اسکلت فلزی با قوطی چیست و چگونه اجرا می شود؟ مزایا و معایب

ستون‌های مختلط (کامپوزیت‌) به صورت قوطی یا لوله فولادی که با بتن پر شده‌اند را ستون‌های فولادی پر شده با بتن(Concrete Filled Tube) می‌نامند. بخش فولادی مقطع، معمولاً قوطی‌های نورد شده سازه‌ای یا لوله فولادی هستند که در ابعاد بزرگ در کشور تولید می‌شوند. در هسته بتنی مقطع ممکن است بتن‌های معمولی یا بتن‌های خود تراکم (SCC) به کار برده شود. ترکیب فولاد پیرامون هسته بتنی، یک مقطع مختلط (کامپوزیت) ایجاد می‌کند. انواع سیستم‌های سقف و تیرهای فولادی در ترکیب با این ستون‌ها به کار برده می‌شود.

ستون‌های CFT‌‌ دارای خصوصیات عالی از جمله مقاومت کششی بالا، شکل پذیری بالا و ظرفیت جذب انرژی بالا هستند. علاوه بر افزایش قابل توجه ویژگی­‌های سازه­‌ای، ستون‌های CFT می­‌توانند زمان ساخت را به مقدار قابل توجهی کاهش دهند. ‌

پوسته فولادی به عنوان مقاوم کننده طولی و عرضی عمل می‌کند. همچنین پوسته، فشار محصور شدگی برای بتن فراهم می‌کند که بتن را تحت تنش در تمام جهات قرار می­‌دهد. به عبارت دیگر پوسته فولادی، هسته بتنی را تقویت می‌کند.

این می‌تواند از کمانش لوله فولادی جلوگیری کند و پایداری و مقاومت کششی ستون فولادی را افزایش دهد.‌ در ستون‌های CFT محل قرار گیری جدار فولادی در پیرامون مقطع، یعنی جایی که تنش‌های خمشی و کششی مؤثر تر هستند، باعث افزایش قابل توجه در سختی و مقاومت مقطع می‌شود.

مزایای قوطی

• ظرفیت تحمل بار محوری و خمش بالا.
• مقاومت جذب انرژی خاصیت نرمی (شکل پذیری) زیاد.
• افزایش مقاومت بتن به دلیل محصور شدگی
• بار بحرانی در کمانش (سختی بیشتر).
• مقاومت برشی بالاتر.
• نگهداشتن قالب برای هسته بتنی.
• حفاظت سطح بتن از آسیب
• اقتصادی بودن نسبت به ستون­‌های فولادی و بتنی. (کیلوگرم مصرف آهن در هر مترمربع)
• زمان ساخت کم‌تر.
• حمل و نقل آسان‌تر.

اشکالات قوطی

به علت استفاده از قوطی فلزی برای مسلح کردن طولی مقطع، برای مقابله با نیروها و لنگرها،‌ محصور بودن عرضی (آرماتورهای عرضی) در بتن‌ به طور موثر کاهش پیدا می‌کند.‌

ثابت شده‌ که در ستون‌های CFT در آزمایش و بارگذاری‌های CYCLIC و متناوب، احتمال رخ دادن کمانش موضعی در انتهای قوطی فلزی توسط شکستن و خرد شدن بتن مرکزی‌ خیلی دشوار و مشکل است. نتایج نشان می‌دهد ‌تحت بارگذاری‌های هیستریک، گسیختگی ناپایدار بوده، بخصوص برای ستون‌های با بارهای محوری زیاد.

رفتار قوطی ها

برای دستیابی به رفتار ستون‌های CFT تحت عوامل مختلف، بی شک نیاز به شناخت دقیق تک تک پارمترهای موثر بر عملکرد آنها است. به طوری که اگر این شناخت حاصل نشود نمی‌توان از این مقاطع در انواع سازه‌ها به طور اقتصادی و قابل اعتماد بهره گرفت.‌

مهمترین عوامل موثر بر رفتار‌ این گونه مقاطع، شامل لاغری ستون و فشردگی جدار فولادی‌، محبوس شدگی بتن، نوع بتن و فولاد مصرفی‌، خزش و افت بتن، نوع اتصالات سازه‌ای و چسبندگی بین دو مصالح‌ و میزان مقاومت این مقاطع در برابر آتش است.

فشردگی

در طراحی سازه‌های جدار نازک،‌ قبل از رسیدن فولاد‌ به تنش تسلیم تحت بارهای فشاری، ناپایداری ناشی از کمانش رخ ندهد.‌ مقطع CFT در اثر فشار محوری وارده و ضعف‌های جزیی که در حین ساخت به وجود می‌آید، ممکن است دچار کمانش کلی یا کمانش موضعی جدار فولادی شود.

از این رو باید لاغری کل مقطع و فشردگی جدار فولادی مورد بررسی قرار گیرد. بنابراین اگر بتوان از بروز کمانش موضعی حدار فولادی جلوگیری کرد، بتن نیز به علت محصور بودن کامل، مقاومت و شکل پذیری بیشتری از خود نشان خواهد داد.

چسبندگی بین بتن و فولاد در سطح تماس تا حدودی از کمانش موضعی ممانعت می‌کند. از سوی دیگر به علت محبوس بودن بتن و کرنش آن در جهت عمود بر محور ستون در بارگذاری محوری، بر سطح داخلی جدار فشاری به سمت خارج اعمال می‌شود که عامل تشدید کننده کمانش فولادی به سمت خارج مقطع است.

سیستم دیوار برشی فولادی با ستون های فولادی پر شده با بتن

‌سیستم دیوار برشی فولادی یک سیستم مقاوم در برابر بارهای لرزه‌ای است که از ورق‌های فولادی با ضخامت ۳ تا ۱۰ میلی متر به عنوان دیوار برشی تشکیل یافته است. این ورق‌ها به تیرها و ستون‌های احاطه کننده خود توسط ورق‌های میانجی از پیش تعبیه شده متصل می‌شوند.

ترکیب ورق‌های نازک فولادی با المان‌های تیر و ستون اطراف آن‌ها در طبقات یک قاب مجموعه‌ای شبیه تیرورق فولادی تشکیل می‌دهد که در آن ستون‌های سیستم دیوار به منزله بال‌های بالا و پایین تیرورق و تیرهای آن به مثابه سخت کننده‌های تیرورق هستند.

تولید اعضای اسکلت فلزی در محل کارخانه و با تعبیه المان‌های لازم جهت اتصال ورق‌های فولادی (به صورت پیچی و یا جوشی) صورت می‌گیرد. پس از حمل کارگاه و نصب اسکلت فلزی و ورق‌های فولادی توسط جرثقیل در محل خود قرار داده و پس از نصب موقت و سریع آنها در مرحله بعد اتصال دائم و کامل ورق‌ها به المان‌های اطراف تامین می‌شود.

اتصالات قوطی ها

اتصالات ساده تیر به ستون‌های CFT تفاوت عمده‌ای با مباحث متداول ندارد. ‌اتصالات صلب در قاب‌های خمشی ویژه و متوسط شامل ورق‌های سخت کننده تحت عنوان ورق پیوستگی (Continuity Plate) مقابل بال‌های فشاری و کششی تیر هستند که در ستون‌های CFT به صورت دیافراگم‌ ‌اجرا می‌شود که سختی و شکل پذیری بیشتری در مقایسه با دیافراگم‌های داخلی دارد. همچنین حذف جوشکاری داخل ستون امکان نظارت بیشتر بر کیفیت جوشکاری را فراهم می‌کند.