اسکلت فلزی
اسکلت فلزی یا قاب فولادی اصطلاحی است که در ساختمان‌سازی به کار می‌رود. ساختمان‌هایی با اسکلت فولادی، از ستون‌های عمودی و تیرهای ( I) شکل افقی که به شکل شبکه‌های مستطیلی به هم وصل شده‌اند، تشکیل گردیده‌اند. این شبکه مستطیل شکل ، وظیفه نگه‌داری طبقات، سقف‌ها و دیوارهایی را که به اسکلت ساختمان وصل شده‌اند، برعهده دارد. توسعه این فناوری، امکان ساخت آسمان‌خراش‌ها را فراهم کرده‌است.

تاریخچه اسکلت فولادی
استفاده از فولاد به‌عنوان مصالح ساختمانی حدوداً از اوایل قرن ۲۰ آغاز شد و در حین جنگ دوم جهانی به‌صورت قابل‌توجهی گسترش یافت. بعد از جنگ دوم جهانی تهیه فولاد امری به‌مراتب راحت‌تر از قبل شده بود و قیمت فولاد کاهش چشمگیری داشت که این مسئله باعث شد بسیاری از طراحان از اسکلت فلزی برای ساخت ساختمان‌های گوناگون استفاده نمایند.

مفهوم کلی اسکلت فلزی
پروفیل یا نیمرخ یا سطح مقطع یک ستون فولادی نورد شده، مانند حرف H در زبان انگلیسی است. جهت فراهم کردن مقاومت مناسب در برابر تنش‌های فشاری، فلنج‌های ستون‌ها دارای ضخامت و گستردگی بیشتری نسبت به فلنج‌های تیرها است. فولادهایی با مقاطع مربعی و دایره‌ای توخالی نیز به‌طور معمول جهت پر شدن توسط خمیر بتن استفاده می‌شوند. تیرهای فولادی توسط پیچ و مهره و سایر اتصالات به ستون‌ها وصل می‌شوند. در گذشته نیز از پرچ برای اتصال استفاده می شد. به دلیل بیشتر بودن لنگر خمشی در تیرها، معمولاً جان مقطع فولادی تیرهای Iشکل دارای عرض بیشتری نسبت به جان ستون‌ها است.

از عرشه‌های فولادی، می‌توان به عنوان قالب‌های راه‌راه در زیر لایه ضخیمی از بتن مسلح، برای پوشش قسمت بالایی قاب فولادی استفاده کرد. استفاده از قطعات بتنی پیش‌ساخته نیز روش متداول دیگری است. معمولاً در آخرین طبقه ساختمان‌های تجاری، از فضای خالی بین سطح بیرونی و قطعات سازه‌ای کف طبقه به عنوان محلی برای کابل‌ها یا کانال‌های هوا استفاده می‌شود.

اسکلت ساختمان باید از نفوذ حرارت بالا محافظت شود. زیرا نرم شدن فولاد در دمای زیاد، می‌تواند موجب فروپاشیدن ساختمان گردد. در ستون‌ها می‌توان با پوشانده شدن توسط مواد مقاومی در برابر آتش همچون مصالح بنایی، بتن یا لایه گچی این مشکل را برطرف کرد. تیرها را نیز می‌توان با بتن، لایه گچی یا اسپری‌های مخصوص عایق‌کاری در برابر حرارت، پوشش داد. همچنین از پوشش‌های سقفی مقاوم در برابر آتش نیز می‌توان بهره برد.

لایه‌ بیرونی ساختمان با استفاده از تکنیک‌های ساخت‌وساز یا سبک‌های معماری مختلف به اسکلت ساختمان متصل می‌شود. از آجر‌ها، سنگ‌ها، قطعات بتنی، شیشه، صفحات فلزی و رنگ، برای محافظت از فولاد در برابر تغییرات آب‌وهوایی استفاده می‌شوند.

مزایای ساختمان های با اسکلت فلزی
مقاومت بالا : مقاومت فولاد بالا بوده و نسبت مقاومت به وزن آن از بتن بزرگتر است. این موضوع در سوله های با دهانه های بزرگ و ساختمان های مرتفع و ساختمان هائی که بر روی زمین های سست احداث می شوند، از اهمیت بیشتری برخوردار است.

مقاومت متعادل مصالح : مقاومت فولاد در کشش و فشار یکسان و در برش نیز خوب و نزدیک به کشش و فشار است. در تغییر وضع بارها، نیروی وارده، فشاری و کششی قابل تعویض بوده و مقاطع به خوبی عکس العمل نشان می دهند. ولی مقاومت بتن در فشار مناسب بوده و در کشش و یا برش کم است. پس اگر مناطقی تحت نیروی کششی قرار گرفته و مسلح نشده باشند ، تخریب می شوند.

خواص ارتجاعی : به علت همگن بودن فولاد، خواص ارتجاعی محاسباتی آن با تقریب بسیار خوبی مصداق عملی دارد. به عنوان مثال، ممان اینرسی یک مقطع فولادی را می توان با اطمینان در محاسبات وارد نمود. حال اینکه در مورد بتن این ارقام خیلی معین و قابل اطمینان نیستند.

ضریب نیروی لرزه ای : در قالب های بتن مسلح به علت وزن بیشتر، ضریب نیروی لرزه ای از قاب های فلزی بزرگتر است.

شکل پذیری : یکی از خواص مهم مصالح فلزی شکل پذیری آنهاست. فلزات قادرند تمرکز تنش را که در واقع علت شروع خرابی است و نیروهای دینامیکی و ضربه ای را تحمل نمایند، در حالیکه بتن ترد و شکننده بوده و عملکرد آن در مقابل این نیروها بسیار ضعیف است.

خواص یکنواخت : فولاد در داخل کارخانه و تحت نظارت دقیق تهیه می شود، لذا خواص آن بر خلاف بتن یکنواخت است. اطمینان در یکنواختی خواص مصالح باعث انتخاب ضریب اطمینان کوچکتر می شود که این به نوبه خود منجر به صرفه جویی در مصرف مصالح می شود.

دوام : دوام فولاد بسیار خوب است. اگر در نگهداری ساختمان های فلزی دقت کافی صورت گیرد، برای سالیان متمادی قابل بهره برداری خواهند بود.

پیوستگی مصالح : قطعات فلزی عموما با توجه به مواد متشکه آن پیوسته و همگن هستند، ولی در قطعات بتنی در هر زلزله به پوشش بتنی روی میلگرد صدمه وارد می گردد. ترک هائی که در پوشش بتن پدید می آید، موجب ضعف قطعه شده و احتمال دارد که ساختمان در پس لرزه یا زلزله بعدی تخریب شود.

وزن کم : ‌ میانگین وزن اسکلت فولادی بین 250 تا 390 کیلوگرم بر مترمربع و یا 80 تا 130 کیلوگرم بر مترمکعب است ، درحالی که در ساختمان بتن مسلح این ارقام به ترتیب بین 480 تا 780 کیلوگرم بر مترمربع یا 160 تا 250 کیلوگرم بر مترمکعب می باشد.

اشغال فضا :‌ در دو ساختمان مشابه از نظر ارتفاع و ابعاد، ستون ها و تیرهای ساختمان فلزی از نظر ابعاد کوچکتر از ساختمان بتنی هستند، یعنی سطح اشغال اسکلت یا فضای مرده در ساختمانهای بتنی بیشتر است.

امکان مقاوم سازی : اعضاء ضعیف ساختمان فلزی (در اثر محاسبات اشتباه ، تغییر مقررات و ضوابط ، اجراء و …. ) را می توان با اضافه نمودن قطعات جدید، تقویت نمود، ولی در مورد اسکلت بتنی این عمل به راحتی قابل انجام نمی باشد.

شرایط آسان ساخت و نصب : تهیه قطعات فلزی در کارخانه و نصب آن در محل، در هر شرایط جوی با اعمال تهمیدات لازم قابل انجام است. در مورد ساختمان های بتنی محدودیت های بیشتری در این رابطه وجود دارد.

سرعت اجرا : سرعت نصب قطعات فلزی نسبت به قطعات بتنی بسیار بیشتر است.

پرت مصالح : با توجه به این که قطعات اسکلت فلزی در کارخانه تولید می شود، میزان هدر رفتن مصالح نسبت به تهیه و بکارگیری بتن کمتر است.

معایب ساختمانهای فلزی
ضعف در برابر حرارت : مقاومت فلز با افزایش دما کاهش می یابد. اگر دمای اسکلت فلزی به حدود 600 درجه سانتی گراد برسد ، تعادل ساختمان به خطر می افتد.

خوردگی فلز در مقابل عوامل خارجی : ساختمان های فلزی در مقابل عوامل جوی دچار خوردگی شده و از ابعاد مفید آنها کاسته می شود. ضمنا مخارج نگهداری و محافظت آنها هم زیاد است.

تمایل قطعات فشاری به کمانش : با توجه به اینکه تعداد قطعات فلزی زیاد بوده و ابعاد آنها معمولا” کوچک است، تمایل به کمانش در این قطعات زیاد بوده و این موضوع یک نقطه ضعف محسوب می شود.

جوش نامناسب : استفاده از پیچ و مهره و تهیه قطعات در کارخانه، اقتصادی ترین و فنی ترین کار می باشد که در کشور ما برای ساختمان های متداول انجام چنین کاری مقدور نیست. استفاده از جوش برای اتصالات، به علت مهارت کم جوشکاران، قدیمی بودن ماشین آلات، عدم کنترل دقیق توسط مهندسین ناظر، گران بودن هزینه آزمایش جوش و …… برزگترین ضعف اسکلتهای فلزی می باشد.