בטון מזוין

בטון מזוין הוא חומר מרוכב, המתקבל משילוב רשתות או מוטות של פלדה או חומר אלסטי אחר, עם בטון. החומר המתקבל חזק במיוחד, וכושר התנגדותו לסוגים שונים של מאמצים מעניק לו תפקיד מרכזי בבנייה של מבנים גבוהים. בין הגורמים לשילוב המוצלח של שני החומרים, בטון ופלדה, נמצאת העובדה שמקדמי ההתפשטות שלהם בחום כמעט זהים. לכן כאשר רכיב מבטון מזוין מתחמם או מתקרר, הוא אינו מתעוות ואינו נסדק. בנוסף, הבטון מגן על הפלדה מפני קורוזיה.

היסטוריה

הבטון הופץ בעולם על ידי הרומאים לפני כ-2,000 שנה. חסרונו של הבטון הוא חוזק מתיחה נמוך בהרבה מחוזק הלחיצה. תרבויות שונות במהלך ההיסטוריה השתמשו בסיבים שונים בתוך היציקה על-מנת לקבל את מאמצי המתיחה, בעיקר כדי לשמור על הבטון מהיסדקות. לדוגמה, ידוע השימוש בקש שנעשה בבנייה באדמה על ידי תרבויות שונות במהלך ההיסטוריה ומוזכר כבר בתורה.
בטון מזוין במוטות ברזל נמצא בווילה רומית מהמאה השלישית לספירה בצרפת. יש המתייחסים לצרפתי ז'אן-לואי למבו (Jean-Louis Lambot) כמי שהמציא מחדש את הבטון המזוין בשנות ה-50 של המאה ה-19. הבטון המזוין, בגרסה הדומה לזו המוכרת כיום, הומצא ב-1868 על ידי גנן צרפתי בשם ז'וזף מונייה שהשתמש בו לטובת בנייה של אדניות המסוגלות להתמודד עם הלחצים של האדמה והשורשים. מאוחר יותר הוא אף רשם את המצאתו כפטנט. רוב השכלולים הטכנולוגיים של הבטון המזוין פותחו לא לפני תחילת המאה ה-20. מהנדסים בחנו את התכונות המכניות של הבטון המזוין ואף הגדירו תקנים בסיסיים של שימוש בו לפי העומסים שהוא מתוכנן לשאת.
מסוף המאה ה-19 החלו לבנות בניינים בעיקר מבטון מזוין במקום שיטות בנייה מסורתיות יותר. בשנות ה-20 של המאה ה-20 כבר החלו אדריכלים לעשות שימוש נרחב בבטון מזוין על מנת להגיע לצורות בניין חדשות. הבטון המזוין גם תרם להתפתחותה של האדריכלות המודרנית. בשנת 1928 המציא אז'ן פריסינה (Eugène Freyssinet) את הבטון הדרוך שהוא שכלול של הבטון המזוין.
כיום נעשה שימוש בבטון מזוין ברוב מיזמי הבנייה בעולם. בניינים, גשרים, סכרים ופרויקטים אזרחיים וצבאיים אחרים נבנים ברובם בשיטה זו. בישראל, ארץ שבה הבטון הוא זול ומחירי הפלדה גבוהים, נעשה שימוש רב בבטון מזוין כמעט בכל פרויקט בנייה, מהקטנים ביותר ועד לגורדי השחקים והגשרים הגדולים ביותר.

עקרון מבני

בטון הוא חומר פריך בעל חוזק לחיצה גבוה, וחוזק מתיחה נמוך (כ-10% מחוזק הלחיצה). רכיב בטון מקבל מאמצי מתיחה בעיקר כתוצאה של מאמץ כפיפה הגורם לאחד מצדדיו להימתח. מוטות הפלדה המוכנסים לתוך הבטון מקבלים את מאמצי המתיחה, במקום הבטון (שנסדק במאמצים אלו). השילוב של הבטון והפלדה יוצר חומר מרוכב בעל חוזק לחיצה וחוזק מתיחה גבוהים, במחיר נמוך ממחיר הפלדה. בכך יכולה לדוגמה קורה העשויה מבטון מזוין לעמוד במומנט כפיפה הפועל בתוכה. הזיון בבטון מקבל את מאמצי הגזירה ובכך משפר את חוזק הבטון המזוין בגזירה.

תכנון בטון מזוין

הפלדה היא חומר כבד ויקר יותר מבטון. מסיבה זו שואפים להשתמש בכמות המינימלית ביותר של פלדה הנחוצה כדי לשמור על חוזק ויציבות המבנה. כדי שבטון ייחשב לבטון מזוין ויאושר מבחינה בטיחותית, התקנים בכל העולם, ובכלל זה גם בישראל, מחייבים להכניס כמות מינימלית של מוטות פלדה לפי חישובים סטטיים על מנת להבטיח כשל משיך במקרה של קריסת המבנה.
ניתן לחשב באופן מדויק את כמות הפלדה המינימלית הדרושה לזיון הבטון בהתאם לסוג הבטון, אופי המאמצים הנתונים במבנה ומידות המבנה על מנת שהמבנה יישאר יציב ובטיחותי. אף על פי כן, התקנים מחייבים להשתמש ביותר פלדה מהנחוץ באמת על מנת להבטיח שהרכיב הקונסטרוקטיבי יישאר יציב גם במצבים קיצוניים של אסונות, כגון רעידת אדמה או שריפה, ואף לאפשר סבילות מסוימת לטעויות אנוש אפשריות מצד הבנאים במהלך הבנייה.

קורה זיזית

קורה זיזית היא קורה המחוברת בצד אחד למבנה ובצדה השני תלויה חופשית- כמו למשל בבנייה של מרפסת או אלמנטים אחרים הבולטים מהמבנה ללא תמיכת עמודים. במצב כזה עיוות הקורה נראה הפוך ממצב של קורה של שני סמכים: חלקה העליון מתוח וחלקה התחתון לחוץ. במקרה כזה זיון הבטון יופיע בעיקר בחלק העליון של הקורה כדי להתנגד למתיחות. גם בקורה כזו יש להוסיף חישוקי זיון הנחוצים לקבלת מאמצי הגזירה.

אלמנטים נוספים

בעזרת בטון מזוין ניתן לבנות שלל צורות תלת ממדיות מהפשוטות ועד המורכבות ביותר ולהבטיח את קשיחותן ויציבותן. הקושי בבנייה של מבנים בעלי צורות בלתי שגרתיות הוא בעיקר ביצירה של טפסות מתאימות ולא בתכנון הסטטי שלהן. בעזרת בטון מזוין ניתן לצקת בקלות צורות כגון כיפה, קמרונות, עמודי פטרייה ועוד אינסוף צורות מורכבות אחרות, דבר שהיה מסובך מאוד לבנייה מעץ, לבנים ומלט או שיטות בנייה מסורתיות אחרות. תכנון הפלדה במבנים כאלו הוא לרוב מורכב יותר מתכנון של אלמנטים חד ודו-ממדיים משום שחישובי המאמצים הסטטיים במבנה הם מסובכים יותר. תפקידו של המהנדס הוא לתכנן בכל סוג של מבנה את כמות הפלדה הנדרשת באזורים בהם פועלים בבטון מאמצי מתיחה ומאמצי גזירה.

זיון פלדה

כאמור, כמעט תמיד מדובר בפלדה כאלמנט הזיון. הפלדה בה משתמשים לזיון בטון היא בדרך כלל מוטות מצולעים של פלדה מסוג פ-400. מוטות הפלדה, המכונים בפשטות "פלדת זיון", הם בדרך כלל מצולעים. צלעות אלו מגדילות את שטח הפנים של המוט ומאפשרות לבטון להידבק אליהם בצורה טובה יותר, כלומר כושר ההידבקות שלהם גדול יותר ובכך מאפשר העברת המאמצים יעילה יותר בין הפלדה לבטון. המוטות עצמם עגולים ומיוצרים במפעל לפי מידות קוטר סטנדרטיות החל מ-6 מ"מ. יש להבדיל בין שני סוגי פלדה ושני סוגי מוטות. פלדת זיון רגילה פ-400, ופלדת זיון רתיכה פ-400w. הפלדה הרגילה (פ-400) היא פלדה פחמנית רגילה. הפלדה הרתיכה מכילה אחוז נמוך יותר של פחמן. במקום הפחמן מוסיפים לפלדה הרתיכה ונדיום כדי לשמור על חוזקה. עקב כך מחיר הפלדה הרתיכה גבוה יותר. יש לכך חשיבות טכנולוגית ביצור הבטון המזוין, שכן כאשר מדובר בפלדה שאינה רתיכה, יש לקשור את מוטות הפלדה, ולהבטיח חפיפה מספקת, על-מנת שהבטון יעביר את המאמצים בין המוטות. מוטות הפלדה יכולים להיות משוכים בקר או בחם. מוטות משוכים בקר הם חזקים יותר, אך תכונה זו באה על חשבון המשיכות. לכן, על-מנת להבטיח כשל משיך, ברכיבים מבניים ובמבנים מוגנים מותר השימוש בפלדה משוכה בחם בלבד. רשתות וכלובי זיון הם לרוב שילוב של מוטות פלדה פשוטים בקטרים שונים המכופפים ומחוברים יחד. יש לציין כי במקרים רבים עדיין משתמשים בברזל רגיל במקום בפלדה, בשל מחירו הנמוך יותר.
ניתן להשתמש גם בסיבי פלדה כזיון. סיבי פלדה מהווים זיון שהוא חלק מתערובת הבטון. הסיבים מתערבבים באופן הומוגני בתוך הבטון ויוצרים חומר קשיח בעל משיכות רבה בכל הכיוונים. יתרונותיה של שיטה זו הם: החומר המתקבל עמיד יותר בסדיקה ובקורוזיה, וחיסכון בכח אדם לעבודות ברזלנות. החסרונות הם פיזור לא יעיל של הפלדה ברכיבים המתוכננים לשאת מאמצים בכיוון ידוע מראש, קשיים טכנולוגיים בהשגת אחידות של תערובת הבטון, ומגבלה טכנולוגית על נפח הסיבים בבטון, שמגבילה את חוזק המשיכה המרבי.

זיון הבטון בצורות ובחומרים שונים

הפלדה היא חומר הפועל בשיתוף פעולה עם הבטון באופן יעיל מאוד. עם זאת, ניתן להשתמש בחומרים אחרים ובעלי תכונות אחרות במקום מוטות הפלדה הרגילים. במקרים מיוחדים משתמשים לזיון בטון בפלדות שונות (כגון פלדת אל-חלד) וכן בחומרים אל-מתכתיים שונים כגון סיבי זכוכית, פחמן ופולימרים.
זיון שלא על ידי מוטות או סיבים הוא שימוש בפח גלי כזיון. לפח גלי גמישות בציר אחד וקשיחות בציר האחר. תכונה זו מנוצלת רבות בבנייה של תקרות וכן גם לזיון יעיל של הבטון. יתרונו של הפח הוא גם בכך שהוא לוח אטום המסוגל לשמש גם כטפסות לבטון ובכך חוסך את זמן בנייתן. לתקרות מסוג זה אין תקן בישראל ולכן מתכננים תקרות ועמודים אלו לפי התקן האירופי לאלמנטים קומפוזיים (Eurocode 4). שיטת הפל קל התבססה ברובה על סוג בנייה זה אך נאסרה לשימוש בישראל.
שימוש אחר בפלדה היא גם זיון הבטון בפרופילי פלדה סטנדרטיים ולא במוטות זיון רגילים. הכוונה היא יציקה של הבטון סביב קורת פלדה (שיכולה גם כמובן לתפקד כעמוד) בעלת פרופיל בצורת  I  או בצורת מלבן או פרופילים אחרים המשמשים בדרך כלל לבנייה של שלד פלדה (ללא בטון). שימוש בזיון מסוג כזה מבוצע במצבים שונים על מנת לתת מענה לבעיות הנדסיות שונות, כגון עמודים בעלי תמירות גבוהה ובעלי מגבלת עובי, אשר צריכים לשאת מאמץ לחיצה רב וכן לעמוד במאמץ קריסה.
בחומרים אל מתכתיים משתמשים לרוב כאשר יש סכנה לקיים הפלדה, ולעיתים רחוקות כדי להימנע מהפרעות מגנטיות שונות ושיבוש של קרינות מסוימות. קיימים שימושים בסיבי פלסטיק שונים וכן בסיבי זכוכית במקום פלדה. יישום נרחב של חומרים אלו מתעכב עקב מסורת בנייה ובעיות טכנולוגיות שונות.

ייצור

את הבטון המזוין מייצרים על ידי הנחת מוטות הפלדה בחלל הטפסות אשר לתוכן יוצקים את הבטון הטרי. כאשר הבטון מתקשה הוא הופך למקשה אחת עם הפלדה. הבטון מגיע לחוזקו הסופי רק לאחר 28 יום.
לפני יציקת הבטון יש לבנות טפסות, מעץ, פלדה או כל חומר אחר, שלתוכן נוצק הבטון. הבטון מקבל את הצורה של החלל אליו נכנס. מוטות הזיון חייבים להיכלל בתוך חלל זה ולהתחבר בצורה כלשהי אל הטפסות על מנת שלא יזוזו במהלך היציקה. יש להניח את המוטות במיקום המדויק לפי תכנון הקונסטרוקציה, ולעגן אותם על ידי "מרווחונים" (התקנים המבטיחים מרווח קבוע בין הפלדה לטפסות) ולחבר את מוטות הפלדה זה לזה. החיבור בין מוטות הפלדה נעשה על ידי מוטות פלדה קטנים הנקראים "מוטות קונסטרוקטיביים" לכדי יצירת קשת ולבסוף קשירה בין המוטות בעזרת "חוט שזור" - כבל פלדה קצר המורכב מסיבי פלדה דקים ושזורים.
התרשלות בקשירת המוטות ובהנחתם בחלל הטפסות יכול לפגוע בחוזק רכיב הבטון המזוין שאותו יוצקים. לדוגמה, אם ביציקה של קורה מתוכננים מוטות פלדה במרחק של 2 ס"מ מהתחתית ובהנחת המוטות לא הקפידו על שמירת המרווח המתוכנן, הפלדה עלולה להיצמד אל דופן הטפסות. במצב כזה עלולה להיווצר בעיה של היפרדות בין הפלדה לבטון בשל היותה של הפלדה לא לכודה בתוך הבטון היצוק. כמו כן יש לוודא לפני היציקה כי המוטות נקיים מחלודה ומלכלוכים אחרים העלולים לפגוע בהידבקותם אל הבטון. מעבר לכך, לכיסוי הבטון יש חשיבות לשמירת הפלדה מפני קורוזיה.
מכיוון שלא ניתן לצקת בניין שלם בבת אחת, יש צורך לבצע הפסקות יציקה. בהפסקת יציקה משאירים חלק ממוטות הפלדה בולטים כלפי חוץ. מוטות אלו מכונים "קוצים". את הקוצים מחברים אחר כך בעזרת ריתוך או בקשירה עם חוטי פלדה למוטות הזיון של היציקה הבאה. המשך היציקה מתבצע רק לאחר התקשות (לאו דווקא מלאה) של הבטון שנוצק ראשון ומריחה של חומרים המסייעים בהדבקת הבטון הישן לבטון החדש. עיכובים ממושכים בהמשך היציקה או התרשלות בחיבור בין היציקות עלולים לגרום לחיבור להפוך לנקודת תורפה בעייתית בשלד הבניין.
בישראל, בטון מזוין הוא חומר הבנייה העיקרי למבני מגורים, מסחר, ותעשייה.

שימושים צבאיים ומיגוניים בבטון מזוין

ההנדסה הצבאית עסקה מאז ומתמיד, כחלק מתפקידה, בבנייה של ביצורים ומיגונים לצרכים צבאיים. חומות אבן נבנו סביב ערים ומבצרים והמיגון נעשה בעיקר בעזרת מסה גדולה של אבן ושל אדמה. המצאת הבטון המזוין השפיעה רבות גם על תחום זה בכך שאיפשרה לצמצם משמעותית את עובי ההגנה או לשפרה, בזכות שימוש בבטון מזוין.
לבטון מזוין יש יכולת עמידה טובה כנגד הדף של פיצוץ או פגיעה של קליעים במהירות גבוהה. מאז סוף המאה ה-19 ותחילת המאה ה-20 נבנו בונקרים וביצורים שונים מבטון מזוין בזכות הקלות היחסית בבנייתו ויכולת המיגון הגבוהה שלו. הפילבוקס העשוי בטון מזוין הפך לאלמנט ביצורי מאוד נפוץ ממלחמת העולם השנייה ועד ימינו.
בישראל, בגלל ריבוי המלחמות באזורים שונים של הארץ במאה השנים האחרונות, קיימים אלפי בונקרים, מוצבים, פילבוקסים וכדומה הבנויים מבטון מזוין. בימי האינתיפאדה עשה צה"ל שימוש נרחב בקוביות בטון מזוין (בטונדות) ובחלקים של קירות בטון על מנת ליצור ביצורים וחומות בטון ברחבי יהודה ושומרון, רמת הגולן ולאורך גבולות המדינה.
גם בבנייה של מקלטים וממ"דים לצורכי הגנה עורפית משתמשים אך ורק בבטון מזוין ולפי תקנים מחמירים יותר מבנייה אחרת. קירות של ממ"דים נבנים תמיד כיציקה שלמה של בטון מזוין עם כמות יחסית גדולה יותר של פלדה (בנוסף לכמות בטון כללית גדולה יותר) ולא נבנים מלבנים או מחומרים אחרים.

כשלים בבטון מזוין

אחד התפקידים העקיפים של הבטון הוא שמירה על הפלדה. על הפלדה להיות מבודדת לחלוטין מפני אוויר ומים העלולים לגרום לה להחליד או לפתח קורוזיה. כשל נפוץ יחסית בבטון מזוין הוא חשיפה קלה של הפלדה לאוויר הגורמת להדרדרות מואצת של הפלדה. פלדה החשופה לאוויר ומים יכולה לפתח קורוזיה המתפשטת גם לתוך הבטון ומאבדת מחוזקה. כמו כן, הקורוזיה גורמת לפלדה להתנפח ולגרום לבטון להתפורר עם הזמן. יציקה לא איכותית של בטון עלולה להשאיר אפילו קצה אחד קטן של פלדה חשופה שיכול לגרום לתופעה כזו להתפתח ולגרום למצב המכונה "מצב גבולי של הרס". במצב כזה, בו הפלדה חשופה לחלוטין והבטון העוטף אותה התפורר, הקורה או כל רכיב אחר יכולים להישאר יציבים אך עלולים לקרוס במהרה אם המצב ממשיך להחמיר או במקרה של אסון כגון רעידת אדמה או שריפה.
שריפות יכולות אף הן לגרום לכשל בבטון המזוין. מקדמי התפשטות בחום של בטון ופלדה הם קרובים מאוד כאמור אך בטמפרטורות הגבוהות מ-200 מעלות צלזיוס הפלדה מאבדת מחוזקה והיא עוברת למצב פלסטי בו היא מתרחבת אך לא חוזרת למצבה הטבעי. מסיבה זו שריפות המתרחשות בבניינים הבנויים מבטון מזוין גורמות לקריסה של קורות בטון מזוין, למרות שהחומרים עצמם אינם דליקים.