ستون‌های مرکب
استفاده از بتن به همراه فولاد در سازه‌ها میتواند نقش مؤثری در بهبود رفتار سازه یعنی افزایش مقاومت و شكل پذیری، ایفا نماید. در بسیاری از موارد در سازههای فولادی که ضوابط شكل 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 عملكرد اتصال، تأمین یكپارچگی و انسجام سیستم برای مقابله با گسیختگی پیشرونده و تأمین مقاومت جانبی با شكل 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 اینكه اتصال به عنوان یك 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 تكیه گاهی و شرایط مرزی طوری دیده شود که اتصال در تقابل با سایر اجزا دیده شود.
یكی از حساس‌ترین تصمیماتی كه 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 كه 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 شكل پذیری و مقاومت بالا و وزن كم 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 شكل‌های 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 شكننده بودن بتن، سازه حاصل دارای شكل پذیری كمتری بوده و در بارهای لرزه‌ای افت مقاومت در سازه بوجود خواهد آمد.
تركیب هوشمندانه این دو مصالح، یك سیستم موثرو كاراتر از استفاده مجزا از آنها را نتیجه می‌دهد. این سیستم را با عباراتی چون سیستم مركب و یا دوگانه معرفی می‌كنند. امروزه سیستمهای مركب 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 مركب به علت همكاری توام و مناسب بتن و فولاد در بسیاری از سیستمهای سازه‌ای در سرتاسر جهان در حال افزایش است.ستون‌های مركب نه تنها مزایای بسیاری در ساخت (بخصوص سرعت و اقتصاد) دارند بلكه باعث بهبود قابل توجهی در خواص مكانیكی اعضای سازه‌ای در مقایسه با اعضای بتن مسلح و فولادی تنها می‌شوند. ستون‌های مركب 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 كه در نتیجه باعث افزایش طاقت و ایجاد قید اضافی خواهد شد.
یكی 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، كاهش بارهای روی فونداسیون، افزایش فضای مفید و كاهش 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 مركب با مقاطع مختلفی ساخته می‌شوند كه از این رو دارای تنوع ساختاری هستند. ستون‌های مركب از لحاظ محل قرارگیری بتن و فولاد به سه گروه كلی تقسیم بندی می‌شوند، كه به شرح زیر است.
جدار فولادی پر شده با بتن (CFT)
ستون‌های CFT هستند كه دارای هر دو مزایای فولاد و بتن هستند. این ستون‌ها شامل مقطع فولادی توخالی دایره، مستطیل یا چند ضلعی است، كه 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 مركب كه در داخل مقطع بتن مسلحی مدفون شده است.
مقاطع جزئی محصور شده
در این گونه مقاطع، نه بتن و نه فولاد هیچكدام به طور كامل 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 شكل پذیری بیشتری نسبت به ستون‌های بتنی دارد و اتصا‌لت آنها مانند ساختمان‌های فولادی است. پر كردن بتن داخل ستون نه تنها موجب افزایش ظرفیت باربری مقطع فولادی میشود، بلكه موجب مقاومت ستون در برابر حریق نیز میشود. از نظر شكل 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 كامل نمی‌شود. وجود فولاد در بیرونی‌ترین تارهای مقطع (جائی كه بیشترین كشش وجود دارد) به طور موثر سبب افزایش حداكثر مقاومت خمشی مقطع میشود. همچنین وجود فولاد با مدول االستیسیته زیاد (در مقایسه با بتن) در دورترین فاصله از مركز مقطع باعث افزایش ممان اینرسی میشود كه این دو مورد نهایتاً سبب افزایش سختی مقطع میشود. بتن یك هسته ایده‌آل برای باربری ثقلی است. همچنین كمانش موضعی تیوب فولادی(خصوصا قوطی) را به تاخیر می‌اندازد و در برخی حاالت كمانش موضعی را به كلی حذف می‌كند.
آزمایشات نشان می‌دهد كه تیوب فولادی با محصور كردن بتن مقاومت فشاری ستون‌ها رادر حالت تیوب دایره (لوله) بالا برده و در نوع تیوب چهارگوش (قوطی) شكل 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 كرمو شدن بتن جلوگیری كند. به عبارت دیگر تراكم و شلوغی آرماتور خصوصاً در نواحی اتصال حذف میشود كه در ملاحظات لرزه‌ای بسیار سودمند خواهد بود. نتایج آزمایشات بسیاری نشان می‌دهند كه مقاومت، شكل پذیری و جذب انرژی با پركردن 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 كه تنش‌های خمشی و كششی 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 مركب SRC
به دلیل اینكه ستون و تیر در این نوع از ستون مركب 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 كمانش موضعی
در مقاطع مركب، ستون فولادی (فشرده، غیرفشرده) به علت تماس با بتن سفت شده، سختی بیشتری می‌یابد و كمانش در آن به تأخیر افتاده یا اتفاق نمی‌افتد. بنابراین تا زمانی كه تماس بین بتن و فولاد كاهش یاب،مثل ترک خوردن بتن یا جداسازی بتن و فولاد، كمانش 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 كمانش جانبی را به سمت بیرون انتقال می‌دهد، از این رو از مقاطع فولادی نازكتر به دلیل اطمینان از رسیدن مقاومت تسلیم در جدار قبل از وقوع كمانش استفاده میشود.
محصور شدگی بالا در بتن
مقاطع فولادی باعث افزایش محصور شدگی در هسته بتن و به دنبال آن افزایش مقاومت و شكل پذیری در بتن می‌شوند. به علت شكل مقطع و تنش حلقوی ایجادی یا تنش كمربندی، مقاطع دایروی از ستون‌های CFT) CCFT) ایجاد محصور شدگی بیشتری نسبت به مقاطع مستطیلی CFT)RCFT) و مقاطع SRC می‌كنند.
صرفه جویی در هزینه‌های ساخت
درCFT تیوب فولادی نقش یك قالب ماندگار برای بتن ایفا می‌كند و این موضوع سبب كاهش 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 كمتر 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 كار برده شود. این موضوع سبب كاهش هزینه‌ها و سهولت طراحی، میشود.
با استفاده از بتن پرمقاومت، CFTها نسبت به ستون‌های متداول بتن آرمه در هر فوت مربع قوی‌تر هستند. جائی كه مقاومت زیاد مورد نظر است، سایز كوچكتری از ستون میتواند طرح شود و فضای مفید ساختمان افزایش یابد. اسكلت كوچكتر و سبكتری بر روی فونداسیون قرار می‌گیرد. كه مجدداً سبب كاهش هزینه‌ها خواهد شد.
ضد آتش
در مقاطع مدفون در بتن، بتن به عنوان یك محافظ مقطع فولادی در برابر آتش سوزی عمل می‌كند.
