ستون‌های مرکب

ستون‌های مرکب

• استفاده از بتن به همراه فولاد در سازه‌ها می‌تواند نقش مؤثری در بهبود رفتار سازه یعنی افزایش مقاومت و شکل پذیری، ایفا نماید. در بسیاری از موارد در سازه‌های فولادی که ضوابط شکل پذیری قابل ملاحظه را ارضا نمی‌کنند، استفاده از بتن در ستون‌ها و به کار بردن قشر بتنی فوقانی در آنها همراه با آرماتور بندی مناسب، در ارتقاء رفتار لرزه‌ای با جلوگیری از کمانش‌های جزئی و کلی، تأمین دیافراگم مؤثر، بهبود جریان انتقال تنش‌ها، جایگزینی به عنوان ورق پیوستگی، کاهش اعوجاج ناحیه پانلی، بهبود قابل ملاحظه رفتار و عملکرد اتصال، تأمین یکپارچگی و انسجام سیستم برای مقابله با گسیختگی پیشرونده و تأمین مقاومت جانبی با شکل پذیری مطلوب، میسر خواهد بود.

اثرات استفاده از بتن در سازه فولادی

• برای مطالعه اثرات استفاده از بتن در سازه فولادی، بهترین روش مدل کردن اتصالات است. زیرا اولاً مدل کردن کل سازه کاری دشوار و کم فایده است و ثانیاً مدل کردن سایر اجزاء سازه نمی‌تواند به خوبی اثرات استفاده از بتن را در تقویت سازه، نشان دهد. ولی به این علت که اتصال حساس‌ترین قسمت سازه است و روش به کار گرفته شده که شامل استفاده از بتن در داخل ستون، استفاده از سخت کننده در ستون، استفاده از قشر بتنی در کف و … است. اثر خود را بر روی اتصال خواهد گذاشت، لذا مدل کردن اتصال و بررسی رفتار آن بیانگر رفتار سازه است. برای مدل کردن اتصال، پیچیدگی‌های زیادی وجود دارد. با توجه به اینکه اتصال به عنوان یک جزء سازه مورد بررسی قرار می‌گیرد، بایستی اندرکنش سایر اجزاء سازه نیز با آن منظور شود. چرا که اگر اتصال بدون اعمال شرایط سازگاری با سایر قسمت‌های سازه یعنی تیر، ستون و … مورد بررسی قرار گیرد، نمی‌توان مدعی شد که اتصال مدل شده، رفتار کاملاً مشابهی با اتصال واقعی دارد. لذا لازم است که شرایط بارگذاری، شرایط تکیه گاهی و شرایط مرزی طوری دیده شود که اتصال در تقابل با سایر اجزا دیده شود. ‌
• یکی از حساس‌ترین تصمیماتی که طراح سازه بایستی مد نظر قرار دهد، انتخاب نوع مصالح مصرفی در سازه است. این تصمیم در بسیاری از اوقات تابع نوع سازه، مسایل مالی و همچنین تجربه و مهارت طراح است. ‌

اثرات استفاده از فولاد در سازه فولادی

• بتن و فو‌لاد مصالحی هستند که به صورت گسترده در ساخت و سازها مورد استفاده قرار می‌گیرد. مزایای هر دو مصالح امروزه به خوبی شناخته شده است. بتن مصالحی با سختی بالا، ارزان قیمت (نسبت به سایر مصالح) و مقاومت قابل توجه در برابر آتش سوزی و ضمناً فو‌لاد مصالحی با شکل پذیری و مقاومت بالا و وزن کم است. با این وجود استفاده از فو‌لاد تنها در ساختن ستون‌ها بخصوص در سازه‌های بلند، غیر اقتصادی است. همچنین سازه‌های بلند با ستون‌های فو‌لادی معمولاً دارای تغییر شکل‌های جانبی نسبتاً بزرگ بوده و در مقابل آتش سوزی مقاومت پایینی دارند. همچنین استفاده از بتن تنها در ستون‌های ساختمان‌های بلند، در طبقات پائین فضای بیشتری را اشغال نموده و دارای وزن نسبتاً بیشتری است. به علت ترد و شکننده بودن بتن، سازه حاصل دارای شکل پذیری کمتری بوده و در بارهای لرزه‌ای افت مقاومت در سازه بوجود خواهد آمد.
• ترکیب هوشمندانه این دو مصالح، یک سیستم موثرو کاراتر از استفاده مجزا از آن‌ها را نتیجه می‌دهد. این سیستم را با عباراتی چون سیستم مرکب و یا دوگانه معرفی می‌کنند. امروزه سیستم‌‌های مرکب به صورت موفقیت آمیزی در ستون‌ها، تیرها و دال‌های با دهانه‌های متوسط و بزرگ در ساختمان‌ها و همچنین در پایه و تیرهای پل‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• استفاده از ستون‌های مرکب به علت همکاری توام و مناسب بتن و فو‌لاد در بسیاری از سیستم‌های سازه‌ای در سرتاسر جهان در حال افزایش است.ستون‌های مرکب نه تنها مزایای بسیاری در ساخت (بخصوص سرعت و اقتصاد) دارند بلکه باعث بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی اعضای سازه‌ای در مقایسه با اعضای بتن مسلح و فو‌لادی تنها می‌شوند. ستون‌های مرکب اگر جزئی از سیستم سازه‌ای مختلط باشند، مزایای دیگری نیز می‌توان از آن‌ها انتظار داشت. به عنوان مثال اگر اتصال مناسبی بین ستون و سیستم سقف (تیر و دال) برقرار باشد، این اتصال مقاومت با‌لاتر و رفتار بهتری از خود نشان می‌دهد که در نتیجه باعث افزایش طاقت ‌و ایجاد قید اضافی خواهد شد‌.
• یکی از پیچیدگی‌های اجرایی در این ستون‌ها هماهنگی بین عوامل اجرایی بتن و فو‌لاد و نحوه اتصال تیر به ستون است. اما مزایای با‌لای این نوع ستون‌ها‌) سرعت ساخت، عدم نیاز به قالب، کاهش بارهای روی فونداسیون، افزایش فضای مفید و کاهش هزینه‌های ساخت و نگهداری (‌باعث طراحی و اجرای روز افزون آن‌ها است.

ستون مرکب فولادی – بتنی

• این نوع ستون‌ها از سال ۱۳۹۰ به تدریج رواج یافتند و با توجه به مزایای زیاد این ستون‌ها، استفاده از آن‌ها در ساختمان‌های بلند به صورت روز افزون شدت یافت‌. ‌انواع ستون‌های مرکب‌ با مقاطع مختلفی ساخته می‌شوند که از این رو دارای تنوع ساختاری هستند. ستون‌های مرکب از لحاظ محل قرارگیری بتن و فو‌لاد به سه گروه کلی تقسیم بندی می‌شوند، که به شرح زیر است.

‌جدار فو‌لادی پر شده با بتن (CFT)

• ستون‌های CFT هستند که دارای هر دو مزایای فو‌لاد و بتن هستند. این ستون‌ها شامل مقطع فو‌لادی توخالی دایره، مستطیل ‌یا چند ضلعی است، که با بتن پر می‌شوند.‌

مقاطع فو‌لادی مدفون در بتن یا مقاطع فو‌لادی بتن مسلح (SRC)

• در این گروه مقطع فو‌لادی توسط بتن مسلح محصور شده است‌. به عبارت دیگر این مقطع شامل مقطع فو‌لادی نورد شده یا مرکب که در داخل مقطع بتن مسلحی مدفون شده است.

‌مقاطع جزئی محصور شده

• در این گونه مقاطع، نه بتن و نه فو‌لاد هیچکدام به طور کامل توسط دیگری محصور نشده است. به بیان دیگر در وجوه خارجی این مقاطع، هم مصالح فو‌لادی و هم مصالح بتنی قال رؤیت است.

مباحث فنی ستون مرکب فولادی – بتنی

• ستون مختلط شکل پذیری بیشتری نسبت به ستون‌های بتنی دارد و اتصا‌لت آنها مانند ساختمان‌های فو‌لادی است‌. پر کردن بتن داخل ستون نه تنها موجب افزایش ظرفیت باربری مقطع فو‌لادی می‌شود، بلکه موجب مقاومت ستون در برابر حریق نیز می‌شود. از نظر شکل پذیری و ظرفیت چرخشی، مقاطع توخالی پر شده با بتن بهترین رفتار را در مقایسه با سایر انواع دیگر ستون مختلط دار‌د.
• بتن توسط مقطع فو‌لادی احاطه شده‌ و حتی در لحظه رسیدن به مقاومت نهائی نیز بتن دچار گسیختگی کامل نمی‌شود. وجود فو‌لاد در بیرونی‌ترین تارهای‌ مقطع (جائی که بیشترین کشش وجود دارد) به طور موثر سبب افزایش حداکثر مقاومت خمشی مقطع میشود. همچنین وجود فو‌لاد با مدول االستیسیته زیاد (در مقایسه با بتن) در دورترین فاصله از مرکز مقطع باعث افزایش ممان اینرسی می‌شود که این دو مورد نهایتاً سبب افزایش سختی مقطع می‌شود. بتن یک هسته ایده‌آل برای باربری ثقلی است. ‌همچنین کمانش موضعی تیوب فو‌لادی(خصوصا قوطی) را به تاخیر می‌اندازد و در برخی حاالت کمانش موضعی را به کلی حذف می‌کند.
• آزمایشات نشان می‌دهد که تیوب فو‌لادی با محصور کردن بتن مقاومت فشاری ستون‌ها رادر حالت تیوب دایره (لوله) بالا برده و در نوع تیوب چهارگوش (قوطی) شکل پذیری را افزایش می‌دهد‌. لذا استفاده از مقطع CFT به عنوان ستون‌های در معرض بارهای فشاری شدید بسیار سودمند خواهد بود.
• در مقایسه با ستون‌های بتنی با انبوه میلگردهای متقاطع، تیوب فو‌لادی می‌تواند از کرمو شدن بتن جلوگیری کند‌. به عبارت دیگر تراکم و شلوغی آرماتور خصوصاً در نواحی اتصال حذف می‌شود که در ملاحظات لرزه‌ای بسیار سودمند خواهد بود‌. نتایج آزمایشات بسیاری نشان می‌دهند که مقاومت، شکل پذیری و جذب انرژی با پرکردن مقاطع توخالی با بتن افزایش می‌یابد.

مزایای ستون مرکب فولادی – بتنی

محل بهینه مقطع فو‌لادی

• در ستون‌های CFT به علت قرارگیری جدار فو‌لادی در پیرامون مقطع درست در جائی که تنش‌های خمشی و کششی بیشتر موثرند، باعث افزایش قابل توجهی در سختی و مقاومت مقطع می‌شود. در ستون‌های SRC‌، محل قرارگیری خود عاملی بر نصب سریع ستون است.

مقاومت خمشی بالا در اتصال تیر به ستون‌ در ستون‌های مرکب SRC

• به دلیل اینکه ستون و تیر در این نوع از ستون مرکب توسط بتن مسلح دورگیری می‌شود، سختی دورانی به دلیل انتقال بار بین تیر و بتن در چشمه اتصال افزایش می‌یابد. همچنین مقاومت خمشی قابل تحمل اتصال دارای ظرفیت بیشتری از اتصال فو‌‌لادی اولیه (بدون مسلح) است.

تأخیر در کمانش موضعی

• در مقاطع مرکب، ستون فو‌لادی (فشرده، غیرفشرده‌) به علت تماس با بتن سفت شده، سختی بیشتری می‌یابد و کمانش در آن به تأخیر افتاده یا اتفاق نمی‌افتد. بنابراین تا زمانی که تماس بین بتن و فو‌لاد کاهش یاب،‌مثل ترک خوردن بتن یا جداسازی بتن و فولاد، کمانش به تأخیر خواهد افتاد. البته در ستون‌های CFT با ترک خوردن بتن به علت جلوگیری از انبساط بیش از حد بتن توسط جدار فو‌لادی، همچنان تماس بین بتن و فو‌لاد برقرار خواهد بود. بنابراین هسته بتنی مدهای کمانش جانبی را به سمت بیرون انتقال می‌دهد، از این رو از مقاطع فو‌لادی نازکتر به دلیل اطمینان از رسیدن مقاومت تسلیم در جدار قبل از وقوع کمانش استفاده می‌شود.

محصور شدگی بالا در بتن

• مقاطع فو‌لادی باعث افزایش محصور شدگی در هسته بتن و به دنبال آن افزایش مقاومت و شکل پذیری در بتن می‌شوند. به علت شکل مقطع و تنش حلقوی ایجادی یا تنش کمربندی‌، مقاطع دایروی از ستون‌های CFT‌‌) CCFT‌) ایجاد محصور شدگی بیشتری نسبت به مقاطع مستطیلی CFT)RCFT‌) و مقاطع SRC می‌کنند.

صرفه جویی در هزینه‌های ساخت

• درCFT تیوب فو‌لادی نقش یک قالب ماندگار برای بتن ایفا می‌کند و این موضوع سبب کاهش هزینه‌های انسانی و مصالح می‌شود. سرعت ساخت با روش CFT خصوصاً در ساختمان‌های متوسط تا بلند مرتبه بسیار بیشتر است. هزینه خود اعضا در مقایسه با سازه فولای بسیار کمتر است‌، تقریباً هزینه CFT برابر با هزینه اعضای بتن مسلح است. همچنین در مقایسه با قاب خمشی فو‌لادی،در قاب مهاربندی نشده CFT‌، میزان صرفه جوئی در فولاد با افزایش طبقات افزایش می‌یابد. جزئیات اتصال نسبتاً ساده تیر به ستون قوطی می‌تواند به کار برده شود. این موضوع سبب کاهش هزینه‌ها و سهولت طراحی، می‌شود‌.
• با استفاده از بتن پرمقاومت، CFT‌ها نسبت به ستون‌های متداول بتن آرمه در هر فوت مربع قوی‌تر هستند. جائی که مقاومت زیاد مورد نظر است، سایز کوچکتری از ستون می‌‌تواند طرح شود و فضای مفید ساختمان افزایش یابد‌. اسکلت کوچکتر و سبکتری بر روی فونداسیون قرار می‌گیرد. که مجدداً سبب کاهش هزینه‌ها خواهد شد.

ضد آتش

• در مقاطع مدفون در بتن، بتن به عنوان یک محافظ مقطع فو‌لادی در برابر آتش سوزی عمل می‌کند.