صفحه اصلی  »  طراحی سازه های ساختمانی و صنعتی  »  طراحی ستون کوتاه در ایتبس همراه با حل 2 مثال کاربردی

طراحی ستون کوتاه در ایتبس همراه با حل 2 مثال کاربردی

  • تعداد صفحات: 26
  • سطح لازم برای درک مطلب: سال 4 کارشناسی عمران
  • آخرین ویرایش: 1400
  • شابک: 6-14-7589-622-978
  • تولید کنندگان محتوا:
تولید کنندگان آموزش

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.

 

پدیده ستون کوتاه در سازه

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.

 

 

حل مشکل ستون کوتاه در ساختمان

اجرای فونداسیون در ترازهای مختلف

 

  • اگر هر دو راهکار فوق از نظر اجرایی و معماری مقدور نبودند چه کنیم؟
  1. 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.

 

ستون کوتاه در etabs

 

در روابط فوق:

Vc: 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.

Nu: نیروی محوری ضریب دار عمود بر مقطع.

Ag: سطح مقطع ناخالص یک عضو بتنی.

bw: عرض جان یا قطر مقطع دایره ­ای

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

ρw: نسبت As به bwd

 

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

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

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

 

مسیر یادگیری برای حرفه ای شدن

پیش از همه باخبر شوید!

تعداد علاقه‌مندانی که تاکنون عضو خبرنامه ما شده‌اند: 37,298 نفر

تفاوت خبرنامه ایمیلی سبزسازه با سایر خبرنامه‌ها، نوآورانه و بروز بودن آن است. فقط تخفیف‌ها، جشنواره‌ها، تازه‌ترین‌های آموزشی و ... مورد علاقه شما را هر هفته به ایمیلتان ارسال می‌کنیم.

نگران نباشید، ما هم مثل شما از ایمیل‌های تبلیغاتی متنفریم و خاطر شما را نخواهیم آزرد!

با ارسال 48اُمین دیدگاه، به بهبود این محتوا کمک کنید.
نظرات کاربران
  1. مهیاد

    با عرض سلام و خسته نباشید
    مهندس اگه ارتفاع تیر میان طبقه رو کم کنیم میشه گفت با این کار سختی وارده به تیر میان طبقه رو کم کردیم؟ و در نتیجه ان جذب انرزی زلزله رو در اون تیر میان طبقه رو کم کردیم و درنتیجه اثر ستون کوتاه رو در ستون های راه پله کم کنیم؟ ممنو نم

    پاسخ دهید

  2. مهندس مرتضی قلندری (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    با کاهش ابعاد تیر و مخصوصا کاهش ارتفاع آن، سختی کاهش و جذب انرژی آن کمتر خواهد شد. در نتیجه لنگر وارده به کمر ستون کمتر می شود. ستون کوتاه پدیده ای است که شکست آن قطعا برشی باشد. این پدیده غالبا برای ستون هایی رخ می دهد که درصد زیادی از طول آن با قیود جانبی همچون دیوار سازه ای مقید شده باشد و مانع از حرکت جانبی آن ستون شود. اگر ناخواسته باعث کوتاه کردن طول ستون بشویم، یعنی چیزی که در تحلیل سازه دیده نشده باشد عواقبش تشکیل پدیده ستون کوتاه خواهد بود. خاصا نرم افزار ایتبس ستونهای پاگرد راه پله که تیر نیم طبقه به آن متصل است با سختی مربوط به خودشان وارد معادلات میکند و نیروی آن هارو محاسبه میکند، پس قاعدتا در تراز پاگرد نیم طبقه برخلاف نظر اکثر مهندسین همچین پدیده ای محتمل نیست. بنابراین در صورت استفاده از تیرهای گیردار بتنی برای تیرهای میان طبقه، می‌توان ستون‌های بتنی کنار را به صورتی طراحی کرد که تسلیم خمشی در آنها حاکم شود. در ادامه یک تعریف از پدیده ستون کوتاه پیوست میکنم.

    There are two types of short column problems; firstly, where some columns are shorter than others in a moment frame, and secondly, where columns are so short they are inherently brittle. The short columns of the second group are usually normal length columns that are prevented from flexing and undergoing horizontal drift over most of their height by partial-height infill
    walls.
    متن فوق از کتاب آندرو چارلسون هست که چاپ سال ۲۰۰۸ می باشد. اگر ستونها برای نیرویی که از تحلیل بدست می آید طراحی بشوند مشکل ستون کوتاه را نخواهیم داشت و همچین اگر ضوابط لرزه ای مربوط به برش هم رعایت بشود. در مواقعی که تیر میان طبقه به ستون متصل می شود از خاموت گذاری ویژه برای ستون ها در نقشه های اجرایی استفاده کنید.

    فایل پی دی اف که براتون ایمیل میشه از مهندس سلطان آبادی در این مورد را مطالعه بفرمایید.

    پاسخ دهید

  3. مهیاد

    بسیار ممنون مهندس عزیز بابت پاسخ هاتون و انرژی و زمانی که میذارید . سپاس فراوان …

    پاسخ دهید

  4. داود رشادی

    مطلب بسیار مفیدی بود . ممنونم و خسته نباشید

    پاسخ دهید

  5. مرضیه صبور (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام جناب مهندس خیلی خوشحالیم که براتون مفید واقع شده
    حتما به شهر یادگیری سبزسازه سری بزنید، مطالب مفید دیگه ای رو هم میتونید پیدا کنید.

    پاسخ دهید

  6. محمدرضا

    درود
    با عرض خسته نباشید خدمت عزیزان سبز سازه
    در مورد ستون کوتاه و علل و عوامل ایجاد آن و مشکلاتی که در مواجهه زلزله با این عناصر ایجاد میشه توضیح دادید
    ولی در یک مورد راهکار برای مقابله جهت جلوگیری از ایجاد ستون کوتاد داده نشد اونهم تیرهای میان طبقه راه پله هستش که بسیار معمول در ساختمانهای بتنی وجود داره
    راهکار برای جلوگیری از ایجاد ستون کوتاه در تیرهای میان طبقه چیست؟
    به نظر من باید نحوه اتصال تیر میان طبقه به ستون به صورت مفصلی ایجاد بشه و نحوه اتصال میلگرد ها تیر میان طبقه به ستون به صورت z اجرا بشه تا اتصال مفصل بشه

    پاسخ دهید

  7. فرزام بداغی

    سلام وقت بخیر…راهکار مدنظر حضرتعالی در تئوریک کاملاً صحیح است ولی در مورد ساختمان های بتنی ایجاد مفصل اساساً به راحتی دیتیلی که فرمودید نیست. در واقع دیتایل هایی غیر از اتصالات پیش ساخته در خصوص ایجاد مفصل کاملا مردود هستند یا با ابهام بسیار جدی در خصوص عملکرد مواجه میباشد.
    به طور کلی کاربرد دیوارک بتنی برای جداسازی عملکرد راه پله و سازه یکی از بهترین گزینه هاست که شما میتوانید در این خصوص به مقاله زیر مراجعه فرمایید.
    https://sabzsaze.com/stair/

    پاسخ دهید

  8. هیوا

    بسیار عالی یکی از دغدغه های من پدیده ستون کوتاه بود

    پاسخ دهید

  9. مرضیه صبور (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام خیلی خوشحالیم که برای شما مفید بوده مهندس

    پاسخ دهید

  10. جمیل محمدی

    سلام
    عالی بود.سپاس

    پاسخ دهید

  11. M.tafi1364

    سلام.خیلی خوب بود.سپاس

    پاسخ دهید

  12. tsalimihizaji

    سلام
    بسیار عالی

    پاسخ دهید

  13. سجاد

    عالیه بود
    اگه میشه در مورد جداساز ها مقاله بدید

    پاسخ دهید

  14. مرتضی سلامی

    بسیار عالی
    سپاس از زحمات شما در امر افزایش دانش مهندسی

    پاسخ دهید

  15. سعیدیان

    سلام
    با تشکر
    عالی بود

    پاسخ دهید

question