ستون کوتاه چیست؟ + روش‌های کنترل و پیشگیری

روش‌های کنترل و پیشگیری از ایجاد ستون کوتاه

در سال‌های اخیر، با شدت بالا و تکرار زلزله‌ها، مشاهده شده است که سازه‌هایی که در یک طبقه دارای ستون‌هایی با ارتفاع متفاوت هستند، در طی زلزله دچار خسارت جدیدی به نام "ستون کوتاه" شده‌اند. این پدیده، به‌طور خاص در ستون‌هایی رخ می‌دهد که ارتفاع کمتری نسبت به ستون‌های بلندتر دارند. علاوه بر این، ستون کوتاه عمدتاً در سازه‌هایی با سیستم سازه‌ای برج‌مانند که شامل ستون‌های بلند و تیرهای افقی است، مشاهده می‌شود. ستون کوتاه به معنای کاهش مقاومت ستون در برابر بارهای کوتاه است و می‌تواند به خسارت جدی و حتی فروریزش ساختمان منجر شود. برای جلوگیری از وقوع ستون کوتاه و کاهش خطرات آن، روش‌های متعددی وجود دارد که در این مقاله به شما توضیح خواهیم داد پس اگر میخواهید بدانید ستون کوتاه چیست؟  و روش‌های کنترل و پیشگیری آن به چه صورت است تا انتهای این مقاله همراه ما باشید.

مقاله پیشنهادی: معرفی انواع بارهای وارده بر ساختمان

ستون 

ستون، به عنوان یک عضو سازه‌ای، به شکل عمودی در ساختارها استفاده می‌شود. مهمترین وظیفه ستون، انتقال و حمل بارهای ساختارهای بالایی به ساختارهای زیرین می‌باشد. در برخی موارد، ستون‌ها نیز می‌توانند جزء بارهای زیبایی و دکوراسیون باشند. اما در مهندسی سازه، ستون به عنوان عضوی تعریف می‌شود که نیروهای فشاری را تحمل می‌کند و در نتیجه، بحث کمانش در ستون‌ها مطرح می‌شود. رفتار کمانشی ستون معمولاً با استفاده از ضریب لاغری (KL/r) تعریف می‌شود. در این تعریف، L نشان‌دهنده طول ستون است، r نمایانگر شعاع دایره‌ای معادل ستون و K مقداری است که به ویژگی‌های ستون و مقاومت مواد آن بستگی دارد. ضریب لاغری برای ستون‌ها با ارزش کمتر، نشان‌دهنده استحکام بیشتر و مقاومت بهتر در برابر کمانش است. به طور کلی، ستون‌ها در سازه‌ها نقش مهمی در ایجاد استحکام و پایداری دارند و برای طراحی و انتخاب صحیح آن‌ها، ملاحظه‌های فنی و محاسباتی دقیق لازم است.

مقاله پیشنهادی: بررسی انواع سیستم های سازه ای

ستون کوتاه چیست؟

ستون کوتاه یا پدیده ستون کوتاه (Short Column) به وضعیتی در ستون‌های سازه‌ها اطلاق می‌شود که نسبت طول به قطر یا ضخامت ستون به حدی کم باشد که مقاومت ستون در برابر بارهای آمیخته (اعم از برشی و فشاری) به طور قابل قبول کاهش یابد. در این وضعیت، ستون توانایی انتقال بارها و ایجاد استحکام لازم را ندارد و ممکن است در شرایط بارگذاری زنده یا زلزله به وضعیت ناپایداری و شکست وارد شود. ستون کوتاه در سازه‌های بتنی آرمه می‌تواند باعث انهدام ترد و شکننده شود. ستون کوتاه در زمان زلزله از طریق عدم توانایی سازه در جذب انرژی و جابجایی پلاستیک به خوبی باعث تخریب ستون می‌شود. این امر به علت نسبت ارتفاع به قطر کوتاه ستون و سختی خمشی بالای آن است. در ستون‌های بتنی که رفتار برشی در آنها حاکم است، با افزودن آرماتور عرضی بیشتر، رفتار ستون به سمت خمشی تغییر نخواهد کرد. بنابراین، افزودن آرماتور بیشتر به ستون کوتاه باعث افزایش مقاومت قابل توجه‌ای نخواهد بود و مود شکست به سمت رفتار خمشی ستون سوق داده می‌شود. به منظور جلوگیری از تشکیل ستون کوتاه و انهدام آن، تحلیل‌های غیرخطی معمولاً برای کنترل عملکرد ارتجاعی ستون‌های کوتاه استفاده می‌شود. این تحلیل‌ها به صورت دقیق‌تر می‌توانند رفتار ستون در حوادث زلزله را شبیه‌سازی کنند و محدوده ارتجاعی را به خوبی تعیین کنند. در صورتی که اجرای اشتباه و نامناسب (مانند استفاده از میانقاب) باعث تشکیل ستون کوتاه شود، بایستی اجرای سازه اصلاح شده و میانقاب به اندازه کافی از ستون فاصله داده شود تا ستون کوتاه تشکیل نشود. همچنین، از روش‌های دیگری مانند استفاده از تیر دو سرمفصل فولادی برای تیرهای میانطبقه و یا استفاده از دیوارهای بتنی روی تیرهای پایین میانطبقه می‌توان برای مرتفع کردن این مشکل استفاده کرد. در نهایت، استفاده از تیرهای گیردار بتنی برای تیرهای میانطبقه و طراحی ستون‌های کناری به صورتی که تسلیم خمشی در آنها حاکم شود نیز به عنوان روش‌هایی برای مقابله با مشکلات ستون کوتاه در سازه‌ها مطرح می‌شود.

مقاله پیشنهادی: پرکاربرد ترین نرم افزار‌های عمران

علل ایجاد پدیده ستون کوتاه چیست؟

پدیده ستون کوتاه در سازه‌ها به دلایل مختلفی ایجاد می‌شود. در زیر به بررسی برخی از این علل اصلی می‌پردازیم:
1. قرار گرفتن ساختمان روی زمین شیبدار یا دارای اختلاف تراز: اگر ساختمان بر روی سطحی با شیب زیاد قرار گیرد یا در مناطقی با اختلاف تراز بنا شود، این امر می‌تواند باعث ایجاد پدیده ستون کوتاه در طبقه‌های پایین‌تر سازه شود. لذا در این موارد، توصیه می‌شود از احداث سازه بر روی زمین‌های شیبدار و مناطق با لرزه‌خیزی بالا خودداری کرده و در صورت لزوم، تدابیر ویژه‌ای را برای مقابله با این پدیده مخرب در نظر بگیرید.
2. محدود شدن ستون با عناصر غیرسازه‌ای مانند دیوار‌های آجری: اگر دیوارها (به خصوص دیوارهای باربر) تنها در بخشی از ستون اجرا شوند، در هنگام وقوع زلزله، نیروی برشی قابل توجهی در ستون تولید می‌شود و این امر می‌تواند منجر به ایجاد پدیده ستون کوتاه شود.
3. وجود عناصر سازه‌ای محدود کننده مانند تیر میان طبقه: در برخی موارد، اختلاف تراز در سازه‌های دوبلکس یا وجود تیر میان طبقه در راه پله‌ها و همچنین نیم طبقه‌ها می‌تواند باعث پدیده ستون کوتاه در راه پله شود.
4.طراحی نادرست: برنامه‌ریزی و طراحی نادرست ستون‌ها می‌تواند به ایجاد اختلاف ارتفاع ستون‌ها و در نتیجه پدیده ستون کوتاه منجر شود. این ممکن است به دلیل اشتباهات در محاسبات سازه، نادرستی در انتخاب ابعاد و جزئیات ستون‌ها یا عوامل دیگر باشد.
5.تغییرات در طبقات بعدی سازه: تغییرات در طبقات بالایی سازه می‌تواند منجر به ایجاد اختلاف ارتفاع ستون‌ها در طبقات پایین‌تر شود. این تغییرات ممکن است به دلیل تغییر نیازهای فضایی، افزودن بارهای اضافی و یا تغییرات معماری باشد.
6. عوامل سازه‌ای: عوامل دیگری مانند اعمال نیروها، واکنش‌های حرارتی، رفت و آمد نوسانات و... می‌توانند به تغییرات ارتفاع ستون‌ها و پدیده ستون کوتاه منجر شوند.
با توجه به اینکه پدیده ستون کوتاه توسط عوامل متعددی تحت تأثیر قرار می‌گیرد، برای تحلیل و ارزیابی دقیق آن، نیاز به استفاده از روش‌های عددی و نرم‌افزارهای مدلسازی و تحلیل سازه داریم.

مقاله پبشنهادی: طراحی سازه چیست؟

روش‌های کنترل و پیشگیری از پدیده ستون کوتاه چیست؟

ستون کوتاه یا ستون فرمان کوتاه (Short Column) در سازه‌ها، به ستون‌هایی اطلاق می‌شود که قدرت تحمل بار و مقاومت آن‌ها نسبت به بارهای خمشی ناچیز می‌باشد. این امر معمولاً در ستون‌هایی که نسبت طول به قطر (L/D) آن‌ها کمتر از حد مشخصی است، رخ می‌دهد. ستون‌های کوتاه در معرض خطر شکست و سقوط هستند و به همین دلیل باید برای کنترل و پیشگیری از پدیده ستون کوتاه اقدامات متناسبی انجام شود. در زیر روش‌هایی برای کنترل و پیشگیری از پدیده ستون کوتاه آمده است:
1. افزایش قطر ستون: با افزایش قطر ستون، نسبت طول به قطر آن کاهش می‌یابد و مقاومت ستون به بار خمشی افزایش می‌یابد. این روش معمولاً در ابتدای طراحی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
2. افزایش مقاومت مواد: استفاده از مواد با مقاومت بالا می‌تواند مقاومت ستون را بهبود بخشد. مثلاً استفاده از بتن با مقاومت بالا یا استفاده از فولاد در مصالح ستون می‌تواند کمک کند.
3. استفاده از آرماتورهای پیشرفته: استفاده از آرماتورهای پیشرفته، مانند آرماتورهای الیافی (FRP)، می‌تواند مقاومت ستون را افزایش دهد و از پدیده ستون کوتاه جلوگیری کند.
4. استفاده از ستون‌های مجهز به میله‌های توخالی: میله‌های توخالی در ستون‌ها می‌توانند وزن ستون را کاهش داده و مقاومت آن را افزایش دهند.
5. استفاده از تیرها و سیستم‌های جانبی: استفاده از تیرها و سیستم‌های جانبی، مانند دیواره‌های جانبی یا سیستم‌های تقویت کننده، می‌تواند ستون را در مقابل بارهای جانبی و بارهای خمشی محافظت کند.
6. مهار کردن ستون: با مهار کردن ستون به سازه‌های اطراف، می‌توان از پدیده ستون کوتاه جلوگیری کرد. این روش معمولاً باعث افزایش استحکام و جابجایی ستون می‌شود.
7. طراحی سیستم‌های سازه‌ای مناسب: طراحی سیستم‌های سازه‌ای مناسب، مانند استفاده از سیستم‌های خمشی یا سیستم‌های بسته، می‌تواند بهبود قابل توجهی در مقاومت ستون‌ها در برابر بارهای خمشی و نیروهای جانبی داشته باشد.
8. محاسبه دقیق و استفاده از روش‌های تحلیلی صحیح: محاسبه دقیق بارها و استفاده از روش‌های تحلیلی صحیح، مانند روش عددی المان محدود، می‌تواند به صورت دقیق تر اثرات بارها بر ستون‌ها را تحلیل کند و در نتیجه طراحی بهینه‌تری انجام داده شود.
9. رعایت مقررات و استانداردهای ساختمانی: رعایت مقررات و استانداردهای ساختمانی مرتبط با طراحی و ساخت ستون‌ها، می‌تواند از پدیده ستون کوتاه جلوگیری کند. این استانداردها معمولاً شرایط حداقلی را برای مقاومت ستون‌ها تعیین می‌کنند.
10. بازرسی و نگهداری منظم: انجام بازرسی و نگهداری منظم بر روی ستون‌ها، می‌تواند از شناسایی زمانی و رفع مشکلات و ضعف‌های ظاهری ستون‌ها قبل از وقوع مشکلات جدی جلوگیری کند.

مقاله پبشنهادی: تکلا استراکچرز چیست؟

امیدوارم از این مقاله لذت برده باشید.