ضوابط کف ستون یا همان طراحی صفحه ستون ها
ضوابط کف ستون یا همان طراحی صفحه ستون ها
اتصال ستون به فونداسیون در یک سازه فولادی، توسط کف ستون (صفحه ستون) صورت می گیرد.
کف ستون ها با انتقال بارهای ستون به فونداسیون، تنش های به وجود آمده در زیر ستون را در سطح بزرگتری پخش می کند تا از گسیختگی مصالح فونداسیون جلوگیری شود.
در این قسمت با نحوه طراحی کف ستون ها تحت اثر نیروی محوری خالص و همچنین تحت اثر نیروی محوری و لنگر خمشی آشنا می شویم. همچنین چگونگی محاسبه مقاومت اتکایی سطوح متکی به هم را بررسی می کنیم.
طراحی کف ستون تحت اثر نیروی محوری خالص
هنگامی که ستون تحت اثر نیروی محوری خالص باشد، تنش های لهیدگی ایجاد شده بین کف ستون و فونداسیون به صورت یکنواخت می باشند.
در این حالت برای طراحی کف ستون باید سه مورد زیر را در نظر گرفت:
1- ابعاد کف ستون
2- ضخامت کف ستون
3- طراحی میل مهارهای اتصال کف ستون به فونداسیون تعیین می گردد، به طوری که داریم:
Pp: مقاومت اتکایی است که براساس حالت حدی خرد شدگی مصالح تکیه گاهی به شرح زیر تعیین می گردد.
الف) فشار مستقیم بر روی تکیه گاه مصالح بنایی با سنگ آهکی یا ماسه سنگ متراکم و ماسه سیمان:
که در آن:
Ap: سطح اتکا در تماس با تکیه گاه بر حسب میلی متر مربع
Fp: تنش اتکایی اسمی و مساوی 6 مگاپاسکال
ب) فشار مستقیم بر روی تکیه گاه مصالح بنایی با آجر فشاری و ملات ماسه سیمان:
که در آن:
Ap: سطح اتکا در تماس با تکیه گاه بر حسب میلی متر مربع
Fp: تنش اتکایی اسمی و مساوی 4 مگاپاسکال
پ) فشار مستقیم بر روی تکیه گاه بتنی:
که در آن:
fc: مقاومت مشخصه فشاری بتن بر روی نمونه استوانه ای استاندارد
A1: سطح ورق کف ستون در تماس با شالوده
A2: حداکثر سطحی از شالوده هم مرکز و متشابه با ورق کف ستون در پلان و عمق شالوده
تذکر: برای درک بهتر از نحوه تعیین پارامتر A2 به شکل های زیر توجه کنید (مساحت هاشور خورده در شکل زیر برابر مساحت A2 می باشد):
اگر در اتصال کف ستون به تکیه گاه بتنی A2/A1>4 باشد، مقدار Pp از رابطه 1.7fcA1 تعیین می گردد.
مثال: نسبت مقاومت اتکایی اسمی کف ستون به ابعاد 60x60cm در حالت الف به حالت ب کدام گزینه است؟ (تکیه گاه کف ستون از جنس بتن است)
الف) صفحه کف ستون در وسط پی منفرد به ابعاد 150x150cm قرار دارد.
ب) صفحه کف ستون در گوشه پی منفرد به ابعاد 150x150cm قرار دارد.
1- 1 2- 1.5 3- 2 4- 2.5
حل: در حالت الف که کف ستون در وسط پی منفرد با ابعاد 150x150cm قرار دارد، به منظور بدست آوردن مقاومت اتکایی کف ستون مطابق شکل زیر خواهیم داشت:
در حالت الف چون سطح پی از چهار برابر سطح کف ستون بزرگتر است نباید برای محاسبه مقاومت اتکایی اسمی از رابطه 
استفاده کنیم و باید 1.7fcA1 را به عنوان مقاومت اتکایی اسمی لحاظ کنیم.
در حالت ب که کف ستون در گوشه پی منفرد قرار دارد، سطوح A1 و A2 برابرند و مقاومت اتکایی اسمی برابر 0.85fcA1 است. در نتیجه نسبت مقاومت اتکایی اسمی در حالت الف به ب برابر 
می باشد.
بنابراین گزینه 3 صحیح است.
مثال: در شکل روبرو، چنانچه ستون بار محوری نهایی 3000kN را به کف ستون مربع شکل وارد نمایند. حداقل عرض کف ستون (B) بدون لحاظ مقاومت برشی پی، به کدامیک از مقادیر زیر بر حسب میلی متر نزدیک تر است؟ (رده بتن C30 می باشد)
1- 700 2- 600 3- 500 4- 400
حل: برای تعیین عرض مورد نیاز کف ستون باید از روابط زیر، مقاومت اتکایی طرح با مقدار بار محوری ستون مقایسه شود.
طراحی کف ستون تحت اثر نیروی محوری و لنگر خمشی
در این حالت ابتدا باید توزیع تنش های لهیدگی زیر کف ستون مشخص شود، زیرا با اعمال لنگر خمشی Mu این تنش ها دیگر به صورت یکنواخت نبوده و به صورت غیر یکنواخت می باشند.
می توان اثر وجود لنگر خمشی Mu را این طور توصیف کرد که نیروی محوری Pu با خروج از مرکزیت (e=Mu/Pu) بر ستون اعمال گردد. بنابراین داریم:
در مقایسه e و D در یک کف ستون مستطیلی، سه حالت زیر رخ می دهد:
حالت 1: اگر (e<D/6)
در این حالت، هیچ قسمت از کف ستون تحت اثر کشش قرار نمی گیرد و تمامی طول ورق تحت اثر نیروی فشاری می باشد. نحوه توزیع تنش های لهیدگی زیر ورق کف ستون به صورت زیر می باشد.
حالت 2: اگر (e=D/6)
در این حالت، تمامی طول ورق کف ستون تحت اثر نیروی فشاری است و انتهای ورق در آستانه بلند شدن از روی فونداسیون می باشد.
حالت3: اگر (e>D/6)
در این حالت قسمتی از کف ستون تحت اثر نیروی کششی قرار می گیرد و در معرض بلند شدن از روی فونداسیون می باشد. بنابراین نیاز به طراحی پیچ های اتصال تحت اثر نیروی کششی می باشد.
مثال: در اتصال شکل زیر، حداقل ضخامت ورق پای ستون تقریبا چقدر است؟ (طول ناحیه طره ای کف ستون را 11 سانتی متر در نظر بگیرید)
1- 1.5 سانتی متر 2- 2 3- 3.2 4- 4
حل:
بنابراین حالت 2 رخ می دهد و کف ستون در آستانه بلند شدگی از روی فونداسیون می باشد.
ابتدا با فرض اینکه تنش زیر کف ستون یکنواخت بوده و مقدار آن fpmax است داریم:
در صورتی که اثر کاهش تدریجی لهیدگی زیر کف ستون را در نظر بگیریم، مقدار ضخامت مورد نیاز اندکی کاهش می یابد و بنابراین گزینه 3 صحیح است.
موارد تکمیلی در رابطه با کف ستون ها
تعیین ضخامت کف ستون
به منظور تعیین ضخامت ورق کف ستون، لنگر خمشی ایجاد شده ناشی از تنش های لهیدگی را در دو مقطع بحرانی m و n کنترل می کنیم:
در روابط فوق bf و h به ترتیب پهنای بال و ارتفاع کل ستون می باشد.
در اینجا فرض می شود که m>n بوده و لذا مقطع بحرانی به صورت زیر می باشد:
تذکر: همانطور که در شکل بالا مشاهده می شود، بار گسترده q لنگر خمشی حول محور ضعیف کف ستون (محور موازی ضلع B) ایجاد می کند.
طراحی میل مهارهای اتصال
اگر در اتصال پای ستون تنها نیروی محوری فشاری Pu اثر کند، از نظر طراحی نیازی به میل مهار نیست و میل مهارهای به کار گرفته شده تنها از لحاظ اجرایی قرار داده می شوند.
در این حالت در ساختمان های معمولی به طور مرسوم 4 میل مهار با قطر 20 میلی متر در چهار طرف کف ستون استفاده می گردد. سر میل مهارها به اندازه 10 تا 15 سانتی متر دنده می شود و میل مهارها باید به اندازه طول مهاری وارد بتن فونداسیون شوند.
نکته: در صورتی که پای ستون علاوه بر نیروی محوری فشاری، نیروی برشی نیز وارد گردد، میل مهارها باید براساس برش طراحی گردند. در حالتی که در این پیچ علاوه بر برش، نیروی کششی نیز ایجاد شود باید براساس ضوابط طراحی پیچ ها عمل کنیم.
مقاومت اتکایی سطوح متکی به هم
مقاومت اتکایی طراحی ستون متکی به هم، مساوی ΦRn می باشد که در آن Φ ضریب کاهش مقاومت برابر 0.75 و Rn مقاومت اتکایی اسمی متکی به هم است. مقدار Rn براساس حالت حدی اتکایی (تسلیم فشاری موضعی) به شرح زیر تعیین می گردد:
الف) برای سطوح صاف و آماده شده، جدار سوراخ های تنظیم شده برای پین و انتهای سخت کننده های کاملا جفت شده:
Fy: تنش تسلیم فولاد
Apb: سطح تصویر اتکا (برابر Dtp در شکل بالا)
ب) بار کفشک های تکیه گاهی:
مثال: پایه یک سازه نگهدارنده که در آن نیروی فشاری 1700kN وجود دارد، به صورت کفشک تکیه گاهی است. اگر تنش تسلیم فولاد برابر 360MPa و طول اتکایی کفشک برابر 200 میلی متر باشد، حداقل شعاع لازم کفشک برای تحمل نیروی پایه به صورت اتکایی تقریبا چقدر است؟
1- 400 2- 450 3- 600 4- 800
حل:
ابتدا فرض می کنیم قطر کفشک حداکثر 635 میلی متر است و داریم:
بنابراین فرض ابتدای حل سوال نادرست بوده و داریم:
بنابراین قطر کفشک لازم باید حداقل 772 میلی متر و در نتیجه شعاع آن حداقل 386 میلی متر باشد. بنابراین می توان شعاع کفشک را 400 میلی متر انتخاب کرد و بنابراین گزینه 1 صحیح است.
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.