ستون چیست؟

ستون مهم‌ترین عنصر سازه‌ای در ساختمان‌ها است. ستون یک عضو عمودی است که طول مؤثر آن بیش از 3 برابر عرض یا طولش است. ستون‌ها بارها را از تیرها به پی‌ها منتقل می‌کنند. این عضو سازه‌ای مسئولیت حفظ یکپارچگی ساختمان را بر عهده دارد، به طوری که با تخریب تنها یک ستون، احتمال خرابی بخش یا تمام بنا وجود دارد. برای شناخت بیشتر ستون و نحوۀ عملکرد آن در ساختمان، با ما همراه باشید.

تعریف ستون

ستون‌ (Column) به عنوان عضو باربر عمودی که عمدتاً بارهای فشاری – محوری را تحمل می‌کند، تعریف می‌شود. این عضو سازه‌ای برای انتقال بار سازه به فونداسیون استفاده می‌شود. در ساختمان‌های بتنی مسلح از ستون بتنی (بتن به همراه آرماتورها) و در سازه‌های فلزی (تیرآهن تک یا دوبل) از ستون فلزی استفاده می‌شود.

عمل خمش در ستون ممکن است تحت نیروهای کششی در قسمتی از سطح مقطع رخ دهد. با این وجود، ستون‌ها را اعضای فشاری می‌نامند زیرا نیروهای فشاری بر رفتار آنها تأثیر می‌گذارند. امروزه ستون‌ها را می‌توان برحسب نوع بارگذاری، شکل، متریال و کاربرد، به انواع مختلف تقسیم کرد.

اهمیت استفاده از ستون در ساختمان

ستون‌ها اعضای پشتیبانی عمودی در یک ساختار تیر – ستونی هستند و بار را از تیرها به فونداسیون منتقل می‌کنند. به طور معمول ستون طول بیشتری نسبت به ابعاد جانبی‌اش دارد و از ماده‌ای تشکیل شده است که در فشار بسیار قوی است. ستون‌ها به صورت عمودی بارگذاری می‌شوند و گاهی اوقات بسته به منطقه، بارهای جانبی اعم از بار باد و زلزله را نیز تحمل می‌کنند.

خرابی‌های معمول ستون‌ها به دلیل وضعیت بارگذاری آنها رخ می‌دهد. در بیشتر موارد تنش‌های جانبی باعث خرابی ستون‌ها و در نهایت فرو ریختن سازه می‌شوند. خرابی ستون بسیار بعید است و تنها در صورتی رخ می‌دهد که بار در اثر تغییر در شدت و محل بارگذاری در ستون اعمال شود، اما در صورت خرابی سازه به سرعت فرو می‌ریزد.

طبقه بندی انواع ستون بر اساس خاموت گذاری

خاموت برای ستون مربعی (Tied Column): در ستون مربعی، میلگردهای طولی با خاموت‌های عرضی توسط مفتول به هم گره خورده‌اند. خاموت‌ها در فواصل یکنواختی تا ستون فاصله دارند. اتصالات فولادی در ستون، میلگردهای طولی اصلی را محدود می‌کنند. بیش از 95 درصد از کل ستون‌های ساختمان‌ها در مناطق غیر لرزه‌ای با خاموت مربعی هستند.

خاموت برای ستون دایره‌ای (Spiral Column): حاوی مارپیچ‌هایی هستند که آرماتور طولی اصلی را در خود نگه می‌دارند. مارپیچ تقویت کننده مانند فنر عمل می‌کند. میلگردهای اصلی در یک دایره قرار می‌گیرند و توسط خاموت مارپیچی در جای خود مستحکم می‌شوند.

ستون‌های مارپیچی زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند که استحکام و شکل پذیری بالایی مورد نیاز باشد زیرا مارپیچ در برابر تغییر شکل جانبی میله‌های ستون، تحت بارهای محوری زیادی به خوبی عمل می‌کند. ستون‌های مارپیچی در مناطق زلزله خیز بیشتر استفاده می‌شوند.

طبقه بندی انواع ستون بر اساس بارگذاری

بار محوری (Axially Loaded Column): اگر بارهای عمودی – فشاری در امتداد محور مرکزی ستون اعمال شوند، بار محوری نامیده می‌شوند. این نوع ستون تنها تحت تنش فشاری در مساحت خود قرار می‌گیرد.

بار خارج از محور در یک امتداد (Eccentrically Loaded: Uniaxial): هنگامی که بارها در فاصله e از مرکز سطح مقطع ستون اعمال می‌شوند، به عنوان بار خارج از محور در یک امتداد شناخته می‌شوند. در یک ستون تک محوره بارگذاری شده خارج از محور، این فاصله e می‌تواند در امتداد محور x یا محور y باشد. این بارهای غیر محوری باعث همزمان تنش فشاری و گشتاورهای خمشی در امتداد محور x یا محور y می‌شوند.

بار خارج از محور  در دو امتداد (Eccentrically Loaded: Biaxial): در این نوع، بارها در هر نقطه از سطح مقطع اعمال می‌شوند، اما در محورهای x و y حرکت نمی‌کنند. بارها باعث ایجاد همزمان تنش فشاری و گشتاورهای خمشی در هر دو محور x و y  می‌شوند.

طبقه بندی ستون بر اساس لاغری

ستون کوتاه (Short Reinforced Column): یک عضو فشاری است که ارتفاع آن کمتر از سه برابر کمترین بعد جانبی‌اش است. این ستون هم در برابر بار فشاری و هم خمشی مقاومت بالایی از خود نشان می‌دهد. به عبارتی، ظرفیت باربری بالایی دارند.

ستون بلند (Long Reinforced Column): نسبت لاغری در ستون بلند به معنای آن است که ارتفاع ستون از سه برابر کمتری بعد جانبی‌اش بیشتر است. ستون‌های بلند تحت بارهای خمشی (کمانش) زودتر از ستون‌های کوتاه تخریب می‌شوند. به عبارتی، ظرفیت باربری کمی دارند.

طبقه بندی ستون‌ها بر اساس شکل مقطع عرضی

ستون با شکل هندسی (Geo-matric Shaped): براساس نوع طراحی، ستون ها می‌توانند مستطیل، گرد، مربع، هشت ضلعی، شش ضلعی باشند. عموماً این ستون‌ها ممکن است مربعی و مستطیلی باشند، در حالی که ستون‌های مارپیچی مدور هستند.

ستون‌های دایره‌ای زمانی استفاده می‌شوند که ارتفاع بیشتری مانند ستون‌های پل مورد نیاز باشد. ستون‌های دایره‌ای شکل صاف و زیبایی را ارائه می‌دهند. از سوی دیگر، ستون‌های مستطیلی در ساختمان‌های متعارف امروزی بیشتر استفاده می‌شوند. بتن ریزی این ستون‌ها  آسان‌تر و کم هزینه‌تر است.

ستون ال شکل (L-Shaped): این نوع ستون‌ها خیلی محبوب نیستند. نوع L شکل را می‌توان به عنوان ستون گوشه در ساختار اسکلت ساختمانی استفاده کرد. این طرح ستون می‌تواند جایگزین مناسبی برای مقاومت در برابر بار محوری و خمش در دو محور گوشه‌ها باشد.

ستون وی شکل (V-Shaped): در ساختار ذوزنقه‌ای می‌توان از این نوع استفاده کرد. ستون‌های V شکل در مقایسه با دیگر ستون‌ها به مواد بیشتری نیاز دارند.

ستون تی شکل (T-Shaped): بسته به الزامات طراحی، ستون‌های T شکل ممکن است در ستون‌های پل استفاده شوند.

طبقه بندی ستون بر اساس مصالح ساختمانی

ستون بتن آرمه: ستون‌های بتنی مسلح، بیشترین کاربرد را در ساختمان‌های امروزی دارند. بتن بار فشاری را حمل کرده و آرماتور در برابر بار کششی از خود مقاومت می‌کند. مواد تقویت کننده می‌توانند از فولاد، پلیمرها یا مواد کامپوزیت ساخته شوند. برای ساختاری مستحکم، شکل پذیر و بادوام، آرماتور باید دارای ویژگی‌هایی مانند سازگاری حرارتی، مقاومت بالا در برابر تنش کششی، چسبندگی خوب به بتن، ضد خوردگی و سایر موارد باشد.

ستون فولادی: ستون‌های فولادی کاملاً از فولاد ساخته شده‌اند. از این ستون‌ها در سازه‌های فلزی، سوله‌ها، انبارهای تولید هواپیما، کشتی سازی‌ها و سایر موارد استفاده می‌شود. مقطع ستون‌های فلزی اغلب از تیرآهن‌های IPE، IPB، IPV، لانه زنبوری و قوطی ساخته می‌شوند. ستون‌های فولادی به صورت دوبل نیز استفاده می‌شوند و با استفاده تسمه و فرآیند جوشکاری به ستون‌های بالایی و پایینی خود متصل می‌شوند.

ستون کامپوزیت: ستون‌های کامپوزیتی با استفاده از ترکیبات مختلف فولاد سازه‌ای مانند تیرآهن و بتن ساخته می‌شوند. رفتار تعاملی و یکپارچه بتن و عناصر فولادی سازه‌ای باعث می‌شود که ستون کامپوزیتی بسیار سفت، انعطاف پذیر، مقرون به صرفه و در نتیجه از نظر سازه‌ای در ساختن ساختمان و پل بسیار کارآمد باشد. این نوع همچنین دارای مقاومت بالایی در برابر آتش و خوردگی است.

ستون چوبی: ستون‌های چوبی از چوب ساخته شده‌اند. آنها ظاهری زیبا و احساس فضای بیشتر و باز بودن را تداعی می‌کنند و برای خانه های جنگلی و مناطقی که در خطر کمتری نسبت به زلزله قرار دارند، به کار گرفته می‌شوند. ستون‌های چوبی با استفاده از میخ و چسب به یکدیگر متصل می‌شوند.

ستون آجری: ستون‌های آجری در سازه‌های بنایی یافت می‌شوند. آنها را می‌توان با بتن برای افزایش مقاومت تقویت کرد یا می‌توان اصلاً هیچگونه تقویتی را ایجاد نکرد. ستون‌های آجری می‌توانند به شکل گرد، مستطیل یا مربع یا بیضی ساخته شوند و با استفاده از ملات به یکدیگر متصل می‌شوند.

طبقه بندی ستون بر اساس قاب مهاربندی

ستون مهاربندی شده: ستون‌ها ممکن است قسمتی از یک قاب باشند که در کنار هم مهار شده یا مهاربندی نشده باشند. ثبات جانبی یک ساختار به طور کلی با مهاربندی فراهم می‌شود. ثبات جانبی توسط مهاربندها به دلیل مقاومت در برابر نیروهای جانبی مانند باد و زلزله انجام می‌شود. مهاربندی را می‌توان با استفاده از دیوارهای برشی یا مهاربندها در قاب ساختمان به دست آورد. در قاب‌های فلزی از بادبند و در قاب‌های بتنی از دیوار برشی استفاده می‌شود.

ستون بدون مهاربند: ستون‌های بدون مهاربند باید بار گرانشی و بار جانبی را به همراه تیرها تحمل کنند. در نتیجه، ظرفیت باربری ستون کاهش می‌یابد. عدم استفاده از مهاربند اغلب در مناطق با خطر زلزله خیزی کم است.

مفاد مربوط به ستون در مقررات ملی ساختمان

در مقررات ملی ساختمان، برخی مفاد قانونی برای استفاده از ستون‌ها در ساختمان‌ها آورده شده است:

محدودیت‌های هندسی ستون‌ها

در ستون‎ها محدودیت‌های هندسی مطابق با بند 9-23-3-2-1-1 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان است که باید اجرا شوند:

• عرض مقطع نباید کمتر از سه دهم بعد دیگر آن و نباید کمتر از 250 میلی‌متر باشد.
• نسبت عرض مقطع به طول آزاد ستون نباید از 1.25 کمتر باشد.

آرماتورگذاری ستون‌ها

• در ستون‌ها نسبت آرماتور طولی نباید کمتر از یک درصد و بیشتر از هشت درصد در نظر گرفته شود.
• فاصله محور تا محور میلگردهای طولی از یکدیگر نباید بیشتر از 200 میلی‌متر باشد.

حداقل و حداکثر درصد میلگرد ستون‌ها

• حداقل درصد میلگرد ستون یک درصد است.
• در ستون‌های قاب خمشی با شکل پذیری متوسط حداکثر درصد میلگرد هشت درصد است.

انواع ستون‌های بتنی از نظر شكل مقطع

• ستون با مقطع مربع (حداقل ابعاد مقطع 30× 30 سانتی‌متر)
• ستون با مقطع مربع مستطيل (حداقل ابعاد 40× 25 سانتی‌متر)
• ستون با مقطع چند ضلعی منتظم (حداقل طول ضلع 20 سانتی‌متر)
• ستون با مقطع دايره (حداقل قطر مقطع 25 سانتی‌متر)

کلام آخر

در درجه اول، ستون‌ها بارهای محوری را حمل می‌کنند و بنابراین برای تحمل بار فشاری طراحی شده‌اند. سپس، نیروهای جانبی مانند زلزله و باد می‌توانند باعث کمانش ستون‌ها شوند. از این رو، هم برای بار محوری و هم بار جانبی طراحی می‌شوند. در مناطقی که نیروهای جانبی وجود ندارند یا اثر کمی دارند، ستون‌ها می‌توانند از هر نوع متریال دیگری مانند چوب یا آجر نیز ساخته شوند. تنها مهم است که در طراحی، از الزامات قانونی استفاده کرد.

منابع :

https://civiltoday.com/construction/building/384-what-is-column-types-of-columns

https://civilread.com/different-types-columns/