مقاله بررسی بتن و فولاد در 38 صفحه ورد قابل ویرایش  

آشنایی با بتن و فولاد

مقدمه

بتن یكی از مصالح ساختمانی است كه بوسیلة آمیختن مخلوط متناسبی از سیمان، مصالح سنگی (شن و ماسه) و آب بوجود می آید. آب و سیمان با تركیب شیمیائی خود مصالح سنگی را، كه قسمت اعظم بتن را تشكیل می دهند، به یكدیگر چسبانده و تودة سخت سنگی شكل بتن را ایجاد می نمایند.

بتن ماده ای است كه دارای مقاومت زیادی در فشار است و از اینرو استفاده از آن برای قطعات تحت فشار مانند ستونها و قوسها بسیار مناسب است، لیكن علیرغم مقاومت فشاری قابل توجه، مقاومت كششی كم و شكنندگی نسبتاً زیاد بتن، استفاده از آن را برای قطعاتی كه تماماً یا بطور موضعی تحت كشش هستند محدود می نماید. برای رفع این محدودیت، اعضا بتنی تحت كشش هستند محدود می نماید. برای رفع این محدودیت، اعضا بتنی را با قرار دادن فولاد در آنها تقویت می‌كنند. ماده مركبی كه بدین ترتیب حاصل می‌شود بتن آرمه یا بتن مسلح نامیده می‌شود.

ایده اصلی در ایجاد بتن مسلح استفاده از بتن برای تحمل فشار و استفاده از فولاد، كه معمولاً آرماتور نامیده می شود، برای تحمل كشش است. برای روشن شدن بیشتر مسئله می توان رفتار یك تیر بتنی غیرمسلح را كه روی دو تكیه گاه ساده قرار دارد بررسی نمود.

در مقاطع مختلف این تیر، تنش های كششی در زیر صفحة خنثی و تنش های فشاری در بالای آن ایجاد می شوند. از آنجا كه مقاومت كشش بتن ناچیز است، این تیر دارای ظرفیت باربری كمی خواهد بود. در چنین تیری اصولاً مقاومت فشاری بتن نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد. حال اگر همین تیر در ناحیة كششی توسط فولادهایی، كه معمولاً بصورت میلگرد مستقیم می باشند، مسلح شود قادر خواهد بود باری به مراتب بیشتر از بار حالت قبل (مثلاً تا 20 برابر) را تحمل نماید. سایر اعضا بتنی، نظیر ستونها، كه عمدتاً در فشار كار می كنند، را نیز با میلگردهای فولادی مسلح می نمایند. وجود آرماتور در چنین اعضایی نیز سبب افزایش مقاومت آنها می گردد، زیرا فولاد علاوه بر كشش در فشار نیز مقاومت بالایی دارد. بدین ترتیب از اجتماع دو مادة فولاد و بتن، ماده تقریبا جدیدی بنام بتن مسلح ایجاد می‌شود كه امروزه حوزه كاربرد آن بدون هیچ مرزی در حال گسترش است.

اساس رفتار مشترك فولاد و بتن تركیب طبیعی دو خاصیت مهم فیزیكی و مكانیكی این دو ماده است: اول آنكه، بتن در اثر سخت شدن چسبندگی قابل ملاحظه ای با آرماتور فولادی ایجاد می‌كند كه در نتیجه آن در یك عضو بتن آرمه تحت اثر بار، هر دو مادة فولاد و بتن با هم تغییر شكل می دهند. دوم آنكه، بتن و فولاد دارای ضرائب انبساط حرارتی تقریباً یكسانی می باشند (مقدار این ضریب به طور متوسط برای بتن 000010/0 و برای فولاد 000012/0 بازاء هر درجه سانتیگراد است) و در نتیجه در اثر تغییرات درجه حرارت، تنش های اولیه قابل توجهی در هیچ یك از دو مادة ایجاد نشده و لغزشی بین فولاد و بتن رخ نمی دهد.

بتن مسلح علاوه بر اینكه دارای مقاومت نسبتاً‌ بالایی است، در مقابل شرایط نامساعد محیطی نیز مقاومت خوبی دارد زیرا پوشش بتنی روی آرماتور، فولاد را در مقابل خوردگی و اثر مستقیم آتش سوزی محافظت می نماید. در رابطه با مقاومت در مقابل آتش سوزی شاید توجه به این نكته جالب باشد كه در حرارت حدود 1000 درجه سانتیگراد، حداقل یك ساعت طول می كشد كه دمای فولاد داخل بتن، كه با یك لایه بتنی به ضخامت 5/2 سانتیمتر پوشیده شده است، به 500 درجه سانتیگراد برسد. تجربه نشان داده است كه در آتش سوزی های با شدت متوسط، سازه های بتن آرمه تنها دچار خسارتهای سطحی می شوند و خللی در مقاومت و ظرفیت باربری آنها وارد نمی آید.

به علت خواص متنوع و با ارزش بتن آرمه، نظیر دوام (مقاومت در مقابل اثرات سوء ناشی از سیكل های انجماد و ذوب)، مقاومت در مقابل خورده‌گی، مقاومت در مقابل آتش، مقاومت زیاد در مقابل بارهای استاتیكی و دینامیكی، امكان ایجاد اشكال موردنظر از طریق شكل دادن به قالب عضو، و بالاخره مخارج نگهداری ناچیز در طول عمر سازه، امروزه از این ماده بعنوان یكی از مقاومترین مصالح ساختمانی در ساخت انواع سازه ها استفاده فراوان می‌شود. ساختمانهای مرتفع مسكونی و اداری، ساختمانهای صنعتی، نیروگاههای هسته ای، پل ها، سیلوها، تونل ها، انواع پوسته ها، سازه های هیدرولیكی و بسیاری سازه های دیگر از مواردی هستند كه بتن مسلح اسكلت اصلی و باربر آنها را تشكیل می دهد.

یكی از جنبه های خاص رفتار سازه های بتن آرمه تحت اثر بار، امكان ایجاد ترك در قسمت های كششی مقاطع است. البته باز شدن چنین تركهایی تحت بارهای معمولی وارد بر سازه، غالبا به قدری كم اهمیت است كه به هیچ وجه استفاده از سازه را تحت تأثیر قرار نمی دهند. اما چنانچه در موارد خاصی، با توجه به انتظاری كه از عملكرد سازه می‌رود، وجود این تركها بعنوان یك نقص تلقی شود و به عبارت دیگر لازم باشد از ایجاد ترك جلوگیری شود و یا میزان باز شدگی آن محدود گردد، می توان از ایدة پیش تنیدگی بتن استفاده نمود. در سازه های بتنی پیش تنیده، بوسیلة كشیدن كابلهای پیش تنیدگی، مقطع عضو بتنی را تحت فشار اولیة شدیدی قرار می دهند، تا بدین ترتیب پس از اعمال بارهای موردنظر، در هیچ مقطعی از عضو بتنی ایجاد كشش نشود.

مقاومت و تغییر شكل فولاد آرماتور

مشخصه های مقاومت و تغیییر شكل فولاد معمولاً از روی منحنی های تنش- تغییر طول نسبی، كه با آزمایش كشش روی نمونه های فولادی به دست می آیند، تعیین می شوند. فولادهای گرم نورد شده غالباً دارای یك نقطه تسلیم مشخص می باشند و در هنگام گسیختگی نیز تغییر طول نسبی قابل ملاحظه ای (تا حدود 25 درصد) نشان می دهند و از اینرو گاهی فولاد نرمه نامیده می‌شوند. (مقدار تنشی كه در آن، بدون افزایش بار تغییر طول نمونه فولادی ازدیاد می یابد، تنش تسلیم، مقاومت تسلیم یا مقاومت جاری شدن نام دارد و با f_y نشان داده می‌شود. مشخصه مهم دیگر فولاد مقاومت كششی آن است كه از تقسیم حداكثر بار ثبت شده در آزمایش كشش بر سطح مقطع اولیه به دست می آید)

برای افزایش مقاومت فولادهای نرمه، كه اصطلاحاً سخت كردن فولاد نامیده می شود، از دو روش می توان استفاده نمود، در روش اول، كربن یا برخی عناصر آلیاژی مانند منگنز و كرم به تركیب فولاد اضافه می‌شود. ازدیاد درصد كربن، اگرچه سبب افزایش مقاومت تسلیم و مقاومت كششی فولاد می شود، كاهش تغییر شكل پذیری را نیز به دنبال دارد. در استفاده از كربن برای سخت كردن فولاد باید توجه داشت كه در هر حال مقدار كربن نباید از 3/0 تا 5/0 درصد تجاوز نماید، در غیر اینصورت تغییر شكل پذیری و قابلیت جوش شدن فولاد نقصان قابل توجهی خواهد یافت.