ستون در ساختمان

• ستون چیست؟

ستون ساختمان، یکی از عضوهای اصلی سازه است که وظیفه انتقال بارهای محوری فشاری از روسازه (تیر و دال) به زیرسازه (فونداسیون) را برعهده دارد. ستون به عنوان یک عضو فشاری در نظر گرفته می‌شود. به علاوه، به دلیل رفتار مشابه عضوهای فشاری، به اکثر آن‌ها ستون می‌گویند. با وجود اینکه وظیفه اصلی ستون تحمل بارهای فشاری است، وزن برف، باد و دیگر بارهای جانبی نیز در طراحی آن در نظر گرفته می‌شوند.

به منظور ساخت ستون می‌توان از موادی مانند فولاد، بتن، چوب، سنگ، آجر و مواد کامپوزیتی استفاده کرد. امروزه به دلیل گسترش زیاد بتن در ساخت سازه‌های مختلف، مدل‌سازی، تحلیل، طراحی و اجرای ستون بتنی به یکی از حوزه‌های فعال مهندسی سازه تبدیل شده است.

ستون ها در اصل اعضای سازه ای عمودی سفت و سختی هستند که در درجه اول برای تحمل بارهای فشاری محوری از ستون ها و اسلب ها طراحی شده و سپس آن را از طریق پی به زمین منتقل می کنند. همانطورکه در بدن انسان استخوان ها و همچنین سیستم انتقال وزن بدن به پائین یعنی به پاها عمل می کند، به همان روش بارهای مختلفی که در یک سازه ایجاد می شوند توسط ستون به پایه ها و پی به خاک منتقل می شوند؛ بنابراین، ستون نقش مهمی در مکانیسم انتقال بار دارد و بدون آن سازه ای 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 می شود. استحکام یک ستون تا حد زیادی به مقاومت مواد مورد استفاده، هندسه، شکل و اندازه سطح مقطع، طول و موقعیت ستون و بستگی به شرایط پشتیبانی در دو سر دارد. معمولاً ستون ها دارای گشتاور خمشی در مورد یک یا هر دو سطح مقطع خود هستند.

• نقش ستون در ساختمان چیست؟

ستون از عضوهای اصلی و مهم در ساختمان به شمار می‌رود. این عضو، وظیفه نگهداری از سقف و ستون‌های بالایی را بر عهده دارد. ستون، بارهای فشاری روسازه را به زیرسازه منتقل می‌کند. در صورت آسیب رسیدن به ستون، پایداری کل ساختمان به خطر می‌افتد. اهمیت ستون به اندازه‌ای است که ترسیم پلان‌ها در نقشه کشی ساختمان، با در نظر گرفتن شبکه بندی و ستون گذاری پلان انجام می‌شود.

• اجزای ستون در ساختمان چه هستند؟

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 با توجه به نوع سازه (ساختمان، پل، سوله)، محل اجرا (فونداسیون، طبقات بالایی، اطراف سازه) و عضوهای مجاور (دال، دیوار، تیر) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• «پایه» (Pedestal یا Base):

بخش پایینی ستون است که از اجزای دیگر ستون نگهداری می‌کند. اجرای تمام ستون‌ها از پایه شروع می‌شود.

• «صفحه ستون» (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 معمولا 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.

• «کتبیه» (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 بیرون زده ستون‌های بیرونی (روی محیط خارجی) سازه است که به منظور نگهداری از تیر یا زیبایی ظاهری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• انواع ستون ها در ساختمان

ستون ها بر اساس چندین شرط طبقه بندی می شوند که عبارت اند 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

• بر اساس انواع تقویتی

• ستون گره خورده

این نوع ستون معمولاً از بتن مسلح ساخته می شود. آرماتور طولی در تقویت گره ها بافاصله نزدیک به هم محدود می شود. تخمین زده می شود که ۹۵٪ از کل ستون های ساختمانی از نوع تنگ دار باشند.

• ستون مارپیچ

این ستون نیز از بتن مسلح ساخته می شود. در این نوع ستون، میله های طولی در داخل فضا تقویت و به طور متوالی به صورت مارپیچی محدود می شوند. تقویت مارپیچ باعث مهار جانبی و تأخیر در شکست بارمحوری (کرنش پذیری) می شود.

• ستون کامپوزیت یا مرکب:

هنگامی که آرماتور طولی به صورت قطعه فولادی سازه با یا بدون لوله یا میلگردهای طولی باشد، یک ستون ترکیبی نامیده می شود. این نوع ستون دارای استحکام بالا و با مقاطع نسبتاً کوچک اند که علاوه بر این عملکرد در برابر آتش مقاومت خوبی نیز به نمایش می گذارد.

از مقاطع رایج ستون‌های کامپوزیت در ساختمان‌سازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مستطیلی
• مربعی
• دایره‌ای
• شش ضلعی

بتن و مقاطع فولادی در پیکربندی‌های مختلف به منظور ساخت ستون‌های کامپوزیت مورد استفاده قرار می‌گیرند. پروفیل‌های فولادی در ستون کامپوزیت می‌توانند به عنوان المان تقویت‌کننده در داخل یا سطح خارجی بتن تعبیه شوند. شکل زیر، برخی از انواع مقاطع ستون‌های کامپوزیت را نمایش می‌دهد.

• انواع ستون بر اساس انواع بارگذاری

ستون بارگذاری شده محوری

اگر بارهای محوری عمودی بر روی مرکز ثقل سطح مقطع ستون عمل کنند، آن را به عنوان ستون دارای بارمحوری می نامند. ستون بارگذاری شده محوری در ساخت وساز بسیار نادر است زیرا انطباق برآیند بارهای عمودی در مرکز ثقل مقطع ستونی به طور دقیق عملی نیست. ستون داخلی ساختمان های چندطبقه با بارهای متقارن از تخته های کف و از همه طرف نمونه ای از این نوع ستون است.

ستون با بارگذاری غیر محور مرکزی

هنگامی که بارهای عمودی با مرکز ثقل مقطع ستون مطابقت ندارند و به طور غیر مرکزی یا در محور X یا Y مقطع ستون عمل می کنند، آنگاه به آن ستون بارگذاری غیر محوری (غیر مرکزی) گفته می شود. ستون با بارگذاری غیر محوری معمولاً در مورد ستون هایی که ازیک طرف به هم متصل هستند، یا ستون هایی که از لبه با یکدیگر متصل می شوند کاربرد دارد.

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 نمی کند، به این ستون، ستون بارگذاری شده محور غیر محوری گفته می شود. ستون هایی که دارای بارگذاری غیر محوری هستند به عنوان ستون های گوشه ای با تیرهایی که به طور محکم در زاویه های راست در بالای ستون ها متصل هستند متداول اند.

• طول موثر ستون چیست؟

«طول موثر» (Effective Length)، کوتاه‌ترین فاصله بین بالاترین تا پایین‌ترین نقطه در ستون است که به طور موثر در برابر خمش و کمانش مقاومت می‌کند. در عضوهای فشاری نظیر ستون، طول موثر به شرایط تکیه‌گاهی بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر ستون دارای دو تکیه‌گاه مفصلی باشد، ضریب طول موثر آن برابر 1 خواهد بود.

ستون بلند چیست؟

در ستون بلند، نسبت طول موثر به کوچکترین بعد جانبی بزرگتر از 12 یا نسبت طول موثر به حداقل شعاع ژیراسیون بزرگتر از 45 است. در این نوع ستون، طول موثر بزرگ‌تر از طول بحرانی کمانش است. شکست مکانیکی ستون‌های بلند معمولا بر اثر خمش یا کمانش رخ می‌دهد. رفتار این ستون‌ها به مدول الاستیسیته مصالح مورد استفاده بستگی دارد.

ستون کوتاه چیست؟

در ستون کوتاه، نسبت طول موثر به کوچکترین بعد جانبی کوچکتر از 12 یا نسبت طول موثر به حداقل شعاع ژیراسیون کوچکتر از 45 است. در این نوع ستون، طول موثر کوچک‌تر از طول بحرانی کمانش است. شکست مکانیکی ستون‌های کوتا

ه، معمولا بر اثر برش رخ می‌دهد. ظرفیت باربری ستون کوتاه از ستون بلند بیشتر است.

ستون معمولی چیست؟

ستون معمولی، بین ستون بلند و کوتاه قرار دارد. رفتار این نوع ستون، به مقاومت مصالح مورد استفاده وابسته است.

• انواع ستون در ساختمان بر اساس شکل مقطع

شکل سطح مقطع، یکی دیگر از معیارهای رایج برای تقسیم‌بندی انواع ستون در ساختمان محسوب می‌شود. شکل مقطع ستون در ساختمان به نوع مصالح مورد استفاده و کاربری مورد انتظار بستگی دارد.

• شکل سطح مقطع ستون بتنی

به طور کلی، ستون‌های بتنی با مقاطع زیر در ساختمان‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند:

1. مستطیلی یا مربعی
2. دایره‌ای
3. L شکل
4. T شکل
5. V شکل
6. + شکل
7. شش ضلعی
8. منحنی
9. قوسی
10. Y‌ شکل
11. Y شکل قوسی

به دلیل انعطاف‌پذیری بالای بتن، ستون‌های بتنی از تنوع زیادی در شکل سطح مقطع بهره می‌برند. با این وجود، پرکاربردترین ستون‌های بتنی مورد استفاده در ساختمان‌ها دارای مقاطع مستطیلی/مربعی یا دایره‌ای هستند. عملکرد مناسب این مقاطع در برابر بارگذاری‌های مختلف و اشغال کردن فضای کم، باعث اولویت آن‌ها نسبت به دیگر مقاطع شده است. مقاطع مستطیلی، مربعی، دایره‌ای و شش ضلعی ستون‌های بتنی، هم به صورت توپر و هم به صورت توخالی ساخته می‌شوند.

• شکل سطح مقطع ستون فولادی

ستون‌های فولادی معمولا با مقاطع زیر در ساختمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند:

1. I شکل
2. H شکل
3. L شکل
4. C شکل
5. پروفیل مربعی (قوطی فولادی)
6. پروفیل دایره‌ای

مقاطع I شکل و H شکل، متدوال‌ترین مقاطع فولادی مورد استفاده به عنوان ستون در ساختمان هستند. عضوهای فولادی به دلیل هزینه بالای مواد اولیه، معمولا به صورت پروفیل‌های تو خالی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در صورتی که نیاز به ظرفیت باربری بیشتر باشد، از مقاطع بزرگ‌تر، ترکیب بتن با پروفیل‌های فولادی (ستون کامپوزیت) یا میلگردهای فولادی (بتن آرمه) استفاده می‌شود.

• انواع ستون در ساختمان بر اساس ماده تشکیل دهنده

ستون‌های ساختمان معمولا با استفاده مواد مختلفی نظیر سنگ، آجر، بلوک، بتن، چوب، فولاد، کامپوزیت و غیره ساخته می‌شوند. به دلیل عملکرد مورد انتظار از ستون، ماده مورد استفاده برای ساخت این عضو باید از مقاومت فشاری خوبی برخوردار باشد. به طور کلی، نوع ماده مورد استفاده برای اجرای ستون در ساختمان به اسکلت سازه بستگی دارد. امروزه، اغلب ساختمان‌های بزرگ مسکونی و تجاری با اسکلت بتنی یا فولادی ساخته می‌شوند. ویژگی‌های مقاومتی منحصر به فرد این مواد و سازگاری بسیار خوب آن‌ها با یکدیگر (بتن آرمه)، باعث استفاده بسیار گسترده آن‌ها در صنعت ساختمان‌سازی شده است.

ستون بتنی

بتن، یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی در دنیا است. ستون بسیاری از ساختمان‌ها از گذشته تا کنون توسط انواع مختلف بتن نظیر بتن معمولی، بتن آرمه، بتن الیافی و غیره ساخته شده است. بالا بودن مقاومت فشاری بتن، آن را به یک گزینه مناسب برای ساخت عضوهای تحت فشار تبدیل می‌کند. در گذشته، مقاومت کششی پایین بتن معمولی، باعث محدودیت استفاده از آن برای ساخت ستون در ساختمان می‌شد. برطرف کردن این مشکل با معرفی بتن مسلح، استفاده از اسکلت بتنی را با استقبال زیادی رو به رو کرد.

در ساختمان‌های چند طبقه و بزرگ، احتمال شکست ستون بر اثر خمش و کمانش وجود دارد. به همین دلیل، در مواردی که نیاز به ظرفیت باربری بیشتر و مقاومت کافی در برابر کمانش یا خمش وجود داشته باشد، از بتن آرمه یا الیافی برای ساخت ستون استفاده می‌شود. به علاوه، در صورت محدودیت افزایش ابعاد مقطع ستون، به کارگیری بتن‌های مسلح یا الیافی نسبت به بتن معمولی در اولویت قرار می‌گیرد.

ستون فولادی

فولاد، یکی دیگر از مواد پرکابرد برای اجرای ستون در ساختمان اسکلت فولادی و بتنی است. این ماده، به شکل میلگرد (اسکلت بتنی) یا پروفیل (اسکلت فولادی) در ساخت ستون مورد استفاده قرار می‌گیرد. فولاد از مقاومت فشاری و کششی خوبی بهره می‌برد. با این وجود، احتمال کمانش یا خمش آن در شرایط بارگذاری بحرانی، زیاد است.