معرفی ستون هاي کمپوزيت

ستون CFT چیست؟
ستون های مختلط (کامپوزیت) به صورت قوطی یا لوله فولادی که با بتن پر شده اند را به اختصار CFTمی نامند. بخش فولادی مقطع معمولا قوطی های نورد شده سازه ای یا لوله فولادی می باشند که در ابعاد بزرگ در کشور تولید می شوند. در هسته بتنی مقطع ممکن است بتن های معمولی یا بتن های خود تراکم (SCC) به کار برده شود. ترکیب فولاد پیرامون هسته بتنی، یک مقطع مختلط (کامپوزیت) ایجاد می کند. انواع سیستم های سقف و تیرهای فولادی در ترکیب با این ستون ها به کار برده می شود.

مزایای CFT
ستون  CFT   ترکیبی است از بتن و فولاد که مجموعه ای از مزایای ستون های بتن آرمه و ستون های فولادی را دارد. ستون مختلط شکل پذیری بیشتری نسبت به ستون های بتنی دارد و اتصالات آنها مانند ساختمان های فولادی است. پر کردن بتن داخل ستون نه تنها موجب افزایش ظرفیت باربری مقطع فولادی می شود، بلکه سختی جانبی آنها را ارتقا می بخشد که از نظر کنترل تغییر مکان نسبی طبقات  (Drift) بسیار مفید است. ضمنا وجود بتن در هسته مقطع موجب مقاومت ستون در برابر حریق نیز می گردد.
 
 
 آیا CFT مورد تایید است؟         
خوشبختانه از سال 87 تاکنون در مبحث 10 مقررات ملی ایران روش های طراحی این نوع ستون ها مطرح شده است و در ویرایش اخیر این آئین نامه، برخی موارد نظیر نسبت عرض به ضخامت مقطع CFT فشرده لرزه ای نیز مطرح گردیده است. آئین نامه های  AISC و یوروکد 4 نیز به تفصیل به این موضوعات پرداخته است. ضمنا آئین نامه ژاپن AIJ منبع بسیار ارزشمندی، خصوصا در طراحی اتصالات مورد نیاز این سیستم می باشد. مقاطع نورد شده فولادی مورد استفاده در این سیستم طبق استاندارد DIN10219   در کارخانجات کالوپ تولید می شود و موفق به اخذ گواهینامه فنی مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن گردیده اند.

                                                         

اتصالات تیر به ستون
اتصالات ساده تیر به ستون های CFT   تفاوت عمده ای با مباحث متداول ندارد. مباحث تکمیلی، خصوصا اتصال بادبندها و اتصالات ساده با ورق میان گذر را در  AISC-DG24  می توان یافت. اتصالات صلب در قاب های خمشی ویژه و متوسط شامل ورق های سخت کننده تحت عنوان ورق پیوستگی (Continuity Plate) مقابل بال های فشاری و کششی تیر می باشد که در ستون های CFT به صورت دیافراگم پیرامونی مطابق شکل ذیل اجرا می شود که سختی و شکل پذیری بیشتری در مقایسه با دیافراگم های داخلی دارد. همچنین حذف جوشکاری داخل ستون امکان نظارت بیشتر بر کیفیت جوشکاری را فراهم می کند.

ستون هاي کمپوزيت شامل ترکيبهاي مختلفي از دو مصالح بتن و فولاد مي باشد که با نامهاي ستون مختلط ، ترکيبي ، مرکب ، CFT  ، SRC ، RCS، TWC نيز رايج مي باشند. گسترش روز افزون آن به خاطر بهبود رفتار ستون ها در اثر ترکيب خوب بتن و فولاد است که عملکرد بهتر و صرفه اقتصادي بيشتر را در پي دارد. انواع ستون هاي کمپوزيت در سه تيپ کلي زير خلاصه مي شوند :خوشبختانه از سال 87 تاکنون در مبحث 10 مقررات ملی ایران روش های طراحی این نوع ستون ها مطرح شده است و در ویرایش اخیر این آئین نامه، برخی موارد نظیر نسبت عرض به ضخامت مقطع CFT فشرده لرزه ای نیز مطرح گردیده است. آئین نامه های  AISC و یوروکد 4 نیز به تفصیل به این موضوعات پرداخته است. ضمنا آئین نامه ژاپن AIJ منبع بسیار ارزشمندی، خصوصا در طراحی اتصالات مورد نیاز این سیستم می باشد. مقاطع نورد شده فولادی مورد استفاده در این سیستم طبق استاندارد DIN10219   در کارخانجات کالوپ تولید می شود و موفق به اخذ گواهینامه فنی مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن گردیده اند. 
   
تيپ1- مقاطع فولادي مدفون در بتن
تيپ2- مقاطع فولادي جدار نازک پر شده از بتن
تيپ3- مقاطع فولادي نيمه مدفون در بتن

این ستون های اغلب در نوع تیپ 2 مورد استفاده قرار می گیرند .
مقطع مورد استفاده در تیپ نوع دوم HSS  (HOLLOW SECTION)  می باشد.
 
الف) تيپ1- مقاطع فولادي مدفون در بتن
اولين بار اين ستون ها براي جلوگيري از تخريب ساختمان در برابر آتش سوزي ابداع شد و اين نوع از مقاطع با نامهاي SRC يا RCS رايج شده اند (Reinforced Concrete & Steel)



ب) تيپ2- مقاطع فولادي جدار نازک پر شده از بتن
اين نوع از ستون هاي کمپوزيت بيشتر براي جلوگيري از كمانش موضعي ستون هاي جدار نازک فولادي در نظر گرفته شده است و با نام هاي (  (CFT (Concrete - Filled Steel Tubes) و TWC ( Thin Walled Composite Columns) مشهور مي باشند. بتن استفاده شده در اين ستون ها ميتوانند بوسيله ميلگرد مسلح شوند يا اينکه بسته به نوع مصرف بصورت ساده  و غير مسلح استفاده شود ويژگي هاي منحصر به فرد اين نوع از ستون هاي کمپوزيت عدم نياز به ميلگرد گذاري ، صرفه جويي در قالب بندي ، سرعت بالاي ساخت، اثر محدود کنندگي فولاد بر بتن ، محافظت سطح بتن از ضربه و سايش مي باشد.



ج) تيپ3- مقاطع فولادي نيمه مدفون در بتن
اين نوع از ستون هاي کمپوزيت از ترکيب انواع مختلفي از اشکال فولاد با بتن شکل مي گيرند و جذب انرژي بالا ، شکل پذيري بالا ، افزايش در مقاومت و سختي ستون از ويژگي هاي اين نوع از ستون هاي کمپوزيت مي باشد.
 


2- شتاب­نگاشت هاي انتخابي
تحليل ديناميکي تاريخچه­ي زماني با شتاب­نگاشت زمين لرزه، يکي از روش هايي است که در اکثر آئين نامه ها براي بررسي رفتار لرزه هاي ساختمان ها پيشنهاد شده است.
در اين تحقيق از سه شتاب نگاشت زلزله هاي Tabas ، Northridge و ChiChi استفاده شده است که مشخصات عمومي هر يک در جدول آورده شده است. PGA ماگزيمم شتاب زلزله، PGV ماگزيمم سرعت زلزله، Duration مدت زمان تداوم زلزله و Time step فاصله زماني داده ها مي باشد.
 

Time step(s)	Duration (s)	PGV (cm/s)	PGA (g)	Record
0.02	25	26.5	0.406	Tabas
0.02	40	27.5	0.358	Northridge
0.004	150	55.4	0.364	Chi Chi

جهت مقايسه­ي رفتار انواع مختلف ستون هاي کمپوزيت از دو تيپ قاب ساختماني با پلان مشابه و تعداد طبقات 3 و 8 استفاده شده است که شکل  پلان قاب هاي مدل شده را نشان مي دهد.



طرح پلاستيک
اين مدل قاب 3 طبقه اي است که با تيروستون هاي فولادي طراحي شده است مقاطع بدست آمده از طراحي قاب به روش پلاستيک در محورهاي 1 و2 در شکل هاي زيرآورده شده است.
 


به عنوان نمونه پاسخ تغيير مکان طبقات را براي مدل هاي 3 طبقه بصورت تاريخچه زماني بر اساس تحريک زلزله Chi Chi طي شکل در راستاي محور هاي  XوY مي آوريم.



7- نتيجه گيري
هدف اصلي اين تحقيق بررسي رفتار لرزه اي انواع مختلف ستون هاي کمپوزيت در قاب در حالت غير ارتجاعي تحت بار ديناميکي مي باشد لذا در اين پژوهش جهت مقايسه رفتار انواع مختلف ستون هاي کمپوزيت از سه نوع ستون کمپوزيت در قابهاي ساختماني3 طبقه و 8 طبقه استفاده شده است که براي طراحي سازه ها ابتدا يک سازه فولادي به روش پلاستيک طراحي کرده سپس به طراحي تير و ستون هاي کمپوزيت با روش طراحي پلاستيک پرداختيم و بطور ضمني ستون فولادي را نيز در مقايسه با ستون هاي کمپوزيت بررسي نموديم که بررسي ها شامل مقايسات تغيير مکان هاي کلي و نسبي طبقات، مقايسات نيروها و لنگر خمشي موجود ستون ها نسبت به ظرفيت پلاستيک و عکس العمل هاي تکيه گاهي و غيره مي باشد.
به لحاظ مقايسه جابجايي هاي حداکثر و دريفت طبقات، بيشترين انعطاف پذيري در مدل هاي 3 طبقه و 8 طبقه مربوط به مدل هاي طراحي شده با ستون کمپوزيت تيپ 3 مي باشند و با اندکي انعطاف پذيري کمتر، ستون هاي کمپوزيت تيپ 1 قرار دارد و سازه هاي فولادي کمترين انعطاف پذيري را دارا مي باشند و نيز با اينکه ضرايب اصلاح شتاب نگاشت در مدل هاي 3 طبقه بيشتر بود و زلزله هاي قوي تري به مدل هاي 3 طبقه وارد شده است به لحاظ جابجايي و دريفت تفاوت زيادي در ميان اين مدل ها ديده نشد.
نتايج مقايسه برش پايه و لنگر پايه در مدل هاي 3 طبقه نشان مي دهد که مدل فولادي داراي بيشترين مقادير و مدل 3-2 داراي کمترين مقادير مي باشد و مقادير مدل هاي 3-3 و3-4 نزديک به مدل 3-2 است و در مدل هاي 8 طبقه ديده مي شود مدل فولادي و مدل کمپوزيت تيپ 3 بيشترين برش پايه و لنگر پايه را دارد که نشان مي دهد اين مدل ها در مقايسه با مدل هاي 8-2 و 8-4 سخت تر بوده و سيستم عملکرد نامناسبي در مقابل بارهاي جانبي ارائه مي دهند و نمي توانند نيروي زلزله را به خوبي دفع کنند ولي مدل هاي 8-4 و 8-2 با ستون هاي کمپوزيت تيپ 2 و1 کمترين مقادير برش و لنگر پايه را دارند و شکل پذيري، نرمي و عملکرد سازه اي مناسب براي دفع نيروي جانبي از ويژگي هاي ايندو سيستم مي باشد.
در مقايسه نسبت لنگر موجود به لنگر پلاستيک براي انواع مدل ها شاهد هستيم که در مدل هاي 3 طبقه اکثر ستون ها وارد ناحيه پلاستيک شده اند و بيشترين مقادير مربوط به مدل 3-3 و کمترين مقادير مربوط به مدل 3-4 مي باشد و در مدل هاي 8 طبقه اکثر ستون هاي مدل 8-3 وارد ناحيه پلاستيک شده اند و مدل 8-3 بيشترين مقادير و مدل 8-2 کمترين مقادير را دارند.
 
 
نتايج نشان مي دهد با افزايش طبقات و ارتفاع سازه ستون هاي کمپوزيت تيپ 1و3 عملکرد خمشي بهتري دارند و مدل کمپوزيت تيپ 2 با اينکه داراي ستون هاي بزرگي است اما در تحمل لنگر خمشي ضعيف عمل نموده است که اين به نقش ضعيف بتن در کشش بر مي گردد. مقطع کمپوزيت تيپ 2 ، مقطع جداره نازک فولادي پرشده از بتن است که به نظر مي رسد اين مقطع بايد با ميلگرد گذاري داخل بتن اصلاح گردد.
در مقايسه نسبت نيروي محوري موجود به مقدار پلاستيک آن براي انواع مدل ها شاهد هستيم که هيچکدام از ستون ها وارد ناحيه پلاستيک نشده اند و ملاک طراحي لنگر خمشي بوده است و در مدل هاي 3 طبقه حداکثر 22% از ظرفيت پلاستيک خود استفاده نموده اند و در مدل هاي 8 طبقه براي تيپ هاي 1و2و3 ستون کمپوزيت به ترتيب 29% و 32% و 35% از ظرفيت پلاستيک خود استفاده نموده اند.
نتايج نشان مي دهد که ستون هاي کمپوزيت تيپ 1و2 در مدل هاي 8 طبقه براي نسبت اندرکنش نيروي محوري مقادير مشابهي دارند و اين مقادير کمتر از ستون کمپوزيت تيپ 3 مي باشد با توجه به اين مهم که ميزان بتن مصرفي در مقاطع کمپوزيت تيپ 1و2 بيش از دو برابر بتن مصرفي مقطع تيپ 3 است لذا نتيجه مي گيريم که مقدار بتن در مقطع در تحمل نيروي فشاري حائز اهميت است و براي سازه هاي با نيروي فشاري بالا مقاطع کمپوزيت تيپ 1و2 بهترند.
در مقايسه نسبت اندرکنش مجموع نيروي محوري و لنگر خمشي ملاحظه مي شود که ستون کمپوزيت تيپ 2 بيشترين مقادير و ستون کمپوزيت تيپ 1و3  کمترين مقادير را دارند که اين اختلاف بيشتر به جهت نسبت تنش خمشي بيشتر در تيپ 2 مي باشد.