مزیت‌های رفتاری سازه های CFT
• مقاومت خمشی، محوری و برشی موجود بالاتر
مقاومت فشاری موجود بتن نسبت به مقاومت کششی موجود آن بسیار بالاتر بوده و تحت محصورشدگی سه محوره بهبود می‌یابد. ازسوی‌دیگر فولاد از مقاومت کششی موجود بالایی برخوردار است اما مقطع فولادی ممکن است تحت فشار به‌صورت موضعی کمانش نماید. ازاین‌رو در مقاطع فولادی پرشده با بتن، بتن و فولاد به‌منظور استفاده از مهم‌ترین ویژگی ذاتی هریک از این مصالح، به‌کار می‌روند.
شکل زیر مقایسه‌ای از نتایج به‌دست‌آمده طی آزمایشی برای مقاومت فشاری ستون‌هایی با مقطع فولادی توخالی با تنش تسلیم۳۶۳ مگاپاسکال و به قطر ۱۶۰ میلی متر و ضخامت ۴۶/۳ میلی متر، بتنی مسلح و مقطع فولادی پرشده با بتن غیرمسلح با استفاده از بتن با مقاومت فشاری ۷۸ مگاپاسکال را نمایش می‌دهد. ابعاد هندسی مقطع فولادی در هر دو ستون با مقاطع فولادی توخالی و پرشده با بتن مشابه است. همچنین ابعاد هندسی ستون با مقطع بتنی مسلح و هسته بتنی در ستون با مقطع فولادی پرشده با بتن یکسان است. باتوجه‌به نمودار زیر مقاومت نهایی مقطع فولادی پرشده با بتن حتی از مجموع مقاومت نهایی مقطع فولادی توخالی و مقطع بتنی مسلح نیز بالاتر است.
مقایسه مقاومت فشاری موجود ستون در مقاطع مختلف
در دهه‌های اخیر تحقیقات زیادی درزمینه عملکرد مقاطع فولادی توخالی پرشده با بتن صورت گرفته است. نتایج نشانگر عملکرد اعضای CFT با بهره‌مندی از مزیت‌های توأمان فولاد و بتن بوده و این اعضا رفتار مطلوبی تحت اثر نیروی فشاری، کششی، برشی و همچنین لنگر خمشی و پیچشی دارند. تحقیقات همچنین نشانگر عملکرد شکل‌پذیر اعضای CFT در کشش است. همان‌گونه که در شکل زیر نشان داده شده است، ترک‌های بتن داخلی تحت کشش به‌طور یکنواخت در طول عضو توزیع شده‌اند.
حالت‌های خرابی مقاطع فولادی توخالی، بتنی مسلح و CFT تحت اثر نیروی کششی
برای مقطع فولادی پرشده با بتن که تحت اثر لنگر خمشی قرار دارد، وجود بتن داخل مقطع می‌تواند حالت‌های خرابی جدار خارجی را به‌صورت کمانش‌های موجی شکل (ضمن کاهش طول نیم¬موج) تغییر دهد چراکه بتن به‌صورت تکیه‌گاه جانبی سرتاسری اجازه کمانش بخش فولادی به‌سمت داخل را نمی‌دهد. همان‌گونه که در شکل پایین قابل مشاهده است، در وجه تحت کشش مقطع ترک‌هایی در هسته بتنی مشاهده می‌شود، که در مقاطع CFT نسبت به مقاطع بتن مسلح، عرض و فاصله ترک‌ها کوچک‌تر شده است. ازسوی‌دیگر عملکرد بخش فولادی سبب کاهش قابل‌توجه ترک‌های قطری (۴۵ درجه) در هسته بتنی می‌گردد.
حالت‌های خرابی مقاطع فولادی توخالی، بتنی مسلح و CFT تحت اثر لنگر خمشی
هنگامی‌که مقطع فولادی توخالی تحت پیچش قرار می‌گیرد، کمانش‌های پیچشی واضحی در مقطع رخ می‌دهد. مقطع بتنی نیز با قرار گرفتن تحت پیچش رفتاری ترد از خود بروز داده و ترک‌های برشی ۴۵ درجه داخل مقطع شکل می‌گیرد. اما با قرارگرفتن عضو CFT تحت اثر لنگر پیچشی، نیروی فشاری در هسته بتنی و نیروی کششی قطری در مقطع فولادی ایجاد می‌شوند. درنتیجه اعمال هم‌زمان این دو نیرو عملکرد خرپایی فضایی ایجادشده و مقاومت در برابر کمانش مقطع فولادی تقویت می‌شود.
حالت‌های خرابی مقاطع فولادی توخالی، بتنی مسلح و CFT تحت اثر لنگر پیچشی
آزمایش‌های متعددی روی ستون بلند با مقطع CFT لاغر تحت پروتکل‌های بارگذاری پیچیده‌ای انجام شده است، نتایج آزمایش‌ها بیانگر عملکرد مناسب ستون‌های CFT و ضوابط محافظه‌کارانه آیین‌نامه‌ای دررابطه با مقاومت این ستون‌هاست. در مقاطع فولادی پرشده با بتن، به‌دلیل وجود هسته بتنی به‌عنوان تکیه‌گاه جانبی دیواره فولادی احتمال کمانش موضعی بخش فولادی به‌شدت کاهش می‌یابد. مطابق شکل زیر در مقطع توخالی فولادی هر دو کمانش به‌سمت داخل و خارج مشاهده می‌شود، همچنین در مقطع بتنی شکست برشی مشهود است اما در مقطع فولادی پرشده با بتن تنها کمانش به‌سمت خارج در فولاد مشاهده شده و بتن داخلی در حالت شکل‌پذیرتر دچار شکست می‌شود.
کلیه مواردی که در این بخش به آن‌ها پرداخته شد، سبب می‌شود مقاطع فولادی پرشده با بتن، بالاترین نسبت مجاز بعد به ضخامت در فشار و خمش در بین انواع مقاطع فولادی را دارا باشند.
• بهبود عملکرد بتن
استفاده از اثر محصورشدگی بتن باهدف بهبود خواص مقاومتی آن، یکی از نکات مهم در به‌کارگیری و طراحی سازه‌های بتن‌آرمه است. درموردِ مقاطع بتن مسلح این مهم با استفاده از المان خاموت حاصل می‌گردد که در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان این اثر با یک ضریب افزایشی در مقاومت مشخصه بتن لحاظ می‌شود.
در مقاطع CFT می‌توان مقطع فولادی را به تعداد زیادی خاموت با فواصل بسیار اندک نسبت به یکدیگر تشبیه کرد، بنابراین اثر محصورشدگی بتن به بهترین نحو در مقاطع CFT تحقق می‌یابد. مطابق شکل (۱-۱۹) بتن محصورشده نسبت به بتن محصورنشده رفتار به‌مراتب مقاوم‌تر و شکل‌پذیرتر ارائه می‌دهد تاجایی‌که در برخی آزمایش‌ها کرنش نهایی بتن محصورشده ۱۱ برابر کرنش نهایی بتن محصورنشده گزارش شده است.
حضور مقطع فولادی به‌عنوان قالب دائمی بتن سبب حفاظت سطح بتن از آسیب‌هایی همچون پوسته‌پوسته‌شدن و خوردگی بوده و به‌این‌دلیل کاهش مقاومت و همچنین انقباض خشک و خزش بخش بتنی مقاطع CFT در مقایسه با مقاطع بتن‌آرمه به‌مراتب کمتر است.
• شکل‌پذیری و ظرفیت استهلاک انرژی بالا
مقطع فولادی پرشده با بتن به‌دلیل عملکرد مختلط، ظرفیت استهلاک انرژی بیشتری در مقایسه با مقطع فولادی توخالی یا مقطع بتنی مسلح معادل را دارا می‌باشد. مطابق شکل(۱-۲۰) این امر طی مطالعات متعدد آزمایشگاهی و مدل‌سازی‌های عددی به‌اثبات رسیده است که سطح زیر منحنی نیرو- جابجایی (معادل میزان انرژی جذب‌شده توسط عضو) در مقاطع فولادی پرشده با بتن به‌صورت قابل‌توجهی افزایش می‌یابد.
به‌منظور ارزیابی پاسخ لنگر-انحنا و بارجانبی-جابجایی این مقاطع، مدل‌های چرخه‌ای برای پاسخ چرخه‌ای برمبنای مطالعات پارامتریک با درنظرگرفتن فاکتورهای کلیدی از قبیل میزان بار محوری، ضریب لاغری و مقاومت ماده پیشنهاد شده‌اند. پیش‌بینی مدل‌های تئوریک، هم‌خوانی قابل قبولی با نتایج آزمایش‌ها داشته است. ازسوی‌دیگر به‌دلیل عملکرد سازه پل‌ها و ساختمان‌های پیچیده تحت شرایط مختلف آزمایش‌های ستون با مقطع CFT به‌صورت چرخه‌ای و با مشارکت هم‌زمان خمش، فشار و پیچش به‌منظور ارزیابی پاسخ لنگر-انحنا و بارجانبی-جابجایی این مقاطع، مدل‌های چرخه‌ای برای پاسخ چرخه‌ای برمبنای مطالعات پارامتریک با درنظرگرفتن فاکتورهای کلیدی از قبیل میزان بار محوری، ضریب لاغری و مقاومت ماده پیشنهاد شده‌اند. پیش‌بینی مدل‌های تئوریک، هم‌خوانی قابل قبولی با نتایج آزمایش‌ها داشته است. ازسوی‌دیگر به‌دلیل عملکرد سازه پل‌ها و ساختمان‌های پیچیده تحت شرایط مختلف آزمایش‌های ستون با مقطع CFT به‌صورت چرخه‌ای و با مشارکت هم‌زمان خمش، فشار و پیچش انجام شده‌اند. نتایج تست‌ها بیانگر اثر باریک شدگی بسیار محدود منحنی چرخه‌ای ستون دارای مقطع CFT تحت بارگذاری مرکب است. همچنین مقاومت پیچشی موجود ستون دارای مقطع CFT تحت اثر لنگر خمشی کاهش یافته است. اعضا با مقطع فولادی پرشده با بتن که در پایه پل‌ها یا به‌عنوان ستون‌های خارجی ساختمان‌ها استفاده می‌شوند، درمعرض بارهای ضربه‌ای قرار دارند. نتایج تحقیقات دراین‌زمینه گواه مقاومت فوق‌العاده این ستون‌ها در برابر ضربه است.
• افزایش سختی جانبی عضو فشاری
یکی از کاربردهای ستون دارای مقطع فولادی پرشده با بتن، جایگزینی آن با ستون دارای مقطع فولادی معمول، به‌منظور کنترل جابجایی جانبی سازه از طریق افزایش ممان اینرسی مقطع و درنتیجه افزایش سختی جانبی ستون است. جهت انجام این امر به‌جای مقطع فولادی موجود از یک مقطع فولادی توخالی معادل استفاده می‌گردد. در گام بعدی داخل مقطع فولادی توخالی به‌وسیله بتن پر می‌شود که منجر به افزایش سختی جانبی مقطع ستون می‌گردد. این راهکار به‌خصوص در سازه‌های با سیستم باربر جانبی قاب خمشی به‌مراتب اقتصادی‌تر از افزایش ابعاد و ضخامت مقطع فولادی ستون خواهد بود.
منبع: کتاب راهنمای طراحی مقاطع فولادی پرشده با بتن (CFT)