فن آوری سازه های پیش ساخته
1-1- مقدمه
در طول تاریخ تمدن بشری، نیاز به مسکن در زمره نیازهای اساسی و به عنوان امری حیاتی برای انسان مطرح بوده است. این نیاز در دوران‌های مختلف و با توجه به نظام‌های اجتماعی و اقتصادی به روش‌های متفاوتی نمود داشته و براي آن تلاش شده است.
تحولات كيفي و كمي احداث سر پناه و فضاي مناسب مسكوني به تحولات اقتصادي، اجتماعي، فرهنگي و اقليمي مناطق مختلف بستگي داشته و از يكديگر قابل تفكيك نيست. علاوه برآن ذوق، هنر و فناوري از مهمترين عوامل موثر در توليد كمي و كيفي مسكن بوده و با توجه به نياز روزافزون به مسكن و رشد فوق‌العاده شهر‌نشيني، تحولات بنيادين و عميق در اين صنعت به وجود آورده است.
از اواسط قرن اخر رشد روزافزون جمعیت و توسعه شهرها موجب گردید تا از فن‌آوری در صنعت ساختمان به خوبی استفاده شود و همزمان اختراعات و دستاوردهای فنی بسیاری پدید آید تا به کمک آن بتوان با سرعت بیشتر و کیفیت مطلوب‌تری اقدام به ساخت انبوه مسکن نمود، چرا که روش‌های سنتی قادر به پاسخگویی به این نیاز نبودند.
روش‌های پیش‌ساختگی پس از جنگ جهانی دوم در اروپا توسعه چشمگیری یافت و در برنامه‌های بازسازی مناطق آسیب‌دیده مورد توجه قرار گرفت، به طوری که دامنه استفاده از آن در برخی کشورها چنان بود که به طور کلی جایگزین صنعت ساختمان‌سازی سنتی گردید.
در ایران نیز با توجه به رشد جمعیت و عمده شدن مشکل مسکن، پیش‌ساختگی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. در اصل سی و یکم قانون اساسی جمهوری اسلامی ایران داشتن مسکن متناسب با نیاز، به عنوان حق هر فرد و خانواده ایرانی ذکر شده است و در این راستا دولت موظف به اجرای این اصل با رعایت اولویت، به خصوص برای قشر نیازمند جامعه از قبیل روستائیان و کارگران شده است. بر این اساس مطالعه آماری جمعیت کشور به عنوان عامل اساسی در تعیین نیاز به مسکن حائز اهمیت می‌باشد.
در ساخت و ساز صنعتی، کیفیت اجرای ساخت قطعات پیش‌ساخته به عنوان بخش مهمی از سیستم ساختمانی، در کارخانه و زیر نظر افراد مجرب و با کنترل کیفیت لازم انجام می‌شود. همچنین پس از نصب قطعات در محل پروژه، ادامه کار توسط نیروهای متخصص و آموزش دیده انجام و کنترل کیفیت‌های لازم بر روی آن صورت می‌پذیرد. موارد فوق نشانگر اهمیت ساخت و ساز صنعتی در کشور می‌باشد.
1-2- انواع سازه‌های پیش‌ساخته
1-2-1- مزایا و معایب
هرگاه قطعه‌ای از ساختمان در جایی غیر از محل اصلی آن ساخته و سپس در محل مورد نظر نصب شود، پیش‌ساخته محسوب می‌شود. در روش پیش‌ساخته سنگین اسکلت اصلی ساختمان با استفاده از قطعات تولید شده در کارخانه یا کارگاه ساختمان احداث می‌شود. ممکن است برای سقف، دیوارهای نما و تیغه‌بندی نیز قطعات پیش‌ساخته را به کار برد. همچنین در ساختمان‌هایی که با روش درجا ساخته می‌شوند، می‌توان در برخی قسمت‌ها مانند سقف، دیوارهای نما و یا تیغه‌بندی از قطعات پیش‌ساخته استفاده نمود.
کارخانه‌های تولید قطعات بتنی پیش‌ساخته سنگین عموماً به صورت ایستگاه‌های منطقه‌ای عمل می‌کنند که محدوده وسیعی را در شعاع حدود سیصد کیلومتر پوشش می‌دهند. از جمله مزایای روش پیش‌ساخته عبارتند از:
الف) کاهش نسبی هزینه‌های کار نیروی انسانی، مصالح و تجهیزات مورد نیاز به علت تولید انبوه و صنعتی، سرشکن شدن هزینه‌ها بر تعداد واحد ساختمانی بیشتر و کاهش دور ریز.
ب) کاهش زمان اجرای ساختمان و هزینه آن تا مرحله تکمیل اسکلت به علت محدود شدن فعالیت‌های کارگاهی به آماده‌سازی محل و نصب و اتصال قطعات پیش‌ساخته.
ج) کنترل کیفیت بهتر و امکان تولید بتن با مقاومت و مشخصات فنی مطلوب‌تر در شرایط ساخت در کارخانه.
د) وابستگی کمتر به شرایط جوی و فصلی و امکان طولانی‌تر کردن زمان کار روزانه و تداوم آن در تمام طول سال.
ه) استفاده از نیروی کار ساده محلی به جای نیروی کار ماهر بسیار در کارگاه ساختمانی (البته این مزیت در کشور ما چندان مطرح نیست).
و) صرفه‌جویی در مخارج قالب‌بندی و داربست زیر آن، به ویژه در دهانه‌های بزرگ
ی) صرفه‌جویی در مخالف قالب‌بندی، به دلیل تکرار قطعات و صرفه‌جویی در مخارج پمپاژ بتن به ویژه در ساختمان‌های بلند مرتبه
از نقاط ضعف روش پیش‌ساخته و نکات خاص قابل توجه آن می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:
الف) بالا بودن هزینه حمل و نقل قطعات پیش‌ساخته در مقایسه با حمل و نقل مصالح.
ب) تولید، بارگیری، انبار کردن و نصب قطعات مستلزم به کارگیری انواع جرثقیل است که هزینه قابل توجهی در بر دارد. حتی‌الامکان باید با نزدیک‌تر کردن ابعاد و وزن قطعات از تنوع جرثقیل‌های مورد نیاز کاسته و در برنامه‌ریزی تولید و نصب مدت استفاده از جرثقیل را به حداقل ممکن رساند.
ج) برای حمل قطعات و اتصال دادن آنها ضمایمی از جمله ورق، نبشی، قلاب و اتصالاتی از جوش یا پیچ و مهره به کار می‌روند و تا تکمیل مراحل نصب از مهارها و تکیه‌گاه‌های موقتی استفاده می‌شود. مجموعه این ضمائم، اتصالات و مهارها علاوه بر افزایش هزینه، به علت آسیب‌پذیری، مستلزم دقت و توجه کافی در طراحی و اجرا هستند.
د) محاسبات طراحی و نقشه‌های اجرایی در روش پیش‌ساخته، با در نظر گرفتن کلیه مراحل از تولید و انبار کردن تا حمل و نقل و نصب قطعات، تفصیل و پیچیدگی بیشتری نسبت به روش درجا دارد. در بسیاری از موارد بارهای وارده در مراحل تولید، حمل و نصب از بارهای عادی و یا بحرانی پس از نصب کامل بیشترند و در طراحی قطعات تعیین‌کننده هستند.
ه) طراحی معماری در روش پیش‌ساخته معمولاً محدودیت‌های بیشتری نسبت به روش درجا دارد. البته با انتخاب ابعاد مناسب برای مدول یا دهانه قطعات، این مشکل تا حدودی رفع می‌شود.
و) نمونه‌های متعددی از خرابی سازه‌های پیش‌ساخته سنگین بر اثر ضعف اتصالات را می‌توان در زمین لرزه‌های اخیر مشاهده کرد. در این نمونه‌ها عموماً دیوارها و یا ستون‌ها آسیبی ندیده‌اند در صورتی که در محل اتصال تخریب گسترده‌ای رخ داده و باعث آوار سنگین در ساختمان شده است.
1-3- انواع سیستم‌های سازه‌ای پیش‌ساخته
به طور کلی سیستم‌های سازه‌ای که امروزه در ساختمان‌های پیش‌ساخته به کار می‌روند را می‌توان به انواع زیر تقسیم نمود:
1-3-1- سیستم قابی
در این سیستم اعضای باربر، قطعات تیر، ستون و سقف هستند. دیوارها اغلب به عنوان نما یا جداکننده بوده و نقش سازه‌ای ندارند. اگر اتصالات تیر و ستون مفصلی باشند، باید سیستم مقاوم جانبی بادبندی یا دیوار برشی به صورت جداگانه منظور شود. این سیستم را به روش‌های مختلف می‌توان اجرا نمود. از جمله این روش‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.
الف- روشی که ستون‌ها یکپارچه و به اندازه ارتفاع ساختمان از روی پی ساخته می‌شوند، و سقف می‌تواند به صورت‌های مختلف تخت (توپر یا خالی) یا T شکل باشد. اصولا/ً محل اتصال تیر به ستون به جایی که لنگر خمشی تیر صفر می‌شود انتقال داده می‌شود. این کار به روش لامبدا معروف است. این روش برای ساختمان‌های تا 4 الی 5 طبقه مفید است زیرا وزن و طول ستون‌ها در حد معقول است و جابجایی آنها مشکل زیادی ندارد. اگر اندازه دهانه‌ها بزرگ باشد وزن قطعات تیر و ستون تقریباً مساوی می‌شود که امتیازی برای این روش محسوب می‌شود.
ب- روشی که ارتفاع ستون‌ها برابر یک یا دو طبقه است. با ترکیب یک در میان ستون‌های یک و دو طبقه می‌توان اتصالات ستون به ستون را در طبقات ساختمان توزیع کرد. در این روش که برای ساختمان‌های به ارتفاع 10 تا 60 متر مناسب است، تیرها و سقف همانند روش الف هستند. در این روش وزن و ابعاد تیر و ستون نزدیک هستند و در مجموع کار با این قطعات نسبتً سبک به راحتی انجام می‌گیرد. لیکن کوچک بودن طول آنها باعث افزایش تعداد قطعات و اتصالات و در نتیجه افزایش زمان نصب، نیروی انسانی لازم و هزینه اجرا می‌شود. از دیگر عوارض این روش کاهش یکپارچگی سازه ساختمانی است که موجب تضعیف آن در مقابل بار جانبی می‌گردد.
ج- روشی که در آن قطعات L و T و N و ... استفاده می‌شود که به روش قاب پرتابل موسوم است. در ساختمان‌های صنعتی و قاب‌های شیبدار نیز قطعاتی به شکل T و Y و ... به کار می‌روند. این روش برای ساختمان‌های بلندتر از 4 تا 5 طبقه نسبت به روش‌های قبلی برتری دارد. زیرا تعداد قطعات و اتصالات آن کمتر و یکپارچگی سازه‌ای در این روش بیشتر است. اگر از سنگینی قطعات و مشکلات جانبی آنها صرفنظر شود، این روش برای ساختمان‌های بلند از نظر اقتصادی، مسائل اجرایی و نصب از دو روش قبلی بهتر است.
د- روش دیگری که کمتر رایج است روش دال ستون است که در آن از تیر استفاده نمی‌شود و دال‌های سقف روی ستون تکیه می‌کنند. این روش از نظر نوع اتصال دال و ستون به دو نوع تقسیم می‌شوند.
د-1- نوعی که ستون‌ها به صورت یکپارچه و ممتد یا با طولی برابر ارتفاع یک طبقه ساختمان ساخته می‌شوند و قطعات یکپارچه سقف‌ها روی ستون‌ها تکیه می‌کنند. از مشکلات این دسته سنگینی و ابعاد بزرگ سقف‌هاست که جابجایی آنها را دشوار می‌کند. همچنین سخت بودن اتصال دال به ستون از دیگر مشکلات این روش است. لیکن با توجه به شکل آنها برای ساختمان‌های یک طبقه یک دهانه مناسب هستند.
د-2- نوعی که سقف و ستون به صورت یکپارچه ساخته می‌شوند و با کنار هم قرار گرفتن این قطعات، اعضای مورد نظر پوشیده می‌شود. بتن‌ریزی و حمل این قطعات از سایر انواع قطعات پیش‌ساخته مشکل‌تر است. همچنین قطعات سنگین بوده و بیشتر برای ساختمان‌های یک طبقه مناسب هستند. یک راه برای سبک کردن قطعات، کوچک کردن قسمت دال یکپارچه با ستون و اضافه کردن دال‌های میانی است. برای دهانه‌های بزرگ، ابتکار اجتناب‌ناپذیر است اما اتصالات بیشتر شده و در نتیجه یکپارچگی ساختمان کمتر می‌شود.
1-3-2- سیستم دیوار باربر
در این سیستم بارهای ثقلی از طریق قطعات سقف به دیوارها منتقل می‌شود همچنین مقاوم در برابر بارهای جانبی نیز به عهده دیوارهاست که به صورت برشی عمل می‌کنند. قطعات سقف، که ممکن است انواع مختلف داشته باشد، مستقیماً روی دیوارها قرار می‌گیرند. اتصال آنها می‌تواند صلب یا مفصلی باشد که اتصال صلب مشکلات اجرایی بیشتری دارد. به طور کلی این سیستم را از نظر ابعاد قطعات می‌تان به دو نوع تقسیم کرد.
الف- دیوار باربر متشکل از قطعات بزرگ: در این سیستم، ابعاد قطعات دیوار و احتمالاً سقف خیلی بزرگ هستند، به طوری که معمولاً در نمای یک اطاق هیچ‌گونه اتصالی به چشم نمی‌خورد. اتصالات فقط در گوشه‌ها هستند و درها و پنجره‌ها اغلب در داخل قطعات تعبیه می‌شوند. تعداد قطعات و اتصالات در این سیستم کمتر است. لذا زمان نصب کاهش یافته و ساختمان از نظر سازه‌ای یکپارچه عمل می‌کند. در عین حال در این سیستم قطعات بزرگ و سنگین هستند و جابجایی آنها مشکل است. این قطعات بزرگ معمولاً به صورت ایستاده حمل و انبار می‌شوند، بنابراین تجهیزات بیشتری نیاز دارند. با توجه به پیشرفت‌های اخیر درزمینه تجهیزات و روش‌های نصب امروزه به طور وسیعی از پانل‌های بزرگ در احداث ساختمان‌های پیش‌ساخته استفاده می‌شود. در این سیستم برخی دیوارها در محل، قالب‌گیری و بتن‌ریزی شده و پس از کسب مقاومت لازم، به کمک جرثقیل نصب می‌شوند. ابعاد بزرگ دیوار در این حالت مشکلی از نظر حمل و نقل ایجاد نمی‌کند.
ب- دیوار باربر متشکل از قطعات کوچک: در این روش قطعات دیوار و سقف نسبتاً کوچک هستند به طوری که سقف و دیوارهای جانبی یک اطاق یکپارچه نبوده و از اتصال چند قطعهکوچک‌تر به وجود می‌آیند. عرض قطعات کم و حداکثر تا 5/2 متر و طول آنها نیز معمولاً به اندازه طول یا ارتفاع اطاق است. به دلیل کوچک بودن قطعات، تولید، دپو و جابجایی آنها به سهولت انجام می‌گیرد و بنابراین برای صنعت پیش‌ساخته مناسب‌تر است. ماشین‌آلات مورد نیاز نیز سبک می‌باشند و از این نظر هزینه کمتری دارد. اما در مقایسه با نوع قبلی تعداد قطعات و اتصالات بیشترند و لذا مدت زمان نصب و نیروی انسانی مورد نیاز آنها بیشتر خواهد بود. همچنین یکپارچگی سازه‌ای اسکلت ساختمان نیز کمتر است و علاوه بر آن محل‌های اتصال قطعات زیاد بوده و برای پوشاندن آنها و پرداخت نما مخارج بیشتری صرف می‌شود.
ج- سیستم جعبه‌ای: در این سیستم قطعات پیش‌ساخته به شکل مکعب مستطیل تو خالی هستند که ساختمان مورد نظر با کنار و روی هم قرار گرفتن این جعبه‌ها ساخته می‌شود. ابعاد جعبه‌ها معمولاً برابر یک اطاق یا یک واحد مورد استفاده در ساختمان است. در و پنجره و عموماً تأسیسات برقی و مکانیکی در داخل قطعه تعبیه می‌شوند. در این روش قطعات بسیار سنگین بوده و نسبت به طرح معماری نیز حساس هستند. به طوری که برای هر طرح معماری خاص باید قطعات ویژه‌ای ساخته شود. بزرگی و سنگینی قطعات باعث مشکلات اجرایی در تولید، حمل و نصب آنها می‌گردد. در عوض تعداد اتصالات به حداقل می‌رسد و این ویژگی‌ها از نظر سرعت نصب و یکپارچگی سازه‌ای ساختمان اهمیت دارد.
جدول 1-1: مقایسه انواع سیستم‌های سازه‌ای پیش‌ساخته
| ویژگی‌ها | سیستم قابی | سیستم پانلی | سیستم جعبه‌ای | |||
| ستون یک یا دو طبقه | ستون یکپارچه | قاب پرتال | پانل کوچک | پانل بزرگ | ||
| سهولت تولید | ساده | نسبتاً ساده | نسبتاً ساده | نسبتاً ساده | نسبتاً مشکل | مشکل |
| سهولت جابجایی و نصب | ساده | نسبتاً ساده | نسبتاً مشکل | نسبتاً ساده | نسبتاً مشکل | مشکل |
| تعداد اتصالات | خیلی زیاد | متوسط تا زیاد | متوسط تا زیاد | متوسط تا زیاد | کم | خیلی کم |
| پیچیدگی اتصالات | نسبتاً مشکل | نسبتاً مشکل | نسبتاً ساده | نسبتاً ساده | نسبتاً مشکل | مشکل |
| تجهیزات مورد نیاز | معمولی | معمولی تا نسبتاً خاص | نسبتاً خاص | نسبتاً خاص | خاص | خیلی خاص |
| سرعت نصب | کم | کم تا متوسط | متوسط | متوسط تا زیاد | زیاد | خیلی زیاد |
| میزان کارهای تکمیلی بعد از نصب اسکلت | خیلی زیاد | خیلی زیاد | خیلی زیاد | متوسط | کم | خیلی کم |
| یکپارچگی سازه‌ای و مقاومت جانبی | خیلی کم | خیلی زیاد | خیلی زیاد | متوسط | کم | خیلی کم |
| انعطاف‌پذیری نسبت به پلان‌های معماری | زیاد | زیاد | زیاد | متوسط | کم | خیلی کم |
| سابقه اجرایی در ایران | متوسط تا زیاد | متوسط تا زیاد | متوسط | متوسط تا زیاد | متوسط | کم |
1-3-3- مقایسه سیستم‌های پیش‌ساخته بتنی
جهت مقایسه انواع سیستم‌های پیش‌ساخته برای تولید انبوه مسکن در ایران ویژگی‌هایی نظیر سهولت تولید، جابجایی و نصب قطعات، چگونگی اتصالات، نوع تجهیزات، سرعت نصب، میزان کارهای تکمیلی، یکپارچگی سازه‌ای، انعطاف‌پذیری پلان معماری و سابقه اجرایی در کشور مورد ملاحظه قرار گرفتهاند. با صرفنظر از این روش، که عمدتاً برای ساختمان‌های کوتاه و ساده کاربرد دارد، ویژگی‌های سه سیستم قابی، پانلی و جعبه‌ای به اختصار در جدول 1-1 ارائه شده است.
1-4- پانل‌های پیش‌ساخته سبک
در اکثر سیستم‌های سازه‌ای پیش‌ساخته سنگین، اتصالات تحت بارهای ثقلی مشکلی نداشته‌اند. در صورتی که طبق مشاهدات و گزارشات زمین‌لرزه‌های اخیر، یکی از نقاط ضعف سیستم‌های پیش‌ساخته سنگین نقاط اتصال عناصر سازه‌ای به یکدیگر می‌باشد.
نمونه‌های متعددی از خرابی سازه‌های پیش‌ساخته سنگین بر اثر ضعف اتصالات را می‌توان در زمین لرزه‌های گازلی- شوروی (1972)، اسپای تک- ارمنستان (1988)، ازمیت- ترکیه (1995) مشاهده کرد. در این نمونه‌ها عموماً دیوارها و یا ستون‌ها آسیبی ندیده‌اند در صورتی که در محل اتصال تخریب گسترده‌ای رخ داده و باعث آوار سنگین در ساختمان شده است. با توجه به این مسأله درسال‌های اخیر متخصصین و اساتید عمران در صدد رفع این معضل با شیوه اجرایی مناسب هستند. یکی از راهکارهای ارائه شده استفاده از سیستم پیش‌ساخته سبک می‌باشد. در این روش استخوان‌بندی اصلی سازه که شامل شبکه جوش شده می‌باشد در کارخانه به شیوه صنعتی تولید و پس از نصب در محل، بتن‌ریزی یا بتن‌پاشی می‌شوند. بدین ترتیب علاوه برحفظ تولید صنعتی ساختمان و کنترل کیفیت آن، مشکل دوگانگی جنس بتن اتصالات و بتن پیش‌ساخته وجود نخواهد داشت.
پانل‌های پیش‌ساخته سبک شامل دو صفحه شبکه جوش شده فولادی می‌باشند که یک لایه عایق پلی استایرن در میان آن قرار گرفته و توسط تعدادی اعضای خرپایی به یکدیگر متصل شده‌اند (شکل 1-5). این پانل‌ها به عنوان المان دیوار و سقف ساختمان به کار می‌روند. مدول عرضی پانل‌ها 120 سانتی‌متر می‌باشد و بسته به کاربردهای متفاوت، طول و ضخامت‌های مختلف دارند. پانل‌های دیوار علاوه بر اینکه جداکننده فضاهای معماری هستند، نقش دیوار باربر قائم و دیوار برشی در برابر بارهای جانبی را هم ایفا می‌کنند. بنابراین عموماً در اینگونه سازه‌ها اسکلت فلزی یا بتنی وجود ندارد.
پانل‌های سقفی، دیافراگم کف را تشکیل می‌دهند. این پانل‌ها در کنار یکدیگر مستقر شده و روی پانل‌های دیوار نصب می‌گردند. لایه پلی استایرن نقش قالب برای بتن‌پاشی و همچنین عایق حرارتی و صوتی را ایفا می‌کند. در این سیستم پانل‌ها پس از استقرار، بتن‌پاشی شده و تشکیل یک سازه سه بعدی با عملکرد جعبه‌ای می‌دهند. از این پانل‌ها علاوه بر استفاده به عنوان اعضای باربر ساختمان، به دلیل عایق حرارتی، صوتی و مزایای دیگر برای تیغه‌های غیر باربر ساختمان‌های مختلف نیز استفاده می‌شود.
1-4-1- مشخصات پانل‌های پیش‌ساخته
ساختمان‌های با سامانه پانلی سه‌بعدی در زمره سامانه‌های نیمه پیش‌ساخته محسوب شده و از برخی امتیازات ساختمان‌های پیش‌ساخته برخوردارند. مفاهیمی که در ادبیات فنی ساختمان‌های پیش‌ساخته به کار می‌روند، مواردی نظیر تولید انبوه، فرآیند تضمین کیفیت و کنترل کیفیت، ویژگی‌های خاص ساخت در کارگاه، حمل و نقل و نصب، در این سامانه‌ها نیز کاربرد دارند.
از جمله مزایای سامانه پانلی سه‌بعدی در مقایسه با سامانه‌های درجا و پیش‌ساخته می‌توان به کاهش نسبی هزینه‌های کار نیروی انسانی، ماشین‌آلات، دورریز مصالح و کاهش زمان اجرا، کنترل کیفیت بهتر و صرفه‌جویی در تجهیزات نصب اشاره نمود. در عین حال سامانه‌های پانلی نقاط ضعف سامانه‌های پیش‌ساخته مواردی چون بالا بودن هزینه حمل و نقل قطعات سنگین، نیازمندی به هزینه جراثقال برای جابجایی در محل، اتصالات ناهمگون و نامطمئن و طرح معماری محدود را در بر نمی‌گیرد.
این سازمانه از فناوری بتن پاشیده در طی مراحل ساخت بدون نیاز به قالب‌بندی بهره برد. نکته مهم سازه‌ای در سامانه پانلی سه‌بعدی، تکمیل نیازمندی‌های اتصالات بعد از نصب پانل‌ها در محل و قبل از بتن‌پاشی آنها می‌باشد که این موضوع ساختاری یکپارچه با اتصالات همگون و مطمئن با قابلیت باربری سه بعدی و عملکرد جعبه‌ای برای تحمل تمامی بارهای ثقلی و جانبی را فراهم می‌آورد و با توجه به یکپارچگی دیوارها و سقف‌ها و اتصال تمامی زوایا، سازه‌ای با عملکرد جعبه‌ای ساخته می‌شود که درجات نامعینی فعال سامانه به میزان قابل توجهی افزایش یافته به گونه‌ای که بر خلاف سامانه‌های قابی، نیروهای ایجاد شده در این سامانه به صورت گسترده در نقاط مختلف توزیع و شدت آنها به مراتب کاهش می‌یابد.
به دلیل یکپارچگی ایجاد شده و درجات نامعینی زیاد سامانه، مزایای مختلفی نظیر کاهش مساحت مورد نیاز شالوده، جلوگیری از ایجاد نیروهای بلندشدگی در پای سازه، عدم ایجاد لنگر پیچشی مضاعف، افزایش مفاصل پلاستیک در سازه تا آستانه ناپایداری، حاصل می‌شود.
لایه عایق به کار رفته در سامانه پانلی سه‌بعدی سبب می‌شود تا آنها نسبت به موارد مشابه، مشخصات عایق‌بندی حرارتی و صوتی بهتری داشته باشند.
وجود لایه پلی‌استایرن در اعضای پانلی به کار رفته در این سامانه باعث کاهش وزن در قطعات دیوار و سقف شده و علاوه بر حمل آسان‌تر، در مجموع از وزن سازه نیز می‌کاهد.
به دلیل تعبیه شبکه فولادی در طرفین لایه عایق، امکان ایجاد آوار و ریزش‌های ناشی از جدایش مصالح در بارهای لرزه‌ای به حداقل کاهش یافته و اجزای گسیخته شده فرو نمی‌ریزند.
به منظور شناخت بهتر اجزای پانل و ارزیابی عملکرد سامانه‌های پانلی آزمایش‌های متعدد استاتیکی، دینامیکی، اتصالات، آثار صوت، حرارت و خوردگی، آزمایش ارتعاشات محیطی و آزمایش میز لرزان در کشور به انجام رسیده است.
هدف این مقاله ارایه ویژگی‌ها و عملکردهای لرزه‌ای سامانه پانلی سه‌بعدی نیمه پیش‌ساخته می‌باشد. عملکرد لرزه‌ای سامانه پانلی سه‌بعدی نیمه پیش‌ساخته به دلیل ساختار خاص آنها دارای تفاوت‌هایی با سامانه‌های متعارف سازه‌ای می‌باشد. تعبیه کلاف‌های افقی و قائم و ایجاد رفتار جعبه‌ای سبب تأمین شکل‌پذیری مورد نیاز برای این سامانه ساختمانی شده و ضریب رفتار آن بهبود می‌یابد. در ضوابط طراحی و جزییات اجرایی این سامانه به دلیل عدم حضور اعضای باربر قابی و به منظور تأمین عملکرد جعبه‌ای، طرح معماری ساختمان باید با ملاحظات کامل سازه‌ای همراه باشد. این ملاحظات می‌تواند شامل مواردی نظیر عدم تغییر مسیر انتقال بار در ارتفاع، محدودیت فاصله دهانه‌های باربر، تأمین تقارن در چیدمان دیوارهای باربر، جلوگیری از تعبیه بازشوهای بزرگ در دیوارها و سقف‌ها، همراه باشد.
ساختار دیافراگم‌های افقی این سامانه به منظور تأمین دهانه بارگیر مورد نیاز علاوه بر پانل‌های سقفی می‌تواند از انواع دیگر سامانه‌های متداول از جمله سقف تیرچه بلوک، سقف با تیرچه‌های با جان باز یا دال بتن‌آرمه باشد.
ساختمان‌هایی که در آنها بارهای ثقلی و جانبی به صورت ترکیبی توسط سامانه پانلی با دیگر سامانه‌های سازه‌ای نظیر سامانه قابی حمل می‌شوند، سامانه پانلی مختلط، باید مراتب ایستایی و باربری توسط مهندس محاسب از طریق روش‌های تحلیلی یا آزمایشگاهی مستند به مراجع معتبر محاسبه و طراحی شوند.
سامانه پانلی سه‌بعدی جزو سامانه‌های نیمه پیش‌ساخته محسوب می‌گردد که با رویکردی میانه می‌تواند از برخی مزایای سامانه‌های درجا و پیش‌ساخته برخوردار باشد.
مشخصات این سامانه ساختمانی به صورت تولید کارخانه‌ای در یک مرحله، و نصب و اجرای کارگاهی در مرحله‌ای دیگر قابلیت‌های ویژه‌ای به این روش ساختمانی داده است. اصولاً این سامانه ساختمانی در صورتی توجیه فنی و اقتصادی دارد که با آن به عنوان یک سامانه صنعتی برخورد شود. استفاده از سامانه‌های صنعتی با رویکرد کاهش زمان ساخت و بازگشت سرمایه توأم می‌باشد.
1-4-2- پیشینه مطالعاتی پانل‌های پیش‌ساخته سه‌بعدی
سامانه‌های پانلی سه بعدی اولین بار در سال 1967 میلادی توسط ویکتور وایزمن در ایالت کالیفرنیای آمریکا به ثبت رسید. وی این پانل‌ها را به عنوان دیوارهای خارجی در مجتمع‌های مسکونی و ساختمان‌های تجاری مورد استفاده قرار داد. بعدها تحقیقات ویژه‌ای در خصوص سامانه‌های پانلی کامل سه بعدی با سیستم بتن‌پاشی توسط اینیا در دانشگاه نبرسکا در قالب رساله دکتری به بررسی رفتار خمشی پانل‌های ساندویچی در مقیاس میکرو وبا تمرکز بر روی عملکرد پیوستگی اجزاء بتن و عایق میانی پرداخته است، (Einea, 1992) در ادامه رفتار غیر خطی ناشی از ترک‌خوردگی لایه زیرین و تبدیل سیستم باربری به حالت نیمه مرکب توسط هلمبورگ و پلم مورد بررسی قرار گرفت، (Holmberg, A 1986) آنها نشان دادند که در حالت حد نهایی سامانه پانلی در رفتار خمشی به حالت کاملاً مجزا تبدیل می‌شود. در این رابطه کبیر و سایرین در خصوص چگونگی بهبود عملکرد خمشی این سیستم با تقویت‌های آرماتور و تعبیه تیرهای مجازی داخل پانل‌ها مطالعات آزمایشگاهی وسیعی انجام دادند، (Kabir 2002). بوش و استین در خصوص بهبود عملکرد سامانه پانلی با تغییرات در برشگیرها مطالعاتی انجام دادند (Bush.T.D 1994). کبیر نیز به مطالعه دقیق‌تر این سامانه تحت خمش پرداخت و با بررسی مدل‌های آزمایشگاهی رفتار این سامانه‌ها را در حد اجزاء محدود مورد آزمایش قرار داد (Kabir 2005).
رفتار برش بین لایه‌ای
در خصوص میزان عملکرد یکپارچه لایه‌ها و چگونگی انتقال برش‌های ناشی از خمش در پانل‌ها تحقیقات گسترده‌ای توسط نگارنده صورت گرفته و تأثیر قطر و راستای قرارگیری برشگیرها در باربری کامل لایه‌ها مورد ارزیابی قرار گرفته است.
مطالعات عددی و مقایسه با نتایج تجربی بیانگر این واقعیت است که لایه میانی پلی استایرن برش قابل توجهی تا حد 25% کل برش انتقالی را تحمل می‌کند و باعث افزایش باربری سیستم می‌شود (مجتبی نجفی 1383).
رفتار اتصالات
تحقیقات گسترده‌ای بر روی اتصالات سامانه‌های پانلی صورت پذیرفته است. دراین راستا می‌توان به کار آقایان احمدی و عباس‌نیا در خصوص میزان باربری اتصالات و این نوع سازه‌ها اشاره داشت، (رسول احمدی 1381) همچنین مطالعه‌ی عددی توسط واشقانی و کبیر و تحقیقات صورت گرفته در صنعت پیش‌ساخته مراجعه نموده، وجود شناژ گوشه در اتصالات کنج و اتصالات T شکل می‌تواند بین 30 الی 50 درصد افزایش باربری و شکل‌پذیری در پیوستگی رفتار اتصال تحت بارهای همزمان ثقلی و جانبی ایجاد کند، (رضا واشقانی فرهانی 1382) (Kabir M.Z 2009) همچنین تحقیقات وسیعی در خصوص عملکرد دیوارهای باربر 3D دارای بازشو و تعیین فولادهای بهینه اطراف بازشو به واسطه تأمین کافی شکل‌پذیری، همچنین آزمایش برش، خمش و کمانش دیوارها و دال‌های کف و برآورد لازم از تعیین عملکرد یکپارچه مقطع نیز انجام شده است (محمد زمان کبیر 1388). در ارزیابی رفتار ترکیب پانل‌های سه بعدی با قاب‌های فولادی و بتنی بررسی‌های آزمایشگاهی مفصلی صورت گرفته و تأثیر سختی افزاینده دیوار پانلی در جذب تغییر شکل‌های بزرگ سیستم‌های قاب خمشی با لحاظ نمودن نحوه اتصال دیوار به قاب اندازه‌گیری شده است.
سابقه آزمایش لرزه‌ای
در پروژه آزمایش پانل در شانگ‌های چین که یکی از پروژه‌های مهم انجام شده در زمینه سازه‌های پانلی می‌باشد، پانل‌های ساخته شده در شرکت EVG مورد بررسی قرار گرفت. اهداف این آزمایش مطالعه پاسخ در یحین زمین لرزه، الگوی تخریب و روند کامل گسیختگی، بررسی قابلیت‌های محاسبات لرزه‌ای و ارائه نتایج و پیشنهادات طراحی و مطالعه رفتار لرزه‌ای به منظور مقایسه با آیین‌نامه بوده است. برای آزمایش که بر اساس موج زلزله به 9 مرحله تقسیم‌بندی شده و قبل از هر کدام یک موج سفید برای تعیین خصوصیات دینامیکی به کار رفت. هر کدام از این 9 مرحله در دو جهت عمود بر هم به صورت مجزا و با هم اثر داده شد. بر مبنای مشاهدات حاصل از این آزمایش در جریان زلزله‌های تا مرحله 7 هیچ ترکی در سازه مشاهده نشد و سازه در حد الاستیک باقی ماند. در زلزله‌های تا حداکثر شتاب 0.1g با وجود عدم مشاهده ترک، مقاومت سازه از زمانی که فرکانس‌های طبیعی کاهش یافتند کم شد و ترک‌های غیر قابل مشاهده در سازه به وجود آمد. در جریان زلزله‌های مرحله 7 ترک‌های افقی در بالای تیر طبقه اول و ترک‌های شیبدار در گوشه پنجره‌ها دیده شد. در طول زلزله مرحله 8 ترک در بالای تیرهای طبقه اول کمی گسترش پیدا کرد و در زلزله مرحله 9 ترک هایبالای تیرهای طبقه اول تقریباً به طور کامل توسعه یافت و چندین ترک در بالای تیرهای طبقه دوم نیز مشاهده شد. در جریان زلزله‌های بعدی ترک‌های افقی به طور کامل اتفاق افتاده و بتن شناژ گوشه منهدم گردید. سازه در این مرحله از حیث مقاومت جانبی خارج گردید.