آموزش جامع طراحی ستون بتن آرمه به همراه محاسبه دستی و نرم افزاری میلگردهای ستون

ستون ها المان هایی فشاری قائم یا تقریبا قائم هستند که نیروهای قائم و بعضا لنگرهای خمشی را از بام یا کف های ساختمان گرفته و به فونداسیون ساختمان منتقل می کند. در این مقاله به شرح چگونگی طراحی ستون بتنی به صورت نرم افزاری و دستی و نیز ضوابط آیین نامه ای مربوطه پرداخت شده است. برای طراحی ستون از مبحث نهم ویرایش 99 و آیین نامه ACI 318-19 استفاده شده است. نرم افزار مورد استفاده ETABS 2019 و روش دستی استفاده شده روش منحنی همبار PCA است. مطالب این مقاله برگرفته از دوره آموزش ایتبس پاراپلاس مجموعه پاراسیویل و سایر منابعی است که در انتها ذکر شده اند.

سرفصل‌های این مقاله

1. مفاهیم پایه ستون بتنی
2. نکات آیین نامه ای و طراحی ستون بتنی با نرم افزار ایتبس
3. طراحی دستی ستون بتنی

ستون بتنی چیست؟

ستون ها عضو های سازه های معمولا عمودی هستند که نیروی محوری غالبا فشاری (ستون ممکن است تحت کشش هم قرار بگیرد) را با یا بدون حضور لنگر خمشی از کف های سازه ای به فونداسیون انتقال می دهند.

انواع ستون بتنی

اگر نسبت ابعادی و لاغری یک ستون بتن آرمه طوری باشد که مقاومت ستون را تحت تاثیر قرار ندهد و ستون در حالت نهایی خود، بر اساس بار محوری و لنگر خمشی نهایی که به آن وارد می شود، به مرحله ی شکست برسد، آن ستون “ستون کوتاه” (Short Column) نامیده میشود. اکثریت قریب به اتفاق ستون هایی که در دنیای مهندسی با آن ها سر و کار داریم ستون های کوتاه هستند.

در مقابل اگرنسبت ابعادی و لاغری یک ستون بتن آرمه به گونه ای باشد که مقاومت نهایی آن را تحت تاثیر خود قرار دهد، این ستون “ستون بلند” یا “ستون لاغر” (Slender Column) خوانده می شود. در ستون های لاغر علاوه بر لنگری که به ستون در حالتی که کوناه است وارد می شود لنگرهای ثانویه ای که حاصل ضرب بار محوری در تغییر مکان جانبی ستون (P×Δ) هستند به ستون وارد می شود.

تعاریف و مفاهیم آیین نامه ای ستون های بتنی

در این بخش تعاریف اصطلاحات مهم در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان که ، که در این مقاله از آن ها استفاده شده است، جمع آوری شده است.

آرماتور یا Reinforcement

میلگرد یا مسلح کننده های فولادی جایگذاری شده در بتن که با مشخصات فصل 4 از مبحث نهم مقررات ملی ویرایش 1399 تطابق داشته باشد.

آرماتور انتظار یا Doowel Reinforcement

آرماتوری که برای اتصال دو قطعه از یک عضو و یا یک عضو به شالوده در بتن جایگذاری می شود. این آرماتور باید بتواند از عهده ی انتقال بارها در اتصال بین 2 قطعه بر بیاید.

آرماتور دورپیچ یا Spiral Reinforcement

آرماتوری که به طور پیوسته به شکل یک مارپیچ استوانه ای به دور آرماتورهای طولی پیچیده شده باشد. این نوع از آرماتورها بیشتر در ستون های دایره ای شکل و شمع های بتنی مورد استفاده قرار می گیرند.

آرماتور دورگیر یا Hoop Reinforcement

تنگ بسته یا تنگ دورپیچ شده به طور پیوسته، که از یک یا چند میلگرد ساخته شده و هر کدام در دو انتها قلاب­ه ای لرزه­ ای دارند. آرماتور دورگیر نباید از میلگردهای آجدار سَردار ساخته شود.

آرماتور طولی یا Longitudinal Reinforcement

آرماتوری که در جهت طولی تیر و ستون یا در امتداد اضلاع صفحه ی دال و دیوار جایگذاری می شود. این آرماتور معمولا برای تحمل نیروهای محوری، خمشی و تا حدی پیچشی به کار می رود.

آرماتور عرضی یا Transverse Reinforcement

آرماتوری که در جهت عمود یا مایل نسبت به آرماتور طولی جایگذاری می شود. این آرماتور معمولا برای تحمل برش و پیچش در اعضای بتن مسلح به کار می رود.

تنگ یا Tie

حلقه ای از آرماتور یا سیم به شکل دایره، مستطیل و یا چند وجهی بدون کنج های متمایل به سمت داخل، که آرماتورهای طولی را در بر می گیرد را تنگ می گویند. عبارت تنگ معمولا برای اعضای فشاری به کار می رود.

سنجاقی یا Cross-Tie

میلگرد عرضی یک سره با قلاب لرزه ای در یک انتها و قلاب 90 درجه با طول مستقیم حداقل 6db در انتهای دیگر، که آرماتورهای طولی پیرامونی عضو را در برگرفته باشد. قلاب های در بر گیرنده ی یک زوج آرماتور طولی، باید به طور یک در میان سر و ته اجرا شوند.

قلاب لرزه ای یا Sesismic Hook

قلاب با خم 135 درجه و یا بیشتر بر روی خاموت ها، دورگیرها و یا سنجاقی ها، یا طول مستقیم بعد از خم حداقل 6 برابر قطر و یا 75 میلی متر قلاب های متعلق به دورگیرهای دایره ای می توانند خم 90 درجه یا بیشتر داشته باشند. قلاب های لرزه ای باید آرماتورهای طولی را در بر گیرند و طول مستقیم آنها رو به داخل باشند.

برای آشنایی بیشتر با این مفاهیم ویدیو زیر برگرفته از پیج اینستاگرام مهندس امیرطه نوروزی رو حتما ببنین:

پیشنهاد دوره آموزشی: آموزش پروژه محور طراحی سازه فولادی و بتنی با ایتبس و سیف

طراحی ستون بتنی در نرم افزار ایتبس

در کشور ما برای طراحی ستون های بتن آرمه از آیین نامه های ACI-318-19 و مبحث نهم ویرایش 99 مقررات ملی ساختمان استفاده می شود. در این آیین نامه ها محدودیت های زیادی در مورد ابعاد، آرماتورها، مهار جانبی و سایر موارد مربوط به ستون بتنی مشخص می کند. در حال حاضر در کشور ما، از اسکلت بتن آرمه به صورت سیستم قاب خمشی با شکل پذیری متوسط به طور معمول استفاده می شود، به همین جهت فرض این مقاله برای ادامه کار از این نوع سیستم اسکلت بتنی است. در این فصل برای هر بخش از طراحی ستون بتنی ضوابط و بندهای آیین نامه ای مربوطه آورده شده است سپس مراحل طراحی آن در نرم افزار ایتبس گفته می شود.

تعریف مقطع و آرماتورهای طولی

برای شروع طراحی ستون بتنی در نرم­ افزار ایتبس ابتدا باید با توجه به ضوابط و محدودیت­ های آیین­ نامه­ ای مقاطع ستون بتنی یعنی هندسه­ ی آن­ ها و آرماتورهای طولی آن را در نرم­ افزار تعریف کنیم و بعد سازه را تحلیل و طراحی کنیم و مقاطع بهینه را بدست آوریم.

محدودیت های هندسی

برای تعریف ابعاد مقطع ستون بتنی در مبحث نهم مقررات ملی یک سری محدودیت ها آورده شده است. برای به دست آوردن حداقل ابعاد و محدودیت های ابعادی ستون به قسمت ضوابط ویژه برای طراحی در برابر زلزله برای قاب های با شکل پذیری متوسط، بند 9-20-5-3-1-1 از مبحث نهم مقررات ملی ساختمان مراجعه می کنیم.

در قسمت الف این بند 2 مقدار برای حداقل ابعاد ستون ارائه داده است. حداقل بعد ستون نباید از 250 میلی­متر کمتر شود و همچنین نباید نسبت بعد کوچک به بعد بزرگ کمتر از 0.3 شود. این محدودیت به این دلیل است اگر این نسبت کمتر شود دیگر رفتار المان ما ستون نیست و حالت دیوار بتنی به خود می­گیرد. این نکته را باید زمانی که از ستون­ های کتابی می­خواهیم استفاده کنیم باید در نظر داشت.

قسمت ب این بند در پروژه های معمولی حاکم نمی شود. زیرا مقدار ماکزیمم برای حداقل های این بند را در نظر می گیریم و برای این قسمت برای سازه های رایج مقدار زیادی نمی شود و اکثر مواقع تامین می شود. در پیوست های مبحث نهم ویرایش 99 روالی برای طراحی ساده ستون آورده شده است که این روال حالت راهنما برای مهندس طراح را دارد. لازم است که اطلاعات این بخش توسط مهندس طراح کنترل شود. برای اطلاعات بیشتر در مورد این پیوست به بند 9-پ6-3-2 مراجعه شود. در آیین نامه ACI 318-19 برای حداقل ابعاد ستون ضوابط سخت گیرانه تری را بیان کرده است. برای این منظور به بند 18.7.2.1 مراجعه می کنیم.

مطابق این بند حداقل بعد ستون نباید کمتر از 300 میلی­متر باشد و همچنین نسبت بعد کوچک­تر به بعد بزرگ­تر نباید از 0.4 کمتر باشد.

کاور ستون بتنی

با توجه به بند 9-4-9 مبحث نهم که به دوام آرماتورها اشاره دارد، برای حفظ آرماتورهای مصرفی در بتن در مقابل فرسودگی و خوردگی باید به مشخصات فیزیکی و شیمیایی بتن، شرایط محیطی در ارتباط با مواد شیمیایی واکنش زای خورنده، میزان پوشش بتنی روی آرماتورها توجه کرد. در سازه های رایج که بیشتر در شرایط عادی هستند برای تعیین میزان کاور بتن از جدول 9-4-6 مبحث نهم استفاده می کنیم.

مطابق جدول کاور برای ستون­ ها 40 میلی­متر است. اگر سازه موردنظر در شرایط غیرعادی بود مانند سازه­ های حاشیه بنادر و… از بند 9-پ1-1-2 پیوست­ های مبحث نهم استفاده می­کنیم.

آرماتور گذاری طولی

آرماتورهای ستون به دو بخش آرماتور طولی و آرماتور عرضی تقسیم می شود. آیین نامه ها برای آرماتورگذاری ستون ضوابط و محدودیت هایی را بیان می کند که در اینجا این ضوابط جمع آوری شده است:

فاصله بین آرماتورهای طولی

برای تعیین حداقل فاصله بین آرماتورها به بخش جزئیات آرماتورگذاری مبحث نهم در بند 9-21-2-1-3 مراجعه می­کنیم.

در سازه ­های رایج معمولا مقدار 40 میلی­متر حاکم می­شود و باید آن را کنترل کرد. (منظور از فاصله آزاد بین میلگردها، فاصله لبه تا لبه میلگردها است.) در یک ستون بتن ­ریزی معمولا در داخل هسته ­ی میانی انجام می­گیرد و فاصله­ ی میلگردهای طولی باید به صورتی باشد که بتن بتواند به آسانی در داخل پوسته نفوذ کرده و فضای بین میلگردهای بیرونی و قالب را پر کند، به همین جهت آیین ­نامه ­ها برای فاصله بین آرماتورهای طولی فاصله­ ی حداقل تعیین کرده ­اند.

آیین نامه ACI 318-19 نیز همانند مبحث نهم برای حداقل فاصله بین آرماتورها ضوابطی را ارائه کرده است. این ضوابط در بند 25.2.3 آورده شده است.

حداقل و حداکثر آرماتور طولی ستون

مبحث نهم در فصل ستون ­ها برای حداقل و حداکثر درصد آرماتورهای طولی در مقطع ستون آورده شده است. برای بدست آوردن این مقادیر به بند 9-12-5-1 مراجعه می­کنیم.

توجه شود که بند آیین نامه بیان می کند که محدودیت حداکثر درصد آرماتور برای محل وصله میلگرد نیز رعایت شود، پس درصد آرماتور را بین 1% و 4% در نظر می گیریم. به نظر می رسد که تعیین 1 درصد به عنوان حداقل فولاد طولی ستون، به منظور جلوگیری از یک شکست ناگهانی و ترد است. از طرفی به کار گرفتن حداقل 1 درصد فولاد طولی، مقادیر خزش و افت را کاهش داده و مقاومت خمشی حداقلی را نیز برای ستون فراهم می کند.

محدودیت حداکثر فولاد طولی به جهت جلوگیری از تراکم آرماتور و مشکلات اجرایی مرتبط در زمان اجرای ساختمان بتنی با آن مانند کرمو شدن بتن که موجب کاهش ظرفیت باربری می شود، است. آیین نامه ACI 318-19 نیز همانند مبحث نهم برای حداقل و حداکثر درصد آرماتورهای طولی ضوابطی را ارائه کرده است. این ضوابط در بند 10.6.1.1 آورده شده است.

حداقل تعداد آرماتور طولی در ستون

مبحث نهم برای مقاطع مختلف ستون حداقل تعداد آرماتور طولی تعیین کرده است. در بند 9-12-6-2-1 به این موضوع اشاره شده است.

آیین نامه ACI 318-19 نیز همانند مبحث نهم برای حداقل تعداد آرماتورهای طولی ضوابط کاملا مشابهی را ارائه کرده است. این ضوابط در بند 10.7.3.1 آورده شده است.

آرماتور انتظار ستون در فونداسیون

با مراجعه به بند 9-20-9-2 مبحث نهم در مورد آرماتور انتظار ستون در فونداسیون­ ها توضیحاتی را ارائه کرده است. از جمله مهم ترین تغییرات مبحث نهم ویرایش سال 1399 با ویرایش های قبلی الزام به خم کردن آرماتور های طولی ستون در فونداسیون به سمت داخل ستون می باشد که در ویرایش های قبلی این الزام وجود نداشت.

نکات تکمیلی تعریف مقطع ستون

در ادامه به بررسی سایر ضوابط تعریف مقطع ستون بتنی پرداخته می شود:

• در ایتبس های قدیمی مثل ورژن 9.7.4 در تعاریف مقطع منظور از کاور فاصله مرکز آرماتور تا لبه بتن است که با مقدار کاور مجاز مبحث 9 متفاوت است و باید جداگانه محاسبه شود (معمولا 2 سانتی­متر به هر طرف اضافه شود)، امادر ایتبس ­های ورژن بالاتر منظور از کاور در تعریف مقاطع Clear Cover است که همان فاصله­ ی گفته شده در مبحث نهم است.
• با توجه به شرایط معماری و سازه­ ای پروژه می­توان علاوه بر مقاطع ستون مربعی، مقاطع مستطیلی نیز تعریف کرد.
• محاسب باید سعی کند که از تنوع بالای آرماتور در تعریف مقاطع استفاده نکند و از چند قطر محدود استفاده کند. همچنین برای اجرا و نظارت بهتر در کارگاه آرماتورهای طولی را با اختلاف دو نمره استفاده کرد مثلا از آرماتور 18 و 22.
• در تعریف مقاطع برای لاغرتر کردن یک مقطع، ابتدا آمارتور طولی آن را کاهش می­دهیم سپس ابعاد را تغییر می­دهیم. همچنین سعی شود برای تغییر ابعاد مقطع حداقل کاهش یا افزایش آن از مقدار 10 سانتی متر استفاده شود، این کار برای تشخیص و اجرای بهتر در کارگاه می باشد.
• در پروژه های عادی سعی کنیم حداکثر از قطر 22 میلگرد برای آرماتور طولی استفاده کنیم، اگر پروژه خاص است سراغ آرماتور 25 و اگر خیلی خاص به سراغ آرماتور 28 و بالاتر برویم.
• در ستون­ گذاری، مقطع ستون بالایی همیشه ابعاد و آرماتور­های آن کوچک­تر مساوی نسبت به ستون پایینی داشته باشد.

تعریف مقطع ستون بتنی در ایتبس

برای تعریف مقاطع ستون در نرم­ افزار ایتبس پس از تعریف­ های اولیه پروژه با استفاده از مراحل زیر و با توجه به مشخصات هر پروژه، مجموعه ­ای از مقاطع ستونی بتنی در ابعاد و با آرماتورهای مختلف تعریف می­کنیم، در تعریف این مقاطع یک سری ضوابط و محدودیت ­ها وجود دارد که در ادامه به آن­ ها اشاره می­شود.

برای شروع تعریف مقاطع بتنی از مسیر زیر به پنجره ی تعریف ها در نرم افزار ایتبس می رویم:

Define→Section Properties→Frame Section

در پنجره ی باز شده لیست مقاطعی که از قبل تعریف شده است، وجود دارد. برای تعریف مقطع ستون بتنی جدید گزینه Add New Property را می زنیم:

در پنجره ی باز شده، شکل مقطع ستون را می توانیم انتخاب کنیم، در اکثر پروژه ها مقاطع مستطیلی رایج است، پس در اینجا با مقطع مستطیلی بتنی ادامه می دهیم.

در پنجره باز شده مقطع ستون را با توجه ضوابط آیین نامه ایی که در بخش های ابتدای این مقاله آورده شده است، تعریف می کنیم. مشخصات یک نمونه مقطع تعریف شده در نرم افزار ایتبس را در میتوانید در تصویر زیر ببینین.

در پنجره باز شده می توان مشخصات را اعمال کرد مانند، نام مقطع (Property Name)، نوع بتن مقطع (Material) و ابعاد مقطع (Section Dimensions) را وارد کرد. بخش بعدی که باید تکمیل کرد، تنظیمات آرماتورگذاری مقطع ستون است. برای این منظور در پنجره ای باز کرده بودیم گزینه (Modify/Show Rebar) را می زنیم.

با توجه به تنظیمات مشخص شده در پنجره بالا ادامه می دهیم. این تنظیمات با توجه به بندهای آیین نامه ایی که در بخش های 2-1 تا 2-3 آورده شده بود اعمال می شود. در ادامه به توضیح بخش های مهم این پنجره می پردازیم:

⇐ مشخصات آرماتورها (Rebar Material)

برای میلگردهای طولی از آرماتور S400 و برای میلگردهای عرضی از آرماتور S300 استفاده می شود.

⇐ نحوه طراحی (Check/design)

در این مقاله از روش Check استفاده می شود. در این روش طراح مقاطع ستون مانند ابعاد، تعداد و آرایش آرماتورها و … را به صورت دستی محاسبه و به نرم افزار معرفی کرده و به هر ستون مقطعی اعمال می کند. نرم افزار با توجه به نتایج آنالیز مقاطع را بررسی و کنترل میکند، اگر مقطع اختصاص شده پاسخگوی تلاش های وارد نباشد به رنگ قرمز در می آید و در صورت کافی بودن ظرفیت رنگ هایی مانند بنفش، زرد، سبز و آبی را برای مقاطع نشان می دهد. به همین منوال می توان با تغییر مقاطع به بهترین حالت برسیم.

در روش Design اما طراح فقط ابعاد مقاطع ستون را به نرم افزار می دهد و نرم افزار با توجه به نتایج آنالیز مساحت آرماتور موردنیاز را محاسبه کرده و نمایش می دهد. سپس مهندس طراح باید با توجه به ضوابط آیین نامه ای با استفاده از مساحت اعلام شده سایز و آرایش میلگردهای طولی را بدست بیاورد.

⇐ آرماتورهای طولی (Longitudinal Bar)

در این بخش مقدار کاور، تعداد میلگرد در هر راستا و سایز آن ها را باید اعمال کرد. به همین ترتیب می توان انواع مقاطع ستون بتنی را تعریف کرد.

تحلیل و طراحی ستون بتنی در ایتبس

پس از تعریف مقاطع ستون، با توجه به پلان معماری ستون گذاری ها انجام می شود در این مرحله باید به جهت آکس بندی ستون ها نیز توجه شود و اگر نیاز به چرخش ستون ها بود آن را اعمال کرد. در این بخش فرض شده است که بارگذاری سازه و دیگر ضوابط و الزمات بر سازه در نظر گرفته شده است.

ضرایب ترک خوردگی ستون بتنی

در المان های بتنی تحت اثر تنش ها و کرنش های حاصل از زلزله طرح دچار ترک خوردگی می شود. این ترک خوردگی که باعث کاهش سختی المان ها می شود باید در مراحل تحلیل و طراحی سازه در نظر گرفته شود. آیین نامه ها و نرم افزارها برای اثر دادن این کاهش سختی از ضرایب ترک خوردگی استفاده می کند.

نیروها در سازه بر اساس سختی المان ها تقسیم می شوند و همچنین می دانیم که سختی المان ها به ممان اینرسی نیز مرتبط است پس در تحلیل المان های سازه بتنی برای توزیع صحیح و واقعی نیروهای جانبی و ثقلی باید ممان های اینرسی اصلاح شوند که به صورت مفهموم ضرایب ترک خوردگی در آیین نامه های طراحی سازه های بتنی مقررات ملی ساختمان مبحث نهم و استاندارد 2800 عنوان شده است.

در مبحث نهم ویرایش 99 برای محاسبه ضرایب ترک خوردگی سه روش پیشنهاد داده است. در این مقاله برای محاسبه ضریب ترک خوردگی ستون از رایج ترین روش میان طراحان سازه استفاده می شود که منطبق بر آیین نامه ACI 318-19 نیز می باشد. مطابق بند 9-6-5-3-1-1 مبحث نهم برای بدست آوردن ضرایب ترک خوردگی باید از جدول 9-6-2-الف استفاده کرد. برای دقیق تر حساب کردن این ضریب از روش های دیگری می توان استفاده کرد که آیین نامه در این بخش به آن ها اشاره کرده است.

با مراجعه به این جدول ضرایب ترک خوردگی را برای ستون برابر با 0.7Ig در نظر گرفته میشود. آیین نامه ACI 318-19 نیز ضوابطی همانند مبحث نهم برای ضرایب ترک خوردگی ارائه داده است. با مراجعه به بند 6.6.3.1.1 تعاریفی همانند مبحث نهم را بیان کرده است، برای برداشت ضرایب ترک خوردگی باید به جدول 6.6.3.1.1(a) مراجعه کرد که همان عدد 0.7Ig را می توان برداشت کرد.

اعمال ضرایب ترک خوردگی در ایتبس

ابتدا کل ستون ها را انتخاب کرده سپس مسیر زیر را باید طی کرد.

Assign→Frame→Property modifier

در پنجره ی باز شده مقادیر ضرایب ترک خوردگی را اعمال می کنیم.

آنالیز و طراحی نرم افزاری ستون بتنی در ایتبس

پس از اعمال تغییرات و ضوابط لازم و اختصاص مقاطع اولیه ستون ها، سازه را با فشردن دکمه F5 یا از طریق دکمه Run میکنیم. پس از آنالیز سازه با انتخاب آیکون Design سازه را طراحی می کنیم. پس از اتمام طراحی ستون ها رنگی می شوند که به بررسی آن ها می پردازیم. با رفتن به نمای سه بعدی در حالت فقط نمایش ستون ها می توان به صورت راحت تر به بررسی وضعیت آن ها پرداخت.

با رعایت ضوابط بیان شده در قسمت های قبل و در صورت امکان در نظر گرفتن تیپ بندی مقاطع، مقاطع ستون را تغییر می دهیم، ستون قرمز قابل قبول نبوده و هر چه رنگ ستون به بنفش نزدیک تر شود وضعیت  بهینه تر است.

آرماتورگذاری عرضی ستون

در بخش های مختلف مبحث نهم ویرایش 99 و ACI 318-19 برای خاموت گذاری ضوابط زیادی را ارائه کرده اند که در اینجا به بررسی این بندها می پردازیم. با توجه به این نکته فرض ما در این مقاله طراحی ستون بتنی با سیستم قاب خمشی با شکل پذیری متوسط بود، برای محاسبه خاموت گذاری به فصل ضوابط ویژه برای طراحی در برابر زلزله که در فصل بیستم مبحث نهم آورده شده است، فصل ستون ها (فصل 12 مبحث نهم) و فصل جزئیات آرماتورگذاری (فصل 21 مبحث نهم) مراجعه می کنیم.

مطابق بند 9-12-6-5-2 مبحث نهم لازم است که آرماتورهای طولی با استفاده از تنگ ­ها، دورگیرها و یا دورپیچ ­ها به صورت جانبی مهار شوند. در بخش 9-21 مبحث نهم در مورد الزام استفاده از تنگ های مستطیلی ضوابطی را ارائه کرده است که در ادامه به بررسی آن ها خواهیم پرداخت.

ناحیه بحرانی در ستون L0

با مراجعه به بند 9-20-5-3-3-2 متوجه می شویم که بر اساس الزام مبحث نهم مقررات ملی ساختمان باید به فاصله ناحیه بحرانی (L0) در دو انتهای ستون خاموت گذاری ویژه انجام شود. نحوه محاسبه طول L0 در این بند بیان شده است.

در بند 9-20-5-3-3-3 حداقل قطر آرماتور دورگیر در ناحیه بحرانی را 10 میلی متر تعیین کرده است و مجاز به استفاده از آرماتور 8 میلی متر نیستیم که معمولا از نوع آرماتور AII برای دورگیر استفاده می شود. در ادامه ی این بند به فواصل آرماتورها در ناحیه بحرانی اشاره کرده است.

این بند مبحث نهم مطابق بند 18.4.3.3 آیین نامه ACI 318-19 است.

ناحیه غیر بحرانی در ستون

برای ضوابط ناحیه میانی ستون که بین دو ناحیه بحرانی قرار دارد، باید به بند 9-21-6-2 مبحث نهم که در مورد تنگ ها است مراجعه کنیم. در بند 9-21-6-2-1 محدودیت های فاصله ی بین تنگ ها را بیان کرده است.

در بند بعدی این بخش محدودیت های قطر آرماتور استفاده شده برای تنگ ها بیان شده است که به شرح زیر است.

• قطر 10 میلی متر برای میلگرد طولی تا قطر 32 میلی متر
• قطر 12 میلی متر برای میلگرد طولی به قطر 34 میلی متر یا بزرگ تر و یا گروه های میلگردهای طولی

این دو بند مبحث نهم مطابق بندهای 25.7.2.1 و 25.7.2.2 آیین ­نامه ACI 318-19 است.

همچنین بند 9-20-5-3-3-4 مبحث نهم ضوابط خاموت­گذاری ناحیه ­ی غیربحرانی را بر اساس طراحی برشی ستون مطابق بند 9-12-6-7-2 انجام شود.

آرماتورهای عرضی در ناحیه اتصال تیر به ستون

در بخش بند 9-20-5-4 مبحث نهم ضوابط ناحیه اتصال تیر به ستون در قاب­های متوسط بیان شده است. با مراجعه به بند 9-20-5-4-4 ضوابط آرماتوهای عرضی در ناحیه اتصال تیر و ستون را مطابق ناحیه بحرانی ستون بیان کرده است.

آرماتورهای عرضی در ناحیه اتصال ستون به فونداسیون

در بخش ضوابط لرزه ای ساختمان های با شکل پذیری متوسط، با مراجعه به بند 9-20-5-3-3-6 مبحث نهم ضوابط آرماتورگذاری عرضی اتصال ستون به فونداسیون را بیان می کند، که مطابق ضوابط ناحیه بحرانی ستون و در طول حداقل برابر با 300 میلی متر است.

در بند 9-20-9-2-4 مبحث نهم برای ستون هایی که فاصله ی لبه ی آن از لبه ی شالوده، از نصف ضخامت فونداسیون کمتر باشد، ضوابط سخت گیرانه تری را الزام کرده است، به این صورت که در آن ستون آرماتورهای عرضی مطابق ضوابط ناحیه بحرانی ستون، از روی شالوده به اندازه طول مهاری آرماتورهای ستون در درون فونداسیون ادامه یابد.

به طور کلی ضوابط گفته شده در مورد آرماتورهای ستون را می توان به صورت زیر در نقشه های اجرایی سازه های بتنی جمع بندی کرد. دانستن این موارد کمک بسیاری در بررسی نقشه ها و نقشه خوانی  به فرد می کند.

آرماتورهای عرضی ستون با استفاده از نتایج ایتبس

تا این بخش از مقاله سعی شد که ضوابطی که در رابطه با آرماتورگذاری عرضی ستون در آیین نامه ها بیان شده بود جمع آوری شود. در ادامه نحوه محاسبه آرماتورهای عرضی را با استفاده از نتایج طراحی سازه در نرم افزار ایتبس در قالب یک پروژه فرضی آورده شده است. دانستن این نکات برای نقشه کشی سازه الزامی است.

پس از به اتمام رسیدن فرایند آنالیز و طراحی مقاطع و نهایی شدن مقاطع، از مسیر زیر مقدار تنگ مورد نیاز مقاطع ستون را بدست می آوریم:

Design →Concrete Frame Design → Display Design Info

برای نمایش آرماتور برشی مورد نیاز مقطع از کشو Design Output گزینه Shear Reinforcing را فعال می کنیم:

پس از زدن دکمه OK، نسبت مساحت میلگرد عرضی به فاصله خاموت ها (Av/s) برحسب واحد نرم افزار در وسط ستون ها نمایش داده خواهد شد. (Av مساحت آرماتورهای عرضی مقطع و s فاصله بین آرماتورهای عرضی)

در هنگام نقشه کشی خروجی های طراحی باید این مقادیر آرماتور عرضی را با ضوابط و محدودیت های آیین نامه ای مقایسه کرد. در اکثر مواقع مقادیر حداقل آیین نامه ای که بالاتر به طور کامل در مورد آن صحبت شد حاکم می شود، به همین منظور بسته به هر پروژه باید مقادیر حداقل آرماتورهای عرضی را اعمال کرد و آن را با خروجی های نرم افزار کنترل کرد.

طراحی دستی ستون بتنی

با وجود پیشرفت های سال های اخیر در زمینه نرم افزارهای تحلیل و طراحی سازه هنوز هم طراحی دستی ستون یک دانش لازم و ضروری برای هر مهندس است، چراکه مهندسین همواره نیازمند این هستند که نتایج و خروجی های نرم افزارها را کنترل کنند تا از صحت و درستی آن مطمئن شوند و صرفا یک اپراتور نرم افزار نباشند بلکه یک دید مهندسی به اتفاقاتی که در نرم افزار در حال رخ دادن هست، داشته باشد.

لازمه ی این دیدگاه مهندسی تسلط بر مفاهیم پایه و اصول طراحی المان ها می باشد. روش های مختلفی برای طراحی ستون بتنی وجود دارد مانند روش معکوس بار (روش برسلر)، روش منحنی های هم بار (روش PCA) و روش خروج از مرکزیت معادل (روش مک گریگور) که از کارامدترین و متداول ترین این روش ها روش منحنی هم بار است که در ادامه از این روش استفاده می کنیم.

روش منحنی های هم بار – روش PCA

در روش منحنی های هم بار سطح شکست بر حسب بار محوری و لنگرهای خمشی در مقدار ثابتی از Pn قطع می شود تا منحنی هم باری که اثر توام لنگرهای خمشی دو محوره Mnx و Mny را مرتبط می سازد، ایجاد شود. به طور خلاصه مراحل این روش به این صورت است:

1) متغیر β حدس زده شود. برای شروع می توان فرض کرد β=0.65 باشد.
2) همچنین نسبت ابعاد مقطع (b/h) نیز انتخاب شود. با استفاده از روابط زیر، لنگر خمشی تک محوره ی معادل، حول یکی از محورها (M0x یا M0y) تعیین شود.

for      Mny/Mnx <b/h     →    Mnx+Mny (b/h)((1-β)/β)=M0x

for      M_ny/M_nx >b/h     →    M_ny+M_nx (b/h)((1-β)/β)=M0y

3) با استفاده از نمودارهای طراحی ستون و به کارگیری لنگر خمشی تک محوره ی معادل و بار محوری وارد بر ستون، مقطع  و فولاد لازم برای ستون طراحی شود. همچنین با استفاده از نمودارهای طراحی ستون، ظرفیت خمشی تک محوره حول محور دیگر نیز تعیین شود.
4) در صورتی که استفاده از β دقیق تری موردنظر باشد، با استفاده از نمودارهای مربوطه، مقدار دقیق تری برای β تعیین شود.
5) کفایت ستون طراحی شده با کنترل رابطه ی زیر بررسی شود. در صورتی که تساوی این رابطه با تقریب قابل قبول با 1.0 برقرار نباشد، مراحل طراحی مجددا تکرار شود.

حل مثال طراحی دستی ستون بتنی

برای این مثال از داده های یک ستون بتنی که سازه ی آن قبلا طراحی شده است، استفاده می شود. مشخصات و بارهای وارده بر ستون به شرح زیر است:

برای شروع طراحی با فرض این که ستون تحت نیروی فشاری خالص قرار گیرد، مقطع اولیه ستون حدس زده می شود. همچنین برای حدس اولیه، فرض می کنیم که کل نیروی فشاری وارده را بتن تحمل کند، برای این منظور مقدار حداقل آرماتور (که در قسمت های قبلی به آن اشاره شد) را 0.01 در نظر می گیریم. همچنین باتوجه به نتایج طراحی نسبت ارتفاع به عرض را برابر با 1.6 انتخاب می شود. حدس اولیه ابعاد ستون به شرح زیر است:

برای شروع مقدار β=0.65 را فرض می کنیم، همچنین اگر فرض کنیم ضریب کاهش مقاومت ∅ برای هر دو لنگر مساوی یک دیگر و برابر 0.65 باشد، خواهیم داشت:

مقدار γ (نسبت فاصله ی مرکز تا مرکز آرماتورهای دو طرف مقطع) را محاسبه می کنیم. مقدار کاور بتن روی بیرونی ترین آرماتور را 40 میلی متر، قطر آرماتورهای عرضی 10 میلی متر و قطر آرماتورهای طولی را 22 میلی متر فرض می کنیم.

حال با توجه به این که مقدار γ بین 0.8 و 0.9 به دست آمد، به دیاگرام های اندرکنش هر دو مقدار 0.8 و 0.9 مراجعه می کنیم و مقدایر را به صورت زیر برداشت می کنیم:

from (R4-60.8  &  R4-60.9)→ ρ_g≈0.02

با توجه به این که γ=0.84 بود و نمودارها برای γ=0.8 و γ=0.9 بود، از درون یابی استفاده شد. برای بدست آوردن تعداد آرماتورهای مقطع، درصد آرماتور مورد نیاز را در سطح مقطع نمونه ضرب می کنیم.

حداقل 22 عدد آرماتور 22 مورد نیاز است. در ستونی که در نرم افزار ایتبس از آن استفاده شده بود 24 آرماتور به کار رفته است. مناسب بودن ستون طراحی شده را با رابطه ی زیر کنترل می کنیم:

تقریبا نزدیک 1 است. پس ستون کفایت لازم را دارد.

منابع 

پک پاراپلاس مهندس امیرطه نوروزی
مبحث نهم مقرات ملی ساختمان، ویرایش سال 1399
کتاب “سازه های بتن آرمه” دکتر داود مستوفی نژاد

ACI 318-19 – Building Code Requirements for Structural Concrete
Design of Reinforced Concrete – by Jack C. McCormac

• 15 آوریل, 2024