راهنمای جامع ستون دوبل؛ بررسی ضوابط انواع ستون دوبل مانند ستون پا باز

همانطور که می دانید یکی از نقاط ضعف در طراحی سازه عدم دقت در ضوابط، جهت ساخت قطعات کارگاهی مانند ستون ها است؛ یکی از ستون های با کاربرد متداول در ایران ستون دوبل می باشد که از نظر شکل ظاهری و مقاطعی که در آن به کار می رود دسته بندی خاص خود را دارد.

در این مقاله جامع ابتدا انواع ستون دوبل را معرفی میکنیم و سپس ضوابط، عملکرد لرزه ای، معایب و مزایا 3 نوع ستون دوبل را به شما آموزش می دهیم. در نهایت با استفاده از تصاویر کمانش ستون های دوبل را در زلزله بم نشان خواهیم داد.

⌛ آخرین به روز رسانی: 27 مهر 1401

📕 تغییرات به روز رسانی: آپدیت بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1401

1. ستون دوبل چیست؟       

در سازه‌های فولادی یکی از مورد استفاده ترین طراحی‌ها برای ستون‌ها استفاده از ستون دوبل می‌باشد. استفاده از این ستون مزایا و معایبی را به همراه داشته که با توجه به قضاوت مهندسی و نظر طراح در بسیاری از سازه‌ها می تواند به خوبی باعث تقویت سازه شده و عملکرد سازه را بهبود بخشد. در ادامه این مقاله انواع ستون دوبل، روش ساخت آن‌ها و برخی مزایا و معایب استفاده از این ستون‌ها برای شما نام برده می‌شود.

1.1. ستون ­های دوبل مورد استفاده در سازه

ستون‌های دوبل از لحاظ شکل ظاهری و طرز ساخت به سه دسته تقسیم می‌شوند:

1.1.1. نیمرخ نورد شده

در توضیح این نیمرخ های فولادی که اکثر شما مهندسین به خوبی با آن‌ها آشنا هستید باید گفت محصولاتی از فولاد هستند که به دو روش نورد سرد یا گرم به تولید می رسند. این نیمرخ‌ها در انواع مختلفی و برای مقاصد گوناگونی در ساخت سازه‌ها تولید می شوند. که انواع آن‌ها را در جدول اشتال می توانید مشاهده کنید، اما یکی از توصیه شده ترین نیمرخ‌های فولادی برای ستون‌های دوبل تیرآهن‌های IPB (تیرآهن بال پهن (HEB)) می‌باشند. از مزایای استفاده این نوع از تیرآهن‌ها می توان به مقاوت بیشتر آن‌ها نسبت به سایر نیم‌رخ‌های فولادی اشاره داشت.

شکل 1. نمونه‌ای از نیم رخ‌های نورد شده IPB

علاوه بر مزیت‌های گفته شده یکی دیگر از مزیت‌های این نیم‌رخ‌های فولادی این است که اتصال تیر‌ها به راحتی بر روی آن‌ها انجام می گیرد.

2.1.1. ستون مرکب از نیمرخ‌های نورد شده

نوع دیگری از روش‌های طراحی و ساخت ستون های دوبل تولید ستون مرکب از نیم‌رخ های نورد شده می‌باشد. در اصل ترکیب نیم‌رخ های نورد شده و ورق باعث به وجود آمدن مقطع مرکب می‌شود. ستون‌های مرکب دوبل متشکل از دو یا چند نوع نیم‌رخ که معمولا از نوع IPE، نبشی و یا ناودانی هستند در کنار ورق هایی از نوع سرتاسری و ممتد و همچنین تسمه‌های موازی یا مورب ساخته می‌شوند.

شکل 2. نمونه ستون‌های مرکب ساخته شده و برخی از جزئیات اتصال آن ها

 1.2.1.1. انواع ستون دوبل بر اساس مقاطع مرکب

در تصویر زیر چند مدل از ستون‌های مرکب ساخته شده را برای شما نشان داده‌ایم.

شکل 3. انواع ستون دوبل بر اساس مقاطع مرکب

 2.2.1.1. علت استفاده از مقاطع مرکب در ستون های دوبل چیست؟

استفاده از مقاطع مرکب گاها مزایای زیادی در سازه‌‌های فولادی دارند که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره داشت:

1. در صورت عدم دسترسی به نیمرخ IPB یا قوطی به صورت تولید داخلی مقاطع مرکب جایگزین‌های مناسبی می‌توانند باشند.
2. باعث افزایش سطح مقطع ستون شده مخصوصا در مواردی که نیمرخ‌های نوردشده سطح مقطع لازم را نداشته باشند.
3. اجرای سریع‌تر و آسان‌تر مقاطع مرکب نسبت به ستون‌های ساخته‌شده از ورق.

3.1.1. ستون ساخته‌شده از ورق

در تعریف این نوع از ستون‌ها به اختصار می‌توان گفت در زمان‌های قبل زمانی که طراحان می‌خواستند ستون مستحکمی را طراحی کنند، مقاطع بال پهن را توسط توسط ورق‌های پوششی که توسط پرچ به آن‌ها متصل می‌شدند را مورد تقویت قرار می‌دادند. اما با پیشرفت تکنولوژی و استاندارد‌های ساختمانی در زمینه جوش همین عمل را با جوشکاری به انجام می رسانند. که خود این روش نیز به دلیل اینکه نوار جوش ورق پوششی را تنها در دو لبه به ستون متصل می‌کند در نتیجه ستون در برابر نیروی کششی حاصله از بال تیر از خود ضعف نشان داده و به طرف خارج خم بر می‌دارد.

تحت این شرایط بهترین بهترین مدل طراحی در این زمینه استفاده از ستون‌های تولید شده از ورق می‌باشد. این ستون‌ها بدون هیچگونه جوشکاری اضافه، مستقیم‌ترین راه برای ساخت ستون هستند و همچنین برای انتقال نیروی کششی بال تیر به ستون دچار اشکال نمی‌شوند.

شکل 4. ستون ساخته شده از ورق

2. روش ساخت انواع ستون دوبل به همراه نکات اجرایی

در این مقاله بر اساس بند 10-2-4-6 از مبحث دهم که مربوط به اعضای فشاری ساخته شده می باشد، ستون‌های دوبل را به جهت نحوه ساخت به چند گروه کلی تقسیم می‌کنیم و برای هرکدام دیتیل‌هایی از ستون دوبل ارائه می‌دهیم.

اما قبل از بیان این دسته بندی بهتر است چند مورد از محدودیت ابعادی نیمرخ‌های اعضای فشاری ساخته شده که در ساخت تمام ستون‌ها صدق می‌کند را بررسی کنیم و پس از آن به سراغ ضوابط مختص به هر دسته بندی برویم. در این زمینه محدودیت‌های الف تا پ بند 10-2-4-6-2 را مشاهده می‌کنیم که به شرح زیر می باشند.

حال در ادامه روش‌های مختلفی که بالاتر ذکر کردیم را برای شما شرح می‌دهیم:

1.2. اتصال دو پروفیل به یکدیگر به طریقه دوبله کردن (روش جفت)

در این روش ابتدا دو تیرآهن را در کنار یکدیگر و بر روی سطح صاف (شاسی) به هم می‌چسبانند. سپس دو بال و وسط ستون را جوش می‌دهند و سپس ستون را برمی‌گردانند و طرف دیگر ستون را نیز جوشکاری می‌کنند. علت اصلی این شیوه جوش‌کاری باعث می‌شوند که ستون از راستای خود در اثر حرارت دچار پیچش و اعوجاج نشود.

شکل 5. ستون دوبل چسبیده و ضوابط جوش آن‌ها

 1.1.2. ضوابط و نکات اجرایی ساخت ستون دوبل

نکات زیر بیشتر نکات توصیه شده اجرایی برای این نوع از ساخت ستون دوبل می‌باشند:

• حداکثر فاصله بین طول‌های جوش در طول ستون به صورت غیر ممتد نباید از ۳۰ سانتی‌متر تجاوز کند. در عمل برای انجام جوش منقطع، یک الکترود آب‌شده و نوار جوشی در حدود ۱۰ تا ۱۵ سانتیمتر ایجاد می‌نماید. فاصله دو قطعه جوش به اندازه یک الکترود یعنی حدود ۳۰ سانتیمتر منظور می‌شود.
• طول جوش ابتدایی و انتهایی ستون باید برابر با بزرگ‌ترین عرض طول مؤثر و هر قطعه از جوش منقطع نباید از ۴ برابر بعد جوش یا ۴۰ میلی‌متر کمتر باشد درصورتی‌که از این مقدار کمتر شد باید در قسمت انتهایی یا ابتدایی خط جوش منقطع اجرا نشود و به خط جوش قبلی وصل شود.
• تماس میان بدنه‌ی دو پروفیل نباید از یک شکاف ۱٫۵ میلی‌متری تجاوز کند. اگر این شکاف (بادخور) از ۱٫۵ میلی‌متر بیشتر، اما از ۶ میلی‌متر کمتر باشد و بررسی‌های فنی نیز نشان دهد که مساحت لازم برای تماس وجود ندارد، در این صورت، این بادخور باید با مصالح پرکننده‌ی مناسب شامل تیغه‌های فولادی با ضخامت ثابت پر شود.

2.2. اتصال دو پروفیل با یک ورق سرتاسری روی بال‌ها

این نوع از ساخت ستون دوبل که در آیین‌نامه از آن نام برده شده توسط دو نیمرخ و یک ورق سرتاسری متصل به آن‌ها ایجاد می‌شود.

شکل6. ستون دوبل با یک ورق سرتاسری

1.2.2. ضوابط و نکات اجرایی

برای بررسی ضوابط این نوع از ساخت ستون دوبل دوباره به سراغ بند 10-2-4-6-2 از مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش سال 1401) می‌رویم.

علاوه بر این در قسمت (ث) این بند نیز به حالتی پرداخته که عضو فشاری از نیم‌رخ‌ها و ورق‌های سوراخ‌دار تشکیل شده باشد. این بند نیز به شرح زیر می‌باشد:

3.2. اتصال دو پروفیل با بست های موازی و مورب (ستون دوبل پا باز)

در نهایت راه سوم که مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش سال 1401 به طور مفصل به آن پرداخته است استفاده از دو پروفیل با بست‌های موازی و یا مورب می‌باشد. برای بیان علت استفاده این روش توضیح خود را با یک سوال آغاز می‌کنیم.

❓راه‌های افزایش مقاومت فشاری ستون‌های فلزی چیست؟!

دو راه برای افزایش مقاومت فشاری ستون‌ها وجود دارد:

1. افزایش ضخامت اجزاء مقطع
2. افزایش ابعاد (طول و عرض) مقطع در ستون‌های بلند

افزایش ضخامت اثر قابل‌توجهی بر مقاومت فشاری و خمشی نداشته و باعث سنگینی و غیراقتصادی شدن طرح خواهد شد. در چنین مواردی بهتر است نیمرخ‌ها را با فاصله کافی از یکدیگر قرار داده و آن‌ها را به وسیله ورق یا تسمه (قید) به یکدیگر متصل کنیم، به این‌گونه ستون‌ها، ستون مشبک نیز می‌گویند (فاصله بین ستون‌ها باعث افزایش ممان اینرسی مقطع بدون افزایش سطح مقطع آن می‌شود)

1.2.1. ضوابط و نکات اجرایی

این مدل از ستون‌های دوبل به دلیل حساسیت، ضعف و مشکلاتی که به همراه دارند و همچنین به دلیل مسائل اجرایی خاص خود به طور مفصل تر در بند 10-2-4-6-2 مبحث دهم مورد بررسی قرار گرفتند. ضوابط این ستون‌ها در دو دسته بندی نیمرخ‌ها به همراه بست‌های مورب و نیمرخ‌ها به همراه بست‌های موازی بررسی می‌کنیم.

1.1.2.1. ستون‌های مرکب متشکل از نیمرخ ها و بست‌های مورب

حالت (ج) در آیین‌نامه به طور کامل به بررسی این حالت پرداخته است.

 2.1.3.2. ستون‌های مرکب متشکل از نیمرخ ها و بست‌های مورب

این بخش هم مانند قسمت قبلی ضوابط آن‌ از آیین‌نامه برای شما استخراج شده که به شرح زیر می‌باشند.

3. عملکرد ستون دوبل در قاب خمشی در برابر زلزله

توصیه می‌شود از مقاطع متشکل از ترکیب پروفیل و ورق تقویتی (مقطع دوبل با تقویت) به دلایل زیر به عنوان ستون‌های قاب خمشی استفاده نشود:

• کمانش موضعی (عدم عملکرد یکسان دو مقطع به هم چسبیده در مقابل بارها خمشی ناشی از زلزله)
• ترد شدن
• کارگاهی بودن ساخت ستون
• عدم رعایت کامل ضوابط فشرده لرزه‌ای
• عدم رعایت فاصله وصله‌ها از یکدیگر
• عدم جوشکاری مناسب

همچنین اگر ضوابط فشردگی مطرح‌شده در جدول 10-2-2-3 و 10-2-2-4 حاکم نشود و ورق سرتاسری نباشد، بال ستون تحمل نیروی وارده را نداشته و مطابق شکل زیر دچار کمانش موضعی می‌شود. همانطور که پیش‌تر گفته شد برای بهبود عملکرد ستون دوبل در برابر کمانش دو راهکار مطرح می‌شود:

الف) افزایش سطح مقطع

ب) افزایش شعاع ژیراسیون

شکل 7. کمانش موضعی

شکل8. کمانش کلی ستون-عدم رعایت فاصله وصله ها

شکل 9. ضعیف بودن جوش ها و صفحه اتصال آنها

لازم به ذکر است افزایش سطح مقطع سبب سنگینی سازه نیز می‌شود، لذا افزایش شعاع ژیراسیون راه حل بهتری جهت مقاوم‌سازی در برابر کمانش می‌باشد.

به جهت تأمین فشردگی ستون همان‌طور که ضوابط در مبحث 10 مقررات ملی ساختمان بند 10-2-2-2-2 الف ذکر شد، باید جوش‌ها سرتاسری یا غیر منقطع باشد. لذا جوشکاری بیش‌ازاندازه باعث افزایش درصد کربن در ناحیه اتصال، ترد شدگی و کاهش شکل‌پذیری ستون می‌شود.

از طرفی اگر جوشکاری صورت گرفته کارگاهی باشد به علت خطاهای حین جوشکاری نظیر عدم کفایت بعد جوش، تخلخل، عدم رعایت حداقل و حداکثر فاصله دو ستون و… که هر کدام باعث عملکرد نامطلوب اتصال و عدم تحمل نیروی کششی انتقال‌یافته از تیر به ورق می‌شود.

بهتر است از مقاطع ساخته‌شده از ورق (قوطی و صلیبی برای ساختمان‌های در دو جهت قاب خمشی، یا H شکل برای ساختمان‌های یک جهت قاب خمشی و یک جهت بادبندی) بهره گرفته شود.

در صورت استفاده از مقاطع مرکب از دو پروفیل I شکل و ورق تقویتی روی آن‌ها، باید به این نکته توجه شود که در محل اتصالات گیردار تیر به ستون به علت انتقال نیروی کششی بال تیر به ورق تقویتی ستون، ورق تقویتی تحت تأثیر خمش موضعی قرار می‌گیرد که این تغییر شکل خمشی باعث جاری شدن موضعی ورق و ضعیف شدن اتصال تیر به ستون می‌شود.

برای جلوگیری از این امر باید ورق تقویتی طبق شکل زیر، در بالا و پایین محل اتصال تیر با جوش نفوذی به پروفیل‌ها جوش شود و در پشت آن ورق سخت‌کننده مناسب استفاده شود. بقیه جزئیات لازم برای ورق‌های پیوستگی اتصال گیردار یا ورق‌های تقویتی چشمه اتصال نیز باید مطابق ضوابط شکل‌پذیری مقطع در نظر گرفته شود.

شکل 10. محل جوش ورق تقویتی در محل اتصال تیر

اما اگر در دو طرف قاب ساده باشد به دلیل اینکه در معرض لنگر خمشی ناشی از تیر قرار نمی‌گیرد، باعث جاری شدن ورق نمی‌شود و عملکرد بهتری دارد.

4. نتیجه گیری

امروزه در سازه‌های فلزی یکی از ستون‌هایی که می‌تواند در تحمل بار‌های فشاری مقاومت خوبی از خود نشان دهد ستون های دوبل می باشند که باعث می‌شوند سازه بتواند بار‌های بیشتری را تحمل کند. ما در این مقاله سعی داشتیم تا ابتدا این نوع از سازه های فلزی را معرفی کرده و سپس به انواع آن و همچنین روش ساخت هر ستون فلزی در کنار ضوابط مبحث دهم مقررات ملی ساختمان اشاره داشته باشیم.

 منابع

1. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1401
2. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی
3. ظهرابی، م(1389) ،” مطالعه رفتار لرزه‌ای اتصال خمشی تیر به ستون متشکل از دوبل پروفیل I شکل”
4. کتاب طراحی سازه‌های فولادی – دکتر شاپور طاحونی

• مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!

• ارسال سوال برای تولید محتوا