تعریف ستون (Column) و بیان مفاهیم مرتبط با آن

ساختمان، از نظر سازه‌ای متشکل از اعضاء متعدد نظیر فونداسیون، تیر، ستون و دال است که معمولاً در یک محل ثابت و به منظور کاربری‌های مسکونی، تجاری، عمومی، صنعتی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. اعضاء اصلی ساختمان، با عنوان المان‌های سازه‌ای شناخته می‌شوند.

ستون، یکی از اعضاء اصلی باربر و عمودی ساختمان است که معمولاً طول بیشتری نسبت به ابعاد جانبی خود دارد. وظیفۀ انتقال بارهای محوری فشاری از اعضاء بالایی تیر و دال به اعضاء پایینی تیر، کف یا فونداسیون را برعهده دارد. به دلیل رفتار مشابه اعضاء فشاری، اکثر آن‌ها با عنوان ستون شناخته می‌شوند.

ستون از اعضاء اصلی و مهم در ساختمان به شمار می‌رود و وظیفۀ نگهداری از سقف و ستون‌های بالایی را بر عهده دارد. ستون، بارهای فشاری روسازه (Super Structure) را به زیرسازه (Sub Structure) منتقل می‌کند. در صورت آسیب رسیدن به ستون، پایداری کل ساختمان به خطر می‌افتد. اهمیت ستون به اندازه‌ای است که ترسیم پلان‌ها در نقشه‌کشی ساختمان، با در نظر گرفتن شبکه‌بندی و ستون‌گذاری پلان انجام می‌شود.

اجزاء ستون در ساختمان:

ستون، دارای اجزاء مختلفی است که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به پایه، بدنه، سرستون، کتیبه و دستک اشاره کرد.

برخی از این اجزاء برای اجرای ستون ضروری هستند و برخی دیگر با توجه به نوع سازه (ساختمان، پل، سوله)، محل اجرا (فونداسیون، طبقات بالایی، اطراف سازه) و اعضاء مجاور (دال، دیوار، تیر) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• صفحه ستون یا Base Plate: صفحه‌ای فلزی است که برای اتصال ستون فولادی به فونداسیون (بر روی پایۀ ستون) و اتصال ستون‌های بالایی به یکدیگر استفاده می‌شود.
• بدنه یا Shaft: بخش بلند و باریک ستون است که بین پایه و سرستون قرار دارد. انتقال بار از المان‌های بالایی به المان‌های پایینی توسط بدنه صورت می‌گیرد. به دلیل آزاد بودن بخش زیادی از بدنه، شکست ستون در ساختمان معمولاً در این بخش رخ می‌دهد.
• سرستون یا Capital: بخش بالایی ستون است که بارهای اعمال شده از روسازه (Super Structure) را بطور مستقیم تحمل کرده و به بدنه منتقل می‌کند.
• کتیبه یا Drop Panel: یک بخش مستطیلی شکل بین سرستون و دال بتنی است که با توزیع بهتر بارهای اعمال شده، از برش و گسیختگی دال جلوگیری می‌کند.
• دستک یا Bracket: بخش بیرون زدۀ ستون‌های بیرونی (روی محیط خارجی) سازه است که به منظور نگهداری از تیر یا زیبایی ظاهری، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انواع ستون بر اساس خاموت‌گذاری:

•  خاموت برای ستون مربعی (Tied Column): در ستون مربعی، میلگردهای طولی با خاموت‌های عرضی توسط مفتول بهم گره می‌خورند. خاموت‌ها در فاصلۀ یکنواختی در ستون قرار نداشته و ستون به ناحیۀ عادی و ویژه تقسیم می‌شود که ضوابط آن با توجه به شکل پذیری در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان تعیین می‌شود. بیش از 95 درصد از کل ستون‌های ساختمان‌ها در مناطق غیرلرزه‌ای با خاموت مربعی هستند.
•  خاموت برای ستون دایره‌ای (Spiral Column): حاوی مارپیچ‌هایی هستند که آرماتور طولی اصلی را در خود نگه می‌دارند. مارپیچ تقویت کننده، عملکردی همچون فنر از خود نشان خواهد داد. میلگردهای اصلی در یک دایره قرار گرفته و توسط خاموت مارپیچی در جای خود مستحکم می‌شوند. ستون‌های مارپیچی هنگامی مورد استفاده قرار می‌گیرند که استحکام و شکل‌پذیری بالایی مورد نیاز باشد؛ زیرا مارپیچ در برابر تغییر شکل جانبی میله‌های ستون، تحت بارهای محوری زیاد به خوبی عمل می‌کند. ستون‌های مارپیچی در مناطق لرزه‌خیز، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند (ظرفیت برشی خاموت مارپیچی، معمولاً اندکی بیشتر از ظرفیت برشی خاموت مربعی خواهد بود).

انواع ستون در ساختمان از نظر مصالح مصرفی:

• فولادی: فولاد، یکی دیگر از مواد پرکاربرد برای اجرای ستون در ساختمان اسکلت فولادی و بتنی است. این ماده، به شکل میلگرد (اسکلت بتنی) یا پروفیل (اسکلت فولادی) در ساخت ستون، مورد استفاده قرار می‌گیرد. فولاد از مقاومت فشاری و کششی خوبی بهره می‌برد. با این وجود، احتمال کمانش یا خمش آن در شرایط بارگذاری بحرانی، زیاد است. از پارامترهای مؤثر بر کمانش ستون‌های فولادی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: طول (نسبت لاغری)، سطح مقطع، روش اتصال، شکل سطح مقطع  و غیره. مقاطع I شکل و H شکل، متداول‌ترین مقاطع فولادی مورد استفاده به عنوان ستون در ساختمان هستند. اعضاء فولادی به دلیل هزینۀ بالای مواد اولیه، معمولاً به صورت پروفیل‌های تو خالی (HSS) مورد استفاده قرار می‌گیرند. در صورتی که نیاز به ظرفیت باربری بیشتر باشد، از مقاطع بزرگتر، ترکیب بتن با پروفیل‌های فولادی (ستون کامپوزیت) یا میلگردهای فولادی (بتن‌آرمه) استفاده می‌شود.

• بتنی: بتن، یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی در دنیا است. ستون بسیاری از ساختمان‌ها از گذشته تا کنون توسط انواع مختلف بتن نظیر بتن، بتن‌آرمه، بتن الیافی و غیره ساخته شده است. بالا بودن مقاومت فشاری بتن، آن را به یک گزینه مناسب برای ساخت اعضاء تحت فشار تبدیل می‌کند. در گذشته، مقاومت کششی پایین بتن، باعث محدودیت استفاده از آن برای ساخت ستون در ساختمان می‌شد. برطرف کردن این مشکل با معرفی بتن‌آرمه، استفاده از اسکلت بتنی را با استقبال زیادی رو به رو کرد. در مجموعه‌ای از ستون‌های بتن آرمۀ اجرا شده در طبقات بالایی ساختمان در ساختمان‌های چند طبقه و بزرگ، احتمال شکست ستون بر اثر خمش و کمانش وجود دارد. به همین دلیل، در مواردی که نیاز به ظرفیت باربری بیشتر و مقاومت کافی در برابر کمانش یا خمش وجود داشته باشد، از بتن‌آرمه یا الیافی برای ساخت ستون استفاده می‌شود. به علاوه، در صورت محدودیت افزایش ابعاد مقطع ستون، بکارگیری بتن‌های مسلح یا الیافی نسبت به بتن در اولویت قرار می‌گیرد. با این وجود، پرکاربردترین ستون‌های بتنی مورد استفاده در ساختمان‌ها دارای مقاطع مستطیلی / مربعی یا دایره‌ای هستند. عملکرد مناسب این مقاطع در برابر بارگذاری‌های مختلف، باعث اولویت آن‌ها نسبت به دیگر مقاطع شده است. مقاطع مستطیلی، مربعی، دایره‌ای و شش ضلعی ستون‌های بتنی، هم به صورت توپر و هم به صورت توخالی ساخته می‌شوند.
• کامپوزیت: به ستون‌های متشکل از چند ماده، ستون کامپوزیت می‌گویند. بتن‌آرمه یا بتن مسلح، یکی از پرکاربردترین انواع بتن در ساختمان‌سازی است که از ترکیب میلگرد یا الیاف فولادی ساخته می‌شود. این نوع بتن، یک ماده کامپوزیت به شمار می‌رود. امکان استفاده از میلگرد یا الیاف غیر فولادی در ساخت بتن مسلح وجود دارد. با این حال، به دلیل نزدیک بودن ضریب انبساط حرارتی بتن و فولاد، اغلب از این دو ماده در کنار یکدیگر برای ساخت ستون بتن‌آرمه استفاده می‌شود

انواع ستون بر اساس بارگذاری:

• بار محوری (Axially Loaded Column): اگر بارهای عمودی – فشاری در امتداد محور مرکزی ستون اعمال شوند، بار محوری نامیده می‌شوند. این نوع ستون تنها تحت تنش فشاری در مساحت خود قرار خواهند گرفت.
• بار خارج از محور در یک امتداد (Eccentrically Loaded: Uniaxial): هنگامی که بارها در فاصله e از مرکز سطح مقطع ستون اعمال می‌شوند، به عنوان بار خارج از محور در یک امتداد شناخته می‌شوند. در یک ستون تک محوره بارگذاری شده خارج از محور، این فاصله e می‌تواند در امتداد محور x یا محور y باشد. این بارهای غیرمحوری باعث تنش فشاری و گشتاورهای خمشی در امتداد محور x یا محور y بصورت همزمان می‌شوند.
• بار خارج از محور در دو امتداد (Eccentrically Loaded: Biaxial): در این نوع، بارها در هر نقطه از سطح مقطع اعمال می‌شوند، اما در محورهای x و y حرکت نمی‌کنند. بارها باعث ایجاد همزمان تنش فشاری و گشتاورهای خمشی در هر دو محور x و y  می‌شوند.

انواع ستون بر اساس لاغری:

زمانی‌که نیروی وارد شده بر سازه مانند یک ستون افزایش می‌یابد، ممکن است به اندازه‌ای بزرگ باشد که سبب ناپایداری عضو شود که می‌گوییم سازه تحت کمانش قرار گرفته‌است. بارگذاری بیشتر، سبب تغییرشکل‌های زیاد و تا حدودی غیرقابل پیش‌بینی خواهد شد که ممکن است سبب از بین رفتن کامل ظرفیت باربری عضو شود. اگر تغییر شکلی که در اثر کمانش در عضو ایجاد می‌شود سبب فروپاشی کامل عضو نشود، آن عضو می‌تواند بار وارده که سبب کمانش آن می‌شود را تحمل نماید.

اگر باری در یک ستون از مرکز گرانش (مرکز) سطح مقطع آن ستون اعمال شود، به آن نیروی محوری گویند؛ هر نیرویی که از نقطه‌ای غیر از این نقطه وارد شود، به آن نیروی خارج از مرکز گویند. یک ستون کوتاه تحت نیروی محوری ممکن است قبل از اینکه در آن کمانشی ایجاد شود، شکست نماید، اما در یک ستون بلند تحت بار مشابه، به‌صورت جهش ناگهانی جانبی (کمانش) به حالت خمشی، دچار شکست خواهد شد.

• ستون کوتاه (Short Reinforced Column): یک عضو فشاری است که ارتفاع آن کمتر از سه برابر کمترین بعد جانبی‌ خود است. این ستون در برابر بار فشاری و همچنین بار خمشی مقاومت بالایی از خود نشان می‌دهد. به عبارتی دیگر می‌توان گفت، ظرفیت باربری بالایی دارند.
• ستون بلند (Long Reinforced Column): نسبت لاغری در ستون بلند به معنای آن است که ارتفاع ستون از سه برابر کمتری بعد جانبی‌ خود بیشتر است. ستون‌های بلند تحت بارهای خمشی (کمانش) زودتر از ستون‌های کوتاه تخریب خواهند شد و ظرفیت باربری کمی دارند. در تعریف دیگر، ستون کوتاه، نسبت طول فاقد تکیه‌گاه به حداقل بعد مقطع جانبی برابر یا کمتر از ۱۰ است. اگر این نسبت بزرگتر از ۱۰ باشد، ستون بلند در نظر گرفته می‌شود (گاهی ستون لاغر نیز نامیده می‌شود).

ستون کوتاه، ستونی است که ضریب لاغری آن از ۵۰ تجاوز نکند. ستون با طول متوسط ستونی است که ضریب لاغری آن بین ۵۰ تا ۲۰۰ باشد و رفتار آن به مقاومت محدود مصالح تشکیل دهندۀ آن وابسته است. در نهایت، ستونی با ضریب لاغری بالای ۲۰۰، ستونی بلند خواهد بود و رفتار آن تحت تأثیر مدول الاستیسیتۀ مصالح تشکیل دهندۀ آن قرار دارد.

انواع ستون‌ بر اساس شکل مقطع عرضی:

• ستون با شکل هندسی (Geometric Shaped): براساس نوع طراحی، ستون‌ها می‌توانند مستطیل، گرد، مربع، هشت ضلعی، شش ضلعی باشند. عموماً ستون‌ها ممکن است مربعی و مستطیلی باشند و این در حالیست که ستون‌های مارپیچی، مدور هستند. ستون‌های دایره‌ای زمانی استفاده می‌شوند که ارتفاع بیشتری مانند ستون‌های پل مورد نیاز باشد. ستون‌های دایره‌ای شکل صاف و زیبایی را ارائه می‌دهند. از سوی دیگر، ستون‌های مستطیلی در ساختمان‌های متعارف امروزی بیشتر استفاده می‌شوند؛ زیرا بتن‌ریزی این ستون‌ها،  آسان‌تر و کم هزینه‌تر است.
• ستون L شکل (L-Shaped): این نوع ستون‌ها خیلی محبوب نیستند. نوع L شکل را می‌توان به عنوان ستون گوشه در ساختار اسکلت ساختمانی استفاده کرد. این طرح ستون می‌تواند جایگزین مناسبی برای مقاومت در برابر بار محوری و خمش در دو محور گوشه‌ها باشد.
• ستون V شکل (V-Shaped): در ساختار ذوزنقه‌ای می‌توان از این نوع استفاده کرد. ستون‌های V شکل در مقایسه با دیگر ستون‌ها به مواد بیشتری نیاز دارند.
• ستون T شکل (T-Shaped): بسته به الزامات طراحی، ستون‌های T شکل ممکن است در ستون‌های پل کاربرد داشته باشند.

انواع ستون بر اساس قاب مهاربندی:

• ستون مهاربندی شده: ستون‌ها ممکن است قسمتی از یک قاب باشند که در کنار هم مهار شده یا مهاربندی نشده باشند. ثبات جانبی یک ساختار به طور کلی با مهاربندی فراهم می‌شود. ثبات جانبی توسط مهاربندها به دلیل مقاومت در برابر نیروهای جانبی مانند باد و زلزله انجام می‌شود. مهاربندی را می‌توان با استفاده از دیوارهای برشی یا مهاربندها در قاب ساختمان به دست آورد. در قاب‌های فلزی از بادبند و در قاب‌های بتنی از دیوار برشی استفاده می‌شود.
• ستون بدون مهاربند: ستون‌های بدون مهاربند باید بار گرانشی و بار جانبی را به همراه تیرها تحمل کنند. در نتیجه، ظرفیت باربری ستون کاهش می‌یابد. عدم استفاده از مهاربند اغلب در مناطق با خطر لرزه‌خیزی کم است.

الزامات طراحی ستون:

طراحی ستون در ساختمان بر اساس استانداردهای مختلف نظیر مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمان‌های بتن‌آرمه) و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی) انجام می‌گیرد.

این استانداردها، تمامی الزامات مورد نیاز برای طراحی ستون‌ در ساختمان را پوشش می‌دهند. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (بارهای وارد بر ساختمان) و استاندارد 2800 ایران (طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله) نیز انواع ترکیبات بارگذاری مورد نیاز برای طراحی را ارائه می‌کنند.

بطور کلی، هنگام انتخاب فاصلۀ بین ستون‌ها، باید نکات زیر را در نظر داشت:

• هیچ قانون دقیق و مشخصی برای تعیین فاصله بین دو ستون بتن‌آرمه، وجود ندارد؛ اما آیین‌نامه حداقل و حداکثر برای تعیین آن در نظر می‌گیرد.
• بار ساختمان، نقش مهمی در حداکثر فاصله مجاز دارد.
• مهندسان معمار، فاصلۀ بین دو ستون را با توجه به کاربری ساختمان، مشخص می‌کنند.
• مبنای معماری ساختمان، استفاده حداکثری از فضای موجود و مبنای طراحی آن، پایداری سازه است.
• افزایش فاصلۀ بین ستون‌ها، افزایش هزینه‌های ساخت ساختمان را در پی خواهد داشت. هر چه این فاصله بیشتر باشد، ابعاد ستون و عمق تیرهای مورد نیاز برای تحمل بارهای ساختمان نیز افزایش می‌یابد. این مسئله، حجم مصالح مصرفی را افزایش می‌دهد.
• طراحی ستون‌ها با الگوی شبکه‌ای، رویکرد مناسبی است که عملکرد سازه را بهبود می‌بخشد.
• در ساختمان‌های کوچک، فاصلۀ بین ستون‌ها، 3 الی 4 متر است. این بازه برای ساختمان‌های بزرگ به 6 تا 9 متر نیز می‌رسد.
• در نهایت توجه داشته باشید که با حفظ ایمنی و یکپارچگی ساختمان، امکان اجرای ستون‌ها در هر فاصلۀ دلخواه، وجود دارد. اگرچه در صورت نیاز به افزایش دهانه، ابعاد ستون باید مطابق با بارهای اعمال شده افزایش یابد.