سیستمهای مرکب
سیستمهای مرکب متشکل از ستون بتنی و تیرهای فولادی چند سالی است که به عنوان یک سیستم سازهای جدید و کارآمد مطرح شده است که از طریق ستونهای بتن مسلح سختی کافی و از طریق تیرهای فولادی ظرفیت استهلاک انرژی را فراهم میکنند. در دهههای اخیر تحقیقات زیادی در زمینه مقاومت سیستمهای مختلط بتن و فولاد در برابر نیروهای جانبی انجام شده است که از آن جمله سیستمها میتوان سیستم قاب خمشی شامل ستون بتنی و تیر فولادی را مورد توجه قرار داد.
هر یک از سیستمهای فلزی و بتنی به تنهایی دارای مزایا و معایبی هستند. به عنوان مثال، سیستم قاب صلب بتنی به علت استحکام و صلبیت اتصالات مناسب است، ولی انعطاف پذیری کم و مدت زمان طولانی اجرای سازههای بتنی و وزن و ابعاد تیر و ستونها مخصوصاً در سازههای بلند مساله ساز میشود. از طرف دیگر در سیستم قاب صلب فولادی مسائلی مانند پرهزینه بودن اتصال صلب، ضعف جوش، عدم علاقه به استفاده از سخت کنندهها و وقوع کمانشهای موضعی مطرح میشود.
مزایای سیستم مرکب
سیستم مرکب با ترکیب بهینه عناصر سازهای فلزی و بتنی از محاسن هر دو سیستم بهره میبرد. عمده مزایای این سیستم به تفکیک شامل موارد زیر است.
صرفه جویی اقتصادی
یکی از خواص بتن به عنوان مصالح ساختمانی، بالا بودن نسبت مقاومت به قیمت آن تحت بارهای فشاری در مقایسه با فولاد است. در سازههای بلند که میزان بارهای فشاری در طبقات پایین سازه قابل توجه است، انتخاب بتن به عنوان مصالح مقاوم در برابر بار محوری ستونها از لحاظ اقتصادی توجیه دارد، همچنین استفادهی بهینه از مصالح باعث پایین آمدن وزن ساختمان و کاهش هزینههای ساخت نیز میشود، به این شکل که با پایین آمدن وزن سازه، نیروی وارد بر پی کاسته شده و در نتیجه سطح مقطع و ضخامت کمتری برای آن حاصل میشود که از این جهت نیز باعث کاهش هزینه ساخت کل سازه میشود. باتوجه به مقاومت فشاری بالای بتن نسبت به مقاومت کششی آن، استفاده از بتن در ستون بهترین رفتار بتن را نتیجه میدهد. همچنین با توجه به مقاومت کششی بالای فولا، استفاده از فولاد به عنوان عضو خمشی مناسبترین رفتار فولاد را نتیجه میدهد.
سرعت و سهولت اجرا
در این سیستم ابتدا به کمک یک هسته فلزی به عنوان ستون اولیه، امکان علم کردن سریع اسکلت فراهم میشود. یعنی سرعت اجرای آن همانند اسکلت فلزی است. از طرفی با اجرای سقف فلزی مرکب، نیازی به شمع بندی نخواهد بود که این امر باعث سهولت اجرا شده و با توجه به امکان اجرای همزمان چند سقف، باعث افزایش بیشتر سرعت اجرا میشود. در ادامه نیز دور هسته فلزی ستونها، آرماتورگذاری انجام شده و قالب بندی و بتن ریزی ستونها انجام میشود. قالب بندی ستونها برخلاف سقف هم به سرعت قابل انجام است و هم خیلی سریعتر میتوان آن را باز نمود.
مزایای فنی
- ستونهای بتنی با توجه به ابعاد بزرگشان سختی بیشتری در مقابل بارهای جانبی دارند.
- میرایی ستونهای بتنی در مقایسه با ستونهای فلزی بیشتر بوده که باعث استهلاک سریعتر نیروی زلزله میشود.
- کاهش وزن مرده ساختمان با کاهش ضخامت دال بتنی سقف و حذف بار تیرهای سنگین که خود باعث کاهش تقاضای لرزهای سازه میشود.
- امکان افزایش طول دهانه، یکی از محدودیتهای تیرهای بتنی، افزایش وزن مرده خود تیر در دهانههای بلند است. در حالی که در این سیستم با توجه به فلزی بودن تیرها، افزایش وزن در دهانههای بلند ناچیز است.
- مقاومت بیشتر ستونهای بتنی در برابر آتش سوزی.
در سیستمهای مرکب برای طراحی اتصالات دو رویکرد وجود دارد. در روش با ستون یکپارچه (through-beam type) تیرها در محل ستون قطع میشوند و ستون به صورت ممتد اجرا میشود. در روش با تیر یکپارچه (through-column type) ستون در محل اتصال قطع میشود و تیر به صورت ممتد ادامه مییابد. روش دوم بسیار شکل پذیرتر و متداولتر است (تعداد چرخههای هیسترتیک بیشتر است)، اما اتصالات نوع اول در اجرا سادهتر است.
روشهای طرح و اجرا
برای اجرای سازههای مرکب دو روش متفاوت وجود دارد.
اجرای درجا
یکی از روشهای مناسب برای اجرا استفاده از مقطع فولادی درون پوشش بتنی است که در ابتدا با اجرای یک سازه کاملاً فولادی یعنی تیر و ستون فولادی، اسکلت اصلی این سازه ایجاد میشود. طراحی تیر بر اساس بارهای مرده و زنده و سایر بارهای موجود است. ولی برای طراحی ستون باید از بار مرده قسمت فولادی سازه استفاده شده و سطح مقطع حاصله فقط برای تحمل بار مرده تیر و ستونهای فولادی طبقات بالایی محاسبه شود.
پس از اجرای اسکلت فولادی ستونهای بتنی در اطراف ستون فولادی اولیه به صورت کامپوزیت اجرا میشود. سطح مقطع ستون بتنی با در نظر گرفتن بارهای کل سازه در انتها بدون در نظر گرفتن وزن مردهی سازهی فولادی حاصل میشود. پس از اجرای ستون بتنی، با نصب سخت کنندههای مناسب و کافی، بتن اتصال و سقف طبقه اجرا میشود و طبقات بعد نیز به همین صورت اجرا میشوند.
مراحل اجرا در این روش به صورت زیر است.
- اجرای اسکلت فلزی با استفاده از ستونهای کوچک فولادی
- قرار دادن عرشه فلزی برای دال کامپوزیت.
- نصب برش گیرها و قراردادن آرماتورهای دال و ریختن بتن دال.
- قراردادن آرماتورهای ستون بتنی در اطراف ستونهای کوچک فولادی و قالب بندی و بتن ریزی ستونها.