انواع بتن مسلح : بزرگ‌ترین پیشرفت‌ مهندسی ساخت و ساز در قرن بیستم

در اواسط قرن نوزدهم، تحقیقات گسترده‌ای در مورد استفاده از مواد کامپوزیت برای تقویت بتن در حال انجام بود. بعدها به دلیل تشخیص خطرات بهداشتی، از استفاده آزبست برای تقویت بتن جلوگیری شد. مواد جدیدی مانند شیشه و الیاف مصنوعی جایگزین آزبست شدند.

اما هچ کدام نتوانستند ویژگی‌های مختلف بتن را بهبود بخشند. اما در اوایل قرن بیستم، استفاده از فولاد در بتن رایج شد. تا اینکه علم نشان داد که فولاد می‌تواند بهترین دوست و همدم بتن باشد! این چنین بود «بتن مسلح» به یکی از بزرگ‌ترین پیشرفت‌ها در مهندسی ساخت‎وساز در قرن بیستم تبدیل شد؛ با ویکی ساختمون همراه باشید.

بتن مسلح چیست؟

بتن مسلح (Reinforced Concrete) اصطلاح رایجی است که برای افزایش مقاومت سازه به عضوی از بتن، فولاد تقویتی اضافه می‌شود. ماده‌ای که از ترکیب بتن و فولاد تقویت کننده حاصل می‌شود، بتن آرمه (RC) نامیده می‌شود. آرماتورها معمولاً به صورت آج‌دار و به قطر شش تا ۳۲ میلی‌متر در مقاطع بتنی قرار می‌گیرد.

این میلگردها بر طبق نقشه‌های سازه با استفاده از مفتول و خاموت‌های عرضی در کنار هم قرار می‌گیرند تا بتن ریزی انجام شود. پس از سفت شدن بتن، فرم و شکل نهایی تشکیل بتن مسلح می‌دهند. این مقاطع به عنوان اعضای باربر عمل می‌کنند و می‌توانند در برابر تنش‌های کششی و فشاری مقاومت کنند.

اهمیت استفاده از فولاد در بتن مسلح

یکی از معایب اصلی بتن مقاومت کششی بسیار کم آن است. این مشکل منجر به ترک خوردن مقاطع بتنی می‌شود که به نوبه خود منجر به مشکلات زیبایی (انحراف زیاد تیرها یا دال‌ها) برای حالت حدی سرویس پذیری و همچنین مشکلات یکپارچگی سازه در حالت حدی نهایی می‌شود. از طرف دیگر، فولاد دارای استحکام کششی بالا است و پیوند بین فولاد و بتن به خوبی شکل می‌گیرد. از آنجا که مدول یانگ (مدول الاستیسیته) فولاد زیاد است، مقاومت نهایی فولاد در مقایسه با بتن بیشتر است.

مطلب پیشنهادی: الیاف FRP چیست

استفاده از آرماتور در بخش کششی بتن منجر به رفتار سازه‌ای مؤثر می‌شود، زیرا بتن در ناحیه کششی از بین رفته و فولاد آماده جذب بارهای وارده می‌شود. نمودار زیر لحظه خمش یک تیر پیوسته (تکیه گاه مفصلی) تحت بارهای عمودی و همچنین مکان‌هایی را که باید فولاد تقویتی در بتن قرار گیرد آورده شده‌اند.

توجه به این نکته مهم است که همکاری بین بتن و فولاد تا جایی بهبود پیدا می‌کند که بفهمیم ضریب انبساط حرارتی هر دو ماده یکسان است. به این معنا که تغییر دما باعث ایجاد تنش‌های داخلی اضافی در رابط بتن-میلگرد نمی‌شود.

کاربردهای بتن مسلح

امروزه بتن آرمه در ساختمان‌ها، پل‌ها، تونل‌ها، جاده‌ها، سازه‌های دریایی و سایر حوزه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما طیف گسترده‌ای از اعضا باربر در ساختمان باید به بتن تقویت شده مجهز شوند، این موارد شامل موارد زیر هستند:

• اعضای صفحه‌ای: صفحات افقی (سقف) یا عمودی (دیوار برشی و دیوارهای اطراف راه پله یا آسانسور)
• اعضای خطی: مانند تیرها، ستون‌ها یا شمع‌ها

مقطع اعضای خطی مانند ستون‌ها، تیرها و فونداسیون‌ها دارای هندسه نسبتاً ساده (اغلب مربع، مستطیل یا دایره هستند) از این واقعیت حکایت می‌کند که این اعضا باید در تمام جهات افقی مقاومت برابری داشته باشند. علاوه بر این، چنین مقاطع هندسی منجر به کاهش هزینه‌های مربوط به قالب‌بندی می‌شوند. مقاطع تیرهای مورد استفاده در پروژه های ساختمانی معمولاً به شکل مستطیل هستند، در حالی‎که مقاطع کمربند پل عمدتاً آی‌شکل (I-Shape Section) است تا وزن را کاهش داده و محل قرارگیری تاندون‌ها پس از کشش را در خود جای دهند.

فواید و معایب بتن مسلح

بهر‌ه‌وری انرژی: ساختمان‌های ساخته شده با بتن آرمه هر ساله ۲۰ تا ۲۵ درصد در هزینه‌های خنک سازی محیط داخل صرفه‌جویی می‌کنند. با این حال، رقم واقعی بسته به آب و هوای منطقه و همچنین نوع و تعداد درب‌ها و پنجره‌ها متفاوت خواهد بود.

ضد آفت: مقاطع بتن آرمه ضد آفت هستند. این بدان معنا است که دیگر نگران کنترل مواد شیمبایی و آفات نخواهید بود.

محیط داخلی سالم: اعضای بتن آرمه فاقد مواد آلی هستند، به این معنا که از میکروارگانیسم‌های مضر مانند کپک‌ها نمی‌توانند در این اعضا رشد کنند.

مقاومت در برابر طوفان و باد: مقاطع بتن آرمه انعطاف پذیر بوده و حتی در مناطق مستعد عناصر خشن نیز ساختار پایدار را تضمین می‌کند. در حقیقت، بتن فرآیندی به نام «پس تنش» را طی می‌کند. به همین دلیل بتن به عنوان مطلوب‌ترین ماده برای ساخت اتاق‌های ایمن در مناطقی که طوفان و باد با سرعت بیش از ۲۵۰ مایل در ساعت رخ می دهند، متریالی عالی است.

مقاوم در برابر آتش: ساختارهای بتن آرمه می‌توانند در معرض آتش شدید و در دمای بالا به طور مداوم مقاومت کرده و دچار آسیب ساختاری نشوند.

تعمیر و نگهداری کمتر: هزینه‌های نگهداری اسکلت بتنی نسبتاً کم است. برخلاف چوب، آن‎ها در معرض فرسایش یا پوسیدگی قرار ندارند. علاوه بر این، فولادی که برای تقویت بتن استفاده می‌شود در برابر خوردگی یا زنگ زدگی محافظت می‌شود.

هزینه ساخت نسبتاً بالا: هزینه اولیه ساخت ساختمان با بتن مسلح  کمی بالا است. اما سرعت بالا در اجرا می تواند این نقیصه را تاحدودی جبران کند.

پتانسیل ترک خوردگی: خزش و جمع شدن در بتن تازه ممکن است باعث ایجاد ترک در اعضا شود. به همین دلیل مراحل بتن ریزی و سپس عمل آوری بتن باید با دقت فراوان انجام گیرند.

مطلب پیشنهادی: تقویت بتن با استفاده از پرتوهای گاما و پلاستیک‌های پودر شده!

انواع بتن مسلح

در زیر یک به یک در مورد انواع بتن تقویت شده می‌پردازیم:

بتن آجری تقویت شده (RBC)

این ترکیب شامل آرماتور، آجر و بتن است. این واقعیت مشهور است که بتن در برابر کشش بسیار ضعیف عمل می‌کند. از این رو در ستون‌ها و تیرها، بتن در قسمت زیر محور خنثی در مقاومت در برابر بار مشارکت نمی‌کند. این فقط به عنوان ماده پُرکننده عمل می‌کند. برای اقتصادی بودن، بتن در منطقه کشش ممکن است از آجر استفاده شود. برای جاسازی آرماتور در قسمت کششی و در بین آجرها از ملات سیمان استفاده می‌شود. آرماتور ممکن است از میله‌های فولادی، پوسته‌‏های فلزی مشبک (مِش) و سایر موارد انتخاب شوند.

بتن تقویت شده با الیاف (FRC)

بتن ساده دارای کمبودهایی مانند مقاومت کم در برابر کشش، شکل پذیری محدود و مقاومت پایین در برابر ترک خوردگی است. ترک‌ها حتی قبل از بارگیری ایجاد می‌شوند. پس از بارگیری ترک‌های ریز گسترش یافته، بتن در معرض کنش‌های جوی قرار می‌گیرد. اگر اختلاط بتن الیافی با فاصله نزدیک و به طور یکنواخت پراکنده شود، ترک‌ها از بین رفته و خصوصیات استاتیکی و دینامیکی بهبود می‌یابند. بتن مسلح الیافی را می‌توان به عنوان یک ماده ترکیبی از بتن با الیاف ناپیوسته با توزیع یکنواخت تعریف کرد. این الیاف معمولاً از فولاد، نایلون، آزبست، سیمان، شیشه، کربن و پلی پروپیلن هستند. بتن الیافی به انواع زیر تقسیم می‌شود:

بتن مسلح الیاف شیشه (GFRC)

بتن آرمه با الیاف شیشه از ۲۵ سال گذشته علاوه بر فولاد، برای تقویت بتن نیز با موفقیت استفاده شده است. GFRC با استفاده از تکنیک‌های خاص در صفحه‌های بزرگ با یک پیکربندی ساده یا به اشکال پیچیده در حال تولید است. در اصل، اجزای GFRC با استفاده از گل میخ‌های فلزی مستقیماً در ساختمان مورد استفادع قرار می‌گیرند. مشخص شد که GFRC به طور قابل توجهی تغییر مکان می‌دهد و به همین دلیل لنگرهای مستقیم جای خود را به لنگرهای لغزنده می‌دهند.

بتن آرمه الیاف فولادی (SFRC)

بتن آرمه با الیاف فولاد ماده کامپوزیتی است که کاربردهای بسیاری در صنعت عمران دارد. این ماده شامل سیمان‌های هیدرولیکی با الیاف فولادی است که به طور تصادفی پراکنده می‌شوند و دارای مقطع مستطیل شکل هستند. الیاف فولادی با مقاومت در برابر ترک خوردگی، بتن را تقویت می‌کنند. مقاومت خمشی بتن مسلح الیافی بیشتر از بتن مسلح نشده است. تقویت بتن توسط الیاف فولادی ماهیتی ایزوتروپیک دارد که مقاومت در برابر شکستگی، از هم پاشیدگی و خستگی را بهبود می‌بخشد. بتن مسلح با الیاف فولاد توانایی تحمل بارهای سبک و سنگین را دارد.

کلام آخر

بتن به خودی خود یک ماده ساختمانی بسیار بادوام است. سازه پانتئون در رم ایتالیا، بزرگترین گنبد بتنی غیر مسلح جهان است که پس از گذشت تقریباً ۱۹۰۰ سال هنوز در شرایط عالی قرار دارد. اما امروزه به لطف پیشرفت‌های روز افزون علمی، مواد کامپوزیتی مانند بتن مسلح به طور گسترده در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. فولاد تقویتی به طور مؤثر ضعف‌های بتن در کشش را جبران می‌کند و از بتن آرمه ماده‌ای فوق‌العاده مستحکم می‌سازد.