بتن مسلح

تاریخچه

در آمریکا، ویلیام وارد، نخستین ساختمان بتن آرمه را در سال ۱۸۷۵ در نیویورک بنا نمود. همچنین، تادیوس هیئت، که در ابتدا یک وکیل بود، در دهه ۱۸۵۰ تجربیاتی را در مورد تیر بتن آرمه انجام داد. وی میله‌های آهنی را در ناحیه کششی تیر قرار داد و در نزدیکی تکیه‌گاه آن را به طرف بالا خم کرده و در ناحیه فشاری مهار نمود. او هم‌چنین میله‌های قائمی را در نزدیکی تکیه‌گاه‌ها برای تحمل برش به‌کار برد. هیئت در سال ۱۸۷۷ یک کتاب ۲۸ صفحه‌ای در ارتباط با موضوع تحقیقات خود منتشر کرد.
همچنین کویگنت یک مهندس فرانسوی بود و اولین کسی بود که از بتن آرمه (( béton armé)) در ساخت سازه‌های گوناگون بهره گرفت و در سال ۱۸۵۳ یک ساختمان ۴ طبقه در خیابان ۷۲ چارلز میشل که در حومه شمالی شهر پاریس و نزدیک به کارخانهٔ سیمان خانوادگیش بود را ساخت.این سازه اولین سازه بتن ارمه جهان است و توسط معمار محلی تئودور لاشز طراحی شده‌است.از کارهای دیگر کویگنت می‌توان به سیستم تأمین آب شهری پاریس اشاره نمود که معروف به aqueduct de la Vanne است .

آرماتور بندی وشناخت عملکرد تیرها

هنگامی که تیر بتن آرمه تحت اثر لنگر خمشی قرار میگیرد، خم می شود، که منجر به یک انحنای کوچک می شود. در تار های وجه خارجی انحنای بتن ،تنش های کششی و در تار های وجه داخلی انحنای بتن، تنش های فشاری ایجاد میشود.
تیر تقویت شده تیری است که در آن ، بتن فقط در نزدیکی وجه کششی تقویت می شود و فولاد تقویت کننده، به نام فولاد کششی ، برای مقاومت در برابرکشش طراحی شده است.
تیر دوبل تقویت شده تیری است که در آن ، علاوه بر فولاد کششی،  بتن در نزدیکی وجه فشاری نیز تقویت شده است تا به بتن در مقاومت در مقابل تنش های فشاری کمک کند. تقویت دوم فولاد فشاری نامیده می شود. وقتی که منطقه فشاری بتن برای مقاومت در برابر تنش هاری فشاری ناشی از لنگر خمشی کافی نیست، اگر محدودیت های معمار ی افزایش ابعاد مقطع تیر را محدود کند، تعبیه میلگرد تقویتی در ناحیه فشاری بتن لازم است.
تیر با تقویت زیرحد متعادل در منطقه کششی، تیری است که در آن ظرفیت کششی فولاد کششی کوچکتر از ظرفیت فشاری مجموعه بتن و فولاد فشاری ناحیه فشاری است. هنگامی که عضو بتن مسلح در معرض افزایش لنگر خمشی قرار می گیرد، قبل از این که بتن ناحیه فشاری به مرحله شکست نهایی برسد، فولاد در منطقه کششی به حد جاری شدن میرسد .در این مرحله همانطور که فولاد در منطقه کششی جاری شده وافزایش طول می یابد، یک " تیر با تقویت زیرحد متعادل " نیز به صورت شکل پذیرجاری می شود و تغییر شکل زیاد و هشدار قبل از شکست نهایی خود را نشان می دهد. در این حالت، حد جاری شدن فولاد بر طراحی حاکم شده است.
تیر با تقویت بالاتر ازحد متعادل در منطقه کششی، تیری است که در آن ظرفیت کششی فولاد کششی بزرگتر از ظرفیت فشاری مجموعه بتن و فولاد فشاری ناحیه فشاری است. در نتیجه  شکست یک " تیر با تقویت بالاتر ازحد متعادل " همزمان با خرد شدن وشکست بتن ناحیه فشاری وقبل از جاری شدن فولاد در منطقه کششی به وقوع می پیوندد و در نتیجه  هشداری قبل از شکست نهایی وجود ندارد وبه یکباره اتفاق می افتد
تیر با تقویت حد متعادل در منطقه کششی، تیری است که در آن(ظرفیت کششی فولاد کششی برابر ظرفیت فشاری مجموعه بتن و فولاد فشاری ناحیه فشاری است. در نتیجه)هر دومنطقه فشاری و کششی همزمان به حد شکست وجاری شدن رسیده و همزمان با خرد شدن وشکست بتن ناحیه فشاری ،فولاد در منطقه کششی به حد جاری شدن می رسد.
خطراین معیار طراحی،مانند حالت طراحی مقطع " تیر با تقویت بالاتر ازحد متعادل " می باشد زیرا شکست به یکباره و همزمان با خرد شدن وشکست بتن ناحیه فشاری و جاری شدن فولاد در منطقه کششی، اتفاق می افتد و در نتیجه هشدارقابل ملاحظه ای قبل از شکست نهایی ،به وقوع نمی پیوندد.
اعضای بتن آرمه خمشی به طور معمول باید زیرحد متعادل در منطقه کششی طراحی شوند تا کاربران سازه ،هشدار گسیختگی وشکست پیش بینی شده را دریافت کنند.
مقاومت مشخصه ، مقاومت یک ماده است که کمتر از 5٪ از نمونه ها، مقاومت کمتراز آن را نشان می دهد.
مقاومت طراحی یا مقاومت اسمی، مقاومت مصالح است، همراه با در نظر کرفتن یک ضریب اطمینان مصالح. میزان ضریب اطمینان مصالح به طور کلی در طراحی به روش تنش مجاز از 0.75 تا 0.85 متغیر است.
حالت حد نهایی، نقطه تئوریک شکست با یک احتمال مشخص ،  تحت بارهای با ضریب و مقاومت های کاهش یافته ، تعریف شده است.
سازه های بتن مسلح به طور معمول با توجه به قوانین و مقررات و یا توصیه های یک  آیین نامه مانند ACI-318، CEB، Eurocode 2 و یا مانند آن طراحی می شود. روش های WSD، USD یا LRFD در طراحی اعضای سازه های بتن مسلح استفاده می شود. تجزیه و تحلیل و طراحی اعضای سازه های بتن مسلح می تواند با استفاده از روش های خطی یا غیر خطی انجام شود. در هنگام استفاده از ضرایب ایمنی، آیین نامه های طراحی ساختمان ها معمولا روش های خطی را پیشنهاد می دهند، اما برای برخی از موارد، روش های غیر خطی پیشنهاد می شود. برای دیدن نمونه هایی از شبیه سازی عددی غیر خطی و محاسبات ،به مراجع مربوطه مراجعه کنید.

بتن پیش تنیده

پیش تنیدگی  بتن تکنیکی است که به طور اساسی باعث افزایش باربری تیرهای  بتنی می شود. فولاد تقویت کننده در قسمت پایین تیر که در هنگام بهره برداری تحت اثرنیروهای کششی قرار می گیرد، قبل از اینکه بتن در اطراف آن ریخته شود، تحت کشش قرار داده می شود. پس ازگیرش  بتن ، آزاد شدن تنش کششی در فولاد تقویتی باعث ایجاد نیروی فشاری در بتن می شود. درهنگام   اعمال بارها، فولاد تقویتی تنش کششی بیشتری را تحمل می کند در حالیکه نیروی فشاری در بتن کاهش می یابد،ولی به نیروی کششی تبدیل نمی شود. از آنجایی که بتن همواره تحت تنش فشاری است، مسئله ترک خوردکی  و شکست بتن مطرح نیست.

حالت های شکست معمول بتن آرمه

شکست بتن آرمه می تواند به علت مقاومت ناکافی، ودر نتیجه شکست مکانیکی یا به علت کاهش پایایی آن رخ دهد. خوردگی و سیکل های انجماد وذوب ممکن است سبب آسیب رسیدن به بتن مسلحی که ضعف در طراحی و یا اجرا دارد، شود. هنگامی که خوردگی آرماتوراتفاق می افتد، اکسیداسیون (زنگ) گسترش می یابد و تمایل به پوسته شدن دارد، ترک خوردگی بتن وکاهش چسبندگی بین بتن وفولاد اتفاق می افتد. در ادامه، مکانیزم های معمولی که منجر به مشکلات پایایی می شوند، مورد بحث قرار می گیرند.

شکست مکانیکی

جلوگیری از ترک خوردن مقطع  بتنی تقریبا غیر ممکن است ؛ با این حال، اندازه و محل ترک را می توان  توسط تقویت مناسب، اتصالات کنترل شده ، روش های به عمل آوردن بتن و طراحی مخلوط بتن محدود و کنترل نمود. ترک خوردگی می تواند باعث نفوذ رطوبت و خوردگی میلگرد های تقویتی آن شود. این یک شکست حالت حدی بهره برداری در طراحی به روش حالات حدی است .ترک خوردگی به طور معمول نتیجه کافی نبودن میلگرد، یا فاصله بیش از حد میلگرد ها است. که در نتیجه بتن در زیر بارگذاری بیش از حد و یا به علت اثرات داخلی مانند انقباض حرارتی اولیه درمرحله به عمل آمدن بتن ترک می خورد.
هنگامی که خمش یا تنش برشی بیش از مقاومت میلگرد های تقویتی است ، و میلکردها به حد جاری شدن یا شکست میرسند ،و یا چسبندگی بین بتن و میلگرد شکسته می شود، تنش های فشاری در بتن بیش از مقاومت  بتن  میباشند ، خرد شدن بتن رخ می دهدو شکست نهایی که منجر به فروپاشی می شود می تواند ایجاد شود.

کربناته شدن

به طور معمول ،هنگام طراحی یک سازه بتنی ، میزان پوشش بتن روی میلگرد (عمق میلگرد درون جسم) باید تعیین شود. حداقل میزان پوشش بتن روی میلگرد به طور معمول توسط کدهای طراحی یا ساختمانی تنظیم می شود. اگر میلگرد تقویتی بیش از حد به سطح بتن نزدیک باشد، شکست سریع ناشی از خوردگی ممکن است رخ دهد. عمق پوشش بتن را می توان با یک وسیله اندازه گیر  پوشش تعیین کرد. 
با این حال، بتن کربناته فقط هنگامی که رطوبت و اکسیژن کافی برای ایجاد خوردگی فولاد تقویت کننده وجود داشته باشد متحمل یک مشکل پایایی می شود.

یک روش تست سازه برای کربناتاسیون این است که سوراخی در سطح بتن ایجاد شود  و سپس سطح داخلی سوراخ را با محلول شاخص فنولفتالین مورد بررسی قرار داد. این محلول هنگامیکه در تماس با بتن قلیایی قرار می گیرد، صورتی رنگ می شود و عمق کربناته را می توان مشاهده کرد. استفاده از سوراخ موجود، مناسب نیست زیرا سطح باز سوراخ موجود ، قبلآ کربناته شده است .

کلرید ها

کلرید ها، از جمله کلراید سدیم، در غلظت های به اندازه کافی بالا،می توانند باعث خوردگی میلگرد فولادی تعبیه شده شوند. آنیون های کلراید ،احتمال هر دو خوردگی موضعی و خوردگی عمومی میلگرد های فولادی را تقویت می کنند. به همین دلیل باید برای مخلوط کردن بتن از آب شیرین یا آب آشامیدنی استفاده کنید،در عین حال باید اطمینان حاصل کنید که دانه های شن وماسه حاوی کلرید ها نیستند، به جز افزودنی هایی که ممکن است حاوی کلرید باشند. 
زمانی استفاده از کلرید کلسیم به عنوان یک ماده افزودنی برای افزایش سرعت گیرش بتن معمول بود. همچنین به اشتباه اعتقاد داشتند که کلرید کلسیم از انجماد بتن جلوگیری می کند. با این حال، هنگامی که اثرات زیان آور کلرید شناخته شد، از استفاده از کلرید کلسیم اجتناب شد. 
استفاده از نمک های ضد انجماد در جاده ها، که برای کاهش نقطه ی انجماد آب استفاده می شود، احتمالا یکی از دلایل اصلی شکست زودرس عرشه پل های ساخته شده از بتن آرمه یا بتن پیش تنیده ، جاده ها و پارکینگ ها است. استفاده از میلگرد های پوشیده شده با اندود اپوکسی و استفاده از حفاظت کاتدیک تا حدودی این مشکل را کاهش داده است. همچنین میلگرد های FRP (ساخته شده از بلیمر های تقویت شده با فیبر) دارای حساسیت کمتری  به کلرید ها هستند. مخلوط بتن به طور مناسب طراحی شده که به درستی به عمل آورده شده باشد ، عملاً به اثرات ضد انجماد ها غیرقابل نفوذ است. 
منبع مهم دیگر یون کلرید، آب دریا است. آب دریا حاوی حدود 3.5 درصد وزنی نمک است. این نمک ها شامل کلرید سدیم، سولفات منیزیم، سولفات کلسیم و بی کربنات است. در آب این نمک هابه صورت  یون های آزاد (Na +، Mg2 +، Cl-، SO42-، HCO3-  )جدا می شوند و با آب به داخل مویرگ های موجود دربتن نفوذمی کنند. یون های کلرید که حدود 50 درصد از این یون ها را تشکیل می دهند، عامل اصلی بسیار مهاجم خوردگی میلگرد های فولادی هستند. 
در سال های 1960 و 1970 نیز استفاده از منیزیت ، یک ماده معدنی کربناتی غنی از کلرید ، به عنوان کفپوش کف نسبتا رایج بود که اصولاً برای تراز کردن کف ونیزکاهش دهنده صدا به کار می رفت. اگر چه در حال حاضرکشف شده است که وقتی این مواد با رطوبت تماس می یابند، به دلیل حضور کلرید در منیزیت ، ، باعث تولید محلول ضعیف اسید هیدروکلریک می شوند و پس از  یک دوره زمانی (به طور معمول دهه ها)، این محلول باعث خوردگی میلگرد های فولادی تعبیه شده می شود. این بیشتر در نواحی مرطوب یا مناطقی که بطور متناوب درمعرض رطوبت  هستند یافت می شود.