سقف کوبیاکس: مزیت ها، معایب و ضوابط اجرایی

سقف کوبیاکس (cobiax) یک نوع سقف جدید است که از نظر سازه ای بر مبنای سقف های دال بتنی دوطرفه اما متفاوت با آنهاست. این سقف که با الهام از ساختار پیچیده و حفره دار بال پرندگان طراحی شده با هدف سبک سازی ساختمان توسعه یافته است. در ادامه به معرفی این سقف نوین و بررسی مزایا و روش های اجرایی آن می پردازیم. با کافه ساختمان همراه باشید.

انواع سقف و ویژگیهای آنها

کوبیاکس چیست؟

اساس طراحی فن آوری Cobiax مبتنی است بر سقف سازه ای با ویژگی «سقف دال دو طرفه» مشابه سقف های بتنی دال دوطرفه مرسوم با این تفاوت که هسته بتن مرکزی در محل هایی که کاربرد سازه ای ندارد با گوی های توخالی جایگزین می گردد (جنس این گوی ها پلی اتیلن بازیافت یا پلی پروپیلن می باشد). بدین صورت که این گوی ها در حدفاصل مش های میلگردی بالا و پایین قرار می گیرند. با توجه به اینکه در دال های بتنی ۲ طرفه مشکل تحمل نیروی برشی وجود ندارد، مشکل طراحی این نوع سقف بر مبنای حذف قسمتی از بتن میانی و ایفای عملکرد دال ۲ طرفه می باشد. 

در فنآوری Cobiax با حذف بار مرده غیرسازه ای خاصیت باربری دو محوره همچنان حفظ می گردد. همچنین با شکل گیری غشای بتنی مستحکم در قسمت فوقانی و تحتانی دال به همراه شکل گیری شبکه تیرچه های داخلی در دو امتداد در اثر قراردهی گوی ها در سرتا سر فضای میانی دال بتنی می توان باربری مناسبی را برای این دال متصور شد. اجزای این سیستم عبارتند از:

1. بخش قفسه ای یا کیج ماژول (گوی های پلاستیکی به همراه مفتول های فولادی)
2. دال بتن آرمه

انواع کیج ماژول 

گوی های کوبیاکس به دو شکل موجود هستند:

1. کیج ماژول های منفرد (CBCM)
2. کیج ماژول های نیمه پیش ساخته (CBSP) که جهت انتقال به محل سایت مناسب بوده و مزایایی از  قبیل سرعت ساخت و ساز و همچنین صرفه جویی اقتصادی را دارا خواهند بود.

خط تولیدهای استاندارد کیج ماژول

گوی های کوبیاکس موجود در بازار معمولا در قطرهای بین 100 میلیمتر تا 450 میلیمتر هستند. کیج ماژول ها در دو خط تولید موجود هستند که عبارتند از:

1. گوی تخت یا اندازه کوچک یا اصطلاحا خط باریک (Slim-Line): که برای اسلب های با ضخامت معمولا بین 200 تا 350 میلیمتر رایج است. 
2. گوی کامل یا اندازه بزرگ یا اصطلاحا خط اقتصادی (Eco-Line): که برای اسلب های با ضخامت 350 میلیمتر تا بیش از 600 میلیمتر بکار می روند. 

طراحی کوبیاکس با الهام از بال پرندگان صورت گرفت. یکی از اساسی ترین مشخصه هایی که پرندگان را قادر به پرواز می سازد ساختار استخوان های آنهاست استخوان های یک پرنده با ساختاری فوق العاده موثر رشد می یابد. غشایی مستحکم با جداره ها و حفره های تودر تو که به گونه ای مناسب و حساب شده در محل خود قرار گرفته و پایداری معادل استخوان های توپر را به استخوان های پرنده می بخشد. حاصل ساختاری موثر است که جرم کمتری داشته و مواد سازنده  کمتری در آن مورد استفاده قرار می گیرد. این ساختار سبک و مستحکم پرنده را قادر به پرواز می کند. سبکی و دوام بالای این ساختار، الهام بخش مهندسان برای تولید سقف های کوبیاکس با وزن سازه بسیار کمتر نسبت به ساختارهای سنتی و در عین حال حفظ استحکام سازه شد. 

نمونه های کاربرد سقف کوبیاکس در پروژه های ساختمانی دنیا

به دلیل مزیت های فراوان کوبیاکس و بویژه سبکی و ویژگیهای عایق صوت و گرما (که در عایق کاری ساختمان و مبحث 19 مقررات ملی ساختمان اهمیت بسزایی دارد) استفاده از این نوع ساختار، کابرد آن در سازه های بزرگ مثل ورزشگاه ها، مجتمع های آپارتمانی بلند طبقه، ساختمانهای تجاری، ساختمان های مهم مانند موزه ها و دانشگاه ها و انواع دیگر ساختمان ها بسیار رایج شده است. از مزیت های این نوع سازه کاهش چشمگیر انتشار دی اکسید کربن به دلیل مصرف بتن کمتر است که برای کاهش ردپای کربنی شرکت های سازنده دارای اهمیت بسیار است. از جمله پروژه های شاخص اجرا شده و صرفه جویی های بدست آمده از دید وزن سازه و انتشار آلاینده ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

استفاده از کوبیاکس در ساخت طبقات و سقف

1. ورزشگاه ملی لهستان (تصویر 1)
   1. ضخامت اسلب: 40 سانتیمتر
   2. میزان کاهش وزن سازه: 34،935.5 تن
   3. مقدار کاهش انتشار CO2: برابر با 2،880 تن
2. ساختمان Elbphilharmon در آلمان (تصویر 2)
   1. ضخامت اسلب: 25 تا 45 سانتیمتر
   2. میزان کاهش وزن سازه: 1121.7 تن
   3. مقدار کاهش انتشار CO2: برابر با 90 تن
3. پروژه Codico در اتریش (تصویر 3)
   1. ضخامت اسلب: 52 سانتیمتر
   2. میزان کاهش وزن سازه: 611.8 تن
   3. مقدار کاهش انتشار CO2: برابر با 46 تن
4. پروژه موزه هنرهای میامی آمریکا (تصویر 4)
   1. ضخامت اسلب: 30 تا 71 سانتیمتر
   2. میزان کاهش وزن سازه: اطلاعاتی در دسترس نبود. 
   3. مقدار کاهش انتشار CO2: اطلاعاتی در دسترس نبود. 
5. پروژه مرکز یوفا در سوئیس (تصویر 5)
   1. ضخامت اسلب: 40 تا 60 سانتیمتر
   2. میزان کاهش وزن سازه: 2،396.3 تن
   3. مقدار کاهش انتشار CO2: برابر با 198 تن

تصویر (1) اسلب کوبیاکس برای اجرای طبقات ورزشگاه ملی لهستان

تصویر (2) تالار هنر Elbphilharmon در آلمان- اجرای سقف و طبقات با بتن کوبیاکس

تصویر (3) پروژه کوردیکو در اتریش- اجرای سقف و طبقات با اسلب کوبیاکس

تصویر (4) موزه هنرهای میامی آمریکا- سقف و طبقات با اسلب کوبیاکس ساخته شده است 

تصویر (5) استفاده از اسلب کوبیاکس برای اجرای سقف و طبقات در مرکز یوفا در سوئیس

استفاده از کوبیاکس در فونداسیون و پی

1. پروژه مرکز خرید مراکش (تصویر 6)
   1. خالص مساحت قابل اجاره (مساحت فروشگاهها): 18،000 متر مربع
   2. مساحت زیربنای کل: 45،000 متر مربع

تصویر (6) اجرای کوبیاکس در فونداسیون- مرکز خرید مراکش

استفاده از کوبیاکس در ساخت دیوارهای سبک

1. پروژه مدرسه آمریکایی الریحان در فلسطین (تصویر 7)
   1. مساحت پنل های دیوار: 14،416 متر مربع
   2. ویژگیهای عایق:
      1. عایق آب
      2. مقاومت در برابر آتش: 5 ساعت
      3. عایق صوتی: 43 تا 47 دسی بل

تصویر (7) اجرای کوبیاکس در سبک سازی دیوار- مدرسه آمریکایی فلسطین

 دلایل مناسب بودن فن آوری کوبیاکس برای ساخت و ساز در ایران

1. نیاز نداشتن به سرمایه گذاری زیاد برای احداث کارخانجات مواد اولیه
2. نیاز نداشتن به نیروی کار خیلی متخصص و امکان استفاده از نیروهای موجود
3. امکان احداث کارخانجات تولیدی در اقصی نقاط کشور
4. نداشتن وابستگی به خارج از کشور سازگاری با مباحث و مقررات ملی ساختمانی کشور
5. اقتصادی بودن فن آوری و امکان رقابت با نمونه های خارجی
6. انعطاف پذیری سیستم از دیدگاه معماری و سازه ای
7. امکان استفاده در ساختمان سازی صنعتی و انبوه با کاهش چشمگیر هزینه ها
8. سبک سازی سقف و کاهش آسیب زلزله
9. دوستدار محیط زیست بودن به دلیل ویژگیهای عایق و همچنین مصرف کمتر بتن که به کاهش انتشار دی اکسید کربن کمک شایانی می کند. 

ساختار کوبیاکس

در سیستم Cobiax اعضای دال سقف شامل بتن، آرماتور، توپی های توخالی پلاستیکی، و قفسه مسلح می باشد. توپی های توخالی در هسته مرکزی قفسه مسلح قرار گرفته و یک قفسه مدولار مسلح ایجاد می کند. این کیج مسلح مابین ۲ لایه آرماتور زیرین و رویین دال قرار گرفته و با حذف بتن غیرباربر از درون دال موجب سبک سازی آن می شود. در این سازه سیستم مقاوم در برابر نیروهای جانبی سازه شامل ترکیب دال و  ستون (تقریباً قاب ساده) و دیوار برشی بتنی با شکل پذیری متوسط می باشد.

1. بتن
2. آرماتور
3. توپی های توخالی پلاستیکی
4. قفسه مسلح

تصویر (3)، سقف کوبیاکس

مزایای فنی سیستم کوبیاکس 

1. باربری دو محوره
2. بهینه سازی المان های عمودی مانند ستون ها و دیوارهای برشی (ستون های لاغرتر، کاهش ۴۰ درصدی حجمی و عددی ستون ها)
3. بهینه سازی دال و فونداسیون (کاهش بارهای وارد بر پی، دال های تا ۳۰ درصد سبک تر)
4. بهینه سازی المان های سخت کننده (کاهش بارهای افقی)
5. کاهش ارتفاع کلی سازه (بهینه سازی ارتفاع سقف)
6. کنترل خیز بهتر
7. مقاومت بهتر در برابر نیروهای زلزله (کاهش اثر آسیب های لرزه ای، کاهش  ارتفاع و سبک شدن سازه)
8. حذف تمام تیرهای اصلی

مزایای معماری سیستم کوبیاکس

1. انعطاف پذیری در پلان معماری (کاهش تعداد ستون ها)
2. قابلیت پذیرش کاربری های گوناگون
3. سهولت تغییر کاربری افقی و عمودی
4. امکان اجرای کنسول تا ۷ متر
5. امکان ایجاد بازشو در هر شکل و اندازه در سقف
6. افزایش فضای مفید (قابلیت اجرای دهانه تا ۱۸ متر بدون اجرای ستون)

مزایای اقتصادی سیستم کوبیاکس 

1. کاهش مصرف بتن
2. کاهش المان های سازه ای
3. کاهش مصرف آرماتور
4. کاهش زمان ساخت
5. کاهش هزینه های اجرای تأسیسات (حذف تیرها و مشکلات ناشی از آویز تیرها)
6. کاهش ارتفاع کلی سازه به دلیل بهینه سازی ارتفاع سقف

قابلیت های کوبیاکس

کوبیاکس قابلیت انطباق با هر  گونه معماری را داراست. نحوه چیدمان گوی های توخالی، اندازه و شکل دال بتنی  بر اساس مقتضیات پروژه تعیین می گردند. کوبیاکس را می توان همراه با تکنیک  های ساختمانی از قبیل پس کشیدگی و یا سازه های مرب در دهانه بلندتر از ۱۸ متر مورد استفاده قرار داد.
اجرای تاسیسات الکترونیکی و  مکانیکی مشابه روش های سنتی و با قابلیت اجرا در ضخامت دال همانند جدول زیر می باشد. علاوه بر روش اجرای درجا، قابلیت اجرا به روش نیمه پیش ساخته نیز وجود دارد.

   جدول (1)، برآورد کوبیاکس

نکاتی پیرامون داده های جدول بالا

1. برآورد فوق بر اساس شرایط خاک نرمال تهیه گردیده و لذا بسته به شرایط خاک پروژه ممکن است مشخصات  فونداسیون و به تبع آن مقادیر کلی مصرفی مصالح تغییر یابد.
   این مبلغ بصورت عام اشاره شده و بدیهی است بنا به متراژ و موقعیت کار متغیر خواهد بود.
2. با عنایت به آنکه بر اساس استانداردهای مقررات ملی ساختمان ایران می بایست دیوار برشی جهت کنترل  نیروی زلزله در ساختمان های گروه دال تخت تعبیه گردد، لذا مقادیر مصالح فوق با فرض کفایت دیوار برشی و جانمائی مناسب آن در هر دو جهت طولی و عرضی  ساختمان برآورد گردیده است.
3. جدول فوق با فرض ساختمان های روی سطح زمین تهیه گردیده و چنانچه در ساختمانی بدلیل حضور طبقات منفی نیاز به دیوار حایل بتنی باشد، هزینه آن می باست جداگانه محاسبه گردد.
4. میزان میلگرد مصرفی بر مبنای کیلوگرم بر متر مربع زیربنا و بتن مصرفی متر مکعب بر متر مربع زیربنا می  باشد.
5. سیستم کوبیاکس از گروه سیستمهای دال ستونی می باشد. به نحوی که دال تخت بتنی بدون نیاز به تیر مستقیماً بر روی ستونها و دیوارهای برشی استقرار می یابد.

نحوه محاسبه هزینه تمام شده کوبیاکس

هزینه تمام شده ساختمان در بخش اجرای سازه (شامل فونداسیون، ستون، دیوار برشی و سقف) عبارت است از مجموع  هزینه های زیر در متر مربع زیربنا:

1. میلگرد مصرفی: میزان مقادیر میلگرد مصرفی بسته به نوع کاربری، تعداد طبقات، فواصل ستونها از جدول پیوست قابل استخراج می باشد.
2. بتن مصرفی: میزان بتن مصرفی بسته به نوع کاربری، تعداد طبقات و فواصل ستونها از جدول پیوست قابل استخراج می باشد.
3. خدمات و پشتیبانی کوبیاکس: هزینه خدمات و پشتیبانی کوبیاکس شامل دو بخش به شرح زیر می باشد:
   1. خدمات مهندسی شامل طراحی، محاسبات و تولید نقشه های سازه بر اساس سیستم کوبیاکس، آموزش گروه مجری سقف، حق امتیاز استفاده از فن آوری شرکت طراح در پروژه و نظارت بر مراحل اجرای سقف و سازه های دیگر
   2. تولید و تحویل کیج ماژولهای مورد نیاز
4. دستمزد و اجرا: کارفرما لازم است که برای اجرا سازه پیمانکار مورد تائید خود را انتخاب نماید. بدیهی است حق الزحمه پیمانکار بر اساس شرایط منطقه و قیمت های متداول روز  تعیین می شود.

1. مقایسه دال کوبیاکس با دال بتن توپر
2. در دهانه های یکسان 30-35% کاهش وزن و 5-10% کاهش ضخامت دال
3. در ضخامت دال یکسان کاهش وزن25-30% و افزایش دهانه5%
4. وزن یکسان دال ها 35-40%افزایش دهانه و 40-45%افزایش ضخامت

ضوابط اجرایی

1. استفاده از این نوع سقف به شرط رعایت ضوابط و محدودیت های ذکر شده در ذیل و مباحث ششم و نهم مقررات ملی ساختمان ایران، در ساختمانهای دارای دیوار برشی بتن مسلح مجاز است.
2. این ضوابط تنها برای سقفهای کوبیاکس با گویهای کروی شکل کاربرد داشته و سقف با گوی با اشکال غیر کروی را شامل نمیشود.
3. مجموع بار مرده روی این سقفها شامل پارتیشن، کفسازی و نازک کاری محدود به 260 کیلوگرم بر مترمربع بوده ضمن آنکه کاربرد این سقف تنها جهت پارکینگهایی که محل عبور اتومبیل سواری با حداکثر وزن 5/2 تن بابار متمرکز 1 تن می باشد مجاز است.
4. لازم است حداقل ضخامت بتن در اطراف گوی¬ها شامل بالا ، پائین و مابین دو گوی متوالی حداقل 5 سانتیمتر درنظر گرفته شود.
5. در طراحی از ظرفیت برشی فولاد مورد استفاده در قفسه گویها صرفنظر شود، با این حال میزان فولاد با امتداد قائم در این قفسه بایستی مطابق بند 9-12-6-3-1 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران با فرض bw برابر با حداقل فاصله بین دو گوی متوالی در هر جهت دال تأمین شود.
6. در طراحی برای برش در هر جهت دال، مقاومت برشی نهایی بتن (Vc) باید حداکثر 50 درصد مقدار محاسبه شده طبقه رابطه 9-12-4 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران و با فرض مقطع تمام پر بتنی محاسبه شود. در تمام نقاط دال که نیروی برشی نهایی (Vu) بیش از مقاومت برشی نهایی تأمین شده توسط بتن (Vc) باشد، دال باید به صورت توپر و بدون گوی اجرا شود.
7. در طراحی و کنترل برش در حالت حدی نهایی برای عملکرد دوطرفه در حوالی بارهای متمرکز و تکیه گاهها، مقارمت برشی نهایی بتن نباید حداکثر از 50 درصد مقداری که از بند 9-12-17-2-4 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران حاصل میشود بیشتر منظور شود.
8. طراحی دال برای خمش در هر جهت بنا بر جزئیات اجرایی و با منظور نمودن حفره ها با مقطع دایره، در ضعیف ترین مقطع دال انجام گیرد.
9. محاسبات تغییر شکل دال بر پایه بند 9-14-2-6-1 و با محاسبه دقیق ممان اینرسی موثر دال سوراخدار انجام گیرد. اضافه افتادگی درازمدت بر پایه بند 9-14-2-4-3 محاسبه شود.
10. ایجاد هرگونه بازشو در این نوع دال تابع ضوابط بند 9-15-3-5 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران می باشد.
11. در محل تقاطع دیوارهای برشی و دال کوبیاکس ، انتقال برش ناشی از زلزله از دال به دیوار باید در ضعیفترین سطح مقطع دیوار کنترل شده و در صورت نیاز از فولادگذاری برای تسهیل انتقال برش درون صفحه دیافراگم به دیوار بهره برده شود.
12. پیش بینی المانهای مرزی در اطراف بازشوها و لبه دال حسب مورد مطابق ضوابط طراحی آئین نامه ها و مقررات موجود انجام گیرد.
13. حداکثر دهانه (مرکز ستون به مرکز ستون) برای این نوع سقف در حالت کاربرد به صورت دال تخت به 5/6 متر محدود می شود. در صورت کاربرد این سقف در ترکیب با قاب خمشی بتن آرمه شامل تیر و ستون مجزا که به تفکیک از دال طرح شده باشد، محدودیت فوق الذکر برای دهانه دال به 8 متر افزایش می یابد.
14. استفاده از روش پیش دال تنها در حالتی که سقف و گوی ها در پیش دال درگیر بوده و فولادهای کششی در پیش دال پیش بینی شده باشد مجاز است.
15. الزامات مربوط به انرژی باید مطابق مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان ایران با عنوان «صرفه جویی در مصرف انرژی» رعایت شود
16. رعایت مبحث سوم مقررات ملی ساختمان ایران با عنوان «حفاظت ساختمانها در مقابل حریق» و همچنین الزامات نشریه شماره 444 مرکز تحیقات ساختمان و مسکن مربوط به مقاومت اجزای ساختمان در مقابل حریق با درنظر گرفتن ابعاد ساختمان، کاربری ووظیفه عملکردی اجزای ساختمانی الزامی است. تطابق شرایط و مشخصات مصالح و نحوه اجرا با مدرک فنی “P-SAC 02/III-187 General Test Certificate of Building Inspectorate-MFPA Leipzing Gmbh” نیز ضروری است.
17. درخصوص عایق بندی بام، عایق پلی استایرن منبسط شده (پلاستوفوم) مورد استفاده، لازم است تا از نوع کندسوز مطابق با استانداردهای معتبر باشد. این عایق پلی استایرن باید به وسیله حداقل 5/1 سانتیمتر اندود یا تخته گچی محافظت شود. اتصال مکانیکی اندود یا تخته به سازه بام ضروری می باشد.
18. صدا سقف بین طبقات باید مطابق مبحث هجدهم مقررات ملی ساختمان ایران با عنوان «عایق بندی و تنظیم صدا» تأمین شود.
19. کلیه مصالح و اجزا در این سیستم اعم از معماری و سازه ای از حیث دوام و مسائل زیست محیطی باید بر مبنای مقررات ملی ساختمان ایران و یا آئین نامه های معتبر بین المللی بکار گرفته شوند.
20. در شرایط مختلف اقلیمی و محیطهای خورنده ایران ، رعایت تمهیدات لازم از نظر دوام و پایایی اعضای بتنی ضروری است.

دال تخت کوبیاکس 

در حد فاصل مش های بالا و پایین به جای بتن غیر سازه ای گوی های پلاستیکی تو  خالی از جنس پلی اتیلن بازیافت شده قرار میگیرند. نتیجه این امر دالی است که  حدودا 35% وزن کمتری نسبت به یک دال مشابه توپر دارد.این امر سبب می گردد  که صرفه جویی قابل ملاحضه ای در وزن تمام شده سقف و نیز مواد اولیه و مصالح  کل ساختمان حاصل گردد.

سایر نکات طراحی کوبیاکس

در فناوری کوبیاکس بار مرده غیرسازه ای در دال سقف حذف و خاصیت مقاومت دو  محوره حفظ می گردد.همچنین با شکل گیری غشایی بتنی مستحکم در قسمت فوقانی و تحتانی دال به همراه شکل گیری شبکه تیرچه های داخلی در دو امتداد در اثر  قرار دهی گوی های توخالی در سرتاسر فضای میانی دال بتنی می توان باربری  بسیار مناسبی را برای این دال متصور شد.

جمع بندی

 در پایان می توان گفت بهره گیری از کوبیاکس دارای پنج کارکرد اصلی می باشد:

1. باربری دو محوره
2. دهانه های بلند بدون تیر
3. سبک سازی سازه
4. ستون های کمتر
5. مقاومت بالا در برابر زمین لرزه
6. امکان تغییر کاربری
7. کاهش زمان ساخت