بررسی پدیده ستون کوتاه در ساختمان های بتن آرمه و معرفی تکنیک های مقابله با آن

ستون ها از اعضای مهم سازه ای می باشند که عمدتاً در معرض نیروهای محوری با یا بدون ممان خمشی می باشند که شکست آنها منجر به انهدام سازه می گردد. طراحی ایمن و حفظ ایمنی ستون ها همواره از موضوع های مورد بحث محققین بوده است. ستون های کوتاه در مقایسه با ستون های لاغر به دلیل سختی بیشتر نیروی زلزله بیشتری جذب می کنند. به همین دلیل ستون های کوتاه منبع قابل توجهی در خسارات جدی زلزله می باشند. حالت ستون کوتاه از طراحی معماری ساختمان سرچشمه می گیرد. این مقاله انواع حالات تشکیل ستون کوتاه و دلایل معماری که چرا  این شرایط روی می دهد را ارائه می دهد و به زبان غیر فنی اثرات مضر آن ها را روی پاسخ سازه توضیح می دهد، همچنین راه حل هایی  برای آن ها ارائه می گردند. راه حل را فقط می توان به وسیله یک رویکرد یکپارچه برای طراحی ساختمان که حاصل از تعامل مهندس، معمار و پیمانکار می باشد، به دست آورد. در این مقاله مطالعات آزمایشگاهی مربوط به ستون کوتاه و انواع روش های تقویت این ستون ها با FRP نیز بررسی خواهند شد.

منشأ ایجاد ستون کوتاه در سازه های بتن آرمه

• ستون کوتاه ناشی از وجود تیرهای عمیق: تیرهای محیطی که به منظور شکل دهی نما و یا نصب تابلو و… ممکن است عمیق تر از بقیه تیرها طرح شوند باعث کاهش طول و افزایش سختی ستون های متصل به آن در قاب می گردد و باعث عدم ایجاد تیر ضعیف و ستون قوی گشته و در زلزله باعث شکست برشی ستون می گردند. وجود تیرهای عمیق باعث تبدیل مود حرکت سازه از خمشی به برشی می شود.

• ستون کوتاه ناشی از وجود پرکننده ها و عناصر غیر سازه ای : نیاز به جا دادن بازشوها در دیوارهای یک ساختمان به منظور فراهم کردن نور طبیعی و تهویه منجر به محصورشدگی جانبی جزئی در ارتفاع ستون توسط عناصر صلب و درنتیجه تشکیل ستون کوتاه می شود.

• ستون کوتاه ناشی از احداث ساختمان بر روی سطح شیبدار:  منشأ بسیاری از تغییرات در طول ستون ها در ملاحظات معماری است که از آن جمله احداث ساختمان بر روی زمین شیبدار مانند دامنه کوه را می توان نام برد. در طی زلزله ستون های کوتاه تر مستعد جذب انرژی بیشتر و درنتیجه خرابی و خسارت بیشتر می باشند. از این رو ضروری است ستون های کوتاه تر را با مقاومت  بیشتری طرح نمود.

• ستون کوتاه در حدفاصل پاگردها  تا  طراز طبقات:  راه پله ها در اکثر طراحی ها  به صورت اجزاء غیر سازه ای منظور شده و جداگانه طرح می گردند. درحالیکه در اکثر ساختمان ها چون تیر پاگرد در ارتفاع ستون به آن متصل است حدفاصل پاگرد تا سقف طبقه به یک ستون کوتاه تبدیل شده و نیروی برش زیادی در هنگام زلزله جذب که در طراحی و محاسبات منظور نمی شود.
• ستون کوتاه ناشی از وجود نیم طبقه در ساختمان : طراحی نیم طبقه )بالکن(  در داخل  واحدهای تجاری و یا طبقات ساختمان باعث ایجاد پدیده ستون کوتاه می گردد.
• ستون کوتاه ناشی از دوبلکسی شدن سازه ها:  طول مؤثر ستون های واقع در فصل مشترک این سازه ها  به اندازه های کوچکتری تقسیم می شود که هر یک از آن ها  به صورت یک ستون کوتاه عمل می کنند.
• ستون کوتاه ناشی از زیرزمین نیمه مدفون:  استفاده از دیوارهای حائل در زیرزمین با ستون های تعبیه شده در آن ها که بخش کوچکی از ارتفاع ستون تا سقف طبقه بعدی ادامه می یابد به منظور ایجاد تهویه و روشنایی منجر به ایجاد ستون کوتاه می شود.

• ستون کوتاه ناشی از راهروهای باز در مجتمع های مسکونی:  محصور شدن بخشی از ارتفاع خالص ستون در مجتمع های مسکونی ساخته شده در کشورهای متعدد با پیروی از معماری مدرن توسط ایجاد راهروها در سمت چپ نمای ساختمان و استفاده از نرده و دیوارهای سخت به جای به کارگیری چراغ همچنین درصورتیکه  بدون در نظر گرفتن محاسبات و جزییات اجرایی مناسب توسط مهندس محاسب، در هنگام اجرا در قسمتی از ارتفاع یک ستون تکیه گاه ایجاد گردد و یا طول اجرایی ستون کمتر از طول محاسباتی شود، امکان ایجاد پدیده ستون کوتاه وجود دارد.

روش های مقابله با پدیده ستون کوتاه

ازآنجاییکه پدیده ستون کوتاه در بسیاری از سازه ها اجتناب ناپذیر است، لازم است که طراحان تمهیداتی را برای کاهش اثرات مخرب آن پیشبینی نمایند. برای این منظور برای حالتی که به دلایل معماری یا کاربری تمام ستون های طبقه کوتاه تر از طبقات دیگر می شوند، پیشنهاد می شود که ستون های سازهای کاملاً با طبقات دیگر هم ارتفاع انتخاب شوند و برای جبران ارتفاع های زیاد از سقف های کاذب استفاده گردد تا نامنظمی ها به حداقل برسند. در موارد خاص که سازه بر روی سطح شیبدار پرهیز از اختلاف سطح در طبقات.

روش های متداول تقویت ستون های کوتاه بتن آرمه

استفاده از مواد کامپوزیت الیافی FRP

در شکل زیر  انواع روش های متداول تقویت ستونهای کوتاه را مشاهده می کنید که از صفحات FRP از جنس

کربن ( CFRP ) و شیشه ( GFRP ) و همچنین لایه های متفاوت ( 2 و 2 و 6 و 6) با شکل های متفاوت استفاده شده است.

سوالات متداول

ستون کوتاه چیست؟

از نظر فنی و مهندسی زمانی که نسبت طول مؤثر ستون به کوچک ‌ترین بعد جانبی آن کمتر از 12 باشد ستون کوتاه ایجاد می ‌شود.

نوع شکست ستون کوتاه چگونه است؟

ستون کوتاه یا ستونچه پدیده‌ ای است که در اثر شکست برشی اتفاق می ‌افتد و ماهیت این پدیده طوری است که آن را به بدترین نوع شکست و خرابی در ساختمان تبدیل می ‌کند. این ستون‌ ها توانایی مقاومت در برابر نیروهای اضافی را ندارند و به محض وارد شدن نیروهای اضافی مثل زلزله به‌ صورت ناگهانی فرو می ‌ریزند.

روش های مقاوم ‌سازی ستون ‌های کوتاه بتنی چیست؟

استفاده از روش FRP - استفاده از ورق ‌های فولادی - استفاده از ژاکت بتنی