- مزایای سازه‌های بتنی
- روش‌های طراحی سازه‌های بتن آرمه
- يادداشت‌ها
- پی‌نوشت‌ها
- جُستارهای وابسته
- سرچشمه‌ها
[مهندسی عمران] [بتن آرمه]
سازه بتنی[۱] سازه‌ای است که در ساخت آن از بتن یا به‌طور معمول بتن آرمه (سیمان، شن، ماسه و پولاد به‌صورت میلگرد ساده یا آجدار) استفاده شده باشد. در ساختمان در صورت استفاده از بتن آرمه در قسمت ستون‌ها و شاه تیرها و پی، آن ساختمان یک سازه بتنی محسوب می‌شود.
[↑] مزایای سازه‌های بتنی
- ۱- ماده اصلی بتن که شن و ماسه می‌باشد ارزان و قابل دسترسی است.
۲- سازه‌های بتنی که مطابق با اصول آیین نامه‌ای طراحی و اجرا شده‌اند، در مقابل شرایط محیطی سخت، مقاومتر از سازه‌های ساخته شده با مصالح دیگر هستند.
۳- به‌علت قابلیت شکل‌پذیری بالای بتن، امکان ساخت انواع سازه‌های بتنی نظیر پل، ستون و ... به اشکال مختلف میسر است
۴- سازه‌های بتنی در مقابل حرارت زیاد ناشی از آتش‌سوزی بسیار مقاوم اند. آزمایشات نشان داده‌اند که در صورت ایجاد حرارتی معادل ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد برای یک نمونه بتن آرمه، حداقل یک ساعت طول می‌کشد تا دمای فولاد داخل بتن، که با یک لایه بتنی با ضخامت ۲٫۵ سانتی متر پوشیده شده است، به ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد.
به‌طور کلی هدف از طراحی یک سازه، تامین ایمنی در مقابل فروریختگی و تضمین عملکرد مناسب در زمان بهره‌برداری است. چنانچه مقاومت واقعی یک سازه به‌طور دقیق قابل پیش بینی بود و در صورتی که بارهای وارد بر سازه و اثرات داخلی آنها نیز با همان دقت قابل تعیین بودند، تامین ایمنی تنها با ایجاد ظرفیت باربری به میزان جزئی بیش از مقدار بارهای وارده ممکن می‌گشت. لیکن عوامل نامشخص و خطاهای احتمالی متعددی در آنالیز (تحلیل)، طراحی و ساخت سازه‌ها وجود دارند که یک حاشیه ایمنی را در طراحی سازه‌ها طلب می‌کنند. مهمترین ریشه‌ها و منابع این خطاها عبارتند از:
- الف: بارهایی که در عمل به سازه وارد می‌شوند و همچنین توزیع واقعی آنها ممکن است با آنچه در بارگذاری سازه فرض شده است متفاوت باشند.
ب: رفتار واقعی سازه ممکن است با رفتار تئوریک سازه، که بر اساس آن نیروهای داخلی اعضا محاسبه می‌شوند، تفاوت داشته باشد.
ج: مقاومت واقعی مصالح به‌کار رفته در ساخت سازه ممکن است متفاوت از مقادیر فرض شده در محاسبات باشد.
د: ابعاد قطعات و محل واقعی میلگردها ممکن است دقیقاً مطابق آنچه طراح در محاسبات خود فرض کرده نباشد.
بنابراین، انتخاب یک حاشیه ایمنی مناسب امر بسیار دشواری است که نحوه منظور نمودن آن، به‌صورت یکی از مشخصه‌های اساسی روش های طراحی در آمده است. به‌طور کلی طراحی سازه‌های بتن آرمه به سه روش زیر صورت می‌گیرد
این روش که قبلا روش تنش بهره‌برداری[۵] یا روش تنش بار سرویس[٦] نامیده می‌شد، اولین روشی است که به‌صورت مدون برای طراحی سازه‌های بتن آرمه به‌کار گرفته شد. در این روش یک عضو سازه‌ای به‌نحوی طراحی می‌شود که تنش‌های ناشی از اثر بارهای بهره‌برداری (یا سرویس)، که به کمک تئوری‌های خطی مکانیک جامدات محاسبه می‌شوند، از مقادیر مجاز تنش‌ها تجاوز نکنند. منظور از بارهای بهره‌برداری یا سرویس بارهایی نظیر: بار زنده[٧]، بار مرده[٨]، بار برف[۹] و بار زلزله[۱٠] هستند. این بارها توسط آیین نامه‌های بارگذاری، مانند آیین نامه ۵۱۹ موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران تعیین می‌شوند. در این روش منظور از تنش مجاز تنشی است که از تقسیم تنش حدی ماده، نظیر مقاومت فشاری برای بتن و مقاومت تسلیم برای فولاد، بر ضریب بزرگتر از واحد، به‌نام ضریب اطمینان[۱۱] به‌دست می‌آید. تنش‌های مجاز مصالح توسط آیین نامه‌های محاسباتی تعیین می‌شوند. به‌عنوان مثال مطابق آیین‌نامه ACI مقدار تنش فشاری مجاز بتن f'c = ۰٫۴۵ می‌باشد.
بدین ترتیب مراحل این روش به‌طور خلاصه به ترتیب زیر هستند:
- ۱- تعیین بارهای وارد بر سازه
۲- آنالیز سازه و تعیین تنش‌ها در مقاطع مختلف به کمک تئوری‌های کلاسیک اجسام الاستیک
۳- تعیین تنش‌های مجاز با استفاده از یک آیین‌نامه محاسباتی
۴- طراحی نهایی مقطع با این محدودیت که در هیچ نقطه‌ای از سازه تنش‌های ایجاد شده از تنش‌های مجاز تجاوز نکنند.
این روش به‌دلیل سادگی و سهولت کاربرد تا چندی قبل به‌عنوان قابل استفاده‌ترین روش طراحی سازه‌های بتن آرمه مطرح بود. لیکن نقاط ضعف این روش استفاده از آن را محدود کرده است. مهمترین این نقاط ضعف عبارتند از:
- الف: در این روش ایمنی به کمک تنها یک ضریب (ضریب اطمینان) و در یک مرحله منظور می‌شود، از آنجا که عواملی که لزوم تامین یک حاشیه ایمنی را ایجاب می‌کنند دارای ریشه‌ها و شدت‌های متفاوت هستند، در نظر گرفتن آنها تنها با کمک یک ضریب غیر منطقی است.
ب: بتن ماده‌ای است که تنها تا تنش‌های معادل نصف مقاومت فشاری[۱٢] آن به‌صورت الاستیک و خطی عمل می‌کند. بنابراین با به‌کار بردن درصدی از مقاومت فشاری بتن در محاسبات نمی‌توان اطلاعی از ضریب اطمینان کلی سازه در مقابل فروریختگی به‌دست آورد.
ج: به کار بردن این روش در طراحی بعضی مقاطع با اشکالات تئوریک مواجه است. به‌عنوان مثال در مقاطع خمشی تنش واقعی فولاد غالباً کمتر از مقداری است که با این روش محاسبه می‌شود.
تا سال ۱۹۵۶ میلادی روش تنش‌های مجاز مبنای محاسبات در آیین‌نامه ACI بود. این روش از سال ۱۹۷۷ تنها در قسمت ضمایم آیین‌نامه و تحت عنوان روش دیگر طراحی جا داده شد.
[↑] روش مقاومت نهایی
روش مقاومت نهایی که در آیین‌نامه ACI به‌نام روش طراحی بر مبنای مقاومت موسوم است، حاصل مطالعات گسترده روی رفتار غیر خطی بتن و تحلیل دقیق مسئله ایمنی در سازه‌های بتن آرمه می‌باشد. روند طراحی در این روش را می‌توان به‌صورت زیر خلاصه نمود:
- ۱- بار بهره‌برداری به‌وسیله ضریبی موسوم به ضریب بار[۱٣] افزایش داده می‌شود، بار حاصله را اصطلاحاً بار ضریبدار[۱۴] یا بار نهایی[۱۵] می‌نامند.
۲- بارهای ضریبدار بر سازه اعمال می‌شوند و به کمک روش‌های خطی آنالیز سازه‌ها، نیروی داخلی مقاطع محاسبه می‌شود. به این نیروی داخلی اصطلاحاً مقاومت لازم[۱٦] گفته می‌شود. مقاومت لازم در یک مقطع شامل: مقاومت خمشی لازم[۱٧]، مقاومت برشی لازم[۱٨]، مقاومت پیچشی لازم[۱۹] و مقاومت بار محوری لازم[٢٠] است.
۳- بـرای هـر مـقـطـع، مـقـاومـت طـراحـی[٢۱] آن از حـاصـل‌ضـرب مـقـاومـت اسـمی[٢٢] در ضریبی کوچکتر از واحد به‌نام ضریب کاهش مقاومت[٢٣] به‌دست می‌آید. مقاومت اسمی، حداکثر مقاومتی است که مقطع قبل از گسیختگی از خود نشان می‌دهد. مقاومت اسمی یک مقطع مشتمل است از: مقاومت خمشی اسمی[٢۴]، مقاومت برشی اسمی[٢۵]، مقاومت پیچشی اسمی[٢٦] و مقاومت بار محوری اسمی[٢٧].
۴- طراحی مقطع به‌نحوی که در آن مقاومت لازم از مقاومت طراحی کمتر باشد.
روش طراحی بر مبنای مقاومت، امروزه اساس کار طراحی سازه‌های بتن آرمه می‌باشد
[↑] روش طراحی بر مبنای حالات حدی
به‌منظور تکامل روش مقاومت نهایی، به‌ویژه از نظر نحوه منظور نمودن ایمنی، روش طراحی بر مبتای حالات حدی ابداع گردید. این روش هم اکنون مبنای طراحی در تعدادی از آیین‌نامه‌های اروپایی است، با این حال، این روش هنوز نتوانسته است جای روش مقاومت نهایی را در آیین‌نامه ACI بگیرد. این روش از نظر اصول محاسبات مربوط به مقاومت، مشابه روش طراحی بر مبنای مقاومت است و تفاوت عمده آن با روش قبل، در نحوه ارزیابی منطقی‌تر ظرفیت باربری و احتمال ایمنی اعضا می‌باشد. در این روش نیازهای طراحی با مشخص کردن حالات حدی تعیین می‌شوند. منظور از حالات حدی شرایطی است که در آنها سازه مورد نظر خواسته‌های طرح را تامین نمی‌کند. طراحی سازه با توجه به سه حالت حدی زیر صورت می‌گیرد
- ۱- حالت حدی نهایی، که مربوط به ظرفیت باربری می‌شود.
۲- حالت حدی تغییر شکل[٢٨] (مانند تغییر مکان و ارتعاش اعضا)
[↑] يادداشت‌ها
يادداشت ۱: اين مقاله برای دانشنامهی آريانا توسط مهدیزاده کابلی ارسال شده و پی‌نوشت‌ها توسط دانشنامه انجام شده است.
[↑] پی‌نوشت‌ها
[↑] جُستارهای وابسته
□
□
□
[↑] سرچشمه‌ها
□ رضا همتی، سازه بتنی، وبلاگ ایران بتن
