مقالات


ارزیابی اقتصادی ناشی از کاهش وزن و احجام سازه ها با استفاده از بتن سبک در ساختمان

بتن سبک به دلیل چگالی کمتر نسبت به بتن معمولی،باعث کاهش بار مرده ساختمان،کوچک تر شدن ابعاد سازه و فونداسیون و هم چنین  کاهش اتلاف حرارتی ساختمان می شود. استفاده از این مصالح در کشور ما که در منطقه زلزله خیز قرار گرفته و سرانه مصرف انرژی آن بیش از متوسط جهانی است،مزیتی مهم به شمار می آید.
آزمایش ها روی 20 طرح اختلاط بتن سبک سازه ای و 10 طرح اختلاط بتن سبک غیر سازه ای انجام شده است.نمونه یک تیر و ستون بتن مسطح با دو طرح اختلاط برگزیده بتن سبک سازه ای (با در نظر گرفتن بتن سبک غیر سازه ای به عنوان دیوارهای جدا کننده )طراحی شده و نتایج آن با طراحی و به کار گیری بتن معمولی مقایسه شده است .نتایج نشان داد در صورت استفاده از بتن سبک علاوه بر نیروی  زلزله کمتر،کاهش چشم گیری در میزان فولاد مقاطع بتن آرمه پدید خواهد آمد که شرایط اقتصادی اجرای این سازه را بهبود می بخشد.


مقدمه

نیاز گسترده و روزافزون جامعه به ساختمان و مسکن ، باعث نیل به سمت افزایش سرعت ساخت،سبک سازی،افزایش عمر مفید و نیز مقاوم کردن ساختمان در برابر زلزله شده است.برای تأمین نیازهای فوق استفاده از بتن سبک می تواند گزینه موثری باشد.برابر تعریف ارائه شده در استاندارد ASTM C330+82a باشد.

بتن سبک به بتنی گفته می شود که مقاومت 28 روزه نمونه استوانه ای آن بیش از 17 مگا پاسکال باشدو هم چنین وزن مخصوص آن از 1840 کیلوگرم بر متر مکعب تجاوز نکند. چگالی بتن معمولی ساخته شده توسط سنگدانه های طبیعی سخت در عمل در حدود 2200 تا 2600 کیلوگرم بر متر مکعب است که در صورت استفاده از بتن سبک (به دلیل چگالی کمتر)بار مرده کمتری بر سازه اعمال می شود.

کم بودن چگالی بتن سبک  نسبت به بتن معمولی،باعث کاهش وزن سازه می شود که این مزیت به نوبه خود باعث کاهش حجم فونداسیون ،کاهش میزان آرماتور تا 14 درصد ، کاهش فشار وارد بر قالب ها،افزایش سرعت ساخت،صرفه جویی در هزینه حمل،امکان استفاده از قطعات پیش ساخته بزرگ تر و افزایش خاصیت عایق حرارتی و صوتی می شود.لازم به ذکر است بتن سبک مقاومت بیشتری در برابر آتش از خود نشان می دهد.

در این تحقیق برای مقایسه بتن سبک و بتن معمولی ، مقاومت فشاری 28 روزه یک متر مکعب بتن سبک و معمولی و هم چنین میزان آرماتور به کار رفته در تیر و ستون بررسی شده اند.

از آنجایی که کاهش وزن بتن به طور عمده به دلیل وجود منافذ دانه های مصالح سنگی به وجود می آید،هر قدر اندازه دانه ها کوچک تر شود،بر چگالی آن افزوده خواهد شد.بنابراین ،تهیه یک دانه بندی وزنی همان گونه که در مصالح سنگی معمولی وجود دارد،در این جا درست نخواهد بود.به عبارت دیگر ،وزن مصالح ،حجم ان را توجیه نمی کند.

بنابراین ،برای اختلاط مصالح از روش حجم مطلق استفاده شد. در ضمن ،برای ساخت بتن سبک سازه ای از حدود دانه بندی استاندارد ASTM C330 با ماکزیمم سایز سنگدانه  19میلی متر استفاده شده است.

در این تحقیق 20طرح اختلاط بتن سبک سازه ای با استفاده از مواد جایگزین سیمان (میکروسیلیس و ژئولیت) با درصدهای جایگزینی متفاوت و هم چنین میزان ریزدانه ماسه متفاوت ساخته شد و از هر طرح 6 آزمونه مکعبی 10×10×10 برای آزمایش های مقاومت فشاری و چگالی خشک مورد بررسی قرار گرفتند.مقاومت های فشاری نمونه های مکعبی ناشی از آزمایش ها،برابرضوابط مبحث نهم مقررات ملی ساختمان به مقاومت فشاری استوانه ای استاندارد تبدیل شده اند.

هم چنین ،10 طرح بتن سبک غیرسازه ای نیز با درصدهای مختلف میکروسیلیس و الیاف پلی پروپیلن مورد بررسی قرار گرفتند.از هر طرح ،3 آزمونه 10×10×10 سانتی متر برای آزمایش های مقاومت فشاری و چگالی خشک بررسی شدند. در جدول 3 طرح های اختلاط بتن های سبک سازه ای برای ساخت یک متر مکعب بتن و در جدول 4 طرح های اختلاط بتن های سبک غیر سازه ای برای ساخت یک متر مکعب بتن آورده شده اند.

مقاومت های فشاری نمونه های مکعبی در سن 28 روزه اندازه گیری شدند.نمونه ها 7 روز در محلول آب آهک و پس از آن در محیط آزمایشگاه عمل آوری شدند.چگالی خشک نمونه ها نیز پس از خشک شدن در آون به دست آمد.

الف.نتایج آزمایش ها و محاسبه ها

در جدول 5 نتایج حاصل از مقاومت 28 روزه استوانه ای و چگالی خشک برای بتن سبک سازه ای ارائه شده است.
در جدول 6 نتایج حاصل از مقاومت 28 روزه نمونه های مکعبی 10 سانتی متری برای بتن سبک غیر سازه ای و چگالی خشک هر متر مکعب از بتن ها به چشم می خورد.

بررسی میزان صرفه جویی
برای بررسی میزان صرفه جویی در میزان فولاد مصرفی به علت استفاده از بتن های سبک سازه ای و غیرسازه ای ،ساخت قابی با مشخصات مندرج در شکل 1 بررسی شده است.

 
 














در این قاب،تیرها مقطع یکسان 60×30 ، ستون ها مقطع 30×30 و دال، ضخامتی برابر 20 سانتی متر دارند. به منظور بررسی اقتصادی تنها به طراحی ستون میانی دهانه میانی و تیرهای متصل به آن بسنده می شود. هم چنین فرض می شود،دیوارهای جدا کننده روی تیرها به صورت ممتد به ارتفاع 3 متر قرار دارند.

الف.بارگذاری قاب بتن آرمه
این قاب تحت اثر بارهای مرده کف سازی ، وزن اعضا (تیر، ستون و دال بتنی) و دیوارهای جدا کننده مستقر روی تیرها است.هم چنین ،بار زنده ای برابر با 5 کیلونیوتن بر متر مربع نیز به قاب وارد می شود با بتن معمولی و بتن سبک، در وزن سازه نهفته است.به همین دلیل یک مرتبه قاب با استفاده از بتن معمولی در ساخت تیرها، ستون ها و دال، به همراه دیوارهای جدا کننده آجری طراحی شده و بار دیگر قاب با فرض استفاده از بتن سبک در المان های سازه ای (تیر،ستون ودال) به همراه دیوارهای جدا کننده ساخته شده با بتن سبک غیرسازه ای طراحی می شود.برای طراحی در حالت اول،بتن معمولی با مقاومت فشاری (fc) 30 مگاپاسکال و چگالی 2500 کیلوگرم بر مترمکعب در نظر گرفته می شود.در حالت دوم ،بتن سبک سازه ای با طرح اختلاط شماره 10 در جدول 3 و بتن سبک غیرسازه ای شماره 7 مذکوردر جدول 4 (به منظور استفاده در دیوارهای جداکننده ) مورد استفاده قرار خواهد گرفت.جزئیات بارهای مرده مربوط به کف سازی در دو حالت فوق در جدول 7 اورده شده است.

جزئیات بارهای مرده مربوط به وزن تیر،ستون و دیوارهای جدا کننده در دو حالت مذکور در جدول 8 آورده شده است.

بنابر ترکیبات بارگذاری موردنظر،بار گسترده وارد بر تیر و نیروی محوری حداکثر ستون در جدول 9 امده است.

ب.طراحی تیر قاب بتن آرمه

بنابر بارهای مذکور در جدول 9،تیرهای طراحی شده و مقدار فولاد مورد نیاز و میلگرد مناسب تیر در جدول 10 آورده شده اند.لازم به ذکر است در تیرها به فولاد فشاری نیازی نیست.

ج.طراحی ستون قاب بتن آرمه

با توجه به مقادیر حداکثر نیروی محوری ستون میانی قاب مطرح شده،مقدار فولاد مورد نیاز و میلگرد های مناسب برای عملکرد مناسب ستون در جدول 11 آمده است.لازم به ذکر است،از سیستم فولاد عرضی گسسته در طراحی ستون استفاده شده است.
در ستون مطرح شده میزان بار به حدی است که به فولاد فشاری در مقطع ستون برای تحمل نیروی محوری احتیاجی نیست و ( استفاده از حداقل فولاد 1 درصد الزامی است) در نتیجه هر دو ستون مقدار مشابهی فولاد نیاز دارند،اما به علت مقدار نیروی محوری کمتر در ستون میانی قاب ساخته شده توسط بتن سبک،حاشیه اطمینان بیشتری وجود خواهد داشت.


جدول 3.طرح های اختلاط بتن سبک سازه ای

شماره طرح اختلاط

سیمان

(kg)

میکروسیلیس

(kg)

ژئولیت

(kg)

آب

(kg)

پودر سنگ آهک

(lit)

ماسه

(kg)

لیکا ریز

(kg)

لیکا درشت

(kg)

فوق روان کننده

(g)

1

427.5

0

22.5

206.93

36.18

800.8

202.15

241.57

2.57

2

416.25

0

33.75

202.80

36.05

797.37

201.80

240.72

2.50

3

405

0

45

198.66

35.92

794.56

201.09

239.87

2.43

4

450

0

0

215.86

36.43

553.98

203.93

364.89

2.70

5

427.5

22.5

0

207.72

36.26

551.45

203.00

363.22

2.57

6

416.25

33.75

0

203.65

36.18

550.18

202.53

362.19

2.50

7

405

45

0

199.57

36.10

548.91

202.07

361.55

2.43

8

393.75

56.25

0

195.5

36.01

547.65

201.60

36.72

2.36

9

382.5

22.5

45

190.52

35.76

790.88

200.16

238.76

2.30

10

371.25

33.75

45

186.45

35.67

789.04

199.69

238.2

2.23

11

360

45

45

182.38

35.59

787.20

199.23

237.65

2.16

12

348.75

56.25

45

178.31

35.51

785.25

198.76

237.09

2.09

13

337.5

67.5

45

174.24

35.42

783.51

198.29

236.53

2.03

14

405

22.5

22.5

198.80

36.01

796.49

201.58

240.45

2.43

15

393.75

33.75

22.5

194.73

35.93

794.65

201.11

239.90

2.36

16

382.5

45

22.5

19.066

35.84

792.81

200.65

239.34

2.30

17

371.25

56.25

22.5

186.59

35.76

790.97

200.18

238.79

2.23

18

360

67.5

22.5

182.52

35.68

789.12

199.71

238.23

2.16

19

382.5

0

67.5

190.38

35.67

788.95

199.67

238.18

2.30

20

393.75

0

56.25

194.52

35.80

791.76

200.38

293.02

2.36

 
 
 
جدول 4.طرح های اختلاط بتن سبک غیرسازه ای

شماره طرح اختلاط

سیمان

(kg)

میکروسیلیس

(kg)

آهک

(kg)

آب

(kg)

ماده خام

(lit)

EPS ریز
(lit)

EPS

EPSدرشت

(lit)

پلی پروپیلن

(kg)

هوازا

(g)

فوق روان کننده

(g)

1

414.8

0

7.5

120

71.42

428.6

642.85

2.62

918.6

265.14

2

373.3

29

7.5

120

71.42

428.6

642.85

2.62

918.6

265.14

3

352.5

58

7.5

120

71.42

428.6

642.85

2.62

918.6

265.14

4

269.6

101.4

7.5

120

71.42

428.6

642.85

2.62

918.6

265.14

5

257.1

110.1

7.5

120

71.42

428.6

642.85

2.62

918.6

265.14

6

248.8

115.9

7.5

120

71.42

428.6

642.85

2.62

918.6

265.14

7

224.0

133.3

7.5

120

71.42

428.6

642.85

2.62

918.6

265.14

8

219.8

136.2

7.5

120

71.42

428.6

642.85

2.62

918.6

265.14

9

190.8

156.4

7.5

120

71.42

428.6

642.85

2.62

918.6

265.14

10

182.5

162.2

7.5

120

71.42

428.6

642.85

2.62

918.6

265.14

 

جدول 5.نتایج مقاومت های فشاری و چگالی بتن های سبک سازه ای

طرح اختلاط

مقاومت فشاری(MPa)

چگالی(kg/m3)

1

32

1643

2

35.5

1598

3

36.2

1575

4

25.

1576

5

27.25

1557

6

29.2

1532

7

28

1519

8

28.5

1486

9

27

1645

10

30

1753

11

31

1630

12

31.5

1768

13

32.7

1792

14

34

1721

15

35.6

1789

16

35.8

1793

17

35

1795

18

36.7

1784

19

26.5

1580

20

28.3

1612

 


جدول 6.نتایج مقاومت های فشاری،چگالی و قیمت تمام شده بتن های سبک غیر سازه ای

طرح اختلاط

مقاومت فشاری(MPa)

چگالی(kg/m3)

1

2.65

525.15

2

2.3

468.2

3

2.42

443.30

4

3.3

541.85

5

2.58

476.42

6

2.4

483.92

7

3.0

476.43

8

2.5

476.61

9

3.1

480.76

10

2.6

519.86

 
 
 

جدول 7.جزئیات بارهای مرده کف سازی وارده بر قاب

بار وارده (KN/m2)

چگالی(kg/m3)

ضخامت(cm)

اجزا

0.66

2200

3

موزائیک

0.52

2100

2.5

ملات ماسه سیمان

5

2500

20

دال بتن معمولی

3.5

1753

20

دال بتن سبک سازه ای

1.3

-

-

سقف کاذب

 
 
 
جدول 8.جزئیات بارهای مرده وزن تیر،ستون و دیوارهای جدا کننده وارده بر قاب

بار وارده (KN/m)

چگالی(kg/m3)

سطح مقطع(cm2)

اجزا

4.5

2500

1800

تیر بتن معمولی

3.15

1753

1800

تیر بتن

2.25

2500

900

ستون بتن معمولی

1.58

1753

900

ستون بتن سبک

6

2000

3000

دیوار جدا کننده آجری

1.43

476.43

3000

دیوار جدا کننده بتن

سبک غیر سازه ای

 

جدول 9.بار گسترده وارد بر تیر و نیروی محوری حداکثر ستون

بار وارده (KN/m):114.225

تیر بتن معمولی

بار وارده (KN/m):95.575

تیر بتن سبک

نیروی محوری حداکثر (KN):775.35

ستون بتن معمولی

نیروی محوری حداکثر (KN):614.12

ستون بتن سبک

 
 
جدول 10.نتایج طراحی تیر

میلگردهای مناسب

مقدار فولاد مورد نیاز(cm2)

اجزاء

3 عدد میلگرد 40(40ɸ3)

35.97

تیر بتن معمولی

3 عدد میلگرد 36(36ɸ3)

28.23

تیر بتن سبک

 
 
 

جدول 11.نتایج طراحی ستون

میلگردهای مناسب

مقدار فولاد مورد نیاز(cm2)

اجزاء

8 عدد میلگرد 12(12ɸ8)

900

ستون بتن معمولی

8 عدد میلگرد 12(12ɸ8)

900

ستون بتن سبک

 


نتیجه گیری

براساس نتایج حاصل به دست آمده،در تیرهای ساخته شده با بتن سبک نسبت به بتن معمولی ،مقدار فولاد حدود 21 درصد کاهش داشته ،اما در ستون ها به دلیل الزامات شکل پذیری سازه مقدار فولاد برابر خواهد بود.از طرفی،به دلیل وزن مخصوص کمتر بتن سبک نسبت به بتن معمولی،هزینه حمل و جرثقیل کمتربوده و سرعت اجرای آن بیشتر است .در ضمن ،به دلیل وزن کمتر سازه ساخته شده با بتن سبک،ابعاد فونداسیون کوچک تر و هزینه ساخت آن کمتر است.هم چنین،به دلیل عایق حرارت بودن بتن سبک ،میزان قابل توجهی صرفه جویی در مصرف انرژی صورت خواهد گرفت.نتایج مذکور می تواند گران تر بودن بتن سبک نسبت به بتن معمولی را جبران کرده و استفاده از بتن سبک را در ساختمان اقتصادی کند.

از لحاظ ایمنی نیز می توان به کم شدن نیروی ناشی از زلزله بر سازه ساخته شده با بتن سبک اشاره کرد ،اما باید تحقیقات بیشتری روی کرنش نهایی گسیختگی،مدول الاستیسیته و سایر پارامترهای موثر بر ایمنی سازه صورت گیرد.


برگرفته از ماهنامه تخصصی صنعت ساختمان سبب