بررسی اقتصادی اثر افزایش مقاومت بتن در ساختمان های بتنی با شکل پذیری ویژه

افزایش مقاومت فشاری بتن تا حدودی باعث کاهش تعداد میلگردهای مورد نیاز و درنتیجه هزینه‌های کل ساختمان می‌شود. با عنایت به اینکه آیین نامه‌های زلزله روز به روز ضوابط سختگیرانه‌تری در جهت طراحی لرزه‌ای اعمال می‌کنند، این امر باعث افزایش هرچه بیشتر ابعاد المان‌های تیر و ستون در سازه‌های بتن آرمه‌ای می‌شود که به نوبه خود تاثیر منفی در ساختار معماری ساختمان خواهد داشت. اگرچه افزایش مقاومت فشاری بتن تا حدودی باعث کاهش این ابعاد می‌شود، اما محدودیت‌هایی از لحاظ اقتصادی نیز وجود دارد. در این نوشتار نیز به بررسی مقاله‌ای پژوهشی همین راستا می‌پردازیم.
در این تحقیق تعداد سه عدد ساختمان بتن آرمه از سه طبقه، هفت طبقه، دوازده طبقه مدل‌سازی شده، همچنین برای هر یک از مدل‌ها مقاومت فشاری بتن از ۲۵ ،۳۰ ،۳۵ ،۴۰ ،۵۰ مگاپاسکال تغییر داده شده و مطابق با آییننامه ۲۸۰۰ ویرایش چهارم و آیین نامه بتن آبا و مقررات ملی ساختمان تحلیل و طراحی و بهینه‌سازی شده است. سپس هزینه ساخت هر کدام از مدل‌ها بر مبنای میلگرد خاموت ستون، میلگرد طولی ستون، میلگرد خاموت تیرها، میلگرد تقویتی تیرها، میلگرد طولی تیرها، حجم بتن مصرفی، تناژ میلگرد مصرفی، هزینه بتن مصرفی، هزینه میلگرد کل، هزینه محاسبه و در نهایت تحلیل حساسیت برای هر کدام از موارد ذکر شده بررسی و مقایسه شده است.
این تحقیق نشان می‌دهد بتن‌های با مقاومت ۲۵ مگاپاسکال برای ساختمان سه طبقه، ۳۵ مگاپاسکال برای ساختمان‌های ۷ طبقه و ۳۰ مگاپاسکال برای ساختمان‌های ۱۲ طبقه باعث هرچه اقتصادی‌تر شدن ساختمان‌های بتنی با سیستم قاب خمشی با شکل‌پذیری ویژه می‌گردد. که رسیدن به این تراز مقاومت به اهتمام مسئولان و پژوهشگران در زمینه‌ی تکنولوژی بتن نیاز دارد.

مقدمه

استانداردها و ضوابط طراحی سازه‌ها در سال‌های اخیر مورد توجه و تحقیق بسیاری از محققان قرار گرفته است و تغییرات گسترده‌ای در فلسفه روش‌های موجود صورت گرفته است. از این رو لازم و ضروری است بررسی‌های صورت گرفته توام با در نظر گرفتن مسایل و نکات فنی و رعایت استانداردهای طراحی، صرفه اقتصادی را نیز در مورد اجرای سازه‌ها مد نظر قرار دهد. صرفه اقتصادی در حفظ منابع کشور در مورد مصالح مصرفی از نکات قابل توجه می‌باشد که نگاه عمیق‌تر به آن و بهینه‌سازی سازه‌ها با در نظرگرفتن پارامترهای مختلف که منجر به استفاده بهینه از مصالح می‌گردد، از نکاتی می‌باشد که مهندسین عرصه طراحی باید مد نظر قرار دهند.
توجه ویژه به بهبود و بهره‌وری منابع در پروژه‌های ساختمانی یکی از ضرورت‌های اقتصادی کشور است. به دلیل اختصاص بیش از ۴۰ درصد ارزش نهایی هر ساختمان به مواد و مصالح، لزوم توجه به بهره‌وری مصالح اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند. وضعیت نامطلوب موجود در به‌کارگیری مصالح در پروژه‌های ساختمانی و حجم بالای ضایعات مصالح منجر به پائین ماندن شاخص بهره‌وری بخش مسکن و ساختمان گردیده است. لذا باید از حیث اقتصادی پروژه‌ها بهینه‌سازی شوند. و باید تعادل بین ایمنی و طراحی مهندسی پروژه ها ایجاد نمود.
مصالح مورد استفاده در سازه‌های بتنی شامل بتن و میلگرد فولادی است. سهم عمده هزینه ساختمان‌های بتنی مربوط به هزینه میلگرد‌های فولادی است. با توسعه روش‌های تولید بتن و علم شیمی بتن، تولید بتن‌های با مقاومت فشاری بالا با اندکی هزینه قابل انجام است. افزایش مقاومت فشاری بتن به طور عمده در اعضای فشاری سبب کاهش قابل توجه میلگرد می‌شود. دانستن مقاومت فشاری بهینه بتن در ساختمان خود نوعی سرمایه‌گذاری و به عبارت بهتر تضمین سرمایه‌گذاری انجام شده است. علاوه بر آن مقاومت فشاری بتن به عنوان یک عامل ضروری و با ارزش‌ترین خاصیت بتن در نظر گرفته می‌شود. ولی در بعضی موارد دیگر، سایر مشخصه‌های بتن مانند دوام، نفوذپذیری، مدول الاستیسیته، مقاومت کششی و یا مقاومت خمشی از اهمیت بیشتری برخوردار است. در هر حال مقاومت فشاری بتن یک تصویر کلی را از بتن به وجود می‌آورد.
مسعود بدری بنام، علی داوران از جمله محققانی هستند که درسال ۱۳۸۸ به بررسی اقتصادی تاثیر افزایش مقاومت بتن در سازه‌های با قاب خمشی بتن مسلح پرداخته‌اند. در این تحقیق تعداد ۵۴ عدد ساختمان بتن آرمه از ۲ طبقه الی ۲۵ طبقه مدل سازی شده، همچنین برای هریک از مدل‌ها مقاومت فشاری بتن از ۲۰ الی ۶۰ مگاپاسکال با افزایش ۵ مگاپاسکال تغییر و مطابق با آیین نامه ۲۸۰۰ ویرایش سوم و آیین نامه ACI تحلیل و طراحی و بهینه‌سازی شده است. سپس هزینه ساخت هرکدام از مدل‌ها برمبنای آهن آلات، حجم بتن و قالب بندی استخراج و در نهایت تحلیل حساسیت برای هر کدام از موارد ذکر شده بررسی و مقایسه شده است. این تحقیق نشان می‌دهد حرکت به سمت بتن‌های با مقاومت ۳۰ الی ۴۰ مگاپاسکال باعث هرچه اقتصادی تر شدن ساختمان‌های بتنی با سیستم‌ قاب خمشی خواهد گردید. که رسیدن به این تراز مقاومت به اهتمام مسئولان و پژوهشگران در زمینه‌ی تکنولوژی بتن نیاز دارد.
آرش احمدی و حسین بخشی در سال ۱۳۹۳ به بررسی تاثیر مقاومت فشاری بتن در رفتار لرزه‌ای قاب‌های بتنی متوسط پرداختند. دراین مقاله سعی شده است که با درنظر گرفتن عوامل مختلف با در نظر گرفتن چندین سازه، اثر مقاومت بتن در نمونه‌های انتخاب شده بررسی گردد نتیجه‌گیری می‌شود افزایش و یا کاهش مقاومت بتن در سازه‌های بتن آرمه آنچنان که تصور می‌شود در ابعاد و درصد آرماتور و رفتار لرزه‌ای تاثیر هدفمند و یکسانی ندارد. مقادیر ضریب جابجایی نسبی‌ بین طبقه‌ای به دست آمده نظیر سه سطح عملکرد قابلیت استفاده بی وقفه، ایمنی جانی و آستانه فروریزش نشان از تفاوت معناداری با مقادیر پیشنهادی ازدستورالعمل به‌سازی می‌باشد. این مقایسه روند مشخصی را نشان نمی‌دهد و نسبت به دستورالعمل به‌سازی، در برخی موارد محافظه‌کارانه و مواردی غیرمحافظه‌کارانه می‌باشند.
در این پژوهش سعی شده است که با بررسی ساختمان‌های بتنی با شکل‌پذیری ویژه با تعداد طبقات ۳، ۷ و ۱۲ طبقه با استفاده از مقاومت فشاری مختلف بتن شامل ۲۵۰، ۳۰، ۳۵۰ ،۴۰ و  ۵۰  مگاپاسکال ، هزینه کل ساختمان محاسبه شده و بهینه‌ترین وضعیت از لحاظ اقتصادی و مقاومتی ارائه گردد.

مشخصات مدل

در قاب‌های ساختمانی خمشی در مواردی که انتظار تغییر شکل فرا ارتجاعی از سازه می‌رود، حد شکل پذیری متوسط و بالا مطرح می‌گردد. در قاب با شکل پذیری بالا که قاب خمشی ویژه نامیده می‌شود، در هنگام زلزله پس از ورود به ناحیه تغییر شکل‌های غیرخطی و تشکیل تعداد زیادی مفصل پلاستیک سازه تبدیل به مکانیزم می‌گردد. طراحی قاب بایستی به گونه‌ای صورت گرفته باشد که در این مرحله پایداری و انسجام کلی سازه حفظ گردد. برای تامین شرایط، آیین نامه‌ها و ضوابط و محدودیت‌هایی برای ابعاد هندسی مقاطع تیرها و ستون ها، میزان و توزیع میلگردهای طولی و عرضی دو تیر و ستون و جزئیات اتصال تیر و ستون و نیز حداقل مقاومت فشاری بتن مصرفی پیشنهاد می‌نمایند.
ساختمان بتنی سه طبقه با کاربری مسکونی تحلیل و طراحی شده است. ارتفاع طبقات ۹ و ۲۱ و ۳۶ متر است. ساختمان در شهرستان آباده واقع شده است و نوع خاک محل تیپ III می‌باشد. سیستم باربر جانبی این ساختمان در ساختمان سه طبقه قاب خمشی با شکل‌پذیری ویژه و در ساختمان ۷ و ۱۲ طبقه قاب خمشی با شکل‌پذیری ویژه و دیواربرشی در دو جهت می‌باشد. با توجه به اینکه سازه بتنی است به مصالح بتنی با مشخصات زیر نیاز می‌باشد:

• جرم واحد حجم = ۲۴۰ کیلوگرم بر مترمکعب
• وزن واحد حجم = 2400کیلوگرم بر مترمکعب
• مدول الاستیسیته = ۲۱۸۸۰۰ کیلوگرم بر سانتی مترمربع – ۳۳۷۶۴۶ کیلوگرم بر سانتی مترمربع
• ضریب پواسون = ۲/۰
• مقاومت فشاری بتن = ۲۵ مگاپاسکال – ۳۰ مگاپاسکال –۳۵ مگاپاسکال – ۴۰ مگاپاسکال –  ۵۰ مگاپاسکال.
• مقاومت تسلیم میلگرد طولی = ۴۰۰۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع مقاومت تسلیم میلگرد عرضی = ۳۰۰۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع

بارگذاری:

• بار مرده طبقات: ۷۰۰ کیلوگرم بر مترمربع
• بار مرده بام: ۶۰۰ کیلوگرم بر مترمربع
• بار زنده طبقات: ۲۰۰ کیلوگرم بر مترمربع
• بار زنده بام: 150کیلوگرم بر مترمربع
• بار دیواره های جانبی: ۲۵۰ کیلوگرم بر مترمربع

نحوه مدل سازی

در این تحقیق برای بررسی موضوع مربوطه، با در نظر گرفتن ساختمانی به عنوان پیش‌فرض با ابعاد مشخص با تغییر در مقاومت فشاری بتن مشخص و سپس، تغییر در تعداد طبقات سعی در بررسی میزان مصالح مصرفی در هر مقطع و مقایسه آن‌ها شده است. مبنای عملیات محاسباتی به شرح ذیل صورت پذیرفته است.

شکل1. مشخصات پیش فرض ساختمان‌ها

مبنای ساختمان با ابعاد ۱۸*۲۰ متر در سه، هفت و دوازده طبقه توسط نرم افزار  Etabs مدل‌سازی شده است. که این فرآیند مطابق شکل‌های ذیل صورت پذیرفته‌است.

مدل ۳ طبقه ساخته شده توسط Etabs

مدل ۷ طبقه ساخته شده توسط Etabs

مدل ساختمان ۱۲ طبقه ساخته شده توسط Etabs

تجزیه و تحلیل نتایج حاصل از نرم افزار

رابطه مقاومت فشاری بتن با هزینه میلگرد و بتن مصرفی

با توجه به شکل ۵ تا ۷  مشاهده می‌شود که ساختمان سه طبقه، مقاومت فشاری بتن ۳۰۰، کمترین هزینه میلگرد و بتن مصرفی را دارد. ساختمان ۷ طبقه، مقاومت فشاری بتن ۴۰۰ و ساختمان ۱۲ طبقه، مقاومت فشاری بتن ۴۰۰ کمترین مقدار را دارند.

رابطه مقاومت فشاری با هزینه میلگرد و بتن مصرفی – ساختمان ۳ طبقه

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه میلگرد و بتن مصرفی – ساختمان ۷ طبقه

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه میلگرد و بتن مصرفی – ساختمان ۱۲ طبقه

رابطه مقاومت فشاری بتن با هزینه میلگرد

در تمامی ساختمان‌های مشمول با افزایش مقاومت فشاری بتن، هزینه میلگرد کاهش می‌یابد.

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه میلگرد – ساختمان ۳ طبقه

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه میلگرد – ساختمان ۷ طبقه

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه میلگرد – ساختمان ۱۲ طبقه

رابطه مقاومت فشاری بتن با هزینه بتن مصرفی

با توجه به نمودارهای ۱۱ تا ۱۳ مشاهده می‌شود که در ساختمان سه طبقه، کمترین هزینه مربوط به مقاومت فشاری بتن ۲۵۰؛ درساختمان هفت طبقه، کمترین هزینه در مقاومت فشاری ۲۵۰؛ و در ساختمان دوازده طبقه، کمترین هزینه به مقاومت فشاری ۳۵۰ تعلق دارد.

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه بتن مصرفی – ساختمان ۳ طبقه

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه بتن مصرفی – ساختمان ۷ طبقه

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه بتن مصرفی – ساختمان ۱۲ طبقه

درصد کاهش میلگرد با افزایش مقاومت فشاری بتن

با توجه به نمودارهای تدوین شده، بیشترین درصد کاهش میلگرد در ساختمان سه طبقه مربوط به مقاومت فشاری ۳۰۰ و در ساختمان ۷ طبقه مربوط به مقاومت فشاری  ۴۰۰ و در ۱۲ طبقه مربوط به مقاومت فشاری ۳۰۰ می‌باشد.

نمودار درصد کاهش میلگرد – ساختمان ۳ طبقه

نمودار درصد کاهش میلگرد – ساختمان ۷ طبقه

نمودار درصد کاهش میلگرد – ساختمان ۱۲ طبقه

درصد کاهش یا افزایش هزینه کل

ساختمان سه طبقه با مقاومت فشاری ۳۰۰،  ساختمان هفت طبقه با مقاومت فشاری ۴۰۰، و ساختمان 12طبقه با مقاومت فشاری ۴۵۰، بیشترین کاهش هزینه را دارند.

نمودار درصد کاهش یا افزایش هزینه کل- ساختمان ۳ طبقه

درصد کاهش یا افزایش هزینه کل – ساختمان ۷ طبقه

درصد کاهش یا افزایش هزینه کل – ساختمان ۱۲ طبقه

نتیجه‌گیری

با استناد به نتایج به دست آمده از آنالیز و طراحی مدل‌های مشروح در این تحقیق، نتیجه گرفته می‌شود برای ساختمان بتن مسلح ۳ طبقه، بتن با مقاومت ۳۰۰، برای ساختمان‌های ۷ طبقه، از بتن با مقاومت ۴۰۰ و برای ساختمان ۱۲ طبقه، از بتن با مقاومت ۴۵۰ استفاده گردد. البته این نتایج متاثر از نرخ فولاد و بتن در زمان حال و نیز شرایط خاص سازه، مانند منظمی یا نامنظمی و هم‌چنین روش‌های تحلیل و طراحی سازه می‌باشد.