مبنى الهيكل الفولاذي هو نظام بناء يتم فيه تصنيع الإطار الحامل الأساسي والأعمدة والكمرات والدعامات والدعامات من الفولاذ الهيكلي بدلاً من الخرسانة المسلحة أو الخشب أو البناء. يحمل هذا الإطار كامل الحمولة الميتة، والحمل الحي، وحمل الرياح، والحمل الزلزالي للمبنى، بينما تعمل الجدران والأسقف والعزل كمواد غلاف غير حاملة متصلة بالهيكل الفولاذي. يتم اختيار المباني ذات الهياكل الفولاذية في أغلب الأحيان عندما يحتاج المشروع إلى مساحة واسعة واضحة، وجدول تركيب سريع، وأساس أخف، ومتانة طويلة الأمد في ظل دورات التحميل المتكررة.
التنسيقات الأكثر شيوعًا هي طابق واحد الهياكل الفولاذية لإطار البوابة والمباني متعددة الطوابق ذات الإطارات الفولاذية، ومباني الجمالون الفولاذية للقاعات واسعة النطاق، والمباني الفولاذية المعيارية المجمعة من الخلجان الجاهزة. تتراوح المسافات الواضحة النموذجية من من 18 متر الى 60 متر بدون أعمدة داخلية، وتتراوح ارتفاعات الأفريز عادةً من 4.5 متر إلى 12 مترًا حسب الاستخدام المقصود، مثل مستودع أو ورشة عمل أو حظيرة طائرات أو صالة للألعاب الرياضية أو مبنى زراعي.
بالمقارنة مع البناء الخرساني المصبوب، فإن بناء الهيكل الفولاذي عادةً ما يقلل إجمالي فترة البناء بمقدار 30 بالمئة إلى 50 بالمئة ، لأن الأعمدة والعوارض ومدادات السقف يتم تصنيعها في المصنع ويتم تثبيتها معًا في الموقع بدلاً من صبها ومعالجتها. نما الطلب على المباني ذات الهياكل الفولاذية بشكل مطرد عبر قطاعات الخدمات اللوجستية والتصنيع والزراعة، مدفوعًا إلى حد كبير بالحاجة إلى المرافق التي يمكن بناؤها بسرعة، وتعديل حجمها لاحقًا، ونقلها أو إعادة بيعها مع تغير شكل الأعمال.
يغطي هذا الدليل المكونات الهيكلية، وأنواع المباني، ودرجات الفولاذ، واعتبارات الرياح والزلازل، ومحركات التكلفة، والحماية من التآكل، والعزل، ومقاطع الكسوة، والأبواب والتهوية، والأساسات، وتسلسل التجميع، ومراقبة الجودة، وسلامة الموقع، وتطبيقات الصناعة، وقابلية إعادة التدوير، وأخطاء الطلب الشائعة، والصيانة طويلة المدى، وقسم الأسئلة الشائعة التفصيلي.
الفرق المحدد بين مبنى الهيكل الفولاذي والمبنى الخرساني أو البناء التقليدي هو الطريقة التي تنتقل بها الأحمال عبر الإطار. في الهيكل الفولاذي، تتركز القوى في أعضاء رفيعة متصلة عند وصلات منفصلة، وأعمدة، وعوارض خشبية، ومدادات، وقضبان تقوية، بدلاً من توزيعها من خلال كتلة مستمرة من الخرسانة. وهذا يسمح بتحقيق نفس قدرة التحمل بوزن ذاتي أقل بكثير.
يتمتع الفولاذ الإنشائي بنسبة قوة إلى وزن أعلى بكثير من الخرسانة المسلحة ذات سعة الحمولة المماثلة. عادةً ما يزن مبنى إطار البوابة الفولاذية ذو الامتداد المحدد أقل بنسبة 60% إلى 70% من إطار خرساني مسلح مكافئ، مما يقلل بشكل مباشر من حجم الأساس وتكلفة الأساس والحمل المنقول إلى التربة. وهذا الأمر مهم للغاية في المواقع ذات قدرة تحمل التربة الضعيفة أو المتغيرة، حيث يسمح الهيكل الأخف باستخدام قواعد معزولة بسيطة بدلاً من الركائز العميقة.
يتم قطع الأعضاء الفولاذية وحفرها ولحامها في بيئة مصنع خاضعة للرقابة باستخدام معدات القطع بالليزر أو البلازما CNC، مع الاحتفاظ بتفاوتات في حدود بضعة ملليمترات عبر العضو الذي يبلغ طوله عدة أمتار. تعني هذه الدقة أن وصلات الموقع المثبتة بمسامير تتم محاذاة بشكل صحيح في المرة الأولى، مما يقلل من إعادة العمل الشائعة في قوالب صب الخرسانة المصبوبة في المكان، حيث يعتمد تباين الأبعاد بشكل كبير على جودة صب الخرسانة وتقنية الصب.
ونظرًا لأن الأعضاء الفولاذية يتم إنتاجها خارج الموقع أثناء تنفيذ أعمال الأساس بالتوازي، فإن الجدول الزمني الإجمالي للمشروع يتم ضغطه بشكل كبير. يجب أن ينتظر الإطار الخرساني تركيب القوالب المؤقتة، ووضع التسليح، وصب الخرسانة، وفترة المعالجة قبل أن يتم المضي قدمًا في الطابق أو الخليج التالي، في حين يمكن تسليم الإطار الفولاذي وتركيبه بمجرد تثبيت مسامير التثبيت ووصول خرسانة الأساس إلى القوة الكافية.
ونظرًا لأن الوصلات الفولاذية مثبتة بمسامير بدلاً من صبها بشكل متجانس، فيمكن تغيير التخطيطات الداخلية لاحقًا مع قدر أقل من الاضطراب. غالبًا ما يمكن إضافة أرضيات الميزانين، أو الخلجان الإضافية، أو فتحات الأبواب الجديدة، أو عوارض مدرج الرافعة إلى مبنى هيكلي فولاذي قائم مع تعزيزات مستهدفة، وهو أمر أكثر إزعاجًا وتكلفة لتحقيقه داخل إطار خرساني صلب.
تنقسم مباني الهياكل الفولاذية إلى عدد صغير من الأنظمة الهيكلية الراسخة، كل منها يناسب نطاقًا مختلفًا وارتفاعًا وشكل حمل مختلف. يؤدي اختيار النوع الصحيح مبكرًا إلى تجنب إعادة التصميم المكلفة لاحقًا في المشروع.
ضمن أنواع المباني هذه، عادة ما يكون نظام مقاومة الحمل الجانبي إما إطارًا لحظيًا، حيث تكون وصلات العمود إلى العارضة صلبة بما يكفي لمقاومة الانحناء دون دعامة قطرية، أو إطار مدعم، حيث تحمل القضبان القطرية أو أعضاء الزاوية الأحمال الجانبية بينما تظل مفاصل عمود العارضة أبسط. تحافظ الإطارات اللحظية على خطوط الجدران خالية من الدعامات المرئية، وهو ما يناسب المباني التي تحتاج إلى فتحات أبواب كبيرة على طول كل جدار، بينما تكون الإطارات المدعمة بشكل عام أكثر اقتصادية عندما تتمكن بعض الجدران من استيعاب عناصر قطرية مرئية.
| نوع المبنى | نطاق واضح نموذجي | ارتفاع إيف النموذجي |
|---|---|---|
| إطار البوابة | 18 م - 40 م | 4.5 م - 9 م |
| هيكل الجمالون | 30 م - 60 م | 8 م - 15 م |
| إطار متعدد الطوابق | 6 م - 12 م لكل خليج | 3م - 4م لكل طابق |
| إطار الفضاء | 40 م - 120 م | 10 م - 25 م |
| بناء وحدات | 3 م - 12 م | 2.4 م - 3.6 م |
تحدد درجة الفولاذ المحددة للعناصر الأساسية والثانوية للمبنى بشكل مباشر كمية المواد اللازمة لتحمل حمولة معينة، ويمكن للمشترين الذين يفهمون مصطلحات الدرجة الأساسية مقارنة عروض الأسعار بشكل أكثر دقة.
يتم تحديد أعضاء الإطار الأساسي بشكل شائع في الدرجات ذات الحد الأدنى من قوة الخضوع 235 ميجا باسكال إلى 355 ميجا باسكال ، غالبًا ما يتم تصنيفها على أنها Q235 أو Q355 أو S235 أو S355 اعتمادًا على المعيار الإقليمي المستخدم. تسمح درجات قوة الخضوع الأعلى باستخدام لوحة أرق لنفس الحمل، مما يقلل من الحمولة الإجمالية، على الرغم من أن اللوحة الرقيقة يمكن أن تكون أكثر حساسية للانبعاج المحلي وتتطلب عادةً تفاصيل أكثر دقة في التقوية.
يتراوح سمك لوحة شفة العمود والعوارض الخشبية لإطارات البوابة النموذجية المكونة من طابق واحد عادةً من من 6 ملم إلى 20 ملم ، مع لوحة الويب أرق قليلاً من لوحة الحافة في المقاطع الملحومة المدببة. عادة ما يتم تشكيل المدادات والأحزمة من صفائح الفولاذ التي يتراوح سمكها بين 1.5 ملم و3 ملم، نظرًا لأن متطلبات الامتداد والحمل الخاصة بها أقل بكثير من الأجزاء الأساسية.
يتم إنتاج الأعمدة والعوارض الخشبية الأولية إما كمقاطع قياسية مدلفنة على الساخن أو كمقاطع مدمجة ملحومة مقطوعة من لوحة مسطحة ومتصلة بواسطة لحام القوس المغمور الأوتوماتيكي. تسمح المقاطع المستدقة الملحومة للمُصنع بمطابقة عمق القطعة مع لحظة الانحناء عند كل نقطة على طول الإطار، مما يوفر في كثير من الأحيان المواد مقارنةً بالقسم المدلفن على الساخن بعمق ثابت، وهو أحد الأسباب التي تجعل الإطارات الملحومة المستدقة تهيمن على سوق بناء البوابة متوسطة المدى.
كل مبنى ذو هيكل فولاذي، بغض النظر عن نوعه، يتم بناؤه من مجموعة متكررة من الأعضاء. إن فهم ما يفعله كل مكون يساعد المشترين على قراءة الرسم الهيكلي ومقارنة عروض الأسعار من مختلف المصنعين على قدم المساواة.
تنقل الأعمدة الأحمال الرأسية من السقف إلى الأسفل إلى الأساس، بينما تمتد العوارض الخشبية، التي تسمى أحيانًا الحزم، أفقيًا أو على منحدر بين الأعمدة لتحمل أحمال السقف. عادةً ما تكون الأعضاء الأساسية عبارة عن مقاطع H مدرفلة على الساخن أو مقاطع I مستدقة ملحومة، مع استخدام مقاطع مدببة لمطابقة مخطط عزم الانحناء وتوفير وزن الفولاذ عند الأطراف منخفضة الضغط للعضو.
تمتد المدادات على طول منحدر السقف بين العوارض الخشبية لدعم صفائح السقف، وتمتد الدعامات على طول الجدران بين الأعمدة لدعم تكسية الجدران. هذه عادةً ما تكون عبارة عن أقسام C أو أقسام Z مشكلة على البارد، ويتم اختيارها نظرًا لإمكانية تداخل شكلها من أجل النقل الفعال ولأنها أخف من المقاطع المدرفلة على الساخن بينما لا تزال تلبي متطلبات الحمل الأقل للإطار الثانوي.
تقاوم قضبان التثبيت أو دعامات الزوايا أو دعامات البوابة القوى الجانبية الناتجة عن الرياح والنشاط الزلزالي والتي لا يستطيع الإطار الرئيسي وحده التعامل معها في الاتجاه على طول المبنى. بدون تقوية كافية، يمكن لمبنى الهيكل الفولاذي أن يتأرجح بشكل جانبي تحت حمل الرياح على الرغم من أن إطارات البوابة نفسها تظل مستقرة في اتجاه المقطع العرضي.
الصفائح الأساسية عبارة عن صفائح فولاذية سميكة ملحومة في الجزء السفلي من كل عمود ومثبتة بمسامير إلى الأساس من خلال مسامير التثبيت المدمجة في الخرسانة. تقوم لوحة القاعدة بتوزيع حمل العمود المركز على مساحة أساس أكبر، وفي تصميمات الإطار اللحظي، يجب أن يكون حجمها ومثبتًا بمسامير لمقاومة لحظة الانحناء بالإضافة إلى الحمل الرأسي، وليس مجرد رد فعل رأسي بسيط.
تشمل المباني التي تحتاج إلى معالجة المواد العلوية عوارض الرافعات، والتي تسمى أيضًا عوارض مدرج الرافعات، المثبتة على أقواس متصلة بالأعمدة الرئيسية. يؤدي تحميل الرافعة إلى إجهاد متكرر من نوع الكلال على الإطار يختلف عن حمل الرياح أو الثلوج الساكنة، لذلك تكون الأعمدة الداعمة للرافعات أثقل عادةً وتستخدم تقوية إضافية مقارنة بالأعمدة الموجودة في مبنى غير مزود برافعة بنفس الامتداد.
نظرًا لأن المباني ذات الهياكل الفولاذية أخف وزنًا من نظيراتها الخرسانية وغالبًا ما تتميز بأسقف كبيرة ذات امتداد واضح، فإن حمل الرياح والسلوك الزلزالي يتطلبان اهتمامًا دقيقًا أثناء مرحلة التصميم بدلاً من التعامل معهما كفكرة لاحقة.
تولد الأسطح العريضة ذات الميل الضحل قوة شفط كبيرة للأعلى على الجانب المواجه للريح وفي زوايا السقف أثناء أحداث الرياح العاتية، والتي يمكن أن تتجاوز القوة الهبوطية لوزن السقف. عادةً ما يتم تحديد الوصلات من المدادة إلى العوارض الخشبية ومثبتات صفائح السقف في هذه المناطق على مسافات أقرب من مجال السقف العام لمقاومة ضغط الرفع الموضعي هذا.
يعتبر الفولاذ مادة مطيعة، مما يعني أنه يمكن أن يتشوه بشكل ملحوظ قبل أن ينكسر، مما يسمح للإطار الفولاذي المفصل جيدًا بامتصاص الطاقة الزلزالية من خلال الخضوع المتحكم فيه بدلاً من الفشل الهش المفاجئ. هذه الليونة هي أحد أسباب تفضيل مباني الهياكل الفولاذية في كثير من الأحيان في المناطق ذات النشاط الزلزالي الكبير، بشرط أن يتم تصميم تفاصيل الاتصال للسماح بحدوث هذا الخضوع في موقع يمكن التحكم فيه ويمكن التنبؤ به بدلاً من مجموعة اللحام أو البراغي التي يمكن أن تفشل فجأة.
تؤثر درجة ميل السقف بشكل مباشر على كمية الثلج المتراكم قبل الانزلاق، لذلك تستخدم المباني في مناطق الثلوج الكثيفة عادةً ميلًا أكثر انحدارًا أو مسافات أكبر بين المدادات من المباني في المناخات المعتدلة ذات الامتداد المماثل. يعد تجاهل بيانات حمل الثلوج الإقليمية أثناء التصميم أحد الأخطاء الأكثر شيوعًا والأكثر تكلفة في شراء المباني ذات الهياكل الفولاذية، نظرًا لأن إعادة تجهيز السقف لحمل الثلوج الذي تم التقليل من قيمته بعد البناء يعد أكثر تكلفة بكثير من تحديده بشكل صحيح من البداية.
عادةً ما يرجع الاختيار بين مبنى ذو هيكل فولاذي ومبنى خرساني مسلح إلى متطلبات النطاق وجدول البناء وظروف تربة الموقع والمرونة طويلة المدى للتوسع أو إعادة التشكيل.
| عامل | الهيكل الصلب | الخرسانة المسلحة |
|---|---|---|
| سرعة البناء | سريع، مثبت في الموقع | أبطأ، والمعالجة مطلوبة |
| أقصى مدى واضح | يصل إلى 60 مترًا أو أكثر | عادة أقل من 20 م |
| الوزن الهيكلي | كريم أساس أخف وأصغر | أساس أثقل وأكبر |
| التوسع المستقبلي | تمديد خليج مباشر | صعبة، وتتطلب الهدم |
| تصنيف مقاومة الحريق | يتطلب إضافة مقاومة للحريق | أعلى بطبيعتها |
| كفاءة تحمل الوزن | نسبة القوة إلى الوزن عالية | انخفاض نسبة القوة إلى الوزن |
| الأداء الصوتي | يحتاج إلى بطانة صوتية إضافية | التخميد الشامل بشكل طبيعي |
تظل الخرسانة هي الخيار الأقوى للأقبية، والهياكل التي تحتفظ بالمياه، والنوى الشاهقة التي تتطلب مقاومة متأصلة للحريق دون إضافة مقاومة للحريق، والمباني التي تكون فيها الكتلة نفسها مرغوبة للعزل الصوتي أو تخميد الاهتزازات، مثل بعض المختبرات أو مرافق التصنيع الدقيقة.
تعتمد تكلفة بناء الهياكل الفولاذية في المقام الأول على حمولة الفولاذ، ودرجة تكسية السقف والجدران، وسمك العزل، ومتطلبات تحميل الرافعة، وإمكانية الوصول إلى الموقع. كنطاق تخطيط عام، عادةً ما يقع مستودع إطار البوابة المكون من طابق واحد بدون تشطيبات داخلية بين هذا النطاق 45 دولارًا أمريكيًا و 120 دولارًا أمريكيًا للمتر المربع للإطار الفولاذي وحزمة الكسوة الأساسية، قبل إضافة الأساسات والأبواب والأعمال الكهربائية والتشطيبات الداخلية. تتحرك المباني ذات التصميم الثقيل لحمل الثلوج، أو جسور الرافعات، أو كسوة الألواح العازلة المعزولة نحو الطرف العلوي من هذا النطاق أو أبعد منه.
عادةً ما يتم استخدام مستودع إطار بوابة بسيط بمساحة 24 مترًا وتحميل معتدل 15 كجم إلى 25 كجم من الفولاذ لكل متر مربع من مساحة الأرضية المغطاة. تزيد المسافات الأوسع، وقدرات الرافعات الأعلى، أو مناطق الرياح والثلوج الأكثر ثقلاً، من هذا الرقم، أحيانًا إلى 35 كيلوجرامًا لكل متر مربع أو أكثر، لأن أقسام العوارض الخشبية والأعمدة يجب أن تنمو لمقاومة لحظات الانحناء الأكبر.
عادة ما تمثل تكسية السقف والجدران، والعزل، والمزاريب، والحشوات 30 بالمئة إلى 40 بالمئة من إجمالي تكلفة البناء التي تم تسليمها، والتي يمكن مقارنتها تقريبًا بالإطار الفولاذي نفسه. يعد اختيار الألواح ذات الجلد الواحد مع بطانية عازلة منفصلة أرخص مقدمًا من الألواح العازلة المعزولة، لكن الألواح العازلة تقلل من وقت العمل في الموقع وتعمل بشكل عام بشكل أفضل لتحقيق الكفاءة الحرارية على المدى الطويل.
تختلف تكلفة بناء الهياكل الفولاذية لكل متر مربع بشكل كبير بين المناطق بسبب الاختلافات في أسعار الفولاذ الخام، ومعدلات العمالة، ومسافة الشحن من مصنع التصنيع، ومتطلبات حمل الرياح أو الثلوج المحلية. المشاريع الساحلية التي تتطلب مواصفات أعلى للحماية من التآكل، أو المواقع الداخلية النائية ذات تكاليف النقل المرتفعة، عادة ما تكون أعلى من متوسط الأسعار الوطنية حتى عندما يكون تصميم المبنى نفسه قياسيًا.
تشمل العناصر التي يتم استبعادها عادةً من عرض الأسعار الأولي للإطار فقط تسوية الموقع وضغطه، وتعزيز الأساس والخرسانة، وأبواب الموظفين والأبواب الدوارة، والمزاريب والأنابيب السفلية، وألواح إضاءة السقف الشفافة، والأدوات الكهربائية الخشنة. يتجنب المشترون الذين يطلبون عرض أسعار مفصلًا يغطي عناصر النطاق هذه مفاجآت الميزانية لاحقًا في المشروع.
يتآكل الفولاذ الإنشائي غير المطلي عند تعرضه للرطوبة والأكسجين، لذلك يحتاج كل مبنى من الهياكل الفولاذية إلى نظام طلاء يتناسب مع بيئته. يعد اختيار الطلاء أحد أكثر القرارات التي يتم التغاضي عنها في عملية الشراء، ومع ذلك فهو يحدد عدد العقود التي سيستمر فيها الإطار قبل الحاجة إلى إعادة الطلاء بشكل كبير.
يتم عادةً التحقق من أداء الطلاء باستخدام مقياس سمك الفيلم الجاف، الذي يتم قياسه بالميكرونات، في نقاط متعددة عبر كل قطعة بعد اكتمال الطلاء. طلاء مجلفن في نطاق 70 إلى 100 ميكرون يعتبر نموذجيًا بالنسبة للأقسام الهيكلية، في حين أن النظام المزدوج قد يجمع 70 ميكرون من الزنك مع 120 إلى 160 ميكرون إضافية من طبقة الطلاء لأقسى البيئات.
تعمل المواقع الساحلية والمصانع الكيماوية والمواقع ذات التلوث الصناعي الثقيل على تسريع معدلات التآكل بشكل كبير مقارنة بالمواقع الداخلية الجافة، لذا يجب أن تشير مواصفات الطلاء دائمًا إلى بيئة الموقع الفعلية بدلاً من الافتراضي العام. عادةً ما يضمن المبنى الذي يقع على بعد بضعة كيلومترات من الخط الساحلي أو في منشأة تتعامل مع المواد الكيميائية المسببة للتآكل أعلى فئة حماية متاحة، نظرًا لأن التكلفة الإضافية لترقية الطلاء في مرحلة التصميم تكون بسيطة مقارنة بتكلفة إعادة طلاء مبنى مشغول بعد سنوات.
نظرًا لأن غلاف مبنى الهيكل الفولاذي عادةً ما يكون عبارة عن كسوة معدنية رقيقة بدلاً من البناء السميك، فإن اختيار العزل له تأثير كبير على استقرار درجة الحرارة الداخلية واستهلاك الطاقة للتدفئة والتبريد.
تجمع الألواح العازلة بين قلب رغوي صلب، عادة من مادة البولي يوريثين أو الصوف المعدني، بين طبقتين معدنيتين رفيعتين. عادةً ما تحقق اللوحة الأساسية من مادة البولي يوريثين مقاس 50 ملم نفاذية حرارية حولها 0.4 إلى 0.5 واط/م²ك ، في حين يمكن للوحة الأساسية مقاس 100 ملم تقليل ذلك إلى ما يقرب من ذلك 0.2 واط/م²ك ، خفض أحمال التدفئة والتبريد بشكل هادف في المباني التي يتم التحكم في مناخها.
يعتبر العزل البطاني المصنوع من الألياف الزجاجية الذي يتم وضعه بين المدادات تحت صفائح السقف ذات الجلد الواحد بديلاً أقل تكلفة، ومناسبًا بشكل عام للمباني التي لا تتطلب متطلبات صارمة لدرجة الحرارة الداخلية، مثل مستودعات التخزين الأساسية، على الرغم من أنها تعمل بشكل أقل ثباتًا من الألواح العازلة بمجرد ضغطها عند نقاط التثبيت.
يمكن للهواء الداخلي الرطب الدافئ الذي يصل إلى الجانب السفلي البارد من صفائح السقف المعدنية أن يتكثف ويقطر على البضائع أو المعدات المخزنة، لذلك يتم عادةً تركيب طبقة حاجز بخار على الجانب الدافئ من العزل الشامل لوقف هجرة الرطوبة إلى العزل وتجويف السقف. تستفيد المباني التي تخزن سلعًا حساسة للرطوبة، أو الموجودة في مناخات رطبة، من حاجز بخار مستمر ومحكم الغلق أكثر بكثير من مجرد إضافة سمك عازل إضافي.
يؤثر شكل الكسوة الذي تم اختياره لألواح السقف وألواح الجدران على أداء تساقط المياه، ومقاومة الرياح، والمظهر المرئي لمبنى الهيكل الفولاذي النهائي.
تتميز المقاطع شبه المنحرفة بأحواض عريضة ومسطحة بين أضلاع طويلة على شكل شبه منحرف، مما يوفر صلابة جيدة لمسافة أطول بين المدادات وتصريف فعال للمياه على الأسطح المنخفضة الميل. هذا الملف هو خيار صفائح السقف الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لمباني الهياكل الفولاذية الصناعية والزراعية نظرًا لتوازنه بين التكلفة والقوة وعرض التغطية.
تستخدم ألواح التماس الدائمة طبقات مرتفعة ومتشابكة ميكانيكيًا بدلاً من أدوات التثبيت المكشوفة، مما يقلل من خطر حدوث تسربات عند نقاط التثبيت بمرور الوقت. عادةً ما يكلف هذا النظام أكثر لكل متر مربع من صفائح التثبيت المكشوفة ولكنه مفضل للمباني ذات ميل السقف المنخفض جدًا أو مناطق رفع الرياح العالية حيث يمثل تراجع أداة التثبيت خطرًا أكبر.
يمكن تركيب الألواح الشفافة المقواة بالألياف الزجاجية في نفس الشكل مثل الصفائح المعدنية المحيطة للسماح بدخول ضوء النهار الطبيعي دون تركيبات كهربائية إضافية. بدل مشترك هو تقريبا 2 بالمئة إلى 4 بالمئة من إجمالي مساحة السطح في الألواح الشفافة، والتي عادة ما تكون كافية لتقليل استخدام طاقة الإضاءة أثناء النهار بشكل ملحوظ في المستودع دون التسبب في زيادة الحرارة الزائدة.
يجب تخطيط الفتحات الموجودة في غلاف مبنى الهيكل الفولاذي في تصميم الإطار منذ البداية، نظرًا لأن فتحات الأبواب والنوافذ الكبيرة تقاطع الدعامات المستمرة وتخطيط حزام الجدار الذي يعتمد عليه الإطار لتحقيق الاستقرار الجانبي.
تعد أبواب مصراع الأسطوانة والأبواب المنزلقة أكثر نقاط الوصول شيوعًا للمركبات والمعدات، مع عوارض رأسية فوق الفتحة مصممة لنقل حمل الرياح على الحائط حول الفتحة مرة أخرى إلى الإطار الرئيسي. تتطلب الفتحات الواسعة للوصول إلى الشاحنات أو أبواب حظيرة الطائرات أعضاء تأطير إضافيين وأحيانًا حاوية إطار بوابة مخصصة لحمل الأحمال المعاد توجيهها.
تسمح فتحات التهوية المستمرة على طول قمة السقف، أو فتحات التوربينات المتباعدة، للهواء الدافئ الذي يرتفع بشكل طبيعي داخل المبنى بالهروب، مما يقلل من تراكم درجة الحرارة الداخلية في المباني التي لا تحتوي على تكييف هواء ميكانيكي. يُستخدم أسلوب التهوية السلبية هذا على نطاق واسع في المباني الزراعية ومستودعات التخزين العامة حيث لا يلزم الحفاظ على درجة حرارة داخلية دقيقة.
غالبًا ما تضيف المباني التي تحتوي على مصادر حرارة عملية، مثل معدات التصنيع، فتحات جدران ذات فتحات تهوية مقترنة بمراوح شفط لسحب الهواء الساخن بشكل فعال إلى الخارج عند مستوى عالٍ أثناء سحب الهواء البديل البارد في مستوى الأرض القريب، مما يوفر تحكمًا أكثر اتساقًا في درجة الحرارة من تنفيس التلال السلبي وحده.
على الرغم من أن المباني ذات الهياكل الفولاذية أخف وزنًا من البدائل ذات الإطارات الخرسانية، إلا أن تصميم الأساس لا يزال يعتمد بشكل كبير على قدرة تحمل التربة المحلية، ومستوى المياه الجوفية، وتحميل الأعمدة من قوى الرياح والرافعات.
الأساس الأكثر شيوعًا لمبنى الهيكل الفولاذي هو قاعدة خرسانية مسلحة معزولة أسفل كل عمود، يتم قياسها وفقًا لأحمال تفاعل العمود المحسوبة من تحليل الإطار. على التربة ذات قدرة تحمل معقولة، تعتبر قواعد الأساس هي خيار الأساس الأسرع والأقل تكلفة.
يجب أن تتطابق مسامير التثبيت المدمجة في الأساس مع نمط ثقب لوحة القاعدة الذي يوفره مصنع الفولاذ تمامًا، حيث لا يمكن تصحيح مجموعة مسامير التثبيت المنحرفة بمجرد معالجة الخرسانة. يعد تنسيق خطة إعداد مسمار التثبيت بين مقاول الأساس ومورد الفولاذ قبل صب الخرسانة أحد أهم نقاط فحص الجودة في المشروع بأكمله.
عادةً ما تكون بلاطة الأرضية الداخلية عنصرًا هيكليًا منفصلاً عن قواعد العمود، ويتم صبها بعد تركيب الإطار الفولاذي ويكون السقف مانعًا لتسرب الماء. تعتمد سماكة لوح الأرضية والتسليح بشكل كبير على أحمال الأرضية المتوقعة، مثل أحمال نقاط الأرفف أو أحمال عجلات الرافعة الشوكية، ويجب تحديدها بناءً على بيانات المعدات الفعلية بدلاً من الافتراض الصناعي العام.
يتبع مبنى نموذجي ذو هيكل فولاذي متوسط الحجم، تتراوح مساحته من 2000 إلى 5000 متر مربع، ترتيب تجميع يمكن التنبؤ به بمجرد معالجة الأساسات.
بالنسبة لمبنى بهذا الحجم، عادةً ما يتطلب تركيب الإطار الفولاذي في الموقع وحده من 3 إلى 6 أسابيع مع طاقم تركيب نموذجي، في حين أن الإكمال الكامل بما في ذلك الكسوة والأبواب والخدمات عادة ما يضيف 4 إلى 10 أسابيع أخرى اعتمادًا على نطاق التشطيب الداخلي.
الأسباب الأكثر شيوعًا لانزلاق الجدول الزمني هي المعالجة غير الكاملة للأساس قبل تسليم الإطار، أو وجود مسامير مفقودة أو غير صحيحة يتم اكتشافها أثناء التركيب، أو أيام الرياح العاتية التي توقف عمليات رفع الرافعة، أو التأخر في تسليم مواد الكسوة التي تترك الإطار المبني معرضًا للطقس لفترة أطول مما هو مخطط له. يؤدي التأكد من العدد الكامل للمسامير والمثبتات مقابل قائمة التعبئة قبل تحرك طاقم التشييد إلى تجنب أكثر هذه التأخيرات شيوعًا.
يتم استخدام المباني ذات الهياكل الفولاذية عبر مجموعة واسعة جدًا من الصناعات نظرًا لأنه يمكن تكييف نفس تقنية الإطار الأساسي مع أي متطلبات للطول والارتفاع والحمل تقريبًا.
نظرًا لأن معظم أعضاء مبنى الهيكل الفولاذي يتم إنتاجها خارج الموقع، فإن مراقبة الجودة في مرحلة التصنيع لها تأثير أكبر بكثير على الأداء النهائي للمبنى مقارنة بفحص الموقع وحده بعد حدوثه.
عادةً ما يتم فحص الوصلات الملحومة في الأعضاء الأساسية، مثل المفاصل بين الحافة وألواح الويب في قسم مدبب مدمج، من خلال الفحص البصري لملف اللحام والتقويض، مع تطبيق اختبار الموجات فوق الصوتية على اللحامات ذات الاختراق الكامل الحرجة للكشف عن العيوب الداخلية غير المرئية من السطح.
قبل تعبئة الإطار وشحنه، يقوم المصنعون عادةً بتجميع الأعمدة والعوارض الخشبية بشكل تجريبي، أو قياس الأبعاد الحرجة مثل الطول الإجمالي، وتباعد فتحات الترباس، واستواء لوحة القاعدة مقابل الرسم المعتمد، ورصد الأخطاء أثناء التصحيح لا يزال مباشرًا وليس بعد وصول الأعضاء إلى الموقع.
عادةً ما يتم فحص سماكة الطلاء والتصاقه قبل مغادرة الأعضاء للمصنع، نظرًا لأن تصحيح العيوب مثل الطلاء الرقيق عند الحواف الحادة أو عدم اللمس في مناطق اللحام أسهل بكثير وأرخص في تصحيحها في بيئة ورشة عمل خاضعة للرقابة مقارنة بعد وضع الإطار في الموقع.
يتضمن تشييد مبنى ذو هيكل فولاذي رفع الأعضاء الثقيلة على ارتفاع، لذلك يعد التسلسل المنضبط للتدعيم المؤقت والرفع المتحكم فيه أمرًا ضروريًا طوال العملية.
تكون الأعمدة والعوارض الخشبية التي تم تركيبها حديثًا غير مستقرة بطبيعتها حتى يتم شد قضبان التثبيت الدائمة بشكل كامل، لذلك يتم استخدام دعامات الكابلات المؤقتة أو الدعائم لتثبيت الإطار المبني جزئيًا بشكل ثابت ضد هبوب الرياح وحركة الرافعة أثناء التشييد.
يتم تخطيط كل مصعد رئيسي، وخاصة العوارض الخشبية أو الجمالونات طويلة المدى، مسبقًا باستخدام نقاط التثبيت الصحيحة، وقدرة الرافعة لطول ذراع الرافعة ونصف القطر المطلوبين، والتأكيد على أن سرعة الرياح في اليوم تظل ضمن حدود التشغيل التي حددتها الشركة المصنعة للرافعة بالنسبة للعضو الذي يتم رفعه.
تتطلب وصلات التثبيت في الجزء العلوي من الأعمدة وعلى طول مدادات السقف وجود موظفين يعملون على ارتفاعات، لذلك يتم استخدام أحزمة التثبيت ونقاط التثبيت وحماية الحواف ذات التصنيف المناسب في جميع أنحاء مجموعة السقف والجدار العلوي حتى يتم وضع الحماية الدائمة من السقوط أو ممرات الوصول الآمن.
يعد الفولاذ الإنشائي أحد أكثر مواد البناء المعاد تدويرها في العالم، وهذا له تأثير مباشر على البصمة البيئية لمباني الهياكل الفولاذية عبر دورة حياتها الكاملة. يمكن صهر الفولاذ وإعادة تشكيله إلى أقسام جديدة بشكل متكرر دون فقدان الأداء الميكانيكي، على عكس الخرسانة، التي يتم تدويرها بشكل عام إلى ركام منخفض الجودة بدلاً من إعادة تشكيلها إلى عناصر هيكلية جديدة.
بالإضافة إلى إمكانية إعادة التدوير، تعمل المباني ذات الهياكل الفولاذية أيضًا على تقليل هدر المواد أثناء البناء نفسه، حيث يصل الأعضاء مقطوعين مسبقًا ومثقبين مسبقًا إلى الأبعاد الدقيقة من ورشة التصنيع، مما يتجنب نفايات قوالب صب الخرسانة والخرسانة الفائضة النموذجية للبناء المصبوب في المكان. في نهاية العمر التشغيلي للمبنى، يمكن أيضًا تفكيك الإطار الفولاذي، وفي كثير من الحالات، إعادة استخدامه مباشرة في موقع جديد بدلاً من هدمه.
يتركز الكربون المتجسد في مبنى ذو هيكل فولاذي في مرحلة تصنيع الفولاذ بدلاً من نشاط البناء في الموقع، لذا فإن تحديد الفولاذ المنتج بمحتوى أعلى معاد تدويره، عندما تكون هذه المعلومات متاحة من المورد، يمكن أن يخفض بشكل كبير رقم الكربون المتجسد الإجمالي للمبنى دون أي تغيير في التصميم الهيكلي نفسه.
هناك عدد من الأخطاء التي يمكن تجنبها مسؤولة عن معظم النزاعات وتجاوزات التكاليف التي تظهر في مشاريع بناء الهياكل الفولاذية، وكل خطأ يمكن منعه بسهولة مع قدر صغير من التخطيط المسبق.
يحتاج المبنى ذو الهيكل الفولاذي إلى صيانة قليلة نسبيًا مقارنة بأنواع المباني الأخرى، ولكن عددًا صغيرًا من عمليات الفحص المجدولة تعمل على إطالة عمر الخدمة بشكل ملموس.
| البند | الفاصل الزمني للتفتيش |
|---|---|
| مثبتات السقف والجدران | كل 12 شهرا |
| إزالة الميزاب والأنابيب السفلية | كل 6 أشهر |
| حالة الطلاء أو الجلفنة | كل 3 إلى 5 سنوات |
| فحص عزم الدوران اتصال انسحب | كل 5 سنوات |
| فحص الأساس ولوحة القاعدة | كل 5 إلى 10 سنوات |
إن نزيف الصدأ المرئي من خلال طبقة الطلاء، وبرك المياه على مناطق الأسطح ذات الطبقة المنخفضة، ومثبتات الكسوة المرتخية التي تهزها الرياح، وأي ترهل أو اختلال واضح في الوصلات المثبتة بمسامير هي علامات يجب أن تؤدي إلى إجراء فحص احترافي سريع بدلاً من تركها حتى الفحص المقرر التالي.
مع الطلاء المناسب والصيانة الدورية، عادة ما يستمر بناء الهيكل الفولاذي المصمم جيدًا 40 إلى 60 سنة أو لفترة أطول، حيث غالبًا ما يدوم الإطار نفسه أكثر من الكسوة الأصلية، والتي قد تحتاج إلى الاستبدال بعد 20 إلى 30 عامًا.
نعم. إحدى المزايا الرئيسية لنظام إطار البوابة المثبت بمسامير هي أنه يمكن عادةً إضافة فتحات إضافية في أحد طرفي المبنى، بشرط أن يكون الأساس والإطار الأصليان قد تم تصميمهما مع أخذ التوسع المستقبلي في الاعتبار، أو مع تعزيز بسيط للجزء النهائي.
نعم، بشرط أن يكون الإطار مصممًا لحمل الثلوج الخاص بالموقع وأن يشتمل الغلاف على عزل مناسب. عادةً ما تستخدم تصميمات المناخ البارد مدادات أثقل ومسافة أقرب بين المدادات للتعامل مع تراكم الثلوج على الأسطح المرتفعة.
يتم إنتاج المقاطع المدلفنة على الساخن عند درجة حرارة عالية إلى أشكال I أو أشكال H أكثر سمكًا وتستخدم للأعمدة والعوارض الخشبية الأولية، في حين يتم دحرجة المقاطع المشكلة على البارد من صفائح الفولاذ الرقيقة في درجة حرارة الغرفة إلى أشكال C أو أشكال Z وتستخدم للأعضاء الثانوية الأخف مثل المدادات والأحزمة.
يفقد الفولاذ غير المحمي قوته بسرعة عند درجة الحرارة المرتفعة، لذا فإن المباني ذات الطوابق العليا المشغولة أو التخزين الكثيف أو متطلبات محددة لتصنيف الحرائق عادةً ما تضيف طلاءًا منتفخًا أو ألواح مقاومة للحريق إلى الأعضاء الأساسية، في حين أن مباني التخزين البسيطة المكونة من طابق واحد لا تتطلب غالبًا مقاومة إضافية للحريق.
حالة التربة يمكن أن تغير تكلفة الأساس بشكل كبير. غالبًا ما تحتاج المواقع ذات التربة الصلبة جيدة التصريف إلى أساسات بسيطة فقط، في حين أن المواقع ذات الطين الناعم أو منسوب المياه المرتفع أو مواد الحشو قد تتطلب تحسين الأساسات أو الأرض، مما قد يضيف حصة كبيرة إلى إجمالي تكلفة المشروع.
تستخدم معظم مباني الهياكل الفولاذية ذات إطار البوابة مسافة سقف بينهما 5 درجات و10 درجات ، الذي يوازن بين تصريف مياه الأمطار الفعال وتقليل حجم المبنى الداخلي ومساحة سطح الكسوة.
نظرًا لأن الإطار الفولاذي مستمر كهربائيًا ومرتبط بالأساس من خلال مسامير التثبيت، فإنه يمكن أن يكون بمثابة مسار طبيعي فعال إلى الأرض عند توصيله بنظام تأريض مصمم بشكل صحيح، مما يقلل من خطر الضرر الموضعي مقارنة بالمبنى الذي يفتقر إلى إطار موصل مستمر.
في كثير من الحالات نعم، حيث أنه يمكن التراجع عن التوصيلات المثبتة بمسامير ونقل الأعضاء إلى موقع جديد، بشرط عدم قطع الأعضاء الأصلية أو حفرها أو تعديلها بطرق تؤثر على قدرتها الهيكلية، وبشرط ألا تتجاوز أحمال تصميم الموقع الجديد ما تم تصميم الإطار الحالي ليحمله.
تختلف شروط الضمان حسب المورد والمكونات، حيث تكون ضمانات الإطارات الفولاذية الهيكلية منفصلة عادة عن ضمانات مقاومة الطقس وضمانات الطلاء، لذلك يجب على المشترين طلب كل فترة ضمان كتابيًا بدلاً من افتراض ضمان شامل واحد يغطي المبنى بأكمله.