ستون های مرکب فولادی

مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………… ۳
انواع ستون های مرکب ………………………………………………………………………………………….. ……. ۵
مباحث فنی ستونهای مرکب ……………………………………………………………………………………….. . ۶
مزایای ستون های مرکب …………………………………………………………………………………………….. ۷
طراحی ستون های مرکب …………………………………………………………………………………………….. ۹
روش های طراحی ……………………………………………………………………………………………………………………………….. ۹
روابط آیین نامه ها …………………………………………………………………………………………………………………………….. ۰۱
۰۱ ………………………………………………………………………………………………………………. :Eurocode- آیین نامه ۴
۰۱ ………………………………………………………………………………………………………………… :AISC- آیین نامه ۲۰۱۰
۰۱ ………………………………………………………………………………………………………… :BS-5400- آیین نامه ۲۰۰۵
ستون های مرکب فولادی – بتنی
صفحه: ۹ DEP PRJ CAT DIS TYP SEQ REV : پروژه
۱۰ بهمن ۳۹
مقدمه:
یکی از حساس ترین تصمیماتی که طراح سازه بایستی مدنظر قرار دهد، انتخاب نوع مصالح مصرفی در سازه
می باشد .این تصمیم در بسیاری از اوقات تابع نوع سازه، مسایل مالی و همچنین تجربه و مهارت طراح است .هدف
اصلی دنبال شده در طراحی بدست آوردن ساز های اقتصادی و در عین حال با عملکرد مطلوب می باشد. بتن و
فولاد مصالحی هستند که به صورت گسترده در ساخت و سازها مورد استفاده قرار می گیرد .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 ضمنا فولاد مصالحی با شکل پذیری و مقاومت بالا و وزن کم است .با این وجود
استفاده از فولاد تنها در ساختن ستون ها بخصوص در سازه های بلند، غیر اقتصادی می باشد. همچنین سازه های
بلند با ستون های فولادی معمولا دارای تغییر شکل های جانبی نسبتا بزرگ بوده و در مقابل آتش سوزی مقاومت
پایینی دارند .همچنین استفاده از بتن تنها در ستون های ساختمان های بلند، در طبقات پائین فضای بیشتری را اشغال
نموده و دارای وزن نسبتا بیشتری است و بعلت ترد و شکننده بودن بتن، سازه حاصل دارای شکل پذیری کمتری
بوده و در بارهای لرزه ای افت مقاومت در سازه بوجود خواهد آمد .ترکیب هوشمندانه این دو مصالح، یک
سیستم موثر و کاراتر از استفاده مجزا از آن ها را نتیجه می دهد.
این سیستم را با عباراتی چون سیستم مرکب و یا دوگانه معرفی می کنند. امروزه سیستم های مرکب به
صورت موفقیت آمیزی در ستون ها، تیرها و دالهای با دهانه های متوسط و بزرگ در ساختمان ها و همچنین در
پایه و تیرهای پلها مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از ستون های مرکب بعلت همکاری توام و مناسب بتن و
فولاد در بسیاری از سیستم های سازه ای در سرتاسر جهان در حال افزایش است .ستون های مرکب نه تنها مزایای
بسیاری در ساخت )بخصوص سرعت و اقتصاد( دارند بلکه باعث بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی اعضای
سازه ای در مقایسه با اعضای بتن مسلح و فولادی تنها می شوند. ستون های مرکب اگر جزئی از سیستم سازه ای
مختلط باشند، مزایای دیگری نیز می توان از آن ها انتظار داشت. بعنوان مثال اگر اتصال مناسبی بین ستون و سیستم
سقف )تیر و دال( برقرار باشد، این اتصال مقاومت بالاتر و رفتار بهتری از خود نشان می دهد که در نتیجه باعث
افزایش طاقت ۴ و ایجاد قید اضافی خواهد شد .یکی از پیچیدگی های اجرایی در این ستون ها هماهنگی بین
عوامل اجرایی بتن و فولاد و نحوه اتصال تیر به ستون است اما مزایای بالای این نوع ستون ها )سرعت ساخت،
عدم نیاز به قالب، کاهش بارهای روی فونداسیون، افزایش فضای مفید و کاهش هزینه های ساخت و نگهداری(
باعث طراحی و اجرای روز افزون آن ها می باشد.
ستون های مرکب فولادی – بتنی
صفحه: ۴ DEP PRJ CAT DIS TYP SEQ REV : پروژه
۱۰ بهمن ۳۹
ستون های مرکب فولادی – بتنی از سال ۰۳۹۱ به تدریج رواج یافتند و با توجه به مزایای زیاد این ستون ها،
استفاده از آن ها در ساختمان های بلند به صورت روز افزون شدت یافت .ستون های فولادی مدفون در بتن، اولین
در سال ۰۱۳۱ برای افزایش مقاومت ستون در برابر آتش سوزی مورد استفاده Petersburg بار در ساختمان های
قرار گرفت.
شکل ۰: انواع مقاطع ستون های مرکب فولادی – بتنی
ستون های مرکب فولادی – بتنی
صفحه: ۹ DEP PRJ CAT DIS TYP SEQ REV : پروژه
۱۰ بهمن ۳۹
انواع ستون های مرکب
ستون های مرکب با مقاطع مختلفی ساخته می شوند که از اینرو دارای تنوع ساختاری می باشند .ستون های
مرکب از لحاظ محل قرارگیری بتن و فولاد به سه گروه کلی تقسیم بندی می شوند، که عبارتند از:
)CFT( -0 جدار فولادی پر شده با بتن
ستون هایی هستند که دارای هر دو مزایای فولاد و بتن می باشند .این ستونها شامل مقطع فولادی توخالی
دایره، مستطیل و یا چند ضلعی است، که با بتن پر می شوند.
)SRC( -0 مقاطع فولادی مدفون در بتن یا مقاطع فولادی بتن مسلح
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 )شکل ۲
شکل ۰: مقطع فولادی مدفون در بتن
ستون های مرکب فولادی – بتنی
صفحه: ۶ DEP PRJ CAT DIS TYP SEQ REV : پروژه
۱۰ بهمن ۳۹
-۰ مقاطع جزئی محصور شده
دراین 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 میباشد )شکل ۹
شکل ۰: مقاطع جزئی محصور شده
مباحث فنی ستونهای مرکب
ستون مختلط شکل پذیری بیشتری نسبت به ستون های بتنی دارد و اتصالات آنها مانند ساختمان های فولادی
است .پر کردن بتن داخل ستون نه تنها موجب افزایش ظرفیت باربری مقطع فولادی می شود، بلکه موجب مقاومت
ستون دربرابر حریق نیز میگردد .
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 است و حتی در لحظه رسیدن به مقاومت نهائی نیز
بتن دچار گسیختگی کامل نمیشود )شکل ۴( . وجود فولاد در بیرونی ترین تارهای مقطع )جائی که بیشترین کشش
وجود دارد( به طور موثر سبب افزایش حداکثر مقاومت خمشی مقطع می گردد .همچنین وجود فولاد با مدول
الاستیسیته زیاد )در مقایسه با بتن( در دورترین فاصله از مرکز مقطع باعث افزایش ممان اینرسی میشود که این دو
مورد نهایتا سبب افزایش سختی مقطع میگردد ب.تن یک هسته ایده آل برای باربری ثقلی میباشد و همچنین کمانش
موضعی تیوب فولادی) خصوصا قوطی (را به تاخیر می اندازد و در برخی حالات کمانش موضعی را به کلی
حذف می کند .
ستون های مرکب فولادی – بتنی
صفحه: ۷ DEP PRJ CAT DIS TYP SEQ REV : پروژه
۱۰ بهمن ۳۹
آزمایشات نشان می دهد که تیوب فولادی با محصور کردن بتن مقاومت فشاری ستون ها را در حالت تیوب
دایره )لوله( بالا برده و در نوع تیوب چهارگوش )قوطی( شکل پذیری را افزایش می دهد .لذا استفاده از مقطع
به عنوان ستون های در معرض بارهای فشاری شدید بسیار سودمند خواهد بود . CFT
شکل ۴: مقایسه رفتار دو نوع ستون مختلط
در مقایسه با ستونهای بتنی با انبوه میلگردهای متقاطع، تیوب فولادی می تواند از کرمو شدن بتن جلوگیری
کند .به عبارت دیگر تراکم و شلوغی آرماتور خصوصا در نواحی اتصال حذف می شود که در ملاحظات لرزه
ای بسیار سودمند خواهد بود ن.تایج آزمایشات بسیاری نشان میدهند که مقاومت، شکل پذیری و جذب انرژی با
پرکردن مقاطع توخالی با بتن افزایش می یابد .
مزایای ستون های مرکب
محل بهینه مقطع فولادی
بعلت قرارگیری جدار فولادی در پیرامون مقطع درست در جائیکه تنشهای خمشی و CFT در ستون های
محل ، SRC کششی بیشتر موثرند، باعث افزایش قابل توجهی درسختی و مقاومت مقطع می شود و در ستونهای
قرارگیری خود عاملی بر نصب سریع ستون می باشد.
SRC مقاومت خمشی بالا در اتصال تیر به ستون در ستونهای مرکب
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 می یابد. همچنین مقاومت خمشی قابل تحمل اتصال دارای
ظرفیت بیشتری از اتصال فولادی اولیه )بدون مسلح( می باشد.
ستون های مرکب فولادی – بتنی
صفحه: ۱ DEP PRJ CAT DIS TYP SEQ REV : پروژه
۱۰ بهمن ۳۹
تأخیر در کمانش موضعی
در مقاطع مرکب، ستون فولادی )فشرده، غیرفشرده یا لاغر( به علت تماس با بتن سفت شده، سختی بیشتری
می یابد و کمانش در آن به تأخیر افتاده یا اتفاق نمی افتد. بنابراین تا زمانیکه تماس بین بتن و فولاد کاهش یابد
با ترک CFT )مثل ترک خوردن بتن یا جداسازی بتن و فولاد( کمانش به تأخیر خواهد افتاد. البته در ستون های
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 می دهد، از این رو از مقاطع
فولادی نازکتر به دلیل اطمینان از رسیدن مقاومت تسلیم در جدار قبل از وقوع کمانش استفاده می شود.
محصورشدگی بالا در بتن
مقاطع فولادی باعث افزایش محصورشدگی در هسته بتن و به دنبال آن افزایش مقاومت و شکل پذیری در
CFT بتن میشوند. به علت شکل مقطع و تنش حلقوی ایجادی )یا تنش کمربندی(، مقاطع دایروی از ستون های
می کنند. البته در SRC و مقاطع )RCFT(CFT ایجاد محصورشدگی بیشتری نسبت به مقاطع مستطیلی )CCFT(
𝐷( مقاطع دایروی، محصورشدگی به نسبت قطر به ضخامت
𝑡 ( نیز وابسته است.
صرفه جویی در هزینههای ساخت
تیوب فولادی نقش یک قالب ماندگار برای بتن ایفا میکند و این موضوع سبب کاهش هزینه های CFT در
خصوصا در ساختمان های متوسط تا بلند مرتبه بسیار بیشتر CFT انسانی و مصالح میشود .سرعت ساخت با روش
است.
هزینه خود اعضا در مقایسه با سازه فولادی بسیار کمتر است و طبق اصل مقاومت بر دلار هزینه، تقریبا هزینه
برابر با هزینه اعضای بتن مسلح می باشد. همچنین در مقایسه با قاب خمشی فولادی، در قاب مهاربندی نشده CFT
میزان صرفه جوئی در فولاد با افزایش طبقات افزایش می یابد. ،CFT
جزئیات اتصال نسبتا ساده تیر به ستون قوطی می تواند به کار برده شود .این موضوع سبب کاهش هزینه ها
ها نسبت به ستون های متداول بتن آرمه در هر فوت CFT ، و سهولت طراحی، میشود .با استفاده از بتن پر مقاومت
مربع قوی تر هستند جائی که مقاومت زیاد مورد نظر است، سایز کوچکتری از ستون می تواند طرح شود و فضای
مفید ساختمان افزایش یابد .اسکلت کوچکتر و سبکتری بر روی فونداسیون قرار می گیرد که مجددا سبب کاهش
هزینه ها خواهد شد .
ستون های مرکب فولادی – بتنی
صفحه: ۳ DEP PRJ CAT DIS TYP SEQ REV : پروژه
۱۰ بهمن ۳۹
ضد آتش
در مقاطع مدفون در بتن، بتن به عنوان یک محافظ مقطع فولادی در برابر آتشسوزی عمل میکند.
طراحی ستون های مرکب
روش های طراحی
روش های طراحی متعددی برای ستونهای مختلط در کشورهای مختلف ارائه شده و یا در دست تدوین می
استاندارد شده است .طراحی ستون های مختلط با دو روش شامل روش جمع آثار قوا ( AIJ) باشد .در ژاپن روش
)سوپرپوزیشن( و یا با روش در نظر مقطع فولادی به عنوان یک آرماتور خیلی قوی مانند طراحی مقاطع بتن مسلح
صورت می پذیرد .هر دو روش بر اساس روش طراحی تنشهای مجاز می باشد .اما روش طراحی یوروکد ۴ با
روش ژاپن متفاوت است .روش جمع آثار قوا )سوپر پوزیشن( که ظرفیت بخش های بتنی و فولادی را به طور
جداگانه محاسبه و با هم جمع میکند و از عمل کامپوزیت )مرکب( فولاد و بتن صرفنظر میکند .
طبق مبحث ۰۱ مقررات ملی ساختمان ایران:
ST 2.26 باشد گه برای فولاد ۳۷ (𝐸⁄𝐹𝑦) – حداکثر نسبت عرض به ضخامت قوطی فولادی برابر با ۰٫۵
۰٫۱۵ می باشد. (𝐸⁄𝐹𝑦) برابر با حدود ۶۷ به دست میآید. همچنین برای لوله این مقدار برابر با
– مساحت مقطع فولادی باید حداقل یک درصد مساحت کلی مقطع باشد .
برای سازه های کامپوزیت فولاد و بتن محدودیت های ذیل در AIJ در ویرایش سال ۲۱۱۰ استاندارد ژاپنی
نظر گرفته شده است:
– تنش جاری شدن تیوب فولادی در محدوده ۲۹۹ مگاپاسکال تا ۹۹۹ مگا پاسکال در نظر گرفته شود .
۱٫۵ است که برای (۷۳۵⁄√𝐹𝑦) – محدودیت عرض به ضخامت برای قوطی فولادی پر شده با بتن برابر
معمولی این محدودیت برابر با ۷۰ می باشد .این محدودیت در استاندارد مذکور برای مقاطع پر شده با بتن ST37
۰/۹ برابر نسبت به فولاد تنها آزادانه تر است.
در این استاندارد ۹۱ برابر عرض تیوب می باشد. CFT – حداکثر طول مجاز عضو
طبق یوروکد ۴ این محدودیت ها عبارت اند از :
ستون های مرکب فولادی – بتنی
صفحه: ۰۱ DEP PRJ CAT DIS TYP SEQ REV : پروژه
۱۰ بهمن ۳۹
ST 52 است که برای ۳۷ (۲۳۵⁄𝐹𝑦) محدودیت عرض به ضخامت برای قوطی فولادی پر شده با بتن برابر ۰٫۵
این محدودیت حدود ۹۲ می باشد .
روابط آیین نامه ها
:Eurocode- آیین نامه ۴
دو روش طراحی در این آیین نامه وجود دارد .یکی از این روش ها دربرگیرنده ستون هایی با مقطع عرضی
نامتقارن و غیریکنواخت در طول ستون است و روش دیگر، حالت ساده شده ای برای ستون هایی با مقطع عرضی
متقارن )در هر دو جهت( و یکنواخت در طول ستون می باشد. روش طراحی ساده شده برای اعضای فشاری در
آمده است .در طراحی Eurocode- بر اساس منحنی کمانش برای ستون فولادی است که در ۳ Eurocode-4
فرض می شود که فولاد و بتن تا زمان شکست دارای اندرکنش کامل هستند .در Eurocode- ستون ها بر اساس ۴
طراحی بر اساس روش این آیین نامه از ظرفیت کامل پلاستیک محوری و خمشی مقطع استفاده می شود،
سپس این مقادیر بر اساس لاغری و دیگر ضرایب کاهش می یابند. برای مقاطع دایروی پر شده با بتن، اثرات
بزرگتر )λ( محصور شدگی بایستی مدنظر قرار داده شود .البته تاثیر محصور شدگی هنگامیکه ضریب لاغری ستون
𝐷 بیشتر از (e) از ۱٫۹ و خروج از مرکزیت بار
۱۰ قطر جدار فلزی است( باشد، در نظر گرفته نمیشود. رابطه d(
مقاومت برای ستون های توخالی دایروی پرشده با بتن به صورت زیر است:
برای تاثیر محصورشدگی در نظر گرفته می شوند . : 𝜂𝑎 و 𝜂𝑐 ، ضخامت جدار فلزی :t ، که در این رابطه
افزایش می یابد زیرا بتن هنگامیکه تحت تنش های سه محوری قرار گیرد، مقاومت 𝜂𝑐 مقاومت بتن توسط ضریب
کاهش می یابد، زیرا تنش تسلیم موثر 𝜂𝑎 بالاتری از خود نشان می دهد .مقاومت جدار فلزی نیز با اعمال ضریب
فولاد به خاطر تنش های حلقوی کاهش می یابد .هر دو ضریب به لاغری و خروج از مرکزیت بار محوری وابسته
هستند و به صورت زیر تعریف می شوند.
𝑒 برای
𝐷
به ترتیب برابر با صفر و ۰٫۱ در نظر گرفته می شود. در این روابط داریم: 𝜂𝑎 و 𝜂𝑐 ۰٫۱ < مقادیر
ستون های مرکب فولادی – بتنی
صفحه: ۰۰ DEP PRJ CAT DIS TYP SEQ REV : پروژه
۱۰ بهمن ۳۹
به ترتیب ماکزیمم لنگر خمشی طراحی و بار محوری طراحی هستند، و پارامتر لاغری در 𝑁𝐸𝐷 و 𝑀𝐸𝐷 که
ستونها توسط رابطه زیر تعریف می شود:
بار کمانشی اولر است و برابر با: 𝑁𝑐𝑟 که در این رابطه
و
که در روابط فوق:
مدول الاستیسیته جدار فولادی :𝐸𝑎
مدول الاستیسیته آرماتور :𝐸𝑆
مدول الاستیسیته موثر بتن :𝐸𝑐,𝑒𝑓𝑓
ممان اینرسی جدار فولادی، :𝐼𝑎
ممان اینرسی آرماتور :𝐼𝑆
ممان اینرسی بتن :𝐼𝑐
ضریب تصحیح 𝐾𝑒
مدول الاستیسیته متقاطع )سکانتی( بتن :𝐸𝑐𝑚
می باشد.
ستون های مرکب فولادی – بتنی
صفحه: ۰۲ DEP PRJ CAT DIS TYP SEQ REV : پروژه
۱۰ بهمن ۳۹
:AISC- آیین نامه ۲۰۱۰
مقاومت فشاری در این آیین نامه برای مقاطع پر شده با بتن برای مقاطع فشرده و غیر فشرده به صورت زیر
از روابط زیر بدست می آید. CCFT است. برای مقاطع فشرده مقاومت مقطع
برای مقاطع مستطیلی و دایروی برابر با ۱٫۱۹ و ۱٫۳۹ است. 𝐶 که مقدار ۲
از روابط زیر بدست می آید. CCFT همچنین برای مقاطع غیر فشرده مقاومت مقطع
که در این روابط:
مدول الاستیسیته جدار فولادی :𝐸𝑆
مدول الاستیسیته بتن :𝐸𝑐
مینیمم تنش تسلیم مشخصه فولاد، :𝑓𝑦
𝑓𝑐
′ : مقاومت فشاری مشخصه بتن،
به ترتیب مساحت جدار، بتن و آرماتورهای طولی :𝐴𝑠𝑟 و 𝐴𝑐 ،𝐴𝑠
می باشد.
برای مقاطع مستطیلی:
و برای مقاطع دایروی:
سختی موثر مقاطع مرکب نیز به صورت زیر بدست میآید:
ستون های مرکب فولادی – بتنی
صفحه: ۰۹ DEP PRJ CAT DIS TYP SEQ REV : پروژه
۱۰ بهمن ۳۹
برای صلبیت موثر مقطع مرکب پر شده با بتن و برابر است با: 𝐶 در رابطه فوق ضریب ۳
:BS-5400- آیین نامه ۲۰۰۵
مقاومت فشاری مقطع پر شده با بتن در این آیین نامه برابر است با:
مقاومت مشخصه بتن محصور و از رابطه زیر بدست می آید: 𝑓𝑐𝑐 که
𝑓𝑦
′ تنش تسلیم اسمی کاهش یافته جدار فولادی که برابر است با:
قطر خارجی جدار 𝑡 قطر خارجی جدار و 𝐷𝑒 ضرایبی که از جدول آیین نامه بدست می آیند و 𝑐 و ۲ 𝑐۱
است.

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *