سازه‌های چوبی
چوب از قدیمی‌ترین مصالحی است که در اختیار بشر قرار گرفته و به عنوان مواد اولیه در ساختمان سازی به کار می‌رفت. در فرهنگ‌های مختلف برای خانه از الوارهای چوبی و آجر استفاده می‌شد. اما با گذر زمان کماکان اعتبار و جذابیت خود را حفظ کرده است. چوب دوام بالایی دارد و بسیار سبک است. به راحتی می‌توان از آن به عنوان مصالح ساختمانی استفاده کرد. اما استفاده از سازه‌های چوبی در ساختمان باعث ایجاد ویژگی خاصی می‌شود که با تمام مصالح ساختمانی دیگر فرق دارد.
پس معماران باید اطلاعات ضروری در مورد چوب و نقش آن در سازه‌های چوبی داشته باشند تا بتوانند کیفیت طراحی را بالا برده و از مصالح بهینه استفاده کنند. در سراسر دنیا صدها نوع چوب در مقیاس‌های متعدد مورد استفاده قرار می‌گیرند که با یکدیگر تفاوت‌های اساسی داشته و هر کدام ویژگی‌های منحصر به فرد خودشان را دارند. اغلب از چوب در مراحل پایانی پروژه و برای زیباتر کردن کار استفاده می‌شود.
پیشینه موارد استفاده از چوب
استفاده از سازه چوبی در کشور ما قدمت زیادی دارد. در زمان‌های دورتر به دلیل نبود فلز، چوب کاربرد بسیاری در ساختمان‌ها داشته است. آثار چوبی ۴۲۰۰ سال پیش از میلاد در ایران کشف شده است. کاوش‌های باستان شناسی نشان می‌دهد که چوب در پوشش خارجی برخی از بناها، سقف‌ها و نعل درگاه‌ها و تیرها به کار رفته است.
هنگام استفاده از چوب، یک تکه از چوب، یک تیر یا تخته، قسمتی از ارگانیزم نباتی یک درخت و رشد کیفیت آن، منوط به محیط پیرامون آنها است. هیچ تکه چوبی با تکه‌ای دیگر یکسان نیست. ویژگی آنها در درجه اول به دو نوع درخت و در درجه دوم به وضعیت آن مطابق با تنه بستگی دارد.
ویژگی‌های تحمل باریک سازه چوبی اساساً با بارگذاری در عرض مسیر بافت یا موازی با آن تعیین می‌شوند. بنابراین نقشه‌ها باید حاوی اطلاعاتی درباره دستورالعمل نصب باشند. در برش‌ها، ها‌شورزدگی نشان دهنده آن است که آیا چوب در عرض یا به موازات بافت بریده شده است یا خیر. فرایند رشد به راحتی با نگاه کردن به برش عرضی تنه قابل فهم است. مطابق نوع چوب ناحیه بیرونی (قسمتی از درخت که منتقل کننده آب و شیره است) تمایز کمتر یا بیشتری با موارد کهن سال‌تر (برش‌های داخلی مغز چوب) دارا هستند. مغز چوب هیچ گونه نقش تغذیه‌ای ندارد و از این رو خشک‌تر از قسمت‌های حامل شیره گیاهی است.
درختان مغز چوبی دارای هسته تیره هستند و در میان آنها شیره روشنی وجود دارد. وجود چنین شیره‌ای در هسته درختان باعث می‌شود که به طور خاصی به عنوان درختان پایدار در برابر تغییرات آب و هوایی مورد توجه قرار گیرند. ا
انواع برش در چوب
به دلیل اختلافی که در حجم آب بخش شیره‌ای و هسته درخت وجود دارد، نرخ انقباض در این دو بخش متفاوت است. این اتفاق در حلقه‌هایی که سالانه ایجاد می‌شوند، دیده شده است. بنابراین الوارها رفته رفته خمیده می‌شوند. الوارها را می‌توان به طور مماس یا به صورت محوری برش داد. نوع برش‌ها بر مقدار حجم تاثیر می‌گذارد. در انواع مختلف چوب، مقدار انقباض در برش‌های مماسی بیشتر از برش‌های محوری است. این مقدار گاهی به بیش از دو برابر می‌رسد. انقباض طولی بسیار ناچیز است.
یکی از مهمترین مواردی که در سازه‌های چوبی باید به آن توجه داشت عامل تغییر مکان تغییر در چوب بر اثر انقباض و آماس است. برای این امر می‌توان در میان الوارها فاصله انداخت. تخته‌های الوار را می‌توان با یک پیچ از هم جدا کرد. این پیچ در میان الوارها یا در کناره‌ها قرار می‌گیرد. با این کار امکان حرکت عرضی برای الوار فراهم می‌آید. تفاوتی که در میزان این انقباض‌ها وجود دارد باعث می‌شود برش الوارهایی که از یک تنه ایجاد می‌شوند با زوایای مختلف انجام شده و هر کدام به نحو متفاوتی دچار خمیدگی شوند. قوس‌های ایجاد شده در الوارها، سبب می‌شوند حلقه‌های سالانه کوچکتر شوند. تنها تخته‌هایی که در مرکز تنه قرار دارند مستقیم باقی می‌مانند. البته بخش شیره‌ای درخت نیز لاغر می‌شود.
خلل و فرجی که در ساختار چوب وجود دارد یک عایق خوب محسوب می‌شود. چوب عایق گرمایی بهتری نسبت به مصالح ساختمانی دیگری است. انبساط حرارتی چوب با فولاد و بتن فرق دارد و این مقدار آن قدر ناچیز است که می‌توان در ساخت و ساز ساختمان آن را در نظر گرفت. چوب دارای چگالی خام بسیار کم است. این مشخصه باعث می‌شود توانایی نگهداری حرارت در آن نسبت به مصالح ساختمانی جامد دیگر مثل ملات یا بتن کمتر باشد.
توانایی تحمل بارگذاری
مطالعات انجام شده در آزمایشگاه روی اعضای سازه‌های چوبی نشان می‌دهد که اتصالات ساختمان‌های چوبی دارای استحکام خوبی هستند و استحکام واقعی ساختمان از میزان محاسبه شده آن بیشتر است. برآورد شده که امروزه با به کار گرفتن تکنولوژی جدید (مهندسی ارزش) می‌توان میزان مصرف چوب را در ساختمان حدود بیست تا سی درصد کاهش داد و این میزان صرفه جویی در ساخت تعداد بیشتر ساختمان‌های چوبی تاثیر گذار است.
بر خلاف ملات، چوب می‌تواند نیروهای کششی و فشاری را تحمل کند. اما به دلیل ساختار سلولی با قرار گرفتن در یک مسیر در حالت بحرانی قرار گیرد. اگر موازی بافت یا به عبارت دیگر در راستای محور طولی بارگذاری انجام شود، چوب می‌تواند چهار برابر نیروی فشاری را تحمل کند. در صورتی که هنگام اعمال نیرو در راستای شعاعی این گونه نیست. چوبها در برابر نیروی کششی زیاد واکنش نشان می‌دهند.
برای استفاده از چوب به عنوان مصالح ساختمانی باید نحوه قرار گیری الوارها توجه کرد. همچنین باید الوارها در راستای طولی تحت فشار قرار گیرند. در این حالت بیشترین مقدار نیروی فشار و کششی را می‌تواند تحمل کند. مقدار توانایی تحمل در برابر نیروها به ضخامت دیواره سلول الوراها و همین طور به چگالی چوب بستگی دارد.
چوب سخت
اصطلاح چوب سخت شامل الوراهای گردی که پوست درخت از روی آنها کنده شده یا برشی از چوب سخت باشند. الوراهای ساختمانی در کارخانه‌های چوب بری و الوارساز به صورت الوارهای مستطیلی تولید و به صورت عرضی و طولی برش خورده می‌شوند.
رایج‌ترین نوع الوارها در شمال و مرکز اروپا شامل چوب‌های کاج میلاد، صنوبر، کاج کاج اروپایی و یک نوع گیاه بلند همیشه بهار هستند. در آمریکا از گیاه همیشه بهار داگلاس، کاج کازولین و کاج قیدی برای الوراسازی استفاده می‌شود. این درجه بندی بر حسب مقدار مقاومت در برابر نیروها، ظاهر، ظرفیت رطوبت پذیری، محدودیت‌های موجود در عرض شکاف‌ها و همین طور کیفیت سطح انجام می‌شود. به کمک چسب می‌توان زبانه‌هایی که از هم جدا شده‌اند را به چسباند و با این کار استحکام چوب را در آن امتداد افزایش داد. این کار در الوارهای مستطیلی مرسوم است. همانطور که با چسباندن لایه‌های دو سه تایی می‌توان کیفیت الوراها را در برابر نیروها بهبود بخشید، می‌توان از ۲ یا ۳ الوار نیز استفاده کرد و آنها را به طور موازی به یکدیگر چسباند.
انتخاب چوب
باید از چوبی استفاده کرد که بسیار خشک باشد. باید توجه کرد که رطوبت موجود در چوب کمتر از ۲۰٪ است. در بسیاری از کشورها، چوبها را با توجه به مقاومت طبیعی آنها در برابر حشرات دسته بندی می‌کنند. این تقسیم بندی شامل هسته چوب درختان بلوط، اقاقیا، ساج و بنگومی است.
تقویت چوب
یکی از راه‌های احاطه بر نیروی افقی، مقاومت در برابر آنها است. اعضای مقاوم به فونداسیون ساختمان متصل می‌شوند و برای بالا بردن استحکام ساختمان به کار می‌روند. با این کار انعطاف پذیری صلبی ایجاد می‌شود و از جابه‌جایی‌های جانبی جلوگیری به عمل می‌آید. همین طور از تغییر بیش از حد ساختمان پیشگیری می‌شود. یکی از ساده‌ترین و ابتدایی‌ترین روش‌ها برای جلوگیری از بروز خسارت، استفاده از یک الوار بزرگ و نوک تیز است که آن را در زمین با فشار می‌رانند. و به این ترتیب از جابه‌جایی‌های کوچک ساختمان به خوبی جلوگیری می‌شود. مناسب‌ترین راه برای تقویت سازه‌های الواری، ایجاد یک سری دیوار و سقف صلب است.
سازه‌های چوبی مرسوم
سازه‌های چوبی مرسوم به وضوح جریان نیروها را در ساختمان آشکار می‌سازند. این نوع ساختمان‌ها به خاطر تمایز موجود در بخش‌های بارگذاری شده و بخش‌هایی که روی آنها باری اعمال نمی‌شود، جذابیت منحصر به فرد دارند. این جذابیت در بخش‌های میانی الوارها و دیوارها هم دیده می‌شود.
فضاهایی که میان بخش‌های بارگذاری عمودی باقی می‌مانند با نام پنل یا کوپه معرفی می‌شوند. بخش‌های عمودی در ساختارهای الواری با ملات، خاک رس و نوعی حصیر بافته می‌شوند تا از تبادل هوا جلوگیری کنند. با پوشش دهی بخش‌های بیرونی ساختمان از خروج هوا جلوگیری می‌شود. اما باید از داخل هم یک سری پوشش دهی مناسب انجام شود. در جایی که بخش‌های پر شده تحت تاثیر نیروها قرار نگرفته‌اند می‌توان یک سری بازشو در دیواره‌ها نصب کرد. پنجره‌ها نمی‌توانند به طور تصادفی در بین دیوارها قرار گیرند اما می‌توان با دخالت دادن الوارها، نقاط زیادی را به عنوان جای پنجره انتخاب کرد. پس در سازه‌های چوبی، راحت‌تر می‌توان برای هر اتاق نور کافی تامین کرد.
نوعی از سازه‌های چوبی وجود دارد که با زبانه دار شدن یا ایجاد شیار به هم متصل می‌شوند. با این کار قطعات با هم همتراز می‌شوند. همچنین از یک سری چوب‌های مورب دیوار استفاده می‌شود. که نیروها را منتقل می‌کنند. سردری‌ها و قطعات دیگر ساختمان هم با زبانه دار شدن و ایجاد شیار به متصل می‌شوند. در اتصالاتی که با زبانه دار شدن قطعات، در کنار هم قرار می‌گیرند، الوارها به سه دسته تقسیم شده و با ایجاد شیار و زبانه دار کردن قطعات با هم چفت می‌شوند. عمق نقاطی که در آنها زبانه قرار می‌گیرند نباید از ۴ سانتیمتر بیشتر باشد. با این کار بخش‌هایی که در آنها زبانه ایجاد شده، بی‌جهت تسلیم نیروهای وارده نمی‌شوند.
سبک سازی سقف
سبک سازی و کاهش وزت سازه‌ها، از مهمترین عواملی است که امروزه در طراحی و اجرای سازه‌ها در نظر می‌گیرند. به خصوص در مواقعی که منطقه‌ای زلزله خیز باشد در این مواقع دیده شده که هر چه بار سازه‌ها کمتر باشد، تلفات جانی کمتر است. چوب به عنوان ماده‌ای با وزن سبک خود می‌تواند کمک زیادی به ساخت سازه‌ها نماید. خانه‌های ساخته شده با قاب چوبی از دیرباز عملکرد خوب در مناطق زلزله خیز داشته‌اند. با توجه به ویژگی این سیستم‌ها (سریع سازی، آسان سازی، سبکی و …) می‌توان در مواقع اضطراری از این سازه استفاده کرد.
مهمترین دلایل کاربرد و ویژگی‌های این سیستم
- سبک سازی
- کاهش وزن ساختمان
- ارزان بودن مصالح نسبت به سایر مصالح ساختمانی
- محدود بودن خسارت اقتصادی به هنگام زلزله
- سازگار با محیط زیست
- عایق مناسب در برابر صوت
- امکان بازیافت به چرخه طبیعت
- زیبایی بصری و نمای جذاب
- نیاز به نیروی انسانی کمتر در ساخت سازه
- اجرای آسان و سریع سازه‌های چوبی
- ایمنی سازه به هنگام زلزله به دلیل سبک بودن سازه و قابلیت بالای جذب انرژی زلزله.
معایب سیستم‌های سازه‌های چوبی
با توجه به محاسناتی که هر سیستم سازه‌ای دارا است به طبع معایبی را نیز دارد که می‌توان این معایب را به حداقل رساند. به طور کلی این سیستم دارای معایب زیر است.
- ضعف در مقابل آتش سوزی
- خسارت اقتصادی در هنگام بروز زلزله در مقابل حفظ ایمنی جانی
- عدم استفاده در همه مناطق کشور
- نیاز به ماشین آلات متنوع در مواقعی که ساختمان به روش پیش سازی انجام می‌شود.
- عدم استفاده در همه اقلیم‌های منطقه ای موجود در ایران
- عدم استفاده دولت از این سیستم در پروژه های خود
- نبودن نمونه‌های موفق این سیستم در کشور حتی در مناطق شمالی کشور
در ساخت خانه‌های چوبی به معیارهای زیر توجه شده است.
- جنس و کیفیت سازه چوبی
- مکانیزم استفاده از چوب با مقاومت بالا
- استفاده از مصالح ساده، سبک و استفاده از عناصر مقاوم در برابر زلزله
ضوابط طراحی ساختمان‌های چوبی
همانند سایر سازه‌های متعارف قبل از شروع طراحی، ابتدا باید بارهای وارد به سازه‌های چوبی مشخص و معین باشد. این بارها باید توسط آیین نامه‌های ملی استاندارد ساختمان تهیه یا در غیاب وجود چنین آیین نامه‌هایی باید از آیین نامه معتبر دیگری استفاده نمود. به طور کلی بارهای وارده بر سازه‌های چوبی بر اساس یک ضابطه باری می‌تواند معرفی شود.
ضوابط بار
بارهای به طور کلی به دو قسمت بار زنده و بار مرده تقسیم می‌شوند. که بار مرده شامل وزن ساختمان و وزن کلیه اشیایی که به طور دائم در یک جا نصب می‌شوند. بار زنده به جز بار مرده به تمامی بارها شامل بار برف، باران، باد، زلزله، اشیای متحرک و انسان‌ها هستند. وزن بار مرده و زنده با توجه به نوع جنس مصالح ساختمانی متفاوت است. دهانه قابل اجرا برای سقف های چوبی ۲ متر هستند.
اطلاعاتی درباره بارهای وارده به بخش‌های یک ساختمان چوبی
| بار مرده |
نوع پوشش |
بار زنده |
محل باز |
| ۶۲ کیلو گرم / مترمربع |
کف – چوب سوزی برگ |
۸۴ کیلو گرم / مترمربع |
اطاق های خواب |
| ۱۱۲ کیلوگرم / مترمربع |
موزاییک و سرامیک |
۹۶ کیلوگرم / مترمربع |
سایر فضاها |
| ۴۲ کیلوگرم مترمربع |
آهن گالوانیزه و تیر چوبی |
۸۲ کیلوگرم / مترمربع |
سقف‌های شیروانی |
طراحی قسمت‌های مختلف سازه‌های چوبی
طراحی اعضای خمشی
اعضای خمشی سازه‌های چوبی جز با مختصر تفاوتی که به خواص چوب مربوط است. همانند فلز و بتن مسلح طراحی می‌شوند. در طراحی اعضای خمشی نکات زیر مهمند.
- خیز اعضای تحت بارهای سرویس
- تنش خمشی حاصل از بار موثر
- تنش برشی در سطح محور خنثی و در محل اتصال جان و بال
- تنش فشاری در محل تکیه گاه
طراحی اعضای فشاری
ستونهای چوبی
اکثر ستونهای چوبی دارای مقطع مربع مستطیل هستند. برای حالتی که در دو انتهای اتصال طولانی دارند، طراحی می‌شوند. مهندسان، ستونهای چوبی را بر اساس ضریب لاغری و مساعد بودن به کمانش به سه دسته تقسیم می‌نمایند.
ستونهای کوتاه: ضریب لاغری ستونهای کوتاه کمتر است. شکست ستونهای کوتاه تحت بار، به علت خرد شدن چوب در جهت الیاف صورت می‌گیرد. بار مجاز ستونهای کوتاه بر مبنای مقاومت فشاری چوب، موازی الیاف و سطح مقطع آنها تعیین می‌شود.
ستونهای بلند: آن دسته از ستون‌هایی که از تئوری کمانش اولر تبعیت می‌کنند. ضریب لاغری ستونهای بلند، وابسته به مدول الاستی سیته و مقاومت فشاری چوب است. ستونهای بلند تحت بار کمتر کمانش حاصل می‌کنند.
ستونهای متوسط: ضریب لاغری ستونهای متوسط رقمی بین ۱۱ است.
طراحی و روش ساخت سازه‌های چوبی
در رابطه ساخت و طراحی سازه‌های چوبی اعم باید موارد زیر مورد بررسی قرار گیرد.
- سیستم‌های فونداسیون
- سیستم‌های کف
- سیستم‌های دیوار
- سیستم‌های بام و سقف
