مقاطع CFT چیستند؟
مقاطع CFT یا Concrete Filled Tube به دسته ای از اعضای سازه ای اطلاق می شود که از پر شدن پروفیل های فولادی توخالی (HSS) با بتن خودتراکم (SCC) تشکیل می شوند. این سیستم ترکیبی، تحت شرایط بارگذاری گوناگون، رفتار سازه ای بسیار پایداری از خود نشان داده و به ویژه در نواحی زلزله خیز مورد استقبال گسترده قرار گرفته است. عملکرد مکمل فولاد و بتن در این نوع مقاطع منجر به مقاومت بالا، شکل پذیری قابل توجه و کاهش نیاز به مقاطع بزرگ می شود.انواع ستون های مختلط فولادی و بتنی
ستون های SRC (ستون های فولادی مدفون در بتن)
در این سیستم، یک عضو فولادی درون بتن مسلح مدفون می شود. بتن نه تنها نقش باربری دارد بلکه از فولاد در برابر آتش سوزی و خوردگی محافظت می کند. این مقاطع معمولاً در پروژه هایی استفاده می شوند که در آن ها ایمنی در برابر حریق از اهمیت ویژه ای برخوردار است. همچنین، به دلیل مقاومت بالای کمانشی، این ستون ها در ساختمان های بلندمرتبه و سازه های حساس به لرزش، عملکرد مطلوبی دارند.ستون های CFT (ستون های فولادی پرشده با بتن)
در مقاطع CFT، پروفیل فولادی با بتن روان پر می شود. ترکیب این دو ماده سبب افزایش مقاومت فشاری، کششی و برشی در مقایسه با اعضای منفرد می شود. از سوی دیگر، بتن داخلی به عنوان مهارکننده کمانش موضعی عمل کرده و عملکرد لرزه ای سیستم را بهبود می بخشد. این ستون ها همچنین در برابر نیروهای ضربه ای و بارهای دینامیکی، پایداری قابل قبولی از خود نشان می دهند.
اجزای اصلی مقاطع CFT
پروفیل فولادی HSS (Hollow structural section)
این پروفیل ها با مقطع دایره ای، مربعی یا مستطیلی تولید می شوند و به دلیل ویژگی هایی مانند یکنواختی هندسی، سهولت در جوش پذیری و مقاومت بالا در برابر پیچش، انتخابی مناسب برای ساخت مقاطع مرکب محسوب می شوند. در سال های اخیر، استفاده از پروفیل های آماده تولیدشده با استانداردهای دقیق، موجب افزایش سرعت و کیفیت اجرای پروژه ها شده است.بتن خودتراکم SCC (Self-compacting concrete)
این نوع بتن دارای روانی بسیار بالا بوده و بدون نیاز به ویبره، فضای داخلی پروفیل را به طور کامل پر می کند. علاوه بر این، به دلیل نسبت آب به سیمان پایین، مقاومت فشاری نهایی بالایی دارد. SCC به ویژه در مقاطع بسته مانند CFT، از اهمیت حیاتی برخوردار است چراکه مانع ایجاد کرمو شدگی یا حفره در بتن داخلی می شود.مزایای استفاده از ستون های CFT
- کاهش میزان مصرف فولاد و بتن: استفاده از بتن درون پروفیل فولادی، موجب حذف نیاز به آرماتوربندی و کاهش ابعاد مقطع می شود که خود به معنای کاهش وزن سازه و کاهش هزینه مصالح است.
- افزایش شکل پذیری در برابر بارهای لرزه ای: ترکیب مشترک بتن و فولاد منجر به عملکرد بهتردر سازه شده و میزان مقاومت و تغییرشکل مجاز پیش از شکست را افزایش می دهد.
- سرعت اجرای بالا: به دلیل حذف فرآیند قالب بندی و تسهیل عملیات بتن ریزی، سرعت ساخت افزایش می یابد که در پروژه های با زمان بندی فشرده، مزیت بزرگی محسوب می شود.
- مقاومت بیشتر در برابر حریق و خوردگی: بتن درون پروفیل، مانعی فیزیکی در برابر نفوذ عوامل خورنده ایجاد کرده و دمای ناشی از آتش را به فولاد منتقل نمی کند.
تحلیل رفتار لرزه ای ستون های CFT
رفتار لرزه ای ستون های CFT در مقایسه با سایر اعضای سازه ای، مزایای متعددی دارد. مطالعات نشان داده اند که این ستون ها دارای ظرفیت جذب انرژی بالا، تاخیر در تشکیل مفاصل پلاستیک، و رفتار هیسترزیس مطلوب ( تغییر شکل اندک تحت بارهای وارد شده ) هستند. در واقع، بتن درون مقطع باعث مهار کمانش موضعی دیواره های فولادی شده و فولاد نیز مانع ترک خوردگی زودرس بتن می شود. این همکاری دوسویه موجب افزایش دوام و کاهش نیاز به تعمیرات پس از زلزله می شود. آزمایش های تجربی و شبیه سازی های عددی با استفاده از نرم افزارهایی مانند ABAQUS و OpenSees نشان داده اند که ستون های CFT تا ۱.۵ برابر بیشتر از ستون های بتن آرمه ظرفیت جذب انرژی دارند.
ملاحظات طراحی سازه با استفاده از ستون CFT
در فرآیند طراحی، باید معیارهایی همچون نسبت لاغری ستون، مقاومت فشاری بتن، تسلیم فولاد، نسبت حجمی فولاد به بتن، نوع مقطع (مربعی، دایره ای، مستطیلی)، و شرایط بارگذاری بررسی شوند. انتخاب دقیق این پارامترها، مستقیماً بر عملکرد نهایی تأثیرگذار خواهد بود. همچنین، رعایت آیین نامه های معتبر مانند AISC 360 و Eurocode 4 الزامی است. در ایران نیز استفاده از استاندارد ملی 2800 و نشریه های سازمان برنامه و بودجه می تواند راهنمای مناسبی برای طراحی باشد.بررسی اقتصادی و تأثیر قیمت پروفیل بر انتخاب ستون CFT
تحلیل هزینه های مستقیم و غیرمستقیم استفاده از ستون های CFT نشان می دهد که علی رغم افزایش قیمت اولیه به دلیل خرید هم زمان فولاد و بتن، در مجموع هزینه کل پروژه کاهش می یابد. از مهم ترین دلایل این کاهش هزینه، می توان به موارد زیر اشاره کرد:- حذف قالب بندی و کاهش نیروی انسانی مورد نیاز
- کاهش ابعاد ستون و در نتیجه افزایش سطح مفید طبقات
- تسهیل فرآیند اجرا و کاهش مدت زمان پروژه
- افزایش عمر مفید سازه و کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری
کاربردهای رایج ستون CFT در سازه ها
ستون های CFT به طور گسترده در پروژه هایی نظیر آسمان خراش ها، برج های اداری، مراکز تجاری، بیمارستان ها، مراکز داده، سازه های صنعتی سنگین، سوله های بلند و همچنین پروژه های زیربنایی مانند ایستگاه های مترو و فرودگاه ها استفاده می شوند. علاوه بر آن، در مقاوم سازی سازه های فرسوده نیز به دلیل امکان اجرا در فضاهای محدود و مقاومت بالای لرزه ای، گزینه ای مؤثر محسوب می شوند. در پروژه های خاصی که محدودیت های معماری و سازه ای وجود دارد، مانند سازه های با دهانه بلند یا کاربری های حساس، استفاده از مقاطع CFT با مقطع خاص و طراحی مهندسی شده می تواند نیازهای عملکردی را با اطمینان کامل پاسخ دهد.
