ستون در ساختمان – انواع، ویژگی ها، نکات طراحی و اجرا – به زبان ساده

وظیفه ستون در ساختمان نگهداری از المان‌های روسازه و انتقال بارهای فشاری اعمال شده از طرف آن‌ها به ستون‌های پایینی، فونداسیون و یا زمین است. ستون به عنوان یکی از مهم‌ترین المان‌های سازه‌ای و باربر ساختمان محسوب می‌شود. در این مقاله، به معرفی انواع، ویژگی‌ها، نکات طراحی و اجرایی ستون در ساختمان می‌پردازیم.

ساختمان چیست؟

ساختمان، سازه‌ای متشکل از عضوهای متعدد نظیر فونداسیون، تیر، ستون و دال است که معمولا در یک محل ثابت و به منظور کاربری‌های مسکونی، تجاری، عمومی، صنعتی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. عضوهای اصلی ساختمان، با عنوان المان‌های سازه‌ای شناخته می‌شوند. عملکرد مورد انتظار از المان‌های سازه‌ای در اکثر ساختمان‌ها مشابه یکدیگر است. یکی از مهم‌ترین این المان‌ها، ستون نام دارد.

ستون چیست؟

نقش ستون در ساختمان چیست؟

با وجود نقش سازه‌ای ستون در ساختمان، این عضو از گذشته تا کنون به عنوان یک المان تزئینی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. بسیاری از ساختمان‌های عمومی، با ایجاد طرح بر روی بدنه ستون یا اجرای ستون‌های غیر سازه‌ای، ظاهر جذابی را برای سازه فراهم می‌کنند.

اجزای ستون در ساختمان چه هستند؟

ستون دارای اجزای مختلفی است که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به پایه، بدنه، سرستون، کتیبه و براکت اشاره کرد. برخی از این اجزا برای اجرای ستون ضروری هستند و برخی دیگر با توجه به نوع سازه (ساختمان، پل، سوله)، محل اجرا (فونداسیون، طبقات بالایی، اطراف سازه) و عضوهای مجاور (دال، دیوار، تیر) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• «پایه» (Pedestal یا Base): بخش پایینی ستون است که از اجزای دیگر ستون نگهداری می‌کند. اجرای تمام ستون‌ها از پایه شروع می‌شود.
• «صفحه ستون» (Base Plate): صفحه‌ای فلزی است که برای اتصال ستون فولادی به فونداسیون (بر روی پایه ستون) و اتصال ستون‌های بالایی به یکدیگر استفاده می‌شود.
• «بدنه» (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 معمولا از این بخش رخ می‌دهد.
• «سرستون» (Capital): بخش بالایی ستون است که بارهای اعمال شده از روسازه را به طور مستقیم تحمل کرده و به بدنه منتقل می‌کند.
• «کتبیه» (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.
• «براکت» (Bracket): بخش بیرون زده ستون‌های بیرونی (روی محیط خارجی) سازه است که به منظور نگهداری از تیر یا زیبایی ظاهری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انواع ستون در ساختمان کدام هستند؟

ستون در ساختمان به شکل‌های متفاوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این عضو فشاری معمولا بر اساس ماده تشکیل‌دهنده (بتن، فولاد، کامپوزیت)، شکل سطح مقطع (مستطیلی، مربعی، دایره‌ای)، ضریب لاغری (بلند، کوتاه، معمولی)، نحوه بارگذاری (محوری، خارج از مرکز)، مهاربندی، نوع میلگرد و کاربری به انواع مختلفی تقسیم می‌شود. برخی از این تقسیم‌بندی‌ها برای تمام ستون‌ها و برخی دیگر برای ستون‌های خاص (فولادی، بتن آرمه و غیره) به کار می‌روند. در ادامه، به معرفی انواع ستون در ساختمان خواهیم پرداخت.

فیلم آموزش تحلیل سازه‌ها ۱ – مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

انواع ستون در ساختمان بر اساس ماده تشکیل دهنده

ستون بتنی

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 بتن آرمه یا الیافی برای ساخت ستون استفاده می‌شود. به علاوه، در صورت محدودیت افزایش ابعاد مقطع ستون، به کارگیری بتن‌های مسلح یا الیافی نسبت به بتن معمولی در اولویت قرار می‌گیرد.

ستون فولادی

فولاد، یکی دیگر از مواد پرکابرد 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 موثر بر کمانش ستون‌های فولادی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• طول (ضریب لاغری)
• مساحت سطح مقطع
• روش اتصال
• شکل سطح مقطع

مساحت و شکل سطح مقطع ستون فولادی با شعاع ژیراسیون آن در ارتباط هستند.

ستون کامپوزیت و ستون بتن آرمه

فیلم آموزش طراحی سازه‌های بتن‌آرمه 1 در فرادرس

کلیک کنید

نکته: در بسیاری از موارد، ستون بتن آرمه و کامپوزیت در دو دسته جداگانه قرار داده می‌شوند. این تقسیم‌بندی، به دلیل کاربرد بسیار زیاد بتن آرمه (میلگرد و بتن) نسبت به مصالح و ترکیبات دیگر است.

انواع ستون در ساختمان بر اساس شکل مقطع

شکل سطح مقطع، یکی دیگر از معیارهای رایج برای تقسیم‌بندی انواع ستون در ساختمان محسوب می‌شود. شکل مقطع ستون در ساختمان به نوع مصالح مورد استفاده و کاربری مورد انتظار بستگی دارد.

شکل سطح مقطع ستون بتنی

به طور کلی، ستون‌های بتنی با مقاطع زیر در ساختمان‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند:

• مستطیلی یا مربعی
• دایره‌ای
• L شکل
• T شکل
• V شکل
• + شکل
• شش ضلعی
• منحنی
• قوسی
• Y‌ شکل
• Y شکل قوسی

به دلیل انعطاف‌پذیری بالای بتن، ستون‌های بتنی از تنوع زیادی در شکل سطح مقطع بهره می‌برند. 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 و اشغال کردن فضای کم، 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.

شکل سطح مقطع ستون فولادی

ستون‌های فولادی معمولا با مقاطع زیر در ساختمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند:

• I شکل
• H شکل
• L شکل
• C شکل
• پروفیل مربعی (قوطی فولادی)
• پروفیل دایره‌ای

مقاطع I شکل و H شکل، متدوال‌ترین مقاطع فولادی مورد استفاده به عنوان ستون در ساختمان هستند. عضوهای فولادی به دلیل هزینه بالای مواد اولیه، معمولا به صورت پروفیل‌های تو خالی 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 (بتن آرمه) استفاده می‌شود.

شکل سطح مقطع ستون کامپوزیت

از مقاطع رایج ستون‌های کامپوزیت در ساختمان‌سازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مستطیلی
• مربعی
• دایره‌ای
• شش ضلعی

بتن و مقاطع فولادی در پیکربندی‌های مختلف به منظور ساخت ستون‌های کامپوزیت مورد استفاده قرار می‌گیرند. پروفیل‌های فولادی در ستون کامپوزیت می‌توانند به عنوان المان تقویت‌کننده در داخل یا سطح خارجی بتن تعبیه شوند. شکل زیر، برخی از انواع مقاطع ستون‌های کامپوزیت را نمایش می‌دهد.

انواع ستون در ساختمان بر اساس لاغری کدام هستند؟

ضریب لاغری اعضای فشاری چگونه محاسبه می‌شود؟

$$\frac{K L}{r}$$

• K: ضریب طول موثر
• L: طول ستون بین دو تکیه‌گاه (ارتفاع ستون)
• r: شعاع ژیراسیون مقطع عضو (رادیکال مرتبه دوم از تقسیم ممان اینرسی بر مساحت سطح مقطع I/A)

طول موثر ستون چیست؟

«طول موثر» (Effective Length)، کوتاه‌ترین فاصله بین بالاترین تا پایین‌ترین نقطه در ستون است که به طور موثر در برابر خمش و کمانش مقاومت می‌کند. در عضوهای فشاری نظیر ستون، طول موثر به شرایط تکیه‌گاهی بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر ستون دارای دو تکیه‌گاه مفصلی باشد، ضریب طول موثر آن برابر 1 خواهد بود. جدول زیر، مقادیر تئوری و پیشنهادی ضریب طول موثر برای طراحی ستون فولادی را نمایش می‌دهد.

شکل کمانش ستون (خط‌چین)	مقدار تئوری K	مقدار پیشنهادی K برای طراحی
	0.5	0.65
	0.7	0.80
	1.0	1.2
	1.0	1.0
	2.0	2.10
	2.0	2.0

ستون بلند چیست؟

ستون کوتاه چیست؟

در ستون کوتاه، نسبت طول موثر به کوچکترین بعد جانبی کوچکتر از 12 یا نسبت طول موثر به حداقل شعاع ژیراسیون کوچکتر از 45 است. در این نوع ستون، طول موثر کوچک‌تر از طول بحرانی کمانش است. شکست مکانیکی ستون‌های کوتاه، معمولا بر اثر برش رخ می‌دهد. ظرفیت باربری ستون کوتاه از ستون بلند بیشتر است.

ستون معمولی چیست؟

انواع ستون در ساختمان بر اساس نحوه بارگذاری

انواع ستون در ساختمان بر اساس نحوه بارگذاری به دو نوع محوری و خارج از محور تقسیم می‌شوند:

• ستون بتنی تحت بار محوری: محور بارگذاری، منطبق بر مرکز جرم مقطع ستون است. به عبارت دیگر، برآیند نیروی فشاری بر روی محور طولی مرکز هندسی مقطع اعمال می‌شود.
• ستون بتنی تحت بار خارج از محور: محور بارگذاری، خارج از محور مرکز جرم مقطع ستون قرار دارد.
  • تک محوری: با فرض قرارگیری طول ستون در جهت محور Z، فاصله محور بارگذاری تا مرکز جرم، فقط در یکی از محورهای X یا Y تغییر می‌کند.
  • دو محوری: فاصله محور بارگذاری تا مرکز جرم، در هر دو محور X یا Y تغییر می‌کند.

انواع ستون در ساختمان بر اساس مهاربندی

جدول زیر، ویژگی‌ها و تفاوت‌های هر یک از این ستون‌ها را نمایش می‌دهد.

انواع ستون در ساختمان بر اساس نوع میلگرد

یکی دیگر از تقسیم‌بندی‌های انواع ستون در ساختمان بتن آرمه، نوع میلگرد مورد استفاده در آن است. بر این اساس، ستون‌های بتن آرمه به انواع تنگ‌دار، دورپیچ‌دار و کامپوزیتی (هسته فولادی یا پوسته فولادی) تقسیم می‌شوند.

ستون مخروطی و غیر مخروطی

در گذشته، به منظور توزیع بهتر بار، ستون به شکل مخروط ناقص ساخته می‌شد. در ستون‌های مخروطی، مساحت سطح مقطع زیاد است. با نزدیک شدن به انتهای بالایی بدنه، مساحت سطح مقطع کاهش می‌یابد. امروزه، به دلیل طراحی بهتر و استفاده از مصالح مناسب‌تر، اجرای ستون‌های مخروطی به عنوان عضوهای سازه‌ای باربر تقریبا منسوخ شده است.

الزامات طراحی ستون در ساختمان چه هستند؟

طراحی ستون در ساختمان بر اساس استانداردهای مختلف نظیر مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمان‌های بتن آرمه) 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. در این بخش، به متداول‌ترین سوالات مرتبط با طراحی ستون‌ها پاسخ می‌دهیم.

فاصله دو ستون در ساختمان مسکونی چقدر است؟

فاصله بین دو ستون در ساختمان مسکونی معمولا بین 2.5 تا 7.5 (میانگین 5 متر) است. البته بارهای ساختمان، ملاحظات معماری و عملکرد مورد نظر، مهمترین پارامترهای تاثیرگذار بر روی انتخاب فاصله مناسب بین ستون‌ها هستند. به طور کلی، هنگام انتخاب این فاصله باید نکات زیر را در نظر داشت:

• هیچ قانون دقیق و مشخصی برای تعیین فاصله بین دو ستون بتن آرمه وجود ندارد.
• بار ساختمان، نقش مهمی در حداکثر فاصله مجاز دارد.
• مهندسان معماری، فاصله بین دو ستون را با توجه به عملکرد ساختمان مشخص می‌کنند.
• مبنای معماری ساختمان، استفاده حداکثری از فضای موجود و مبنای طراحی آن، پایداری سازه است.
• افزایش فاصله 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، فاصله بین ستون‌های 3 تا 4 متر است. این بازه برای ساختمان‌های بزرگ به 6 تا 9 متر می‌رسد.
• برای ساختمان‌های معمولی، فاصله 5 متر با حداقل دهانه 2.5 متر و حداکثر دهانه 7.5 متر بین دو ستون کفایت می‌کند.
• در نهایت توجه داشته باشید که با حفظ ایمنی و یکپارچگی ساختمان، امکان اجرای ستون‌ها در هر فاصله دلخواه وجود دارد. اگرچه، در صورت نیاز به افزایش دهانه، ابعاد ستون باید مطابق با بارهای اعمال شده افزایش یابد.

حداقل ابعاد ستون بتنی در ساختمان دو طبقه چقدر است؟

مطابق با مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش 1392، بند 9-23-3-2-1، عرض مقطع ستون نباید کمتر از سه‌دهم بعد دیگر آن و کمتر از 250 میلی‌متر باشد. به علاوه، حداقل نسبت مجاز عرض مقطع به طول آزاد ستون برابر ۱ به ۲۵ است. حداقل ابعاد ستون در ساختمان مانند فاصله‌داری آن به بارهای سازه بستگی دارد. با افزایش تعداد طبقات، میزان بار اعمال شده بر ستون‌های طبقات پایینی نیز افزایش می‌یابد. در نتیجه، به ابعاد بیشتری برای مقاومت در برابر این بارها نیاز خواهد بود.

در ساختمان‌های فولادی چند طبقه، معمولا از ستون‌های H شکل یا I شکل استفاده می‌شود. جدول زیر، ابعاد متداول ستون فولادی مورد استفاده در ساختمان‌های مختلف را نمایش می‌دهد.

حداقل میلگرد مورد استفاده در ستون بتن آرمه چقدر است؟

نسبت آرماتور در ستون بتن آرمه (مساحت سطح مقطع تمام میلگردهای مورد استفاده) نباید کمتر از 1 درصد مساحت سطح مقطع کل باشد. حداکثر نسبت آرماتور در ستون بتن آرمه نیز نباید از 8 درصد تجاوز کند.

وجود محدوده مجاز برای استفاده از میلگرد در بتن مسلح دلایلی دارد که در ادامه به توضیح آن‌ها می‌پردازیم:

• میلگردهای فولادی به منظور مقاومت در برابر خمش، کاهش جمع شدگی ناشی از خشک شدن و جلوگیری از خزش ستون بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در صورتی که نسبت آرماتور در سطح مقطع کمتر از ۱ درصد باشد، احتمال رخ دادن مشکلات مذکور و گسیختگی میلگردها تحت بار سرویس وجود خواهد داشت.
• استفاده بیش از حد میلگرد در ترکیب بتن، نه تنها مفید نیست، بلکه می‌تواند باعث ایجاد مشکلات متعددی در فرآیند اجرا و عملکرد نهایی ستون شود. ازدحام آرماتور، با اختلال در فرآیند بتن ریزی، از تراکم مناسب بتن جلوگیری می‌کند. در این حالت، بتن نهایی از کیفیت خوبی برخوردار نخواهد بود. به علاوه، افزایش تعداد میلگردها، هزینه ساخت را نیز افزایش می‌دهد. به همین دلیل، برای اجرای یک طراحی اقتصادی و کارآمد، حداکثر نسبت آرماتور به بتن برابر با ۸ درصد در نظر گرفته می‌شود.

به طور کلی، استفاده از حداکثر ۴ درصد آرماتور در سطح مقطع ستون، نتیجه رضایت‌بخشی را از نظر فنی و اقتصادی در پی خواهد داشت.

اجرای ستون در ساختمان چگونه انجام می‌شود؟

نحوه اجرای ستون در ساختمان به نوع ستون (مصالح مورد استفاده و شکل مقطع) بستگی دارد. امروزه، اغلب ساختمان‌ها با اسکلت فلزی یا بتنی ساخته می‌شوند. در این بخش، نحوه اجرای ستون بتن آرمه و فولادی را به طور مختصر توضیح می‌دهیم.

فیلم آموزش اجرای سازه‌ بتنی و فولادی و مدیریت مصالح در فرادرس

کلیک کنید

اجرای ستون بتن آرمه در ساختمان

اجرای ستون فولادی در ساختمان

معرفی مجموعه فیلم‌های آموزش طراحی سازه‌های بتنی و فولادی

• طراحی سازه‌های بتن آرمه: تمرکز این فرادرس، بر روی آموزش نحوه تحلیل و طراحی سازه‌های بتن مسلح مطابق با مبحث نهم مقررات ملی ساختمان است. فرادرس حاضر، به مدت 5 ساعت و 47 در قالب هفت درس تهیه شده است. برای مشاهده فیلم آموزش طراحی سازه های بتن آرمه ۱ (بتن مسلح) + اینجا کلیک کنید.
• سازه‌های فولادی: در این فرادرس، به مدت 6 ساعت و 14 دقیقه در قالب پنج درس به آزموش اصول طراحی سازه‌های فولادی، عضوها و اتصالات آن‌ها پرداخته می‌شود. برای مشاهده فیلم سازه‌های فولادی ۱ - بخش اول + اینجا کلیک کنید.
• روش‌های اجرای سازه‌های بتنی و فولادی: این فرادرس، به مدت 23 ساعت و 29 دقیقه در قالب هشت درس جامع، الزامات اجرایی سازه‌های بتنی، فولادی و مصالح مورد استفاده در هر یک را آموزش می‌دهد. برای مشاهده فیلم آموزش روش‌های اجرای سازه‌های بتنی و فولادی و مدیریت مصالح ساختمانی + اینجا کلیک کنید.
• برای مشاهده مجموعه فیلم‌های آموزش تحلیل و طراحی سازه‌‌ها + اینجا کلیک کنید‌.

تفاوت بین تیر و ستون در چیست؟

تیر و ستون از عضوهای سازه‌‌ای اصلی باربر در ساختمان هستند. با وجود شباهت‌های ظاهری، تفاوت‌هایی در عملکرد و طراحی این دو عضو وجود دارند که در جدول زیر به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.