سازه CFT یا سیستم ستون فولادی پرشده با بتن یکی از سبک های معروف سازه است. سازه CFT دارای ستون دایره ای مختلط، تیر فولادی و دیوارهای برشی بتن آرمه است و می‌توان آن را ترکیبی از سازه فولادی و سازه بتن دانست. در این متن درباره سازه CFT و طراحی ستون فولاد و بتن در آن صحبت خواهیم کرد و به مزایا و معایب این نوع از سازه خواهیم پرداخت. با آکادمی معلم همراه باشید.

سازه CFT در آیین نامه و قوانین ایران و جهان

استفاده از ستون فلزی در سازه CFT

سیستم سازه CFT طبق آیین نامه ۲۸۰۰ ایران ترکیبی از قاب ساده، سیستم باربر جانبی (دیوار برشی یا مهاربندی های فولادی) است. بر اساس این مقررات نوع سقف مورد استفاده می تواند از روش های مختلف (دال یکطرفه و دوطرفه، عرشه فولادی، سیستم های یوبوت و کوبیاکس، سیستم وافل یکطرفه و دوطرفه، تیرچه بلوک یا کرمیت و..) باشد.

برای آشنایی با واکنش لزره ای ساختمان سبک فولادی به این مطلب مراجعه کنید:

۴ ویژگی سازه LSF یا ساختمان سبک فولادی

نکته دیگر در مورد حداکثر دهانه و ارتفاع قابل اجرا با این روش است، طبق محاسبات و آیین نامه سازه های قاب شکل این ابعاد باید مطابق با مباحث ۲۸۰۰ اجرا شود.

تحقیقات مرکز ساختمان ژاپن در مورد سازه CFT

مراکز تحقیقاتی متفاوت اطلاعات مختلفی در مورد این سازه ارائه داده‌اند که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به مرکز تحقیقات مرکز ساختمان ژاپن اشاره کرد. تحقیقات انجام شده در این مرکز در مورد CFT نشان می دهد به دلیل اندرکنش بالای فولاد و بتن در ستون، عملکرد سازه ای ارتقا یافته و منجر به کاهش کمانش لوله فولادی، مقاومت بیشتر بتن و کاهش خزش و جمع شدگی می‌شود.

همچنین در این تحقیقات مشخص شد نسبت فولاد به بتن در اینگونه مقاطع در مقایسه با ستون بتن آرمه بالاتر رفته و قابلیت تغییر شکل پلاستیک درخمش به جهت محیطی بودن فولاد در سطح مقطع بتن افزایش می یابد.

انواع مقاطع ترکیبی بتن و فولاد در سازه CFT

طراحی ستون CFT با تیر فولادی

در سازه CFT سیستم ستون دارای مقطع ترکیبی از بتن و فولاد هستند. در حالت کلی مقاطع ترکیبی دو حالت دارند، در یک حالت بتن محیط بر مقطع فولادی می شود که معمولا در ساختمان کمتر مشاهده می شود و بیشتر در شمع ها قابل مشاهده است. در حالت دوم بتن محاط در مقطع فولادی می شود. ستون CFT  جزو حالت دوم است و از ترکیب عملکرد بتن و پوشش فولادی آن ظرفیت بالای خمشی و محوری شکل می گیرد. البته این تنها مزیت مهم مقاطع ترکیبی بتن و فولاد نیست، بلکه در چنین شرایطی مقطع توخالی فولادی (مقطع قبل از بتن ریزی) سبک است و از قابلیت نصب و اجرای سریع برخوردار است.

افزایش سرعت اجرا در مقاطع ترکیبی بتن و فولاد

نمونه اتصال پای ستون و وصله ستون CFT

یکی از مزیت های مهم مقاطع ترکیبی بتن و فولاد در سازه CFT بخش قالب فولادی برای اجرای بتن است. پس از نصب، بخش فولادی نقش قالب را برای بخش بتنی دارد و به همین دلیل سرعت اجرا را افزایش می دهد. پوشش فولادی به نوعی می تواند نقش قالب ماندگار برای بخش بتنی را نیز داشته باشد. اگرچه مقطع فولادی توخالی می تواند حالت های مختلف داشته باشد، ولی در اغلب سیستم های پیشنهاد شده مقطع بهینه و مناسب دایره ای استفاده شود.

نمای نزدیک اتصال ستون CFT

در ستون CFT نیز اتصال وصله ستون به صورت فلنجی اجرا می شود و در محل اتصال به پی نیز از قابلیت مهار توسط میلگردهای طولی ستون کمک گرفته می شود.

جزییات اجرایی سازه CFT ترکیبی بتن و فولاد

نمای بالایی از سیستم سقف دال عرشه مرکب قبل از بتن ریزی و پس از نصب برش گیرها و میلگردها

سازه CFT مورد توجه ساختمان های بلندمرتبه و از جمله سیستم مختلط فولاد و بتن به حساب می آید. سیستم سازه ای آن قاب ساده به همراه دیوار برشی و ستون این سیستم دارای لوله فولادی دایره ای یا مربع شکل است که داخل آن از بتن پر می شود. تیرهای این سیستم می تواند به صورت مختلط یا فولادی اجرا شود. از این تکنیک ترکیبی غالباً در ستون ساختمان استفاده می شود و محدودیتی برای استفاده از سیستم های دیگر برای تیرهای ساختمان و نوع سقف وجود ندارد. ولی لازم است تمهیدات مورد نیاز در مورد اتصال تیر به ستون رعایت شود.

چطور از تیر فولادی در طراحی سازه CFT استفاده کنیم؟

اغلب ستون‌های CFT را با تیرهای فولادی طراحی می‌کنند تا سرعت اجرا زیاد شود. از آنجا که به کار‌گیری ستون CFT در سازه ساختمان ضمن افزایش قابل ملاحظه ظرفیت ستون به سرعت اجرا می افزاید، برای بهره گیری از این امتیاز مثبت باید این سیستم با سیستم باربری مناسبی برای سقف تلفیق شود که سرعت زیاد اجرا را تحت الشعاع قرار ندهد. از این جهت یکی از سیستم های سقف ساختمان، سیستم دال عرشه مرکب است.

استفاده از سیستم عرشه مختلط در سیستم CFT

نمای زیرین از سیستم سقف دال عرشه مرکب (بدون نیاز به قالب بندی زیر سقف) در سازه سی اف تی

از این سیستم تحت عنوان عرشه مختلط نیز نام برده می شود. در این نوع سقف، عملکرد خمشی به این شکل است که دو قسمت بتنی و فولادی توسط برش گیرهایی به هم پیوسته می شوند و از عملکرد ترکیبی آنها مقاومت کافی حاصل می شود. چون قسمت فولادی مقطع مختلف به تنهایی از مقاومت کافی برای تحمل بارهای حین نصب و بتن ریزی برخوردار است، نیاز به قالب بندی زیر سقف نیست و این عامل به صورت قابل ملاحظه ای به سرعت اجرا می افزاید. فقط کافیست که قسمت فولادی عرشه پس از نصب اسکلت ساختمان اجرا شده و پس از میلگردگذاری سقف و اجرای برش گیرها، بتن ریزی لایه فوقانی سقف انجام شود.

اتصال تیر به ستون در سازه CFT

نحوه اجرای راه پله توسط سیستم دال عرشه مرکب قبل و پس از میلگرد گذاری

اتصال جدید تیر به ستون به صورت عبوری از داخل ستون (اتصال با ورق میان گذر) است که یک ورق در هر جهت از داخل ستون عبور می کند و تیرها از ۴ طرف به ستون وصل می شوند. این اتصال با توجه ضوابط آیین نامه Eurocode 4 , BS EN 1994-1-1:2004 و روابط و ضوابطی که آیین نامه برای این اتصال ورق عبوری ارایه کرده، طراحی شده است. بعد از اجرای فونداسیون، ابتدا قطعه پدستال در محل اجرای ستون نصب و سپس قطعات بعدی ستون با اتصال فلنجی روی پدستال اجرا می شود. اتصال قطعات ستون به هم به وسیله اتصال فلنجی انجام می شود. این اتصال بر اساس ظرفیت کشش لوله فلزی طراحی شده است.

مزایای سازه CFT

به طور کلی می توان به ۲ مزیت بزرگ سازه CFT در ترکیب های مختلف نسبت به روش های مشابه اشاره کرد:

۱. افزایش بهره‌وری در زمان و هزینه

با توجه به توضیحات فوق عملکرد ترکیبی دو سیستم CFT و سقف دال عرشه مرکب می تواند راندمان عملیات اجرایی را به صورت قابل ملاحظه‌ای افزایش دهد. در ضمن بدلیل بهره گیری قابلیت های مفید بتن مانند مقاومت فشاری و استفاده کمتر از فولاد، این سیستم از سیستم معمول اسکلت فولادی ارزان تر تمام می‌شود.

نمای داخلی از ستون CFT قبل از نصب

نکته قابل ذکر در این باره اینکه اگرچه ممکن است این سیستم از سیستم اسکت بتنی رایج (قاب بتن مسلح) مقداری گران تر تمام شود، ولی باید توجه داشت که سرعت اجرا در این حالت چند برابر می‌شود و در مجموع اقتصادی تر خواهد بود.

۲. انعطاف پذیری در برابر استفاده از روش مختلف همراه CFT

در صورت لزوم در این سیستم می توان داخل مقاطع CFT را با میلگرد مسلح کرد و به ظرفیت باربری آن ها افزود. همچنین چون در این سیستم اجرای اتصالات خمشی و گیردار نیاز به تمهیدات خیلی خاص دارد، بیشتر طراحان ترجیح می دهند از این سیستم تحت عنوان قاب خمشی برای باربری جانبی نیروی زلزله استفاده نکرده و از دیگر عناصر مقاوم در برابر نیروهای جانبی مانند دیوارهای برشی و مهاربندها کمک بگیرند.

برای آشنایی با پروژه بزرگ مگاپارس به این مطلب مراجعه کنید:

آشنایی با مجتمع چند منظوره مگاپارس

به همین دلیل در طراحی ستون CFT صرفا تحت بار محوری طراحی می شود و وظیفه باربری جانبی از دوش قاب های ساختمانی برداشته و به عناصری مانند دیوار برشی و بادبند محول می شود. در این سیستم امکان کنترل کیفیت کارخانه‌ای قطعات، قابلیت حمل آسان المان‌ها، حدود ۳۰ درصد کاهش مصرف آهن آلات نسبت به سازه فولادی، مصرف بتن کمتر نسبت به سازه بتنی و امکان اجرا تا دهانه‌های زیاد اشاره نمود.

معایب سازه CFT

در این نوع از سازه‌ها معمار بایستی با پیچیدگی همچون ارئه راهکار برای نازک کاری ستون‌ دایره ای ارائه دهد. میزان محاسبات و پیچیدگی‌ها در این سازه بسیار بالا است. همچنین نسبت به سازه بتنی و قالب تونلی پرهزینه تر بوده و نیاز به کنترل کیفیت دقیق قطعات و اجرای اتصالات سیستم و بتن ریزی وجود دارد.

سرعت اجرای پروژه CFT

سرعت اجرای پروژه CFT در نمونه‌های مشابه با توجه به شرایط اجرایی و نیروی انسانی در حدود ۳۲۵ متر مربع در هر روز است. همچنین محدودیت ارتفاع در این نوع از سازه‌ها در حدود ۵۰ متر است.