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
- مفاهیم پایه ستون بتنی
- نکات آیین نامه ای و طراحی ستون بتنی با نرم افزار ایتبس
- 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:
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.