۲۱
اسفند

مزایای سازه های CFT

۱- مزیت‌های فنی و اجرایی سازه های CFT

    • بهبود کیفیت ساخت

    مقاطع فولادی بسته دارای مزیت‌های فراوانی هستند، اما استفاده از مقاطع بسته توخالی دست‌ساز مشکلات متعددی ازجمله اعوجاج ورق در وجوه مقطع، رواداری بیش از مقادیر مجاز در ستون‌های با طول زیاد، الزام استفاده از جوش نفوذی جهت اتصال بین وجوه مقطع در بخش‌هایی از طول ستون، احتمال وجود معایب فراوان در جوشکاری انجام‌شده و صعوبت بازرسی جوش را به‌همراه دارند. اما با استفاده از مقاطع HSS (که در خطوط خودکار و با کیفیتی بسیار بالاتر تولید می‌شوند) در ستون‌های CFT کلیه مشکلات مذکور مرتفع می‌گردند.

    • امکان استفاده از مقاطع ستون با ابعاد یکسان در ارتفاع

    در طراحی سازه‌ها معمولاً در طبقات بالاتر، مقاومت موردنیاز ستون کاهش می‌یابد. درنتیجه مهندسین باهدف اقتصادی نمودن طرح، هر چند طبقه و پس از اختلاف قابل‌توجه مقاومت موجود مقطع و مقاومت موردنیاز، نسبت به کاهش مقاومت موجود از طریق کاهش ابعاد مقطع ستون مبادرت می‌ورزند. اما این تغییر مقطع چندان هم کم‌هزینه نیست و مشکلاتی ازجمله صعوبت ایجاد قطعه واسط در محل تغییر ابعاد مقطع ستون، خطاهای اجرایی و عدم تناسب ابعادی مقاطع در طبقات را به‌دنبال دارد.

    در فصل دوم “کتاب راهنمای طراحی مقاطع فولادی پرشده با بتن” باتوجه‌به الزامات آیین‌نامه‌ای به امکان استفاده از نسبت‌های بالاتر بعد به ضخامت در مقاطع CFT پرداخته خواهد شد. نسبت مذکور این امکان را برای طراحان به ارمغان می‌آورد که در تراز بالاتر، از مقاطع ستون دارای ابعاد مشابه استفاده کنند و برای کاهش مقاومت موجود از تغییر ضخامت مقطع استفاده کنند. این امر علاوه‌بر سهولت اجرایی، برای ستون‌های درمعرض دید نیز جلوه معماری زیباتری در پی خواهد داشت. ازسوی‌دیگر این قابلیت درمواردی‌که تنها مقاومت خمشی موردنیاز کنترل‌کننده طرح است، سبب کاهش فولاد مصرفی سازه می‌گردد.

۲- مزیت‌های اقتصادی سازه های CFT

    • کاهش وزن فولاد مصرفی ستون

    اصلی‌ترین مزیت اقتصادی ستون‌های CFT کاهش میزان فولاد مصرفی و درنتیجه هزینه تمام‌شده طرح و درعین‌حال بهبود کیفیت و عملکرد سازه است. مجموعه ویژگی‌های رفتاری سازه (در ادامه مورد بحث قرار خواهد گرفت)، ازجمله استفاده بهینه از مقاومت فولاد و بتن، تعدیل کمانش موضعی بخش فولادی ستون، افزایش عمر مفید و مقاومت بتن به‌دلیل محصورشدگی، نسبت‌های مجاز زیاد بُعد به ضخامت و بهره‌مندی از ویژگی‌های مقاطع HSS سبب می‌شود برای دستیابی به مقاومت موردنیاز مشخص، میزان فولاد مصرفی در اعضا با مقطع CFT نسبت به اعضا با مقطع فولادی تنها به‌میزان قابل‌توجهی کاهش یابد.

    • کاهش هزینه و زمان ساخت و نصب سازه با استفاده از مقاطع HSS

    بخش عمده‌ای از زمان ساخت سازه فولادی مربوط به ستون‌ها است (هنگام ساخت در کارخانه و نصب سازه در کارگاه ساختمانی). استفاده از مقاطع HSS به‌دلیل پیش‌ساختگی سبب کاهش زمان ساخت ستون گردیده و کیفیت و دقت بالای ساخت این مقاطع، تأخیرهای ناشی از خطای ساخت درحین نصب سازه را نیز به‌صورت قابل‌توجهی کاهش می‌دهند. ازسوی‌دیگر مقاطع HSS به‌دلیل تولید صنعتی باوجود کیفیت بالاتر نسبت به مقاطع معمول ستون، هزینه تمام‌شده پایین‌تری دارند.
    ازآنجاکه مقاطع HSS به‌صورت خودکار از ورق فولادی رول‌شده تولید می‌شوند، دارای کیفیت سطحی مطلوبی هستند که سبب کاهش هزینه آماده‌سازی سطح می‌گردد. ازسوی‌دیگر مقاطع بسته نسبت به مقاطع باز به‌دلیل سطح آزاد کمتر، هزینه رنگ‌آمیزی پایین‌تری خواهند داشت.
    بتن همیشه به‌عنوان یکی از مصالح مقرون‌به‌صرفه در ساخت سازه‌ها موردتوجه بوده است، اما یکی از بزرگ‌ترین موانع استفاده از آن زمان بالای اجرای سازه‌های بتنی است. یکی از اصلی‌ترین علل زمان زیاد موردنیاز برای اجرای سازه بتن‌آرمه، مدت‌زمان لازم برای افزایش مقاومت بتن به‌میزان لازم جهت تحمل بارهای سرویس حین ساخت است. ازسوی‌دیگر عملیات قالب‌بندی و بازنمودن قالب‌ها نیز به سهم خود به زمان زیادی نیاز دارد. در ستون‌های CFT بخش فولادی پیرامونی علاوه‌براینکه به‌عنوان قالب دائمی بتن ظاهر می‌شود، بارهای سرویس در زمان نصب را نیز به‌تنهایی تحمل می‌کند. درنتیجه علی‌رغم بهره‌گیری از مزیت‌های بتن در این ستون‌ها، سرعت اجرا نیز افزایش خواهد یافت.

    • حذف یا کاهش هزینه حفاظت ستون‌ها در برابر حریق

    مقاومت عضو با مقطع فولادی توخالی حفاظت‌نشده در برابر حریق برای یک ساختمان بلندمرتبه کمتر از سی دقیقه است. اما در اعضا با مقطع فولادی پرشده با بتن، به‌دلیل جذب گرما توسط هسته بتنی، تغییرات دما در جدار فولادی با سرعت بسیار پایین‌تری رخ می‌دهد که به‌صورت قابل‌ملاحظه‌ای مقاومت عضو در برابر حریق را افزایش می‌دهد. ازسوی‌دیگر درصورت ازدست رفتن مقاومت مقطع فولادی، هسته بتنی باربری را برعهده داشته و از فروریزش ناگهانی سازه جلوگیری می‌نماید.

  • تغییر دمای مقاطع مختلف در هنگام آتش‌سوزی

    باتوجه‌به تحقیقات صورت‌پذیرفته، پارامترهای گوناگونی ازجمله هندسه مقطع، خروج ‌از مرکزیت بار و ضخامت لایه محافظ در برابر آتش بر مقاومت مقطع فولادی پرشده با بتن در برابر آتش اثر می‌گذارند. هندسه مقطع و ضخامت لایه محافظ در برابر آتش بیشترین تأثیر را در توزیع دما در ستون دارند. تحقیقات نشان می‌دهند که در ستون‌های پرشده با بتن با دو لایه فولاد، هنگامی‌که دما در جدار فولادی بیرونی به ۹۰۰ درجه سلسیوس رسیده است، بخش فولادی درونی دمایی کمتر از ۵۰۰ درجه سلسیوس را تجربه می‌کند و همین امر سبب تحمل بالاتر ستون‌های با دولایه فولاد نسبت به ستون‌های CFT معمولی در برابر آتش می‌گردد.

    • افزایش فضای مفید

    مقاومت مقاطع فولادی پرشده با بتن نسبت به مقاطع فولادی و بتنی با ابعاد مشابه به‌مراتب بالاتر است (علت آن در بخش مزیت‌های رفتاری به‌تفصیل آمده است)، درنتیجه مطابق شکل زیر به‌ازای میزان مقاومت موردنیاز برابر، مقطع فولادی پرشده با بتن در مقایسه با مقطع هم مقاومت فولادی و بتنی، ابعاد کوچک‌تری خواهد داشت.

  • تفاوت ابعاد در مقاطع مختلف با مقاومت موجود یکسان

    یکی از محدودیت‌های اجرای دهانه‌های بلند و استفاده از سیستم باربر جانبی قاب خمشی، افزایش بیش‌ازحد ابعاد ستون‌ها است که در بسیاری از موارد طراحان را از این تصمیم منصرف می‌سازد. قابلیت ستون‌های CFT در این موارد به‌کمک طراحان می‌آید تا با استفاده از ستون‌های دارای ابعاد سازگار با محدودیت‌های معماری، سازه‌ای با دهانه‌های بلند و آزاد (فاقد دیوار برشی یا مهاربند) را طراحی نمایند. مجموعه این مزیت‌ها منجربه افزایش فضای مفید داخلی سازه می‌گردند و به‌منظور تأمین پارکینگ موردنیاز در طبقات زیرین که ستون‌ها دارای بزرگ‌ترین ابعاد هستند، بسیار تاثیرگذار است.

۳- مزیت‌های رفتاری سازه های CFT

    • مقاومت خمشی، محوری و برشی موجود بالاتر

    مقاومت فشاری موجود بتن نسبت به مقاومت کششی موجود آن بسیار بالاتر بوده و تحت محصورشدگی سه محوره بهبود می‌یابد. ازسوی‌دیگر فولاد از مقاومت کششی موجود بالایی برخوردار است اما مقطع فولادی ممکن است تحت فشار به‌صورت موضعی کمانش نماید. ازاین‌رو در مقاطع فولادی پرشده با بتن، بتن و فولاد به‌منظور استفاده از مهم‌ترین ویژگی ذاتی هریک از این مصالح، به‌کار می‌روند.

    شکل زیر مقایسه‌ای از نتایج به‌دست‌آمده طی آزمایشی برای مقاومت فشاری ستون‌هایی با مقطع فولادی توخالی با تنش تسلیم۳۶۳ مگاپاسکال و به قطر ۱۶۰ میلی متر و ضخامت ۴۶/۳ میلی متر، بتنی مسلح و مقطع فولادی پرشده با بتن غیرمسلح با استفاده از بتن با مقاومت فشاری ۷۸ مگاپاسکال را نمایش می‌دهد. ابعاد هندسی مقطع فولادی در هر دو ستون با مقاطع فولادی توخالی و پرشده با بتن مشابه است. همچنین ابعاد هندسی ستون با مقطع بتنی مسلح و هسته بتنی در ستون با مقطع فولادی پرشده با بتن یکسان است. باتوجه‌به نمودار زیر مقاومت نهایی مقطع فولادی پرشده با بتن حتی از مجموع مقاومت نهایی مقطع فولادی توخالی و مقطع بتنی مسلح نیز بالاتر است.

  • مقایسه مقاومت فشاری موجود ستون در مقاطع مختلف

    در دهه‌های اخیر تحقیقات زیادی درزمینه عملکرد مقاطع فولادی توخالی پرشده با بتن صورت گرفته است. نتایج نشانگر عملکرد اعضای CFT با بهره‌مندی از مزیت‌های توأمان فولاد و بتن بوده و این اعضا رفتار مطلوبی تحت اثر نیروی فشاری، کششی، برشی و همچنین لنگر خمشی و پیچشی دارند. تحقیقات همچنین نشانگر عملکرد شکل‌پذیر اعضای CFT در کشش است. همان‌گونه که در شکل زیر نشان داده شده است، ترک‌های بتن داخلی تحت کشش به‌طور یکنواخت در طول عضو توزیع شده‌اند.

    • حالت‌های خرابی مقاطع فولادی توخالی، بتنی مسلح و CFT تحت اثر نیروی کششی

    برای مقطع فولادی پرشده با بتن که تحت اثر لنگر خمشی قرار دارد، وجود بتن داخل مقطع می‌تواند حالت‌های خرابی جدار خارجی را به‌صورت کمانش‌های موجی شکل (ضمن کاهش طول نیم¬موج) تغییر دهد چراکه بتن به‌صورت تکیه‌گاه جانبی سرتاسری اجازه کمانش بخش فولادی به‌سمت داخل را نمی‌دهد. همان‌گونه که در شکل پایین قابل مشاهده است، در وجه تحت کشش مقطع ترک‌هایی در هسته بتنی مشاهده می‌شود، که در مقاطع CFT نسبت به مقاطع بتن مسلح، عرض و فاصله ترک‌ها کوچک‌تر شده است. ازسوی‌دیگر عملکرد بخش فولادی سبب کاهش قابل‌توجه ترک‌های قطری (۴۵ درجه) در هسته بتنی می‌گردد.

  • حالت‌های خرابی مقاطع فولادی توخالی، بتنی مسلح و CFT تحت اثر لنگر خمشی

    هنگامی‌که مقطع فولادی توخالی تحت پیچش قرار می‌گیرد، کمانش‌های پیچشی واضحی در مقطع رخ می‌دهد. مقطع بتنی نیز با قرار گرفتن تحت پیچش رفتاری ترد از خود بروز داده و ترک‌های برشی ۴۵ درجه داخل مقطع شکل می‌گیرد. اما با قرارگرفتن عضو CFT تحت اثر لنگر پیچشی، نیروی فشاری در هسته بتنی و نیروی کششی قطری در مقطع فولادی ایجاد می‌شوند. درنتیجه اعمال هم‌زمان این دو نیرو عملکرد خرپایی فضایی ایجادشده و مقاومت در برابر کمانش مقطع فولادی تقویت می‌شود.

    • حالت‌های خرابی مقاطع فولادی توخالی، بتنی مسلح و CFT تحت اثر لنگر پیچشی

    آزمایش‌های متعددی روی ستون بلند با مقطع CFT لاغر تحت پروتکل‌های بارگذاری پیچیده‌ای انجام شده است، نتایج آزمایش‌ها بیانگر عملکرد مناسب ستون‌های CFT و ضوابط محافظه‌کارانه آیین‌نامه‌ای دررابطه ‌با مقاومت این ستون‌هاست. در مقاطع فولادی پرشده با بتن، به‌دلیل وجود هسته بتنی به‌عنوان تکیه‌گاه جانبی دیواره فولادی احتمال کمانش موضعی بخش فولادی به‌شدت کاهش می‌یابد. مطابق شکل زیر در مقطع توخالی فولادی هر دو کمانش به‌سمت داخل و خارج مشاهده می‌شود، همچنین در مقطع بتنی شکست برشی مشهود است اما در مقطع فولادی پرشده با بتن تنها کمانش به‌سمت خارج در فولاد مشاهده شده و بتن داخلی در حالت شکل‌پذیرتر دچار شکست می‌شود.

    کلیه مواردی که در این بخش به آن‌ها پرداخته شد، سبب می‌شود مقاطع فولادی پرشده با بتن، بالاترین نسبت مجاز بعد به ضخامت در فشار و خمش در بین انواع مقاطع فولادی را دارا باشند.

    • بهبود عملکرد بتن

    استفاده از اثر محصورشدگی بتن باهدف بهبود خواص مقاومتی آن، یکی از نکات مهم در به‌کارگیری و طراحی سازه‌های بتن‌آرمه است. درموردِ مقاطع بتن مسلح این مهم با استفاده از المان خاموت حاصل می‌گردد که در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان این اثر با یک ضریب افزایشی در مقاومت مشخصه بتن لحاظ می‌شود.

    در مقاطع CFT می‌توان مقطع فولادی را به تعداد زیادی خاموت با فواصل بسیار اندک نسبت به یکدیگر تشبیه کرد، بنابراین اثر محصورشدگی بتن به بهترین نحو در مقاطع CFT تحقق می‌یابد. مطابق شکل (۱-۱۹) بتن محصورشده نسبت به بتن محصورنشده رفتار به‌مراتب مقاوم‌تر و شکل‌پذیرتر ارائه می‌دهد تاجایی‌که در برخی آزمایش‌ها کرنش نهایی بتن محصورشده ۱۱ برابر کرنش نهایی بتن محصورنشده گزارش شده است.
    حضور مقطع فولادی به‌عنوان قالب دائمی بتن سبب حفاظت سطح بتن از آسیب‌هایی همچون پوسته‌پوسته‌شدن و خوردگی بوده و به‌این‌دلیل کاهش مقاومت و همچنین انقباض خشک و خزش بخش بتنی مقاطع CFT در مقایسه با مقاطع بتن‌آرمه به‌مراتب کمتر است.

    • شکل‌پذیری و ظرفیت استهلاک انرژی بالا

    مقطع فولادی پرشده با بتن به‌دلیل عملکرد مختلط، ظرفیت استهلاک انرژی بیشتری در مقایسه با مقطع فولادی توخالی یا مقطع بتنی مسلح معادل را دارا می‌باشد. مطابق شکل‌(۱-۲۰) این امر طی مطالعات متعدد آزمایشگاهی و مدل‌سازی‌های عددی به‌اثبات رسیده است که سطح زیر منحنی نیرو- جابجایی (معادل میزان انرژی جذب‌شده توسط عضو) در مقاطع فولادی پرشده با بتن به‌صورت قابل‌توجهی افزایش می‌یابد.

    به‌منظور ارزیابی پاسخ لنگر-انحنا و بارجانبی-جابجایی این مقاطع، مدل‌های چرخه‌ای برای پاسخ چرخه‌ای برمبنای مطالعات پارامتریک با درنظرگرفتن فاکتورهای کلیدی از قبیل میزان بار محوری، ضریب لاغری و مقاومت ماده پیشنهاد شده‌اند. پیش‌بینی مدل‌های تئوریک، هم‌خوانی قابل قبولی با نتایج آزمایش‌ها داشته است. ازسوی‌دیگر به‌دلیل عملکرد سازه پل‌ها و ساختمان‌های پیچیده تحت شرایط مختلف آزمایش‌های ستون با مقطع CFT به‌صورت چرخه‌ای و با مشارکت هم‌زمان خمش، فشار و پیچش به‌منظور ارزیابی پاسخ لنگر-انحنا و بارجانبی-جابجایی این مقاطع، مدل‌های چرخه‌ای برای پاسخ چرخه‌ای برمبنای مطالعات پارامتریک با درنظرگرفتن فاکتورهای کلیدی از قبیل میزان بار محوری، ضریب لاغری و مقاومت ماده پیشنهاد شده‌اند. پیش‌بینی مدل‌های تئوریک، هم‌خوانی قابل قبولی با نتایج آزمایش‌ها داشته است. ازسوی‌دیگر به‌دلیل عملکرد سازه پل‌ها و ساختمان‌های پیچیده تحت شرایط مختلف آزمایش‌های ستون با مقطع CFT به‌صورت چرخه‌ای و با مشارکت هم‌زمان خمش، فشار و پیچش انجام شده‌اند. نتایج تست‌ها بیانگر اثر باریک شدگی بسیار محدود منحنی چرخه‌ای ستون دارای مقطع CFT تحت بارگذاری مرکب است. همچنین مقاومت پیچشی موجود ستون دارای مقطع CFT تحت اثر لنگر خمشی کاهش یافته است. اعضا با مقطع فولادی پرشده با بتن که در پایه پل‌ها یا به‌عنوان ستون‌های خارجی ساختمان‌ها استفاده می‌شوند، درمعرض بارهای ضربه‌ای قرار دارند. نتایج تحقیقات دراین‌زمینه گواه مقاومت فوق‌العاده این ستون‌ها در برابر ضربه است.

    • افزایش سختی جانبی عضو فشاری

    یکی از کاربردهای ستون دارای مقطع فولادی پرشده با بتن، جایگزینی آن با ستون دارای مقطع فولادی معمول، به‌منظور کنترل جابجایی جانبی سازه از طریق افزایش ممان اینرسی مقطع و درنتیجه افزایش سختی جانبی ستون است. جهت انجام این امر به‌جای مقطع فولادی موجود از یک مقطع فولادی توخالی معادل استفاده می‌گردد. در گام بعدی داخل مقطع فولادی توخالی به‌وسیله بتن پر می‌شود که منجر به افزایش سختی جانبی مقطع ستون می‌گردد. این راهکار به‌خصوص در سازه‌های با سیستم باربر جانبی قاب خمشی به‌مراتب اقتصادی‌تر از افزایش ابعاد و ضخامت مقطع فولادی ستون خواهد بود.

    منبع: کتاب راهنمای طراحی مقاطع فولادی پرشده با بتن (CFT)