد، در زلزله لغزش یا بلندشدگی پیدا میکند.
- اضافه کردن بار سنگین بعد از ساخت: استفاده از نمای سنگی سنگین، کف‌سازی ضخیم ماسه‌سیمان یا مخزن آب سنگین روی بام بدون محاسبه، همان مزیت وزن کم را از بین می‌برد.
نکات اجرایی و مراحل کنترل کیفیت را در مقاله مراحل اجرای سازه ال اس اف از طراحی تا تحویل مفصل‌تر توضیح داده‌ایم.
اجزای غیرسازه‌ای؛ مزیتی که کمتر دیده می‌شود
در زلزله‌ها، بخش قابل توجهی از آسیب‌ها و خطرهای جانی از اجزای غیرسازه‌ای است: ریزش دیوارهای آجری، جدا شدن نمای سنگی، افتادن سقف کاذب گچی و شکستن شیشه‌ها. حتی وقتی اسکلت سالم می‌ماند، این اجزا می‌توانند خطرناک باشند.
در ساختمان LSF دیوارهای داخلی با سیستم خشک (کناف یا سمنت برد روی استاد) ساخته می‌شوند و نما معمولاً با نمای فایبر سمنت برد و زیرسازی فلزی اجرا می‌شود. این اجزا هم سبک‌اند و هم با اسکلت تغییر شکل می‌دهند؛ بنابراین احتمال ریزش و آوار سنگین از دیوارها و نما بسیار کمتر است. همین موضوع یکی از دلایلی است که کشورهای زلزلهخیز مثل ژاپن، نیوزیلند و آمریکا سال‌هاست از سیستم‌های قاب سبک در ساخت خانه‌های ویلایی و کمارتفاع استفاده میکنند.
البته اتصال صحیح این اجزا هم مهم است: سقف کاذب باید آویز و مهار جانبی استاندارد داشته باشد و نما باید با پیچ و زیرسازی مطابق دستورالعمل سازنده نصب شود.
محدودیت‌ها و نکات منصفانه درباره LSF و زلزله
برای تصمیم درست، باید محدودیت‌ها را هم بدانید:
- محدودیت ارتفاع: LSF برای ساختمانهای کمارتفاع مثل ویلا، خانه‌های ویلایی، اضافه اشکوب و ساختمانهای چند طبقه کوچک مناسب است؛ برای برج و ساختمانهای بلند انتخاب مناسبی نیست.
- وابستگی شدید به مجری: کیفیت LSF بیش از هر چیز به دقت اجرا وابسته است. انتخاب مجری مهم‌ترین تصمیم شماست؛ مقاله انتخاب مجری ال اس اف؛ چه چیزهایی را بپرسید؟ در این مورد کمک میکند.
- حساسیت به رطوبت و خوردگی: پروفیل‌ها گالوانیزه هستند، اما اگر جزئیات آب‌بندی بام، نما و پای دیوارها رعایت نشود، خوردگی در بلندمدت می‌تواند ظرفیت اتصالات را کم کند.
- مقاومت در برابر آتش: فولاد در دمای بالا ضعیف می‌شود؛ بنابراین پوشش‌های مقاوم در برابر آتش (مثل کناف FR یا سمنت برد) بخشی از سیستم ایمنی هستند و نباید حذف شوند.
بررسی کامل‌تر نقاط قوت و ضعف این سیستم را در مقاله مزایا و معایب سازه ال اس اف، بدون تعارف بخوانید.
ویلای ضد زلزله با LSF؛ برای چه مناطقی مناسب‌تر است؟
مناطقی مثل لواسان، دماوند، فیروزکوه و بسیاری از شهرهای شمال، هم در پهنه خطر لرزهای بالا قرار دارند و هم از نظر دسترسی و حمل مصالح سنگین شرایط سختی دارند. در این مناطق، LSF دو مزیت هم‌زمان دارد: ساختمان سبکتر نیروی زلزله کمتری می‌گیرد و حمل پروفیل و پانل‌های سبک به زمین‌های شیب‌دار و دور از جاده آسان‌تر است.
در زمین‌های شیب‌دار و خاک‌های دستی، طراحی فونداسیون و اتصال دیوارها به پی اهمیت دوچندان پیدا میکند. برای نمونه‌هایی از ویلای LSF که اجرا کرده‌ایم، می‌توانید پروژه‌های ویلا ال اس اف دماوند و پروژه ال اس اف لواسان را ببینید.
چک‌لیست کارفرما: آیا ساختمان LSF شما در برابر زلزله ایمن طراحی و اجرا شده است؟
اگر در حال ساخت یا خرید ساختمان LSF هستید، این سؤال‌ها را از مجری بپرسید و مدارکش را ببینید:
- آیا نقشه سازه با محاسبات لرزهای (بر اساس استاندارد ۲۸۰۰ و نشریه ۶۱۲) توسط مهندس دارای صلاحیت تهیه و مهر شده است؟
- دیوارهای برشی در نقشه مشخص شده‌اند و در هر دو جهت ساختمان وجود دارند؟
- مشخصات پروفیل (ضخامت و وزن پوشش گالوانیزه) در برگه مشخصات فنی آمده و در کارگاه قابل کنترل است؟
- محل و نوع انکر بولت‌ها و اتصالات هولددان در نقشه فونداسیون مشخص است؟
- نوع، تعداد و فاصله پیچ‌ها در اتصالات اصلی و بادبندها در نقشه آمده است؟
- تغییرات بازشوها (در و پنجره) بعد از محاسبه، به تأیید مهندس محاسب رسیده است؟
- نوع نما و کف‌سازی با وزن فرض‌شده در محاسبات هماهنگ است؟
- ناظر ساختمان مراحل اسکلت، بادبندی و اتصال به پی را قبل از پوشش دیوارها بازدید کرده است؟
اگر پاسخ هر کدام از این سؤال‌ها مبهم است، قبل از ادامه کار با یک مهندس مستقل مشورت کنید.
جمع‌بندی
سازه ال اس اف به دلیل وزن کم، شکل‌پذیری اتصالات پیچی و سبک بودن اجزای غیرسازه‌ای، پتانسیل رفتار لرزهای بسیار خوبی دارد. اما این پتانسیل فقط زمانی به ایمنی واقعی تبدیل می‌شود که ساختمان بر اساس نشریه ۶۱۲ و استاندارد ۲۸۰۰ محاسبه شود، دیوارهای برشی و اتصالات به پی دقیقاً طبق نقشه اجرا شوند و بعد از ساخت، بار سنگین اضافی به آن تحمیل نشود.
به بیان دیگر، سؤال درست این نیست که «آیا LSF در برابر زلزله مقاوم است؟»؛ سؤال درست این است که «آیا این ساختمان LSF درست طراحی و اجرا شده است؟».
تیم فنی طباطبائی کیا طراحی، محاسبه و اجرای سازه ال اس اف را از فونداسیون تا تحویل کلید انجام میدهد. اگر برای ساخت ویلا یا اضافه اشکوب با LSF برنامه دارید، برای مشاوره رایگان و بررسی نقشه با ما تماس بگیرید: ۰۹۱۹۲۲۴۸۴۳۶.