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.

بنابر متن مبحث نهم در ستون‌ها مقاومت برشی مقطع، نباید از کوچک‌ترین دو مقدار (الف) و (ب) کم‌تر در نظر گرفته شود:

الف) نیروی برشی ایجاد شده در ستون در اثر بارهای ثقلی ضریب‌دار و نیروی برشی متناظر با لنگرهای خمشی اسمی موجود در مقاطع انتهایی با انحنای خمشی دو جهته، در هر امتداد. بار محوری ضریب‌دار باید از ترکیبی در بارگذاری ستون انتخاب شود که بیش‌ترین لنگر خمشی اسمی متناظر با آن حاصل گردد.

ب) حداکثر برش به دست آمده از ترکیب‌های بارگذاری ضریب‌دار شامل زلزله که در آن‌ها به جای برش ناشی از زلزله، E، مقدار زلزله تشدید یافته جایگزین شده است.

لازم به ذکر است هر دوبند ذکر شده، توسط نرم افزار ETABS کنترل می شود

بیشتر بخوانید: زلزله تشدید یافته چیست؟

مشابه این بند که در ACI318-19  به شرح زیر می باشد:

تاکید آیین نامه بر در نظرگرفتن اثر نیروی محوری ضریب دار، برای محاسبه لنگر در بالا و پایین ستون به کمک منحنی اندرکنش می‌باشد. که این بند توسط نرم ETABS کنترل و در نظر گرفته می شود که در نهایت نیروی برشی طراحی به دست آمده طبق این بند را مطابق شکل زیر محاسبه میکند.

در این بخش می‌خواهیم برش ناشی از مفصل پلاستیک این ستون را که تیر نیم طبقه به آن متصل شده است را بررسی کنیم. شکل زیر را در نظر بگیرید، در ابتدا ستون بتنی را یکپارچه مدل می‌کنیم.

برای این کار ابتدا ستون را طراحی می‌کنیم. سپس با کلیک راست کردن بر روی ستون موردنظر، مراحل زیر را طی می‌کنیم و مقدار نیروی برشی ناشی از مفصل پلاستیک (Capacity Vp) را قرائت می‌کنیم.

در حالت بعدی، ستون‌ها را در محل اتصال تیر به ستون‌ها به 2 قسمت تقسیم می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنیم. برای تقسیم ستون در محل اتصال تیر به ستون، مسیر زیر را طی می‌کنیم:

Edit→Edit Frame→Divide Frame

حال سازه را تحلیل و طراحی می‌کنیم و برای هر یک از دو قسمت ستون مقدار Capacity Vp را مجددا بررسی می‌کنیم.

همانطور که ملاحظه کردیم، در حالت تقسیم ستون در محل اتصال تیر نیم طبقه راه پله، نرم افزار نیروی برشی را دقیق‌تر نسبت به حالت ستون یکپارچه محاسبه می‌کند.

جلوگیری از پدیده ستون کوتاه

جداسازی دیوار و ستون

پیوست 6 استاندارد 2800 ویرایش چهارم برای جلوگیری از اتصال دیوار به ستون جزئیاتی را ارائه داده است. بنا بر بند پ6-1-4-1-1 پیوست 6 استاندارد2800، برای دیوارهایی که در یک قاب یا بین دو ستون قرار دارند، الزاماتی را درنظر گرفته است تا قاب ساختمانی از دیوار جدا باشد و به هم متصل نباشند. این دیوارها باید به نحوی در سه سمت (دو سمتی که به ستون منتهی می شود و یک سمت زیر تیر بالای دیوار) جداسازه شده و در برابرنیروهای خارج از صفحه مهار گردند.

براساس بندهای پ-6-1-4-1-1-1 محدودیت ابعاد هندسی و بند پ6-1-4-2-1-وادارها پیوست 6 استاندارد2800، اگر طول دیوار از 4 متر و ارتفاع آن از 3.5 متر بیشتر باشد، باید این بند ها را رعایت کنیم.

در صورتی‌ که طول دیوار از مقادیر مجاز براساس طراحی (حداکثر 4 متر) بیشتر شود، از عضو قائم با مقطع فولادي یا بتنی (وادار) به عنوان تکیه گاه جهت مهار خارج از صفحه دیوار و اجزای مسلح کننده آن استفاده میشود. 

با توجه به دو بند فوق می توان نتیجه گیری کرد که:

• در دیوارهای داخلی و خارجی اگر طول دیوار کمتر از 4 متر باشد، نیازی به استفاده از وادار میانی عمودی نیست.
• اگر ارتفاع دیوار از 3.5 بیشتر باشد، بایستی از یک وادار میانی افقی در طول دیوار استفاده شود.

مطابق پیوست 6 استاندارد 2800، اتصال لبه انتهایی دیوار بایستی به صورت کشویی و با فاصله مناسب از زیر تیر باشد. این فاصله برابر است با بیشترین دو مقدار 25 میلی متر و خیز دراز مدت تیر می باشد.

با توجه به دو بند پ6-1-4-1-1-3 و پ6-1-4-1-2-1 از پیوست6 استاندارد ، اتصال لبه انتهایی دیوار بایستی بهصورت کشویی و با فاصله مناسب از زیر تیر باشد.این فاصله برابر است با بیشترین دو مقدار 250 میلی متر و خیز دراز مدت تیر بالای دیوار می باشد.

 هدف اصلی پیوست ششم استاندارد 2800 ویرایش چهارم، این است که دیوار، جدا از قاب سازه‌ای اجرا بشود و فاصله بین دیوار تا قاب با مصالح نرم پر گردد. در ادامه نمای کلی از این جزئیات را مشاهده می‌کنیم.

آیین نامه 2800 برای اتصال دیوار به ستون، نبشی را پیشنهاد می دهد.همچنین حدفاصل بین دیوار و نبشی باید به وسیله مصالح تراکم پذیر پر شوند. در  ادامه به بررسی بندهای آیین نامه ای مربوطه و تصاویر آن می پردازیم.

یکی از روش‌های مناسب برای اتصال دیوار به عضو قائم سازه‌ای، استفاده از اتصال کشویی در محل تماس، به وسیله نبشی یا ناودانی منقطع یا پیوسته میباشد. در این حالت استفاده از نبشی و یا ناودانی‌های گرم نورد یا سرد نورد شده فولادی در طرفین دیوار که به نحو مناسبی به عضو قائم سازه‌ای اتصال داده میشود، توصیه میشود.

در این روش، بین مصالح دیوار و ستون، مصالح تراکم پذیر مانند فوم یا پشم سنگ ضدرطوبت به ضخامت حداقل 3 سانتی متر اجرا می‌گردد. طول قطعات ناودانی 50 سانتی متر در نظر گرفته شود تا حداقل 2 یا 3 بلوک را مهار کرد.

در مناطقی که ساختمان برروی شیب ساخته شده است یا دارای اختلاف تراز هستند، می توان فونداسیون را در ترازهای مختلف اجرا نمود و با استفاده از درز انقطاع قاب سازه را از یکدیگر جدا نمود.

استفاده از خاموت ویژه

در ستون‌هایی که به هر دلیلی ارتفاع آن‌ها کمتر از سایر ستون‌های در یک تراز هستند، می‌توان از خاموت گذاری ویژه در سرتاسر ارتفاع ستون استفاده کرد تا با افزایش ظرفیت برشی ستون و محصورشدگی،شکل پذیری مقطع را افزایش داده تا از بروز شکست برشی جلوگیری شود. لذا اکثر مهندسین طراح سازه، در نقشه‌های اجرایی، برای ستون‌های متصل به تیر میان طبقه راه پله از خاموت گذاری ویژه استفاده می‌کنند. یعنی فواصل خاموت ها در کل ارتفاع ستون یکسان باشد و آرماتورها به وسیله سنجاقی مهار بشوند.

جزئیات اتصال راه پله در پیوست 6 استاندارد2800 ویرایش چهارم (اجرای تیر میان طبقه بر روی ستونک)

بر طبق بند6-1-4-7 پیوست6 استاندارد 2800، دو ستونک به تیر اصلی در تراز طبقه اجرا می گردد و سپس تیر نیم طبقه بر روی این ستونک ها اجرا خواهند شد و به ستون متصل نمی شوند. تیر نیم طبقه در این حالت حداقل 0.01 ارتفاع طبقه از ستون ها فاصله خواهد داشت. یرای پر کردن این فاصله باید از مصالح تراکم پذیر استفاده نمود.

یک روش دیگر برای کاهش اندرکنش پله و سازه، جداسازی آن مطابق جزئیات ارائه شده در شکل‌های زیر در تراز پاگرد میان طبقه و تراز پاگرد پایین هر طبقه میباشد. بر اساس این جزئیات از ایجاد ستون کوتاه در ستون‌های مجاور راه پله و آسیب به دال راه پله به علت جذب نیروی جانبی توسط راه پله جلوگیري میشود (حداقل پهنا دستک بتنی برابر 20 سانتی‌متر میباشد). رمپ راه پله فقط در تراز پاگرد طبقه از طریق بالشتک فلزی بر روی دال پاگرد می نشیند و اتصال رمپ و دال پاگرد در تراز میان طبقه به صورت پیوسته اجرا میشود. این بالشتک‌های فلزی باید در داخل هسته بتنی مهار شده باشند.

جمع بندی

نیروی برشی از فاکتورهای مهم در طراحی یک ستون و رفتار آن در هنگام زلزله می‌باشد. اگر به هردلیلی طول موثر ستون کاهش یابد، سختی ستون افزایش می‌یابد و جذب نیروی برشی آن هم افزایش می‌یابد. درصورتی که تمهیدات مربوط به کاهش ارتفاع موثر ستون در طراحی لحاظ نگردد، می‌توان سبب ایجاد پدیده ستون کوتاه گردد. با در نظرگرفتن تمهیداتی در اجرا، می‌توان از ایجاد ستون کوتاه جلوگیری کرد. یکی از این تمهیدات، جداسازی دیوار از قاب طبق الزامات پیوست 6 استاندارد 2800 ویرایش چهارم می‌باشد. اگر الزامات مربوط به ستون کوتاه در طراحی و اجرا مدنظر قرار نگیرد، ستون موردنظر دچار شکست برشی شده و این موضوع برای سازه بسیار مخرب است.

منابع

1.پیوست ششم استاندارد 2800 ویرایش چهارم
2.مقررات ملی ساختمان مبحث 9 ویرایش 99
3. پکیج پاراپلاس مهندس امیرطه نوروزی

4.Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI 318-19)
5.Mehana, Mohamed Sherif, Osama Mohamed, and Feda Isam. "Torsional Behaviour of Irregular Buildings with Single Eccentricity." IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 603. No. 5. IOP Publishing, 2019.‏
6.Gokdemir, H. A. N. D. E., et al. "Effects of torsional irregularity to structures during earthquakes." Engineering failure analysis 35 (2013): 713-717.‏
7.Essentials of earthquake engineering for architects and engineers.Dr.Hardeep singh rai.Professor and Head,Civil engg.dept.Guru nanak dev Engg college