طراحی ستون کوتاه در ایتبس همراه با حل 2 مثال کاربردی

ستون کوتاه چیست؟

همان طور که می دانید ما باید همیشه خرابی ستون ها را به عنوان یکی از عناصر اصلی سازه ها با کنترل هایی مانند تیر ضعیف ستون قوی، به تعویق بندازیم اما شکست برشی در ستون ها یکی از بدترین نوع خرابی هاست! برای کنترل این نوع شکست چه باید کرد؟ چگونه اثر پدیده ستون کوتاه را در محاسبات باید در نظر گرفت؟

در این ایبوک جامع ابتدا به تعریف ستون کوتاه در ساختمان خواهیم پرداخت سپس به موضوعات مهم تری مانند ستون کوتاه در راه پله، طراحی ستون کوتاه در  etabs و روش های کنترل ستون کوتاه می پردازیم.

این صفحه تنها بخش کوتاهی از ایبوک نقشه خوانی ساختمان می باشد متن اصلی این ایبوک را منطبق بر فهرست مطالب، دانلود کنید.

⌛ آخرین به‌روزرسانی: 10 مرداد 1400

📕 تغییرات به روز رسانی: مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399

ستون کوتاه چیست؟

می­ دانیم سختی ستون با معکوس توان سوم ارتفاع آن رابطه دارد؛ بنابراین اگر ارتفاع ستون نصف شود، سختی آن 8 برابر می­ گردد. به طور مثال سختی ستون یک سر گیردار از رابطه زیر به دست می­ آید:

k = 3EI / h³

همچنین می­ دانیم به علت صلبیت دیافراگم کف، در طول زلزله، تمام ستون­ های موجود در یک تراز معین به همراه دیافراگم سقف، دارای دریفت یکسانی هستند.

با قرار دادن اطلاعات در فرمول معروف  F=Kx متوجه مسئله مهمی خواهیم شد. به دلیل برابر بودن تغییر مکان­ ها، ستون­ های با ارتفاع کوتاه­ تر به علت سختی بیشتر، نسبت به سایر ستون­ های موجود در همان طبقه، جذب انرژی بسیار بیشتری خواهند داشت. و چنانچه این ستون­ ها برای چنین نیرویی آماده نباشند به طور قطع شاهد خرابی جدی در آن­ ها خواهیم بود.

دریافت نیروی زلزله بیشتر توسط ستون کوتاه‌تر

اساساً چه ستون­ هایی را کوتاه می­ گوییم؟

در زلزله­ های گذشته، سازه­ های بتن ­آرمه­ ای که در یک طبقه دارای ستون‌هایی با اختلاف ارتفاع بوده ­اند دچار نوع خاصی از خرابی شده­ اند. این خرابی در ستون­ های با ارتفاع کمتر بسیار جدی بوده است. دو مثال از ساختمان­ هایی با ستون کوتاه در تصویر زیر قابل‌مشاهده است.

ستون با ارتفاع های متغیر در یک طبقه

علل ایجاد پدیده ستون کوتاه چیست؟

تنها عاملی که موجب ایجاد این پدیده می­ گردد، اختلاف ارتفاع ستون­ هایی است که در یک طبقه قرار دارند. این اختلاف ارتفاع خود ممکن است به دلایل متعددی ایجاد شود که در این قسمت قصد داریم آن­ها را به صورت کیفی مورد بررسی قرار دهیم. ارزیابی ­های عددی و نرم افزاری در بخش­ های بعد ارائه خواهد شد.

1. قرار گرفتن ساختمان روی زمین شیبدار یا دارای اختلاف تراز

2. محدود شدن ستون با عناصر غیرسازه ­ای مانند دیوارهای آجری

3. محدود شدن ستون با عناصر سازه ­ای مانند تیر میان طبقه

✅ توضیحات تمامی موارد بالا در متن اصلی ایبوک قرار گرفته است.

بررسی نوع شکست در خرابی ستون کوتاه

همان طور که پیش تر نیز اشاره شد در پدیده ستون کوتاه شاهد شکست ترد و برشی ستون هستیم. رخدادی ناگهانی که غالباً باعث انهدام سازه می گردد. خسارات ایجادشده در این ستون ها به شکل ترک های ضربدری خواهند بود. ستون های کوتاه هنگامی‌که تحت بارهای سیکلی و دوره ای قرار می گیرند تمایل به رفتاری ترد و شکننده دارند. در تصاویر زیر نمونه هایی از نوع شکست و ترک های به وجود آمده را مشاهده می کنید.

ترک های به وجود آمده از پدیده ستون کوتاه

✅ توضیحات تکمیلی این بخش در متن اصلی ایبوک آورده شده است.

روش­ های جلوگیری از ایجاد پدیده ستون کوتاه در سازه

به‌طورکلی جلوگیری از هر پدیده­ای در قدم اول نیاز به شناخت عوامل ایجاد آن پدیده دارد. در بخش­های قبل به‌صورت جدی درباره عوامل ایجاد پدیده ستون کوتاه و نوع شکست آن بحث کردیم. حال قصد داریم راهکارهای حذف ستون کوتاه را به‌صورت موردی بیان کنیم.

1. اگر در دامنه کوه یا زمین دارای اختلاف تراز قصد ساخت سازه داریم راهکارهای زیر می ­تواند مفید باشد:

• در صورت اقتصادی بودن تا حدی که به سطح افقی دست یابیم، خاکبرداری انجام دهیم.
• اگر عملیات خاکی مقرون به صرفه نباشد، بهتر است در ترازهای مختلف، فونداسیون اجرا شود و اسکلت سازه ­های مجاور نیز با استفاده از درز انقطاع از یکدیگر جدا شوند.

اجرای فونداسیون در ترازهای مختلف

• اگر هر دو راهکار فوق از نظر اجرایی و معماری مقدور نبودند چه کنیم؟

2. اگر ستون با اعضای غیر سازه ­ای نظیر دیوارهای آجری محدود شود، دو راهکار کلی باید به کار بگیریم که این راهکار ها را می توانید در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

طراحی ستون کوتاه

در شرایطی که نتوانیم با جداسازی، عملیات خاکی و یا حذف اعضای مختلف، از وقوع این پدیده جلوگیری کنیم، به‌ناچار باید در محاسبات خود اثر آن را اعمال نماییم. بحثی که در این قسمت به آن خواهیم پرداخت مبانی محاسباتی برای طراحی ستون‌های کوتاه است.

چگونه می ­توان اثر پدیده ستون کوتاه را در محاسبات در نظر گرفت؟

امروزه با کاربرد نرم‌افزارهای مهندسی مانند ETABS به‌راحتی می‌توان اثرات مختلف را در تحلیل و طراحی منظور کرد. برای مثال اگر در سازه اختلاف تراز (ساختمان‌های دوبلکس)، تیر میان طبقه (درراه پله‌ها) و یا نیم‌طبقه داشته باشیم، به‌راحتی با ترسیم آن در تراز موردنظر، نرم‌افزار اثرات آن را در تحلیل منظور می‌کند. پس از تحلیل سازه و به دست آمدن نیروهای وارده به ستون، بر اساس دانش مهندسی خود اقدام به کنترل برشی ستون خواهیم کرد.

ستون کوتاه در etabs

دو مثال عملی را در ادامه به این روش بررسی می­ کنیم.

گام1. پس از مدل سازی دقیق، سازه را تحلیل می­ کنیم.

گام2. تحت ترکیب بارهای مختلف، نیروی محوری در ستون ممکن است کششی یا فشاری باشد. نیروهای محوری کششی و فشاری را دسته‌بندی می­کنیم.

گام3. مقاومت برشی بتن غیرمسلح به برش را از مطابق با بند 9-8-4-4 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان 1399 (ویرایش پنجم) محاسبه می­کنیم.

در روابط فوق:

V_c: مقاومت برشی اسمی که با بتن ایجاد می­شود.

λ: ضریب تصحیح جهت انعکاس مشخصات مکانیکی کاهش‌یافته‌ی بتن سبک نسبت به بتن معمولی، در مقاومت فشاری یکسان که مطابق با جدول 9-3-1 برای بتن معمولی برابر با 1 است.

N_u: نیروی محوری ضریب دار عمود بر مقطع.

A_g: سطح مقطع ناخالص یک عضو بتنی.

b_w: عرض جان یا قطر مقطع دایره ­ای

d: فاصله­ ی دورترین تار فشاری بتن از مرکز ثقل آرماتور کششی طولی.

ρ_w: نسبت A_s به b_wd

✅ گام بعدی را در متن اصلی و قابل دانلود ایبوک مشاهده کنید. البته در انتها دو مثال کاربردی حل شده است که بسیار مفید است.

راهکارهای پیوست 6 استاندارد 2800 در جلوگیری از ایجاد ستون کوتاه مجاور راه پله

مطابق با بند پ6-1-4-7 این پیوست، در سازه­ های بتنی اجرای تیر و اتصال دال راه‌پله در تراز پاگرد میان طبقه باعث ایجاد ستون کوتاه در ستون‌های مجاور راه‌پله می‌شود. جهت جلوگیری از تشکیل ستون کوتاه می‌توان بجای اجرای تیر نیم‌طبقه، آن را در همان تراز طبقه اجرا نمود و بر روی آن دو ستونک اجرا کرد. سپس بر روی این ستونک­ها تیری اجرا می‌شود که به ستون‌های اطراف متصل نبوده انتهای و آن با ستون‌های اطراف فاصله‌ای حداقل به‌اندازه 0.01 ارتفاع طبقه دارد. نهایتاً دال پله و پاگردها در تراز نیم‌طبقه به این تیر قرارگرفته بر روی ستونک­ ها متصل می‌شوند. لازم به ذکر است تیر نشیمن قرارگرفته در تراز طبقه که ستونک­ ها بر روی آن قرار دارند بایستی تحت پیچش ایجادشده ناشی از بارهای ثقلی و ای لرزه طراحی شود. اعمال ضریب کاهش سختی پیچشی بر روی این تیر مجاز نیست.

اجرای پاگرد راه پله بر روی ستونک

مقاوم‌سازی ستون کوتاه بتنی

در سازه هایی که پدیده ستون کوتاه در طرح و اجرا مدنظر نبوده، بایست اقدام به مقاوم‌سازی نمود. هدف از مقاوم‌سازی، افزایش و تأمین مقاومت برشی ستون های کوتاه است که عمدتاً به سه روش زیر صورت می گیرد:

1. استفاده از مواد کامپوزیت الیافی (FRP) که در سال های اخیر کاربرد آن در مقاوم سازی سازه های بتن آرمه رشد یافته است. در ستون های بتنی استفاده از FRP ضمن افزایش ظرفیت برشی ستون، مد گسیختگی آن را از حالت برشی به خمشی تغییر داده و شکل‌پذیری را به میزان قابل‌توجهی افزایش می دهد. در تصویر زیر نمونه ای از این روش مقاوم‌سازی را مشاهده می کنید.

مقاوم‌سازی ستون با استفاده از FRP

✅ دو روش دیگر برای افزایش و تأمین مقاومت برشی ستون های کوتاه را در متن اصلی ایبوک مطالعه نمایید.

نتیجه گیری

1. شکست­ ترد و برشی ستون­ ها به دلیل ماهیت ناگهانی آن بدترین نوع شکست می­ باشد. به همین دلیل همواره سعی بر آن است که مکانیزم کنترل کننده خرابی ستون به صورت خمشی باشد.
2. به دلیل برابر بودن تغییر مکان ­ها، ستون ­های با ارتفاع کوتاه ­تر به علت سختی بیشتر، نسبت به سایر ستون­ های موجود در همان طبقه جذب انرژی بسیار بیشتری خواهند داشت. اگر چنانچه این ستون­ ها برای چنین نیرویی آماده نباشند به طور قطع شاهد خرابی جدی در آن­ها خواهیم بود.
3. ضروری است تا از احداث سازه بر روی زمین­­ های شیبدار و به خصوص در مناطق با لرزه­ خیزی بالا اجتناب گردد. همچنین شالوده سازه حتی المقدور برروی یک سطح افقی ساخته شود.
4. در صورتی که دیوار، (خصوصاً دیوار باربر) تنها در قسمتی از ستون اجرا شود در هنگام زلزله در ستون نیروی برشی بزرگی به وجود می­ آید. این امر منجر به مکانیزم ستون کوتاه می­ گردد.
5. اگر راهکارهای عملیات خاکی و ایجاد درز انقطاع از نظر اجرایی و معماری مقدور نبودند، بایست در مدل نرم­ افزاری سازه­، حتماً اختلاف تراز منظور شود. اما توصیه جدی اساتید بر این است که تا حد امکان از این روش استفاده نکنیم؛ زیرا در موارد اختلاف سطح در فونداسیون خروجی ­های نرم ­افزار چندان دقیق و مطمئن نیستند.
6. در سازه­ هایی که پدیده ستون کوتاه در طرح و اجرا مدنظر نبوده، باید اقدام به مقاوم سازی نمود. هدف از مقاوم سازی، افزایش و تامین مقاومت برشی ستون­ های کوتاه می­ باشد.

نهایتاً می­ توان چنین بیان داشت که مخاطب با مطالعه این مقاله قادر خواهد بود تا علل ایجاد ستو­ن های کوتاه و  نوع شکست آن را دانسته و با راهکارهای بیان شده نسبت به حذف یا کنترل آن اقدام نماید. همچنین اگر چنانچه هدف مقاوم سازی ساختمان موجود باشد روش ­های معمول برای آن نیز بیان شده است.

منابع

1. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش 1399
2. آیین ­نامه طراحی ساختمان ­ها در برابر زلزله، استاندارد 2800، (ویرایش چهارم)
3. Seismic Conceptual Design of Buildings – Basic principles for engineers, architects, building owners, and authorities, Hugo Bachmann.
4. Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-14)
5. دکترعلی خیر الدین و دکتر علی کارگران، “بررسی رفتار لرزه ­ای ستون­ های کوتاه بتن ­آرمه ناشی از احداث برروی سطح شیبدار” ، مجله مدل سازی در مهندسی، سال هفتم، شماره 18، پاییز 1388

• ستون کوتاه چیست؟
• علل ایجاد پدیده ستون کوتاه چیست؟
  • قرار گرفتن ساختمان روی زمین شیبدار یا دارای اختلاف تراز
  • محدود شدن ستون با عناصر غیرسازه ­ای مانند دیوارهای آجری
  • محدود شدن ستون با عناصر سازه ­ای مانند تیر میان طبقه
• بررسی نوع شکست در خرابی ستون کوتاه
• روشهای جلوگیری از ایجاد پدیده ستون کوتاه
• طراحی ستون کوتاه در etabs
• راهکارهای پیوست 6 استاندارد 2800 در جلوگیری از ایجاد ستون کوتاه مجاور راه پله
• مقاوم سازی ستون بتنی کوتاه بتنی
• نتیجه گیری

• ثبت شده در
  وزارت ارشاد
• دانلود سریع
  پس از پرداخت
• ضمانت ارسال
  بروزترین نسخه کتاب