اگر بخواهیم مهندسی عمران را به یک اتاق در بسته تشبیه کنیم، دروس سازههای بتن آرمه 1 و 2 به همراه سازههای فولادی 1 و 2 مطمئناً شاه کلیدهای ورود به این اتاق در بسته هستند. شما با یادگیری این دروس پایه‌های خود را برای طراحی اکثر سازه‌ها آماده می‌کنید. در این مقاله ما سعی می‌کنیم هر آنچه که باید در مورد درس سازههای بتن آرمه 1 بدانید، برای شما تشریح کنیم.
منابع یادگیری سازه های بتن آرمه 1
آموزش این درس آن‌قدر پیچیده است و نیازمند حل سؤالات تمرینی فراوان است که تعداد کمی از اساتید دانشگاه اقدام به تدریس این واحد درسی از روی کتاب‌های مرجع می‌کنند. عموماً هر کدام از اساتید دانشگاه، تدریس خود را در قالب جزوات و تمریناتی که برای دانشجویان آماده کرده‌اند، انجام می‌دهند. با این اوصاف در هر واحد درسی ما ملزم به مطالعه منابع معتبر آموزشی در آن حوزه هستیم؛ اگر بخواهیم منابع یادگیری برای بتن آرمه 1 را معرفی کنیم، می‌توانیم به کتب زیر اشاره کنیم:
- طراحی سازه های بتن آرمه نوشته دیوید فانلا
- آیین نامه بتن ایران (آیا)
- مبحث نهم مقررات ملی ساختمان
- طراحی سازههای بتن آرمه از دانشگاه تهران
- طراحی ساختمان‌های بتن مسلح بر اساس مبحث نهم از دانشگاه امیرکبیر
همچنین با نیاز روز افزون به کسب دانش در دنیای دیجیتال و آموزش‌های آنلاین، به جرائت می‌توان گفت که مهمترین منبع یادگیری سازههای بتن آرمه توسط مجموعه فرادرس به صورت ویدیویی تهیه شده است که با ورود به لینک زیر می‌توانید آن را مشاهده و دریافت کنید:
سرفصل های آموزشی درس بتن آرمه 1
بتن آرمه 1 در مقطع کارشناسی مهندسی عمران تدریس می‌شود و شامل سه واحد نظری و اجباری است. پیش نیازهای این واحد درسی، گذراندن دروس «تکنولوژی بتن آرمه» و «تحلیل سازه‌ها (1)» می‌باشد. پس از گذراندن دروس یاد شده، دانشجویان آماده یادگیری سرفصل‌های آموزشی سازههای بتن آرمه 1 می‌شوند. این فصول به شرح زیر می باشند:
- آشنایی با بتن مسلح و کاربردها و اجزای آن
- آشنایی با انواع بتن آرمه
- معرفی انواع روش‌های طراحی سازههای بتن آرمه
- طراحی سازههای بتن آرمه برای مقابله با خمش و برش
- طراحی اجزای مختلف بتن آرمه برای مقابله با نیروهای پیچشی و مدور
- طراحی ستون‌های بتن آرمه برای تحمل وارهای واره به سازه و انتقال نیروها به فونداسیون
تشریح فصول آموزش بتن آرمه 1
1. آشنایی با بتن آرمه (بتن مسلح) و کاربردهای آن
با وجود آنکه در درس تکنولوژی بتن و آزمایشگاه، نحوه ایجاد بتن به صورت کامل تشریح می‌گردد، در این فصل از درس بتن آرمه 1 نیز به معرفی بتن پرداخته می‌شود. سپس به اجزای مختلف ساخت بتن و انواع طرح اختلاط آن پرداخته می‌شود.
طرح اختلاط بتن
همان‌طور که می دانید بتن از ترکیب سه ماده زیر تشکیل می‌شود:
- سیمان
- شن و ماسه
- آب
با ترکیب موارد بالا با نسبت‌های مشخص و ترکیب یکنواخت سیمان و سنگ بتن ساخته می‌شود. پس از ساخته شدن بتن، نوبت به دوره نگهداری و مراقبت از آن می‌رسد. با توجه به نوع استفاده از بتن و محلی که در آن از بتن استفاده می‌شود، دوره نگهداری و روش آن متفاوت می‌باشد. این دوره از 5 روز تا چند ماه می‌تواند متغیر باشد.
2. آشنایی با انواع بتن آرمه
در این فصل ابتدا انواع بتن آرمه با ذکر کاربردها و نحوه ایجاد و فرآوری مورد بررسی قرار می‌گیرند. بتن‌ها انواع متفاوتی دارند که با توجه به نحوه استفاده از آن ها و کاربردی که دارند، به طرق مختلفی فرآوری شده و مورد استفاده قرار می گیرند. در زیر نمونه هایی از انواع بتن را برای شما نام برده شده اند:
- بتن مسلح (بتن آرمه)
- بتن پیش ساخته
- بتن پیش تنیده
- بتن سبک
- بتن سنگین
- بتن هوادار
- بتن آماده
- بتن پلیمری
- بتن نفوذپذیر
- بتن فشاری
- بتن زودگیر
- بتن دیرگیر
- بتن شیشه‌ای
- بتن آهکی
- و…
پرکاربردترین و مهمترین بتنی که در ساخت و سازهای عمرانی استفاده می‌شود، بتن آرمه می‌باشد که درون آن از فلز استفاده شده است. همان‌طور که می دانید، بتن در تحمل نیروهای فشاری به خوبی عکس‌العمل مناسبی ایجاد می‌کند ولی در مقابل نیروهای کششی و خمشی می‌تواند عکس‌العمل خوبی به اندازه فولاد نداشته باشد. به همین منظور در داخل بتن میلگردهایی قرار داده می‌شود تا به این شکل تحمل نیروهای خمشی و کششی کنترل گردد. به بتنی که داخل آن میلگرد قرار داده شده است، بتن مسلح یا بتن آرمه می‌گویند. در زیر میزان مقاومت بتن معمولی (محصور نشده) و بتن مسلح (محصور شده با فولاد) را مشاهده می‌کنید.
پس از معرفی موارد فوق مقاومت فشاری انواع بتن ها برای دانشجویان تشریح می گردد و نحوه محاسبه میزان فشار قابل تحمل برای نیروهای مختلف توسط بتن آورده می شود. در ادامه همین موضوع، انواع بتن بر اساس مقاومت های فشاری متفاوت نامگذاری می گردند که به آن عیار بتن نیز گفته می‌شود؛ به طور مثال بتن C200 یا بتن C150.
3. معرفی انواع روش‌های طراحی سازههای بتن آرمه
در این فصل تشریح می‌گردد که اجزای بتن آرمه یک سازه به چه شکل طراحی می‌شوند. برای این منظور ابتدا نقشه‌های معماری از مهندس معمار تهیه می‌شود و پس از مشخص شدن نوع سازه آن (فولادی، بتنی یا مختلط)، نیروهای قابل اعمال بر روی سازههای اصلی که وظیفه تحمل بار را دارند، تعیین می‌شود. متناسب با نوع بارهای وارده، ابتدا برای هر کدام از اجزای سازهای، ابعادی را در نظر می‌گیریم. سپس محاسبات مربوط به تحمل بارهای مختلف را برای آن ابعاد انجام می‌دهیم تا مشخص شود که این بارها توجه آن اجزاء تحمل می شوند یا خیر. بر همین اساس نوع اجزای مختلف تعیین می‌شوند. پس از این مرحله نوبت به تعیین اتصالات میران تیر و ستون و ستون به فونداسیون می‌رسد و در نهایت جزئیات سازهای و نقشه‌های اجزای سازهای ترسیم و طراحی می‌گردند. در زیر این مراحل به ترتیب داخل فلوچارت قرار داده شده‌اند.
پس از معرفی سیر طراحی اجزای سازهای، نوبت به معرفی آیین نامه‌های مختلف بتن می‌رسد. این آیین نامه‌ها مشخص می‌کنند که نحوه محاسبات ما و قواعد و قوانین که باید رعایت کنیم، به چه شکلی هستند. در داخل کشور ما دو آیین نامه معتبر داریم که مهندسین عمران از قواعد موجود در آن‌ها برای محاسبات خود استفاده می‌کنند:
- آیین نامه بتن ایران (آبا): این آیین نامه توسط سازمان مدیریت و برنامه ریزی آشور معرفی شده است.
- مشخصات فنی عمومی کارگاه‌های ساختمانی: این آیین نامه توسط سازمان برنامه و بودجه معرفی شده است.
همچنین در همین زمینه آیین نامه‌های بین‌المللی فراوانی وجود دارند که دو مورد از معتبرترین و رایج‌ترین های آن‌ها برای استفاده به شرح زیر است:
- آیین نامه بتن آمریکا ACI
- آیین نامه بتن انگلیس British Standard
در نظر داشته باشید که برای تحلیل، طراحی و کنترل اجزای سازهای ما باید دروس مختلفی چون مقاومت مصالح، بارگذاری، تحلیل سازه ها و… را مطالعه کرده باشیم و مهارت‌های کافی را بدست آورده باشیم. در صورتی که مایل به یادگیری در زمینه های مختلف رشته مهندسی عمران هستید، پیشنهاد می‌کنیم روی لینک زیر کلیک کنید و مهارت‌های لازم را کسب کنید:
پس از شرح موارد فوق از فصل سوم آموزش بتن آرمه 1، نوبت به معرفی سیستم‌های مختلف طراحی بتن آرمه می‌رسد. مهمترین این سیستم‌ها که آیین نامه‌های ایرانی و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان بر اساس آن نوشته شده است، به شرح زیر می‌باشد:
1. روش تنش مجاز (WSD)
سیستم طراحی تنش مجاز را می توان یکی از قدیمی ترین و موفق ترین سیستم های محاسبات سازه ای دانست که از سال 1960 در آمریکا مورد استفاده قرار گرفته است. جهت انجام محاسبات و طراحی سازه ها بر اساس تنش مجاز، ما باید اصول زیر را در نظر داشته باشیم:
- همواره تنش مجاز باید عددی بزرگتر از تنش موجود در سازه باشد.
- تنش موجود، بارهای اعمال شده بر روی اجزای سازه هستند و ترکیب آن ها باید همراه با ضریب 0.45 باشد.
- پس از مشخص شدن تنش مجاز، باید در ضریب اطمینان کاهنده 0.5 (FS) ضزرب گردد.
تنش مجاز در ادوار گذشته بسیار کارآمد بوده است ولی با گذر زمان و به وجود آمدن روش‌های دیگری مانند «روش حدی نهایی» میزان استفاده از این روش کاهش پیدا کرده است. در زیر دلایل ناکارآمد بودن این روش را مشاهده می‌کنید:
- عدم ثبات در بارهای مرده و زنده وارد شده بر سازه
- در نظر نگرفتن اثرات خزش و جمع شدگی اجزای سازهای
- وابسته بودن ضریب اطمینان (FS) به شکل اجزای سازه
2. روش حدی نهایی (LRFD)
این روش را می‌توان روش توسعه یافته تنش مجاز دانست. محاسباتی که از طریق روش حدی نهایی انجامیم شود، در تمام آیین نامه‌های موجود در ایران و سایر کشورها کاملاً مجاز بوده و استفاده‌های بی‌شماری دارند. در این روش تنش مقاوم باید بیشتر از میزان تنش وارده بر سازه باشد. در همین راستا، ما پس از تعیین میزان تنش‌های موجود، باید مقاومت طراحی را برای اجزای بتن آرمه خود مشخص کنیم. فرمول آن را در زیر می‌توانید مشاهده کنید:
مقاومت اسمی مصالح x ضریب کاهنده مقاومت = مقاومت طراحی
همان‌طور که در فرمول بالا می‌بینید، ما از طریق کاهنده به عنوان حاشیه امنیت خود در برابر تنش‌های غیر مترقبه بر سازه استفاده می‌کنیم. مهمترین دلایل استفاده از این ضریب را می‌توان به شرح زیر معرفی کرد:
- تغییر در مقاومت اجزای سازه و تغییر طول ها بر اثر عوامل خستگی سازه
- دقیق نبودن اعداد قابل استفاده در طراحی
- دقیق نبودن میزان شکل پذیری سازه
4. طراحی سازههای بتن آرمه برای مقابه با خمش و برش
در این فصل به صورت اصولی وارد طراحی سازههای بتن آرمه می‌شویم و مشخص می‌کنیم که سازه ما تاب مقاومت در برابر نیروهای وارده مختلف را دارد یا خیر. دو نیروی اساسی و مهمی که بر سازه‌ها وارد می‌شوند، نیروهای برشی و خمشی هستند. در زیر نمونه‌ای از نیروهای وارده خمشی که منجر به شکست اجزای سازهای شده‌اند را مشاهده می‌کنید.
روش انجام محاسبات خمش و برش:
در گام اول، ما باید با استفاده از محاسبه عکس‌العمل‌های تکیه گاهی، با توجه به نیروهای وارده بر سازه، میزان نیرو برشی بر تکیه گاه‌ها را مشخص کنیم. سپس نیروهای لنگری که بر هر کدام از اجزای تکیه گاهی سازه و دو طرف آن، وارد می‌شود، مورد محاسبه قرار می‌گیرد. پس از پایان این محاسبات، ما اجزای سازه را به بخش‌های دو بعدی تقسیم می‌کنیم تا بتوانیم در هر سطح میزان برش و خمش را محاسبه و از طریق آن نمودارهای خمشی و برشی متناظر آن را رسم کنیم.
در گام دوم، نوبت به تعیین میزان مقاومت‌های موجود در اجزای انتخاب شده برای سازه می‌رسد و به این ترتیب، مقاومت‌های خمشی و برشی آن بخش محاسبه می شود.
در گام سوم، نوبت به اعمال ضرایب اطمینان به مقاومت‌های سازه ای می‌رسد و در نهایت می‌بینیم که آیا سازه در هر مدام از بخش‌ها، توانایی مقاومت در برابر نیروهای وارده را دارد یا خیر.
5. طراحی اجزای مختلف بتن آرمه برای مقابله با نیروهای پیچشی
پس از خمش و کرنش نوبت به محاسبه نیروهای وارده بر سازه بر اثر پیچش می‌رسد. در پیچش نیز مانند خمش و کرنش، ما نیروهای وارده پیچشی بر سازه را محاسبه می‌کنیم. سپس میزان پیچش اسمی موجود برای هر کدام از اجزای سازه را تعیین می‌کنیم. در گام آخر با توجه به ضرایب اطمینان، مشخص می‌کنیم که آیا آن سازه در مقابل نیروهای پیچشی مقاومت دارد یا خیر.
6. طراحی ستون‌های بتن آرمه برای تحمل وارهای واره به سازه
ما زمانی به این مرحله می‌رسیم که تمامی اجزای سازهای را در برابر نیروهای وارده کنترل کرده‌ایم و نیروهای وارده بر هر یک از تیکه گاه‌های تیر را مشخص کرده این. تکیه گاه‌های تیر در واقع همان ستون‌ها هستند که با توجه به اتصالات مختلف به هم وصل شده‌اند. در این فصل می‌آموزیم که ستون‌ها نیروهای زیر را تحمل می‌کنند:
- نیروهای فشاری
- نیروهای کششی
- نیروهای پیچشی
حال هر کدام از نیروهای وارده از طریق تیرها را به یکی از نیروهای آورده شده در بالا تبدیل می‌کنیم. به طور مثال نیروهای خمشی وارده بر سازه به نیروی فشار بر ستون تبدیل می‌شود و نیروهای پیچشی به صورت پیچش در ستون ظاهر می‌شوند. بر همین اساس حداکثر ارتفاع ستاون با توجه به مقاطع و نیروهای وارده مشخص می شوند. در گام بعدی این نیروها به فونداسیون یا پی سازه وارد می شوند و نوبت به پی می رسد تا این نیروها را تحمل و بر بستر زمین وارد کند. در تصویر زیر نمونه یک شکست ستون در برابر نیروهای فشاری را مشاهده می‌کنید.
نتیجه گیری
بتن آرمه 1 را می‌توان یکی از مهمترین دروس تدریس شده در دوره کارشناسی مهندسی عمران دانست. با آموزش بتن آرمه 1، شما توانایی یادگیری سایر دروس و شروع انجام پروژه‌های مختلف سازههای بتنی را از طریق محاسبات عددی یا طراحی با نرم افزارهای مختلف مانند ایتبس را خواهید داشت. پس از گذراندن واحد درسی بتن آرمه 1، نوبت به بتن آرمه 2 می‌رسد که در آن دال‌های مختلف، سقف، دیوار برشی و غیره را طراحی خواهید کرد. یکی از منابع معتبری که آموزش جامعی برای بتن آرمه 2 ارائه داده است، فرادرس می‌باشد. برای مشاهده و دریافت آموزش بتن آرمه 2 می‌توانید به لینک زیر مراجعه کنید: