مقاومت فشاری بتن

• مصالح ساختمانی گوناگونی از دیرباز توسط انسان مورد استفاده قرار گرفته است. در این میان شاید بتوان از چوب، سنگ، فولاد و بتن به عنوان پرمصرف ترین مصالح ساختمانی نام برد. بتن که در حقیقت یک نوع سنگ ساخته دست بشر است، از مقاومت فشاری بتن قابل قبول و مقاومت کششی بسیار پایین (در حدود 10% مقاومت فشاری بتن) برخوردار است. از طرفی در بسیاری از قطعات سازه ای، کشش مستقیم ویا کشش ناشی از خمش ایجاد می شود. به همین جهت برای جبران ضعف مقاومت کششی بتن، ایده ی بتن مسلح ابداع شده است. در این روش، در هر قسمت که قطعه ی سازه ای تحت کشش (کشش مستقیم یا کشش ناشی از خمش) قرار گیرد، از فولاد به عنوان یک ماده ی مقاوم در مقابل کشش ایجاد شده، استفاده میگردد.
• اگرچه ایده ی اولیه در ابداع بتن مسلح، واگذاری نقش مقاومت در مقابل تنش های کششی به فولاد بوده است؛ با این وجود فولاد می تواند به عنوان یک عنصر کمکی در تحمل فشار نیز در کنار بتن قرار گیرد. به همین دلیل میلگردهای مسلح کننده در قطعات فشاری نظیر ستون ها و یا حتی در ناحیه فشاری تیرها به عنوان فولاد فشاری نیز به کار رود.
• توجه شود که در یک مقطع بتن آرمه، ممکن است ترک های کششی در ناحیه کششی بتن و در جهت متعامد نسبت به جهت تنش های کششی ایجاد شوند. این ترک ها ممکن است از میلگردهای کششی نیز عبور کرده و تا نزدیکی های تار خنثی بالا روند. با این وجود، معمولا عرض این ترک ها بسیار محدود بوده (کوچکتر از 3/0 میلی متر) و در عملکرد قطعه بتن مسلح دخالت نمی کنند

...

•تعیین مقاومت فشاری بتن

جهت تعیین مقاومت فشاری بتن مراحل زیر انجام می‌گیرد.

- کنترل بتن از نظر انطباق با مقاومت مشخصه (نمونه‌های عمل آمده در آزمایشگاه) طبق استاندارد ASTM C192 , C39

- کنترل بتن از نظر یکنواختی اختلاط طبق استاندارد ASTM C94 (مربوط به بتن آماده)

- کنترل عمل‌آوری (تهیه نمونه‌های عمل‌آمده در کارگاه)‌ ASTM C31 , C39

- کنترل مقاومت بتن در زمان های مختلف در شرایط عمل‌آوری کارگاهی (نمونه آگاهی) برای قالب‌برداری و عمل‌آوری

- کنترل مقاومت مغزه‌های بتن سخت شده قطعات سازه طبق استاندارد ASTM C42

• نمونه برداری از بتن تازه

- طبق استاندارد ASTM C172 و 489 ایران

- تهیه و عمل آوری نمونه‌های آزمایشی بتن در آزمایشگاه طبق استاندارد ASTM C192 و

581 ایران

• نکات مربوط به نمونه‌برداری از بتن تازه

در نمونه‌برداری از بتن تازه نکات ذیل را باید رعایت نمود.

- بین اولین و آخرین بخش نمونه اخذ شده نباید بیش از 15 دقیقه فاصله زمانی وجود داشته باشد.

- بخش‌های نمونه اخذ شده باید به کمک یک بیل یا بیلچه مجدداً به خوبی مخلوط شود تا یکنواختی در حداقل مدت زمان ممکن حاصل گردد.

- آزمایش های تعیین اسلامپ و هوای بتن یا هر دو آن ها را باید ظرف مدت 5 دقیقه پس از تهیه آخرین بخش بتن آغاز کرد.

- قالب‌گیری از آزمونه‌های مقاومتی باید ظرف مدت 15 دقیقه پس از تهیه نمونه مخلوط شده، آغاز شود و سریعاً ادامه یابد (طبق دستور تهیه قالب).

- آزمونه باید در برابر باد، آفتاب و سایر عوامل تبخیر سریع و نیز از نزدیکی با مواد مضر و عوامل آسیب رسان محافظت شود.

- حداقل اندازه نمونه برای آزمایش های مقاومت 25 لیتر است (حداقل 5 برابر حجم آزمونه‌ها) نمونه‌های کوچکتر برای انجام آزمایش های روانی ودرصد هوا مجاز تلقی می‌شوند.

- تهیه نمونه از مخلوط کن‌های ثابت (به جز بتونیرها) با مخلوط نمودن 2 بخش یا بیشتر از نمونه‌های اخذ شده در فواصل منظم زمانی در هنگام تخلیه بخش‌های میانی مخلوط بتن انجام می‌شود. هرگز نباید از قسمت های اول و آخر مخلوط نمونه‌ گرفته ‌شود. نمونه اخذ شده باید از تمام سطح جریان مخلوط گرفته شود و نباید جدا شدگی در جریان بوجود آید.

- تهیه نمونه از بتونیرها با اخذ حداقل 5 بخش از بتن تخلیه شده از بتونیر و اختلاط آن ها انجام می‌شود. بتن تخلیه شده نباید در معرض تبخیر شدید یا جذب آب توسط سطح جاذب باشد.

- تهیه نمونه از تراک میکسر با مخلوط نمودن 2 بخش یا بیشتر از نمونه‌های اخذ شده در فواصل منظم زمانی در هنگام تخلیه بخش‌های میانی انجام می‌شود. باید از قسمت های اول و آخر تراک نمونه‌ گرفته شود و نباید قبل از اختلاط کامل آب یا افزودنی مورد نظر نمونه‌گیری شود. توصیه‌ می‌شود بخش‌های این نمونه از تخلیه ، ، و تهیه شود. در انجام آزمایش روانی می‌توان پس از تخلیه 3/0 مترمکعب بتن از تراک میکسر نمونه‌گیری را انجام داد.

.
• سازگاری بتن و فولاد

• بتن و فولاد سازگاری قابل توجهی برای تشکیل یک جسم مرکب دارند که در این میان می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• الف- ضریب انبساط حرارتی بتن و فولاد بسیار به هم نزدیک است؛ به همین دلیل تحت تاثیر تغییرات دمای متداول، تنش های قابل توجهی بین آنها ایجاد نمی شود.
• ب- بتن و فولاد چسبندگی بسیار خوبی با یکدیگر داشته و بین آن دو معمولا لغزش اتفاق نمی افتد؛ بنابراین می توانند عملکرد مرکبی با یکدیگر داشته باشند و همانند یک جسم واحد عمل کنند. چسبندگی بسار خوب بین بتن و فولاد، ناشی از چسبندگی شیمیایی بین دو ماده، و نیز ناصافی های سطحی و برآمدگی های آج میلگرد می باشد.
• ج-فولاد ماده ای است که به راحتی در معرض خوردگی شیمیایی قرار می گیرد؛ در حالی که بتن معمولا نفوذ ناپذیری قابل قبولی دارد و می تواند فولاد مسلح کننده را در مقابل خوردگی محافظت نماید.
• د- مقاومت فولاد در مقابل دمای آتش بسیار پایین است؛ در حالی که پوشش بتن که روی میلگرد ها قرار گرفته است، مقاومت بسیار خوبی در مقابل اتش سوزی ایجاد می کند.
• پیشینه تاریخی بتن آرمه

• اگر چه گفته می شود سیمان از دیرباز توسط ایرانیان و رومانیان به عنوان یک ماده ساختمانی به کار گرفته می شده است، اما سابقا ثبت سیمان پرتلند به جوزف آسپیدین انگلیسی در سال 1824 بر می گردد. از آن پس بتن غیر مسلح برای سالها به عنوان یک مصالح ساختمانی خوب، تولید شد.
• سابقه استفاده از بتن مسلح به سال 1850 بر می گردد که جوزف لامبوت فرانسوی یک قایق بتنی را که با شبکه ای از سیم های موازی مسلح شده بود، تولید کرد. با این حال اختراع بتن آرمه معمولا به جوزف مونیر فرانسوی نسبت داده می شود. وی در سال 1867، ابداع ساخت حوضچه ها و مخازن بتنی مسلح به شبکه ای از سیم آهنی را برای خود ثبت نمود. از آن به بعد مونیر تا سال 1881،موارد متعددی از کاربرد بتن مسلح را از جمله در ساخت لوله ها و تانک ها، صفحات و دال های مسطح، پل های عابر پیاده، قوس ها، ساختمان ها و اجزاء رابط خطوط آهن به نام خود به ثبت رساند. با این وجود گفته می شود که وی دانش مربوط به رفتار بتن آرمه و یا روش مناسب جهت محاسبات طراحی را نداشته است.
• در آمریکا ویلیام وارد نخستین ساختمان بتن آرمه را در سال 1875 در نیویورک بنا نمود. همچنین تادیوس هیات که در ابتدا یک وکیل بود، در دهه 1850 تجربیاتی را در مورد تیر بتن آرمه انجام داد. وی میله های آهنی را در ناحیه کششی تیر قرار داد و در نزدیکی تکیه گاه آن را به طرف بالا خم کرده و در ناحیه فشاری محار نمود. او همچنین میله های قائمی را در نزدیکی تکیه گاه ها برای تحمل برش به کار برد. هیات در سال 1877 یک کتاب 28 صفحه ای در ارتباط با موضوع تحقیقات خود منتشر کرد.
• همچنین رانسام در دهه 1870 در شهر سانفرانسیسکو مواردی از استفاده از بتن آرمه تجربه نمود. وی در سال 1884، استفاده از میله های آجدار را با پیچاندن میله هایی با سطح مقطع مربعی و به منظور فراهم نمودن چسبندگی بهتر بین فولاد و بتن، به نام خود ثبت کرد. همچنین وی در سال 1890، ساختمان یک موزه دو طبقه به طول 95 متر را به صورت بتن آرمه بنا نمود. این ساختمان در زلزله سال 1906 سانفرانسیسکو و نیز در آتش سوزی متعاقب این زلزله، آسیب جزئی دید که این عملکرد و نیز عملکرد مناسب سایر ساختمان های بتن آرمه در آن زلزله و آتش سوزی متعاقب، منجر به اقبال عمومی به این سیستم جدید ساختمان سازی گردید.
• در سال 1903، تشکیل یک کمیته مشترک از نمایندگان سازمان های علاقه مند در زمینه بتن آرمه در آمریکا، نقطه شروعی برای همگانی کردن دانش طراحی بتن آرمه بود. از آن به بعد در دهه اول قرن بیستم، آزمایشات متعددی توسط دانشمندان در آمریکا و اروپا جهت تعیین مقاومت فشاری بتن، و مدول الاستیسیته بتن انجام گرفت. از سال 1916 تا 1935، بیشتر تحقیقات بر ستون های بتن آرمه با بار خارج از محور، شالوده بتن آرمه و نیز مقاومت نهایی تیرها بیشتر مورد توجه محققین قرار گرفت.
• از آن به بعد و تاکنون تحقیقات بسیار زیادی در زمینه رفتار قطعات و سازه های بتن آرمه انجام گرفته است. هزاران رساله کارشناسی ارشد و دکترا در این زمینه در دهه های اخیر به رشته تحریر در آمده است. با این وجود به اعتقاد نگارنده، هنوز ناشناخته های فراوانی در زمینه رفتار اجزاء بتن آرمه وجود دارد. از همین رو در حال حاضر نیز بسیاری از تحقیقات زنده ی دانشگاه های معتبر و مراکز تحقیقاتی دنیا در زمینه اجزاء و قطعات بتن آرمه معطوف می کردد.
• مزایا و معایب بتن آرمه

• مصالح مختلفی مثل فولاد، چوب، مصالح بنایی و بتن ممکن است به عنوان گزینه هایی برای ساخت یک بنا مطرح باشند. این گزینه ها برای بسیاری از سازه های متداول وجود دارند؛ اگر چه در ساخت اسکلت سازه های بلند، ممکن است به فولاد و بتن محدود گردند. با این وجود امروزه بتن آرمه به عنوان یک گزینه قابل اعتماد برای ساخت بسیاری از سازه های کوچک و بزرگ محسوب می گردد؛ به طوری که شاید بتوان از آن به عنوان مهم ترین ماده ساختمانی موجود با کاربردی فراگیر در تمام دنیا نام برد.
• امروزه بسیاری از ساختمان های کوچک و بزرگ، پل ها، سد ها، تونل ها، کانال ها، مخازن و تانک ها، دیوارهای حائل، لوله ها و روسازی ها از بتن آرمه ساخته می شود. موفقیت قابل توجه بتن آرمه نسبت به سایر مصالح ساختمانی و به خصوص فولاد در کاربرد فراگیر آن را می توان مرهون موارد زیر دانست:
1. مقاومت فشاری بتن قابل قبولی در مقایسه با بسیاری از مصالح ساختمانی دیگر دارد.
2. تمامی اجزاء تشکیل دهنده بتن(به جز سیمان) به عنوان مصالح محلی و ارزان قیمت محسوب می شوند. تقریبا در همه جا می توان آب، ماسه و شن را از فواصل نزدیک به محل بتن ریزی حمل نمود که این مساله منجر به سهولت و رغبت بیشتر به بتن، و ارزانتر تمام شدن آن خواهد شد.
3. بتن را می توان به سهولت به هر شکل دلخواه در آورد. با ساختن قالب مناسب، تقریبا هر گونه مقطع سازه ای و شکل معماری را می توان از بتن آرمه نمود. در مقابل، مقاطع فولادی در ابعاد مشخص و در کارخانه تولید می شوند و تولید مقطع خاص از مصالح فولادی گاه مشکل و یا غیر ممکن خواهد بود.
4. بتن مقاومت بسیار خوبی در مقابل آتش دارد.یک ساختمان بتن آرمه می تواند ساعت ها در مقابل آتش سوزی های مهیب مقاومت کند، بدون آنکه فرو ریزد. این مساله فرصت کافی برای مهار آتش و نیز تخلیه ساختمان از نفرات و اموال را فراهم میکند. در مقابل یک ساختمان فولادی در برابر آتش سوزی کاملا ضعیف خواهد بود. فروریزی برج های دوقلوی نیویورک که در واقعه 11 سپتامبر سال 2001 مورد حمله قرار گرفتند، به دلیل اسکلت فولادی آنها بود. چنانچه این برج ها از مصالح بتن آرمه ساخته شده بودند، جان هزاران انسان و نیز میلیون ها دلار ثروت موجود در آنها حفظ می شد.
5. بتن همچنین مقاومت خوبی در مقابل رطوبت و آب دارد. اگر آب در تماس با بتن، حاوی بعضی از یون ها از قبیل یون سولفات و یا یون کلرور نباشد، برای بتن و حتی میلگرد های موجود در بتن، مشکلی ایجاد نمی کند.
6. اجزاء بتن آرمه از صلابت بالایی برخوردار هستند. به همین دلیل معمولا ساکنان یک ساختمان بتن آرمه در هنگام وزش شدید باد و یا تحرک زیاد همسایگان، لرزه ای را احساس نمی کنند و آرامش آنها حفظ می شود.
7. اجزاء بتنی در مقایسه با سازه فولادی به صورت ذاتی به محافظت و نگهداری کمتری نیاز دارند. به خصوص اگر بتن ریزی به صورت متراکم انجام گرفته باشد و در قسمت های در تماس با هوا از بتن هوادار استفاده شده باشد، پس از شروع بهره برداری از سازه ی بتن آرمه تقریبا نیاز به مراقبت جدی ندارد.
8. بتن در مقایسه با سایر مصالح ساختمانی، عمر بهره دهی بسیار طولانی دارد. تحت شرایط مشخص، یک سازه بتن آرمه می تواند برای همیشه بدون کاهش در ظرفیت باربری مورد استفاده قرار گیرد.این مساله مبتنی بر این واقعیت است که بتن در طول زمان نه تنها کاهش مقاومت ندارد، بلکه با گذشت طولانی زمان با تحکیم بیشتر سیمان، افزایش مقاومت نیز داشت. با این وجود، تاثیر عوامل مخرب محیطی و یون های مهاجم ممکن است دوام بتن را در طول زمان به مخاطره بیندازد.
9. بتن در بعضی از اجزاء سازه ای نظیر پی ها، دیواره های زیر زمین و شمع ها، به عنوان تنها گزینه اقتصادی محسوب می شود.
10. اجرای بتن و سازه ی بتن آرمه در مقایسه با سایر مصالح نظیر فولاد و یا حتی چوب، نیاز به نیروهای اجرایی و کارگران با مهارت بالا ندارد.