بتن مسلح چیست؟

بتن مسلح (Reinforced Concrete) اصطلاحی رایج است که به یک عضو بتنی که دارای آرماتور فولادی (میلگرد) است، گفته می‌شود. به عبارتی موادی که از ترکیب بتن و آرماتورها ساخته می‌شوند، بتن مسلح نامیده می‌شوند. در زمان ساخت، میلگردها با مفتول در قالب به یکدیگر متصل می‌شوند تا به صورت یک شبکه منظم از میلگردهای طولی و عرضی درآیند. سپس بتن در قالب ریخته می‌شود و در مدت معلوم تحت عمل آوری قرار می‌گیرد. در هر صورت، برای شناخت بیشتر اصطلاح بتن مسلح با ما همراه باشید.

تاریخچه بتن مسلح

مصر‌ی‌ها، یونانی‌ها و رومی‌ها از بتن در پل‌ها و قنات‌ها استفاده می‌کردند. در طول ساخت کولوسئوم در رم، رومی‌ها از بتن به عنوان چسبی قوی بهره زیادی بردند. بتن پس از مدت‌ها فراموش شدن، در سال 1824 با اختراع سیمان پرتلند به روند ساخت بازگشت.

در اواسط قرن نوزدهم، جوزف مونیر که گلفروش بود، کاربرد سیمان فر (آهن سیمانی) را آزمایش کرد. اصطلاح بتن آرمه (Beton Armé) نام اختراعی بود که او در سال 1868 ثبت کرد. مونیر اختراع خود را به ویژه در حوضچه‌ها و لوله‌های آب به کار برد. در سال 1875 اولین بتن مسلح در جهان در یک ملک در نزدیکی شازلت در فرانسه ساخته شد.

برادران پیچا این حق اختراع را در سال 1880 برای بلژیک خریداری کردند و یک کارخانه در شهر کنت راه اندازی کردند. بتن مسلح Via Zeeuws-Vlaanderen به هلند آمد. در سال 1888 شعبه ای در ساس ون گنت توسط برادران پیچا تأسیس شد.

از سویی دیگر، ارنست ال رانسوم، مهندس انگلیسی تبار، در ابتدای قرن نوزدهم مبتکر اولیه تکنیک‌های بتن مسلح بود. با استفاده از دانشی که 50 سال گذشته در حوزه بتن آرمه توسعه یافته بود، رانسوم تقریباً تمام سبک‌ها و تکنیک‌های مخترعین اولیه بتن مسلح را بهبود بخشید. رانسوم با شهرت فزاینده ‎ای از ساختمان‌های بتنی خود، توانست دو تا از اولین پل‌های بتن آرمه را در آمریکای شمالی بسازد.

یکی از اولین آسمان خراش‌هایی که با بتن مسلح ساخته شد، ساختمان 16 طبقه اینگالز در سینسیناتی بود که در سال 1904 ساخته شد. اولین ساختمان بتنی مسلح در سال 1905 در کالیفرنیای جنوبی و در مرکز شهر لس آنجلس ساخته شد. در سال 1906، حدود 16 مجوز ساختمان برای ساختمان‌های بتنی مسلح در شهر لس آنجلس صادر شد.

در آوریل 1904، جولیا مورگان معمار و مهندس آمریکایی که پیشگام استفاده زیبایی شناختی از بتن مسلح بود، اولین سازه بتن آرمه خود را به نام «ال کامپانیل» یک برج ناقوس 72 فوتی (22 متری) در خلیج سانفرانسیسکو احداث کرد. دو سال بعد، ال کامپانیل از زلزله 1906 سانفرانسیسکو بدون هیچ آسیبی جان سالم به در برد که به ایجاد شهرت و راه اندازی حرفه پربار او کمک کرد.

در سال 1906، انجمن ملی مصرف کنندگان سیمان (NACU) استاندارد شماره یک و در سال 1910، مقررات استاندارد ساختمان برای استفاده از بتن مسلح را منتشر کرد. با این کار، بتن آرمه به عنوان پایه و اساس دنیای جدید را شکل داد. سپس این متریال کامپوزیت در تمام جهان گسترش یافت.

تعریف بتن مسلح

بتن مسلح یا بتن آرمه (Reinforced Concrete) یک ماده کامپوزیت است که از ترکیب بتن و آرماتور ساخته می‌شود. از این ترکیب جهت بهبود همزمان مقاومت فشاری بتن و استحکام کششی فولاد استفاده می‌شود. درحقیقت، بتن و میلگردها دست به دست هم می‌دهند تا در برابر بسیاری از انواع بارها مقاومت کنند.

فولادی که در بتن آرمه استفاده می‌شود، اغلب میلگردهای آج‌دار هستند زیرا می‌توانند پیوند خوبی با بتن برقرار کنند. فولاد بتن را از ناحیه کششی تقویت می‌کند و آن را به یک مصالح ساختمانی قوی‌تر تبدیل می‌کند. آرماتورها به صورت طولی و عرضی در تیرها و ستون‌های بتنی قرار می‌گیرند. آرماتورهای عرضی با نام «خاموت» شناخته می‌شوند.

بتن مسلح یک مصالح ساختمانی محبوب است زیرا بسیار مستحکم، آسان برای اجرا، سازگار، بادوام و مقرون به صرفه می‌باشد. بتن آرمه معمولاً برای احداث ساختمان، سازه‌های پیش ساخته، سازه‌های شناور، تونل‌های زیرزمینی، پل‌ها، سدها، کانال‌های آبیاری، زهکشی‌ها و سایر ساختارها به کار گرفته می‌شود.

دلیل استفاده از آرماتور در بتن

یکی از معایب اصلی بتن، مقاومت کششی بسیار پایین آن است. به همین دلیل، بتن اغلب تحت بارهای کششی و خمشی در ناحیه کششی ترک می خورد و خرابی بسیاری به بار می‌آورد. از سوی دیگر، فولاد تقویت کننده دارای استحکام کششی نسبتاً بالایی است و جزء موادی محسوب می‌شود که در فشار و کشش مقاومت یکسانی دارد.

زمانی که آرماتورها تحت فشار قرار می‌گیرند، به دلیل کمانش زودرس از کار میفتند؛ اما در ناحیه کششی ابتدا بتن تخریب می‌شود ولی آماتورها تا تنش تسلیم مقاومت می‌کنند. برای مثال، تیرهای ساختمانی در تارهای بالایی تحت فشار و در تارهای پایینی تحت کشش قرار می‌گیرند. بنابراین، استفاده از آرماتور در بخش کششی منجر به رفتار سازه‌ای موثری می‌شود زیرا فولاد به طور موثر تحت کشش و بتن تحت فشار قرار می‌گیرند.

عکس بالا نمودار لحظه خمش یک تیر پیوسته تحت بارهای عمودی و همچنین مکان‌هایی که فولاد تقویت کننده باید در آن قرار گیرد را نشان می‌دهد. توجه به این نکته ضروری است که همکاری بین بتن و فولاد به این دلیل تسهیل می‌شود که هر دو ماده ضریب انبساط حرارتی یکسانی دارند. این بدان معناست که تغییرات دما باعث ایجاد تنش‌های داخلی اضافی برای بتن و میلگرد نمی‌شوند.

مکانیزم خرابی عضو بتن مسلح

جلوگیری از ترک خوردگی قسمت بتن کششی تقریباً غیرممکن است. با این حال، اندازه و محل ترک‌ها را می‌توان با تقویت مناسب، اتصالات کنترلی، روش عمل آوری و طراحی مخلوط بتنی محدود و کنترل کرد. ترک خوردگی می‌تواند باعث نفوذ رطوبت و خوردگی آرماتور شود.

این نوع شکست در قابلیت سرویس دهی در طراحی است. ترک خوردگی معمولاً در نتیجه مقدار ناکافی میلگرد یا میلگرد در فاصله بسیار زیاد است. سپس بتن یا تحت بارگذاری بیش از حد یا به دلیل اثرات داخلی مانند انقباض حرارتی اولیه در حین عمل آوری ترک می خورد.

شکست نهایی که منجر به فروریختن عضو بتنی می‌شود، می‌تواند ناشی از خرد شدن بتن فشاری باشد. این مشکل زمانی رخ می‌دهد که تنش‌های فشاری از مقاومت آن بیشتر شوند. با تسلیم شدن یا شکست میلگرد در زمانی که تنش‌های خمشی یا برشی از مقاومت آرماتور بیشتر می‌شود، شکست پیوند بین بتن و میلگرد رخ می‌دهد.

اهمیت استفاده از بتن مسلح

در زیر دلایل استفاده گسترده استفاده از بتن آرمه آورده شده‌اند:

• دارای مقاومت بالا در برابر آتش و آب و هوا است.
• می‌تواند تقریباً به هر شکلی که برای ساخت و ساز مورد نیاز است، قالب بندی شود.
• هزینه‌های نگهداری بسیار پایینی دارد.
• در شرایط آب و هوایی شدید مقاوم است. به همین دلیل است که برای سدها، اسکله‌ها و پایه‌ها استفاده می‌شود.
• مقرون به صرفه‎‌تر از سازه‌های فولادی است.
• به نیروی ماهر کمتری نیاز دارد.

هنگام استفاده از بتن مسلح، معایب احتمالی کمی وجود دارد و هر اقدامی برای به حداقل رساندن آنها انجام می‌شود.

کاربردهای بتن مسلح

امروزه بتن مسلح معمولاً در ساختمان‌های مدرن و عمدتاً در ساختارهایی که نیاز به ترکیب بتن و فولاد دارند، کاربرد دارد. چنین پروژه‌هایی ممکن است شامل تنوع زیادی از اعضای باربر مختلف به شرح زیر باشند:

• اعضای صفحه‌ای: صفحات افقی مانند دال‌ها و صفحات عمودی مانند دیوار برشی
• اعضای خطی: مانند تیرها، ستون‌ها یا شمع‌ها

تحت بارگذاری عمودی، اعضای صفحه‌ای سختی و استحکام را در بیش از یک جهت متحمل می‌شوند، در حالی که اعضای خطی سختی و استحکام را تنها در یک جهت تحمل می‌کنند.

به طور کلی، کاربردهای بتن مسلح به شرح زیر هستند:

• ساختمان‌ها
• پل‌ها
• باند فرودگاه‌ها
• مخازن آب
• جاده‌ها
• سازه‌های شناور
• پایه‌ها
• سازه‌های دریایی
• لوله‌ها
• اعضای پیش ساخته
• دودکش‌ها و برج‌ها
• دیوارهای نگهدارنده
• پناهگاه‌ها و سیلوها

چند مثال از اعضای بتن مسلح با اشکال هندسی مختلف

سطح مقطع اعضای خطی عمودی مانند ستون‌ها دارای هندسه نسبتاً ساده‌ای است (بیشتر اوقات مربع، مستطیل یا دایره است). این اعضا باید در همه جهات افقی مقاومت مساوی یا مشابهی داشته باشند. علاوه بر این، چنین تنظیمات هندسی منجر به کاهش هزینه‌های مربوط به قالب بندی و مقدار بتن مورد نیاز می‌شوند.

مقاطع تیرهای مورد استفاده در پروژه‌های ساختمانی دارای شکل مربع یا مستطیل هستند، در حالی که سطح مقطع تیر پل‌ها عمدتاً به شکل I است زیرا وزن عضو را کاهش می‌دهد و محل قرارگیری میلگردها را پس از کشش مشخص می‌کند.

مزایای بتن مسلح

فواید بتن آرمه به شرح زیر هستند:

1- قدرت و استحکام بالا

بتن مسلح از مقاومت بسیار خوبی در کشش و همچنین فشار برخوردار است. این باعث می‌شود که بتن آرمه به یک مصالح ساختمانی محبوب و پرکاربرد تبدیل شود. مقاومت فشاری بسته به نوع بتن متفاوت است و برای کاربردهای مختلف از یک مقاومت فشاری مشخص استفاده می‌شود. مقاومت کششی بتن نیز به تعداد و نمره میلگردها بستگی دارد. تعداد زیاد میلگردها در بتن صرفه اقتصادی ندارد و تعداد کم هم الزامات طراحی را برآورده نمی‌کند.

2- صرفه اقتصادی خوب

اجزای بتنی به طور گسترده در سراسر جهان در دسترس بوده و ارزان هستند. به طور مشابه، هزینه تولید بتن نیز بسیار پایین است. هزینه نگهداری بتن آرمه ناچیز است. به دلیل دوام بالای بتن مسلح، این متریال کامپوزیت انعطاف پذیری و بهره وری انرژی را افزایش می‌دهد و هزینه‌های عملیاتی مربوط به امور عملیاتی و بازسازی پس از حادثه را کم می‌کند.

3- دوام و طول عمر بالا

اگر سازه‌های بتن مسلح در صورت طراحی مناسب دوام بالایی از خود نشان دهند، تحت تأثیر آب و هوا مانند بارش باران و برف قرار نمی‌گیرند و می‌توانند تا 100 سال دوام بیاورد. به دلیل نفوذپذیری پایین، بتن می‌تواند در برابر مواد شیمیایی محلول در آب مانند سولفات‌ها، کلرید و دی اکسید کربن که ممکن است باعث خوردگی در بتن شوند، بدون خرابی جدی مقاومت کند. به همین دلیل است که بتن آرمه برای کاربردهای زیر آب و غوطه وری مانند سازه‌های دریایی، خطوط لوله، سدها، کانال‌ها و سازه‌های ساحلی ایده آل است.

4- مقاومت در برابر آتش

طبیعت بتن اجازه نمی‌دهد که آتش بگیرد یا بسوزد. این ماده می‌تواند دو تا شش ساعت حرارت را تحمل کند و زمان کافی را برای عملیات نجات در صورت آتش سوزی فراهم نماید. ساختمان‌های بتنی نسبت به سایر مصالح ساختمانی متداول مانند فولاد و چوب، در برابر آتش مقاوم هستند. با اینکه فولاد نسبت به بتن از مقاومت حرارتی کمتری برخوردار است اما به دلیل آنکه در داخل بتن قرار دارد، در برابر آتش سوزی محافظت شده است.

5- شکل پذیری بالا

آرماتور شکل پذیری بتن مسلح را افزایش داده است. میزان انعطاف پذیری، بتن را قادر می‌سازد تا در صورت تجربه بارگذاری بیش از حد اعضای بتن آرمه، نشانه‌ای از ترک خوردگی و انحراف را از خود نشان دهد. این مهم به عنوان تخریب نرم شناخته می شود که در آن بتن کششی تخریب می‌شود ولی فولاد کششی همچنان به مقاومت خود تا تسلیم ادامه می‌دهد. این امر می‌توان به عنوان یک هشدار برای ساکنان ساختمان در نظر گرفته شود و همچنین مهندسان را قادر می‌سازد تا اقدامات مناسبی را برای جلوگیری از آسیب‌های بیشتر بتن در نظر بگیرند.

6- قابلیت مصرف و بازیافت زباله

چندین ضایعات صنعتی و محصولات جانبی مانند خاکستر بادی، سرباره کوره‌های بلند دانه‌ای، شیشه‌های زباله و حتی لاستیک‌های خودروها را می‌توان به عنوان جایگزین سیمان یا سنگدانه یا مواد تکمیلی بازیافت کرد. در نتیجه، تولید بتن اثرات زیست محیطی ناشی از ضایعات صنعتی را کاهش می‌دهد و ویژگی‌های بتن را بهبود می‌بخشد و در نتیجه، کیفیت سازه به خطر نمیفتد. بتن را می‌توان به عنوان سنگدانه خرد شده در جاده‌ها، برای دیوارهای گابیون، به عنوان ریپ‌رپ (Riprap) برای محافظت از خطوط ساحلی یا سایر کاربردها به عنوان مواد دانه‌ای بازیافت کرد.

انواع بتن مسلح

در اواسط قرن بیستم، تحقیقات گسترده‌ای برای استفاده از مواد کامپوزیت برای تقویت بتن در حال انجام بود. بعداً استفاده از آزبست برای تقویت بتن به دلیل تشخیص خطرات سلامتی منع شد. مواد جدیدی مانند فولاد، شیشه و الیاف مصنوعی جایگزین آزبست برای تقویت بتن شدند. در هر صورت، انواع بتن آرمه به شرح زیر هستند:

بتن مسلح با الیاف فولادی (FRC)

تحقیقات فعال هنوز در مورد این فناوری مهم در حال انجام است. بتن الیافی به عنوان یکی از بزرگترین پیشرفت‌ها در مهندسی ساخت و ساز در طول قرن بیستم در نظر گرفته می‌شود. این بتن دارای الیاف است که یکپارچگی ساختاری بتن را افزایش می‌دهد. الیاف‌ها به طور یکنواخت توزیع شده و به صورت تصادفی جهت گیری شده‌اند. الیاف شامل الیاف فولادی، الیاف شیشه‌ای، الیاف مصنوعی و الیاف طبیعی هستند.

بتن تقویت شده با الیاف پلی پروپیلن

این بتن یک مصالح ساختمانی اولیه است که دارای مقاومت مکانیکی، سختی و دوام بالایی است. پلی پروپیلن یک پلیمر ارزان قیمت و قابل دسترس است که به دلیل مقاومت در برابر واکنش‌های شیمیایی، محبوبیت زیادی دارد. از نظر سازه ای، این بتن مناسب ساختمان‌هایی که در مناطق لرزه خیز ساخته می‌شود، نیست!

کامپوزیت سیمانی مهندسی شده (ECC)

اخیراً یک بتن مسلح الیافی ساخته شده است که کامپوزیت سیمانی مهندسی شده (ECC) نامیده می‌شود. ادعا می‌شود که این بتن 40 درصد سبک‌تر از بتن معمولی است و در برابر ترک خوردگی مقاومت بالایی دارد. بنابراین، شکل پذیری به طور قابل توجهی بیشتر از بتن معمولی است. این بتن به دلیل گران بودن به ندرت در سازه‌های متعارف شهری استفاده می‌شود.

کلام آخر

بتن مسلح در مقایسه با سایر مصالح دارای مزایای بالقوه زیادی است. این ماده کامپوزیت مقاومت کششی و فشاری بالایی دارد و می‌تواند در صورت طراحی مهندسی شده تا سال‌ها بدون نیاز به نگهداری، دوام بیاورد. اگر بتن به اندازه کافی تقویت نشده باشد، تحت بارهای کششی و خمشی دچار خرابی می‌شود.

امروزه متخصصان و مهندسان با نرم افزارهای مختلف اقدام به طراحی بتن آرمه می‌کنند و به راحتی می‌توانند سازه را برای اثرات لرزه‌خیزی مقاوم سازی کنند. به هر روی، هنگام ساخت سازه‌ای که باید در برابر زمان مقاومت خود را افزایش دهد، نمی‌توانید بتن مسلح را نادیده گرفت.

منابع:

https://theconstructor.org/concrete/reinforced-concrete-uses-benefits-advantages/35976/

https://skyciv.com/docs/tutorials/reinforced-concrete-tutorials/what-is-reinforced-concrete/

https://www.brighthubengineering.com/concrete-technology/47714-types-of-reinforced-concrete/