در ساخت بسیاری از سازه های مورد نیاز انسان ها، معمولاً از بتن به عنوان بخشی از اسکلت بتنی یا سازه بتنی استفاده می شود. در فرآیند ساخت ساختمان های بتنی مواردی همچون پی (شالوده)، دال سقف ها، ستون ها، تیرها و دیوارهای حائل توسط بتن صورت می‌گیرد. سیستم های اسکلت ساختمان در دو نوع اسکلت بتنی و اسکلت فلزی ساخته می شوند. این دو نوع اسکلت تفاوت های زیادی با یکدیگر دارند و انتخاب هر یک بستگی به عوامل متعددی دارد. همان طور که از نام ساختمان اسکلت بتنی پیداست، عمده مصالح استفاده شده در این نوع سازه، بتن است.
بتن، پرکاربردترین مصالح ساختمانی مورد استفاده انسان در فعالیت های عمرانی هست. شاید بتوان گفت که این ماده پس از آب، بیشترین استفاده را در فرآیندهای ساخت و ساز بر روی کره زمین دارد. بتن های معمولی از ترکیب آب، سیمان و سنگدانه با نسبت های مشخص ساخته می شود. البته به منظور تغییر خواص بتن در برخی از موارد، افزودنی های مختلف نیز در ترکیب آن مورد استفاده قرار می گیرند. تنوع کاربرد، پایداری، مقاومت و هزینه مناسب بتن، آن را به یکی از پرکاربرد ترین مصالح ساختمانی در دنیا تبدیل کرده است.
به طور کلی، سازه بتنی به سازه ای گفته می شود که برای ساختن آن از بتن و یا بتن آرمه که شامل شن و ماسه و سیمان و فولاد که به صورت میلگرد ساده و یا آج دار است، استفاده می کنند. در صورت استفاده از بتن آرمه در قسمت های مختلف مانند ستون ها و پی و تیرهای یک ساختمان، به آن ساختمان، اسکلت بتنی می گویند.
مهم ترین خصوصیت مثبت و نقطه قوت بتن، مقاومت فشاری مناسب و نقطه ضعف آن مقاومت کششی پایین است که این ضعف را میلگرد های تعبیه شده در آن جبران می کنند.
تاریخچه اسکلت بتنی یا سازه بتنی
به طور کلی رومیان به عنوان اولین مهندسان بتن شناخته می شوند. اما شواهد باستان شناسی بیان دیگری دارند. اولین کشفیات بتن در مناطق سوریه و اردن مربوط به سال 6500 قبل از میلاد مسیح می باشد که توسط بادیه نشینان ساخته شد و در ساخت سازه های مسکونی و کف بتنی و مخازن ضد آب زیر زمینی استفاده کردند. زمانی که سوری های عصر سنگ از حفره های دائمی آتش برای گرم کردن پخت و پز استفاده می کردند، این گودال ها از سنگ آهک ساخته می شده که منجر به کشف تصادفی آهک به عنوان ماده اصلی ساختمان شد.
این فناوری تازه کشف شده به طور گسترده ای در سوریه مورد استفاده قرار گرفت زیرا کوره آهک سوزی برای تأمین ملات و ساخت خانه های قلوه سنگ و کف بتنی و مخازن ضد آب استفاده گردید. آنها بعدها توانستند آهک هیدرولیک که به عنوان سیمانی که زیر آب سخت می شود، را کشف کنند. یکی از دلایلی که باعث شد گیاهان در بیابان رشد کنند، همین امر بود.
500 سال بعد از بادیه نشینان، رومی ها ماده ای در دسترس داشتند که می توانست سیمان را ضد آب کند که می توان به ماسه سیلیس اشاره کرد. نفوذ آب زیر زمینی از طریق سیلیس آن را به یک ماده پوزولان که یک خاکستر آتشفشانی بود، تبدیل می کرد. برای ساخت سیمان، بادیه نشینان این رسوبات را پیدا و با آهک ترکیب کردند و سپس در کوره هایی که ظروف سفالی می گذاشتند، گرم کردند. زیرا دما در همان حد بود.
در مورد اولین کاربرد تقویت کننده ها در بتن در اوایل دهه 1850 چندین قایق پارویی کوچک ساخته شد که از آنها به عنوان نمونه های موفق استفاده از بتن تقویت شده یاد می شود. اولین استفاده گسترده از بتن و سیمان پرتلند در سال های بین 1850 و 1880 صورت گرفت که فرانسوا کوئینه اقدام به ساخت چندین خانه بزرگ بتنی در انگلستان و فرانسه نمود. در اوایل قرن ۱۹ میلادی اولین ساختمان چند طبقه بتنی در پاریس ساخته شد. پس از آن با توجه به پیشرفت های تکنولوژی، ساخت سازه های بتنی نیز پیشرفت شایانی داشت.
کاربرد اسکلت بتنی و موارد استفاده از سازه بتنی
موارد زیر از متداول ترین کاربردهای سازه بتنی هستند:
1) استفاده از اسکلت بتنی بیشتر در مناطقی که رطوبت بالایی داشته باشد، به کار می آید. از این رو، در سازه هایی همچون دیواره های ساحلی، اسکله ها و برج های بازدید مورد استفاده قرار می گیرد.
2) به علت استحکام و مقاومت بسیار بالا، گزینه ای مناسب جهت استفاده در ساختمان های مسکونی و تجاری، کارخانه های بزرگ و سازه هایی که امکان جاگیری تعداد افراد بیشتری را دارند، می باشد.
3) به کاری گیری اسکلت بتنی در ساخت باند فرودگاه و سوله های محل نگهداری هواپیما.
4) فضاهایی که با هدف ذخیره و نگهداری آب ساخته می شوند، نظیر استخرها و تانکرهای زیر زمینی.
5) به کارگیری در ساخت پل ها، دیوار های حائل و سدهای عظیم.
موارد کاربرد اعضای بتنی و استفاده از آن در ساختمان با اسکلت بتنی
در این بخش از نوشتار حاضر به بیان موارد کاربرد اعضای بتنی و استفاده از آن در ساختمان با اسکلت بتنی به شرح زیر می پردازیم:
1) پله ها
پله های بتنی معمولاً در باغ ها و فضاهای خارجی ساختمان ها، خانه هایی که دارای سطح تقسیم شده هستند، ساختمان های تجاری، دفاتر، رستوران ها، استخرها و مجتمع های مسکونی دیده می شوند. دلایل زیادی وجود دارد که ثابت می کند پله های بتنی نسبت به سایر پله هایی که جنس مواد اولیه آنها متفاوت است، برتری دارند. از جمله این دلایل می توانیم به مقاومت و دوام آن ها اشاره کنیم.
این پله ها نه تنها قادر به تحمل فشارهای سنگین هستند، بلکه در برابر شرایط آب و هوایی مختلف هم مقاومت زیادی نشان می دهند و به ندرت پوسیده می شوند. پله های بتنی برای چندین دهه سالم باقی می مانند و نیازی به تعمیرات پیدا نخواهند کرد. همچنین امکان ساخت و شکل دهی آنها با توجه به نیازها و درخواست های کارفرما وجود دارد.
2) ستون ها و تیرها
در یک سازه با اسکلت بتنی معمولاً اعضای اصلی باربر آن شامل تیرها و ستون ها از بتن مسلح ساخته می شوند.
3) پی یا شالوده سازه (فونداسیون)
پی یا شالوده (فوانداسیون) ساختمان هایی که دارای طبقات زیاد هستند و می بایست حتماً دارای شالوده باشند، با استفاده از بتن مسلح شده (بتن آرمه) ساخته می شوند. علت این امر ظرفیت باربری مناسب ترکیب بتن و شبکه میلگردها تحت بارهای وارده بر سازه می باشد.
4) سقف
ویژگی های سقف های مختلف با هم تفاوت دارند اما ضخامت معمول سقف های بتنی حدود 25 سانتی متر است. برای نصب چنین سقفی ابتدا باید یک چارچوب برای آن ایجاد شود. این چارچوب ها می توانند بتن های قابل جابجایی باشند یا این که می توان از بتن های عایق و ثابت در جای خود استفاده کرد که به سادگی بخشی از سقف می گردند.
5) دیوار
ساخت دیوار های بتنی یکی از مراحل مهم در زمان ساخت سازه بتنی است. دیوارهای بتنی یکی از سازه هایی هستند که برای تحمل بار در سازه تعبیه می شوند و وظیفه انتقال بار از کف به دیوار های زیرین یا پی را دارند و در عین حال فضای موجود در ساختمان های چند طبقه را هم جدا می کنند.
همچنین دیوار های بتنی یکی از اجزایی است که به کار بردن آن در مناطق زلزله خیز بسیار مفید واقع خواهد شد زیرا در زمان بروز زلزله عملکرد مطلوبی از خود نشان می دهد و ایمنی ساختمان را تا حد زیادی بهبود می بخشند. استفاده از این سازه های بتنی باعث افزایش طول عمر دیوار هم می شود.
بهینه سازی اسکلت بتنی یا سازه بتنی
در فرآیند سازه های اسکلت بتنی یا سازه های بتن مسلح، بهینه نمودن میزان استفاده دو نوع از مصالح مصرفی بتن و میلگرد مورد هدف می باشد که می بایستی برای مسئله بهینه سازی هزینه نهایی ساخت سازه بتنی به صورت روابط ریاضی نوشته شود. بهینه سازی سازه ای شاید هدفی برای یافتن بهترین طرح ممکن باشد که وزن، هزینه و دیگر معیارهای انتخاب شده برای ساخت یک سازه با اسکلت بتنی را در یک شرایط بارگذاری تأمین نماید.
در حالی که الزامات مقاومت، سختی، پایداری، عملکردی و حتی معماری و زیباشناختی را برآورده سازد. این مسئله توجه بسیاری از کارفرمایان را در سراسر دنیا به خود جلب نموده است. روش های بهینه سازی عملی برای طراحی سازه های با اسکلت بتنی را می توان به صورت زیر برشمرد:
- انتخاب مشخصه های مناسب با استفاده از روش های ریاضی
- کمینه نمودن وزن مصالح مورد استفاده در فرآیند ساخت سازه بتنی
- بهینه سازی ساخت مانند کاهش هدر رفت و پرت مصالح مصرفی از قبیل بتن و میلگرد
- استفاده از مدل سازی و تحلیل دقیق تر مانند تحلیل غیرخطی دینامیکی و اندرکنش خاک و سازه
به کارگیری و استفاده از روش های بهینه سازی همچون روش های قدرتمند فرا ابتکاری یا فرا کاوشی در پژوهش های اخیر مورد توجه محققان قرار گرفته است. در یکی از پژوهش های اخیر که پیرامون بهینه سازی دیوارهای برشی سازه های بلند بتن مسلح صورت پذیرفته است، از الگوریتم سیستم جستجوی ذرات باردار CSS و نسخه کوانتوم آن استفاده شده است.
از آنجایی که طراحی سیستم باربر جانبی نقش بسیار مهمی در عملکرد سازه های بلند مرتبه دارد، پژوهش مذکور یک روش محاسباتی را ارائه می دهد که بر خلاف اکثر تحقیقات موجود، بر بهبود عملکرد سازه ای یا طراحی معماری تمرکز می کند.
این روش، نیاز های سازه ای و معماری مانند به حداقل رساندن هزینه های ساخت سازه بتنی، اثرات پیچشی، مقاومت خمشی و برشی، تغییر مکان جانبی، بازشدگی ها و قابلیت دسترسی را در نظر می گیرد. طبق نتایج حاصل شده از این تحقیق می توان دیوار های برشی را که بهترین عملکرد سازه ای را ایجاد می کنند، در پلان معماری پیدا نمود.
مزایای ساخت و استفاده از سازه بتنی
در این بخش به مزایای ساخت اسکلت بتنی و استفاده از سازه بتنی اشاره می کنیم:
1) هزینه تمام شده اسکلت بتنی نسبت به اسکلت فلزی
هزینه تمام شده سازه های بتنی نسبت به سازه های فولادی کمتر است. از این رو، در شرایط مشابه اسکلت بتنی نسبت به اسکلت فلزی ارزان تر است. علت این امر بیشتر مربوط به مصرف مواد و مصالح ارزان قیمت با دسترسی آسان تر جهت تأمین همچون شن و ماسه نسبت به فولاد مصرفی در سازه با اسکلت فلزی است. پر واضح هست که خرید و تأمین مصالح طبیعی همچون شن و ماسه که به وفور در طبیعت موجود است، نسبت به تأمین فولاد فرآوری شده، آسان تر می باشد.
2) مقاومت بالا در برابر شرایط مختلف آب و هوایی به ویژه رطوبت
اسکلت ساختمان بتنی مقاومت بسیار خوبی در برابر شرایط مختلف آب و هوایی را دارا می باشد. به گونه ای که سطح پوششی بتن به صورت صحیح و اصولی اجرا گردد، با گذر زمان رطوبت نمی تواند آسیبی به اسکلت سازه بتنی وارد نماید.
3) مقاومت بالا در دمای بالا و در برابر آتش سوزی
اسکلت ساختمان بتنی مقاومت بسیار خوبی در برابر شرایط دمایی بالا و در برابر آتش سوزی دارد و زمان بیشتری طول می کشد تا فولاد داخلی بتن در برابر حرارت تغییر شکل دهد. بنابراین می تواند مدت طولانی تری در برابر آتش مقاومت کند. این مزیت، مهمترین نقطه قوت و مزایای اسکلت سازه بتنی نسبت به اسکلت سازه فلزی به شمار می رود.
4) شکل پذیری زیاد
بتن آرمه یا همان اسکلت بتنی شکل پذیری بالایی که دارد. این ویژگی سبب گردیده تا بتوان از آن در جاهای مختلفی همچون ساختمان، سد، پل و … استفاده نمود.
5) کمانش کمتر اجزا در اسکلت بتنی
کمانش اجزا در انواع اسکلت بتنی کمتر است و علت آن تفاوت رفتار بتن و فولاد در برابر نیروها می باشد.
6) امکان ساخت اشکال مختلف با بتن
بتن تازه، روان و در حالت مایع است. به همین دلیل می توان بتن را در قالب های مختلفی ریخت تا اشکال و اندازه های دلخواه را در محل ساخت و ساز ایجاد کند. این ویژگی امکان ساخت اعضای بتنی به صورت مقطعی و پیوسته را فراهم می نماید. بدین صورت که به خاطر شکل پذیری بتن تازه و میلگرد این شرایط ایجاد شده است تا بتوان به صورت مقاطع مختلف، اسکلت سازه بتنی را پایه گذاری نمود.
7) امکان ساخت مقطعی اعضا متناسب با شرایط مالی و برنامه زمان بندی کلی پروژه
برای کارفرمایانی که قصد دارند با توجه به پیشرفت پروژه، به صورت مقطعی نسبت به پرداخت هزینه های ساخت سازه اقدام نمایند، اسکلت بتنی بهترین انتخاب می باشد.
8) هزینه نگهداری کمتر اسکلت بتنی نسبت به اسکلت فلزی
هزینه نگهداری اسکلت بتنی نسبت به اسکلت فلزی کمتر است. زیرا به مرور زمان سطح بیرونی اسکلت فلزی دچار خوردگی شده و رفته رفته از ضخامت آن کاسته می شود. اقداماتی که این روند را کنترل و کند می کنند، هزینه بالایی دارند. از سویی دیگر این موضوع عمر کاربری و مفید سازه بتنی را افزایش می دهد.
9) مقاومت فشاری بسیار بالای اسکلت سازه بتنی
اسکلت بتنی در کنار مقاومت کششی نسبتاً خوب، از مقاومت فشاری بالایی برخوردار است.
10) بهره وری انرژی در تولید بتن
میزان انرژی مورد نیاز برای تولید بتن در مقایسه با فولاد کمتر است. برای ساخت بتن معمولی به 450 تا 750 کیلووات ساعت در تن انرژی لازم است. در صورتی که میزان انرژی مورد نیاز برای تولید فولاد سازه ای 8000 کیلووات ساعت در تن یا بیشتر از آن می باشد.
11) تعدد زیاد و حساسیت و التزام کمتر نسبت به کارگیری نیروی کار بسیار ماهر جهت اجرای اسکلت بتنی
اجرای اسکلت بتنی در مقایسه با اسکلت فلزی از ظرافت، تخصص و حساسیت کمتری برخوردار است و با توجه به تعدد اجرای این نوع اسکلت، پیمانکاران با تجربه بسیاری آن را اجرا می کنند. در مقایسه با سایر سیستم های سازه ای، برای اجرای اسکلت بتنی، به نیروی کار ماهر کمتری نیاز است.
معایب ساخت و استفاده از سازه بتنی
در این بخش به معایب سازه بتنی اشاره می کنیم:
1) وزن بیشتر سازه بتنی نسبت به سازه فلزی
معمولاً وزن تمام شده اسکلت سازه بتنی در مقایسه با وزن تمام شده اسکلت سازه فلزی بیشتر می باشد.
2) مقاومت پایین در برابر نیروی کششی
اعضای سازه بتنی علی رغم اینکه در برابر نیروی فشاری مقاومت بسیار بالایی دارند، تحت اثر نیروهای کششی مقاومت کمتری از خود نشان می دهند. هر چند این موضوع با به کارگیری شبکه ای از آرماتورها در مجموعه بتن آرمه، اندکی بهبود می یابد.
3) پرت و هدر رفت زیاد مصالح
میزان پرت و هدر رفت مصالح در فرآیند ساخت اسکلت سازه بتنی نسبت به ساخت اسکلت سازه فلزی بیشتر می باشد.
4) هزینه زیاد تهیه مصالح و اجرای قالب بندی
هزینه قالب مورد استفاده برای اجرای اعضای سازه بتنی، نسبتاً بالا و قابل توجه می باشد.
5) تخریب پذیری بالای سازه های بتنی
سازه های بتنی تخریب پذیری بالایی نسبت به سازه های فولادی دارند.
6) ترمیم پذیری پایین تر اعضای اسکلت بتنی
اعضای سازه های بتنی در صورت تخریب یا آسیب دیدگی، به علت دسترسی محدود به اعضا پس از اجرای سازه، ترمیم پذیری بسیار پایین، بسیار گران و دشواری به همراه خواهند داشت.
7) ضرورت عایق بندی سازه های بتنی برای صرفه جویی در مصرف انرژی
عایق بندی سازه های بتنی از اهمیت و ضرورت بالایی برخوردار است زیرا این نوع اسکلت مقدار زیادی حرارت را از خود عبور می دهد.
8) نیاز به ساخت سقف کاذب در سازه های بتنی
در اسکلت سازه بتنی اجرای سقف کاذب بسیار مهم و اساسی است.
9) صرف زمان زیاد جهت اجرای اعضای سازه بتنی
نیاز به تخصص بالا جهت آرماتور بندی و قالب بندی مناسب و تعدد مراحل اجرای اعضای اسکلت بتنی، زمان مورد نیاز جهت اجرا و انجام فعالیت های مربوطه را افزایش می دهد.
ویدیو اجرای سازه بتنی یا اسکلت بتنی
در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
- قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
- نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
- سوله چیست ؟ انواع و کاربرد سوله (Industrial Shed)
- سازه صنعتی (Industrial Structure)
- مدیریت طرح (Construction Management)
- انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
- مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
- آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
- سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
- نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
- انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
- مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
- سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :
در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید :
در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :
مطالب مرتبط :
