یکی از چالش های اصلی مهندسی سازه به کارگیری مصالح مختلف برای ساخت سازه های فولادی و بتنی بر مبنای ویژگی های هر یک از آنها می باشد. از ابتدای قرن بیستم میلادی، فولاد و بتن پرکاربردترین مصالح بوده اند، در حالی که هر کدام از این مصالح دارای نقاط قوت و ضعف خاص خود هستند. بر این اساس ایده استفاده از مقاطع مختلط(ستون های مرکب بتن و فولاد) به عنوان یکی از راهکارهای دستیابی به بهترین حالت کاربرد مصالح در انواع سازه های بتنی و فلزی، مطرح گردید. یکی از انواع مقاطع مختلط، مقاطع فولادی پر شده با بتن است که به اختصار مقاطع CFT نامیده می شوند. نوع دیگری از ستون ها با مقطع مختلط، مقاطع فولادی مدفون در بتن می باشد که به اختصار مقاطع SRC (ستون src) نامیده می شوند. بر اساس اطلاعات موجود اولین کاربرد گزارش شده این مقاطع به سال 1870 میلادی باز می گردد، اما اولین تحقیقات آزمایشگاهی مستند بر روی آنها در سال 1957 میلادی صورت پذیرفته است.
با افزایش شناخت جامعه مهندسی نسبت به مزیت های مقاطع فولادی پر شده با بتن، کاربرد این مقاطع مورد توجه قرار گرفت و در کشورهایی نظیر ایالات متحده آمریکا و ژاپن برنامه های ملی تحقیق و توسعه گسترده ای بر روی این مقاطع تعریف گردید. به صورتی که تعداد پژوهش ها و همچنین کاربردهای صنعتی مرتبط با این مقاطع به سرعت افزایش یافت. لازم به ذکر است که ستون های سازه ای با مقطع مختلط متشکل از فولاد و بتن (ستون های مرکب بتن و فولاد) خواص مکانیکی بهتری نسبت به سایر اعضای سازه ای ساخته شده به طور مجزا از فولاد و بتن دارند.
ستون های مرکب فولادی و بتنی
یکی از مزایای ستون های مرکب بتن و فولاد (کامپوزیت)، تأخیر در کمانش موضعی فولاد است. ستون فولادی به دلیل تماس با بتن سخت شده، سختی بیشتری می یابد و کمانش در آن به تأخیر می افتد و یا اتفاق نمی افتد. بررسی نتایج زمین لرزه های پیشین و خسارت های وارده به سازه های موجود، اهمیت شکل پذیری و تأمین آن در سازه را به عنوان موضوعی اساسی در طراحی لرزه ای سازه ها مورد توجه قرار داده است.
در دهه های اخیر با بررسی نتایج لرزه های پیشین و خسارت های وارد بر سازه ها، پرداختن به مفاهیم شکل پذیری اهمیت ویژه ای یافته و بهره گیری از قابلیت شکل پذیری سازه در تأمین عملکرد مناسب برای سازه در هنگام زلزله بیش از پیش مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است.
انواع ستون های مرکب بتن و فولاد
1) مقاطع مرکب فولادی مدفون در بتن SRC
در این نوع مقطع، فولاد توسط بتن مسلح محصور می گردد. به عبارت دیگر این مقطع شامل مقطع فولادی نورد شده یا مرکب که در داخل مقطع بتن مسلحی مدفون شده است، می باشد. نخستین بار این ستون ها برای جلوگیری از تخریب ساختمان در برابر آتش سوزی ابداع شد و این نوع از مقاطع با نام های SRC یا ستون های فولادی مدفون در بتن شناخته شدند. مقطع بتنی می تواند به صورت های مختلف و در شکل های مختلف همچون دایره ای و مستطیلی اجرا گردد. مقاطع فولادی نیز می تواند از انواع مقاطع استاندارد مانند IPE و نبشی و ناودانی و … تولید گردند.
در این نوع از ستون های مرکب بتن و فولاد، پوشش بتنی، حفاظی در برابر خوردگی و نیز عایقی در برابر افزایش سریع دما در حضور آتش است. نتایج نشان می دهد که سازه های با ستون های SRC به شیوه های انعطاف پذیر در هنگام آتش سوزی به دلیل رفتار مرکب فولاد دورگیری شده (محصور شده) و بتن محیطی است. هچنین پوشش بتنی، هسته فولادی را در برابر هر دو کمانش های موضعی و کلی، مقاوم تر می سازد.
2) مقاطع فولادی پر شده با بتن CFT
مقاطع CFT یا ستون فولادی پرشده با بتن یکی از روش های ساخت ستون های مرکب در سازه ها می باشد. سازه CFT دارای ستون دایره ای مختلط، تیر فولادی و دیوارهای برشی بتن مسلح است. به گونه ای که می‌توان آن را ترکیبی از سازه فلزی و سازه بتنی برشمرد. ستون های مرکب (کامپوزیت) CFT به صورت مقاطع مربع، مستطیل و دایره ای ساخته شده و با بتن پر می شوند. این ستون ها دارای خصوصیات و مزایای بسیاری از جمله مقاومت کششی بالا، شکل پذیری بالا و ظرفیت جذب انرژی بالا می باشند.
ستون CFT می تواند علاوه بر بهبود رفتار لرزه ای سازه، زمان ساخت، وزن سازه و همچنین ابعاد ستون ها را به مقدار قابل توجهی کاهش دهد. سازه های CFT، از اتصال تیرهای فولادی I شکل به ستون های CFT حاصل می شوند. در ستون های CFT، مقاطع سازه ای توخالی (HSS) به وسیله بتن پر می شوند و بدین وسیله، مقطعی مرکب با استحکام بالا حاصل می شود.
در ایران، سازه های CFT، مورد ارزیابی دقیق و تأیید مرکز ملی تحقیقات ساختمان و مسکن وزارت راه، مسکن و شهرسازی قرار گرفته است. طبق آیین نامه بین المللی سیستم سازه ای CFT این سیستم برای ساختمان های از 1 تا 80 طبقه کاملاً مناسب خواهد بود. سیستم سازه CFT طبق آیین نامه ۲۸۰۰ ایران ترکیبی از قاب ساده، سیستم باربر جانبی (دیوار برشی یا مهاربندی های فولادی) است.
بر اساس این مقررات نوع سقف مورد استفاده می تواند از روش های مختلف (دال یکطرفه و دوطرفه، عرشه فولادی، سیستم های یوبوت و کوبیاکس، سیستم وافل یکطرفه و دوطرفه، تیرچه بلوک یا کرمیت و..) باشد. نکته دیگر در مورد حداکثر دهانه و ارتفاع قابل اجرا با این روش است. طبق محاسبات و آیین نامه سازه های قاب شکل، این ابعاد باید مطابق با مباحث آیین نامه ۲۸۰۰ اجرا گردد.
تحقیقات انجام شده در مرکز تحقیقات مرکز ساختمان ژاپن در مورد ستون CFT نشان می دهد به دلیل اندرکنش بالای فولاد و بتن در این نوع از ستون ها، عملکرد سازه ای ارتقا یافته و منجر به کاهش کمانش لوله فولادی، مقاومت بیشتر بتن و کاهش خزش و جمع شدگی می گردد. همچنین در این تحقیقات مشخص شد نسبت فولاد به بتن در این گونه مقاطع در مقایسه با ستون بتن آرمه بالاتر رفته و قابلیت تغییر شکل پلاستیک در خمش به جهت محیطی بودن فولاد در سطح مقطع بتن افزایش می یابد.
اجزای تشکیل دهنده ستون فولادی پر شده با بتن CFT
1) مقاطع سازه ای تو خالی (HSS: Hollow Structural Section)
این نوع مقطع، نوعی پروفیل فولادی با سطح مقطع توخالی، دارای هندسه بسته، بدون گوشه های تیز می باشد. این مقاطع به صورت تک درز و توسط خطوط تمام خودکار و با سرعت بسیار بالا تولید می شوند. این مقاطع در طیف ابعادی گسترده و اشکال مختلف (دایره ای، مربعی و مستطیلی) تولید می گردند.
شکل دهی یکپارچه ورقه های فولادی باکیفیت و جوشکاری تمام خودکار تنها یک درز در مقطع، ضامن کیفیت و مقاومت بالای این مقاطع خواهد بود. مقاطع HSS به دلیل ظاهر زیبا، صرفه اقتصادی و استحکام بالا مورد اقبال صنعت گران حوزه ساخت و ساز قرار گرفته است. بنابراین استفاده از این نوع مقاطع در ستون های CFT، بهترین انتخاب ممکن خواهد بود.
2) هسته بتنی از نوع بتن خود متراکم (SCC: Self Compacting Concrete)
این نوع بتن به بتنی گفته می شود که با وزن خود در قالب جاری می شود و نیاز به ویبره ندارد. همچنین از مقاومت بالایی برخوردار بوده و در طی مراحل بتن ریزی تراکم خود را حفظ می کند. انجمن بتن ایالات متحده آمریکا (ACI)، بتن خود تراکم را بتنی با کارآیی بالا و بدون جداشدگی با قابلیت بتن ریزی و پر کردن تمامی فضای قالب بدون نیاز به تراکم مکانیکی تعریف می کند. در این بتن، استفاده از شن 19/5– 19 میلیمتری، افزودنی روان‌کننده و فوق روان کننده به فراخور کاربرد، مرسوم و رایج است.
هم چنین نسبت آب به سیمان در این بتن به عدد 0/4 محدود می گردد. در ستون های CFT امکان ویبره بتن در ستون وجود ندارد. هم چنین در صورت استفاده از بتن عادی، خطر جداشدگی اجزای بتن از قبیل سنگدانه ها بر اثر رها شدن از ارتفاع وجود خواهد داشت. بنابراین استفاده از بتن خود متراکم، انتخابی هوشمندانه در ساخت این نوع از ستون های مرکب خواهد بود.
مزایای بتن خود متراکم را می توان به صورت زیر برشمرد:
- قابلیت پر کنندگی: به مفهوم قابلیت جاری شدن و پر کردن تمام فضای درون قالب تحت وزن خود
- قابلیت عبور کردن: عبور از موانع مانند مقاطع نازک، قالب، میلگردها با فاصله کم از یکدیگر، بدون جداشدگی و مسدود شدن
- مقاومت در برابر جداشدگی: این خاصیت به پایداری نیز موسوم است و قابلیت بتن SCC، باقی ماندن به صورت همگن در مدت انتقال و بتن ریزی است.
مزایای استفاده از ستون های فولادی پر شده با بتن CFT
در این بخش از این نوشتار حاضر به مزایای استفاده از ستون های فولادی پر شده با بتن CFT نسبت به ستون های فولادی و بتنی اشاره می کنیم:
1) کاهش وزن فولاد مصرفی
نخستین و اصلی ترین مزیت سازه های CFT، کاهش وزن فولاد مصرفی و در نتیجه هزینه تمام شده کلی ساخت سازه پروژه است. مجموعه ویژگی های رفتاری سازه، از جمله استفاده بهینه از مقاومت فولاد و بتن، کاهش احتمال کمانش موضعی بخش فولادی ستون، افزایش عمر مفید و مقاومت بتن به دلیل محصورشدگی، بهبود نسبت های مجاز بعد به ضخامت و بهره مندی از ویژگی های مقاطع HSS منجر به کاهش قابل توجه میزان فولاد مصرفی سازه سی اف تی نسبت به سازه با اسکلت فولادی یا بتنی خواهد شد.
2) کاهش هزینه و زمان پروژه با استفاده از مقاطع HSS
بخش قابل توجهی از زمان پروژه شامل فرآیند ساخت ستون ها در کارخانه می باشد. استفاده از مقاطع HSS به دلیل پیش ساختگی سبب کاهش زمان ساخت ستون می گردد. همچنین کیفیت و دقت بالای ساخت این مقاطع، تأخیرهای ناشی از خطای ساخت در حین نصب سازه را نیز به صورت قابل توجهی کاهش می دهد. از سوی دیگر، مقاطع HSS به دلیل تولید صنعتی با وجود کیفیت بالاتر نسبت به مقاطع معمول ستون، هزینه تمام شده پایین تری دارند.
با توجه به این که مقاطع HSS به صورت خودکار از ورق فولادی رول شده تولید می شوند، دارای کیفیت سطحی مطلوبی هستند که سبب کاهش هزینه آماده سازی سطح می گردد. در ضمن مقاطع بسته نسبت به مقاطع باز به دلیل سطح آزاد کمتر، هزینه رنگ آمیزی پایین تری خواهند داشت.
بتن همیشه به عنوان یکی از مصالح مقرون به صرفه در ساخت سازه های عمرانی مورد توجه بوده است، ولی یکی از بزرگترین موانع استفاده از آن زمان بالای اجرای سازه های بتنی است. یکی از اصلی ترین علل زمان زیاد مورد نیاز برای اجرای سازه بتن مسلح، مدت زمان لازم برای افزایش مقاومت بتن به میزان لازم جهت تحمل بارهای بهره برداری حین ساخت است.
از سوی دیگر عملیات قالب بندی و باز نمودن قالب ها نیز به سهم خود به زمان زیادی نیاز دارد. در ستون های سازه CFT بخش فولادی پیرامونی علاوه بر اینکه به عنوان قالب دائمی بتن ظاهر می شود، بارهای بهره برداری در زمان نصب را نیز به تنهایی تحمل می کند. در نتیجه علی رغم بهره گیری از مزیت های بتن در این نوع از ستون ها، سرعت اجرا نیز افزایش خواهد یافت.
3) حذف یا کاهش هزینه حفاظت ستون های CFT در برابر حریق
بدون استفاده از پوشش ضد حریق، مقاومت ستون های فولادی در برابر حریق کمتر از سی دقیقه می باشد لذا مطابق الزامات مبحث سوم مقررات ملی ساختمان، تمامی ستون های فولادی به پوشش ضد حریق نیاز خواهند داشت. بهره گیری از پوشش ضد حریق از یک سو سبب افزایش هزینه های پروژه و از سوی دیگر منجر به افزایش ابعاد ستون ها و کاهش فضای مفید ساختمان خواهد شد. در سازه های CFT به علت ترکیب بتن و فولاد با خصوصیات حرارتی متفاوت، اختلاف دمای قابل ملاحظه ای در مقطع عرضی ستون ایجاد خواهد شد.
به دلیل همین تفاوت دمایی است که مقاطع فولادی پر شده با بتن، بدون نیاز به پوشش خارجی قادر به تحمل حریق به مدت 2 ساعت یا بیشتر خواهند بود. در اعضا با مقطع فولادی پر شده با بتن، به دلیل جذب گرما توسط هسته بتنی، تغییرات دما در جدار فولادی با سرعت بسیار پایین تری رخ می دهد که به صورت قابل ملاحظه ای مقاومت عضو در برابر حریق را افزایش می دهد. از سوی دیگر، در صورت از دست رفتن مقاومت مقطع فولادی، هسته بتنی باربری را بر عهده داشته و از فروریزش ناگهانی سازه جلوگیری می نماید.
با توجه به تحقیقات صورت گرفته، متغیرهای گوناگونی از جمله هندسه مقطع، خروج از مرکزیت بار و ضخامت لایه محافظ در برابر حریق بر مقاومت مقطع فولادی پر شده با بتن در برابر حریق اثر می‌گذارند. هندسه مقطع و ضخامت لایه محافظ در برابر آتش بیشترین تأثیر را در توزیع دما در ستون دارند. مطابق تحقیقات، در ستون های پر شده با بتن، هنگامی‌که دما در جدار فولادی بیرونی به 900 درجه سلسیوس رسیده است، بخش فولادی درونی دمایی کمتر از 500 درجه سلسیوس را تجربه می کند. همین امر سبب تحمل بالاتر ستون های با دو لایه فولاد نسبت به ستون های CFT معمولی در برابر حریق می گردد.
4) افزایش فضای مفید ساختمان در سازه با مقاطع CFT
امروزه در ساخت و سازهای متراکم شهری، فضای مفید داخل ساختمان موضوع مهمی در تأمین آسایش و رفاه ساکنان به شمار می رود. علاوه بر این، تعبیه پارکینگ های کافی و با ابعاد استاندارد، از جمله دغدغه های مهندسان معمار می باشد. همان طور که پیش تر اشاره شد، مقاومت مقاطع CFT نسبت به مقاطع فولادی و بتنی با ابعاد مشابه به مراتب بالاتر است.
این مورد سبب می شود ستون CFT نسبت به مقطع هم مقاومت فولادی و بتنی، ابعاد کوچکتری داشته باشد. در نتیجه فضای مفید داخل ساختمان افزایش یافته و پارکینگ های بیشتری تعبیه خواهد شد. یکی از محدودیت‌های اجرای دهانه های بلند و استفاده از سیستم باربر جانبی قاب خمشی، افزایش بیش از حد ابعاد ستون ها می باشد. همین عامل در بسیاری از موارد طراحان سازه را از این تصمیم منصرف می سازد.
قابلیت سازه با اسکلت CFT منجر به ساخت سازه ای با دهانه های بلند و آزاد (فاقد دیوار برشی یا مهاربند) می شود. مجموع این مزیت ها منجر به افزایش فضای مفید داخلی و تعبیه پارکینگ های بیشتر می شود. تأمین پارکینگ مورد نیاز در طبقات زیرین که ستون ها دارای بزرگترین ابعاد هستند، بسیار تأثیرگذار است.
5) بهبود کیفیت ساخت
مقاطع فولادی قوطی شکل دارای مزیت های فراوانی هستند. با این وجود استفاده از مقاطع توخالی دست ساز مشکلات متعددی در پی دارد که می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- اعوجاج ورق در وجوه مقطع
- رواداری بیش از مقادیر مجاز در ستون های با طول زیاد
- الزام استفاده از جوش نفوذی جهت اتصال بین وجوه مقطع در بخش هایی از طول ستون
- احتمال وجود معایب فراوان در جوشکاری انجام شده
- صعوبت بازرسی جوش
با استفاده از مقاطع HSS به کار رفته در ستون های فولادی پر شده با بتن CFT که در خطوط خودکار و با کیفیتی بسیار بالاتر تولید می شوند، کلیه مشکلات مذکور مرتفع می گردند.
6) امکان استفاده از مقاطع ستون با ابعاد یکسان در ارتفاع
در طراحی سازه ها معمولاً در طبقات بالاتر، مقاومت مورد نیاز ستون کاهش می یابد. در نتیجه مهندسین با هدف اقتصادی نمودن طرح، هر چند طبقه و پس از اختلاف قابل توجه مقاومت موجود مقطع و مقاومت مورد نیاز، نسبت به کاهش مقاومت موجود از طریق کاهش ابعاد مقطع ستون اقدام می نمایند. اما این تغییر مقطع چندان هم کم هزینه نیست و مشکلاتی ازجمله صعوبت ایجاد قطعه واسط در محل تغییر ابعاد مقطع ستون، خطاهای اجرایی و عدم تناسب ابعادی مقاطع در طبقات را به دنبال دارد.
در ستون های با مقاطع CFT می توان از نسبت های بالاتر بعد به ضخامت استفاده نمود. نسبت مذکور این امکان را برای طراحان سازه به ارمغان می آورد که در تراز بالاتر، از مقاطع ستون دارای ابعاد مشابه استفاده کنند و برای کاهش مقاومت موجود از تغییر ضخامت مقطع استفاده کنند. این امر علاوه بر سهولت اجرایی، برای ستون های در معرض دید نیز جلوه معماری زیباتری در پی خواهد داشت. از سوی دیگر، این قابلیت در مواردی که تنها مقاومت خمشی مورد نیاز کنترل کننده طرح است، سبب کاهش فولاد مصرفی سازه می گردد.
در زمینه سازه فلزی بیشتر مطالعه کنید :
- سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
- سازه صنعتی (Industrial Structure)
- سوله چیست ؟ انواع و کاربرد سوله (Industrial Shed)
- انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
- ستون های مرکب بتن و فولاد از قبیل CFT و SRC
- سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)
- آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
- نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
- انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
- مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
- سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :
در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید :
- معرفی نرم افزار ETABS
- معرفی نرم افزار SAFE
- معرفی نرم افزار SAP2000
- معرفی نرم افزار AutoCAD
- معرفی نرم افزار Plaxis
- معرفی نرم افزار ABAQUS
در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :
مطالب مرتبط:
