بتن مسلح چیست؟ — انواع، مشخصات و کاربردهای بتن آرمه — آنچه باید بدانید

بتن مسلح یا بتن آرمه یکی از انواع بتن‌های قابل استفاده برای ساخت اعضای باربر و غیر باربر سازه‌های عمرانی است که معمولا از ترکیب بتن معمولی با المان‌های تقویت‌کننده نظیر میلگرد یا الیاف فولادی تشکیل می‌شود. بتن مسلح، کاربردهای فراوانی در مهندسی سازه دارد. این مصالح ساختمانی به عنوان مهم‌ترین رقیب پروفیل‌های فولادی در ساخت اسکلت ساختمان‌های مسکونی و تجاری به حساب می‌آید. در این مقاله، به معرفی تاریخچه، انواع، کاربردها، مشخصات و مقایسه بتن مسلح با فولاد می‌پردازیم.

بتن آرمه چیست ؟

«بتن مسلح» (Reinforced Concrete) یا بتن آرمه، یک ماده کامپوزیتی و از مصالح ساختمانی پرکاربرد است که از ترکیب بتن با المان‌های تقویت‌کننده نظیر میلگرد و یا الیاف تشکیل می‌شود. المان‌های تقویت‌کننده، به منظور جبران مقاومت کششی و شکل‌پذیری پایین بتن مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فیلم آموزش تکنولوژی بتن و اختلاط آن در فرادرس

کلیک کنید

ترکیب بتن با میلگردهای فولادی از شناخته‌شده‌ترین و متداول‌ترین روش‌های ساخت بتن آرمه است که اغلب برای اجرای اعضای سازه‌ای ساختمان‌های مسکونی و تجاری به کار برده می‌شود. این مصالح ساختمانی، انواع و کاربردهای فراوانی دارد که در بخش‌های بعدی به معرفی آن‌ها خواهیم پرداخت.

تاریخچه بتن مسلح

قدیمی‌ترین اثر استفاده از میلگرد در ساختمان‌های بنایی به قرن 15 میلادی (اواخر قرن 8 شمسی) و ساخت «قلعه ونسن» (Château de Vincennes) در کشور فرانسه باز می‌گردد. در قرن 18 میلادی (اواخر قرن 11 شمسی) نیز از میلگرد برای ساخت اسکلت «برج خمیده‌ی نوینسک» (Leaning Tower of Nevyansk) در روسیه استفاده شد. با وجود به کارگیری میلگردهای فولادی یا چدنی در سازه‌های مذکور، شواهدی دال بر استفاده از این مصالح با هدف تقویت استحکام سازه وجود ندارد.

بتن آرمه یا بتن مسلح، در سال 1849 میلادی (1228 شمسی) توسط یک باغبان فرانسوی با نام «ژوزف مونیه» (Joseph Monier) اختراع شد. این باغبان از ترکیب مش‌های فولادی با دوغاب سیمانی برای ساخت گلدان استفاده می‌کرد. در سال 1853 میلادی (1232 شمسی)، بتن آرمه برای اولین بار جهت ساخت یک ساختمان چهار طبقه مورد استفاده قرار گرفت. البته هدف از به کارگیری این مصالح ساختمانی، نه افزایش مقاومت بلکه یکپارچگی سازه و جلوگیری از دوران دیوارهای ساختمان بود. در سال 1854 میلادی (1233 شمسی)، یک پیمانکار انگلیسی از بتن مسلح برای اجرای کف و سقف خانه‌های دو طبقه استفاده کرد. نحوه چینش آرماتورها در این خانه‌ها، بیانگر به کارگیری میلگرد با هدف افزایش مقاومت کششی بتن بود.

به رسمیت شناختن کاربرد بتن آرمه به عنوان مصالح ساختمانی به اواخر قرن 19 میلادی (قرن 12 شمسی) باز می‌گردد. در این دوران، مطالعات زیادی بر روی ترکیب سیمان پرتلند با آهن به عنوان مصالح ساختمانی مقرون به صرفه و مقاوم در برابر آتش برای ساخت سقف، کف و سطوح عابر پیاده انجام شد. تغییر روش‌های به کارگیری میلگردهای فولادی (مثل خم کردن آن‌ها) و بهبود پیوستگی آن‌ها با بتن نیز از پیشرفت‌های مربوط به این دوران است. در سال 1884 میلادی (1263 شمسی)، ساخت اولین سازه تجاری با استفاده از بتن آرمه انجام گرفت.

در سال 1903 میلادی (1282 شمسی)، یکی از اولین آسمان‌خراش‌ها توسط بتن مسلح با ارتفاع 16 طبقه ساخته شد. با گذشت زمان، المان‌های تقویت‌کننده مختلفی نظیر الیاف فولادی، مصنوعی و طبیعی برای ساخت بتن آرمه مورد استفاده قرار گرفتند. به کارگیری این نوع بتن در سال‌های اولیه معرفی آن با چالش‌های فراوانی در زمینه طراحی و اجرا همراه بود. با این حال، ویژگی‌هایی نظیر دسترسی آسان به مواد اولیه و وجود انواع مختلف با خواص متنوع، بتن مسلح را به یکی از محبوب‌ترین و پرکاربردترین مصالح ساختمانی در ساخت انواع سازه‌های عمرانی مدرن تبدیل کردند.

انواع بتن مسلح کدام هستند؟

بتن آرمه را می‌توان به دو نوع مسلح به میلگرد و مسلح به الیاف تقسیم‌بندی کرد. هر یک از این دو نوع بتن، با استفاده از مواد مختلف ساخته می‌شوند.

فیلم آموزش طراحی سازه های بتن آرمه 1 – بتن مسلح در فرادرس

کلیک کنید

به طور کلی، بتن مسلح به میلگرد، بتن پیش تنیده، بتن پس تنیده، بتن پیش ساخته، بتن با عایق ماندگار و بتن الیافی (فولادی، شیشه‌ای، پلمیری، کربنی و غیره) از انواع بتن‌های آرمه هستند. در ادامه به معرفی هر یک از این موارد و توضیح ویژگی‌های متداول‌ترین آن‌ها می‌پردازیم.

بتن مسلح به میلگرد

یکی از قدیمی‌ترین، ساده‌ترین و متداول‌ترین روش‌های ساخت بتن مسلح، ترکیب بتن با میلگرد است. میلگرد یا آرماتور، به شکل میله، مش یا کابل برای تقویت مقاومت کششی سازه‌های بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اغلب میلگردهای مورد استفاده برای ساخت بتن آرمه از جنس فولاد هستند. از رایج‌ترین بتن‌های مسلح شده به میلگرد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• بتن مسلح شده به میلگرد فولادی
• بتن مسلح شده به میلگرد شیشه‌ای یا میلگرد پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP)

میلگردها با سطح صاف یا رزوه‌دار ساخته می‌شوند. میلگردهای مورد استفاده در بتن، اغلب از نوع رزوه‌دار هستند. وجود برجستگی، پیوند بین میلگرد و بتن را بهبود می‌بخشد و باعث انتقال بهتر تنش در بتن آرمه می‌شود. ضریب انبساط حرارتی بتن و فولاد مشابه یکدیگر است. بتن، مقاومت فشاری بالا و مقاومت کششی پایینی دارد. از این‌رو، ترکیب آن با فولاد باعث پوشش ضعف‌های بتن معمولی و تشکیل یکی از بهترین مصالح ساختمانی می‌شود.

در شرایط محیطی مختلف، احتمال خوردگی فولاد وجود دارد. با توجه به میزان وخیم بودن شرایط، معمولا میلگردهای اپوکسی، گالوانیزه یا فولاد ضد زنگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. میلگردهای GFRP نیز از گزینه‌های مقرون‌به‌صرفه در محیط‌های مستعد خوردگی هستند. با وجود گران‌تر بودن میلگردهای الیاف شیشه نسبت به میلگردهای اپوکسی، این مصالح از وزن کم‌تر، مقاومت کششی بالاتر، عایق حرارتی، عدم هدایت جریان الکتریکی و طول عمر بیشتر بهره می‌برند.

بتن پیش تنیده چیست؟

«بتن پیش تنیده» (Prestressed Concrete)، یکی دیگر از انواع پرکاربرد بتن آرمه در پروژه‌های عمرانی بزرگ است که امکان اعمال تنش‌های مشخص درون اعضای سازه‌ای و مقابله با شرایط بارگذاری پیش‌بینی شده را فراهم می‌کند. مصالح مورد استفاده در این نوع بتن، با قرار گرفتن در یک وضعیت پیش‌بارگذاری، قادر به تحمل بارهای بیشتر هنگام قرارگیری در شرایط سرویس‌دهی خواهند بود. بتن پیش‌تنیده طی اعمال یکی از فرآیندهای پیش تنیدگی یا پس تنیدگی بر روی کابل‌ها/تاندون‌های آلیاژ فولادی ساخته می‌شود.

بتن مسلح پیش تنیده

ساخت بتن مسلح پیش تنیده، با اعمال تنش کششی به المان‌های فولادی توسط جک‌های هیدرولیکی، قالب‌بندی و بتن‌ریزی در اطراف المان‌های تحت کشش انجام می‌گیرد. سپس، بتن شروع به جمع شدن و گیرش می‌کند. با گذشت زمان کافی و رسیدن بتن به مقاومت فشاری مورد نظر، المان‌های تحت کشش به آرامی از جک‌های هیدرولیکی آزاد می‌شوند. پیوند به وجود آمده بین فولاد و بتن، از برگشت المان‌های تحت کشش به طول اولیه خود جلوگیری می‌کند. این مکانیزم با القای تنش فشاری درون بتن، استحکام سازه را بهبود می‌بخشد. روش پیش تنیدگی، اغلب در بتن مسلح پیش ساخته مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بتن مسلح پس تنیده

بتن مسلح پس تنیده یا «بتن پس تنیده» (Post-Tensioned Concrete)، طی فرآیندی مشابه و برعکس بتن پیش تنیده ساخته می‌شود. اعمال پیش تنیدگی در این نوع بتن پس از گیرش کامل صورت می‌گیرد. پس تنیدگی، برای اعمال پیش تنیدگی در محل اجرای پروژه (بتن‌ریزی برجا) یا اتصال چندین بلوک پیش ساخته کاربرد دارد. در این روش، امکان جانمایی کابل‌ها/تاندون‌ها پیش از بتن ریزی وجود دارد. با این وجود، با قرار دادن المان‌های فولادی درون محفظه مخصوص، از پیوند فولاد و بتن جلوگیری می‌شود.

پس از گیرش کامل بتن، جک‌های هیدرولیکی، المان‌های فولادی را تحت کشش قرار می‌دهند. با رسیدن تنش به مقدار مورد نظر، انتهای المان‌ها مهار شده و به منظور جلوگیری از خوردگی، توسط دوغاب سیمانی درزبندی می‌شوند. سیستم مورد استفاده برای مهاربندی کابل‌های پس تنیده به اعمال تنش منفرد یا گروهی هر رشته بستگی دارد.

مزایا و معایب بتن پیش تنیده

از مزایای اصلی بتن آرمه پیش تنیده می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• بهره‌گیری از حداکثر مقاومت فشاری ذاتی بتن
• حذف احتمال ایجاد ترک‌های کششی و کاهش احتمال خوردگی المان‌های فولادی
• کاهش تنش‌های برشی
• کاهش سطح مقطع مورد نیاز و وزن سازه
• امکان اجرای اعضای کامپوزیت با اتصال بلوک‌های بتن پیش ساخته

مهم‌ترین محدودیت‌های بتن مسلح پیش تنیده عبارت هستند از:

• نیاز به نیروی کار و کنترل کیفی بیشتر
• هزینه بیشتر به دلیل استفاده از آلیاژهای فولادی
• هزینه بیشتر تجهیزات
• پیچیدگی اقدامات ایمنی

بتن مسلح پیش ساخته