امروزه با توجه به پیچیدگی‌های روزافزون پروژه‌های ساختمانی و نیاز به بهره‌وری بیشتر در عملکرد سازه‌ها، اجرا سازه مختلط (کامپوزیت) به‌عنوان راهکاری پیشرفته در طراحی و اجرای سازه‌ها مطرح شده است. سازه‌های مختلط، با ترکیب هوشمندانه مصالحی چون فولاد و بتن، تلاش دارند از مزایای مکانیکی هر دو ماده بهره‌برداری کنند به‌طوری‌که فولاد مقاومت کششی بالا و بتن مقاومت فشاری مناسب را فراهم می‌کند.
انواع ستون های مرکب بتنی و فولادی
در اجرا سازه مختلط، ستون‌هایی که ترکیبی از فولاد و بتن هستند نسبت به ستون‌های صرفاً فولادی یا بتنی مقاومت بسیار بهتری دارند. یکی از مهم‌ترین مزایای این ترکیب، افزایش مقاومت در برابر کمانش موضعی فولاد است. وقتی فولاد با بتن پر می‌شود یا در تماس مستقیم با بتن باشد، سختی جانبی آن بالا می‌رود و امکان کمانش را کاهش می‌دهد.
از طرفی در طراحی سازه‌هایی که در مناطق زلزله‌خیز ساخته می‌شوند شکل‌پذیری نقش حیاتی دارد. اجزا سازه مختلط می‌توانند تغییر شکل‌های زیادی را بدون گسیختگی متحمل شوند و به سازه اجازه می‌دهند انرژی زلزله را جذب و مستهلک کند.
به همین دلیل است که طراحان مدرن در ساخت سازه‌های مقاوم در برابر زلزله، اجرا سازه مختلط را به عنوان یک انتخاب ایمن و هوشمندانه در نظر می‌گیرند.
مقاطع مرکب فولادی مدفون در بتن SRC
در ستون‌های SRC (Steel Reinforced Concrete)، یک یا چند عضو فولادی (مثل تیرآهن IPE، نبشی، ناودانی و…) در داخل بتن مسلح قرار می‌گیرند. یعنی فولاد به‌صورت کامل با بتن احاطه شده و درون آن مدفون می‌شود. این نوع طراحی باعث ایجاد یک مقطع مرکب با ویژگی‌های خاص می‌شود که مزایای هر دو مصالح (فولاد و بتن) را همزمان در خود دارد.
شکل‌های مختلف مقطع به صورت زیر هستند:
بتن: می‌تواند در شکل‌های متنوعی مثل دایره‌ای، مستطیلی یا مربعی ریخته شود.
فولاد: ممکن است از مقاطع استاندارد مثل IPE، نبشی یا ناودانی استفاده شود که هر کدام بسته به نیاز طراحی درون بتن جای‌گذاری می‌شوند.
در ابتدا هدف اصلی از ابداع ستون‌های SRC، افزایش ایمنی ساختمان‌ها در برابر آتش‌سوزی بود. اما با گذشت زمان و مشاهده عملکرد عالی این نوع ستون‌ها، استفاده از آن‌ها به دلایل متعدد دیگر هم گسترش یافت از جمله مقاومت بالا، دوام طولانی و شکل‌پذیری بهتر در برابر زلزله.
بنابراین ستون‌های SRC یک راهکار بسیار مؤثر در ساخت سازه‌هایی هستند که به مقاومت بالا در برابر بارهای فشاری، آتش، زلزله و شرایط محیطی نیاز دارند. ترکیب بتن و فولاد در این روش باعث ایجاد مقطعی مستحکم، ایمن و بادوام می‌شود که نسبت به ستون‌های فقط فولادی یا فقط بتنی، عملکرد بسیار بهتری از خود نشان می‌دهد.
وقتی فولاد در بتن محصور می‌شود چند اتفاق مهم می‌افتد:
- محافظت در برابر آتش‌سوزی
بتن مانند یک عایق حرارتی عمل می‌کند و مانع گرم شدن سریع فولاد در آتش‌سوزی می‌شود. این یعنی ستون در برابر دمای بالا، دیرتر دچار ضعف و گسیختگی می‌شود.
- مقاومت در برابر خوردگی
پوشش بتنی مانع رسیدن رطوبت و عوامل خورنده به سطح فولاد می‌شود پس فولاد در طولانی‌مدت کمتر دچار زنگ‌زدگی می‌شود.
- افزایش مقاومت در برابر کمانش (موضعی و کلی)
فولاد معمولاً در بارهای فشاری مستعد کمانش است، یعنی ممکن است خم یا کج شود. اما وقتی توسط بتن احاطه شده این پوشش بتنی مثل یک تکیه‌گاه سفت عمل کرده و جلوی خم‌شدن یا کمانش عضو فولادی را می‌گیرد.
مقاطع فولادی پر شده با بتن CFT
CFT مخفف Concrete Filled Tube است. یعنی: یک پروفیل فولادی توخالی (مقطع دایره‌ای، مربعی یا مستطیلی) که داخل آن با بتن پر شده است. این نوع ستون یک سیستم مختلط از فولاد و بتن است که در طراحی‌های مدرن سازه‌ای بسیار رایج شده است.
اجزای اصلی در سازه‌های CFT
- ستون‌های CFT که پروفیل‌های فولادی پرشده با بتن که معمولاً به‌صورت دایره‌ای، مربعی یا مستطیلی هستند.
- تیرهای فولادی I شکل این تیرها به ستون‌ها متصل می‌شوند.
- دیوارهای برشی بتن مسلح در برخی پروژه‌ها، برای کنترل تغییرشکل‌های جانبی در زلزله استفاده می‌شوند.
نحوه عملکرد سازه CFT
در ستون CFT، فولاد بیرونی نیروی کششی و خمش را تحمل می‌کند در حالی که بتن درون آن نیروی فشاری را جذب می‌کند. همچنین بتن داخلی جلوی کمانش موضعی فولاد را می‌گیرد و فولاد هم به بتن کمک می‌کند تا ترک نخورد و خرد نشود.
ستون‌های CFT یکی از بهترین انتخاب‌ها در طراحی سازه‌های مدرن با عملکرد لرزه‌ای مناسب و سرعت اجرای بالا هستند. این مقاطع عملکرد ترکیبی بتن و فولاد را به شکلی مهندسی شده در یک عضو به کار می‌گیرند و برای ساختمان‌های بلند، بیمارستان‌ها، پل‌ها، سازه‌های صنعتی و ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله یک گزینه بسیار مطلوب محسوب می‌شوند.
ٖمزایای استفاده از ستون های فولادی پر شده با بتن CFT
-
مقاومت کششی بالا
ترکیب بتن و فولاد باعث ایجاد عضوی با ظرفیت کشش و فشار بالاتر نسبت به بتن یا فولاد به‌تنهایی می‌شود.
-
شکل‌پذیری بالا (Ductility)
در شرایط بحرانی (مانند زلزله)، این ستون‌ها بدون شکست ناگهانی تغییر شکل می‌دهند و انرژی زیادی را جذب می‌کنند.
-
ظرفیت جذب انرژی زیاد
برای مقاوم‌سازی در برابر آثار مخرب زلزله این نوع سازه بسیار عالی عمل می‌کند. به دلیل رفتار مرکب بتن و فولاد درون ستون، سازه می‌تواند نیروی زلزله را بهتر جذب و دفع کند.
-
کاهش ابعاد ستون
چون ظرفیت باربری ستون بالا می‌رود، می‌توان ستون‌های نازک‌تری طراحی کرد که به افزایش فضاهای مفید داخلی ساختمان کمک می‌کند.
-
کاهش وزن سازه
نسبت به اسکلت کاملاً بتنی، وزن نهایی کمتر است به ویژه با استفاده از پروفیل‌های نازک‌تر.
-
کاهش زمان ساخت
چون پر کردن مقطع فولادی با بتن نسبت به قالب‌بندی و بتن‌ریزی سنتی سریع‌تر است.
مقاطع سازه ای تو خالی (HSS: Hollow Structural Section)
HSS مقاطع سازه‌ای توخالی با شکل بسته‌اند که معمولاً دارای سطح مقطع دایره‌ای، مربعی یا مستطیلی هستند. این مقاطع از ورق‌های فولادی باکیفیت بالا ساخته می‌شوند که درز جوش آن‌ها تنها یک خط بوده و این کار با ماشین‌آلات تمام‌خودکار و سرعت بالا انجام می‌شود.
مقاطع HSS به دلیل ظاهر زیبا، استحکام زیاد، یکنواختی ساخت، کاهش نقاط ضعف سازه‌ای و قابلیت استفاده آسان در اجرا گزینه‌ای ایده‌آل برای ساخت ستون‌های CFT هستند. انتخاب این مقاطع نه‌تنها عملکرد لرزه‌ای و سازه‌ای را تضمین می‌دهد بلکه از نظر هزینه و زمان ساخت نیز مقرون‌به‌صرفه است.
ویژگی‌های اصلی مقاطع HSS
- هندسه بسته و بدون گوشه تیز
یعنی سطح مقطع بسته و پیوسته است، بدون لبه‌های تیز یا باز که این موضوع باعث توزیع یکنواخت تنش، رفتار بهتر تحت بارهای فشاری و زیبایی ظاهری می‌شود.
- ساخت با یک درز جوشکاری
ورق فولادی به‌صورت یکپارچه خم شده و تنها در یک نقطه جوشکاری می‌شود. این باعث افزایش یکنواختی و کاهش تمرکز تنش در مقطع می‌گردد.
- تولید با ماشین‌آلات تمام‌خودکار
تولید صنعتی این مقاطع با ماشین‌های پیشرفته باعث می‌شود کیفیت جوش بسیار بالا و یکدست باشد که به دوام و استحکام آن می‌افزاید.
- شکل‌های متنوع
این مقاطع در شکل‌های دایره‌ای، مربع و مستطیل تولید می‌شوند و در سایزها و ضخامت‌های متنوعی در بازار موجودند.
هسته بتنی از نوع بتن خود متراکم (SCC: Self Compacting Concrete)
بتن خودتراکم (SCC) نوعی بتن با روانی بسیار بالا است که بدون نیاز به ویبراتور (لرزاننده) تنها با نیروی وزن خود در قالب جریان می‌یابد، تمام فضاها و گوشه‌های قالب را به‌طور کامل پر می‌کند و در عین حال دچار جداشدگی اجزا نمی‌شود (یعنی سنگدانه‌ها ته‌نشین نمی‌شوند و ملات از آن‌ها جدا نمی‌گردد).
تعریف استاندارد ACI (انجمن بتن آمریکا) از بتن خود متراکم، بتنی با کارآیی بالا، بدون جداشدگی اجزا که قادر است تمام فضای قالب را بدون اعمال لرزش مکانیکی (یعنی بدون ویبره) پر کند.
در این بتن معمولاً از ترکیبات زیر استفاده می‌شود:
- سنگدانه با سایز مناسب
شن با قطر 19 تا 19.5 میلی‌متر معمول‌ترین اندازه برای جلوگیری از گرفتگی یا انسداد در حرکت بتن در قالب‌های باریک مانند ستون‌هاست.
- افزودنی روان‌کننده و فوق‌روان‌کننده:
این مواد به بتن اضافه می‌شوند تا روانی و سیالیت بالا فراهم شود بدون آن‌که نسبت آب به سیمان افزایش یابد.
- نسبت آب به سیمان پایین (حدود4)
این عدد نشان‌دهنده مقدار کمی آب نسبت به سیمان است که باعث می‌شود بتن در کنار روانی بالا، مقاومت فشاری مناسبی هم داشته باشد.
مزایای بتن خود متراکم
- قابلیت پرکنندگی (Filling Ability): بتن خود متراکم می‌تواند تحت وزن خود به راحتی درون قالب حرکت کرده و تمام فضاها (حتی گوشه‌ها و نقاط کور قالب) را کاملاً پر کند و بدون نیاز به ویبره این عمل را انجام دهد.
- قابلیت عبور (Passing Ability): بتن خودمتراکم قادر است از میان میلگردهای متراکم یا فضاهای تنگ قالب عبور کند بدون اینکه دچار انسداد یا گیرکردن شود.
- مقاومت در برابر جداشدگی (Segregation Resistance): در طول فرآیند انتقال، پمپاژ و ریختن، اجزای بتن (شن، ماسه و دوغاب) به‌صورت یکنواخت باقی می‌مانند و از هم جدا نمی‌شوند.
اجزا و مصالح به کار رفته در سازه مرکب
در سازه‌های مرکب که ترکیبی از فولاد و بتن هستند، اجزا و مصالح خاصی به کار می‌روند تا از مزایای هر دو ماده بهره‌برداری شود.
-
پروفیل فولادی
معمولاً از مقاطع توخالی فولادی (HSS) با شکل دایره‌ای، مربع یا مستطیلی استفاده می‌شود. وظیفه آن تأمین مقاومت فشاری و کششی و مهار جانبی بتن داخلی است.
-
بتن درون مقطع
بتن پرکننده درون پروفیل فولادی است. در بسیاری موارد از بتن خودمتراکم (SCC) استفاده می‌شود. وظیفه آن افزایش ظرفیت فشاری، جلوگیری از کمانش موضعی فولاد و افزایش شکل‌پذیری است.
-
میلگردهای مسلح‌کننده
در برخی طرح‌ها ممکن است داخل بتن از میلگرد برای افزایش ظرفیت کششی یا برشی استفاده شود.
-
اتصالات فولادی
شامل صفحات، پیچ‌ها، جوش‌ها و مهاربندها که تیرها را به ستون‌ها یا سایر اجزا متصل می‌کنند.
-
افزودنی‌های شیمیایی بتن
مانند فوق روان‌کننده‌ها یا مواد کاهنده آب برای تولید بتن با روانی بالا و کارایی مناسب (ویژه بتن خودمتراکم).
-
مواد پوششی و محافظ (در صورت نیاز)
برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی فولاد یا افزایش دوام بتن ممکن است از رنگ‌ها یا پوشش‌های اپوکسی استفاده شود.
معایب و مزایای بتن و فولاد
-
افزایش استحکام و دوام
ترکیب بتن و فولاد باعث به‌کارگیری مزایای هر دو ماده می‌شود:
بتن → مقاومت فشاری بالا
فولاد → مقاومت کششی و انعطاف‌پذیری
-
کاهش وزن سازه
در برخی طرح‌ها (مانند عرشه‌های مرکب)، استفاده هوشمندانه از مواد وزن کلی سازه را کاهش می‌دهد. کاهش بار مرده باعث صرفه‌جویی در ابعاد پی، فونداسیون و هزینه‌های اجرایی می‌شود.
-
انعطاف‌پذیری در طراحی
استفاده ترکیبی از مصالح، آزادی بیشتری به مهندس در طراحی فرم و سازه می‌دهد و امکان خلق طرح‌های نوآورانه با عملکرد مقاومتی بالا فراهم می‌شود.
معایب استفاده از سازه‌های مرکب
-
هزینه‌های بالای اولیه
تهیه مصالح با کیفیت، استفاده از افزودنی‌ها (مانند SCC) و اتصالات خاص هزینه اولیه بیشتری دارد. اگرچه در بلندمدت ممکن است این هزینه جبران شود.
-
نیاز به مهارت اجرایی بالا
اجرای ستون‌های مرکب (مثل CFT)، اتصال تیر به ستون و کنترل کیفیت بتن درون پروفیل فولادی، نیازمند تیم اجرایی متخصص است.
-
پیچیدگی در ساخت و نظارت
وجود مصالح متنوع، نوع جوشکاری خاص، نوع قالب‌بندی و بتن‌ریزی در اجزای محدود باعث افزایش پیچیدگی نظارت فنی و کنترل کیفیت می‌شود.
مزایای سازه مرکب
- سرعت بالا در اجرا
- عدم نیاز به شمع‌بندی سقف
- صرفه‌جویی اقتصادی
- افزایش مقاومت تیرهای فولادی
- بهبود رفتار مکانیکی اعضای سازه‌ای
- اجرای همزمان چند سقف
- مقاومت بیشتر در برابر زلزله
- کاهش بار روی فونداسیون
- افزایش فضای مفید داخلی
- کاهش وزن مرده ساختمان
- امکان اجرای دهانه‌های بلندتر
- مقاومت بالاتر ستون‌ها در برابر آتش
خلاصه
اجرای سازه مختلط به‌عنوان ترکیبی هوشمند از مصالح بتن و فولاد مزایای بسیاری به همراه دارد. در این میان شرکت CFT سال‌هاست که با تولید ستون فولادی پرشده با بتن مرغوب، از پیشرفته‌ترین روش‌های اجرای اسکلت مختلط رونمایی کرده‌است که مقاومت بالایی در برابر بارهای محوری و جانبی، به‌ویژه در برابر زلزله و آتش‌سوزی فراهم می‌آورد.
این سیستم با بهره‌گیری از ویژگی‌های فشاری بتن و کششی فولاد، موجب افزایش دوام، کاهش حجم مصالح، و بهبود عملکرد حرارتی و مکانیکی سازه می‌شود. در مجموع، اسکلت مختلط راهکاری اقتصادی، مقاوم و کاربردی برای پروژه‌های قوی و مقاوم‌سازی شده‌است.
