امروزه روش های نوینی برای ساخت ساختمان ها وجود دارد که این روش ها همگی باید بر اساس ایجاد ایمنی مؤثر در سازه عمل کنند تا سازه در برابر بارهای جانبی از خود مقاومت مناسبی نشان دهد. بیشتر ساختمان هایی که در سطح شهر وجود دارند یا از نوع سازه بتنی هستند و یا از نوع سازه های فولادی می باشند که بر اساس آیین نامه های مهندسی ( مبحث دهم و مبحث نهم ) طراحی شده اند.

یک روش بسیار خاص و جدید برای ساخت سازه ها وجود دارد که مورد توجه مهندسان سازه قرار گرفته است، برای ساخت ساختمان ها با این روش جدید، باید متریال به کار رفته را تلفیقی از فولاد و بتن به کار برد که قطعاً مزایای فراوانی دارد. قبل از استفاده از ستون های ctf، در اسکلت فلزی ساختمان ها، برای حفاظت در برابر حریق، فولاد را با یک لایه نازک از بتن می پوشاندند.

همین موضوع باعث شد تا مهندسین به این موضوع پی ببرند که  بتن موجب افزایش مقاومت ستون می شود. به تدریج استفاده از ستون های ctf در سراسر جهان به خصوص در کشورهایی از اروپا و آسیای شرقی و همچنین آمریکا افزایش یافت. در این مقاله از وب سایت آرین تیس به بررسی سازه ctf  و برتری های آن نسبت به سازه های فولادی و بتنی می پردازیم، بنابراین برای کسب اطلاعات بیشتر تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید.

در ابتدا توضیح مختصری درباره سازه های بتنی و سازه های فولادی می دهیم و سپس به بررسی سازه ctf  می پردازیم.

سازه فولادی :

سازه فولادی سازه ایی است که برای ساخت آن از متریال فولاد استفاده شده است. فولادی که برای ساخت و ساز مورد استفاده قرار می گیرد معمولاً از فولاد نرمه ساختمانی هستند که به st_37 و st_52 مشهور هستند. منظور از فولاد نرمه ساختمانی فولادی است که درصد کربن آن بین 0.2 تا 0.6 است و متوسط کربن است. اگر به میزان بیشتری درصد کربن به آلیاژ فولاد اضافه شود آن گاه این متریال بسیار سخت خواهد شد و شکل پذیری آن قطعاً پایین می آید ( ساختار ترد شکن خواهد داشت ).

بنابراین فولادهای نرمه ساختمانی شکل پذیری بسیار مناسبی دارند و همین موضوع سبب می شود که در ساخت و ساز سازه ها از آن استفاده های بسیاری شود. لازم به ذکر می باشد که اتصالات به کار رفته در این سازه فلزی ها از نوع جوشی، پرچی و یا پیچ می‌باشد و بسته به نوع اتصالات قطعات طرح شده و کنترل‌ های مربوطه بر روی آن ها انجام می گیرد.

ساخت سازه های فلزی می تواند برای مناطق لرزه خیر بسیار مناسب باشد به دلیل آن که این نوع سازه ها رفتار بسیار مناسبی در برابر بارهای جانبی از خود نشان می دهد، اما نکته بسیار مهمی که برای این نوع سازه ها وجود دارد ،این است که :

• طراحی المان های سازه ای، سازه های فلزی بر طبق اصول آیین نامه بسیار اهمیت دارد و باید مطابق با آیین نامه های روز دنیا باشد.
• طراحی اتصالات فولاد بسیار مهم است به دلیل آن که همان گونه که بیان شد، اتصالات فولادی از پیچ و جوش یا پرچ می باشند.
• اجرای سازه فلزی باید کاملاً بی نقص انجام شود به خصوص در قسمت اتصالات سازه.

اگر سازه ای با توجه به موارد ذکر شده طراحی و اجرا شود، آن گاه می توان اذعان داشت که سازه در برابر بارها از خود مقاومت مطلوبی نشان می دهد. از جمله مزایای سازه فلزی می توان به موارد زیر اشاره داشت :

• امکان توسعه سازه بعد از اتمام ساخت سازه وجود دارد.
• امکان اتصال چند قطعه به یک دیگر وجود دارد.
• قطعات فولادی در کارخانه به صورت پیش ساخته هستند.
• اجرا و نصب آن ها سرعت بالایی دارد
• فضای کمتری نسبت به بتن اشغال می کند.
• فلز مقاومت بسیار بالایی دارد.
• خواص ارتجاعی فولاد با تقریب بسیار خوبی مصداق عملی دارد، فولاد در تنش های بزرگ از قانون هوک پیروی می کند.
• شکل پذیری بسیار مناسب
• تقویت پذیری و امکان مقاوم سازی سازه های فلزی وجود دارد.
• مصالح فلزی از وزن کمی برخوردار می باشند و ....

سازه بتنی :

بتن یک ماده بسیار مستحکم می باشد که از آن در ساخت سازه ها استفاده می شود. زمانی که سخن از سازه بتنی به میان می آید، منظور سازه های بتنی مسلح هستند. سازه های بتنی مسلح ترکیب فولاد و بتن می باشند که سبب می شود عملکرد بتن در هنگام نیروهای وارده به سازه بیشتر شود. بتن در کل از مقاومت فشاری بسیار مناسبی برخوردار می باشد اما از مقاومت کششی خوبی بهره مند نیست. برای حل این مشکل مهندسان بتن مسلح را پیشنهاد می دهند که این بتن به دلیل وجود فولاد در آن، رفتار مناسب تری در برابر نیروهای کششی دارا می باشد.

لازم به ذکر است که امروزه بیشتر ساختمان های مسکونی در سطح شهر از بتن مسلح ساخته شده اند. بتن نیز مانند فولاد نیاز به طراحی سازه ای دارد و حتی فولاد های به کار رفته در آن نیز (میلگردها یا آرماتور ها) به طراحی مهندسی نیاز دارد، تا بتواند در برابر بارهای وارده از خود رفتار مطلوبی نشان دهد. سازه های بتنی مزایای فراوانی دارند که همین موضوع سبب شده است که استفاده از آن ها بسیار گسترده شود. از جمله مزایای سازه بتنی می توان به موارد زیر اشاره داشت :

• ماده اصلی بتن که شن و ماسه می ‌باشد ارزان است و دسترسی به آن بسیار راحت می باشد
• لازم به ذکر است سازه ‌های بتنی که مطابق با اصول آیین ‌نامه ‌ای طراحی و اجرا می شوند، در مقابل شرایط محیطی سخت، مقاوم تر از سازه‌ های ساخته شده با مصالح دیگر هستند.
• به علت قابلیت شکل پذیری بالای بتن، امکان ساخت انواع سازه‌ های بتنی نظیر پل، ستون و ... به اشکال مختلف میسر است.
• سازه‌ های بتنی در مقابل حرارت زیاد ناشی از آتش سوزی بسیار مقاوم ‌اند، حتی مقاوم تر از فولاد می باشند. آزمایش ‌ها نشان داده اند که در صورت ایجاد حرارتی معادل ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد برای یک نمونه بتن آرمه، حداقل یک ساعت طول می‌ کشد تا دمای فولاد داخل بتن، که با یک لایه بتنی با ضخامت ۲٫۵ سانتی متر پوشیده شده است، به ۵۰۰ درجه سانتی گراد برسد.

هزینه ساخت سازه های بتنی بسیار مناسب تر از سازه های فولادی می باشد اما سرعت اجرای سازه های فولادی بسیار بالاتر از سازه های بتنی است.

سازه  ctf :

امروزه ساخت سازه های ctf  بسیار بیشتر از گذشته می باشد، برای آن که تعریف مناسبی از سازه ctf داشته باشیم، باید بیان شود که ستون ‌های مختلط یا همان کامپوزیت به صورت قوطی یا لوله فولادی که با بتن پر شده‌اند را ستون ‌های فولادی پر شده با بتن (Concrete Filled Tube) یا همان ctf می‌ نامند.Ctf  از دو بخش فولاد و بتن تشکیل شده است، به صورتی که :

• بخش فولادی مقطع، معمولاً قوطی‌ های نورد شده سازه‌ای یا لوله فولادی هستند 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.

نکته بسیار مهم در رابطه با این نوع سازه ها این است که انواع سیستم ‌های سقف و تیر های فولادی در ترکیب با این ستون ‌ها به کار برده می ‌شود.

مزایای ساخت سازه ctf  :

ستون ‌های ctf‌‌ دارای خصوصیات عالی می باشند که سبب شده است استفاده از آن ها نسبت به گذشته بیشتر شود؛ از جمله مزایا و خصوصیات بسیار مناسب این ستون ها می توان به موارد زیر اشاره داشت :

• مقاومت کششی و فشاری بالا
• شکل پذیری بسیار مناسب
• ظرفیت جذب انرژی بالا
• کاهش زمان ساخت به میزان بسیار مناسب
• بسیار مستحکم در برابر بارهای جانبی و ...

باید بیان شود که یکی از اصلی ترین مزایای ستون های ctf  یا مقاطع فولادی پرشده با بتن کاهش هزینه های اقتصادی در ساخت سازه ها می باشد. استفاده از ستون های ctf  سبب کاهش مصرف فولاد در ساخت سازه شده و در نهایت با هزینه کمتر سازه ای مقاوم و با کیفیت خواهید داشت. تعدیل کمانش موضعی بخش فولاد، افزایش عمر و مقاومت بتن به جهت محصور شدگی از دیگر مزایای بسیار مهم و خاص ستون های ctf  می باشد.

یکی از مزایای بسیار قابل توجه در سازه های ctf این است که باید بیان شود بتن همیشه از بهترین گزینه ها در ساخت سازه ها بوده است اما یکی از مهم ترین ایرادهای آن، زمان بالا در اجرای سازه خواهد بود. مقاوم سازی بتن برای تحمل بار بالای سازه، عملیات قالب بندی و باز نمودن قالب ها سبب افزایش اجرای سازه با بتن می شود به همین خاطر ستون های ctf  که ترکیبی از فولاد و بتن هستند گزینه بسیار مناسبی خواهد بود به دلیل آن که فولاد به عنوان قالب دائمی بتن عمل کرده و همچنین امکان تحمل بارهای سنگین را نیز دارد. به همین دلیل است که این نوع ستون علی رغم استفاده از بتن در مدت کمتری، سازه را به پایان می رساند.

همچنین لازم به ذکر می باشد که استفاده از ستون های ctf  سبب می شود فضای کمتری در سازه مورد استفاده قرار گیرد. در بسیاری از موارد ابعاد بزرگ ستون ها، طراحان را برای استفاده از دهانه بلند و سیستم باربری جانبی با قاب خمشی را منصرف می کند، بنابراین ستون هایctf  این امکان را به آن ها می دهد. فضای داخلی مفیدی که این ستون ها ایجاد می کنند می تواند در طبقات زیرین و پارکینگ های طبقاتی مورد استفاده قرار گیرد.

نحوه عملکرد سازه ctf :

همان گونه که بیان شد، ستون های ctf  از یک قوطی که داخل آن ها با بتن پر می شود، ساخته خواهند شد. حال داخل بتن نیز بر اساس نظر طراح می توان از یک پروفیل آی شکل نیز استفاده کرد، البته این موضوع کاملاً به نوع طراحی مهندس سازه بستگی خواهد داشت.

لازم به ذکر می باشد که برای دستیابی به رفتار ستون‌ های ctf تحت عوامل مختلف، بی شک نیاز به شناخت دقیق تک تک پارامترهای مؤثر بر عملکرد آن ها می باشد. به طوری که اگر این شناخت حاصل نشود، در واقع نمی‌ توان از این مقاطع در انواع سازه ‌ها به طور اقتصادی و قابل اعتماد بهره گرفت.‌ مهم ترین عوامل مؤثر بر رفتار‌ این گونه مقاطع، شامل موارد زیر می باشد:

• لاغری ستون مربوطه و فشردگی جدار فولادی‌
• محبوس شدگی بتن
• نوع بتن و فولاد مصرفی‌
• خزش و افت بتن
• نوع اتصالات سازه‌ای و چسبندگی بین دو مصالح‌
• میزان مقاومت این مقاطع در برابر آتش

نحوه عملکرد سازه ctf به گونه ای می باشد که پوسته فولادی به عنوان مقاوم کننده طولی و عرضی عمل می ‌کند. همچنین پوسته، فشار محصور شدگی برای بتن فراهم می ‌کند که بتن را تحت تنش در تمام جهات قرار می ‌دهد. به عبارت دیگر پوسته فولادی، هسته بتنی را تقویت می‌ کند. این می ‌تواند از کمانش لوله فولادی جلوگیری کند و پایداری و مقاومت کششی ستون فولادی را افزایش دهد.‌ در ستون ‌های ctf محل قرار گیری جدار فولادی در پیرامون مقطع، یعنی جایی که تنش‌ های خمشی و کششی مؤثرتر هستند، باعث افزایش قابل توجه در سختی و مقاومت مقطع می‌ شود.

اتصالات سازه ctf :

اتصالات ساده تیر به ستون ‌های CFT تفاوت عمده‌ای با مباحث متداول سازه های فولادی نخواهد داشت. ‌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 هستند که در ستون ‌های CFT به صورت دیافراگم‌ ‌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.

معایب استفاده از قوطی های پر شده با بتن :

لازم به ذکر می باشد که هر روش ساخت سازه، علاوه بر داشتن مزایای مناسب معایبی نیز دارد. از معایب خاص ستون های ctf می توان به موارد زیر اشاره داشت :

• به علت استفاده از قوطی فلزی برای مسلح کردن طولی مقطع، برای مقابله با نیروها و لنگرها،‌ محصور بودن عرضی ( آرماتورهای عرضی ) در بتن‌ به طور مؤثر کاهش پیدا می ‌کند.‌
• ثابت شده‌ که در ستون‌ های ctf در آزمایش و بارگذاری‌ های CYCLIC و متناوب، احتمال رخ دادن کمانش موضعی در انتهای قوطی فلزی توسط شکستن و خرد شدن بتن مرکزی‌ خیلی دشوار و مشکل است.
• نتایج نشان می ‌دهد ‌تحت بارگذاری ‌های هیستریک، گسیختگی ناپایدار بوده، به خصوص برای ستون ‌های با بارهای محوری زیاد. 

برای کسب اطلاعات بیشتر به وب سایت آرین تیس مراجعه فرمایید .