آشنايي
با بتن و فولاد
مقدمه
بتن يكي از مصالح ساختماني است كه بوسيلة آميختن مخلوط متناسبي
از سيمان، مصالح سنگي (شن و ماسه) و آب بوجود مي آيد. آب و سيمان با تركيب شيميائي
خود مصالح سنگي را، كه قسمت اعظم بتن را تشكيل مي دهند، به يكديگر چسبانده و تودة
سخت سنگي شكل بتن را ايجاد مي نمايند.
بتن
ماده اي است كه داراي مقاومت زيادي در فشار است و از اينرو استفاده از آن براي
قطعات تحت فشار مانند ستونها و قوسها بسيار مناسب است، ليكن عليرغم مقاومت فشاري
قابل توجه، مقاومت كششي كم و شكنندگي نسبتاً زياد بتن، استفاده از آن را براي
قطعاتي كه تماماً يا بطور موضعي تحت كشش هستند محدود مي نمايد. براي رفع اين
محدوديت، اعضا بتني تحت كشش هستند محدود مي نمايد. براي رفع اين محدوديت، اعضا
بتني را با قرار دادن فولاد در آنها تقويت مي‌كنند. ماده مركبي كه بدين ترتيب حاصل
مي‌شود بتن آرمه يا بتن مسلح ناميده مي‌شود.
ايده
اصلي در ايجاد بتن مسلح استفاده از بتن براي تحمل فشار و استفاده از فولاد، كه
معمولاً آرماتور ناميده مي شود، براي تحمل كشش است. براي روشن شدن بيشتر مسئله مي
توان رفتار يك تير بتني غيرمسلح را كه روي دو تكيه گاه ساده قرار دارد بررسي نمود.
در
مقاطع مختلف اين تير، تنش هاي كششي در زير صفحة خنثي و تنش هاي فشاري در بالاي آن
ايجاد مي شوند. از آنجا كه مقاومت كشش بتن ناچيز است، اين تير داراي ظرفيت باربري
كمي خواهد بود. در چنين تيري اصولاً مقاومت فشاري بتن نمي تواند مورد استفاده قرار
گيرد. حال اگر همين تير در ناحية كششي توسط فولادهايي، كه معمولاً بصورت ميلگرد
مستقيم مي باشند، مسلح شود قادر خواهد بود باري به مراتب بيشتر از بار حالت قبل
(مثلاً تا 20 برابر) را تحمل نمايد. ساير اعضا بتني، نظير ستونها، كه عمدتاً در
فشار كار مي كنند، را نيز با ميلگردهاي فولادي مسلح مي نمايند. وجود آرماتور در
چنين اعضايي نيز سبب افزايش مقاومت آنها مي گردد، زيرا فولاد علاوه بر كشش در فشار
نيز مقاومت بالايي دارد. بدين ترتيب از اجتماع دو مادة فولاد و بتن، ماده تقريبا
جديدي بنام بتن مسلح ايجاد مي‌شود كه امروزه حوزه كاربرد آن بدون هيچ مرزي در حال
گسترش است.
اساس
رفتار مشترك فولاد و بتن تركيب طبيعي دو خاصيت مهم فيزيكي و مكانيكي اين دو ماده
است: اول آنكه، بتن در اثر سخت شدن چسبندگي قابل ملاحظه اي با آرماتور فولادي
ايجاد مي‌كند كه در نتيجه آن در يك عضو بتن آرمه تحت اثر بار، هر دو مادة فولاد و
بتن با هم تغيير شكل مي دهند. دوم آنكه، بتن و فولاد داراي ضرائب انبساط حرارتي
تقريباً يكساني مي باشند (مقدار اين ضريب به طور متوسط براي بتن 000010/0 و براي
فولاد 000012/0 بازاء هر درجه سانتيگراد است) و در نتيجه در اثر تغييرات درجه
حرارت، تنش هاي اوليه قابل توجهي در هيچ يك از دو مادة ايجاد نشده و لغزشي بين
فولاد و بتن رخ نمي دهد.
بتن
مسلح علاوه بر اينكه داراي مقاومت نسبتاً بالايي است، در مقابل شرايط نامساعد
محيطي نيز مقاومت خوبي دارد زيرا پوشش بتني روي آرماتور، فولاد را در مقابل خوردگي
و اثر مستقيم آتش سوزي محافظت مي نمايد. در رابطه با مقاومت در مقابل آتش سوزي
شايد توجه به اين نكته جالب باشد كه در حرارت حدود 1000 درجه سانتيگراد، حداقل يك
ساعت طول مي كشد كه دماي فولاد داخل بتن، كه با يك لايه بتني به ضخامت 5/2
سانتيمتر پوشيده شده است، به 500 درجه سانتيگراد برسد. تجربه نشان داده است كه در
آتش سوزي هاي با شدت متوسط، سازه هاي بتن آرمه تنها دچار خسارتهاي سطحي مي شوند و
خللي در مقاومت و ظرفيت باربري آنها وارد نمي آيد.
به
علت خواص متنوع و با ارزش بتن آرمه، نظير دوام (مقاومت در مقابل اثرات سوء ناشي از
سيكل هاي انجماد و ذوب)، مقاومت در مقابل خورده‌گي، مقاومت در مقابل آتش، مقاومت
زياد در مقابل بارهاي استاتيكي و ديناميكي، امكان ايجاد اشكال موردنظر از طريق شكل
دادن به قالب عضو، و بالاخره مخارج نگهداري ناچيز در طول عمر سازه، امروزه از اين
ماده بعنوان يكي از مقاومترين مصالح ساختماني در ساخت انواع سازه ها استفاده
فراوان مي‌شود. ساختمانهاي مرتفع مسكوني و اداري، ساختمانهاي صنعتي، نيروگاههاي
هسته اي، پل ها، سيلوها، تونل ها، انواع پوسته ها، سازه هاي هيدروليكي و بسياري
سازه هاي ديگر از مواردي هستند كه بتن مسلح اسكلت اصلي و باربر آنها را تشكيل مي
دهد.
يكي
از جنبه هاي خاص رفتار سازه هاي بتن آرمه تحت اثر بار، امكان ايجاد ترك در قسمت
هاي كششي مقاطع است. البته باز شدن چنين تركهايي تحت بارهاي معمولي وارد بر سازه،
غالبا به قدري كم اهميت است كه به هيچ وجه استفاده از سازه را تحت تأثير قرار نمي
دهند. اما چنانچه در موارد خاصي، با توجه به انتظاري كه از عملكرد سازه مي‌رود،
وجود اين تركها بعنوان يك نقص تلقي شود و به عبارت ديگر لازم باشد از ايجاد ترك
جلوگيري شود و يا ميزان باز شدگي آن محدود گردد، مي توان از ايدة پيش تنيدگي بتن
استفاده نمود. در سازه هاي بتني پيش تنيده، بوسيلة كشيدن كابلهاي پيش تنيدگي، مقطع
عضو بتني را تحت فشار اولية شديدي قرار مي دهند، تا بدين ترتيب پس از اعمال بارهاي
موردنظر، در هيچ مقطعي از عضو بتني ايجاد كشش نشود.
از
نظر تكنيك ساخت، اعضا و سازه هاي بتن آرمه يا پيش ساخته هستند، يا در جا ريخته شده
و يا مركب. اعضا پيش ساخته اعضايي هستند كه در كارگاهها خاصي ساخته شده و براي نصب
به محل موردنظر تحويل مي شوند. اعضا با بتن ريزي در جا، همانطور كه از نامشان
پيداست، در همان محل واقعي خود در سازه بتن ريزي مي شودن و بالاخره اعضا مركب
اعضايي هستند كه تركيبي از اجزاي پيش ساخته و بتن ريزي در جا هستند. اعضا و سازه
هاي بتن آرمه كه به روشهاي فوق ساخته مي شوند اگرچه در برخي موارد تفاوت هاي
مختصري در رفتار و جزئيات محاسبات دارند، اصول كلي طراحي آنها يكسان است و آنچه
سبب انتخاب هر يك از اين روشها مي‌شود مسائلي نظير سرعت اجرا، دقت ساخت و توجيهات
اقتصادي است.