فصل ۱

مقدمه

طرح کلی فصل

• ۱-۱ سازه‌های بتن مسلح
• ۱-۲ مکانیک بتن مسلح
• ۱-۳ اعضای بتن مسلح
• ۱-۴ عوامل مؤثر بر انتخاب بتن مسلح برای یک سازه
• ۱-۵ سیر تحول بتن و بتن مسلح به‌عنوان مصالح سازه‌ای
• سیمان و بتن
• بتن مسلح
• مشخصات فنی طراحی بتن مسلح
• ۱-۶ آیین‌نامه‌های ساختمانی و آیین‌نامه ACI

مراجع فصل ۱

۱-۱ سازه‌های بتن مسلح

بتن و بتن مسلح در همه کشورها به‌عنوان مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در بسیاری از کشورها، از جمله ایالات متحده و کانادا، بتن مسلح یکی از مصالح سازه‌ای غالب در ساخت‌وساز مهندسی‌شده است. رواج جهانی ساخت‌وساز با بتن مسلح ناشی از دسترسی گسترده به میلگردها و اجزای تشکیل‌دهنده بتن (شن یا سنگ شکسته، ماسه، آب و سیمان)، مهارت‌های نسبتاً ساده مورد نیاز برای اجرای بتن، و اقتصادی‌بودن بتن مسلح در مقایسه با سایر روش‌های ساخت است. بتن ساده و بتن مسلح در ساختمان‌های گوناگون (شکل‌های ۱-۱ و ۱-۲)، سازه‌های زیرزمینی، مخازن آب، پی‌ها و برج‌های توربین‌های بادی، سازه‌های اکتشاف و تولید نفت فراساحلی، سدها، پل‌ها (شکل ۱-۳) و حتی کشتی‌ها به کار می‌روند.

این ساختمان ۹۲ طبقه که در سال ۲۰۰۹ تکمیل شد، یکی از نمادهای خط آسمان شیکاگو است. ارتفاع آن $\text{357 m}$( $\text{423 m}$ تا بالای مناره) است. این برج مسکونی/هتل که تماماً از بتن مسلح ساخته شده، توسط Skidmore, Owings & Merrill LLP (SOM) طراحی شده است. ${\text{242,000 m}}^2$ فضای طبقات برج با فولاد زنگ‌نزن و شیشه پوشانده شده و چشم‌اندازهای پانورامایی از شهر و دریاچه میشیگان فراهم می‌کند. در این پروژه از طرح‌های اختلاط بتن با عملکرد بالا که توسط SOM مشخصات آن‌ها تعیین و توسط Prairie Materials Sales طراحی شده بود، استفاده شد. این پروژه شامل بتن خودتراکم با مقاومت‌هایی تا $\text{110 MPa}$ است. برج ترامپ نه‌تنها سازه‌ای فوق‌العاده بلند است، بلکه بسیار باریک نیز هست و نسبت منظری آن از $8$ به $1$ بیشتر است (ارتفاع تقسیم بر بعد پایه سازه‌ای). ساختمان‌های باریک ممکن است تحت بارهای باد در معرض حرکات دینامیکی قرار گیرند. برای تأمین سختی، میرایی و جرم مورد نیاز به‌منظور کمک به حداقل‌کردن حرکات دینامیکی، بتن مسلح با عملکرد بالا به‌عنوان مصالح اصلی سازه‌ای برج انتخاب شد. بارهای جانبی باد توسط یک سیستم هسته و اوتریگر تحمل می‌شوند. سختی پیچشی اضافی و یکپارچگی سازه‌ای نیز به‌وسیله دیوارهای کمربندی پیرامونی در بام و سه تراز مکانیکی فراهم شده است. سیستم معمول کف واحدهای مسکونی شامل دال‌های تخت با ضخامت $\text{229 mm}$ و دهانه‌هایی تا $\text{9.14 m}$ است.

هنگامی که 432 Park (واقع در 432 Park Avenue در میدتاون منهتن) در سال ۲۰۱۷ تکمیل شد، یکی از بلندترین برج‌های مسکونی (با ارتفاع تقریبی $\text{427 m}$) در نیمکره غربی بود. برای ساخت روسازه، بیش از $\text{53,500 m³}$ بتن و $\text{11,300}$ تن متریک فولاد آرماتور استفاده شد. برای افزایش سختی و کاهش ابعاد اعضا، در نزدیکی پایه سازه از بتن با مقاومت بالاتر (تا $\text{96.5 MPa}$) استفاده شد. ستون‌ها و دیوارهای برشی با فولاد آرماتور پرمقاومت (تا رده $\text{690}$) ساخته شدند که به‌وسیله وصله‌های مکانیکی به یکدیگر متصل شدند. اعضای سازه‌ای نمایان با سیمان پرتلند سفید بتن‌ریزی شدند و برای هسته داخلی دیوارهای برشی از مخلوط بتن پایدار استفاده شد که در آن تا $\text{70\%}$ سیمان پرتلند با مواد پوزولانی جایگزین شده بود.

پل جدید I-35W (پل آبشار سنت آنتونی) در مینیاپولیس، مینه‌سوتا، دارای یک دهانه اصلی $\text{154 m}$ بر فراز رودخانه می‌سی‌سی‌پی است. پایه‌های بتنی و روسازه به‌گونه‌ای شکل داده شدند که یادآور پل‌های قوسی و عوارض طبیعی پیرامون باشند. این پل توسط FIGG Bridge Engineers, Inc. طراحی و توسط Flatiron-Manson Joint Venture در کمتر از $\text{14}$ ماه پس از فروریختن فاجعه‌بار پل قبلی در این محل ساخته شد. برای روسازه پل از تیرهای جعبه‌ای پس‌کشیده با ساخت قطعه‌ای و مقاومت مشخصه بتن $\text{44.8 MPa}$ استفاده شد. پایه‌های شیب‌دار به‌صورت درجا بتن‌ریزی شدند و مقاومت مشخصه بتن آن‌ها $\text{27.6 MPa}$ بود. همچنین برای ساخت دو مجسمه ورودی $\text{9.14 m}$ که در دو انتهای پل قرار دارند، از بتن جدید خودتمیزشونده و جاذب آلاینده‌ها استفاده شد. در مجموع، تقریباً $\text{38,200 m³}$ بتن و $\text{6350}$ تن متریک میلگرد و فولاد پس‌کشیدگی در این پروژه به کار رفت.

۱-۲ مکانیک بتن مسلح

بتن در فشار مقاوم است، اما در کشش ضعیف است. در نتیجه، هرگاه بارها، جمع‌شدگی مقید یا تغییرات دما باعث ایجاد تنش‌های کششی بیشتر از مقاومت کششی بتن شوند، ترک ایجاد می‌شود. در تیر بتن ساده نشان‌داده‌شده در شکل ۱-۴ب، لنگرهای حول نقطه $O$ ناشی از بارهای اعمال‌شده، به‌وسیله یک زوج نیروی داخلی کشش–فشار که شامل کشش در بتن است، تحمل می‌شوند. یک تیر بدون آرماتور هنگام تشکیل نخستین ترک کششی، به‌طور ناگهانی و کامل گسیخته می‌شود. در یک تیر بتن مسلح (شکل ۱-۴ج)، میلگردها به‌گونه‌ای در بتن قرار داده می‌شوند که نیروهای کششی لازم برای برقراری تعادل لنگر پس از ترک‌خوردگی بتن، در میلگردها ایجاد شوند.

روش دیگر این است که آرماتور در یک غلاف طولی نزدیک پایین تیر، همان‌گونه که در شکل ۱-۵ نشان داده شده است، قرار گیرد و کشیده یا پیش‌تنیده شود و در برابر بتن تیر واکنش نشان دهد. این کار باعث می‌شود آرماتور تحت کشش و بتن تحت فشار قرار گیرد. این فشار، ترک‌خوردگی تیر را به تأخیر می‌اندازد. چنین عضوی تیر بتن پیش‌تنیده نامیده می‌شود. آرماتور موجود در چنین تیری کابل‌های پیش‌تنیدگی نامیده می‌شود و باید از فولاد پرمقاومت ساخته شود.

ساخت یک عضو بتن مسلح شامل ایجاد قالب یا فرم به شکل عضو مورد نظر است. قالب باید به‌اندازه کافی مقاوم باشد تا وزن و فشار هیدرواستاتیکی بتن تازه، به‌علاوه هرگونه نیروی اعمال‌شده از سوی کارگران، تجهیزات بتن‌ریزی، باد و غیره را تحمل کند. آرماتور درون قالب قرار داده شده و در طول عملیات بتن‌ریزی در جای خود نگه داشته می‌شود. پس از آنکه بتن به مقاومت کافی رسید، قالب‌ها را می‌توان باز کرد.

۱-۳ اعضای بتن مسلح

سازه‌های بتن مسلح از مجموعه‌ای یکپارچه از «اعضا» تشکیل می‌شوند که با یکدیگر برهم‌کنش دارند تا بارهای وارد بر سازه را تحمل کنند. طبقه دوم ساختمان شکل ۱-۶ با سیستم تیرچه–دال بتنی ساخته شده است. در اینجا، مجموعه‌ای از تیرچه‌ها یا ریب‌های موازی، بار دال فوقانی را تحمل می‌کنند. واکنش‌های تکیه‌گاهی تیرچه‌ها، بارهایی را به تیرها وارد می‌کنند و تیرها نیز به نوبه خود به‌وسیله ستون‌ها نگهداری می‌شوند. در چنین کفی، دال فوقانی دو وظیفه دارد: (۱) بار را به‌صورت جانبی به تیرچه‌ها منتقل می‌کند، و (۲) به‌عنوان بال فوقانی تیرچه‌ها عمل می‌کند؛ تیرچه‌ها نیز به‌صورت تیرهای T شکل عمل کرده و بار را به تیرهایی منتقل می‌کنند که عمود بر تیرچه‌ها قرار دارند. طبقه اول ساختمان شکل ۱-۶ دارای طرح دال و تیر است که در آن دال بین تیرها دهانه می‌زند و تیرها نیز به نوبه خود بارها را به ستون‌ها وارد می‌کنند. بار ستون‌ها به پی‌های گسترده منتقل می‌شود که بار را در سطحی از خاک توزیع می‌کنند که برای جلوگیری از بارگذاری بیش از حد خاک کافی باشد. برخی شرایط خاک مستلزم استفاده از پی‌های شمعی یا سایر پی‌های عمیق است. در پیرامون ساختمان، بارهای کف یا مستقیماً بر دیوارها، همان‌گونه که در شکل ۱-۶ نشان داده شده است، یا بر ستون‌های خارجی، همان‌گونه که در شکل ۱-۷ نشان داده شده است، تکیه می‌کنند. دیوارها نیز به نوبه خود توسط دیوار زیرزمین و پی‌های دیواری نگهداری می‌شوند.

فرض می‌شود دال‌های طبقه اول و دوم در شکل ۱-۶ بارها را در جهت شمال–جنوب (مطابق پیکان جهت) به تیرچه‌ها یا تیرها منتقل می‌کنند و این اعضا بارها را در جهت شرق–غرب به سایر تیرها، شاه‌تیرها، ستون‌ها یا دیوارها منتقل می‌کنند. این رفتار، عملکرد یک‌طرفه دال نامیده می‌شود و مشابه کف چوبی یک خانه است که در آن پوشش کف، بارها را به تیرچه‌های کف عمود بر خود منتقل می‌کند و تیرچه‌ها نیز بارها را به تیرهای تکیه‌گاهی و به همین ترتیب منتقل می‌کنند.

قابلیت شکل‌دهی و اجرای دال‌های بتنی، ساخت سیستم دال یا صفحه‌ای نشان‌داده‌شده در شکل ۱-۷ را امکان‌پذیر می‌کند. در اینجا، بارهای وارد بر بام و کف به‌وسیله عملکرد صفحه‌ای در دو جهت به ستون‌ها منتقل می‌شوند. چنین دال‌هایی دال‌های دوطرفه نامیده می‌شوند.

طبقه اول در شکل ۱-۷ یک دال تخت است که در نواحی اطراف ستون‌ها دارای ضخامت بیشتری موسوم به کتیبه است. علاوه بر این، قسمت بالای ستون‌ها به شکل سرستون یا دستک گسترش یافته است. افزایش ضخامت، عمق اضافی برای مقاومت در برابر لنگر و برش در مجاورت ستون‌ها فراهم می‌کند. همچنین تمایل دارد خیز دال را کاهش دهد.

بام ساختمان نشان‌داده‌شده در شکل ۱-۷ در تمام سطح دارای ضخامت یکنواخت است و فاقد کتیبه و سرستون است. چنین کفی نوع ویژه‌ای از دال تخت است که دال تخت بدون کتیبه یا دال تخت صاف نامیده می‌شود. کف‌های دال تخت صاف در آپارتمان‌ها به‌طور گسترده استفاده می‌شوند، زیرا زیرین دال مسطح است و بنابراین می‌توان از آن به‌عنوان سقف اتاق زیرین استفاده کرد. به همان اندازه مهم است که قالب‌بندی دال تخت صاف معمولاً ارزان‌تر از قالب‌بندی دال‌های تخت دارای کتیبه یا کف‌های یک‌طرفه دال و تیر است.

۱-۴ عوامل مؤثر بر انتخاب بتن مسلح برای یک سازه

انتخاب اینکه یک سازه از بتن مسلح، فولاد، مصالح بنایی یا چوب ساخته شود، به دسترسی به مصالح و تعدادی تصمیم‌گیری ارزشی بستگی دارد.

اقتصاد. اغلب مهم‌ترین ملاحظه، هزینه کلی سازه است. این هزینه، البته، تابع هزینه مصالح و هزینه نیروی کار و زمان لازم برای احداث سازه است. سیستم‌های کف بتنی معمولاً از سیستم‌های فولادی سازه‌ای نازک‌تر هستند، زیرا شاه‌تیرها و تیرها یا تیرچه‌ها همگی در یک عمق یکسان جای می‌گیرند، همان‌گونه که در طبقه دوم شکل ۱-۶ نشان داده شده است، یا کف‌ها به‌صورت دال تخت صاف یا دال تخت هستند، همان‌گونه که در شکل ۱-۷ نشان داده شده است [۱-۱]. این امر در مقایسه با یک ساختمان فولادی، باعث کاهش کلی ارتفاع ساختمان می‌شود که به (الف) کاهش بارهای باد، به دلیل کمتر بودن سطح در معرض باد، و (ب) صرفه‌جویی در پوشش نما و رایزرهای مکانیکی و برقی منجر می‌شود.

بااین‌حال، اغلب هزینه کلی به همان اندازه یا حتی بیشتر تحت تأثیر زمان کلی ساخت قرار می‌گیرد، زیرا پیمانکار و مالک باید برای انجام ساخت‌وساز سرمایه اختصاص دهند و تا آماده‌شدن ساختمان برای بهره‌برداری، بازدهی از سرمایه‌گذاری خود دریافت نخواهند کرد. در نتیجه، صرفه‌جویی مالی ناشی از ساخت سریع ممکن است بیش از افزایش هزینه مصالح و قالب‌بندی را جبران کند. مصالح سازه‌های بتن مسلح به‌طور گسترده در دسترس هستند و می‌توان آن‌ها را در هنگام نیاز در جریان ساخت تولید کرد، درحالی‌که فولاد سازه‌ای باید از پیش سفارش داده شود و بخشی از هزینه آن نیز از قبل پرداخت شود تا برنامه ساخت در کارگاه ساخت فولاد تنظیم شود.

هر اقدامی که طراح بتواند برای استانداردسازی طراحی و قالب‌بندی انجام دهد، معمولاً با کاهش هزینه‌های کلی سودمند خواهد بود. برای مثال، می‌توان ابعاد ستون‌ها را در چندین طبقه یکسان نگه داشت تا در هزینه قالب صرفه‌جویی شود، درحالی‌که با تغییر مقاومت بتن یا درصد آرماتور می‌توان تغییرات بار ستون را تأمین کرد.

مناسب‌بودن مصالح برای عملکرد معماری و سازه‌ای. یک سیستم بتن مسلح اغلب به طراح اجازه می‌دهد عملکردهای معماری و سازه‌ای را با یکدیگر ترکیب کند. بتن این مزیت را دارد که در حالت خمیری اجرا می‌شود و به‌وسیله قالب‌ها و روش‌های پرداخت، شکل و بافت مطلوب به آن داده می‌شود. این امر به عناصری مانند دال‌های تخت صاف یا سایر انواع دال‌ها اجازه می‌دهد ضمن تأمین سطوح نهایی کف و سقف، به‌عنوان عناصر باربر نیز عمل کنند. به همین ترتیب، دیوارهای بتن مسلح می‌توانند علاوه بر توانایی تحمل بارهای ثقلی، باد یا زلزله، سطوحی از نظر معماری جذاب فراهم کنند. در نهایت، انتخاب اندازه یا شکل به‌وسیله طراح تعیین می‌شود، نه بر اساس در دسترس بودن اعضای استاندارد ساخته‌شده.

مقاومت در برابر آتش. سازه یک ساختمان باید در برابر اثرات آتش‌سوزی مقاومت کند و در مدت تخلیه ساختمان و اطفای حریق پابرجا بماند. یک ساختمان بتنی ذاتاً دارای درجه مقاومت در برابر آتش $\text{1-}$ تا $\text{3-hour}$ است، بدون آنکه به حفاظت ویژه در برابر آتش یا جزئیات اضافی نیاز داشته باشد. ساختمان‌های با سازه فولادی یا چوبی باید برای دستیابی به درجات مشابه مقاومت در برابر آتش، در برابر حریق محافظت شوند.

صلبیت. اگر ساختمان در اثر باد نوسان کند یا کف‌ها هنگام عبور افراد به ارتعاش درآیند، ممکن است ساکنان ساختمان دچار ناراحتی شوند. به دلیل سختی و جرم بیشتر سازه بتنی، چنین ارتعاشاتی به‌ندرت مشکل‌ساز هستند.

نگهداری کم. اعضای بتنی ذاتاً به نگهداری کمتری نسبت به اعضای فولادی سازه‌ای یا چوبی نیاز دارند. این موضوع به‌ویژه هنگامی صادق است که برای سطوح در معرض جو از بتن متراکم و هوازا استفاده شده باشد و در طراحی برای تأمین زهکشی مناسب از سازه دقت کافی به عمل آمده باشد.

دسترسی به مصالح. ماسه، شن یا سنگ شکسته، آب، سیمان و تأسیسات اختلاط بتن به‌طور بسیار گسترده در دسترس هستند و فولاد آرماتور را می‌توان آسان‌تر از فولاد سازه‌ای به بیشتر کارگاه‌های ساختمانی حمل کرد. در نتیجه، بتن مسلح اغلب مصالح ساخت ترجیحی در مناطق دورافتاده است.

از سوی دیگر، عوامل متعددی وجود دارند که ممکن است موجب انتخاب مصالحی غیر از بتن مسلح شوند. این عوامل عبارت‌اند از:

مقاومت کششی کم. همان‌گونه که گفته شد، مقاومت کششی بتن بسیار کمتر از مقاومت فشاری آن است (حدود ${\displaystyle \frac{1}{10}}$)؛ بنابراین، بتن هنگام قرارگرفتن تحت تنش‌های کششی مستعد ترک‌خوردگی است. در کاربردهای سازه‌ای، با استفاده از آرماتور، همان‌گونه که در شکل ۱-۴ج نشان داده شده است، ترک‌خوردگی مهار می‌شود تا نیروهای کششی تحمل و عرض ترک‌ها در محدوده مقادیر قابل‌قبول محدود شود. بااین‌حال، اگر در طراحی و اجرا دقت کافی به عمل نیاید، این ترک‌ها ممکن است ناخوشایند باشند یا امکان نفوذ آب و سایر آلاینده‌های بالقوه زیان‌آور را فراهم کنند.

قالب‌ها و شمع‌بندی. ساخت یک سازه بتن درجا شامل سه مرحله است که در ساخت سازه‌های فولادی یا چوبی وجود ندارند. این مراحل عبارت‌اند از: (الف) ساخت قالب‌ها، (ب) بازکردن این قالب‌ها، و (ج) نصب پایه‌ها یا شمع‌بندی برای بتن تازه به‌منظور تحمل وزن آن تا زمانی که مقاومت بتن به حد کافی برسد. هر یک از این مراحل مستلزم نیروی کار و/یا مصالحی است که در سایر روش‌های ساخت ضروری نیستند.

مقاومت نسبتاً کم به ازای واحد وزن یا حجم. مقاومت فشاری بتن تقریباً $\text{10 percent}$ مقاومت فشاری فولاد است، درحالی‌که چگالی واحد آن تقریباً $\text{30 percent}$ چگالی فولاد است. در نتیجه، یک سازه بتنی در مقایسه با یک سازه فولادی مشابه به حجم بیشتر و وزن بیشتری از مصالح نیاز دارد.

تغییرات حجمی وابسته به زمان. بتن و فولاد تقریباً به یک اندازه دچار انبساط و انقباض حرارتی می‌شوند. از آنجا که جرم فولاد کمتری باید گرم یا سرد شود و فولاد رسانای بهتری نسبت به بتن است، یک سازه فولادی معمولاً بیش از یک سازه بتنی تحت تأثیر تغییرات دما قرار می‌گیرد. از سوی دیگر، بتن دچار جمع‌شدگی ناشی از خشک‌شدن می‌شود که در صورت مقیدشدن ممکن است موجب ترک‌خوردگی شود. علاوه بر این، خیزهای یک کف بتنی با گذشت زمان تمایل به افزایش دارند و ممکن است به دلیل خزش بتن تحت تنش فشاری پایدار، تا دو برابر افزایش یابند.

۱-۵ سیر تحول تاریخی بتن و بتن مسلح به‌عنوان مصالح سازه‌ای

سیمان و بتن

ملات آهکی نخستین‌بار حدود ۲۰۰۰ پیش از میلاد در سازه‌های تمدن مینوسی در کرت به کار رفت و هنوز هم در برخی مناطق استفاده می‌شود. این نوع ملات این عیب را داشت که هنگام غوطه‌ورشدن در آب به‌تدریج حل می‌شد و ازاین‌رو نمی‌توانست برای اعضای سازه‌ای در معرض آب یا زیر آب استفاده شود. حدود قرن سوم پیش از میلاد، رومیان خاکستر آتشفشانی ریزدانه‌ای را کشف کردند که با مخلوط‌شدن با ملات آهکی، ملاتی بسیار مقاوم‌تر ایجاد می‌کرد و می‌توانست در زیر آب مورد استفاده قرار گیرد.

یکی از چشمگیرترین سازه‌های بتنی ساخته‌شده توسط رومیان، گنبد پانتئون در رم بود که در سال ۱۲۶ میلادی تکمیل شد. دهانه این گنبد $\text{43.9 m}$ است؛ دهانه‌ای که تا قرن نوزدهم از آن فراتر نرفتند. بخش پایینی گنبد از بتن با سنگدانه‌ای متشکل از آجرهای شکسته ساخته شده بود. هرچه سازندگان به بالای گنبد نزدیک‌تر می‌شدند، از سنگدانه‌های سبک‌تر استفاده می‌کردند و در قسمت بالایی برای کاهش لنگرهای ناشی از بار مرده از پوکه معدنی بهره می‌گرفتند. اگرچه سطح بیرونی گنبد در گذشته و همچنان با تزئینات پوشانده شده است، آثار قالب‌ها هنوز در سطح داخلی آن قابل مشاهده است [۱-۲]، [۱-۳].

هنگام طراحی فانوس دریایی ادیستون در سواحل جنوبی انگلستان، اندکی پیش از سال ۱۸۰۰ میلادی، مهندس انگلیسی John Smeaton دریافت که می‌توان از مخلوط سنگ‌آهک سوخته و خاک رس برای ساخت سیمانی استفاده کرد که در زیر آب گیرش می‌یابد و در برابر آب مقاوم است. بااین‌حال، Smeaton به دلیل قرارگیری این فانوس دریایی در معرض شرایط جوی، به سیمان رومی آزموده‌شده و سنگ‌چینی با اتصالات ملات‌خور بازگشت.

در سال‌های پس از آن، افراد متعددی از مصالح Smeaton استفاده کردند، اما دشواری یافتن سنگ‌آهک و خاک رس در یک معدن واحد، کاربرد آن را به‌شدت محدود کرد. در سال ۱۸۲۴، Joseph Aspdin سنگ‌آهک و خاک رس آسیاب‌شده را از معادن مختلف با یکدیگر مخلوط و آن‌ها را در کوره حرارت داد تا سیمان تولید کند. Aspdin محصول خود را سیمان پرتلند نامید، زیرا بتن ساخته‌شده از آن شبیه سنگ پرتلند، یعنی سنگ‌آهک مرغوب جزیره Portland در جنوب انگلستان، بود. این سیمان در سال ۱۸۲۸ توسط Brunel برای ملات پوشش بنایی یک تونل در زیر رودخانه تیمز و در سال ۱۸۳۵ برای پایه‌های بتنی حجیم یک پل استفاده شد. گاهی در فرایند تولید سیمان، مخلوط بیش از حد گرم می‌شد و کلینکری سخت تشکیل می‌داد که معیوب تلقی شده و دور ریخته می‌شد. در سال ۱۸۴۵، I. C. Johnson دریافت که بهترین سیمان از آسیاب‌کردن این کلینکر به دست می‌آید. این همان ماده‌ای است که امروزه سیمان پرتلند نامیده می‌شود. سیمان پرتلند در سال ۱۸۷۱ توسط D. O. Saylor در پنسیلوانیا و تقریباً در همان زمان توسط T. Millen از South Bend در ایندیانا تولید شد، اما تا اوایل دهه ۱۸۸۰ مقادیر قابل‌توجهی از آن در ایالات متحده تولید نشد.

بتن مسلح

W. B. Wilkinson از Newcastle-upon-Tyne در سال ۱۸۵۴ حق اختراعی برای یک سیستم کف بتن مسلح به دست آورد که در آن از گنبدهای توخالی گچی به‌عنوان قالب استفاده می‌شد. ریب‌های بین قالب‌ها با بتن پر شده و در مرکز ریب‌ها با طناب‌های فولادی دورریخته‌شده بالابر معدن مسلح می‌شدند. در فرانسه، Lambot در سال ۱۸۴۸ یک قایق پارویی از بتن مسلح‌شده با سیم ساخت و در سال ۱۸۵۵ آن را به ثبت رساند. حق اختراع او شامل نقشه‌هایی از یک تیر بتن مسلح و یک ستون مسلح‌شده با چهار میلگرد آهنی گرد بود. در سال ۱۸۶۱، فرانسوی دیگری به نام Coignet کتابی منتشر کرد که کاربردهای بتن مسلح را به تصویر می‌کشید.

Thaddeus Hyatt، وکیل و مهندس آمریکایی، در دهه ۱۸۵۰ روی تیرهای بتن مسلح آزمایش‌هایی انجام داد. تیرهای او دارای میلگردهای طولی در ناحیه کششی و خاموت‌های قائم برای مقاومت در برابر برش بودند. متأسفانه، کار Hyatt تا سال ۱۸۷۷ شناخته نشد؛ در آن سال او به‌طور خصوصی کتابی منتشر کرد که آزمایش‌ها و سیستم ساختمانی او را شرح می‌داد.

شاید بزرگ‌ترین انگیزه برای توسعه اولیه دانش علمی بتن مسلح از کار Joseph Monier، مالک یک گلخانه و نهالستان فرانسوی، حاصل شد. Monier حدود سال ۱۸۵۰ آزمایش با حوضچه‌های بتنی مسلح‌شده با آهن را برای کاشت درختان آغاز کرد. او ایده خود را در سال ۱۸۶۷ به ثبت رساند. این حق اختراع به‌سرعت با حق اختراع‌هایی برای لوله‌ها و مخازن مسلح (۱۸۶۸)، دال‌های تخت (۱۸۶۹)، پل‌ها (۱۸۷۳) و پله‌ها (۱۸۷۵) دنبال شد. در سال‌های ۱۸۸۰ و ۱۸۸۱، Monier حق اختراع‌های آلمانی برای بسیاری از همین کاربردها دریافت کرد. این حق اختراع‌ها به شرکت ساختمانی Wayss and Freitag واگذار شد؛ این شرکت از Professor Mörsch و Professor Bach از دانشگاه Stuttgart برای آزمایش مقاومت بتن مسلح دعوت کرد و از آقای Koenen، بازرس ارشد ساختمان پروس، خواست روشی برای محاسبه مقاومت بتن مسلح توسعه دهد. کتاب Koenen که در سال ۱۸۸۶ منتشر شد، تحلیلی ارائه کرد که در آن فرض شده بود محور خنثی در نیمه ارتفاع عضو قرار دارد.

نخستین ساختمان بتن مسلح در ایالات متحده خانه‌ای بود که در سال ۱۸۷۵ توسط W. E. Ward، مهندس مکانیک، در Long Island ساخته شد. E. L. Ransome از کالیفرنیا در دهه ۱۸۷۰ روی بتن مسلح آزمایش کرد و در سال ۱۸۸۴ حق اختراع میلگرد فولادی پیچیده‌شده را به دست آورد. در همان سال، Ransome به‌طور مستقل مجموعه روش‌های طراحی خود را توسعه داد. در سال ۱۸۸۸، او ساختمانی ساخت که دارای ستون‌های چدنی و سیستم کف بتن مسلح متشکل از تیرها و دالی بود که از قوس‌های فلزی تخت پوشیده‌شده با بتن ساخته شده بود. در سال ۱۸۹۰، Ransome موزه Leland Stanford, Jr. را در San Francisco ساخت. این ساختمان دوطبقه از طناب دورریخته‌شده واگن کابلی به‌عنوان آرماتور تیرها استفاده می‌کرد. او در سال ۱۹۰۳ در پنسیلوانیا نخستین ساختمان ایالات متحده را ساخت که قاب آن به‌طور کامل از بتن مسلح تشکیل شده بود.

در فاصله سال‌های ۱۸۷۵ تا ۱۹۰۰، بیش از $40$ حق اختراع ثبت شد. بیشتر این اختراع‌ها در شکل میلگردها و نحوه خم‌کردن آن‌ها با یکدیگر تفاوت داشتند.

از سال ۱۸۹۰ تا ۱۹۲۰، مهندسان شاغل به‌تدریج با مکانیک بتن مسلح آشنا شدند، زیرا کتاب‌ها، مقالات فنی و آیین‌نامه‌ها نظریه‌های مربوط را ارائه می‌کردند. در مقاله‌ای که Coignet (پسر Coignet پیشین) و de Tedeskko در سال ۱۸۹۴ برای انجمن مهندسان عمران فرانسه ارائه کردند، نظریه‌های Koenen را گسترش دادند و روش طراحی بر مبنای تنش مجاز برای خمش را توسعه دادند؛ این روش از سال ۱۹۰۰ تا ۱۹۵۰ به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت. در طول هفت دهه گذشته، پژوهش‌های گسترده‌ای درباره جنبه‌های مختلف رفتار بتن مسلح انجام شده است که به روش‌های طراحی کنونی انجامیده است.

بتن پیش‌تنیده به ابتکار E. Freyssinet توسعه یافت؛ او در سال ۱۹۲۸ به این نتیجه رسید که برای پیش‌تنیدگی باید از سیم فولادی پرمقاومت استفاده شود، زیرا اگر از میلگردهای معمولی برای ایجاد نیروی پیش‌تنیدگی استفاده شود، خزش بتن بیشتر نیروی پیش‌تنیدگی را مستهلک می‌کند. Freyssinet مهارهای کابل‌های پیش‌تنیدگی را توسعه داد و تعدادی پل و سازه پیشگامانه را طراحی و اجرا کرد.

مشخصات فنی طراحی بتن مسلح

نخستین مجموعه مقررات ساختمانی برای بتن مسلح تحت رهبری Professor Mörsch از دانشگاه Stuttgart تدوین شد و در سال ۱۹۰۴ در پروس منتشر گردید. مقررات طراحی بین سال‌های ۱۹۰۷ تا ۱۹۰۹ در بریتانیا، فرانسه، اتریش و سوئیس منتشر شدند.

American Railway Engineering Association در سال ۱۸۹۰ کمیته‌ای برای مصالح بنایی تشکیل داد. این کمیته در سال ۱۹۰۳ مشخصات فنی بتن سیمان پرتلند را ارائه کرد. بین سال‌های ۱۹۰۸ و ۱۹۱۰، مجموعه‌ای از گزارش‌های کمیته به تدوین Standard Building Regulations for the Use of Reinforced Concrete انجامید که در سال ۱۹۱۰ [۱-۴] توسط National Association of Cement Users منتشر شد و بعدها به American Concrete Institute تبدیل شد.

یک Joint Committee on Concrete and Reinforced Concrete در سال ۱۹۰۴ توسط American Society of Civil Engineers، American Society for Testing and Materials، American Railway Engineering Association و Association of American Portland Cement Manufacturers تشکیل شد. American Concrete Institute نیز بعدها به این گروه پیوست. بین سال‌های ۱۹۰۴ و ۱۹۱۰، کمیته مشترک پژوهش‌هایی انجام داد. گزارش مقدماتی منتشرشده در سال ۱۹۱۳ [۱-۵] مهم‌ترین مقالات و کتاب‌های منتشرشده درباره بتن مسلح بین سال‌های ۱۸۹۸ و ۱۹۱۱ را فهرست می‌کند. گزارش نهایی این کمیته در سال ۱۹۱۶ [۱-۶] منتشر شد. تاریخچه آیین‌نامه‌های ساختمانی بتن مسلح در ایالات متحده در سال ۱۹۵۴ توسط Kerekes و Reid [۱-۷] بررسی شد.

۱-۶ آیین‌نامه‌های ساختمانی و آیین‌نامه ACI

طراحی و ساخت ساختمان‌ها توسط مقررات محلی شهرداری‌ها، موسوم به آیین‌نامه‌های ساختمانی، تنظیم می‌شود. هدف این مقررات حفاظت از سلامت و ایمنی عمومی است. هر شهر و شهرستان اختیار دارد آیین‌نامه ساختمانی خود را تدوین یا اقتباس کند و در آن شهر یا شهرستان، تنها همان آیین‌نامه از اعتبار قانونی برخوردار است. به دلیل پیچیدگی تدوین آیین‌نامه‌های ساختمانی، شهرهای ایالات متحده عموماً آیین‌نامه‌های خود را بر اساس آیین‌نامه‌های نمونه تدوین می‌کنند. پیش از سال ۲۰۰۰، سه آیین‌نامه نمونه وجود داشت: Uniform Building Code [۱-۸]، Standard Building Code [۱-۹] و Basic Building Code [۱-۱۰]. این آیین‌نامه‌ها موضوعاتی مانند الزامات کاربری و تصرف، الزامات آتش‌سوزی، الزامات گرمایش و تهویه، و طراحی سازه‌ای را پوشش می‌دادند. در سال ۲۰۰۰، این سه آیین‌نامه با International Building Code (IBC) [۱-۱۱] جایگزین شدند که معمولاً هر سه تا پنج سال یک‌بار به‌روزرسانی می‌شود.

مشخصات فنی مرجع برای طراحی ساختمان‌های بتن مسلح در آمریکای شمالی، Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-25) and Commentary (ACI 318R-25) [۱-۱۲] است. آیین‌نامه و شرح آن در یک جلد به‌صورت یکجا صحافی شده‌اند.

این آیین‌نامه که عموماً آیین‌نامه ACI نامیده می‌شود، از طریق ارجاع در International Building Code گنجانده شده و مبنای آیین‌نامه‌های مشابه در کانادا، نیوزیلند، استرالیا، بیشتر کشورهای آمریکای لاتین و برخی کشورهای آسیا و خاورمیانه است. آیین‌نامه ACI تنها در صورتی دارای اعتبار قانونی است که در یک آیین‌نامه ساختمانی محلی به تصویب رسیده باشد.

برنامه فعلی بر انتشار بازنگری‌های عمده در چرخه‌های پنج یا شش‌ساله استوار است. در این کتاب به‌طور گسترده به آیین‌نامه ACI سال ۲۰۲۵ ارجاع داده شده است. توصیه می‌شود خواننده یک نسخه از آن را در دسترس داشته باشد.

اصطلاح بتن سازه‌ای برای اشاره به تمام دامنه سازه‌های بتنی به کار می‌رود: از بتن ساده با آرماتور محدود؛ تا بتن مسلح معمولی که با میلگردهای معمولی مسلح شده است؛ تا بتن نیمه‌پیش‌تنیده که عموماً هم شامل میلگردهای آرماتور و هم کابل‌های پیش‌تنیدگی است؛ و تا بتن کاملاً پیش‌تنیده که به‌اندازه کافی پیش‌تنیدگی دارد تا از ترک‌خوردگی در شرایط بهره‌برداری روزمره جلوگیری کند. در سال ۱۹۹۵، عنوان آیین‌نامه ACI از Building Code Requirements for Reinforced Concrete به Building Code Requirements for Structural Concrete تغییر یافت تا تأکید شود که آیین‌نامه با تمام طیف بتن سازه‌ای سروکار دارد.

قواعد طراحی پل‌های بزرگراهی بتنی در AASHTO LRFD Bridge Design Specifications، American Association of State Highway and Transportation Officials، Washington, D.C. [۱-۱۳] مشخص شده‌اند.

سند دیگری که در فصل‌های ۲ و ۱۹ استفاده خواهد شد، استاندارد ASCE با عنوان ASCE/SEI 7-22، یعنی Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures [۱-۱۴] است که در سال ۲۰۲۲ منتشر شده است.

فصل ۱: مراجع

۱-۱ Reinforcing Bar Detailing Manual، ویرایش چهارم، Concrete Reinforcing Steel Institute، Chicago, IL، ۲۹۰ صفحه.

۱-۲ Robert Mark، «Light, Wind and Structure: The Mystery of the Master Builders»، MIT Press، Boston، ۱۹۹۰، صفحات ۵۲–۶۷.

۱-۳ Michael P. Collins، «In Search of Elegance: The Evolution of the Art of Structural Engineering in the Western World»، Concrete International، جلد ۲۳، شماره ۷، ژوئیه ۲۰۰۱، صفحات ۵۷–۷۲.

۱-۴ Committee on Concrete and Reinforced Concrete، «Standard Building Regulations for the Use of Reinforced Concrete»، Proceedings، National Association of Cement Users، جلد ۶، ۱۹۱۰، صفحات ۳۴۹–۳۶۱.

۱-۵ Special Committee on Concrete and Reinforced Concrete، «Progress Report of Special Committee on Concrete and Reinforced Concrete»، Proceedings of the American Society of Civil Engineers، ۱۹۱۳، صفحات ۱۱۷–۱۳۵.

۱-۶ Special Committee on Concrete and Reinforced Concrete، «Final Report of Special Committee on Concrete and Reinforced Concrete»، Proceedings of the American Society of Civil Engineers، ۱۹۱۶، صفحات ۱۶۵۷–۱۷۰۸.

۱-۷ Frank Kerekes و Harold B. Reid, Jr.، «Fifty Years of Development in Building Code Requirements for Reinforced Concrete»، ACI Journal، جلد ۲۵، شماره ۶، فوریه ۱۹۵۴، صفحات ۴۴۱–۴۷۰.

۱-۸ Uniform Building Code، International Conference of Building Officials، Whittier, CA، ویرایش‌های مختلف.

۱-۹ Standard Building Code، Southern Building Code Congress، Birmingham, AL، ویرایش‌های مختلف.

۱-۱۰ Basic Building Code، Building Officials and Code Administrators International، Chicago, IL، ویرایش‌های مختلف.

۱-۱۱ International Code Council، 2018 International Building Code، Washington, D.C.، ۲۰۱۸.

۱-۱۲ ACI Committee 318، Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-25) and Commentary، American Concrete Institute، Farmington Hills, MI، ۲۰۲۵.

۱-۱۳ AASHTO LRFD Bridge Design Specifications، ویرایش هشتم، American Association of State Highway and Transportation Officials، Washington, D.C.، ۲۰۱۷.

۱-۱۴ Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE/SEI 7-22)، American Society of Civil Engineers، Reston, VA، ۲۰۲۲.