انواع ستون ساختمان

ستون عضوی است که معمولاً بصورت عمودی در ساختمان نصب می‌شود و نیروی محوری را تحمل می‌کند. نیروهای محوری بصورت نیروی فشاری ناشی از بار مرده و بار زنده وارده بر سطح کف طبقات است که بطور مستقیم و یا از طریق تیر به ستون منتقل می‌شود. علاوه بر نیروی فشاری، در قاب‌های خمشی، ستون‌ها تحت تاثیر لنگر ناشی از بارهای قائم و جانبی به علت اتصال صلبتیر به ستون نیز قرار دارند. سهم هر ستون از بار طبقه، مساحتی محصور در نصف فاصله‌ی ستون مورد نظر و ستون‌های پیرامونی آن است‌ که به آن سطح بارگیر گفته می‌شود.

کمانش اعضای تحت فشار

کمانش یعنی ناپایداری و از بین رفتن عضو، تحت تغییر شکل‌های جانبی زیاد که به علت نیروها یا تنش‌های فشاری رخ می‌دهد. در اعضای تحت فشار، علاوه بر انهدام یا تسلیم مصالح تحت تنش‌های فشاری، کمانش یا از بین رفتن پایداری ارتجاعی عضو می‌تواند تحت تنش‌های به مراتب کوچکتر از مقاومت نهایی مصالح، باعث خرابی شود. این موضوع را می‌توان با اعمال نیروی فشاری به یک خط کش تجربه نمود.

در عضو ساخته شده از نیمرخ فولادی (مثلاً یک ستون فولادی) کمانش به دو صورت ممکن است رخ دهد.

کمانش کلی عضو
کمانش موضعی‌ اجزای بال یا جان نیمرخ به علت تنش‌های فشاری.

نیروی کمانشی ستون، نسبت مستقیم با مقطع ستون و نسبت عکس با ارتفاع آن در حد فاصل طبقات دارد. یعنی هر چه ابعاد مقطع ستون بزرگتر باشد، نیروی کمانش آن بزرگتر و هر چه ارتفاع آن بلندتر باشد، نیروی کمانش آن کوچکتر است.

ستون‌های بلند را ستون‌های لاغر می‌نامند. نسبت لاغری ستون به طور تقريبی از تقسيم طول آزاد ستون به یک چهارم بعد حداقل ستون به دست می‌آيد.

با افزایش نسبت لاغری، ستون لاغرتر شده و ظرفیت باربری فشاری آن کاهش می‌یابد. یک نیمرخ فولادی ترکیبی از ورق‌های فولادی نازک است (ورق‌های بال و جان). این اجزای نازک اگر به عللی تحت تنش‌های فشاری قرار گیرند کمانه می‌کنند و در نتیجه قسمتی از نیمرخ، خاصیت باربری خود را از دست می‌دهد. به‌ این پدیده کمانش موضعی می‌گویند.

مقاطع مناسب برای ستون‌ها

مقطع مناسب برای ستون‌ها بصورت قوطی مربع یا مستطیلی است. مقاطع دایره‌ای و چند ضلعی نیز در سازه کاربرد دارند و عموماً به منظور تأمین ملاحظات معماری استفاده می‌شوند. شکل مقطع ستون‌ها معمولاً به مقدار و وضعیت بار وارد شده نیز بستگی دارد. برای ساختن ستون‌های فولادی از انواع پروفیل‌ها و ورق‌ها استفاده می‌شود. عموماً ستو‌ن‌ها از لحاظ شکل ظاهری به سه گروه تقسیم می‌شوند.

‌نیمرخ نوردشده
ستون مرکب از نیمرخ‌های نورد شده
ستون ساخته شده از ورق

نیمرخ نورد شده

بهترین پروفیل نوردشده برای ستون، تیرآهن بال پهن (IPB) یا قوطی مربع شکل است زیرا از نظر مقاومت بهتر از مقاطع ديگر عمل می‌كند، علاوه بر اين در اكثر شرايط اجرايی، اتصال تير‌ها به راحتی روی آن‌ها انجام می‌شود.

مقاطع مرکب

‌ترکیبی از نیمرخ‌های نورد شده و ورق را مقطع مرکب می‌گویند. ستون‌های مرکب از ترکیب دو و یا چند نیمرخ مثل IPE ، ناودانی یا نبشی به کمک ورق‌های سرتاسری و ممتد و یا تسمه‌های موازی یا مورب ساخته می‌شوند.

علل استفاده از مقاطع مرکب در ستون‌ها

عدم دسترسی به نیمرخ IPB یا قوطی به صورت تولید داخلی
افزایش سطح مقطع ستون، در صورتی که نیم رخ‌های نوردشده سطح مقطع لازم را نداشته باشد.
اجرای سریع‌تر و آسان‌‌تر مقاطع مرکب نسبت به ستون‌های ساخته شده از ورق.

‌مقاطع مرکب مشبک

دو راه برای افزایش مقاومت فشاری ستون‌ها وجود دارد.

افزایش ضخامت اجزاء مقطع
افزایش ابعاد (طول و عرض) مقطع.

در ستون‌های بلند افزایش ضخامت اثر قابل توجهی بر مقاومت فشاری نداشته و باعث سنگینی و غیراقتصادی شدن طرح خواهد شد. در چنین مواردی بهتر است نیمرخ‌ها را با فاصله کافی از یکدیگر قرار داده و آن‌ها را به وسیله ورق یا تسمه (قید) به یکدیگر متصل کنیم، به اینگونه ستون‌ها، ستون مشبک می‌گویند.

ستون‌های ساخته شده از ورق

در گذشته وقتی طراحان می‌خواستند ستون‌های سنگین طراحی کنند مقاطع بال پهن را به وسیله ورق‌های پوششی که توسط پرچ به آن متصل می‌شدند را تقویت می‌کردند. در سال‌های اخیر پس از متداول شدن جوش همین عمل را به وسیله جوشکاری انجام می‌دهند. اشکال این روش آن است که چون ورق پوششی فقط در دو لبه کناری به ستون جوش میشود،در مقابل نیروی کششی حاصله از بال تیر از خود ضعف نشان داده و به
طرف خارج خم برمی‌دارد. بهترین نوع طراحی در این موارد استفاده از ستون‌های ساخته شده از ورق است. این ستون‌ها بدون هیچگونه جوشکاری اضافه، مستقیم‌ترین راه برای ساختن ستون هستند و برای انتقال نیروی کششی بال تیر به ستون هیچگونه اشکالی ایجاد نمی‌کنند.

ستو‌ن‌های سالن‌های صنعتی

ستو‌‌ن‌های سالن‌های صنعتی که در آ‌نها جرثقیل‌های سقفی برای حمل و نقل محصولات وجود دارد.

روش‌های ساخت ستون با مقاطع استاندارد مرکب

ستون‌ها ممکن است برحسب نیاز از اتصال انواع پروفیل‌های مختلف ساخته شوند که رایج ترین آن‌ها به شرح زیر است.

اتصال دو پروفیل به یکدیگر به طریقه جفت کردن
اتصال دو پروفیل با یک ورق سراسری روی بال‌ها
اتصال دو پروفیل با قیدهای موازی و یا مورب (ستون مشبک)

روش ساخت ستون جفت

ابتدا دو تیر آهن در کنار یکدیگر و بر روی سطح شاسی کار‌ با خا‌ل جوش به هم متصل می‌شوند. سپس دو سر‌ ‌و وسط ستون جوش شده و ستون برگردانده شده و مانند قبل جوشکاری می‌شود. در ادامه قسمت‌های باقیمانده جوشکاری میشود. همین کار در سوی دیگر ستون انجام می‌شود. جوشکاری ادامه می‌یابد تا جوش مورد نیاز ستون تأمین شود. این شیوه جوشکاری برای جلوگیری از پیچش ستون در اثر حرارت زیاد در حین جوشکاری ممتد است. در صورتی که در سرتاسر ستون به جوشکاری نیازی نباشد، حداقل طول جوش‌ها باید به این ترتیب اجرا شود.

حداکثر فاصله بین مرکز به مرکز طول جوش‌های منقطع نباید از ۳۰ سانتی متر تجاوز کند.‌
طول جوش ابتدا و انتهای ستون باید حداقل برابر با بزرگ ترین بُعد مقطع ستون باشد و به طور پیوسته انجام گیرد.
طول موثر هر قطعه از جوش منقطع نباید از ۴ برابر بعد جوش یا حداقل ۴۰ میلی متر کمتر باشد.
فاصله میان لبه بال دو پروفیل نباید از یک درز ۱/۵ میلیمتری تجاوز کند.

روش ساخت ستون دوبل با ورق سراسری

جهت ساخت این ستون‌ها مطابق ستو‌ن‌های جفت، ابتدا مونتاژ دو تیر آهن درکنار هم روی یک شاسی مناسب و با رعایت رواداری‌های مجاز انجام شده و سپس ورق‌های سراسری بصورت پوششی که از قبل به روش‌های مناسب برشکاری شده، روی ستون جفت شده نصب و خال جوش می‌شود. اگر جوش ورق اتصال ستون بصورت منقطع باشد، باید بصورت زیر اجرا شود.

در ستون‌های جفت با ورق سراسری، فاصله جوش‌های منقطع (غیرممتد) که ورق را به نیمرخ‌ها متصل می‌کند، نباید از ۳۰ سانتی متر بیشتر شود. حداکثر فاصله فوق الذکر در مورد فولاد معمولی ۲۲ برابر ضخامت ورق است.

روش ساخت ستون مرکب با بست‌های موازی یا مورب (ستون دوبل پا باز)

متداول‌ترین نوع ستون در ایران ستون‌های مرکبی است که دو تیر آهن در کنار هم قرار گرفته و قیدهای افقی یا چپ و راست، این نیمرخ‌ها را به هم متصل می‌کند. البته بست‌های چپ و راست که شکل‌های مثلثی را به وجود می‌آورند، دارای مقاومت بهتری نسبت به بست‌های موازی هستند.

‌حداقل ابعاد بست یا تسمه افقی ستون باید به این صورت باشد.

طول وصله حداقل معادل فاصله مرکز تا مرکز دو نیمرخ باشد.‌
عرض تسمه از ۵۰ درصد طول آن کمتر نباشد.
ضخامت تسمه از یک چهلم طول آن کمتر نباشد.

در اطراف کلیه تسمه‌ها و در سطح تماس با بال نیمرخ‌ها، عمل جوشکاری انجام شود. مجموع طول خط جوش در هر طرف صفحه نباید از طول صفحه کمتر شود‌.

فاصله قیدها و ابعاد آن براساس محاسبات فنی تعیین می‌‌شود.

در قسمت انتهایی ستون، باید حتماً از ورقی با طول حداقل برابر با عرض ستون استفاده کرد تا علاوه بر تقویت پایه، محل مناسبی برای اتصال سایر اعضاء به ستون به وجود آید.

در محل اتصال تیر به ستون لازم است قبلاً ورق تقویتی به ابعاد کافی روی بال‌های ستون جوش شده باشد.

جزئیات ساخت ستون در محل اتصال خمشی تیر به ستون

در اتصالات خمشی یا گیردار در محل اتصال تیر به ستون از یک ورق میانی بین ورق‌های تقویتی روی بال ستون استفاده می‌شود. در مرحله ساخت ستون، پس از مونتاژ دو تیرآهن در فاصله مورد نظر و خال جوش کردن قیدها یا ورق پوششی سراسری روی بال ستون، در محل تراز سقف‌ها از یک ورق میانی بین دو ورق وصله روی بال ستون استفاده می‌شود. همچنین در جان ستون نیز قبل از نصب ورق وصله در امتداد بال‌ شاه تیرها، دو ورق سخت کننده مونتاژ و جوش می‌شود.

ستون‌های با مقطع دایره‌ای

معمولاً مقاطع لوله‌ای (دایره‌ای) از قطر ۵ تا ۳۰ سانتیمتر برای ستون‌ها بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. کاربرد لوله بیشتر در پایه‌های بعضی منابع هوایی، دکل‌های مختلف و خرپاسازی‌های سبک است. این مقاطع به طور کلی مقاومترند، برای اینکه ممان اینرسی آن‌ها در تمام جهات یکسان است. با تغییر ضخامت مقاطع لوله‌ای می‌توان‌ اینرسی‌های مختلف را به دست آورد.‌

نصب ستون روی صفحه ستون

در انجام عملیات نصب اسکلت، دو روش عمومی برای نصب ستون برروی صفحه ستون وجود دارد.

روش سنتی

ورق صفحه ستون به صورت جدا از ستون همراه با پیچ مهاری بر روی شالوده مستقر میشود. هنگام محاسبه ابعاد صفحه ستو‌ن‌ها باید حداقل فاصله میله مهاری از لبه کف ستون و محل جاگذاری نبشی با ضخامت جوش لازم برای نگه داشتن ستون، همچنین ضخامت ورق‌های ستون و ابعاد ستون را با دقت بررسی کرد. سپس با توجه به موارد یاد شده، به نصب نبشی و استقرار ستون به این صورت اقدام نمود. بر روی صفحه ستون محل ستون و محل آکس آن را کنترل می‌کنیم. سپس نبشی‌هایی به صورت عمود بر هم بر روی صفحه ستون جوش داده، آنگاه ستون را مستقر و اقدام به نصب دیگر نبش یهای لازم کرده و آن‌ها را به صفحه ستون جوش می‌دهیم. از مزایای عمود بر هم بودن دو نبشی روی صفحه ستون علاوه بر سرعت عمل و استقرار بهتر به علت تماس مستقیم به بال نبشی، اتصال جوشکاری به گونه‌ای درست تر و اصولی صورت می‌گیرد.

قبل از جوشکاری باید ستون‌ها را هم محور و قائم نموده و عمود بودن در دو جهت کنترل شود. پس از نصب ستون‌ها با توجه به ارتفاع ستون و آزاد بودن سرستون، ممکن است تا زمان نصب تیرها، ستون‌ها در اثر شدت باد و وزن خود حرکت‌هایی داشته باشند که احتمالاً تاثیر نامطلوب و ایجاد ضعف در جوشکاری و اتصالات کف ستون‌ها خواهد داشت. به این سبب، باید پس از نصب، فوراً به مهاربندی موقت ستون‌ها به وسیله میلگرد یا نبشی به صورت ضربدری اقدام کرد.

روش صنعتی

‌در این روش صفحه ستون در کارخانه به صورت گونیا به پای ستون جوش و یکپارچه می‌شود.

رواداری نصب ستون

حداکثر میزان جابجایی مجاز محور ستون از محل فرضی، مساوی ۶ میلیمتر است.
حداکثر ناشاقولی مجاز ستون‌ها، به ازای هر طبقه مساوی یک پانصدم ارتفاع و حداکثر ۲۵ میلیمتر به سمت نما و ۵۰ میلیمتر به سمت داخل ساختمان است.