ضوابط خاموت گذاری در تیرها و ستون ها بر اساس آیین نامه بتن ایران

عدم رعایت دقیق ضوابط خاموت گذاری در تیرها و ستون ها می تواند به فاجعه منجر شود،چرا که شکست برشی یک شکست ترد و ناگهانی است . هدف این مقاله از مجموعه مقالات تخصصی کلینیک بتن، آشنایی کامل مهندسان، دانشجویان و مجریان با اصول، استانداردها و الزامات فنی خاموت گذاری بر اساس آیین نامه بتن ایران (مبحث نهم مقررات ملی ساختمان و استانداردهای مشابه ACI-318) است تا با اتکا به دانش مهندسی، از اجرای ایمن و مطمئن سازه های بتنی اطمینان حاصل شود .

اهمیت حیاتی خاموت گذاری در تیرها و ستون ها

در تحلیل سازه های بتن آرمه، خاموت ها بیش از یک جزئیات اجرایی ساده هستند؛ آن ها تامین کننده اصلی مقاومت برشی و محصورکنندگی (Confinement) بتن هستند . رعایت صحیح ضوابط خاموت گذاری در تیرها و ستون ها، به ویژه در مناطق لرزه خیز، مستقیماً با حفظ جان انسان ها و پایداری سازه ارتباط دارد.

نقش کلیدی خاموت ها: فراتر از برش

خاموت ها سه وظیفه اصلی و حیاتی را در سازه بتنی بر عهده دارند:

الف) تامین مقاومت برشی: اصلی ترین وظیفه خاموت،جذب نیروی برشی وارد بر عضو (تیر یا ستون) است. بتن در کشش ضعیف است و خاموت ها با مقاومت در برابر ترک های مایل برشی،از گسیختگی برشی زودرس جلوگیری می کنند. این عملکرد در طراحی خاموت بر اساس آیین نامه بتن ایران (ACI-318) با محاسبه نیروی برشی قابل تحمل توسط خاموت ها ($V_s$) مشخص می شود .

ب) محصور کردن بتن (Confinement): در ستون ها، خاموت ها مانع از باز شدن و خرد شدن بتن ناحیه هسته تحت فشار محوری سنگین می شوند. این محصورشدگی،به طور قابل توجهی مقاومت فشاری و شکل پذیری (Ductility) بتن را افزایش می دهد و در هنگام زلزله، از فروپاشی ستون جلوگیری می کند .

ج) جلوگیری از کمانش میلگرد طولی: خاموت ها با گرفتن و مهار کردن میلگردهای طولی،مانع از کمانش جانبی آن ها تحت فشار ناشی از بارهای لرزه ای یا محوری می شوند . این امر به خصوص در ستون های بلند و تیرهایی که تحت خمش شدید قرار دارند، ضروری است .

تعریف و انواع خاموت

خاموت (Stirrup/Tie) به آرماتورهای عرضی اطلاق می شود که به صورت عمود یا مایل نسبت به آرماتورهای طولی قرار می گیرند.

• خاموت های مستطیلی و چندوجهی (Ties): رایج ترین نوع در تیرها و ستون های با مقطع چهارگوش.
• خاموت های حلقوی یا مارپیچی (Spirals): عمدتاً در ستون های دایره ای یا اعضایی که نیاز به حداکثر محصورشدگی دارند، استفاده می شوند . این نوع خاموت به دلیل شکل پذیری فوق العاده، در نواحی لرزه خیز بسیار مؤثر است.
• میلگردهای عرضی تک شاخه یا قلاب های عرضی (Cross-Ties): برای مهار میلگردهای طولی میانی در ستون ها و تیرهای عریض به کار می روند .

ضوابط خاموت گذاری در تیرها (آرماتور عرضی تیر)

طراحی خاموت در تیرها به طور غالب بر اساس نیروهای برشی عمل می کند و هدف اصلی تأمین $Vn$ (مقاومت برشی اسمی) در برابر $Vu$ (نیروی برشی نهایی) است.

الف) فاصله خاموت ها در طول تیر (S)

تعیین فاصله خاموت ها (s) حیاتی ترین بخش طراحی خاموت گذاری تیر است. این فاصله باید حداقلِ فاصله مورد نیاز بر اساس محاسبات برشی ($s{req}$) و همچنین ضوابط آیین نامه ای (حداکثر فاصله مجاز $s{max}$) باشد.

۱. تعیین حداکثر فاصله مجاز ($s_{max}$)

آیین نامه بتن ایران (مبحث ۹) برای جلوگیری از ایجاد ترک های برشی گسترده و تضمین عملکرد یکپارچه، حداکثر فاصله ای را برای خاموت ها تعیین می کند که عموماً به مقاومت برشی مورد نیاز ($V_s$) بستگی دارد:

• حالت عمومی (وقتی $Vs \le 0.33 \sqrt{f'c} b_w d$):
• $s_{max}$ نباید از $d/2$ (نصف عمق مؤثر) و ۶۰۰ میلی متر تجاوز کند .
• حالت افزایش برش (وقتی $Vs > 0.33 \sqrt{f'c} b_w d$):
• در این حالت، به دلیل لزوم تأمین بیشتر مقاومت برشی،$s_{max}$ کاهش یافته و نباید از $d/4$ و ۳۰۰ میلی متر تجاوز کند.

۲ . توزیع خاموت ها: نواحی بحرانی و میانی

ضوابط خاموت گذاری تیر الزامی می کند که توزیع خاموت ها در طول تیر به صور�� یکنواخت نباشد، بلکه بر اساس نمودار نیروی برشی تعیین شود:

• ناحیه بحرانی (نزدیک تکیه گاه ها): بیشترین برش در نزدیکی تکیه گاه ها (به فاصله $d$ از وجه تکیه گاه) رخ می دهد. در این نواحی،فاصله خاموت ها باید حداقل ممکن و بر اساس $s_{req}$ محاسبه شود . اغلب در این ناحیه از $d/4$ یا حتی فواصل فشرده تر استفاده می شود.
• ناحیه میانی (Mid-span): با دور شدن از تکیه گاه و کاهش نیروی برشی،می توان فاصله خاموت ها را تا حد $s_{max}$ مجاز افزایش داد .

ب) قطر خاموت ها در تیرها

انتخاب قطر خاموت ها (آرماتور عرضی تیر) تابع دو شرط اصلی است:

۱ . شرط محاسباتی: قطری انتخاب شود که سطح مقطع مورد نیاز $Av$ را برای تحمل نیروی برشی $Vs$ تامین کند.

$$ Av = \frac{Vs \cdot s}{f_y \cdot d} $$

۲. شرط آیین نامه ای (حداقل قطر): قطر خاموت ها نباید از حداقل های زیر کمتر باشد:

• حداقل قطر خاموت نباید از ۶ میلی متر (معمولاً ۸ یا ۱۰ میلی متر استفاده می شود) کمتر باشد.
• در تیرها،قطر خاموت نباید کمتر از یک چهارم (۱/۴) قطر بزرگترین میلگرد طولی باشد .

ج) نکات مهم در جزئیات اجرایی خاموت گذاری تیر

ضوابط خاموت گذاری تیر در مورد قلاب های انتهایی حساسیت زیادی دارد . خاموت ها باید در انتها با قلاب های استاندارد (معمولاً ۱۳۵ درجه برای خاموت های برشی) به دور میلگردهای طولی مهار شوند تا تحت کشش برشی از بتن خارج نشوند . در مناطق لرزه خیز، قلاب های ۹۰ درجه مجاز نیستند،مگر آنکه خاموت ها به صورت حلقوی بسته شوند.

ضوابط خاموت گذاری در ستون ها (آرماتور عرضی ستون)

بر خلاف تیرها که نیروی غالب، برش است، در ستون ها نقش اصلی خاموت ها، تأمین محصورشدگی بتن و جلوگیری از کمانش میلگرد طولی ستون است . این نقش در نواحی بحرانی (انتهای ستون ها) که تحت لنگر خمشی و برش شدید قرار می گیرند،حیاتی تر است.

الف) فاصله خاموت ها در ستون ها (S) و نواحی محصورشدگی

آیین نامه، ستون ها را به دو ناحیه "بحرانی" (نیاز به خاموت های فشرده) و "غیربحرانی" تقسیم می کند.

۱. ناحیه محصورشدگی ویژه (ناحیه بحرانی)

این ناحیه در دو انتهای ستون قرار دارد (از بر کف تا فاصله ای که از آیین نامه محاسبه می شود). در این منطقه، خاموت ها باید فشرده تر باشند تا شکل پذیری لرزه ای تامین شود. حداکثر فاصله خاموت ها (s) در این ناحیه باید کمترین مقادیر زیر باشد:

• ۸ برابر قطر کوچکترین میلگرد طولی ستون ($8d_b$).
• ۲۴ برابر قطر خاموت ($24d_h$).
• نصف کوچکترین بعد ستون ($h_{min}/2$).
• ۱۰۰ میلی متر (۴ اینچ).

۲. ناحیه میانی (غیربحرانی)

در طول میانی ستون،فاصله خاموت ها می تواند افزایش یابد،اما نباید از ۱۶ برابر قطر کوچکترین میلگرد طولی ($16db$) و ۴۸ برابر قطر خاموت ($48dh$) و ۳۰۰ میلی متر تجاوز کند .

ب) ضوابط خاموت گذاری ستون برای جلوگیری از کمانش میلگرد طولی

خاموت ستون بتن مسلح باید به گونه ای چیده شود که تمام میلگردهای طولی به طور مؤثر مهار شوند.

• میلگردهای گوشه: همیشه باید توسط خم خاموت یا قلاب عرضی مهار شوند .
• میلگردهای میانی: فاصله بین میلگردهای طولی مهار شده نباید از ۱۵۰ میلی متر بیشتر شود . اگر این فاصله بیشتر باشد،باید از قلاب های عرضی (Cross-ties) استفاده شود تا میلگردهای میانی نیز مهار گردند. قلاب های عرضی معمولاً به صورت یک در میان (یکی ۹۰ درجه و دیگری ۱۳۵ درجه) نصب می شوند .

ج) خاموت مارپیچی (اسپیرال) در ستون ها

در ستون های دایره ای، خاموت مارپیچی به دلیل محصورکنندگی بسیار عالی ترجیح داده می شود. فاصله بین حلقه های خاموت مارپیچی (گام) نباید از ۲۵ میلی متر و ۸۰ میلی متر تجاوز کند و باید بر اساس حجم محصورکنندگی مورد نیاز محاسبه شود .

حداقل قطر خاموت ستون

قطر خاموت های مستطیلی و حلقوی ستون باید حداقل ۱۰ میلی متر باشد. در ستون هایی با مقطع بزرگ، یا ستون هایی که میلگردهای طولی آن ها بسیار ضخیم هستند، استفاده از خاموت های ۱۲ یا ۱۴ میلی متری الزامی است .

اصول اجرایی و نکات مهم در کنترل کیفیت

صرف نظر از طراحی صحیح، کیفیت اجرای ضوابط خاموت گذاری تعیین کننده نهایی عملکرد سازه است. مجریان و مهندسان ناظر باید بر نکات زیر دقت کافی داشته باشند:

الف) رعایت پوشش بتنی (Cover)

خاموت ها باید داخل محدوده پوشش بتنی تعیین شده قرار گیرند تا در برابر عوامل محیطی، به ویژه خوردگی،محافظت شوند. جابه جایی خاموت ها به بیرون از این محدوده، مقاومت برشی و دوام سازه را به شدت کاهش می دهد . استفاده از اسپیسر های (فاصله گذار) پلاستیکی یا بتنی با کیفیت برای حفظ گپ پوشش بتنی الزامی است.

ب) خم و وصله صحیح میلگردها

تمام قلاب های خاموت ها (۹۰، ۱۳۵ یا ۱۸۰ درجه) باید طبق استاندارد آیین نامه و با شعاع خمش مجاز انجام شوند . قلاب های ۱۳۵ درجه برای اعضای لرزه ای حیاتی هستند . همچنین، هرگونه وصله در خاموت ها باید با همپوشانی (Overlap) کافی انجام شود و از وصله در نواحی بحرانی پرهیز گردد.

ج) کنترل کیفیت و بازرسی اجرا

مهندس ناظر باید قبل از بتن ریزی،موارد زیر را کنترل کند:

1. فاصله خاموت ها (s): اندازه گیری فاصله در نواحی بحرانی و میانی برای اطمینان از رعایت حداکثر فاصله مجاز.
2. تعداد و قطر خاموت ها: بررسی مطابقت قطر و تعداد شاخه های خاموت با نقشه های اجرایی.
3. مهار میلگردها: اطمینان از اینکه تمامی میلگردهای طولی در ستون توسط خاموت یا قلاب های عرضی مهار شده اند (فاصله ۱۵۰ میلی متر).

جمع بندی 

ضوابط خاموت گذاری در تیرها و ستون ها سنگ بنای طراحی مقاوم لرزه ای سازه های بتن مسلح هستند. اجرای این ضوابط نه تنها یک الزام قانونی، بلکه یک تعهد اخلاقی در قبال ایمنی عمومی است.

مهندسان ناظر و طراحان نباید به حداقل های آیین نامه بسنده کنند . در بسیاری از موارد، به خصوص در سازه های بلند یا با اهمیت زیاد، افزایش تراکم خاموت ها در نواحی بحرانی (فراتر از حداقل های آیین نامه ای) می تواند ایمنی و پایداری سازه را در برابر حوادث غیرمترقبه افزایش دهد .

در نهایت، رعایت دقیق فاصله خاموت ها، انتخاب قطر مناسب و نظارت بر اجرای صحیح خم ها و قلاب ها، تضمین کننده مقاومت برشی کافی و شکل پذیری لازم برای بقای سازه در شدیدترین زلزله ها خواهد بود . کلینیک بتن تاکید می کند که طراحی و اجرای آرماتور عرضی تیر و ستون نیازمند دقت فنی و تعهد بالا است تا سازه های ما در برابر نیروهای طبیعت مقاوم باشند .