ستون کوتاه چیست؟ به همراه آموزش کنترل ستون کوتاه در ایتبس

در نتیجه، ستونی که ارتفاع آن نصف شده است، سختی آن 8 برابر می‌شود. به عبارت دیگر ارتفاع کمتر ستون موجب سختی بیشتر آن شده و سختی بیشتر موجب جذب نیروی بیشتری در ستون مورد نظر می شود.

اگر به هر دلیلی، در یک طبقه ارتفاع ستون کاهش یابد و این کم شدن ارتفاع در محاسبات مدنظر قرارنگیرد، در هنگام زلزله، به دلیل دیافراگم صلب در طبقات، تغییرمکان در تمامی نقاط از آن طبقه یکسان است، بدین صورت ستونی که ارتفاع آن با بقیه متفاوت است، مستعد خرابی می‌باشد.

چه عواملی باعث ایجاد پدیده ستون کوتاه می‌شود؟

علت اصلی ایجاد پدیده ستون کوتاه، اختلاف ارتفاع بین ستون‌ های یک طبقه می باشد که این اختلاف ارتفاع معمولا به دلیل شرایط معماری ساختمان ایجاد می‌شود. در ادامه عوامل ایجاد اختلاف ارتفاع ستون‌ها را بررسی می‌کنیم.

1) کاهش ارتفاع ستون به دلیل اجرای دیوارهای سازه‌ای (دیوار برشی، دیوار حائل) و دیوارهای غیرسازه‌ای ( دیوارهای بلوکی، آجری، سفالی و …)

درصورتی‌ که در بخشی از ارتفاع یک ستون، دیواری اجرا شود، وجود دیواری که متصل به ستون است، سبب می‌شود آن قسمت از ستون که آزاد است و دیواری به آن متصل نیست، جذب نیروی برشی را در ستون افزایش دهد و در هنگام زلزله باعث ایجاد ستون کوتاه گردد.

بیشتر بخوانید: آشنایی با صفر تا صد دیوار حائل

با توجه به شکل زیر وجود پنجره و عدم فاصله بین ستون و فریم پنجره میتواند سبب ساز ایجاد ستون کوتاه شود که این مورد متاسفانه از دید خیلی از مهندسان طراح سازه مخفی می ماند و به آن توجهی نمی کنند.

2) احداث ساختمان برروی زمین شیب‌دار (ستون‌هایی دارای ترازهای ارتفاعی مختلف)

در زمین‌های شیب دار یا فونداسیون هایی که به صورت پلکانی در شیب احداث می‌شوند، باعث اختلاف ارتفاع در ستون‌ها خواهند شد و این امر باعث ایجاد ستون کوتاه می شود. به همین دلیل بهتر است از احداث سازه بر روی زمین شیب‌ دار پرهیز کرد و یا در صورت احداث، تمهیدات لازم را برای طراحی سازه آن در نظر گرفته گرفت.

3) محدود شدن ستون به واسطه اتصال تیر به آن

به دلیل وجود راه‌پله، یا به واسطه وجود ساختمان های دوبلکس، یا به هر دلیلی که معماری، سازه را مجبور به استفاده از تیر در ترازی از ستون به غیر از تراز طبقه کند، این امر می‌تواند ستون را در معرض آسیب و پدیده ستون کوتاه قرار دهد.

در ادامه برخی از تصاویر مربوط به پدیده ستون کوتاه را ملاحظه می‌کنیم. عمده تصاویر، مربوط به زلزله های کوبه ژاپن (17 ژانویه 1995) و نورثریچ آمریکا (17 ژانویه 1994) است. خرابی های ناشی از پدیده ستون کوتاه در این 2 زلزله بسیار مشاهده شده بود.

عامل خرابی در پدیده ستون کوتاه

با توجه به شکل‌هایی که دربخش قبل مشاهده کردید، یکی از راه‌های تشخیص پدیده ستون کوتاه بعد از زلزله، ترک‌های ضربدری می‌باشد.

همانطور که در بخش‌های قبل اشاره کردیم، به دلیل کم شدن ارتفاع یک ستون، سختی آن بالا رفته و در نتیجه شاهد جذب نیروی بیشتری در این المان‌ها هستیم. نیروی زلزله در ابتدا تمایل زیادی دارد که به ستونی که سختی بیشتری دارد، نیرو وارد کند. و المان‌های سخت‌ تر مثل یک سرباز در جلوی لشکر، می‌تواند در معرض آسیب‌های بیشتری در برابر زلزله قرار گیرند. لذا اگر ملاحظات و محاسبات مربوط به ستون‌های کوتاه در طراحی سازه درنظر گرفته نشود، میتواند سبب خرابی در ستون و ایجاد ستون کوتاه گردد.

شرایط مطلوب برای طراحی ستون‌ها این است که مفصل پلاستیک در بالا و پایین آن تشکیل شود و ستون به ظرفیت خمشی پلاستیک خود برسد تا به این ترتیب شاهد رفتاری شکل پذیر در آن ستون باشیم. اما اگر به هر دلیلی ، طول موثر ستون کاهش یابد واین کاهش طول در محاسبات لحاظ نگردد، ستون قبل از رسیدن به ظرفیت خمشی پلاستیک، دچار شکست برشی می‌شود و به عبارتی مود شکست ستون برشی است. شکست برشی برای هر المانی می‌تواند مخرب باشد.

در شکست برشی، المان به یکباره تحت برش زیادی قرار گرفته و آن را در کمترین زمان ممکن تخریب می‌کند. اما در مود شکست خمشی، ستون به تدریج تغییرشکل داده و به واسطه این تغییرشکل‌ها، انرژی را جذب، دمپ و مستهلک می‌کند و کمک زیادی به پایداری ستون می‌کند. نیروی برشی ایجاد شده از ظرفیت خمشی، به طول آزاد عضو وابسته است.

حال در ادامه با مطرح کردن یک مثال، به صورت مفهومی نیروی برشی را بررسی میکنیم:

شکل زیر مربوط به یک ستون می باشد.

حال اگر در بخشی از ارتفاع یک ستون، دیوار اجرا کنیم، تغییرات دیاگرام برش و لنگر ستون به شکل زیر می باشد. تغییرات دیاگرام لنگر و برش ستون قابل مشاهده است.

جذب برش بیش‌تر را در ادامه شرح می دهیم:

در قاب های خمشی متوسط، فرض در طراحی این است که پس از تشکیل مفصل در تیرها، در بالا و پایین ستون ها مفصل تشکیل گردد. یک ستون را در  دو حالت زیر در نظر می گیریم.

برشی که باید در ستون شکل بگیرد، تا بالا و پایین ستون مفصل پلاستیک تشکیل شود به صورت زیر است:

با توجه به رابطه فوق، نیروی برشی در ستون با ارتفاع h2 بیشتر از ستون با ارتفاع h1 می باشد. حال با توجه به مفاهیم گفته شده، اگر به طور تقریبی مجموع لنگر های بالا و پایین را در هر دو ستون یکسان در نظر بگیریم، و همچنین h1 برابر با 5 متر و h2 برابر با 2 متر باشد، در نتیجه خواهیم داشت:

جذب نیروی برشی در ستون، در حالتی که ارتفاع آن کم شده است بیش تر است.در حالتی  که طول موثر ستون کاهش پیدا کند، برای اینکه مفصل پلاستیک در آن تشکیل شود، جذب نیروی آن بالاتر رفته و برش بیش تری را جذب می کند. مقاومت در هر دو ستون ثابت است. در بخش بعدی، نیروی برشی ناشی از مفصل پلاستیک را در نرم افزار بررسی میکنیم.

بررسی نیروی برشی ستون در نرم افزار ETABS

برای محاسبه نیروی برشی، از مبحث 9 مقررات ملی ساختمان ویرایش99 کمک میگیریم.