طراحی ستون بتنی | دستی یا با نرم افزار؟

زمان مطالعه: 6 دقیقه

ستون بتنی یکی از مهم ترین المان های ساختمان سازی است، که برای انتقال بارهای وارده از سقف به فونداسیون استفاده می شود. در واقع برای تحمل بارهایی که به ساختمان وارد شده، باید از ستون های بتنی یا فولادی استفاده کرد.

طراحی ستون بتنی مراحل مختلفی دارد و براساس ابعاد، تعداد آرماتورها، مهار جانبی و… تعیین می شود. برای طراحی این المان دو روش دستی و نرم افزاری وجود دارد که در این مطلب از دانشنامه اصفهان آهن، مراحل آموزش هر کدام را توضیح می دهیم.

ستون بتنی چیست؟ [کاربرد و انواع آن]

یک ساختمان از اجزای اصلی و فرعی متعددی مانند فونداسیون، سقف، کف، دیوار و… تشکیل شده که ستون بتنی یا فلزی یکی از مهم ترین آنهاست. ستون ها، با هدف انتقال بارهای فشاری به فونداسیون (پی) در ساختمان استفاده می شوند.

ستون بتنی که از ترکیب بتن و فولاد (بتن مسلح) تشکیل شده به شکل های مربع، مستطیل، دایره، L و T قالب بندی می شود. ستون های بتنی باید به درستی طراحی و ساخته شوند تا بتوانند بارهای وارد بر آنها را تحمل کنند. طراحی ستون های بتنی معمولاً توسط مهندس سازه انجام می شود و اصول خاصی دارد.

طراحی ستون بتنی در نرم افزار ایتبس

نرم افزار ایتبس (ETABS)، یک برنامه مهندسی سازه است که برای تحلیل و طراحی سازه های ساختمانی استفاده می شود. این نرم افزار توسط شرکت Computers and Structures (CSI) توسعه یافته و یکی از محبوب ترین نرم افزارهای مهندسی سازه در جهان است.

این نرم افزار قدرتمند و انعطاف پذیر، برای تحلیل و طراحی سازه های ساختمانی با مصالح مختلف از جمله بتن، فولاد و چوب استفاده می شود؛ همچنین می تواند تاثیر بارهای مختلف از جمله بارهای مرده و زنده را در نظر بگیرد.

ایتبس دارای یک رابط کاربری گرافیکی ساده و کاربرپسند است که کار مدل سازی و تحلیل سازه ها را آسان می کند. این نرم افزار همچنین دارای یک کتابخانه گسترده از مقاطع، مصالح و بارهای آماده است که می تواند در وقت و هزینه مهندسان سازه صرفه جویی کند.

در اینجا برخی از قابلیت های خاص ایتبس آورده شده است:

• مدل سازی سه بعدی دقیق سازه های ساختمانی
• تحلیل استاتیکی و دینامیکی سازه ها
• طراحی سازه ها با توجه به استانداردهای مختلف مهندسی سازه
• تولید گزارشات متنوع از نتایج تحلیل و طراحی

مراحل طراحی ستون بتنی در ایتبس

طراحی این ستون ها در نرم افزار، دارای مراحل مختلفی است که باید به ترتیب انجام شوند.

ابتدا باید مشخصات ستون، از جمله نوع مقطع، ابعاد مقطع، مقاومت بتن و میلگردها در نرم افزار تعریف شوند. برای تعریف این مشخصات، از پنجره Column Properties استفاده کنید. در این پنجره باید مواردی مانند Type (نوع مقطع ستون)، Dimensions (ابعاد مقطع ستون)، Concrete (مقاومت بتن) و Reinforcement (مشخصات میلگردها) را وارد کنید.

در گام دوم باید از پنجره Load Cases، برای بارگذاری ستون استفاده کنید. در این پنجره داخل فیلد Name نام بارگذاری، Type نوع و در Value مقدار بارگذاری را وارد کنید.

مرحله سوم مربوط به آنالیز ستون است، که با استفاده از پنجره Analysis Options انجام می شود. در این مرحله دو گزینه وجود که Load Combinations برای وارد کردن ترکیبات بارگذاری و فیلد Analysis Type برای وارد کردن نوع آنالیز است.

در مرحله چهارم با استفاده از پنجره Reinforcement Design، میلگردهای طولی را طراحی کنید. در این پنجره فیلد Column برای وارد کردن ستون مورد نظر، فیلد Reinforcement Type برای تعیین نوع آرماتور طولی، گزینه Number of Bars برای تعداد میلگردهای طولی و فیلد Bar Diameter برای وارد کردن قطر میلگردهای طولی است.

در این پنجره قسمت دیگری برای طراحی میلگردهای عرضی وجود دارد که فیلدهای آن عبارتند از:

• Column (ستون مورد نظر)
• Reinforcement Type (نوع میلگرد عرضی)
• Number of Bars (تعداد میلگردهای عرضی)
• Bar Diameter (قطر میلگردهای عرضی)
• Spacing (فاصله میلگردهای عرضی)

نکات مهم طراحی ستون بتنی در نرم افزار ایتبس

در هنگام تعریف مشخصات ستون، به ابعاد مقطع ستون و توانایی آن برای تحمل بارهای وارده دقت کنید. همچنین در هنگام بارگذاری ستون، ترکیبات بارگذاری را به درستی تعریف کنید تا نتایج آنالیز دقیق محاسبه شود.

در هنگام طراحی میلگردهای طولی، باید دقت شود که تعداد و قطر میلگردها مناسب باشد تا بتواند مقاومت فشاری ستون را تامین کند. در هنگام طراحی میلگردهای عرضی، باید دقت شود که تعداد و قطر میلگردها متناسب با تحمل آن در برابر شکست جانبی ستون باشد.

طراحی دستی ستون بتنی

اگرچه که امروزه نرم افزار ایبتس برای طراحی ستون کاربرد زیادی دارد، اما محاسبه این عملیات به صورت دستی هنوز هم یک دانش ضروری برای مهندسان است. زیرا محاسبات و نتایج به دست آمده از این نرم افزار، باید توسط مهندس کنترل شود و صحت آن را تایید کند.

طراحی این المان به صورت دستی، نیازمند دانستن مفاهیم پایه و اصلی است که در ادامه آنها را توضیح می دهیم.

PCA یا روش منحنی های هم بار

PCA یکی از روش های دستی طراحی ستون بتنی است. در این روش، ابتدا منحنی اندر کنش ستون با توجه به مشخصات ستون و مقاومت بتن محاسبه می شود. سپس، با توجه به بارهای وارد بر ستون، نقطه ای از منحنی اندر کنش انتخاب می شود. این نقطه باید در محدوده ظرفیت خمشی ستون باشد.

منحنی اندر کنش ستون، شکلی است که رابطه بین نیروی محوری و لنگر خمشی ستون را نشان می دهد. این منحنی با استفاده از روابط زیر قابل رسم است :

P = f’c * Ac – M / (L / 2)

M = f’c * As * √(h/d)

در این روابط P نیروی محوری، M لنگر خمشی، f’c مقاومت فشاری بتن، Ac سطح مقطع ستون، As سطح مقطع میلگردها، h ارتفاع ستون و d قطر ستون است.

برای انتخاب نقطه از منحنی اندر کنش نیز باید از رابطه زیر استفاده کنید:

P = Pcr – P

در این رابطه Pcr ظرفیت خمشی ستون و P بار وارد بر ستون است.

با توجه به نقطه انتخاب شده از منحنی اندر کنش، مشخصات میلگردهای طولی را به صورت زیر تعیین کنید:

As = Pcr / ƒy

در این رابطه، As سطح مقطع میلگردها و ƒy تنش تسلیم میلگردها است.

مثال: فرض کنید که مشخصات یک ستون بتنی شامل سطح مقطع مربع با ابعاد 200 × 200 میلی متر، مقاومت بتن 30 مگاپاسکال و بار وارد بر ستون 500 کیلونیوتن باشد. ابتدا باید منحنی اندر کنش ستون را با استفاده از روابط زیر رسم کنید.

Pcr = 30 * 0.04 * 200 * 200 = 6000 کیلونیوتن

Mcr = 30 * 0.002 * 200 * √(200/200) = 600

با توجه به این نقطه، مشخصات میلگردهای طولی به صورت زیر تعیین می شود:

As = 6000 / 420 = 14.28 میلی متر مربع

با توجه به این مقدار، می توان از میلگردهای 14 میلی متری استفاده کرد.

روش PCA برای طراحی ستون بتنی، ساده، قابل فهم و قابل اجراست اما نه تنها به دقت بسیار بالایی در محاسبات نیاز دارد بلکه برای ستون های لاغر مناسب نیست.

روش بار معکوس

این روش بر اساس تحلیل تنش و کرنش در ستون انجام می شود. در این روش، ابتدا بار محوری وارد بر ستون تعیین می شود. سپس، با توجه به بار وارد بر ستون، لنگر خمشی حاصل از آن محاسبه می شود.

برای تعیین مشخصات میلگردهای طولی، باید از رابطه زیر استفاده شود:

As = 0.85 * f’c * Ac / ƒy – M / (L / 2)

در این رابطه، As سطح مقطع میلگردها، f’c مقاومت فشاری بتن، Ac سطح مقطع ستون، ƒy تنش تسلیم میلگردها، M لنگر خمشی و L طول ستون است.

در مرحله اول، بار محوری وارد بر ستون تعیین می شود. این بار می تواند شامل بارهای مرده، بارهای زنده، بار باد و بار زلزله باشد.

در مرحله دوم، لنگر خمشی حاصل از بار محوری تعیین می شود. این کار با استفاده از رابطه زیر انجام می شود. در این رابطه، M لنگر خمشی، P بار محوری و L طول ستون است.

M = P * L / 2

در مرحله سوم با توجه به بار وارد بر ستون و لنگر خمشی حاصل از آن، می توان مشخصات میلگردهای طولی را به صورت زیر تعیین کرد. در این رابطه، As سطح مقطع میلگردها، f’c مقاومت فشاری بتن، Ac سطح مقطع ستون، ƒy تنش تسلیم میلگردها، M لنگر خمشی و L طول ستون است.

As = 0.85 * f’c * Ac / ƒy – M / (L / 2)

مثال: فرض کنید که مشخصات یک ستون بتنی شامل سطح مقطع مربع با ابعاد 200 × 200 میلی متر، مقاومت بتن 30 مگاپاسکال، بار وارد بر ستون 500 کیلونیوتن و طول ستون 3000 میلی متر باشد. در این مثال، باید لنگر خمشی حاصل از بار محوری از طریق رابطه زیر محاسبه شود:

M = 500 کیلونیوتن * 3000 میلی متر / 2 = 7500000 میلی متر نیوتن

با توجه به این مقادیر، مشخصات میلگردهای طولی بر حسب فرمول محاسبه شده و در نهایت باید از میلگردهای 14 میلی متری استفاده کرد.

در این مقاله به بررسی یکی از موضوعات تخصصی در حوزه ساختمان سازی پرداختیم و روش های طراحی ستون بتنی را توضیح دادیم. همانطور که اشاره شد این محاسبات به دو روش دستی و نرم افزاری انجام می شود؛ اما برای مهندس عمران ضروریست که به هر دو روش تسلط کافی داشته باشد.