بخشی از مقاله
بررسی و مقایسه اقتصادی استفاده از بتن معمولی و بتن مقاومت بالا در پروژههای ساختمانی
چکیده:
سالهاست در دنیا بتن پر مقاومت در مقیاس وسیع به کارگرفته میشود. شناخت تاریخچه بتن پر مقاومت و روند گسترش کـاربرد و نیز موارد عمومی استفاده از آن، به پی بردن پتانسیل کاربرد بتن پر مقاومت در ایران کمک مـیکنـد. در ایـن مقالـه بـه منظـور بررسی شرایط استفاده از بتن مقاومت بالا در ساختمانها و بررسی این بتن به لحاظ اقتصادی در پروژههـا بـه مقایسـه ایـن بـتن و هزینه ساخت آن با بتنهای معمولی پرداخته شده است. برای این منظور ساختمانی 11 طبقه بـا اسـتفاده از بـتنهـای معمـولی و مقاومت بالا در نرمافزار ETABS تحلیل و طراحی شده و با استفاده از نتایج این نرمافزار ابعاد ستون و تیر و همچنین میلـهگـرد-های مورد نیاز برای طراحی قابل قبول این سازهها بدست آمده است. پس از بدست آمدن ایـن مقـادیر حجـم بـتنریـزی و میـزان مصرف میلهگرد در هر مدل مشخص شده و در بهای واحد آن ضرب شده و در نهایت هزینه مورد نیاز بـتنریـزی و میلـهگردهـا بـا استفاده از دو نوع متفاوت بتن بدست آمده و با هم مقایسه شدهاند.
کلمات کلیدی: بتن مقاومت بالا، هزینه سازه، نرمافزار ETABS، ساختمان 11 طبقه
-1 مقدمه
در میان بتنهای ویژه، بتن پر مقاومت(HSC) 1 دارای اهمیت بسیار زیادی میباشد. امروزه استفاده از بتن پر مقاومت در پروژههای بزرگ دنیا بسیار رایج شده است. بهطوری که ساخت بزرگترین و بلندترین سازههای جهان بدون استفاده از تکنولوژی پر مقاومت غیر ممکن میباشد. هر روز سازههای جدیدی در کشورهای مختلف با بتن پرمقاومت ساخته میشود. قطعاً در کشورهای پیشرفته مقدماتی برای این کار فراهم آمده است . [2-1 ]
-1-1معرفی بتن پر مقاومت
این نوع بتن یک ماده شگفتآور نبوده و نیز شامل موادی به غیر از مواد تشکیل دهنده بتنهایی که تـاکنون شـناخته شـده نمیباشد. اسم قبلی این بتن، »بتن با مقاومت زیاد« بود و تعریف بتن پر مقاومت نسبی است و به زمان اجـرای کـار و محـل پـروژه
مربوط میشود. منابع مختلف تعاریف مختلفی برای بتن پر مقاومت ذکر کردهاند، اما آنچه واضـح اسـت مبنـای مقاومـت فشـاری 41MPa به عنوان حد پائین این نوع بتن انتخاب شد . [3 ]
در ابتدائیترین روشهای تهیه بتن پر مقاومت، تولید بتن با نسبتهای آب به سیمان بسیار پایین بود. اینگونه بتنها اکثراً فاقـد کارایی مناسب بودند. در سال 1950 بتن با مقاومت فشاری 34 MPa بهعنوان بتن با مقاومت زیاد شناخته میشـد . [4 ] در سـال 1957، کلایگر روش تهیه و طرح اختلاط بتنی را معرفی کرد که مقاومت 28 روزهی آن در محـدودهی 500 تـا 600 کیلـوگرم بـر سانتیمتر مربع بود. . [5 ] ساخت بتن پر مقاومت در کشور چین در دهه 1950 با استفاده از سیمانهای مخصـوص بسـیار متـداول بوده است. مقاومت 28 روزه چنین بتنهایی 700 تا 800 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع گزارش شده اسـت. لـیکن در دهـه 1980 در این کشور به دلیل مشکلات تولید سیمان مخصوص، ساخت بتن پر مقاومت با استفاده از سیمان پرتلند معمولی و نسبتهای آب به سیمان پایین به همراه فوقروانکننده رواج یافت. مقاومت 28 روزه اینگونه بتنها بین 500 تـا 850کیلـوگرم بـر سـانتیمتر مربـع گزارش شده است [6] .در سال 1973، پرینچیو گزارشهایی در ارتباط با سـاخت بـتنهـای بـا مقاومـت فشـاری 28 روزه تـا 900 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع منتشر ساخت . [7 ] به عنوان ارائهی نمونه دیگری از ساخت بتن پرمقاومت با چنین مشخصاتی، میتوان به پژوهش آیتسین، اشاره کرد. که تنها با استفاده از نسبت آب به سیمان پایین و فوقروانکننده، بدون استفاده از مواد معدنی ریـز پوزولانی، موفق به ساخت بتن پر مقاومت گردید . [8 ] لارنس با آزمایش روی سیمانهایی که تحت فشار زیاد متـراکم شـده بودنـد، مقاومت فشاری در حدود 372 نیوتن بر میلیمتر مربع بدست آورد. طبق تحقیقات بنت و همکاران، اگر بتن ساخته شده بـا سـیمان زود سخت شونده با فرکانس 800 هرتز متراکم شود، مقاومت فشاری حدود 1450 kg/cm2 خواهد بود . [9 ]
-2-1 موارد کاربرد بتن پر مقاومت در دنیا
با توجه به قسمتهای پیشین، نخستین استفادهها از بتن مقاومت بالا از نیمه قرن بیستم شروع شـده و تـاکنون بیشـترین استفاده از بتن پر مقاومت در ایالات متحده، محدود به مناطق شیکاگو، نیویورک و هوستون بوده است . [11 - 10 ] یکـی از مهـم-ترین کاربردهای بتن پر مقاومت در پلسازی است. پروفسور ضیا نشان داد برای دهانههای 29 متری با افزایش مقاومـت بـتن از 40 به 70 مگاپاسکال میتوان پلهایی با دهانههای تا %17 بزرگتر احداث کرد. پایههای پلهـای کلـروادو (از مقاومـتهـای 45 تـا 90 مگاپاسکال در قطعههای مختلف این پل استفاده شده) پل u شکل لوزانیا2، پل مموریال بریج3 ، پرتنوف4 کانادا، نرمندی5 فرانسـه و پل رودخانه لیانگ شوی، نمونههایی از کاربرد بتن مقاومت بالا در پلسازی هستند.
گرچه در ساخت قسمتهای مختلف ساختمانهای بلند ممکن است از بتن پر مقاومت استفاده شود، ولی کاربرد اصلی آن سازههای خاص میباشد. تعدادی از ساختمانهایی که با بتن HSC در دنیا ساخته شدهاند، مانند برج دوبی، برج تایپه 101 و پتروناس است که برج دوبی بزگترین برج دنیا با استفاده از بتن پر مقاومت بوده که دارای بیش از 150 طبقه و بتنی با مقاومت فشاری بیشتر از 80 مگاپاسکال میباشد . [12 ]
-3-1 موارد کاربرد بتن پر مقاومت در ایران
در کشور ایران نیز در چند سال گذشته کارهای تحقیقاتی متعددی در زمینه بتن پر مقاومت، توسط متخصصین فـن تکنولـوژی بتن انجام گردیده است. علیرغم تحقیقات صورت گرفته گزارشی مبنی بر مورد مصرفی و کاربردی از این بتن در پروژههای سـاخت کشور نشده است. مشخصات فنی بتن مقاومت بالا در هیچکدام از دفترچههای مشخصات فنی عمومی سازمان برنامه و بودجه وجود ندارد. متأسفانه حتی در"روش ملی طرح مخلوط بتن" و "فهرست بهای پایه رشته ابنیه" نیز اشارهای به این نوع بتن نشـده اسـت. در ادامه به شرح دلایل عدم کاربرد این بتن در ایران میپردازیم . [14 – 13 – 9 ]
-2 مشکلات به کارگیری بتن پر مقاومت در ایران -1-2 مشکلات موجود در مشاغل و ذینفعان صنعت بتن کشور
بررسی و رسیدگی به مشکلات هر صنف نیز، نیاز به شناخت و مشـکلات آن گـروه از طریـق وارد شـدن بـه بطـن کـار و آشنایی با موانع فراروی آنها از نزدیک و شنیدن مشکل دستاندرکاران در صنف مربوطه دارد . [15 ] ذینفعان6 افراد و سازمانهایی هستند که بهصورت فعال در پروژه درگیر میباشند. یا ممکن است، به واسطه نتیجه اجرای پروژه یا تکمیل پروژه بهصورت مثبت یا منفی تحت تأثیر قرار بگیرند، همچنین ممکن است آنها بر پروژه یا نتایج آن اعمال نفوذ نمایند. بنابراین تیم مـدیریت پـروژه بـرای حصول از اطمیان یک پروژه موفق باید ذینفعان را شناسایی کند، نیازمنـدیهـای آن را تعیـین نمایـد و سـپس بـر نیازمنـدیهـا، مدیریت و اثر گذاری نماید . [16] گسیختگی و خرابی بتن تعداد زیادی از سازههای بتنی از جمله پلها و ساختمانها در سالهـای اخیر، روشنگر این واقعیت است که مهندسین به اندازه کافی با بتن آشنا نمیباشند . [17 ] بر اساس سازمانهایی که عضـو انجمـن بتن گردیدهاند دستهبندی صنعت بتن کشور، در شش حوزه تولیدکنندگان مواد اولیه بتن، تولیدکنندگان بتن و قطعات بتنی، اجرا، خدمات طراحی و کنترل مهندسی، مراکز نشر دانش فنی بتن، تولید کنندگان ماشینآلات و تجهیزات صنعت بتن و تولید کنندگان اولیه بتن تقسیمبندی گردیده است. حال برای شناسایی مشاغل این صنعت در مطالعه تحقیقاتی نجفی سـاروکلایی بـرای برخـی از سازمانهای عضو انجمن بتن لیستی ارسال گردید تا نسبت به معرفی مشاغل صنعت خود و نیازهای آموزشی که برای ایـن مشـاغل مناسب مبینند را بیان نمایند. با توجه به نتایج بدست آمده از تحقیقات، نهایتاً مشاغل صنعت بتن در 25 شغل بهصورت مسـتقیم شناسایی گردید. که دامنه آنها از رده کارگری تا تکنسین و مهندسان میباشد. بنابراین صنعت بـتن کشـور، سـطح مـدیریت کـلان ضعفها و ایراداتی دارد . [18 ]
-2-2 مشکلات مربوط به طراحی و اجرا و بهرهبرداری سازه
در ACI و EN ضوابط متفاوت با آئیننامههای طراحی سازههای بتن معمولی قید شده اسـت و نیـز تفـاوت در محاسـبه مدول ارتجاعی و مقاومت برشی و پیوستگی بتن و میلگرد، هر چند ناچیز، مطرح گردیده است. حتی در مورد جمعشدگی و خـزش، نحوه محاسبه بیان شده است . [19 ] در جدول شماره 1 ضوابط چند آئیننامه معتبر و نیـز آئـیننامـه بـتن ایـران »آبـا« در مـورد حداکثر مقاومت فشاری مجاز بتن و مبنای تعیین مقاومتهای مربوط ذکر شده است. همانطور که عنوان شد، در کشـور مـا هنـوز برای طراحی اعضای سازهای با بتن پر مقاومت، آئیننامه منسجم و مناسبی تدوین نشده است.
جدول شماره -1 حد بالای مقاومت فشاری مشخصه مجاز بتن با توجه به آئیننامه های مختلف [2]
یکی از مهمترین اشکالات در اجرای این بتن، عدم رعایت طرح اختلاط و حفظ نسبتهای بهینه مواد متشکله بتن اسـت، که البته این مشکل برای همه بتنها وجود دارد. عامل دیگر مصرف مواد افزودنی ناشناخته و بهویژه مصرف تـوأم چنـد مـاده بـدون توجه به سازگاری آنها با هم است. استفاده از روشها و وسایل نامناسب برای ریختن و جا دادن بتن. عامل مهمی که در تمام بتنها در کشور همهگیر است، عدم مراقبت و محافظت یا بهطور ناقص و با وسایل و روشهای غیر مؤثر است. تسطیح و پرداخت عجولانـه بتن قبل از اینکه بخش عمدهی جمعشدگی اولیه و نشست بتن صورت گرفته باشد. قالببرداری زود هنگـام در ایـن بـتن، و قالـب برداری با اعمال فشار و ضربه نیز که منجر به ریزترکها در این بتن است نیز عامل دیگری است. عدم توجه به مرحلهبندی اجرا و از جمله کشیدن بیموقع کابلهای پیشتنیدگی با رعایت نکردن ترتیب بتنریزی که در نقشهها پیشبینی شده اسـت عامـل دیگـری است . [23 ]
یکی از مشکلات عمومی در بتنریزی سازهها، عمل ویبره زدن مناسب و صحیح میباشد. متأسفانه اکثر افرادی که عمل ویبره زدن را انجام میدهند غیر فنی بوده و با اصول آن آشنایی ندارند . [24 ] پس از سخت شدن بتن و شروع مرحله بهرهبرداری، بهتر است از خشک شدن سریع بتن سخت شده پس از مرحله عملآوری رطوبتی جلوگیری شود. روشهای کنترل کیفیت، از قبیل آزمایشها بر روی بتن تازه و سخت شده، تکرار آزمایشها و تفسیر نتایج آنها، شبیه بتنهای معمولی است . [20 ]
-3-2 مشکلات موجود در تأمین مصالح تشکیلدهنده و قیمت بتن پرمقاومت
بتنهای معمولی نسبت به مصالح مصرفیشان خیلی حساس نمیباشند و مصالح، نسبتهای اختلاط و شـرایط عمـلآوری آنها میتوانند، بدون اینکه خواص مکانیکی بتن را تحت تأثیر قرار دهند، تغییرات کوچکی داشته باشند. اما در بتنهـای پرمقاومـت باید تمام اجزای مخلوط، در محدوده تعیین شده قرار داشته باشـد . [20 ] در مطالعـات و پـژوهشهـایی کـه دشـتی ناصـرآبادی و همکاران در بررسی ضعفها و ایرادات اجرایی در ساخت و سازهای شهری انجام دادهاند، اولویت نخست ایرادات و خطاهای سـاخت به استفاده از مصالح نامرغوب مربوط شد . [21 ] متأسفانه معادن تولید سنگدانه در کشور تولیدات غیر استاندارد به بازار عرضه می-کنند، که بخش عمدهای از این تولیدات در کارهای سازهای مورد استفاده قرار مـیگیـرد. هزینـههـای بـالای تولیـد و آگـاه نبـودن بسیاری از مصرف کنندگان از فواید ماسه استاندارد باعث شده که تولید کنندگان رغبت چندانی به تولید فرآوردههـای اسـتاندارد از خود نشان ندهند .[22]
علاوه بر شن و ماسه استاندارد در وهله بعدی، اکثر بتنهای پر مقاومت جدید، حـداقل دارای یـک مـاده سـیمانی مـتمم میباشند که این مواد عبارتند از خاکستر بادی، میکروسیلیس، نانوسیلیس. و در کارهای بتنی جدید، تولید بتن پر مقاومـت و دارای کارآیی کافی در کارگاه بدون استفاده از فوقروانکننده عملی نیست. این موضوع از جهتی بـه دلیـل تغییراتـی در ترکیبـات فرعـی
سیمان و از طرف دیگر به دلیل خیلی خشن و بسته نبودن آئیننامههای مربوط به پـذیرش فـوقروانکننـدههاسـت. بنـابراین بایـد سیمانهایی را که با فوقروانکنندههای خاصی سازگارند، تعیین نمود . [20 ]
در وهله سوم عوامل فوق سبب شده است قیمت ظاهری اولیه این بتن نسبت به بتن معمولی افـزایش داشـته باشـد. کـه منجر به کاهش میل به مصرف این بتن شده است. ولی باید توجه داشت مزایای چشمگیری که این بتن نسـبت بـه بـتن معمـولی دارد، میتواند دلیلی باشد، که از این عامل ناچیز چشمپوشی کرد.
-4-2 مشکلات مربوط به طرح مخلوط بتن
هنوز روش عمومی برای تعیین نسبتهای اختلاط بتنهای پر مقاومت ارائه نشـده اسـت. و طـرح اخـتلاط بـتنهـای پـر مقاومت ، امروزه با توجه به روشهای تجربی تعیین میشود و به نوع مصالح هر منطقه بستگی دارد و روشهـای قـانونمنـد بسـیار کمی برای طرح مخلوط بتن پر مقاومت وجود دارد. بهعنوان مثال، انجمن سیمان پرتلند کانادا، طرح مخلوط بهدست آمده از طریق سعی و خطا را بهترین روش برای تعیین نسبتهای اختلاط در بتنهای پر مقاومت میداند و میتوان گفت که حتـی در مقاومـت-های یکسان، طرح اختلاط بتنها به مقدار قابل توجهی متفاوت است. این موضوع بـه دلیـل اخـتلاف در کیفیـت کلیـه مـواد خـام تشکیل دهنده هر مخلوط نسبت به سایر مخلوطها است. بنابراین اگر از آنها به عنوان یـک راهنمـای کلـی در تولیـد بـتنهـای پـر مقاومت استفاده شود و یکی از آن نسبتها عیناً در جای دیگری به کار رود، به احتمال زیاد بتن با همان مشخصات تولیـد نخواهـد شد . [20 ] در نهایت پیشنهاد میشود، مانند بتنهای معمولی طرح اختلاط این بتن نیاز به ساخت تعدادی مخلوط آزمایشـی دارد. و در درجه اول اطمینان حاصل گردد که مواد خام موجود، توانایی ایجاد مقاومت لازم را دارند و هیچگونه ناسازگاری بین سـیمان و مواد متمم افزودنی وجود ندارد و در صورت مناسب بودن مقادیر مقاومتها نسبت به ساخت این بتن اقدام شود.
-4بحث و نتایج در این مقاله ابتدا به مدل کردن دو نوع بتن در یک ساختمان 11 طبقه پرداخته شده است که پلان این سـازه در شـکل شـماره 1
نشان داده شده است.
شکل-1پلان مدل در نرمافزار ETABS
در مدل اول، ساختمان 11 طبقه از بتن معمولی، با وزن مخصوص 2400و مقاومت فشاری بتن 300 طراحی شده اسـت. همچنـین در مدل دوم ساختمان 11 طبقه از بتن مقاومت بالا، با وزن مخصـوص 2400و مقاومـت فشـاری بـتن 550 طراحـی شـده اسـت.
همچنین چون مدلهای مورد نظر به منظور بررسی هزینه اقتصادی پروژه میباشد بدین منظور سازه را به طور کامل به صورت قاب خمشی طراحی کرده که تفاوتهای دو نوع بتن خود را بیشتر نشان دهد. در نهایـت پـس از تحلیـل و طراحـی مـدل در نـرمافـزار ETABS بخشی از نتایج حاصل از طراحی در جدول شماره 1 نشان داده شده است.
جدول -1بخشی از نتایج حاصل از طراحی دو مدل در نرمافزار ETABS
