سازه‌های فولادی پرشده با بتن یا به اختصار CFT، به علت بهره‌گیری مشترک از ویژگی‌های بتن و فولاد، مزایای متعددی نسبت به سایر سازه‌های متداول دارند. در این مقاله، به مهمترین مزیت‌های رفتاری سازه‌های CFT اشاره می‌شود.
مقاومت خمشی، محوری و برشی بالاتر
در مقاطع CFT ، مقاومت فشاری موجود بتن نسبت به مقاومت کششی آن بسیار بالاتر بوده و تحت محصورشدگی سه محوره بهبود می‌یابد. ازسوی‌دیگر فولاد از مقاومت کششی موجود بالایی برخوردار است اما مقطع فولادی ممکن است تحت فشار به‌صورت موضعی کمانش نماید. لذا در مقاطع فولادی پرشده با بتن، بتن و فولاد به‌منظور استفاده از مهمترین ویژگی های ذاتی هریک از این مصالح، به‌کار می‌روند.
شکل زیر مقایسه‌ای از نتایج به‌دست‌آمده طی آزمایشی برای مقاومت فشاری ستون‌هایی با مقطع فولادی توخالی با تنش تسلیم ۳۶۳ مگاپاسکال و به قطر ۱۶۰ میلی متر و ضخامت ۳.۴۶ میلی متر، بتنی مسلح و مقطع فولادی پرشده با بتن غیرمسلح با استفاده از بتن با مقاومت فشاری ۷۸ مگاپاسکال را نمایش می‌دهد. ابعاد هندسی مقطع فولادی در هر دو ستون با مقاطع فولادی توخالی و پرشده با بتن مشابه است. همچنین ابعاد هندسی ستون با مقطع بتنی مسلح و هسته بتنی در ستون با مقطع فولادی پرشده با بتن یکسان است. باتوجه‌به نمودار زیر مقاومت نهایی مقطع فولادی پرشده با بتن حتی از مجموع مقاومت نهایی مقطع فولادی توخالی و مقطع بتنی مسلح نیز بالاتر است.
در دهه‌های اخیر تحقیقات زیادی در زمینه عملکرد مقاطع فولادی توخالی پرشده با بتن صورت گرفته است. نتایج نشانگر عملکرد اعضای CFT با بهره‌مندی از مزیت‌های توأمان فولاد و بتن بوده و این اعضا رفتار مطلوبی تحت اثر نیروی فشاری، کششی، برشی و همچنین لنگر خمشی و پیچشی دارند. تحقیقات همچنین نشانگر عملکرد شکل‌پذیر اعضای CFT در کشش است. مطابق تصویر زیر، ترک‌های بتن داخلی تحت کشش به‌طور یکنواخت در طول عضو توزیع شده‌اند.
مقاومت خمشی بالا
برای مقطع فولادی پرشده با بتن که تحت اثر لنگر خمشی قرار دارد، وجود بتن داخل مقطع می‌تواند حالت‌های خرابی جدار خارجی را به‌صورت کمانش‌های موجی شکل (ضمن کاهش طول نیم¬موج) تغییر دهد چراکه بتن به‌صورت تکیه‌گاه جانبی سرتاسری اجازه کمانش بخش فولادی به‌سمت داخل را نمی‌دهد. همان‌گونه که در شکل پایین قابل مشاهده است، در وجه تحت کشش مقطع ترک‌هایی در هسته بتنی مشاهده می‌شود، که در مقاطع CFT نسبت به مقاطع بتن مسلح، عرض و فاصله ترک‌ها کوچک‌تر شده است. ازسوی‌دیگر عملکرد بخش فولادی سبب کاهش قابل‌توجه ترک‌های قطری (۴۵ درجه) در هسته بتنی می‌گردد.
مقاومت پیچشی بالا
هنگامی‌که مقطع فولادی توخالی تحت پیچش قرار می‌گیرد، کمانش‌های پیچشی واضحی در مقطع رخ می‌دهد. مقطع بتنی نیز تحت پیچش رفتاری ترد از خود بروز می‌دهد و ترک‌های برشی 45 درجه داخل مقطع شکل می‌گیرد. اما با قرارگرفتن عضو CFT تحت اثر لنگر پیچشی، نیروی فشاری در هسته بتنی و نیروی کششی قطری در مقطع فولادی ایجاد می‌شوند. درنتیجه اعمال هم‌زمان این دو نیرو عملکرد خرپایی فضایی ایجادشده و مقاومت در برابر کمانش مقطع فولادی تقویت می‌شود.
برتری رفتاری سازه‌های CFT متشکل از ستون‌های لاغر
آزمایش‌های متعددی روی ستون بلند با مقطع CFT لاغر تحت پروتکل‌های بارگذاری پیچیده‌ای انجام شده است. نتایج آزمایش‌ها بیانگر عملکرد مناسب ستون‌های CFT و ضوابط محافظه‌کارانه آیین‌نامه‌ای دررابطه با مقاومت این ستون‌هاست. در مقاطع فولادی پرشده با بتن، به‌دلیل وجود هسته بتنی به‌عنوان تکیه‌گاه جانبی دیواره فولادی احتمال کمانش موضعی بخش فولادی به‌شدت کاهش می‌یابد. مطابق شکل زیر در مقطع توخالی فولادی هر دو کمانش به‌سمت داخل و خارج مشاهده می‌شود، همچنین در مقطع بتنی شکست برشی مشهود است، اما در مقطع فولادی پرشده با بتن تنها کمانش به‌سمت خارج در فولاد مشاهده می‌گردد و بتن داخلی در حالت شکل‌پذیرتر دچار شکست می‌شود. کلیه مواردی فوق، سبب می‌شود مقاطع فولادی پرشده با بتن، بالاترین نسبت مجاز بعد به ضخامت در فشار و خمش در بین انواع مقاطع فولادی را دارا باشند.
مزیت‌های رفتاری سازه‌های CFT ناشی از بهبود عملکرد بتن
استفاده از اثر محصورشدگی بتن باهدف بهبود خواص مقاومتی آن، یکی از نکات مهم در به‌کارگیری و طراحی سازه‌های بتن‌آرمه است. درموردِ مقاطع بتن مسلح این مهم با استفاده از المان خاموت حاصل می‌گردد که در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان این اثر با یک ضریب افزایشی در مقاومت مشخصه بتن لحاظ می‌شود.
در مقاطع CFT می‌توان مقطع فولادی را به تعداد زیادی خاموت با فواصل بسیار اندک نسبت به یکدیگر تشبیه کرد، بنابراین اثر محصورشدگی بتن به بهترین نحو در مقاطع CFT تحقق می‌یابد. مطابق تحقیقات، بتن محصورشده نسبت به بتن محصورنشده رفتار به‌مراتب مقاوم‌تر و شکل‌پذیرتر ارائه می‌دهد تاجایی‌که در برخی آزمایش‌ها کرنش نهایی بتن محصورشده 11 برابر کرنش نهایی بتن محصورنشده گزارش شده است.
حضور مقطع فولادی به‌عنوان قالب دائمی بتن سبب حفاظت سطح بتن از آسیب‌هایی همچون پوسته‌پوسته‌شدن و خوردگی می‌شود. ضمنا به‌این‌دلیل کاهش مقاومت و همچنین انقباض خشک و خزش بخش بتنی مقاطع CFT در مقایسه با مقاطع بتن‌آرمه به‌مراتب کمتر است.
شکل‌پذیری و ظرفیت استهلاک انرژی بالا
مقطع CFT به‌دلیل عملکرد مختلط، ظرفیت استهلاک انرژی بیشتری در مقایسه با مقطع فولادی توخالی یا مقطع بتنی مسلح معادل را دارا می‌باشد. مطابق مطالعات متعدد آزمایشگاهی و مدل‌سازی‌های عددی، سطح زیر منحنی نیرو- جابجایی (معادل میزان انرژی جذب‌شده توسط عضو) در مقاطع فولادی پرشده با بتن به‌صورت قابل‌توجهی افزایش می‌یابد.
به‌منظور ارزیابی پاسخ لنگر-انحنا و بارجانبی-جابجایی این مقاطع، مدل‌های چرخه‌ای برای پاسخ چرخه‌ای برمبنای مطالعات پارامتریک با درنظرگرفتن فاکتورهای کلیدی از قبیل میزان بار محوری، ضریب لاغری و مقاومت ماده پیشنهاد شده‌اند. پیش‌بینی مدل‌های تئوریک، هم‌خوانی قابل قبولی با نتایج آزمایش‌ها داشته است. ازسوی‌دیگر به‌دلیل عملکرد سازه پل‌ها و ساختمان‌های پیچیده تحت شرایط مختلف آزمایش‌های ستون با مقطع CFT به‌صورت چرخه‌ای و با مشارکت هم‌زمان خمش، فشار و پیچش به‌منظور ارزیابی پاسخ لنگر-انحنا و بارجانبی-جابجایی این مقاطع، مدل‌های چرخه‌ای برای پاسخ چرخه‌ای برمبنای مطالعات پارامتریک با درنظرگرفتن فاکتورهای کلیدی از قبیل میزان بار محوری، ضریب لاغری و مقاومت ماده پیشنهاد شده‌اند. پیش‌بینی مدل‌های تئوریک، هم‌خوانی قابل قبولی با نتایج آزمایش‌ها داشته است. ضمنا به‌دلیل عملکرد سازه پل‌ها و ساختمان‌های پیچیده در شرایط مختلف آزمایش‌های ستون با مقطع CFT به‌صورت چرخه‌ای و با مشارکت هم‌زمان خمش، فشار و پیچش انجام شد.
نتایج تست‌ها بیانگر اثر باریک شدگی بسیار محدود منحنی چرخه‌ای ستون دارای مقطع CFT تحت بارگذاری مرکب است. همچنین مقاومت پیچشی موجود ستون دارای مقطع CFT تحت اثر لنگر خمشی کاهش نشان می‌دهد. اعضا با مقطع فولادی پرشده با بتن که در پایه پل‌ها یا به‌عنوان ستون‌های خارجی ساختمان‌ها استفاده می‌شوند، درمعرض بارهای ضربه‌ای قرار دارند. نتایج تحقیقات دراین‌زمینه گواه مقاومت فوق‌العاده این ستون‌ها در برابر ضربه است.
افزایش سختی جانبی عضو فشاری
یکی از مزیت‌های رفتاری سازه‌های CFT، امکان جایگزینی آن با سازه‌های دارای مقاطع فولادی سنتی، به‌منظور کنترل جابجایی جانبی سازه از طریق افزایش ممان اینرسی مقطع و درنتیجه افزایش سختی جانبی ستون است. جهت انجام این امر به‌جای مقطع فولادی موجود از یک مقطع فولادی توخالی معادل استفاده می‌گردد. در گام بعدی داخل مقطع فولادی توخالی به‌وسیله بتن پر می‌شود که منجر به افزایش سختی جانبی مقطع ستون می‌گردد. این راهکار به‌خصوص در سازه‌های با سیستم باربر جانبی قاب خمشی به‌مراتب اقتصادی‌تر از افزایش ابعاد و ضخامت مقطع فولادی ستون خواهد بود.
سایر مزیت‌های رفتاری سازه‌های CFT
سازه‌های CFT علاوه بر موارد فوق مزایای رفتاری عمده‌ای در کاربردهای صنعتی دارند. از این جمله می‌توان به مقاومت بالا در برابر انفجار و ضربه و کنترل بهتر ارتعاشات در سازه‌های صنعتی اشاره نمود. ضمنا مقاومت ذاتی بالای این مقاطع در برابر حریق، توسعه آن‌ها را در سازه‌های صنعتی تسریع نموده است.
