مقایسه قاب‌های سبک فولادی با سیستم قاب‌های سبک چوبی

ساخت به روش استفاده از قاب‌های سبک فولادی شباهت زیادی به قاب‌های سبک چوبی دارد. با این تفاوت که در قاب‌های فولادی مقاطع نازک جایگزین الوارها می‌شوند. در ادامه مقایسه‌ای از این دو سیستم بیان می‌شود.

1-1 دوام

چوب: دوام چوب با توجه به میزان مقاومت آن در برابر رطوبت محیطی سنجیده می‌شود. چوب حتی اگر در آب خیسانده شود، می‌تواند بدون هیچ مشکلی خشک شود. این ظرفیت جذب و آزادسازی رطوبت باعث می‌شود چوب در آب و هوای با رطوبت نسبی بالا عملکرد خوبی داشته باشد.

اگرچه چوب می‌تواند در شرایط مناسب رطوبت جذب‌شده را آزاد نماید، با این وجود در صورتی‌که مدت زمان زیادی خیس بماند، می‌تواند آسیب جدی ببیند. ایجاد کپک و پخش آن سبب پوسیدگی چوب می‌شود.

موریانه‌ها نیز دشمن سازه‌های چوبی هستند. ساختار سلولزی چوب، سبب جذب آفت‌های زیرزمینی به خود می‌شوند و هنگامی‌که از طریق شکاف‌ها وارد خانه می‌شوند، به هر وسیله چوبی که در مسیر آن‌ها قرار داشته باشد، حمله می‌کنند.

با وجود این نقاط ضعف، قاب‌های چوبی می‌توانند مدت زیادی را دوام بیاورند. بسیاری از خانه‌هایی که در اواخر قرن نوزدهم با قاب بالنی منسوخ ساخته شده‌اند، امروزه نیز وجود دارند.

قاب سبک فولادی: قاب‌های فولادی از نظر دوام نسبت به قاب‌های چوبی برتری دارند. ذات طبیعی فولاد، سبب محافظت آن در برابر کپک‌زدگی، پوسیدگی و حیوانات موذی می‌شود. عدم وجود تخلخل سبب می‌شود که فولاد قابلیت جذب آب را نداشته باشد و بنابراین تاب‌خوردگی، جمع‌شدن یا ترک‌خوردگی مربوط به رطوبت در آن‌ها رخ نمی‌دهد. البته قرارگیری فولاد در معرض آب و هوای نمکی سبب خوردگی در آن‌ها می‌شود که باید اقدامات لازم برای مقابله با آن درنظر گرفته شود.

1-2 عملکرد لرزه‌ای

چوب: چوب مصالحی محکم است و در شرایط عادی یک قاب چوبی می‌تواند به خوبی بارهای ثقلی وارد بر Studها را به فونداسیون بتنی انتقال دهد. در هنگام وقوع زلزله، سازه در معرض بارهای افقی قرار می‌گیرد. برای جلوگیری از فروریزش، باید با استفاده مهار با تقویت جانبی مناسب انجام پذیرد. ممکن است برای ایجاد دیوارهای برشی از اتصال مهارهای جانبی با صفحات سازه‌ای چوبی استفاده شود. همچنین استفاده از دیوارهای برشی پیش‌ساخته نیز ممکن است.

قاب سبک فولادی: در طراحی انعطاف‌پذیری فولاد در برابر بارهای جانبی، مزیتی عمده به حساب می‌آید. در مواردی که گزینه مهاربندی لرزه‌ای قاب‌های چوبی، صرفاً به دیوارهای برشی محدود می‌شود، قاب‌های سبک فولادی گزینه‌های بیشتری نظیر مهاربند X با تسمه، Plywood و صفحات فولادی را برای مهندسان فراهم می‌کنند.

1-3 مقاومت در برابر آتش

چوب: امروزه چوب درخت کاج، صنوبر و سرو گونه‌های درختی انتخابی در ساخت قاب‌های چوبی هستند. ارزان بودن و سبکی این گونه‌ها سبب می‌شود که مقرون به صرفه باشند و در هنگام نصب به راحتی قابل کنترل هستند. متاسفانه چوب نرم به سرعت شلعه‌ور می‌شود و شعله‌های آتش را سریع‌تر از چوب‌های سخت که پیش‌تر در قاب‌بندی چوبی محبوب بودند، پخش می‌کنند.

به‌منظور جلوگیری از سوختن سازه‌های چوبی، باید در طراحی از مصالح مقاوم در برابر آتش نظیر صفحات گچی دارای درجه حرارت به همراه سیستم‌های آب‌پاش، خروجی‌های مناسب و مسیرهای خروج استفاده کرد.

قاب سبک فولادی: قابلیت اشتعال فولاد که به عنوان سدی در برابر گسترش شعله‌های آتش عمل می‌کند، یک ویژگی مهم در خصوص ایمنی را فراهم می‌کند که در قاب‌های چوبی وجود ندارد.

اگرچه فولاد نمی‌سوزد، اما پس از قرارگیری در معرض دمایی بیش از حدود 300 درجه سانتی‌گراد (550 درجه فارنهایت)، مقاومت خود را به سرعت از دست می‌دهد. درجه حرارت آتش‌سوزی در خانه‌های مسکونی در حدود 600 درجه سانتی‌گراد (1100 درجه فارنهایت) است که در این دما فولاد می‌تواند تنها 50 درصد مقاومت تسلیم خود را حفظ کند. بدون محافظت مناسب، قاب فولادی دچار کمانش و فروریزش می‌شود. به منظور جلوگیری از این اتفاق باید از مصالح مقاوم در برابر آتش استفاده نمود.

1-4 بهره‌وری انرژی

هدایت حرارتی فرآیندی است که طی آن گرمای از یک محیط بسته با فرار از یک مصالح بدون عایق، خارج می‌شود.

فولاد به دلیل مشخصات شیمیایی خود، یک هادی بسیار خوب حرارت است. الکترون‌های آن آزادانه به اطراف حرکت می‌کنند و هنگامی‌که از طریق قرار گرفتن در معرض گرما انرژی می‌گیرند، به سرعت شروع به ارتعاش و انتقال انرژی به الکترون‌های مجاور می‌کنند. انتقال گرما در فولاد با سرعت بیشتری نسبت به چوب انجام می‌شود و مقدار R کلی دیوار را در حالت بدون عایق به شدت کاهش می‌دهد.

به منظور جلوگیری از اتلاف حرارت در یک قاب سبک فولادی، باید از تخته‌های صلب عایق به همراه Drywall در وجه بیرونی Studها استفاده نمود. این امر سبب می‌شود که Studهای فولادی در کنار عایق قرار گیرند و از خروج گرما جلوگیری شود.

به دلیل ماهیت غیررسانای چوب، تأمین الزامات تجویزی برای مقدار R برای یک قاب چوبی بسیار آسان‌تر است. از آن‌جایی‌که انتقال گرما به ارتعاش مولکول‌ها و برخورد آن‌ها با یکدیگر بستگی دارد، مصالح متخلخلی نظیر چوب رسانای خوبی برای گرما نیستند. در یک قاب چوبی معمولی، نیازی به عملیات عایق‌بندی نیست.

1-5 هزینه

با وجود تمامی نقایص، هزینه کمتر چوب نسبت به فولاد، دلیل اصلی محبوبیت بیشتر آن است. در تحقیقی که توسط وزارت مسکن و شهرسازی ایالات متحده[1]انجام شد، سه مجموعه دو تایی خانه (در مجموع 6 خانه) ساخته شد. در هر جفت به استثنای مصالح قاب‌بندی، یکسان بودند. یک خانه داری قاب چوبی و دیگری دارای قاب سبک فولادی بود. در این تحقیق به این نتیجه رسیدند که هزینه خانه با قاب فولادی 7/14 درصد بیشر از خانه با قاب چوبی است. این آزمایش عایق اضافی مورد نیاز برای قاب فولادی را درنظر نگرفت.

1-6برنامه زمانی

زمان، پول است و افزایش برنامه زمانی یک پروژه ممکن است تأثیر مالی مستقیم هم بر مالک و هم بر سازنده داشته باشد. علیرغم بسیاری از ادعاها مبنی بر اینکه نصب سازه فولادی نسبت به چوب سریع‌تر انجام می‌شود، پیش از پذیرش چنین اظهاراتی باید تمامی متغییرهای مؤثر بر زمان نصب را به درستی درنظر گرفت. یکی از این متغییرها، آشنایی تیم نصب با قاب‌های سبک فولادی است، زیرا در قاب‌های غیرمجاور ممکن است زمان بیشتری برای نصب لازم باشد. در حال حاضر، فولاد در قاب‌بندی مسکونی یک خانواده محبوبیت چندانی ندارد و همه سازندگان خانه تجربه کار با آن را ندارند. همچنین با وجود سبک‌تر بودن و نیاز به آماده‌سازی درجا، فولاد به دلیل مقدار در دسترس بودن و چگونگی پیچیدگی طراحی، دارای زمان انجام قابل پیش‌بینی نیست.

مراجع

[1] C-BB-History-AllenLowndes-Nov061, Don Allen, Structure Magazine, November 2006.

[2] AISI S400-15 w/S1-16, North American Standard for Seismic Design of Cold-Formed Steel Structural Systems with Supplement 1, 2015.

[3] https://www.buildsteel.org/why-steel/cold-formed-steel-101/need-order-cold-formed-steel-framing-start-simple-guide/

[4] https://bit.ly/32PgfYy

[5] CSA S136-16, North American specification for the design of cold-formed steel structural members, 2016.

[6] https://bit.ly/3cGTwRC

[1] U.S. Department of Housing and Urban Development