سازه‌های بتنی

سازه بتنی سازه‌ای است که در ساخت آن از بتن یا به طور معمول بتن آرمه (سیمان، شن، ماسه و پولاد به صورت میلگرد ساده یا آجدار) استفاده شده باشد. در ساختمان در صورت استفاده از بتن آرمه در قسمت ستون‌ها و شاه تیرها و پی، آن ساختمان یک سازه بتنی محسوب می‌شود.

امروزه بسیاری از پلها را از بتن آرمه می سازند. برای استفاده از پل های بلندتر و بیشتر شدن فاصله پایه پلها از تیر پیشتنیده استفاده می شود.مزایای سازه‌های بتنی

۱- ماده اصلی بتن که شن و ماسه می‌باشد ارزان و قابل دسترسی است.

۲- سازه‌های بتنی که مطابق با اصول آیین نامه‌ای طراحی و اجرا شده اند، در مقابل شرایط محیطی سخت، مقاومتر از سازه‌های ساخته شده با مصالح دیگر هستند.

۳- به علت قابلیت شکل پذیری بالای بتن، امکان ساخت انواع سازه‌های بتنی نظیر پل، ستون و ... به اشکال مختلف میسر است

۴- سازه‌های بتنی در مقابل حرارت زیاد ناشی از آتش سوزی بسیار مقاوم اند. آزمایشات نشان داده اند که در صورت ایجاد حرارتی معادل ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد برای یک نمونه بتن آرمه، حداقل یک ساعت طول می‌کشد تا دمای فولاد داخل بتن، که با یک لایه بتنی با ضخامت ۲٫۵ سانتی متر پوشیده شده است، به ۵۰۰ درجه سانتی گراد برسد.

روش‌های طراحی سازه‌های بتن آرمه

به طور کلی هدف از طراحی یک سازه، تامین ایمنی در مقابل فروریختگی و تضمین عملکرد مناسب در زمان بهره برداری است. چنانچه مقاومت واقعی یک سازه بطور دقیق قابل پیش بینی بود و در صورتی که بارهای وارد بر سازه و اثرات داخلی آنها نیز با همان دقت قابل تعیین بودند، تامین ایمنی تنها با ایجاد ظرفیت باربری به میزان جزئی بیش از مقدار بارهای وارده ممکن می گشت. لیکن عوامل نامشخص و خطاهای احتمالی متعددی در آنالیز، طراحی و ساخت سازه‌ها وجود دارند که یک حاشیه ایمنی را در طراحی سازه‌ها طلب می‌کنند. مهمترین ریشه‌ها و منابع این خطاها عبارتند از:

الف: بارهایی که در عمل به سازه وارد می‌شوند و همچنین توزیع واقعی آنها ممکن است با آنچه در بارگذاری سازه فرض شده است متفاوت باشند.

ب: رفتار واقعی سازه ممکن است با رفتار تئوریک سازه، که بر اساس آن نیروهای داخلی اعضا محاسبه می‌شوند، تفاوت داشته باشد.

ج: مقاومت واقعی مصالح به کار رفته در ساخت سازه ممکن است متفاوت از مقادیر فرض شده در محاسبات باشد.

د: ابعاد قطعات و محل واقعی میلگردها ممکن است دقیقا مطابق آنچه طراح در محاسبات خود فرض کرده نباشد.

بنابراین، انتخاب یک حاشیه ایمنی مناسب امر بسیار دشواری است که نحوه منظور نمودن آن، به صورت یکی از مشخصه‌های اساسی روش‌های طراحی در آمده است. به طور کلی طراحی سازه‌های بتن آرمه به سه روش زیر صورت می‌گیرد

۱: تنش مجاز

۲: مقاومت نهایی

۳: روش طراحی بر مبنای حالات حدی

روش تنش مجاز

این روش که قبلا روش تنش بهره برداری یا روش تنش بار سرویس نامیده می‌شد، اولین روشی است که بصورت مدون برای طراحی سازه‌های بتن آرمه بکارگرفته شد. در این روش یک عضو سازه‌ای به نحوی طراحی می‌شود که تنش‌های ناشی از اثر بارهای بهره برداری (یا سرویس)، که به کمک تئوری‌های خطی مکانیک جامدات محاسبه می‌شوند، از مقادیر مجاز تنش‌ها تجاوز نکنند. منظور از بارهای بهره برداری یا سرویس بارهایی نظیر: بار زنده، بار مرده، بار برف و بار زلزله هستند. این بارها توسط آیین نامه‌های بارگذاری، مانند آیین نامه ۵۱۹ موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران تعیین می‌شوند. در این روش منظور از تنش مجاز تنشی است که از تقسیم تنش حدی ماده، نظیر مقاومت فشاری برای بتن و مقاومت تسلیم برای فولاد، بر ضریب بزرگتر از واحد، به نام ضریب اطمینان به دست می‌آید. تنش‌های مجاز مصالح توسط آیین نامه‌های محاسباتی تعیین می‌شوند. به عنوان مثال مطابق آیین نامه ACI مقدار تنش فشاری مجاز بتن f' c ۰٫۴۵می باشد.

بدین ترتیب مراحل این روش بطور خلاصه به ترتیب زیر هستند:

۱: تعیین بارهای وارد بر سازه

۲: آنالیز سازه و تعیین تنش‌ها در مقاطع مختلف به کمک تئوری‌های کلاسیک اجسام الاستیک

۳: تعیین تنش‌های مجاز با استفاده از یک آیین نامه محاسباتی

۴: طراحی نهایی مقطع با این محدودیت که در هیچ نقطه‌ای از سازه تنش‌های ایجاد شده از تنش‌های مجاز تجاوز نکنند.

این روش به دلیل سادگی و سهولت کاربرد تا چندی قبل به عنوان قابل استفاده‌ترین روش طراحی سازه‌های بتن آرمه مطرح بود. لیکن نقاط ضعف این روش استفاده از آن را محدود کرده است. مهمترین این نقاط ضعف عبارتند از:

الف: در این روش ایمنی به کمک تنها یک ضریب (ضریب اطمینان) و در یک مرحله منظور می‌شود، از آنجا که عواملی که لزوم تامین یک حاشیه ایمنی را ایجاب می‌کنند دارای ریشه‌ها و شدت‌های متفاوت هستند، در نظر گرفتن آنها تنها با کمک یک ضریب غیر منطقی است.

ب: بتن ماده‌ای است که تنها تا تنش‌های معادل نصف مقاومت فشاری آن به صورت الاستیک و خطی عمل می‌کند. بنابراین با بکار بردن درصدی از مقاومت فشاری بتن در محاسبات نمی‌توان اطلاعی از ضریب اطمینان کلی سازه در مقابل فروریختگی به دست آورد.

ج: به کار بردن این روش در طراحی بعضی مقاطع با اشکالات تئوریک مواجه است. به عنوان مثال در مقاطع خمشی تنش واقعی فولاد غالبا کمتر از مقداری است که با این روش محاسبه می‌شود.

تا سال ۱۹۵۶ میلادی روش تنش‌های مجاز مبنای محاسبات در آیین نامه ACI بود. این روش از سال ۱۹۷۷ تنها در قسمت ضمائم آیین نامه و تحت عنوان روش دیگر طراحی جا داده شد

روش مقاومت نهایی

روش مقاومت نهایی که در آیین نامه ACI به نام روش طراحی بر مبنای مقاومت موسوم است، حاصل مطالعات گسترده روی رفتار غیر خطی بتن و تحلیل دقیق مسئله ایمنی در سازه‌های بتن آرمه می‌باشد. روند طراحی در این روش را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود:

۱: باربهره برداری به وسیله ضریبی موسوم به ضریب بار افزایش داده می‌شود، بار حاصله را اصطلاحا بار ضریبدار یا بار نهایی می نامند.

۲: بارهای ضریبدار بر سازه اعمال می‌شوند و به کمک روش‌های خطی آنالیز سازه ها، نیروی داخلی مقاطع محاسبه می‌شود. به این نیروی داخلی اصطلاحا مقاومت لازم گفته می‌شود. مقاومت لازم در یک مقطع شامل: مقاومت خمشی لازم، مقاومت برشی لازم، مقاومت پیچشی لازم و مقاومت بار محوری لازم است.

۳: برای هر مقطع، مقاومت طراحی آن از حاصلضرب مقاومت اسمی در ضریبی کوچکتر از واحد به نام ضریب کاهش مقاومت به دست می‌آید. مقاومت اسمی، حداکثر مقاومتی است که مقطع قبل از گسیختگی از خود نشان می‌دهد. مقاومت اسمی یک مقطع مشتمل است از: مقاومت خمشی اسمی، مقاومت برشی اسمی، مقاومت پیچشی اسمی و مقاومت بار محوری اسمی.

۴: طراحی مقطع به نحوی که در آن مقاومت لازم از مقاومت طراحی کمتر باشد.

روش طراحی بر مبنای مقاومت، امروزه اساس کار طراحی سازه‌های بتن آرمه می‌باشد

روش طراحی بر مبنای حالات حدی

به منظور تکامل روش مقاومت نهایی، به ویژه از نظر نحوه منظور نمودن ایمنی، روش طراحی بر مبتای حالات حدی ابداع گردید. این روش هم اکنون مبنای طراحی در تعدادی از آیین نامه‌های اروپایی است، با این حال این روش هنوز نتوانسته است جای روش مقاومت نهایی را در آیین نامه ACI بگیرد. این روش از نظر اصول محاسبات مربوط به مقاومت، مشابه روش طراحی بر مبنای مقاومت است و تفاوت عمده آن با روش قبل، در نحوه ارزیابی منطقی تر ظرفیت باربری و احتمال ایمنی اعضا می‌باشد. در این روش نیازهای طراحی با مشخص کردن حالات حدی تعیین می‌شوند. منظور از حالات حدی شرایطی است که در آنها سازه مورد نظر خواسته‌های طرح را تامین نمی‌کند. طراحی سازه با توجه به سه حالت حدی زیر صورت می‌گیرد

۱: حالت حدی نهایی، که مربوط به ظرفیت باربری می‌شود.

۲: حالت حدی تغییر شکل (مانند تغییر مکان و ارتعاش اعضا)

۳: حالت حدی ترک خوردگی یا باز شدن ترک ها

ساختمان سازی بتن

فصل اول:
دیوارچینی اطراف زمین (محصور کردن)
1- آب پاشی بر روی آجرها یا در اصطلاح غرقاب نمودن آنها قبل از دیوارچینی موجب استحکام بیشتر دیوار میگردد . آجرهایی که سیراب شده باشند آب ملات ماسه سیمان را جذب نکرده و موجب افت کیفیت آن نمیشود.
2- در صورتی که از آجرهای باقی مانده از زلزله استفاده میکنید توجه داشته باشید که استفاده از آجرهای نیمه به یکپارچگی دیوار صدمه میزند. در یک دیوار مطمئن میبایست در هر ردیف (رج) تنها در صورت نیاز از یک نیمه برای به پایان بردن آن ردیف (رج) استفاده شود.
3- اجرای ستونهای نگهدارنده بتنی در فواصل منظم در صورتی که با رعایت اصول فنی نباشد کارایی مناسب نخواهد داشت. نکاتی که به طور حتم باید در اجرای ستونهای نگهدارنده بتنی رعایت شوند به شرح زیر می باشند:
الف- به هیچ وجه نباید از دیوار آجری نامنظم دو طرف دیوار به عنوان قالب استفاده نمود.
ب- باید قبل از اجرای دیوار ستونهای نگهدارنده بتنی اجرا شوند و دو طرف ستونهای بتنی قالب بندی شوند.
ج- برای اتصال ستون های بتنی نگهدارنده با دیوار آجری باید از میلگرد های افقی استفاده نمود. می توان در هنگام اجرای دیوار نیز زائده های منظم بتنی در دیوار ایجاد نمود.
بیاموزیم: بجای استفاده از ستون­های نگهدارنده بتنی می توان با افزایش ضخامت دیوار آجری در فواصل منظم و مناسب ( حداکثر 4 متر) پایداری دیوار را به نحو بهتری تامین نمود و یا از ستون ها نگهدارنده پیش ساخته فلزی با ددستک ها مناسب استفاده نمود.

فصل دوم:

خاکبرداری
آغاز هر کار ساختمانی با خاکبرداری شروع میشود . لذا آشنایی با انواع خاک برای افراد الزامی است.
الف) خاک دستی: گاهی نخاله های ساختمانی و یا خاکهای بلا استفاده در محلی انباشته (دپو) می­شود و بعد از مدتی با گذشت زمان از نظر ها مخفی میگردد. معمولا این خاکها که از لحاظ یکپارچگی و باربری جزء خاکهای غیرباربر دسته بندی میشوند در زمان خاکبرداری برای فونداسیون ساختمان ما دوباره نمایان میشوند. باید توجه نمود که این خاک قابلیت باربری ندارد و میبایست بطور کامل برداشت شود. شناختن خاک دستس بسیار آسان است، وجود قطعات و اجزای دست ساز بشر مانند آجر، موزاییک، پلاستیک و ... در خاک نشان دهنده دستی بودن خاک است.
ب) خاک نباتی: خاک های فرسوده و یا نباتی سطحی به خاکهایی گفته میشود که ریشه گیاهان در آن وجود داشته باشد این خاک برای تحمل بارهای وارده از طرف سازه مناسب نمی­باشد. برای شناختن خاکهای نباتی کافی است به وجود ریشه درختان و گیاهان – برگهای فرسوده و سستی خاک توجه شود. این خاک با فشار انگشتان فرو می­رود.
ج)خاک طبیعی بکر(دج): به خاکی که پس از خاک نباتی قرار دارد خاک طبیعی بکر میگویند توجه داشته باشید که همواره میبایست فونداسیون برروی خاک طبیعی بکر اجرا گردد. در شهر بم خاک طبیعی مقاومت لازم برای تحمل وزن ساختمان و فونداسیون را دارد.
تذکر: ریختن آب آهک به منظور بالا بردن مقاومت خاک دستی و نباتی به هیچ عنوان مورد تایید نمی باشد و نمی­توان خاک دستی و نباتی را با استفاده از آب آهک قابل استفاده نمود.
بیاموزیم: اکنون که با انواع خاک آشنا شدید توجه به نکات زیر بسیار لازم است:
الف ) در زمینهایی که فاقد هرگونه رویش گیاهی است حداقل عمق خاکبرداری 15 سانتی متر میباشد .
ب ) رسیدن به خاک طبیعی دست نخورده (بکر) میبایست حتما توسط مهندس ناظر تایید شود. توجه داشته باشید که مهندسین ناظر با مشخصات خاک بکر کاملا آشنا هستند.
ج) برای آماده سازی بستر برای بتن پی ها باید ابتدا 10 سانتی متر بتن با سیمان کم ریخته شود به این ترتیب عمق خاکبرداری باید حداقل 10 سانتی متر بیشتر از عمق مورد نیاز برای پی ها باشد.
فصل سوم:
آماده سازی بستر، شفته ریزی و بتن مگر
پس از انجام خاکبرداری باید بستر خاک را برای اجرای پی آماده کنیم. برای این کار از بتن با سیمان کم ( 100 تا 150 کیلوگرم سیمان در هر متر مکعب بتن) که به بتن مِگر موسوم است استفاده می شود. به این ترتیب که روی خاک حداقل 10 سانتی متر بتن با سیمان کم می ریزیند و سپس روی آن را با ماله صاف می کنند تا برای بتن ریزی پی­ها آماده شود.
همچنین در صورتی که پس از خاکبرداری و رسیدن به خاک مناسب، لازم بود تا برای رسیدن به تراز کف پی ها از مصالح پر کننده استفاده نماییم و یا پیمانکار اشتباها بیش از حد لازم خاکبرداری نماید و فضای خالی بوجود اید برای پر کردن فضای خالی باید از بتن یا مصالح مناسب دیگر طبق نظر دستگاه نظارت و با هزینه پیمانکار استفاده نماید.
البته در شهر بم، برای رسیدن به عمق مورد نظر جهت اجرای بتن مگر و آغاز قالب بندی برای فونداسیون از شفته آهک استفاده میشود. استفاده از شفته آهک توصیه نمی شود اما با توجه به اینکه قیمت تمام شده آن پایین تر و بیشتر در دسترس می باشد لذا لازم است نکات زیر حتما رعایت شود تا در به دست آمدن کیفیت بهتر ما را یاری کند.
شفته ریزی:
شفته آهکی که با دوغاب ساخته و خوب عمل‌آوری شده باشد، دارای مقاومت 7 روزه معادل 5 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع و تاب 28 روزه حدوداً 10 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع خواهد بود که این مقاومت برای بستر پی ساختمان یا راه کاملاً مناسب می‌باشد.
1- آهک مصرفی میبایست حتما برای استفاده در شفته قبلا بصورت کامل شکفته شده باشد و پس از سرند شدن برای تهیه شفته مورد استفاده قرار بگیرد.
2- آهک باید حتما به صورت دوغاب با خاک درشت دانه مخلوط گردد .
3- بهتر است که مخلوط شفته آهک در کنار فونداسیون ساخته شود تا براحتی بتوان آن را به داخل محل خاک برداری منتقل کرد. در شکل های بعدی اجرای صحیح و اجرای نادرست را مشاهده میکنید.
4- دقت شود که بتن مگر حتما پس از عمل آوری کامل شفته آهک و رسیدن آن به گیرش اولیه بر روی آن اجرا شود تا آب بتن توسط شفته جذب نشده و موجب پوکی بتن مگر نگردد .
5- توجه شود که بر روی شفته اجرا شده تا زمانی که شفته به مقاومت 5/1 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع نرسیده است بارگذاری صورت نگیرد ( شفته آهکی زمانی به مقاومت 5/1 کیلوگرم بر متر مربع رسیده است که اثر کفش شما پس از راه رفتن بر روی آن باقی نماند.( برای حصول این منظور بازدید مهندس ناظر از شفته ریزی قبل از اجرای بتن مگر الزامی است .
6- باید توجه نمود که هر چه میزان رس در خاک مصرفی برای شفته بیشتر باشد میزان آهک مصرفی نیز باید بالاتر رود.
بتن مگر
بتن مگر یا به تعریفی بتن رگلاژ کف قالبندی فونداسیون در حقیقت یک بتن با مقدار سیمان کم (100 تا 150 کیلوگرم سیمان بر مترمکعب) است که جهت آماده سازی بستر خاکبرداری شده برای آرماتوربندی و صفحه گذاری اجرا میگردد توجه به نکات ذیل جهت اجرای بتن مگر الزامی است :
1- قبل از اجرای بتن مگر حتما خاک بستر را مرطوب نمایید تا آب بتن جذب خاک نگردد و کیفیت آن پایین نیاید .
2- در صورتی که بتن مگر را بر روی شفته آهک اجرا میکنید حتما توجه داشته باشید که شفته به مقاومت 5/1 کیلوگرم بر متر مربع رسیده باشد . ( شفته آهکی زمانی به مقاومت 5/1 کیلوگرم بر متر مربع رسیده است که اثر کفش شما پس از راه رفتن بر روی آن باقی نماند
3- شفته آهک میبایست قبل از اجرای بتن مگر مرطوب شده باشد تا آب بتن را جذب نکند. توجه داشته باشید زمانی که آهک هنوز جذب آب داشته باشد موجب پوکی بتن مگر میشود.
4- بتن مگر جهت پاکسازی کف و اجرای دقیقتر فاصله گذاری آرماتوربندی از کف انجام میگردد بنابراین به تمییز و یکنواخت بودن سطح آن دقت کنید تا آرماتوربندی بهتری داشته باشید.
5- معمولا بتن مگر توسط دستگاههای مخلوط کن ( بتونیر ) کوچک ساخته میشود دقت نمایید که حداقل دو (2) دقیقه پس از اضافه کردن آب، بتن درون دستگاه به خوبی مخلوط شود و سپس مورد استفاده قرار بگیرد.
6- بعد از ریختن بتن مگر با توجه به دمای هوا حدود 10 ساعت سطح آن را مرطوب نگه دارید(با پاشیدن آب) و بعد از گذشت یک (1) روز می توانید عملیات بعدی را شروع کنید و روی بتن مگر راه بروید.