سقف وافل (Waffle Slab) نوعی سقف بتنی مسلح با ساختار مشبک و قابلمه ای شکل است که به دلیل کارایی بالا در ساخت سازه و قابلیت پوشش دهانه های بزرگ، به یکی از پرکاربردترین سیستمهای سقفی در پروژه های عمرانی تبدیل شده است. این سقف با کاهش مصرف مصالح و وزن خود، اقتصادیتر و سبکتر از سقف های بتنی است .
سقف بتنی چیست؟
سقف بتنی به سقفی گفته میشود که از بتن مسلح (بتن آرمه) به عنوان ماده اصلی تشکیل دهنده در آن استفاده می شود. بتن به دلیل مقاومت فشاری بالا و قابلیت شکل پذیری، مادهای ایده آل برای ساخت سقف محسوب میشود. سقف های بتنی میتوانند به صورت مسلح یا غیرمسلح (ساده) ساخته شوند که نوع مسلح آن به دلیل وجود میلگردهای فولادی، مقاومت کششی بالاتری دارد .
انواع سقف بتنی
سقف های بتنی در انواع مختلفی اجرا میشوند که هر کدام ویژگیها و کاربردهای خاص خود را دارند:
- دال تخت (Flat Slab): سقفی بتنی بدون تیر که مستقیماً روی ستونها قرار میگیرد. این نوع سقف برای ساختمانهای مسکونی و تجاری مناسب است .
- دال مشبک (Waffle Slab): سقفی با ساختار شبکهای که شامل تیرچههای متقاطع است. این سقف برای دهانههای بزرگ و بارهای سنگین ایدهآل است .
- دال یک طرفه (One-way Slab): این نوع سقف بتنی بارها را فقط در یک جهت منتقل میکند و معمولاً برای دهانههای کوتاهتر استفاده میشود .
- دال دو طرفه (Two-way Slab): در این نوع سقف، بارها از دو جهت منتقل می شود و برای دهانههای مربعی یا شبیه به مربع مناسب است .
- دال مجوف (Hollow Core Slab): این نوع سقف بتنی دارای حفرههای طولی برای کاهش وزن و بهبود خواص عایقی است .
- دال پیشساخته (Precast Slab): سقف های بتنی پیش ساخته در کارخانه تولید می شوند و با سرعت بالایی در محل نصب می شوند.
سقف وافل چیست؟
سقف وافل نوعی دال بتن مسلح با ساختار شبکهای است که از تیرچههای متقاطع در دو جهت تشکیل شده است. سطح زیرین این سقف شبیه بیسکویت وافل است و به همین دلیل به این نام شناخته میشود. وزن این سقف با حذف بتن غیرضروری از مناطق کششی، کاهش یافته و در عین حال مقاومت خمشی و برشی بالایی را حفظ میکند .
تاریخچه سقف وافل
ایده اولیه سقفهای وافل به دوره هخامنشیان (حدود ۲۵۰۰ سال پیش) بازمیگردد. در تخت جمشید از الوارهای چوبی عمود بر هم برای پوشش سقف استفاده شده که شباهت زیادی به سقفهای وافل امروزی دارد. در یونان باستان نیز در بنای آکروپلیس (۴۲۹-۴۶۱ قبل از میلاد) و معبد پانتئون رم (۱۱۸ میلادی) از این سیستم استفاده شده است .
در نقاشی “شام آخر” اثر لئوناردو داوینچی نیز میتوان نمونهای از سقف وافل را مشاهده کرد که نشاندهنده کاربرد این سیستم در دوران رنسانس است .
در ایران، اولین بار در سال ۱۳۵۴ در ایستگاه راهآهن اصفهان از سقف وافل استفاده شد. از دیگر پروژههای مهم با این سیستم میتوان به کتابخانه ملی، فرودگاه تبریز، و راهآهن تهران اشاره کرد .
مشخصات سقف وافل
جدول زیر مشخصات فنی معمول سقف وافل را نشان میدهد:
پارامتر | مقدار معمول | توضیحات |
ضخامت کل دال | ۲۵۰-۵۰۰ میلیمتر | متداولترین ضخامت: ۳۵۰ میلیمتر |
ضخامت دال فوقانی | ۸۵-۱۰۰ میلیمتر | – |
عرض تیرچه | ۱۰۰-۱۵۰ میلیمتر | متداولترین عرض: ۱۲۰ میلیمتر |
فاصله محور تا محور تیرچه | ۶۰۰-۹۱۵ میلیمتر | فاصله توصیهشده: ۸۰۰ میلیمتر |
حداکثر دهانه سقف | تا ۱۶ متر | بستگی به طراحی سازه دارد |
نسبت ضخامت به دهانه سقف | ۱ به ۲۴ | برای محاسبات اولیه |
انواع سقف وافل
انواع سقف وافل معمولا به دو نوع یک طرفه و دو طرفه تقسیم بندی میشوند. اما، دستهبندی دیگری بر اساس جنس قالب نیز وجود دارد که شامل قالب های پلاستیکی یک بارمصرف (متداولترین نوع) و قالب های فلزی چند بار مصرف (برای پروژههای عظیم و تکرارشونده) میشود.
الف) سقف وافل یک طرفه
در این نوع سقف، تیرچه ها فقط در یک جهت قرار گرفته و بارها را در یک جهت منتقل میکنند. این سیستم شبیه سقف تیرچه بلوک عمل میکند ولی با قالب های پلاستیکی غیرماندگار اجرا میشود. از سقف وافل یک طرفه بیشتر برای دهانه های کوتاهتر (معمولاً کمتر از ۹ متر) استفاده میشود .
ب) سقف وافل دو طرفه
در سقف وافل دو طرفه، تیرچهها در دو جهت عمود بر هم قرار گرفته و بارها را در دو جهت منتقل میکنند. این سیستم برای دهانه های بزرگتر (معمولاً بیشتر از ۹ متر) مناسب است و زیبایی بیشتری در سطح زیرین سقف ایجاد میکند .
جدول مقایسه انواع سقف وافل:
ویژگی | نوع یک طرفه | نوع دو طرفه |
جهت انتقال بار | یک جهت | دو جهت |
حداکثر دهانه | کمتر از ۹ متر | بیشتر از ۹ متر |
شکل قالب | مستطیلی | مربعی |
مصرف میلگرد | کمتر | بیشتر |
هزینه اجرا | کمتر | بیشتر |
کاربرد | دهانههای کوتاه | دهانههای بزرگ |
حداکثر دهانههای سقف وافل
قابلیت پوشش دهانه های سقف وافل تا ۱۶ متر است که این ویژگی آن را برای ساختمانهای با دهانه بزرگ ایدهآل میکند. برای دهانههای بیش از ۱۲ متر، معمولا از سقف وافل دو طرفه استفاده میشود .
کاربردهای سقف وافل
سقف وافل به دلیل ویژگی های منحصر به فرد سازهای و معماری، یک انتخاب ایدهآل برای بسیاری از پروژه های بزرگ و خاص محسوب میشود.
این نوع سقف به دلیل وزن کم، مقاومت خمشی بسیار بالا و توانایی پوشش دهانه های گسترده بدون نیاز به ستون های میانی، به گزینهای برتر در پروژه های باکیفیت و بزرگ تبدیل شده است.
این سیستم سازهای به طور گسترده در سالن های ورزشی، استخرها و سالن های همایش استفاده میشود، چرا که نه تنها فضای باز و بدون مانع مورد نیاز را فراهم میکند، بلکه شکل هندسی زیبای سطح زیرین آن به عنوان یک المان معماری نمایان (Exposed Architectural Feature) کاربرد دارد.
در پایانه های مسافربری مانند فرودگاه ها و ایستگاه های قطار، این سقف توانایی تحمل بارهای سنگین و همچنین عبور راحت تاسیسات گسترده برق، تهویه و اطفاء حریق از بین تیرچه ها را دارا میباشد.
همچنین، در مراکز تجاری بزرگ (پاساژها) و فروشگاههای زنجیرهای، این سقف انعطافپذیری لازم برای تغییر دکوراسیون داخلی و ایجاد بازشوهای موقت را فراهم میکند.
کتابخانه ها، موزه ها و گالری ها نیز از دیگر کاربردهای متداول هستند، چرا که نورپردازی غیرمستقیم از داخل حفره های سقف، فضایی چشمگیر ایجاد می کند.
استفاده از این سقف در پارکینگ های طبقاتی به دلیل کاهش تعداد ستونها و ایجاد دید بهتر و مانور راحتتر برای خودروها، و نیز در ساختمان های صنعتی و کارگاه های بزرگ که به فضای باز و عاری از ستون و توانایی نصب جرثقیلهای سقفی نیاز دارند، کاملاً توجیه اقتصادی و فنی دارد.
بیشترین کاربرد سقف وافل در سازه های زیر است:
- سالنهای ورزشی و استخرها
- فرودگاهها و ایستگاههای قطار
- مراکز تجاری و فروشگاههای بزرگ
- ساختمانهای عمومی )کتابخانهها، موزهها، تئاترها(
- پارکینگهای طبقاتی
- ساختمانهای صنعتی و کارگاهها
نحوه طراحی سقف وافل
طراحی سقف وافل (Waffle Slab) یکی از موضوعات پیشرفته در مهندسی سازه است که نیاز به دقت و رعایت اصول خاصی دارد. اصول پایه طراحی سازه سقف وافل را میتوان در ۷ مرحله زیر خلاصه کرد:
- تعیین ضخامت دال (Slab Thickness)
- تعیین ضخامت قالب وافل (Waffle Formwork Thickness)
- طراحی خمش دال (Bending Design)
- طراحی برش دال (Shear Design)
- کنترل برش ناشی از خمش (Control of Shear Caused by Bending)
- کنترل تغییر شکل (Deflection Control)
- طراحی سقف در نرمافزارهای تخصصی (مانند ETABS و SAFE)
تعیین پارامترهای کلیدی طراحی
طراحی سقف وافل به انتخاب بهینه مجموعهای از پارامترهای وابسته به هم بستگی دارد که مهمترین آنها عبارتند از:
- ضخامت دال فوقانی (معمولا ۵ تا ۱۰ سانتیمتر)،
- ابعاد تیرچه ها (عرض حداقل ۱۰ سانتیمتر و عمق متناسب با آن)،
- فاصله بین محور تیرچه ها (معمولا ۶۰ تا ۱۲۰ سانتیمتر)
- و همچنین در نظر گرفتن دقیق تمام بارهای مرده و زنده مطابق آییننامه
کنترل تغییر شکلهای بلندمدت و کوتاهمدت (خیز) نیز از ملاحظات اساسی است که غفلت از آن میتواند منجر به ترکخوردگی و مشکلات عملکردی شود.
پیاده سازی طراحی در نرمافزارها
فرآیند طراحی به صورت ترکیبی در نرمافزارهای ETABS و SAFE انجام میپذیرد؛ در ETABS با تعریف مقطع وافل و اختصاص آن به سقف، تحلیل کلی سازه تحت بارهای مختلف انجام شده و سختی سقف برای اهداف تحلیلی مختلف (مانند تحلیل بار جانبی یا کنترل تغییرمکان) با ضرایب مناسب اصلاح میشود. سپس مدل برای طراحی دقیقتر به SAFE منتقل شده و در آنجا با مش بندی ریز، اعمال ضرایب ترک خوردگی برای تیرها و دال، و انجام کنترلهای نهایی مانند برش پانچ در اطراف ستونها، طراحی جزئیات آرماتورگذاری تکمیل میگردد.
تایید قابلیت اجرا در محل
یک طراحی موفق باید قابلیت اجرا در محل را داشته باشد، بنابراین هماهنگی کامل بین ابعاد طراحی شده و ابعاد قالبهای پلاستیکی یا فلزی مورد استفاده در سایت ضروری است. از دیگر ملاحظات مهم، پیشبینی مسیرهای عبور تاسیسات برقی و مکانیکی با استفاده از غلاف های از پیش تعبیه شده برای جلوگیری از آسیب زدن به تیرچهها، و نیز دقت در اجرای سیستم زیرسازی قالب بندی و بتن ریزی برای جلوگیری از تغییر شکل قالب ها است.
نحوه اجرای سقف وافل
پس از طراحی سقف وافل، مرحله اجرای سقف وافل شروع می شود که نیاز به دقت و نظارت بالا دارد و طی مراحل زیر به صورت دقیق انجام میگیرد:
- قالببندی زیر سقف (Molding under the ceiling)
ایجاد یک سازه نگهدارنده قوی و کاملا تراز شده زیر سقف، ضرورت مطلق این مرحله است؛ این سیستم شامل نصب جکهای سقفی با فاصلهای مطابق محاسبات، تیرهای حمال (ژوال) و سپس پوشاندن آن با ورقهای تخته چندلای مقاوم یا ورقهای فلزی صاف است که سطحی یکدست را برای استقرار قالبهای وافل فراهم میآورند.
در این مرحله، سیستم نگهدارنده و زیرسازی سقف شامل جکها، قوطی های فلزی و صفحه های زیرساز به دقت نصب و تراز میشوند. این سیستم باید توانایی تحمل بار بتن مرطوب را بدون هیچ گونه تغییر شکلی داشته باشد. رعایت فواصل استاندارد جکها (معمولاً ۱ تا ۱.۵ متر) و استفاده از صفحات فلزی در زیر جکها برای جلوگیری از پانچ شدن سقف طبقه زیرین ضروری است.
دقت در تراز بودن کامل این سطح و آغشته کردن آن به روغن قالب بندی برای جلوگیری از چسبندگی بتن، تضمینکننده کیفیت نهایی سطح زیرین سقف و سهولت در عملیات قالببرداری است.
- نصب قالبهای PSP (Installing PSP templates)
قالب های پلیپروپیلن (PSP) که شکل دهنده شبکه تیرچه های سقف هستند، به صورت منظم و مطابق نقشههای اجرایی بر روی سطح زیرسازی چیده میشوند. فاصله بین این قالبها که تعیین کننده عرض تیرچه های بتن آرمه است باید با دقت میلیمتری رعایت شده و هر قالب به طور محکم به صفحه زیرین و به قالب های مجاور بسته شود تا از هرگونه جابجایی یا شناور شدن آنها تحت فشار بتن جلوگیری به عمل آید. نحوه چیدمان معمولا از مرکز دهانه آغاز شده و به سمت گوشه ها ادامه مییابد.
۳. آرماتوربندی (Rebar Placement)
آرماتوربندی قلب اجرای سقف وافل است که در دو مرحله انجام میپذیرد:
- ابتدا قفسه های میلگردی اصلی که شامل میلگردهای طولی و عرضی (اغلب سایز ۱۰ تا ۱۶) هستند درون فضای خالی بین قالبها (دندهها) جایگذاری می شود.
- سپس یک شبکه میلگرد حرارتی سبکتر (معمولاً سایز ۶ یا ۸) بر روی قالبها و در کف دال بالایی قرار میگیرد.
استفاده از پوشش بتن مناسب برای میلگردها با استفاده از لقمه های پلاستیکی و بستن تمامی محل های تقاطع با سیم آرماتوربندی برای حفظ یکپارچگی سازه ای، از الزامات غیرقابل چشم پوشی این مرحله است.
۴. بتن ریزی (Concreting)
بتن ریزی، مرحلهای حساس و نیازمند دقت بالا است؛ بتن مورد استفاده باید دارای عیار مشخص (عموما C25 به بالا) و دارای اسلامپ بسیار پایین (حدود ۵ تا ۷ سانتیمتر) باشد تا از تغییر شکل قالب های پلاستیکی تحت فشار وزن آن جلوگیری کند. عملیات ویبره کردن بتن با ویبراتور سوزنی برای خروج حباب های هوا و رسیدن به تراکم مطلوب نیز کاملا ضروری است، به طوری که باید از تماس ویبراتور با قالب ها و میلگرد ها اجتناب شود. در نهایت، سطح بتن ریخته شده باید کاملا تراز و با ماله مکانیکی پرداخت گردد تا آماده عملیات عمل آوری شود.
۵. عمل آوری (Curing)
عمل آوری صحیح بتن برای کسب مقاومت نهایی و جلوگیری از ترک خوردگی حیاتی است. در این مرحله، بلافاصله پس از گیرش اولیه بتن (حدود ۶ تا ۱۲ ساعت پس از بتنریزی)، سطح سقف باید با نایلون، گونی خیس یا کاورهای مخصوص عمل آوری پوشانده شده و به مدت حداقل ۷ روز مرطوب نگه داشته شود.
۶. قالب برداری (Striking)
زمان قالب برداری کاملا به مقاومت کسب شده بتن بستگی دارد و باید مطابق نظر مهندس ناظر باشد. این زمان معمولا بین ۷ تا ۱۴ روز (بسته به شرایط دمایی و رطوبتی) طول میکشد. قالببرداری باید به صورت اصولی و با اولویت بندی انجام شود: ابتدا قالب های کناری و سپس جک های میانی برداشته میشوند. جک های زیر تیرهای اصلی (Backpropping) باید برای مدت بیشتری (حتی تا ۲۸ روز) نگه داشته شوند.
۷. نازک کاری (Finishing)
سطح زیرین سقف وافل زمانیکه قالبها برداشته شده اند، به دلیل شکل هندسی زیبا، می تواند به عنوان سقف کاذب نمایان (Exposed Ceiling) مورد استفاده قرار گیرد و تنها نیاز به رنگآمیزی دارد. در صورت نیاز به سقف کاذب، میتوان از سیستمهای سبک مانند رابیتس و سیمان کاری یا کناف در زیر آن استفاده کرد.
الزامات آییننامه ها و کنترلهای ضروری برای اجرای سقف وافل
رعایت دقیق ضوابط آییننامهای شامل مبحث نهم مقررات ملی، دستورالعمل طراحی و اجرای سقفهای تیرچه بلوک (نشریه ۵۴۳) و نشریه ۵۵ سازمان مدیریت پایه ایمنی طراحی است. از مهمترین کنترل های حیاتی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
ضوابط نگهداری و مونتاژ قالب وافل
قالبهای وافل باید به صورت کاملا تراز و حداکثر در ۱۰ ردیف انباشته شوند. اتصال قالبهای مدولار با پیچ و مهره گالوانیزه شماره ۶ با طول ۳ سانتیمتر و دو واشر فنری انجام میشود. از سفت کردن بیش از حد پیچها باید خودداری گردد. برای افزایش دوام و تمیزی سطح قالب، از مقدار کمی روغن مخصوص استفاده شده و پس از سه بار استفاده، قالبها نظافت شوند. قالب مونتاژ شده در جهت تیرها بر روی زیرسازی قرار گرفته و لبه قالبها در پشت آویز تیرها قرار میگیرند. انبار کردن قالبها باید در فضای سرپوشیده و به دور از بارندگی انجام شود.
ضوابط قالب بندی
قطعات رویه قالب باید به صورت کامل به هم جفت شوند تا از هدررفت شیره بتن جلوگیری شود. قالب ها باید عاری از هرگونه آلودگی و مواد خارجی باشند. زمان قالب برداری باید مطابق جداول استاندارد انجام شود. برای دهانه های کمتر از ۷ متر، برداشتن کل قالب مجاز است ولی برای دهانه های بزرگتر، قالب برداری باید بدون جابجایی پایههای اطمینان انجام شود. پایههای اطمینان طبقه زیرین باید حداقل تا یک هفته با فواصل حداکثر ۲ متری حفظ شوند.
ضوابط زیرسازی، بتنریزی و قالببرداری
جک های زیرسازی باید کاملاً صاف، سالم و به شکل شاقول مهار شوند. در زیر جکها باید صفحات فلزی برای جلوگیری از پانچ قرار داده شود. ابعاد پروفیلهای زیرسازی حیاتی است و فواصل پایه های اطمینان نباید از ۱.۵ متر تجاوز کند. در محل اتصال قالب به تیرها باید از میخ یا سیم برای جلوگیری از لغزش استفاده شود. کاور میلگرد باید با اسپیسرعایت شده و ویبره زدن کامل بتن ضروری است. برای عبور تاسیسات باید از غلافهای پولیکا استفاده شود.
ملاحظات اجرایی ویژه
حداقل ضخامت دال روی تیرچه ۵ و حداکثر ۱۰ سانتیمتر است. برای اکسپوز بهتر باید از روانکننده استفاده شود. در محلهایی که امکان استفاده از قالب وجود ندارد، باید از تخته و بلوک سبک استفاده گردد. برای جداسازی قالب باید از دیلم فلزی کوچک استفاده شده و از فشار بیش از حد خودداری شود. در صورت اجرای صحیح، قالب به راحتی از بتن جدا میشود.
مزایا و معایب سقف وافل
سقف وافل با مزایای قابل توجهی دارد که امکان پوشش دهانه های بزرگ (تا ۱۶ متر) بدون نیاز به تیرهای میانی، مقاومت خمشی و برشی بالا را فراهم می کند. با اینحال، هزینه بالای قالب بندی اولیه، نیاز به نیروی متخصص و نظارت دقیق برای اجرای صحیح جزئیات آرماتوربندی و بتن ریزی، کاهش ارتفاع مفید طبقه به دلیل عمق بیشتر سقف، و پیچیدگی اجرای تاسیسات برقی و مکانیکی که باید از بین تیرچه ها عبور داده شوند، از مهم ترین معایب این سیستم به شمار میآیند.
مزایای سقف وافل
- سبکی وزن نسبت به سقف های بتنی مسطح
- صرفه جویی در مصالح (۳۰% بتن کمتر و ۲۰% فولاد کمتر)
- پوشش دهانه های بزرگ بدون نیاز به ستون های میانی
- مقاومت بالا در برابر بارهای مرده و زنده
- کنترل ارتعاشات و کاهش لرزش
- زیبایی ظاهری و امکان استفاده به صورت نما
- سرعت اجرای بالا نسبت به سایر سیستم های سقف
- عایق حرارتی و صوتی نسبتا خوب
معایب سقف وافل
- هزینه قالب بندی اولیه نسبتا بالا
- نیاز به نیروی متخصص برای اجرای صحیح
- مشکل در اجرای تأسیسات به دلیل ساختار شبکه ای
- عدم امکان اجرا در سطوح شیبدار
- نیاز به ارتفاع بیشتر بین طبقات
- عدم مناسب بودن برای مناطق با بادهای شدید
هزینه سقف وافل نسبت به تیرچه
هزینه اجرای سقف وافل در مقایسه با سیستمهای سنتی مانند تیرچه بلوک، به عوامل مختلفی بستگی دارد. اگرچه هزینه اولیه سقف وافل ممکن است بیشتر باشد، اما به دلیل کاهش مصرف مصالح و سرعت اجرای بالاتر، در پروژههای بزرگ میتواند اقتصادیتر باشد .
به طور کلی، هزینه سقف وافل در پروژههای بزرگ با دهانههای طولانی به صرفه تر ست در حالی که برای ساختمان های کوچک، سیستم تیرچه بلوک میتواند مقرون بهصرفهتر باشد.
مقایسه سقف وافل با سایر سقفها
ویژگی | سقف وافل | سقف تیرچه بلوک | سقف دال تخت |
وزن | سبک | متوسط | سنگین |
حداکثر دهانه | تا ۱۶ متر | تا ۷ متر | تا ۶ متر |
مصرف مصالح | کم | متوسط | زیاد |
هزینه اجرا | متوسط | کم | زیاد |
زمان اجرا | سریع | متوسط | کند |
زیبایی ظاهری | بالا | پایین | متوسط |
کنترل ارتعاش | عالی | متوسط | ضعیف |
نتیجهگیری
سقف وافل به عنوان یک سیستم سازهای کارآمد، با قابلیت پوشش دهانههای بزرگ و کاهش مصرف مصالح، گزینه مناسبی برای پروژههای بزرگ و خاص محسوب میشود. با این حال، موفقیت در اجرای این سیستم مستلزم طراحی دقیق و اجرای صحیح توسط نیروهای متخصص است.
برای پروژههای با دهانههای متوسط و کوچک، سیستمهای سنتی مانند تیرچه بلوک ممکن است گزینه اقتصادیتری باشند. در نهایت، به خاطر داشته باشید که انتخاب نوع سقف باید بر اساس ملاحظات فنی، اقتصادی و معماری هر پروژه به صورت خاص انجام شود.
https://pspwaffle.com/en/history-of-waffle-roof/
https://www.archdaily.com/998106/what-is-a-waffle-ceiling-47-interiors-that-live-life-under-the-grid
https://pspwaffle.com/en/home-page/