از آنجا که ساخت یکپارچه میلگردها از پی تا سقف عملاً غیرممکن است،مهندسان برای حفظ این یکپارچگی به "وصله" (Splice) یا "اورلب" (Overlap) متوسل می شوند. طول اورلب میلگرد در ستون عبارت است از حداقل طولی که دو میلگرد موازی باید روی هم قرار گیرند تا نیروهای کششی یا فشاری بتوانند از یک میلگرد به میلگرد مجاور از طریق بتن پیرامونی (و پدیده چسبندگی) منتقل شوند .
اهمیت حیاتی طول اورلب میلگرد در ستون
برخلاف تیرها که عموماً تحت خمش و کشش قرار دارند، ستون ها در معرض بارهای ترکیبی فشار،خمش و گاهی اوقات کشش (به خصوص در مناطق زلزله خیز) هستند. عملکرد صحیح طول اورلب میلگرد در ستون مستقیماً بر ظرفیت نهایی ستون تأثیر می گذارد .
نقش اورلب در انتقال نیروهای محوری
اورلب میلگرد،تداوم مسیر تنش را تضمین می کند . وقتی یک میلگرد به پایان می رسد،باید تنش های خود را به بتن اطراف و سپس به میلگرد دوم منتقل کند. این انتقال از طریق چسبندگی (Bond) بتن و فولاد صورت می گیرد .
- بارهای فشاری: در ستون های تحت فشار خالص، بخش عمده ای از بار محوری توسط بتن تحمل می شود. با این حال،میلگردهای طولی نیز سهم مهمی دارند. اورلب فشاری باید به اندازه ای طولانی باشد که بتن بتواند نیروی فشاری را از انتهای میلگرد بالایی گرفته و آن را به میلگرد پایینی منتقل کند .
- بارهای کششی و لرزه ای: در شرایط لرزه ای، الگوی بارگذاری ستون ها به طور مداوم معکوس می شود. نواحی ای که در حالت عادی فشاری هستند، ممکن است تحت کشش قرار گیرند. در این حالت،طول وصله باید برای مقاومت در برابر کشش (که معمولاً به طول اورلب بسیار بیشتری نیاز دارد) طراحی شود .
اهمیت ضوابط اورلب ستون: عدم رعایت حداقل طول اورلب میلگرد در ستون منجر به پدیده ای به نام "لغزش میلگرد" (Bar Slip) می شود. این لغزش، یکپارچگی سازه را مختل کرده و باعث کاهش ناگهانی مقاومت عضو بتنی می شود،به ویژه در نقاط اتصال بحرانی .
استانداردهای حاکم بر ضوابط اورلب ستون
تعیین دقیق طول اورلب میلگرد در ستون بر اساس ضوابط آیین نامه ای و با در نظر گرفتن متغیرهای متعدد انجام می شود. دو استاندارد کلیدی که در ایران ملاک عمل هستند، مبحث نهم مقررات ملی ساختمان و استاندارد بین المللی ACI 318 است.
مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش های اخیر)
مبحث نهم (طرح و اجرای ساختمان های بتن آرمه) مرجع اصلی در ایران است و طول وصله را بر اساس "طول گیرداری" ($L_d$) میلگرد تعریف می کند.
طول گیرداری ($Ld$): حداقل طول مورد نیاز برای انتقال نیروی تسلیم میلگرد به بتن اطراف است . فرمول محاسبه $Ld$ پیچیده است و به عواملی مانند قطر میلگرد ($db$)، مقاومت مشخصه بتن ($f'c$)، مقاومت تسلیم میلگرد ($f_y$) و ضریب موقعیت میلگرد (افقی یا عمودی) بستگی دارد.
۱. وصله های فشاری (Compression Splices)
از آنجا که ستون ها عمدتاً فشاری هستند،مبحث نهم برای تعیین طول اورلب میلگرد در ستون از ضوابط وصله های فشاری استفاده می کند. این ضوابط به دو دسته تقسیم می شوند:
- وصله فشاری با تنش کم: طول وصله باید بزرگتر از $0.075 fy db / \sqrt{f'c}$ (یا $0.004 db f_y$ برای بتن های با مقاومت کمتر از ۲۱ مگاپاسکال) باشد و نباید کمتر از ۳۰۰ میلی متر باشد.
- وصله فشاری با تنش بالا: اگر در هنگام بارگذاری طراحی،تنش در میلگرد ستون بیشتر از نصف مقاومت تسلیم باشد، طول وصله باید به ضریب بیشتری افزایش یابد .
۲ . وصله های کششی (Tension Splices)
اگرچه ستون ها عمدتاً فشاری هستند، در شرایط زلزله یا در بخش هایی که میلگردها به صورت کششی عمل می کنند (مثلاً در نزدیکی اتصال تیر به ستون یا در ستون های زیر بار بلندمدت شدید)،باید از ضوابط وصله های کششی استفاده شود . این وصله ها بر اساس درصد آرماتور وصله شده و نوع کلاس وصله (Class A یا Class B در ACI) تعریف می شوند:
- وصله کلاس A: طول وصله برابر با $L_d$ است (اگر درصد میلگردهای وصله شده در یک مقطع محدود کمتر از ۵۰ درصد باشد).
- وصله کلاس B: طول وصله $1.3 L_d$ است (برای شرایط بحرانی تر یا اگر بیش از ۵۰ درصد میلگردها در یک مقطع وصله شوند). در ستون ها،عموماً ��وصیه می شود که از وصله کلاس B استفاده شود تا در برابر بارهای معکوس لرزه ای مقاومت کافی فراهم شود.
ACI 318: تأکید بر ضریب محصورشدگی
استاندارد ACI 318-19 نیز تأکید زیادی بر محصورشدگی (Confined Concrete) در ناحیه وصله دارد . ACI صراحتاً بیان می کند که در ستون های تحت فشار،اگر محصورشدگی مناسب (توسط خاموت ها و تنگ های بسته) فراهم شود، می توان از طول وصله کمتری استفاده کرد، زیرا محصورشدگی به بهبود چسبندگی و جلوگیری از ترک خوردگی بتن در ناحیه اورلب کمک می کند.
محاسبه طول اورلب میلگرد در ستون
محاسبه دقیق طول اورلب میلگرد در ستون نیازمند دسترسی به مشخصات مصالح و شرایط بارگذاری است. ما در اینجا فرمول های ساده شده (بر اساس ACI و مبحث نهم) را برای شرایط عمومی ارائه می دهیم .
۱. فرمول های پایه برای وصله فشاری (شرایط معمولی)
برای وصله های فشاری (که رایج ترین نوع در ستون ها هستند)،طول وصله فشاری ($L{sc}$) معمولاً با استفاده از طول گیرداری فشاری ($L{dc}$) تعیین می شود:
$$L{sc} = \text{Maximum} \left( 0.075 \frac{fy}{\sqrt{f'c}} db, \ 0.004 fy db, \ 300 \, \text{mm} \right)$$
- $f_y$: مقاومت تسلیم میلگرد (بر حسب مگاپاسکال)
- $f'_c$: مقاومت مشخصه فشاری بتن (بر حسب مگاپاسکال)
- $d_b$: قطر میلگرد (بر حسب میلی متر)
نکته اجرایی: در بسیاری از محاسبات طراحی،طراحان به منظور اطمینان بیشتر، طول اورلب را نه بر اساس فرمول های دقیق فشاری، بلکه بر اساس ضرب عددی در قطر میلگرد (مثلاً $40 db$ یا $50 db$) تعیین می کنند .
۲ . جدول نمونه مرجع طول اورلب (برای شرایط استاندارد)
جدول زیر یک مرجع سریع برای تعیین حداقل طول اورلب میلگرد در ستون در شرایط وصله فشاری استاندارد (بتن C25، میلگرد AIII/S400) را نشان می دهد . توجه: این ارقام تقریبی هستند و برای طراحی نهایی باید محاسبات دقیق صورت گیرد .
| قطر میلگرد ($db$) |
$fy = 400 \, \text{MPa}$ |
$f'c = 25 \, \text{MPa}$ |
طول اورلب فشاری استاندارد (بر حسب $db$) |
طول اورلب فشاری (میلی متر) |
| ۱۶ |
۴۰ db |
۳۰ db |
۵۳ |
۸۵۰ |
| ۲۰ |
۴۰ db |
۳۰ db |
۵۶ |
۱۱۲۰ |
| ۲۵ |
۴۰ db |
۳۰ db |
۶۰ |
۱۵۰۰ |
| ۳۲ |
۴۰ db |
۳۰ db |
۶۴ |
۲۰۵۰ |
توضیح تفاوت: طول اورلب فشاری معمولاً حدود ۳۰ تا ۴۰ برابر قطر میلگرد است . در حالی که طول اورلب کششی (کلاس B) می تواند تا ۶۰ برابر قطر میلگرد ($60 d_b$) یا بیشتر برسد . این تفاوت بیانگر اهمیت درک نوع بارگذاری غالب است.
عوامل مؤثر بر تعیین طول اورلب ستون
محاسبه طول اورلب در ستون ها یک فرآیند ایستا نیست، بلکه تابعی از چندین متغیر مهندسی و اجرایی است. نادیده گرفتن هر یک از این عوامل می تواند ضوابط اورلب ستون را نقض کند.
۱. مقاومت مصالح و سطح میلگرد
- مقاومت بتن ($f'_c$): بتن با مقاومت فشاری بالاتر (مثلاً C35 در مقایسه با C20) می تواند تنش های چسبندگی بالاتری را تحمل کند،در نتیجه طول گیرداری (و در نتیجه طول اورلب) کاهش می یابد.
- مقاومت تسلیم فولاد ($f_y$): هرچه مقاومت میلگرد بیشتر باشد (مثلاً S500 نسبت به S400)، نیروی بیشتری باید از طریق چسبندگی منتقل شود،بنابراین طول اورلب میلگرد در ستون افزایش می یابد .
- نوع میلگرد و وضعیت سطح: میلگردهای آجدار چسبندگی بهتری نسبت به میلگردهای صاف دارند. همچنین، اگر سطح میلگردها آغشته به گل، رنگ یا زنگ زدگی شدید (ورقه ای) باشد،چسبندگی کاهش یافته و باید طول اورلب بیشتری در نظر گرفته شود .
۲ . پوشش بتن و تراکم آرماتور
- پوشش بتن (Concrete Cover): ضخامت پوشش بتن تأثیر مستقیمی بر پدیده ترک خوردگی در ناحیه اورلب دارد. هرچه پوشش بتن کمتر باشد، احتمال ترک خوردگی در امتداد میلگردها بیشتر است و ممکن است نیاز به افزایش طول اورلب یا افزایش محصورشدگی توسط خاموت ها باشد.
- تراکم آرماتور: در ستون هایی که درصد آرماتور بالایی دارند (Over-Reinforced Columns) یا میلگردها بسیار نزدیک به هم قرار گرفته اند،چسبندگی کلی کاهش می یابد. آیین نامه ها در چنین شرایطی (وصله های متراکم) معمولاً استفاده از طول وصله کلاس B را الزامی می کنند.
۳. شرایط بارگذاری و موقعیت وصله در ستون
موقعیت وصله در ستون تعیین کننده ضوابط اورلب ستون است:
- موقعیت تنش حداکثر: وصله ها باید تا حد امکان از نواحی حداکثر تنش کششی یا خمشی فاصله داشته باشند.
- ستون های قاب خمشی ویژه (مناطق زلزله خیز): در نواحی مفصل پلاستیک (انتهای ستون ها، یعنی نزدیک اتصال به تیر یا فونداسیون)،تنش های کششی و فشاری به طور مداوم جابه جا می شوند. در این نواحی، وصله کردن میلگردها کاملاً ممنوع است یا باید از ضوابط بسیار سختگیرانه وصله کششی استفاده شود .
- محل بهینه وصله: در ستون های معمولی، بهترین مکان برای اورلب در ناحیه میانی ارتفاع ستون است (دور از یک سوم انتهایی بالا و پایین ستون) که کمترین لنگر خمشی وجود دارد .
نکات ویژه برای مناطق زلزله خیز و وصله های بحرانی
در مناطق با خطر لرزه خیزی بالا (مطابق با ضوابط ۲۸۰۰ ایران)،ستون ها باید عملکردی پایدار در شرایط چرخه معکوس بارگذاری داشته باشند. این امر مستلزم رعایت دقیق تر ضوابط اورلب ستون است:
۱ . ممنوعیت وصله در ناحیه بحرانی
مهم ترین ضابطه لرزه ای این است که طول اورلب میلگرد در ستون نباید در ناحیه مفصل پلاستیک (Plastic Hinge Zone) قرار گیرد. این ناحیه معمولاً برابر با بیشترین مقدار یکی از موارد زیر است:
- ارتفاع مقطع ستون ($h$)
- یک ششم دهانه آزاد ستون ($L_n/6$)
- ۴۵۰ میلی متر
هر وصله ای که ناچاراً در این نواحی قرار گیرد، باید حتماً از نوع وصله مکانیکی میلگرد باشد یا ضوابط سختگیرانه وصله کششی (کلاس B) را ارضا کند .
۲. پراکندگی (Staggering) وصله ها
در کارگاه، رایج است که تمام میلگردهای ستون در یک تراز افقی وصله شوند. این کار اشتباه بزرگی است . آیین نامه ها تأکید می کنند که وصله ها باید پراکنده (Staggered) باشند:
- اگر از وصله کلاس B استفاده شود،تا ۵۰ درصد میلگردها می توانند در یک مقطع وصله شوند .
- بهتر است وصله های هر میلگرد حداقل به اندازه $L{sc}$ یا $Ld$ از وصله های میلگردهای مجاور فاصله عمودی داشته باشند. پراکندگی،تمرکز تنش در یک صفحه را از بین برده و ظرفیت برشی مقطع را حفظ می کند.
۳. محصورشدگی ویژه در ناحیه اورلب
در ناحیه وصله فشاری،خاموت گذاری باید فشرده تر باشد (خاموت های اضافی). این محصورشدگی (Confining) بتن از دو جهت اهمیت دارد:
- ظرفیت فشاری بتن را افزایش می دهد .
- از شکافته شدن بتن در ناحیه اورلب (به دلیل تنش های چسبندگی جانبی) جلوگیری می کند و به انتقال تنش کمک می کند.
روش اجرایی و کنترل کیفیت وصله میلگرد در ستون در کارگاه
اجرای صحیح طول اورلب میلگرد در ستون نیازمند دقت و نظارت مستمر است. مهندس ناظر باید فراتر از اندازه گیری صرف طول،عوامل محیطی و اجرایی را نیز کنترل کند .
گام های کنترل کیفیت اجرایی
الف) اطمینان از طول و محل صحیح
- اندازه گیری طول: مطمئن شوید که طول اورلب اندازه گیری شده،برابر یا بزرگتر از مقدار محاسبه شده در نقشه های اجرایی باشد (برای مثال، حداقل ۵۰ تا ۶۰ برابر قطر میلگرد).
- کنترل محل وصله: چک کنید که وصله ها در محدوده میانی ارتفاع ستون قرار گرفته باشند و از نواحی بحرانی (نزدیک اتصالات) فاصله داشته باشند .
- پراکندگی (Staggering): بررسی کنید که میلگردها به طور متناوب وصله شده باشند و وصله در یک تراز نباشد .
ب) تأمین فضا و فاصله
- فاصله آزاد: فاصله بین میلگردهای اورلب شده (میلگرد بالا و پایین) نباید کمتر از ۲۵ میلی متر یا $d_b$ باشد. اورلب بیش از حد متراکم می تواند چسبندگی را تضعیف کند.
- وضعیت خاموت ها: اطمینان حاصل کنید که خاموت ها طبق نقشه های محصورکننده در ناحیه اورلب نصب شده باشند (معمولاً با فاصله کمتر). خاموت ها باید اورلب میلگردهای طولی را احاطه کنند.
ج) کیفیت بتن ریزی
تراکم بتن در ناحیه طول اورلب میلگرد در ستون حیاتی است. به دلیل تراکم بالای آرماتور، استفاده از بتن های روان یا فوق روان کننده بتن برای جلوگیری از تشکیل حفره های بتنی (لانه زنبوری) در ناحیه اورلب بسیار ضروری است .
فرصت لینک داخلی: در این راستا،مشاوره های تخصصی کلینیک بتن همراه با افزودنی های بتن می تواند با ارائه فوق روان کننده های با کیفیت،به افزایش چسبندگی و کاهش نفوذپذیری بتن در نواحی متراکم آرماتور کمک شایانی نماید .
جایگزین های پیشرفته: وصله مکانیکی میلگرد در ستون
در مواردی که قطر میلگرد زیاد است (مانند میلگردهای ۳۲ یا ۳۶ میلی متری)،یا در ستون های پرآرماتور که تأمین طول اورلب میلگرد در ستون به روش سنتی منجر به تراکم بیش از حد می شود، استفاده از وصله مکانیکی میلگرد (Mechanical Splice) یا کوپلر (Coupler) الزامی می شود.
مزایا و شرایط استفاده از وصله مکانیکی
- کاهش تراکم: کوپلرها فضای مورد نیاز برای اورلب را حذف می کنند و تراکم آرماتور را در مقطع کاهش می دهند،که به بتن ریزی بهتر و ویبره مؤثرتر کمک می کند .
- عملکرد لرزه ای بهتر: یک کوپلر مناسب (مانند کوپلرهای رزوه شده یا فشرده شده) می تواند نیروی کششی برابر یا فراتر از مقاومت تسلیم میلگرد اصلی را منتقل کند و عملکردی قابل اعتمادتر نسبت به چسبندگی بتن در شرایط لرزه ای فراهم می سازد.
- کاربرد در نواحی بحرانی: در نواحی بحرانی مفصل پلاستیک که وصله اورلپی ممنوع است، استفاده از وصله مکانیکی میلگرد تأیید شده است، به شرطی که کوپلرها از مقاومت کافی برخوردار باشند (وصله کامل تنش).
ضوابط اورلب ستون و کوپلر: آیین نامه ها مشخص می کنند که وصله مکانیکی میلگرد باید حداقل ۱۲۵ درصد نیروی تسلیم میلگرد را تحمل کند تا بتوان آن را ج��یگزین طول اورلب میلگرد دانست.
نتیجه گیری
طول اورلب میلگرد در ستون صرفاً یک عدد بر اساس فرمول نیست، بلکه یک تصمیم طراحی حیاتی است که یکپارچگی ساختاری ستون را در طول عمر مفید سازه تضمین می کند. رعایت دقیق ضوابط اورلب ستون، به ویژه در مناطق زلزله خیز، نشانه یک اجرای مهندسی حرفه ای است.
توصیه های کلیدی برای مهندسان و مجریان:
- محاسبه دقیق: هیچ گاه طول اورلب را بدون محاسبه یا صرفاً با قاعده سرانگشتی (مثلاً $40 d_b$) اجرا نکنید،مگر اینکه در نقشه های اجرایی، طراح آن را تأیید کرده باشد.
- اولویت با کشش: اگر تردید دارید که ستون شما در شرایط لرزه ای تحت کشش قرار می گیرد یا خیر،همواره از ضوابط وصله کششی (کلاس B) استفاده کنید تا ایمنی سازه تضمین شود. این کار طول اورلب بیشتری (معمولاً $1.3 L_d$) را نتیجه می دهد .
- پراکندگی الزامی: از وصله کردن تمام میلگردها در یک مقطع جلوگیری کنید. پراکندگی وصله ها یک اصل لرزه ای بنیادین است.
- کنترل بتن ریزی: تراکم آرماتور در ناحیه وصله بالا است. از افزودنی های کاهنده آب (فوق روان کننده ها) برای اطمینان از پر شدن کامل بتن در اطراف میلگردها و جلوگیری از کاهش چسبندگی استفاده نمایید.