سازه CFT چیست و چه کاربردی دارد؟
بر اساس بررسیهای علمی، ستونهای سیافتی (CFT) در مقایسه با ستونهای فولادی خالی یا ستونهای بتنی صرف، ظرفیت باربری فشاری بالاتری از خود نشان میدهند و عملکرد سازهای آنها تحت بار محوری و خمشی بهبود مییابد (منبع).
سازه CFT چیست؟
سازه سیافتی (CFT) یا کانکریت فیلد استیل تیوب (Concrete-Filled Steel Tube) سیستمی ترکیبی است که در آن لولهای فولادی (معمولاً به شکل دایرهای یا مستطیلی) با بتن داخل آن پر میشود.
در این ترکیب، لوله فولادی و بتن هر کدام نقش مکملی دارند: بتن در داخل لوله تحت فشار کار میکند و لوله فولادی بهعنوان قالب دائمی و مهار خارجی برای بتن عمل میکند تا از پدیده کمانش محلی فولاد جلوگیری شود.
چنین ترکیبی باعث میشود که مقاومت محوری، رفتار پلاستیکی و سختی کلی مقطع بهتر از مقاطع فولادی خالی یا بتن مسلح باشد.
سیستم سیافتی بهخاطر ظرفیت باربری بالا، کاهش ابعاد عضو سازهای و عملکرد بهتر در برابر بارهای ترکیبی جذب توجه زیادی در پروژههای پیچیده کرده است.
در مطالعات اخیر بیان شده است که اعضای سیافتی دارای «ظرفیت باربری بالا، پلاستیسیتۀ مناسب و چقرمگی خوب» هستند و این ویژگیها باعث شدهاند که سازههای سیافتی در ساختمانهای بلند، پلها و سازههای ویژه کاربرد گستردهای پیدا کنند (منبع).
مطالب مرتبط: سازه LSF چیست؟ نحوه اجرای سازه LSF
اجزای اصلی سازه CFT
سازههای سیافتی (CFT) از ترکیب فولاد و بتن ساخته میشوند تا مزایای هر دو ماده در یک سیستم سازهای یکپارچه مورد استفاده قرار گیرد.
هر جزء از این سازه نقش مشخصی در تحمل بار، افزایش مقاومت، کنترل تغییر شکل و دوام سازه دارد. در ادامه، مهمترین اجزای این سیستم معرفی شدهاند.
لوله فولادی
لوله فولادی در سازه سیافتی نقش قالب دائمی بتن را دارد و علاوه بر آن، نیروی فشاری و خمشی را در مقاطع تحمل میکند.
این لولهها معمولاً از فولاد کربنی یا فولاد ضدزنگ با مقاومت بالا ساخته میشوند و بهصورت دایرهای، مربعی یا مستطیلی طراحی میشوند.
وجود فولاد در اطراف بتن، از کمانش بتن در اثر فشار محوری جلوگیری کرده و باعث افزایش سختی جانبی ستون میشود.
هسته بتنی
بتن درون لوله فولادی، هسته اصلی باربر سیستم را تشکیل میدهد. این بتن معمولاً از نوع بتن پرمقاومت یا خودتراکم (SCC) است تا بهخوبی فضای داخل لوله را پر کند.
نقش اصلی هسته بتنی، تحمل بارهای فشاری و جلوگیری از تغییر شکل بیش از حد لوله است. مطالعات نشان دادهاند که بتن در سازههای سیافتی تا ۳۰ درصد مقاومت فشاری بیشتری نسبت به حالت آزاد از خود نشان میدهد، زیرا لوله فولادی آن را در وضعیت محصورشده قرار میدهد (منبع).
اتصالها و صفحات انتهایی
برای انتقال نیروها از ستونهای سیافتی به تیرها، فونداسیون یا دیگر اجزا، از صفحات انتهایی فولادی، ورقهای اتصال و پیچهای پرمقاومت استفاده میشود.
این اتصالات نقش مهمی در پایداری کل سازه و توزیع صحیح بارها دارند. طراحی دقیق این بخشها بر اساس آییننامههایی مانند ایآیاسسی (AISC 360) و یوروکود (Eurocode 4) انجام میشود تا از بروز گسیختگی موضعی جلوگیری شود.
نحوه اجرای سازه CFT
اجرای سازه سیافتی (CFT) نیازمند هماهنگی میان طراحی، ساخت فولاد، قالببندی بتن و اتصالات دقیق است.
در این سیستم، لوله فولادی بهعنوان قالب دائمی و عنصر سازهای کار میکند و بتن داخل آن ریخته میشود. برای حصول عملکرد مطلوب، در هر مرحله باید دقت به خرج داد تا تعامل بین فولاد و بتن به درستی برقرار شود و عملکرد ساختاری انتظاررفته محقق گردد.
آمادهسازی و تولید لوله فولادی
در این مرحله، لوله فولادی به ابعاد و ضخامت تعیینشده در نقشه طراحی تولید میشود. مقاطع فولادی معمولاً با جوشکاری، برش و فرمدهی دقیق ساخته میشوند و اغلب از فولاد با مقاومت مناسب انتخاب میشوند.
ضمناً در محل اتصالات تیرها یا اعضای دیگر، تقویتها یا ورقهای داخلی (دیافراگمها) تعبیه میشوند تا اتصال میان مقاطع موثرتر باشد.
در پروژههای پیشرفته، اتصالات میان تیر و ستون سیافتی با استفاده از ورقهای انتهایی یا دیافراگم داخلی طراحی میشوند که بارهای انتقالی را به خوبی از لوله به بتن منتقل کنند.
نصب لولهها و قالببندی اتصالها
پس از تولید لولهها، آنها به محل پروژه حمل میشوند و در موقعیت نهایی قرار میگیرند و تراز میشوند. در این مرحله باید اطمینان حاصل شود که لولهها در موقعیت درست فیکس شدهاند و اتصالات بین ستونها و تیرها بهدرستی آماده باشند.
همچنین در محلهایی که دیافراگم یا ورقهای اتصال داخلی وجود دارد، باید سوراخهایی برای عبور بتن یا تاسیسات در نظر گرفته شود.
برخی طرحها نیز از قالبهای موقتی در بالای لوله برای کنترل رفتار جریان بتن و جلوگیری از جداشدن بتن و فولاد بهره میگیرند.
بتنریزی و تراکم بتن در داخل لوله
بتن داخل لوله فولادی ریخته میشود. در پروژههای سیافتی، معمولاً از بتن غلتان (pouring) یا روش ترمی (Tremie) برای پرکردن قسمت زیرین استفاده میشود تا بتن بدون جداشدگی و بهصورت یکنواخت در کل مقطع پر شود.
همچنین باید بتن با نسبت آب به سیمان پایین و افزودنیهایی مانند روانکننده استفاده شود تا تراکم بالا و انقباض محدود حاصل شود.
یکی از چالشهای این مرحله، حصول تراکم مناسب بتن داخل لوله و جلوگیری از ایجاد فاصله یا حفره بین فولاد و بتن است.
مراقبت و عملآوری بتن و کنترل کیفیت
پس از بتنریزی، بتن باید بهمدت لازم تحت شرایط مرطوب عملآوری شود تا مقاومت لازم را کسب کند و ترکهای ناشی از خشک شدن سریع کاهش یابد.
همزمان باید نظارت بر چسبندگی بین بتن و فولاد، وجود هرگونه جداشدگی یا شکاف میان بتن و بدنه لوله صورت گیرد. این کنترل کیفیت بسیار حیاتی است، زیرا هر نقص در چسبندگی یا فاصله میان بتن و فولاد میتواند عملکرد مطلوب سیافتی را کاهش دهد.
مطالب مرتبط: سازه نگهبان چوبی چیست؟ انواع سازه نگهبان چوبی
انواع سازههای CFT
سازههای سیافتی (CFT) در اشکال و پیکربندیهای مختلف طراحی و اجرا میشوند تا متناسب با شرایط بارگذاری، ارتفاع ساختمان، شکل مقطع و الزامات عملکردی، انتخاب بهینه صورت گیرد.
این تنوع در نوع لوله و آرایش بتن داخل آن، عملکرد سازهای را تحت بارهای مختلف بهبود میبخشد. در ادامه مهمترین انواع سازههای سیافتی را معرفی میکنم.
مقطع دایرهای
در این نوع، لوله استوانهای فولادی دور تا دور هسته بتنی را میپوشاند. این طراحی مزایای توزیع یکنواخت تنشها و پایداری بالا در بارهای محوری را دارد.
در مقالات طراحی و آزمایش آمده است که ستونهای دایرهای سیافتی تحت بار محوری و پیچش عملکرد بسیار خوبی دارند بهدلیل قرینه بودن مقطع و قابلیت محصورسازی بتن بهصورت یکنواخت.
مقطع مربعی یا مستطیلی
در این حالت، لوله فولادی با مقطع مستطیلی یا مربعی دور بتنی قرار میگیرد. این نوع بیشتر در ساختمانهایی کاربرد دارد که پلان مستطیلی یا طراحی معماری با لبههای صاف دارند.
یکی از چالشهای این نوع، رفتار متفاوت کنارهها و گوشهها در مقایسه با لوله دایرهای است، زیرا تنشهای محصورکننده در گوشهها ممکن است کمتر باشد.
فشرده، غیر فشرده و لاغر
به سه دسته اصلی تقسیم میشوند: فشرده (Compact)، غیرفشرده (Noncompact) و لاغر (Slender). مقاطع فشرده دارای ضخامت دیوارهی کافی هستند و به همین دلیل، در برابر کمانش محلی مقاومت بالایی دارند.
در مقابل، مقاطع غیرفشرده دارای ضخامت متوسطاند و ممکن است در شرایط بارگذاری زیاد دچار کمانش جزئی موضعی شوند.
در نهایت، اعضای لاغر بهدلیل ضخامت کم نسبت به عرض یا قطر، بیشترین احتمال وقوع کمانش مقطعی را دارند.
مزایای استفاده از سازه CFT
سازههای سیافتی (CFT) به دلیل ترکیب فولاد و بتن، مزایای متعددی در عملکرد سازهای، دوام، ایمنی و سرعت اجرا ارائه میدهند.
این سیستم بهویژه در ساختمانهای بلند، پلها و سازههای ویژه، جایگزینی مدرن و بهینه برای ستونهای فولادی یا بتن مسلح سنتی محسوب میشود.
- ظرفیت باربری بالا: ترکیب فولاد و بتن باعث افزایش مقاومت محوری و خمشی مقاطع میشود و ظرفیت باربری بیشتری نسبت به ستونهای فولادی خالی یا بتن مسلح سنتی ایجاد میکند.
- کاهش ابعاد و وزن سازه: با توجه به مقاومت بالای سیافتی، مقاطع ستونها و تیرها نسبت به سیستمهای سنتی کوچکتر و سبکتر طراحی میشوند، که به کاهش بار مرده و کاهش نیاز به فونداسیون کمک میکند.
- عملکرد بهتر در برابر زلزله: سختی و انعطافپذیری ستونهای سیافتی باعث جذب بهتر انرژی لرزهای و کاهش تغییرمکانهای جانبی در ساختمانهای بلند میشود.
- مقاومت در برابر آتشسوزی و خوردگی: پوشش فولادی و بتن داخلی باعث افزایش مقاومت در برابر آتش و جلوگیری از خوردگی فولاد میشود و دوام سازه را طولانیتر میکند.
- سرعت اجرای بالا: تولید کارخانهای لولهها و آمادهسازی اتصالات، زمان نصب و اجرای ستونها را کاهش میدهد و پروژهها سریعتر به اتمام میرسند.
- قابلیت ترکیب با سیستمهای دیگر: سیافتی به راحتی میتواند با تیرهای فولادی، سقفهای پیشتنیده یا پانلهای پیشساخته ترکیب شود و انعطافپذیری طراحی را افزایش دهد.
معایب و محدودیتهای سازه CFT
اگرچه سازههای سیافتی (CFT) مزایای متعددی دارند، اما محدودیتها و چالشهایی نیز همراه خود دارند که هنگام طراحی و اجرا باید مورد توجه قرار گیرند.
این نکات شامل مسائل فنی، اجرایی و اقتصادی هستند که میتوانند بر انتخاب این سیستم در پروژهها تاثیر بگذارند.
- هزینه اولیه بالا: تولید لولههای فولادی با ضخامت و ابعاد مناسب و بتن پرمقاومت هزینه اولیه سازه را نسبت به سیستمهای سنتی افزایش میدهد.
- پیچیدگی در نصب و اتصال: اتصال ستونها و تیرها به فونداسیون یا دیگر اعضای سازهای نیازمند دقت بالا و تجهیزات مخصوص است و خطای اجرایی میتواند عملکرد سازه را کاهش دهد.
- محدودیت در اصلاحات بعدی: پس از نصب و بتنریزی، تغییر ابعاد، باز کردن مقطع یا اصلاح مسیر ستونها دشوار است و انعطاف کمتری نسبت به سازههای فولادی یا بتنی سنتی دارد.
- نیاز به کنترل کیفیت دقیق: تراکم بتن داخل لوله و چسبندگی کامل بین فولاد و بتن از اهمیت بالایی برخوردار است و کمکاری در این زمینه باعث کاهش مقاومت و عملکرد مطلوب سازه میشود.
- تجهیزات و دانش فنی مورد نیاز: اجرای صحیح سیافتی نیازمند نیروی متخصص و تجهیزات مناسب است که در برخی مناطق ممکن است در دسترس نباشد و آموزش کافی برای پیمانکاران ضروری است.
- محدودیت در اشکال هندسی خاص: برای سازههایی با اشکال پیچیده یا منحنی، طراحی و اجرای سیافتی میتواند محدود و پرهزینه باشد.
کاربردهای سازه CFT چیست؟
سازههای سیافتی (CFT) به دلیل ترکیب ویژگیهای مثبت فولاد و بتن، در انواع پروژههای ساختمانی و عمرانی کاربرد دارند.
این سیستم به ویژه در پروژههایی که نیاز به مقاومت بالا، دوام طولانی، عملکرد مناسب در برابر زلزله و آتشسوزی، و سرعت اجرای بالا دارند، مورد استفاده قرار میگیرد.
ساختمانهای بلند و برجها
سازههای سیافتی به دلیل ظرفیت باربری بالا، سختی مناسب و عملکرد مطلوب در برابر زلزله، گزینهای مناسب برای ساختمانهای بلند هستند. این سیستم به ویژه در برجهای مسکونی و اداری کاربرد دارد (منبع).
پلها و سازههای حملونقل
در پروژههای پلسازی، استفاده از ستونهای سیافتی به دلیل مقاومت بالا در برابر نیروهای محوری و خمشی، دوام طولانی و عملکرد مناسب در برابر زلزله، رایج است. این سیستم در پلهای با دهانه بلند و سازههای زیرساختی کاربرد دارد.
انبارها و پارکینگهای چندطبقه
در ساخت انبارها، پارکینگهای چندطبقه و سالنهای صنعتی، استفاده از ستونهای سیافتی به دلیل سرعت اجرای بالا، کاهش وزن سازه و مقاومت مناسب در برابر نیروهای جانبی، مناسب است.
سازههای دریایی و سکوهای نفتی
در پروژههای سازههای دریایی و سکوهای نفتی، استفاده از ستونهای سیافتی به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی، دوام طولانی و عملکرد مناسب در شرایط محیطی سخت، رایج است (منبع).
ساختمانهای مقاوم در برابر آتشسوزی
در ساخت ساختمانهای مقاوم در برابر آتشسوزی، استفاده از ستونهای سیافتی به دلیل مقاومت بالا در برابر آتش و عملکرد مطلوب در شرایط حرارتی بالا، توصیه میشود.
مقایسه سازه CFT با سازههای فولادی و بتنی
سازههای سیافتی (CFT) ترکیبی از فولاد و بتن هستند و به همین دلیل ویژگیهای مثبت هر دو ماده را در یک سیستم ارائه میدهند.
این سیستم در بسیاری از پروژهها بهویژه ساختمانهای بلند، پلها و سازههای صنعتی جایگزین ستونهای فولادی یا بتن مسلح سنتی میشود. در جدول زیر مقایسهای بین سیافتی، سازه فولادی و سازه بتنی ارائه شده است.
| ویژگی | سازه CFT | سازه فولادی | سازه بتنی |
| ظرفیت باربری | بسیار بالا به دلیل ترکیب فولاد و بتن | بالا ولی نیاز به مقاطع بزرگتر | متوسط، وابسته به ضخامت و مسلحسازی |
| مقاومت در برابر زلزله | مناسب، جذب انرژی بالا و سختی جانبی مناسب | خوب، ولی ممکن است نیاز به بادبند بیشتر داشته باشد | کمتر، احتمال ترک و شکست خمشی بالاتر |
| مقاومت در برابر آتش | فولاد محافظ بتن و افزایش دوام در حرارت بالا | نیاز به پوشش محافظتی یا مواد مقاوم در برابر حرارت | خوب ولی ممکن است ترکخوردگی رخ دهد |
| سرعت اجرا | بالا، تولید صنعتی و نصب سریع | بالا، ولی نیاز به اتصالات پیچیده | متوسط تا پایین، نیاز به قالببندی و عملآوری طولانی |
| هزینه اولیه | بالاتر به دلیل تولید ترکیبی و تجهیزات خاص | متوسط، بسته به نوع فولاد | پایینتر، مصالح ارزان ولی زمان اجرا طولانی |
| دوام و نگهداری | بالا، مقاومت در برابر خوردگی و فرسایش بهتر | متوسط، نیاز به پوشش ضدزنگ | خوب ولی ترکها و نفوذ رطوبت میتواند مشکلساز شود |
| انعطافپذیری در طراحی | متوسط، نیاز به هماهنگی دقیق بین فولاد و بتن | بالا، قابلیت تغییر و اصلاح بیشتر | محدود، پس از قالببندی و گیرش بتن تغییر سخت است |
رفتار سازه CFT در برابر بارگذاری
سازههای سیافتی (CFT) بهدلیل ترکیب بتن و فولاد، رفتار منحصربهفردی تحت بارگذاری از خود نشان میدهند. در بارگذاری محوری، فولاد نقش مقاومت در برابر تنشها و بتن نقش مقاومت در برابر فشار را ایفا میکند.
این ترکیب باعث افزایش ظرفیت باربری، سختی و شکلپذیری در مقایسه با سازههای فولادی یا بتنی منفرد میشود.
مطالعات نشان دادهاند که نسبت عرض به ضخامت (D/t) لوله فولادی تاثیر زیادی بر رفتار سازه دارد. برای مثال، کاهش این نسبت میتواند منجر به افزایش ظرفیت باربری و کاهش احتمال کمانش موضعی شود.
همچنین، استفاده از میلههای مهاری (tie bars) در ستونهای سیافتی میتواند مقاومت فشاری محوری را تا حدود 15.6 درصد افزایش دهد (منبع).
این میلهها با بهبود اثر محصورسازی بتن، از کمانش موضعی جلوگیری کرده و عملکرد کلی ستون را بهبود میبخشند.
در شرایط بارگذاری طولانیمدت، مانند خزش (creep)، ظرفیت باربری ستونهای سیافتی ممکن است کاهش یابد.
در مجموع، رفتار سازههای سیافتی تحت بارگذاری بهطور قابلتوجهی تحت تأثیر نسبت D/t، استفاده از میلههای مهاری، و شرایط بارگذاری طولانیمدت قرار دارد. درک دقیق این عوامل برای طراحی بهینه و پیشبینی عملکرد سازه ضروری است.
الزامات طراحی سازه CFT
طراحی سازههای سیافتی (CFT) نیازمند رعایت مجموعهای از الزامات فنی و اجرایی است تا عملکرد سازهای بهینه، دوام طولانی و ایمنی مطلوب حاصل شود.
این الزامات شامل انتخاب مقطع مناسب، کنترل رفتار تحت بارگذاریهای محوری و خمشی، و رعایت ضوابط آییننامهای میشوند.
- انتخاب مناسب مقطع فولادی و بتن: ضخامت لوله فولادی، قطر یا ابعاد مقطع و مقاومت بتن باید مطابق با بارگذاریهای پیشبینیشده و نسبتهای D/t یا b/t طراحی شوند.
- کنترل نسبت محصورسازی بتن: طراحی باید به نحوی باشد که بتن داخل لوله بهصورت کامل محصور شده و از کمانش موضعی یا جداشدگی بتن جلوگیری شود.
- رعایت ضوابط آییننامهای: الزامات ایآیاسسی (AISC 360)، یوروکود (Eurocode 4) و سایر استانداردهای بینالمللی برای طراحی سیافتی باید رعایت شوند، از جمله استفاده از منحنیهای تعامل پی-ام (P-M) و کنترل کمانش.
- در نظر گرفتن اثرات بارهای ترکیبی: طراحی باید هم بارهای محوری و خمشی و هم اثرات جانبی مانند باد، زلزله و فشارهای حرارتی را پوشش دهد.
- محدودیت نسبت لاغری اعضا: برای جلوگیری از کمانش زودرس، نسبت ارتفاع به قطر یا عرض ستون و ضخامت لوله باید کنترل شود و مقاطع سلندر (Slender) باید با احتیاط طراحی شوند.
- طراحی اتصالات و صفحات انتهایی: انتقال بارها از ستون سیافتی به تیرها، فونداسیون یا سایر اعضا باید با اتصالات مقاوم و صفحات انتهایی طراحی شده و از انتقال نیرو بدون ایجاد نقاط ضعف اطمینان حاصل شود.
- ملاحظات اجرایی و نصب: طراحی باید شرایط نصب و بتنریزی در محل را لحاظ کند و دسترسی برای کنترل کیفیت، تراکم بتن و نظارت بر اتصالات فراهم باشد.
تکنولوژیها و نوآوریهای جدید در CFT
در سالهای اخیر، تکنولوژیهای نوین در طراحی و اجرای سازههای سیافتی (CFT) موجب بهبود عملکرد، سرعت اجرا و دوام این سیستم شدهاند.
از جمله این نوآوریها میتوان به استفاده از فولاد با مقاومت بالا (High-Strength Steel) و بتن با مقاومت بالا و خودتراکم (Self-Compacting High-Strength Concrete) اشاره کرد که ظرفیت باربری و رفتار خمشی و محوری ستونها را بهبود میبخشند.
همچنین استفاده از ورقهای کامپوزیتی و دیافراگمهای داخلی پیشساخته، اتصالات بین ستونها و تیرها را تقویت کرده و کمانش موضعی را کاهش میدهد.
در بخش اجرایی، سیستمهای مدرن بتنریزی با روش ترمی (Tremie) و لرزاندن مکانیزه، تراکم یکنواخت بتن داخل لوله را تضمین میکنند و احتمال جداشدگی فولاد و بتن را کاهش میدهند.
علاوه بر این، تحلیلهای عددی پیشرفته و شبیهسازیهای نرمافزاری امکان طراحی بهینه مقاطع و پیشبینی رفتار سازه تحت بارهای مختلف، از جمله زلزله و بارهای طولانیمدت، را فراهم کردهاند.
این نوآوریها باعث شدهاند که سازههای سیافتی علاوه بر افزایش مقاومت و دوام، زمان و هزینه اجرای پروژهها کاهش یابد و قابلیت کاربرد در پروژههای بلندمرتبه، پلها و سازههای ویژه افزایش پیدا کند.
سخن آخر
سازههای سیافتی (CFT) با ترکیب فولاد و بتن، راهکاری مقاوم و بهینه برای ساختمانها، پلها و سازههای ویژه ارائه میدهند. این سیستم مزایایی مانند ظرفیت باربری بالا، مقاومت در برابر زلزله و آتش، دوام طولانی و سرعت اجرای بالا دارد.
موفقیت اجرای سیافتی به رعایت الزامات طراحی، کنترل کیفیت بتن و فولاد، و استفاده از تکنولوژیهای نوین وابسته است. طراحی بهینه و بهرهگیری از روشهای مدرن بتنریزی و شبیهسازی نرمافزاری، عملکرد سازه را تضمین میکند.
در نهایت، سازههای سیافتی علاوه بر افزایش مقاومت و دوام، امکان کاهش زمان و هزینه پروژهها را نیز فراهم میآورند