چکیده:

امروزه با توجه به نیاز روز افزون کشور به مسکن و طرح های دولت برای ساخت مسکن از‌ جمله طرح مسکن مهر، نیاز به ساخت سریع و ارزان مسکن مقاوم در برابر زلزله احساس می‌شود. به این ترتیب مشخص است که استفاده از سیستم‌های سنتی در امر ساخت و ساز جوابگوی نیاز جامعه نبوده و استفاده از فناوری‌های نوین در این بخش اجتناب ناپذیر می‌باشد. دو نمونه از سیستم‌های مطرح در این زمینه سیستم قالب تونلی(TCF)وسیستم قالب عایق ماندگار(ICF)می‌باشد.

 در این مقاله قصد داریم تا دو سیستم مذکور را از منظر سازه‌ای و همچنین بحث‌های اجرایی با یکدیگر مقایسه نماییم.

کلمات کلیدی: سیستم قالب تونلی، سیستم قالب عایق ماندگار، پلی‌استایرن، یکپارچگی،  رفتار لرزه‌ای، قالب‌بندی

مقدمه:

یکی از روش‎‌های متداول ساختمان‌سازی استفاده از سیستم باربر دیوار و سقف بتنی است. سرعت، کیفیت و هزینه تمام شده اجرای این روش به نحو چشم‌گیری در گرو انتخاب، طراحی و مدیریت سیستم قالب‌بندی است. سیستم‌های قالب عایق ماندگار (ICF) و قالب تونلی(TCF) از جمله روش‌های اجرای دیوار باربر و سقف بتنی می‌باشد.

در سیستم ICF اجرای ساختمان بتن‌آرمه با قالب‌های عایق ماندگار پلی‌استایرنی صورت می‌پذیرد و دیگر نیازی به استفاده از قالب های جانبی نیست. در صورتی که در سیستم قالب تونلی از قالب‌های فلزی یا چوبی استفاده می‌شود که بعد از عملیات بتن ریزی و گیرش بتن برداشته می‌شود.

در ادامه سعی می‌شود که به منظور مقایسه دو سیستم پارامترهای مختلف سازه‌ای و اجرایی مورد بررسی قرار گیرد. در هر سیستم ساختمان سازی همواره رفتار لرزه ای از مهم ترین ویژگی هاست. در بررسی رفتار لرزه ای یک سازه پارامترهای مختلفی دخیل هستند که در ادامه برای دو سیستم مذکور مورد بررسی قرار خواهدگرفت. همچنین با توجه به ارزش سوخت بحث عملکرد حرارتی نیز بسیار حائز اهمیت است که باید در مورد هر سیستم ساختمانی مورد بررسی قرار گیرد. از جمله بحث های سازه ای دیگر که باید مورد توجه قرار گیرد مقاومت در برابر آتش و عملکرد آکوستیکی سیستم می باشد.

در پروژه های انبوه سازی همواره بحث های اجرایی بسیار حائز اهمیت است. بحث هزینه تمام شده همواره در صدر توجهات قرار داشته است و می تواند اهمیت ویژه ای در بررسی یک سیستم ساختمانی داشته  باشد. سرعت اجرایی ساختمان می تواند انتخاب و یا عدم انتخاب یک سیستم را برای پروژه های انبوه سازی تحت الشعاع قرار دهد.

در ادامه سعی خواهد شد تا پارامترهای ذکر شده را در مورد دو سیستم قالب تونلی و قالب عایق ماندگار با قالب عمودی مورد ارزیابی قرار دهیم تا برتری هر سیستم بر دیگری در هر قسمت مشخص شود.

مقایسه پارامترهای سازه ای

در این بخش سعی می شود تا پارامترهای سازه ای این دو سیستم به تفکیک با یکدیگر مقایسه گردند. 

رفتار لرزه‌ای

به طور کلی این دو سیستم توانایی بسیار خوبی را در مقابله با زلزله و طوفان از خود نشان داده‌اند به طوری‌که در زلزله‌های گذشته از معدود ساختمان‌های به جا مانده پس از زلزله بوده‌اند. در زیر نمونه ای از این موارد را مشاهده می‌کنید:

عناصر باربر اصلی در ساختمان با سیستم ICF و تونلی دیوارهای باربر ( دیوار برشی ) و دال‌های تخت نسبتا نازک هستند.

از دلایل عملکرد مناسب این دو سیستم در برابر زلزله می‌توان به یکپارچگی مناسب دیوار و سقف اشاره کرد. البته این یکپارچگی در دو سیستم مذکور به دو نحو متفاوت تامین می‌شود. در سیستم ICF اتصال سقف به دیوار توسط میلگردهای خم شده و بتن درجا به نحوی صورت می‌گیرد که یک اتصال گیردار برای انتقال بارهای ثقلی و یک اتصال برش‌پذیر برای انتقال بارهای درون صفحه‌ای ناشی از زلزله به وجود آید.

اما در سیستم تونلی اتصال دیوارهای داخلی و کناری به سقف با اجرای همزمان دیوار و سقف تامین می‌شود. البته در زلزله‌های گذشته نقطه ضعفی که ساختمان‌های دارای سیستم تونلی از خود نشان داده‌اند به پانل‌ها و پله‌های پیش‌ساخته که از عناصر غیرسازه ای هستند مربوط می شود که با تدابیری می‌توان این مشکل را برطرف نمود.

یکی از عوامل مهم برای بهبود عملکرد لرزه‌ای سازه توجه به سبکی آن است. هر دو سیستم ICF  و تونلی در مقایسه با سیستم‌های متداول بتنی و فولادی اندکی سبک‌تر هستند. با این که مصرف بتن در اجرای سیستم تونلی بیشتر از سیستم ICF است اما به دلیل کاربرد بیشتر میلگرد و آهن‌آلات در سیستم ICF به نظر می‌آید وزن سیستم تونلی کمتر ‌باشد و به این ترتیب رفتار لرزه‌ای بهتری را از این منظر از خود بروز می‌دهد. 

مشاهده زلزله‌های گذشته حاکی از آن است که هرچه تعداد اعضای سازه‌ای مشارکت کننده در باربری ( نامعینی ) بیشتر باشد عملکرد لرزه‌ای آن مناسب‌تر است . به طور کلی تامین درجه نامعینی مورد نیاز به وسیله خطوط دیوار یا قاب در هریک از جهت‌های اصلی صورت می‌پذیرد. در هر دو سیستم مذکور با توجه به تعداد زیاد خطوط دیوار در هر دوجهت نامعینی مورد انتظار تامین خواهد شد.

 یکی از مواردی که رفتار لرزه‌ای این دو سیستم را تهدید می‌کند اجرای نامناسب رامکاست. این قطعه زمانی که با ملات اجرا می‌شود پیوستگی بتن دیوار را دچار مشکل می‌کند و در پای دیوار که محل بروز بیش‌ترین لنگر خمشی است به صورت موضعی دیوار را دچار ضعف می‌کند. همچنین اگر رامکا همزمان با دیوار و سقف پایینی اجرا نشود درز سرد به وجود می‌آید. بنابراین در صورت الزام اجرای رامکا این قطعه باید از بتن ساخته شده و همزمان با بتن‌ریزی دیوار و سقف پایینی اجرا شود.

محدویت معماری:

در سیستم ICF به دلیل زیاد بودن ضخامت دیوارها بار مرده سیستم زیاد می‌شود در نتیجه لازم است دیوارهای طبقات مختلف درست دریک راستا قرار بگیرند. در سیستم تونلی نیز به دلیل روش اجرایی خاص سیستم، دیوارهای سازه‌ای متعدد به صورت موازی قرار می‌گیرند و به همین دلیل هر دو سیستم مذکور دارای محدودیت در زمینه معماری هستند. البته آزادی عمل در سیستم ICF بیشتر است.

تعداد طبقات:

حداکثر تعداد طبقات سیستم ICF بستگی به نوع رابط‌ها دارد. این رابط‌ها معمولا پلیمری هستند و در بعضی سیستم‌ها نیز از رابط‌های فولادی با پوشش گالوانیزه استفاده می‌شود.

چنانچه به جای رابط فلزی از رابط‌های پلاستیکی استفاده شود به خاطر مسائل آتش‌سوزی حداکثر ارتفاع مجاز ساختمان دو طبقه خواهد بود. نظیر سیستم شبکه‌ای سوراخدار که نوع رایج  ICF مورد استفاده در ایران است. اما در سیستم تونلی در کلیه پهنه‌های لزره‌خیزی ایران ، مطابق استاندارد 2800 ایران، اجرای ساختمان حداکثر تا 15 طبقه بلامانع است. در کشورهای مختلف اروپایی و مناطق غیر لرزه‌خیز جهت ساخت سازه‌های از 2 تا 45 طبقه از سیستم تونلی استفاده می‌شود.البته از منظر اقتصادی تعداد طبقات بهینه در روش تونلی بین 8 تا 10 طبقه است.

مقاومت در برابر آتش

برای بررسی مقاومت دو سیستم ICF و قالب تونلی در مقابل آتش مقاومت بتن و عایق پلی استایرن مورد استفاده در ICF باید مد نظر قرار گیرد.

مقاومت بتن در مقابل حریق:

انواع بتن‌های معمولی مورد استفاده در این دو سیستم، غیر قابل اشتعال و در نتیجه بی‌خطر هستند. بتن مقادیر زیادی رطوبت در حال تعادل با محیط دارد و در مجاورت آتش با از دست دادن رطوبت و واکنش‌های دهیدراسیون که همراه با جذب حرارت قابل توجهی است، انتقال حرارت را به داخل بدنه بتنی به تاخیر می‌اندازد. این موضوع به علت مقدار بالای گرمای نهان تبخیر و نیز صرف گرما برای واکنش‌های دهیدراسیون است که به طور قابل توجهی رفتار بتن در برابر آتش را بهبود می‌بخشد.

مقاومت اسفنج پلی استایرن:

پلی استایرن به کاربرده شده در ICF باید مطابق استانداردهای معتبر از نوع خود‌خاموش‌شو یا کندسوز شده باشد. این نوع پلی‌استایرن در مدت کوتاهی پس از قرار گرفتن در معرض شعله جمع می‌شود و بدون شعله‌ور شدن از منبع دور می‌شود.  به دلیل جمع‌شدگی عایق پس از قرار گرفتن در معرض آتش(دماهای نزدیک به 100درجه )، پوشش گچ‌برگ دچار ریزش می‌شود و در نتیجه پلی‌استایرن مستقیما در معرض آتش قرار می‌گیرد، به همین دلیل برای اتصال پوشش گچ‌برگ به عایق باید از توری رابیتس یا مش فلزی استفاده شود.  در صورت رعایت این نکات ساختمان های با سیستمICF مقاومت بسیار خوبی را در برابر آتش از خود نشان می دهند.

اثر رطوبت بر روی مقاومت بتن در برابر آتش:

بررسی اثرات رطوبت بر روی مقاومت بتن حائز اهمیت است. رطوبت موجود در بتن اگر از حدی تجاوز نکند بر روی مقاومت بتن در مقابل آتش اثر مثبت دارد و به طور کلی می‌توان گفت افزایش یک درصد حجمی رطوبت مقاومت بتن در مقابل آتش را 4-5 درصد افزایش می‌دهد. اما افزایش بیشتر رطوبت که مقدار آن به میزان تخلخل سیمان بستگی دارد باعث ترکیدگی بتن در شرایط آتش سوزی خواهد شد.

از آنجا که در سیستم ICF از عایق پلی استایرن در دو طرف دیوار بتنی به صورت ماندگار استفاده می‌شود امکان خشک شدن سریع رطوبت در بتن وجود ندارد و رطوبت تا مدت‌ها در درون بتن حفظ می‌شود. سطح بتن پس از قرارگیری در معرض آتش سوزی داغ می‌شود و باعث می‌شود لایه‌ای به فاصله 2.5 سانتی‌متر از سطح از رطوبت اشباع شود. در نتیجه از مهاجرت بخار آب به طرف سرد جلوگیری می‌کند و سبب می‌شود تا فشار بخار آب در این محل افزایش یابد. این موضوع سبب از بین رفتن یکپارچگی بتن و خرابی آن می‌شود و حتی ممکن است پکیدن بتن به شکل انفجاری رخ دهد. پس از خرابی بتن ضخامت لایه‌ی بتنی محافظ میلگردها به شدت کاهش می‌یابد و فولادها در معرض آتش قرار می‌گیرند و به دلیل ضعف فولاد در دماهای بالا مقاومت مکانیکی سیستم در شرایط حریق کاهش می‌یابد. بنابراین در صورت بیش از حد بودن رطوبت بتن در سیستم ICF این موضوع مخاطره‌آمیزتر از سیستم قالب تونلی است زیرا رطوبت در سیستم قالب تونلی به دلیل عدم ماندگاری قالب راحت‌تر خارج می‌شود.

بررسی عملکرد حرارتی

 بتن و خصوصا بتن مسلح بیشترین میزان انتقال حرارت را در بین مصالح مورد استفاده در ساختمان سازی دارد. به منظور جلوگیری از انتقال حرارت از عایق استفاده می‌شود. سیستم ICF به دلیل استفاده از دو لایه عایق حرارتی پلی استایرن که هرکدام به طور معمول ضخامتی در حدود 5 سانتی‌متر دارند مشکل چندانی از این بابت ندارد. همچنین به دلیل درزبندی و هوابندی مناسب دیوار مقدار نفوذ هوا و تبادل حرارتی ناشی از آن نیز قابل اغماض است. در این سیستم دمای سطح داخلی جدار به دلیل وجود لایه‌ی داخلی عایق حرارتی یکنواخت است و پل‌های حرارتی قابل توجهی در این سیستم وجود ندارد.

اما در سیستم قالب تونلی به دلیل عدم وجود عایق‌های حرارتی، انتقال حرارتی بین داخل و خارج ساختمان بسیار زیاد است. به منظور کاهش این تبادل حرارتی باید از عایق‌های حرارتی استفاده کرد. لازم به توضیح است مقدار عایق حرارتی مورد نیاز مطابق ضوابط تعیین شده در مبحث 19 محاسبه می‌شود.

به طور کلی در عایق کاری سیستم تونلی دو روش عایق‌کاری از داخل و خارج مورد استفاده قرار می‌گیرد. لازم به توضیح است  عایق کاری از خارج درمقایسه با عایق کاری از داخل به سبب کاهش اثر پل‌های حرارتی باعث می‌شود میزان انتقال حرارت از دیوارهای پوسته خارجی به میزان قابل توجهی کمتر باشد.

بررسی عملکرد صدابندی(آکوستیکی):

وجه مشترک هر دو سیستم مذکور در بررسی عملکرد آکوستیکی دیوار بتنی اجرا شده می‌باشد.

 هر چه ضخامت لایه بتنی دیوار بیشتر شود صدا بندی افزایش می‌یابد. به طور کلی جدارهایی که شاخص کاهش صدای وزن یافته آنها از 50 دسی بل بیشتر است برای دیوارهای خارجی و دیوارهای بین واحدهای مستقل در ساختمان‌های مسکونی قابل قبول است. از آنجایی که در هر دو سیستم معمولا دیوار بتنی 15 سانتی متر اجرا می‌شود این خواسته تأمین خواهد شد. البته لازم به ذکر است که در سیستم ICF  دو لایه پلی استایرن 6سانتی متری هم داریم که عملکرد آکوستیکی آن را به نحو قابل توجهی بهبود می‌بخشد، به طوری که به این سیستم ((مسکوت)) گفته می‌شود.

در مورد این دو سیستم باید صدا بندی سقف‌ها را هم مورد توجه قرار دهیم. در سیستم تونلی که از دال بتنی استفاده می‌شود، کاهش صدای هوابرد جوابگوی انتظارات تعیین شده می‌باشد. ولی در مورد صدا بندی کوبه‌ای به تنهایی جوابگو نیست و لازم است با یک لایه ارتجاعی در کف تکمیل شود این لایه ارتجاعی معمولا با موکت یا فرش تأمین می‌شود با توجه به مطالب گفته شده مشخص است که سیستم ICF عملکرد آکوستیکی بسیار بهتری نسبت به سیستم تونلی دارد.

مقایسه نکات اجرایی

بتن ریزی:

1) محدودیت فصلی در خصوص اجرای سیستم قالب تونلی جدی‌تر و تعیین‌کننده تر از سیستم ICF می‌باشد. در سیستم قالب تونلی به دلیل اینکه بتن اجراشده تنها توسط لایه‌های نازک فلزی قالب محافظت می‌شود، هنگام بتن ریزی در شرایط دمایی نامتعارف باید تمهیدات لازم در نظر گرفته شود. در صورتی که در سیستم ICF به دلیل استفاده از قالب‌های حرارتی بتن‌ریزی در شرایط دمایی متنوع واغلب فصول سال امکان‌پذیر است.

2) هنگام بتن ریزی از ارتفاع بیشتر از 2 متر در سیستم تونلی، چنانچه تمهیدات خاص اعمال نشود کیفیت بتن دچار مشکل می‌شود زیرا به سبب بتن ریزی از ارتفاع زیاد و برخورد بتن با آرماتورها جداشدگی به وجود می‌آید. این در حالی است که در سیستم ICF به دلیل کشویی بودن قالب‌های مورد استفاده و امکان بالا و پایین بردن آن‌ها این مشکل وجود ندارد.

زمان:

سیستم ICF در پروژه های تک سازی سرعت اجرای قابل قبولی نسبت به سایر فناوری‌های موجود دارد، در صورتی که در پروژه های انبوه سازی به دلیل سرعت پایین اجرای عملیات نصب پانل‌های دیوار و سقف و تعدد پانل‌های پلی استایرن بسیار کندتر از سیستم قالب تونلی می‌باشد. هم اکنون با استفاده از روش تونلی انبوه‌سازان با برنامه ریزی مناسب می‌توانند یک طبقه را در دو روز اجرا نمایند. لازم به ذکر است در دو سیستم مورد بررسی موازی کردن اقدامات در قسمت‌های مختلف یک پروژه و ایجاد هم‌پوشانی های لازم بین فعالیت‌های مختلف اجرایی به سهولت و بدون بالا بردن هزینه‌های پروژه امکان پذیر است.

هزینه:

1) قطعات قالبی مورد استفاده در سیستم قالب تونلی معمولا چندکاره هستند و می‌توانند برای بخش‌های مختلفی از دیوار یا سقف ساختمان در نظر گرفته شود اما در سیستم ICF با توجه به باقی ماندن قطعات قالب در ساختمان هزینه تمام شده دیوارها و سقف ها بیشتر خواهد شد.

2) استفاده بیش از حد از میلگرد برای هم‌پوشانی از دیگر محدودیت‌هایی است که سیستم ICF را برای انبوه‌سازی نامناسب می‌کند. با توجه به این که برای سهولت اجرا میلگردهای عمودی کوتاه و با هم پوشانی متعدد در نظر گرفته می شوند دور ریز میلگردها و مصرف آن به طور محسوسی بیش تر از سیستم قالب تونلی است.

3) لایه‌های پلی استایرن استفاده شده در سیستم ICF با ضخامت وچگالی بالا به دلیل بحث صرفه‌جویی در مصرف انرژی نیست بلکه بیشتر به خاطر تامین مقاومت مورد نیاز قالب‌ها در مقابل فشار بتن است که همین موضوع باعث بالا رفتن هزینه کلی ساختمان خواهد شد. در صورتی که در سیستم قالب تونلی بعد از اجرای ساختمان و بتن‌ریزی، با توجه به میزان مورد نیاز، عایق‌های حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد و همین امر باعث صرفه جویی در هزینه‌ها می‌شود.

4) در سیستم ICF عدم نیاز به ماشین آلات و ابزار گران قیمت، هزینه های پروژه را کاهش می‌دهد. در حالی که در سیستم قالب تونلی با توجه به سنگین بودن قطعات قالب دیوار و سقف مورد استفاده، وجود جرثقیل و دیگر امکانات نصب الزامی است.

5) سیستم ICF به علت سبک بودن قالب‌ها قابلیت حمل در شعاع زیاد را دارد. علاوه بر آن به دلیل قابلیت ضربه پذیری قابل توجه آن‌ها، در حمل و نقل دچار آسیب جدی نمی‌شود. در صورت مونتاژ قالب در محل پروژه، قالب حجم کمتری را اشغال می‌کنند و به سادگی و با هزینه کمتری حمل می‌شوند. در سیستم تونلی نیز صرف نظر از قالبهایی که در زمان تجهیز کارگاه حمل می‌شوند، به قطعات بزرگ و سنگین نیازی نیست.

در ادامه چند نمونه دیگر از مباحث اجرایی این دو سیستم مقایسه می شود:

- از نقاط ضعف سیستم قالب تونلی عدم امکان جوابگویی به انتظارات عملکردی پارکینگ هاست. در عمل لازم است برای پارکینگ فضایی مجزا در نظر گرفته شود. اما در سیستم ICF امکان ایجاد پارکینگ در خود ساختمان وجود دارد.البته باید در طراحی آن ضوابط لازم در نظر گرفته شود تا از نظر مقاومتی در برابر زلزله سازه را دچار مشکل نکند.

- در سیستم تونلی تاسیسات قبل از بتن ریزی و در بین قالب‌ها قرار می‌گیرد، به همین دلیل امکان دسترسی به مدارهای تاسیسات الکتریکی در دوره بهره‌برداری وجود ندارد و در صورت بروز مشکل در اکثر موارد لازم خواهد بود مدار جایگزینی به صورت روکار اجرا شود در صورتی که در سیستم ICF عبور لوله‌های تاسیساتی با سوراخ کردن اسفنج پلی‌استایرن امکان پذیر است.

- در سیستم تونلی امکان تغییر ابعاد قطعات پس از تولید منتفی است. در نتیجه در صورت وجود اشتباه در ساخت قطعه تخریب و اجرای مجدد بخش‌های مورد نظر با دشواری و پیچیدگی‌های متعدد همراه است. در صورتی که در سیستم ICF در صورت اشتباه در ساخت قطعه در محل ساخت امکان برش قطعات وجود دارد. 

نتیجه‌گیری:

1- هر دو سیستم ICF و قالب تونلی به دلیل یکپارچگی اتصالات دیوار و سقف، رفتار لرزه‌ای خوبی را از خود نشان می‌دهند اما در مقایسه با یکدیگر، سیستم قالب تونلی به دلیل استفاده از میلگرد کمتر، سبک‌تر بوده و در نتیجه رفتار لرزه‌ای بهتری دارد.

2- در صورت رعایت نکات اجرایی، هر دو سیستم مقاومت خوبی در برابر آتش دارند اما اگر رطوبت بیش از حد مجاز باشد، سیستم ICF به دلیل داشتن دو لایه عایق پلی‌استایرن و عدم امکان تبخیر رطوبت اضافی، شرایط مخاطره‌آمیزتری نسبت به سیستم قالب تونلی دارد.

3- دو لایه پلی‌استایرن موجود در ICF، سبب می‌شود که این سیستم عملکرد حرارتی و آکوستیکی بهتری را نسبت به سیستم تونلی از خود نشان دهد.

4- در سیستم تونلی به دلیل نصب سریع‌تر قالب‌ها نسبت به سیستم ICF، سرعت اجرایی بالاتری دارد و برای انبوه‌سازی مناسب‌تر است.

5- در سیستم تونلی به دلیل استفاده کمتر از میلگرد و امکان کاربرد دوباره‌ی قالب‌ها، از منظر مصالح مورد استفاده هزینه کمتری نسبت به سیستم ICF دارد. اما در سیستم تونلی، ماشین‌آلات مورد استفاده گران قیمت‌تر هستند.