مقاله بررسی بتن و فولاد در 38 صفحه ورد قابل ویرایش
مقدمه
بتن یکی از مصالح ساختمانی است که بوسیلة آمیختن مخلوط متناسبی از سیمان، مصالح سنگی (شن و ماسه) و آب بوجود می آید. آب و سیمان با ترکیب شیمیائی خود مصالح سنگی را، که قسمت اعظم بتن را تشکیل می دهند، به یکدیگر چسبانده و تودة سخت سنگی شکل بتن را ایجاد می نمایند.
بتن ماده ای است که دارای مقاومت زیادی در فشار است و از اینرو استفاده از آن برای قطعات تحت فشار مانند ستونها و قوسها بسیار مناسب است، لیکن علیرغم مقاومت فشاری قابل توجه، مقاومت کششی کم و شکنندگی نسبتاً زیاد بتن، استفاده از آن را برای قطعاتی که تماماً یا بطور موضعی تحت کشش هستند محدود می نماید. برای رفع این محدودیت، اعضا بتنی تحت کشش هستند محدود می نماید. برای رفع این محدودیت، اعضا بتنی را با قرار دادن فولاد در آنها تقویت می‌کنند. ماده مرکبی که 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، که معمولاً آرماتور نامیده می شود، برای تحمل کشش است. برای روشن شدن بیشتر مسئله می توان رفتار یک تیر بتنی غیرمسلح را که روی دو تکیه گاه ساده قرار دارد بررسی نمود.
در مقاطع مختلف این تیر، تنش های کششی در زیر صفحة خنثی و تنش های فشاری در بالای آن ایجاد می شوند. از آنجا که مقاومت کشش بتن ناچیز است، این تیر دارای ظرفیت باربری کمی خواهد بود. در چنین تیری اصولاً مقاومت فشاری بتن نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد. حال اگر همین تیر در ناحیة کششی توسط فولادهایی، که 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، که عمدتاً در فشار کار می کنند، را نیز با میلگردهای فولادی مسلح می نمایند. وجود آرماتور در چنین اعضایی نیز سبب افزایش مقاومت آنها می گردد، زیرا فولاد علاوه بر کشش در فشار نیز مقاومت بالایی دارد. بدین ترتیب از اجتماع دو مادة فولاد و بتن، ماده تقریبا جدیدی بنام بتن مسلح ایجاد می‌شود که امروزه حوزه کاربرد آن بدون هیچ مرزی در حال گسترش است.
اساس رفتار مشترک فولاد و بتن ترکیب طبیعی دو خاصیت مهم فیزیکی و مکانیکی این دو ماده است: اول آنکه، بتن در اثر سخت شدن چسبندگی قابل ملاحظه ای با آرماتور فولادی ایجاد می‌کند که در نتیجه آن در یک عضو بتن آرمه تحت اثر بار، هر دو مادة فولاد و بتن با هم تغییر شکل می دهند. دوم آنکه، بتن و فولاد دارای ضرائب انبساط حرارتی تقریباً یکسانی 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 یک از دو مادة ایجاد نشده و لغزشی بین فولاد و بتن رخ نمی دهد.
بتن مسلح علاوه بر اینکه 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 نکته جالب باشد که در حرارت حدود 1000 درجه سانتیگراد، حداقل یک ساعت طول می کشد که دمای فولاد داخل بتن، که با یک لایه بتنی به ضخامت 5/2 سانتیمتر پوشیده شده است، به 500 درجه سانتیگراد برسد. تجربه نشان داده است که 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 سیکل های انجماد و ذوب)، مقاومت در مقابل خورده‌گی، مقاومت در مقابل آتش، مقاومت زیاد در مقابل بارهای استاتیکی و دینامیکی، امکان ایجاد اشکال موردنظر از طریق شکل دادن به قالب عضو، و بالاخره مخارج نگهداری ناچیز در طول عمر سازه، امروزه از این ماده بعنوان یکی از مقاومترین مصالح ساختمانی در ساخت انواع سازه ها استفاده فراوان می‌شود. ساختمانهای مرتفع مسکونی و اداری، ساختمانهای صنعتی، نیروگاههای هسته ای، پل ها، سیلوها، تونل ها، انواع پوسته ها، سازه های هیدرولیکی و بسیاری سازه های دیگر از مواردی هستند که بتن مسلح اسکلت اصلی و باربر آنها را تشکیل می دهد.
یکی از جنبه های خاص رفتار سازه های بتن آرمه تحت اثر بار، امکان ایجاد ترک در قسمت های کششی مقاطع است. البته باز شدن چنین ترکهایی تحت بارهای معمولی وارد بر سازه، غالبا به قدری کم اهمیت است که به هیچ وجه استفاده از سازه را تحت تأثیر قرار نمی دهند. اما چنانچه در موارد خاصی، با توجه به انتظاری که از عملکرد سازه می‌رود، وجود این ترکها بعنوان یک نقص تلقی شود و به عبارت دیگر لازم باشد از ایجاد ترک 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 کشیدن کابلهای 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 کشش نشود.
مشخصه های مقاومت و تغیییر شکل فولاد معمولاً از روی منحنی های تنش- تغییر طول نسبی، که با آزمایش کشش روی نمونه های فولادی به دست می آیند، تعیین می شوند. فولادهای گرم نورد شده غالباً دارای یک 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 که در آن، بدون افزایش بار تغییر طول نمونه فولادی ازدیاد می یابد، تنش تسلیم، مقاومت تسلیم یا مقاومت جاری شدن نام دارد و با fy نشان داده می‌شود. مشخصه مهم دیگر فولاد مقاومت کششی آن است که از تقسیم حداکثر بار ثبت شده در آزمایش کشش بر سطح مقطع اولیه به دست می آید)
برای افزایش مقاومت فولادهای نرمه، که اصطلاحاً سخت کردن فولاد نامیده می شود، از دو روش می توان استفاده نمود، در روش اول، کربن یا برخی عناصر آلیاژی مانند منگنز و کرم به ترکیب فولاد اضافه می‌شود. ازدیاد درصد کربن، اگرچه سبب افزایش مقاومت تسلیم و مقاومت کششی فولاد می شود، کاهش تغییر شکل پذیری را نیز به دنبال دارد. در استفاده از کربن برای سخت کردن فولاد باید توجه داشت که در هر حال مقدار کربن نباید از 3/0 تا 5/0 درصد تجاوز نماید، در غیر اینصورت تغییر شکل پذیری و قابلیت جوش شدن فولاد نقصان قابل توجهی خواهد یافت.