انواع ستون های ساختمانی و کاربرد آن

مقدمه

یک سازه به‌عنوان یک سیستم کامل به قسمت‌های مختلف تقسیم می‌شود که عمدتاً شامل پایه، ستون، تیر و دال است. ستون‌ها اساساً اعضاء عمودی هستند که کاربرد آن‌ها در جز سازه تا ابرساختارها هست و نقش مهمی در انتقال بار از بالای سازه به پی‌ها و پایه‌های زیرزمین دارند.

ستون‌ها در اصل اعضای سازه‌ای عمودی سفت و سختی هستند که در درجه اول برای تحمل بارهای فشاری محوری از ستون‌ها و اسلب‌ها طراحی شده و سپس آن را از طریق پی به زمین منتقل می‌کنند. همان‌طور که در بدن انسان استخوان‌ها و همچنین سیستم انتقال وزن بدن به پائین یعنی به پاها عمل می‌کند، به همان روش بارهای مختلفی که در یک سازه ایجاد می‌شوند توسط ستون به پایه‌ها و پی به خاک منتقل می‌شوند؛ بنابراین، ستون نقش مهمی در مکانیسم انتقال بار دارد و بدون آن سازه‌ای وجود ندارد.

اما هر عضو عمودی ستون نیست. ستون عضوی است که طول آن بیش از ۳ برابر کمترین اندازه مقطع آن است. اگر این معیار رعایت نشود، آن عضو عمودی بند خوانده می‌شود. استحکام یک ستون تا حد زیادی به مقاومت مواد مورداستفاده، هندسه، شکل و اندازه سطح مقطع، طول و موقعیت ستون و بستگی به شرایط پشتیبانی در دو سر دارد. معمولاً ستون‌ها دارای ممان خمشی در مورد یک یا هر دو سطح مقطع خود هستند. در این مقاله، انواع مختلف ستون‌های مورداستفاده در ساخت‌وساز ساختمان موردبحث قرار خواهد گرفت.

1. انواع ستون‌ها در ساختمان

ستون‌ها بر اساس چندین شرط طبقه‌بندی می‌شوند که عبارت‌اند از:

1. بر اساس انواع تقویت
2. بر اساس انواع بارگیری
3. بر اساس نسبت نازکی
4. بر اساس شکل
5. بر اساس مصالح ساختمانی

1.1. بر اساس انواع تقویتی

1.1.1. ستون گره‌خورده

ساخت‌وساز با مصالح و ابزارهای ساختمان‌سازی تحول چشمگیری برای این صنعت ایجاد کرده است، در واقع ستون‌های گره‌خورده از بتن مسلح ساخته شده‌اند. با به‌کاررفتن آرماتور طولی در ستون گره‌خورده باعث تقویت و استحکام گروه‌ها می‌شود همچنین گره خور دهه شده است که تقریباً 95 درصد از کل ستون‌های ساختمانی از نوع گره‌خورده هستند.

2.1.1. ستون مارپیچ

ستون مارپیچ نیز از بتن مسلح ساخته می‌شود. در این نوع ستون، میله‌های طولی در داخل فضا تقویت و به طور متوالی به‌صورت مارپیچی محدود می‌شوند. تقویت مارپیچ باعث مهار جانبی و تأخیر در شکست بارمحوری (کرنش‌پذیری) می‌شود.

برای ساخت ستون‌های مارپیچ از بتن‌های مسلح استفاده می‌شود در این نوع ستون‌ها میله‌های طولی به کار می‌رود که باعث تقویت ساختمان می‌شود که به‌صورت متوالی به شکل مارپیچ هستند. این کار موجب خواهد شد که مهار جانبی رخ دهد و احتمال شکست بارمحوری به تعویق بیفتد.

3.1.1. ستون ترکیبی

هنگامی که آرماتور طولی به‌صورت قطعه فولادی سازه با یا بدون لوله یا میل‌گردهای طولی باشد، یک ستون ترکیبی نامیده می‌شود. این نوع ستون دارای استحکام بالا و با مقاطع نسبتاً کوچک‌اند که علاوه بر این عملکرد در برابر آتش مقاومت خوبی نیز به نمایش می‌گذارد.

زمانی که آرماتور طولی به‌صورت قطعه فولادی سازه یا اینکه بدون لوله یا میل‌گردهای طولی باشد، پس در واقع یک ستون ترکیبی وجود دارد که یک ستون ترکیبی نامیده می‌شود. این نوع ستون‌ها استحکام بالایی دارند و مقاطع نسبتاً کوچکی دارد که می‌توانند علاوه بر اینکه استحکام بالایی دارند نیز در برابر آتش مقاومت خوبی را از خودشان نشان بدهند.

2.1. بر اساس انواع بارگذاری

1.2.1. ستون بارگذاری شده محوری

اگر بارهای محوری عمودی بر روی مرکز ثقل سطح مقطع ستون عمل کنند، آن را به‌عنوان ستون دارای بارمحوری می‌نامند. ستون بارگذاری شده محوری در ساخت‌وساز بسیار نادر است؛ زیرا انطباق برآیند بارهای عمودی در مرکز ثقل مقطع ستونی به طور دقیق عملی نیست. ستون داخلی ساختمان‌های چندطبقه با بارهای متقارن از تخته‌های کف و از همه طرف نمونه‌ای از این نوع ستون است.

اگر بارهای محوری عمودی بر روی مرکز ثقل سطح مقطع ستون عمل کنند آن‌ها معمولاً به‌عنوان ستون دارای بارمحوری نامیده می‌شوند. این بارگذاری شده محوری خیلی کم در ساخت‌وساز استفاده می‌شود؛ زیرا انطباق جمع‌آوری بار‌های عمودی در مرکز ثقل مقطع ستون یک عدد دقیق و کاملی نیست. ستون‌های داخلی ساختمان چندطبقه با بار‌های متقارن از تخته‌های چرب و از همه طرف نمونه‌ای از این ستون‌ها می‌باشد.

2.2.1. ستون با بارگذاری غیر محور مرکزی

هنگامی که بارهای عمودی با مرکز ثقل مقطع ستون مطابقت ندارند و به طور غیرمرکزی یا در محور X یا Y مقطع ستون عمل می‌کنند، آنگاه به آن ستون بارگذاری غیرمحوری (غیرمرکزی) گفته می‌شود. ستون با بارگذاری غیرمحوری معمولاً در مورد ستون‌هایی که ازیک‌طرف به هم متصل هستند، یا ستون‌هایی که از لبه با یکدیگر متصل می‌شوند کاربرد دارد.

زمانی که بار‌های عمودی با مرکز ثقل مقطع ستون تطابق نداشته باشند، پس به‌صورت غیرمتمرکز یا در محور ایکس یا در محور وای مقطع ستون عمل می‌کنند پس در این زمان به آن ستون بارگذاری غیرمحوری غیرمرکزی نیز گفته می‌شود. ستون با بارگذاری غیرمحوری معمولاً در مورد ستون‌های می‌باشد که ازیک‌طرف به هم متصل هستند و یا اینکه ستون‌هایی که از لب با یکدیگر متصل می‌شوند نیز کاربرد دارد.

3.2.1. ستون با بارگذاری دومحوره Biaxial

هنگامی که بار عمودی بر روی ستون با مرکز ثقل مقطع ستون مطابقت ندارد و در هیچ یک از محورها (محور X و Y) عمل نمی‌کند، به این ستون، ستون بارگذاری شده محور غیرمحوری گفته می‌شود. ستون‌هایی که دارای بارگذاری غیرمحوری هستند به‌عنوان ستون‌های گوشه‌ای با تیرهایی که به طور محکم در زاویه‌های راست در بالای ستون‌ها متصل هستند متداول‌اند.

هنگامی که بار عمودی روی ستون بارگذاری دومحوره با مرکز ثقل مرکز مقطع ستون همخوانی نداشته باشد و در هیچ‌کدام از محورهای ایکس یا وای عمل نکند؛ به همین دلیل به این نوع ستون بارگذاری شده محور غیرمحوری گفته می‌شود.
ستون‌هایی که حاوی بارگذاری غیرمحوری هستند معمولاً به‌عنوان ستون‌های گوشه‌ای با تیرهایی که به‌صورت محکم در زاویه راست در بالای ستون‌ها متصل هستند در بین ستون‌ها افراد متداول است.

3.1. بر اساس نسبت نازکی

بر اساس نسبت باریک بودن، (طول مؤثر بر حداقل بعد جانبی) ستون‌ها به شرح زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

1.3.1. ستون کوتاه

اگر نسبت طول مؤثر ستون به حداقل بعد جانبی کمتر از ۱۲ باشد، ستون با عنوان ستون کوتاه خوانده می‌شود. یک ستون کوتاه باخرد شدن (شکست براثر بار فشرده خالص) شکست می‌خورد.

2.3.1. ستون بلند

اگر نسبت طول مؤثر ستون به حداقل بعد جانبی از ۱۲ فراتر رود، به آن ستون بلند گفته می‌شود. یک ستون بلند با خم‌شدن یا کمانش شکست می‌خورد.

4.1. بر اساس شکل

1.4.1. ستون مربع یا مستطیل

آن‌ها عموماً در ساخت‌وساز ساختمان‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند. به دلیل سهولت در قالب‌ریزی و برای حفاظت از امکان متلاشی‌شدن در اثر فشار زمانی که بتن هنوز قابل فرم دهی است، ساخت و ریختن ستون‌های مستطیلی یا مربعی نسبت به ستون‌های مدور بسیار ساده‌تر است.

معمولاً از این نوع ستون‌ها در ساخت‌وساز ساختمان بسیار زیاد استفاده می‌کنند به دلیل اینکه در قالب‌ریزی بسیار ساده هستند و برای محافظت از متلاشی‌شدن در برابر فشار زمانی چه بتن هنوز قابلیت فرم دهی دارد، ساخت‌وساز و ریختن ستون‌های مستطیلی یا مربعی نسبت به ستون‌هایی که دایره هستند کار ساده‌تری می‌باشد.

2.4.1. ستون دایره‌ای

آن‌ها ستون‌هایی با طراحی خاص هستند که بیشتر در ستون‌بندی و تأمین ارتفاع ساختمان‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند.

3.4.1. ستون L شکل

معمولاً از ستون L شکل در گوشه‌های دیوار مرز و حدود استفاده می‌شود و دارای مشخصات مشابه یک ستون مستطیل یا مربع است.

4.4.1. ستون T شکل

از آن بر اساس الزامات طراحی یک سازه استفاده می‌شود. ستون T شکل به طور گسترده در ساخت پل‌ها استفاده می‌شود.

5.4.1. شکل ستون فولادی

ستون‌های فولادی استاندارد و ساخته شده مختلف وجود دارد که شکل‌های متداول ستون‌های فلزی شامل I، شکل کانال، زاویه مساوی و T شکل است.

2. اجزای ستون در ساختمان

ستون دارای اجزای مختلفی است که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به پایه، بدنه، سرستون، کتیبه و براکت اشاره کرد.

برخی از این اجزا برای اجرای ستون ضروری هستند و برخی دیگر باتوجه‌به نوع سازه (ساختمان، پل، سوله)، محل اجرا (فونداسیون، طبقات بالایی، اطراف سازه) و عضوهای مجاور (دال، دیوار، تیر) مورداستفاده قرار می‌گیرند.

• «پایه» (Pedestal یا Base): بخش پایینی ستون است که از اجزای دیگر ستون نگهداری می‌کند. اجرای تمام ستون‌ها از پایه شروع می‌شود.
• «صفحه‌ستون» (Base Plate): صفحه‌ای فلزی است که برای اتصال ستون فولادی به فونداسیون (بر روی پایه ستون) و اتصال ستون‌های بالایی به یکدیگر استفاده می‌شود.
• «بدنه» (Shaft): بخش بلند و باریک ستون است که بین پایه و سرستون قرار دارد. انتقال بار از المان‌های بالایی به المان‌های پایینی توسط بدنه صورت می‌گیرد. به دلیل آزاد بودن بخش زیادی از بدنه، شکست ستون در ساختمان معمولاً از این بخش رخ می‌دهد.
• «سرستون» (Capital): بخش بالایی ستون است که بارهای اعمال شده از روسازه را به طور مستقیم تحمل کرده و به بدنه منتقل می‌کند.
• «کتبی» (Drop Panel): یک بخش مستطیلی شکل بین سرستون و دال بتنی است که با توزیع بهتر بارهای اعمال شده، از برش و گسیختگی دال جلوگیری می‌کند.
• «براکت» (Bracket): بخش بیرون‌زده ستون‌های بیرونی (روی محیط خارجی) سازه است که به‌منظور نگهداری از تیر یا زیبایی ظاهری مورداستفاده قرار می‌گیرد.

3. الزامات طراحی ستون

طراحی ستون در ساختمان بر اساس استانداردهای مختلف نظیر مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمان‌های بتن‌آرمه) و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی) انجام می‌گیرد.

این استانداردها، تمامی الزامات موردنیاز برای طراحی ستون‌ در ساختمان را پوشش می‌دهند. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (بارهای وارد بر ساختمان) و استاندارد 2800 ایران (طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله) نیز انواع ترکیبات بارگذاری موردنیاز برای طراحی را ارائه می‌کنند.

1.3. فاصله دو ستون در ساختمان مسکونی

فاصله بین دو ستون در ساختمان مسکونی معمولاً بین 2.5 تا 7.5 (میانگین 5 متر) است. البته بارهای ساختمان، ملاحظات معماری و عملکرد مورد نظر، مهمترین پارامترهای تاثیرگذار بر روی انتخاب فاصله مناسب بین ستون‌ها هستند.

2.3. هنگام انتخاب فاصله بین دو ستون

• هیچ قانون دقیق و مشخصی برای تعیین فاصله بین دو ستون بتن‌آرمه وجود ندارد.
• بار ساختمان، نقش مهمی در حداکثر فاصله مجاز دارد.
• مهندسان معماری، فاصله بین دو ستون را باتوجه‌به عملکرد ساختمان مشخص می‌کنند.
• مبنای معماری ساختمان، استفاده حداکثری از فضای موجود و مبنای طراحی آن، پایداری سازه است.
• افزایش فاصله بین ستون‌ها، افزایش هزینه‌های ساخت ساختمان را در پی خواهد داشت. هر چه این فاصله بیشتر باشد، ابعاد ستون و عمق تیرهای موردنیاز برای تحمل بارهای ساختمان نیز افزایش می‌یابد. این مسئله، حجم مصالح مصرفی را افزایش می‌دهد.
• طراحی ستون‌ها با الگوی شبکه‌ای، رویکرد مناسبی است که عملکرد سازه را بهبود می‌بخشد.
• در ساختمان‌های کوچک، فاصله بین ستون‌های 3 تا 4 متر است. این بازه برای ساختمان‌های بزرگ به 6 تا 9 متر می‌رسد.
• برای ساختمان‌های معمولی، فاصله 5 متر با حداقل دهانه 2.5 متر و حداکثر دهانه 7.5 متر بین دو ستون کفایت می‌کند.
• در نهایت توجه داشته باشید که با حفظ ایمنی و یکپارچگی ساختمان، امکان اجرای ستون‌ها در هر فاصله دلخواه وجود دارد. اگرچه، در صورت نیاز به افزایش دهانه، ابعاد ستون باید مطابق با بارهای اعمال شده افزایش یابد.

جمع‌بندی ونتیجه‌گیری