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 عنايت به اينکه آيین نامه‌های زلزله روز به روز ضوابط سختگیرانه‌تری در جهت طراحی لرزه‌ای اعمال می‌کنند، اين امر باعث افزايش 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 افزايش مقاومت فشاری بتن تا حدودی باعث کاهش اين ابعاد می‌شود، اما محدوديت‌هايی از لحاظ اقتصادی نیز وجود دارد. در این نوشتار نیز به بررسی مقاله‌ای پژوهشی همین راستا می‌پردازیم.
در اين تحقیق تعداد سه عدد ساختمان بتن آرمه از سه طبقه، هفت طبقه، دوازده طبقه مدل‌سازی شده، همچنین برای هر يک از مدل‌ها مقاومت فشاری بتن از 25 ،30 ،35 ،40 ،50 مگاپاسکال تغییر داده شده و مطابق با آيیننامه 2800 ويرايش چهارم و آيین نامه بتن آبا و مقررات ملی ساختمان تحلیل و طراحی و بهینه‌سازی شده است. سپس هزينه ساخت هر کدام از مدل‌ها بر مبنای میلگرد خاموت ستون، میلگرد طولی ستون، میلگرد خاموت تیرها، میلگرد تقويتی تیرها، میلگرد طولی تیرها، حجم بتن مصرفی، تناژ میلگرد مصرفی، هزينه بتن مصرفی، هزينه میلگرد کل، هزينه محاسبه و در نهايت تحلیل حساسیت برای هر کدام از موارد ذکر شده بررسی و مقايسه شده است.
اين تحقیق نشان می‌دهد بتن‌های با مقاومت 25 مگاپاسکال برای ساختمان سه طبقه، 35 مگاپاسکال برای ساختمان‌های 7 طبقه و 30 مگاپاسکال برای ساختمان‌های 12 طبقه باعث هرچه اقتصادی‌تر شدن ساختمان‌های بتنی با سیستم قاب خمشی با شکل‌پذيری ويژه می‌گردد. که رسیدن به اين 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 اين رو لازم و ضروری است بررسی‌های صورت گرفته توام با در نظر گرفتن مسايل و نکات فنی و رعايت 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 ويژه به بهبود و بهره‌وری منابع در پروژه‌های ساختمانی يکی از ضرورت‌های اقتصادی کشور است. به دلیل اختصاص بیش از 40 درصد ارزش نهايی هر ساختمان به مواد و مصالح، لزوم توجه به بهره‌وری مصالح اهمیت ويژه‌ای پیدا می‌کند. وضعیت نامطلوب موجود در به‌کارگیری مصالح در پروژه‌های ساختمانی و حجم بالای ضايعات مصالح منجر به پائین ماندن شاخص بهره‌وری بخش مسکن و ساختمان گرديده است. لذا بايد از حیث اقتصادی پروژه‌ها بهینه‌سازی شوند. و بايد تعادل بین ايمنی و طراحی مهندسی پروژه ها ايجاد نمود.
مصالح مورد استفاده در سازه‌های بتنی شامل بتن و میلگرد فولادی است. سهم عمده هزينه ساختمان‌های بتنی مربوط به هزينه میلگرد‌های فولادی است. با توسعه روش‌های تولید بتن و علم شیمی بتن، تولید بتن‌های با مقاومت فشاری بالا با اندکی هزينه قابل انجام است. افزايش مقاومت فشاری بتن به طور عمده در اعضای فشاری سبب کاهش قابل توجه میلگرد می‌شود. دانستن مقاومت فشاری بهینه بتن در ساختمان خود نوعی سرمايه‌گذاری و به عبارت بهتر تضمین سرمايه‌گذاری انجام شده است. علاوه بر آن مقاومت فشاری بتن به عنوان يک عامل ضروری و با ارزش‌ترين خاصیت بتن در نظر گرفته می‌شود. ولی در بعضی موارد ديگر، ساير مشخصه‌های بتن مانند دوام، نفوذپذيری، مدول الاستیسیته، مقاومت کششی و يا مقاومت خمشی از اهمیت بیشتری برخوردار است. در هر حال مقاومت فشاری بتن يک تصوير کلی را از بتن به وجود می‌آورد.
مسعود بدری بنام، علی داوران از جمله محققانی هستند که درسال 1388 به بررسی اقتصادی تاثیر افزايش 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 1393 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 3، 7 و 12 طبقه با استفاده از مقاومت فشاری مختلف بتن شامل 250، 30، 350 ،40 و  50  مگاپاسکال ، هزینه کل ساختمان محاسبه شده و بهینه‌ترین وضعیت از لحاظ اقتصادی و مقاومتی ارائه گردد.

مشخصات مدل

در قاب‌های ساختمانی خمشی در مواردي که انتظار تغییر شکل فرا ارتجاعی از سازه می‌رود، حد شکل پذيری متوسط و بالا مطرح می‌گردد. در قاب با شکل پذيری بالا که قاب خمشی ويژه نامیده می‌شود، در هنگام زلزله پس از ورود به ناحیه تغییر شکل‌های غیرخطی و تشکیل تعداد زيادی مفصل پلاستیک سازه تبديل به مکانیزم می‌گردد. طراحی قاب بايستی به گونه‌ای صورت گرفته باشد که در اين مرحله پايداری و انسجام کلی سازه حفظ گردد. برای تامین شرايط، آيین نامه‌ها و ضوابط و محدوديت‌هايی برای ابعاد هندسی مقاطع تیرها و ستون ها، میزان و توزيع میلگردهای طولی و عرضی دو تیر و ستون و جزئیات اتصال تیر و ستون و نیز حداقل مقاومت فشاری بتن مصرفی پیشنهاد می‌نمايند.
ساختمان بتنی سه طبقه با کاربری مسکونی تحلیل و طراحی شده است. ارتفاع طبقات 9 و 21 و 36 متر است. ساختمان در شهرستان آباده واقع شده است و نوع خاک محل تیپ III می‌باشد. سیستم باربر جانبی اين ساختمان در ساختمان سه طبقه قاب خمشی با شکل‌پذيری ویژه و در ساختمان 7 و 12 طبقه قاب خمشی با شکل‌پذيری ویژه و ديواربرشی در دو جهت می‌باشد. با توجه به اينکه سازه بتنی است به مصالح بتنی با مشخصات زير نیاز می‌باشد:

• جرم واحد حجم = 240 کیلوگرم بر مترمکعب
• وزن واحد حجم = 2400کیلوگرم بر مترمکعب
• مدول الاستیسیته = 218800 کیلوگرم بر سانتی مترمربع – 337646 کیلوگرم بر سانتی مترمربع
• ضريب پواسون = 2/0
• مقاومت فشاری بتن = 25 مگاپاسکال – 30 مگاپاسکال –35 مگاپاسکال – 40 مگاپاسکال –  50 مگاپاسکال.
• مقاومت تسلیم میلگرد طولی = 4000 کیلوگرم بر سانتی متر مربع مقاومت تسلیم میلگرد عرضی = 3000 کیلوگرم بر سانتی متر مربع

بارگذاری:

• بار مرده طبقات: 700 کیلوگرم بر مترمربع
• بار مرده بام: 600 کیلوگرم بر مترمربع
• بار زنده طبقات: 200 کیلوگرم بر مترمربع
• بار زنده بام: 150کیلوگرم بر مترمربع
• بار ديواره های جانبی: 250 کیلوگرم بر مترمربع

نحوه مدل سازی

در اين 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 مقايسه آن‌ها شده است. مبنای عملیات محاسباتی به شرح ذيل صورت پذيرفته است.

شکل1. مشخصات پیش فرض ساختمان‌ها

مبنای ساختمان با ابعاد 18*20 متر در سه، هفت و دوازده طبقه توسط نرم افزار  Etabs مدل‌سازی شده است. که اين فرآيند مطابق شکل‌های ذيل صورت پذيرفته‌است.

مدل 3 طبقه ساخته شده توسط Etabs

مدل 7 طبقه ساخته شده توسط Etabs

مدل ساختمان 12 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 5 تا 7  مشاهده می‌شود که ساختمان سه طبقه، مقاومت فشاری بتن 300، کمترين هزينه میلگرد و بتن مصرفی را دارد. ساختمان 7 طبقه، مقاومت فشاری بتن 400 و ساختمان 12 طبقه، مقاومت فشاری بتن 400 کمترين مقدار را دارند.

رابطه مقاومت فشاری با هزینه میلگرد و بتن مصرفی – ساختمان 3 طبقه

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه میلگرد و بتن مصرفی – ساختمان 7 طبقه

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه میلگرد و بتن مصرفی – ساختمان 12 طبقه

رابطه مقاومت فشاری بتن با هزینه میلگرد

در تمامی ساختمان‌های مشمول با افزايش مقاومت فشاری بتن، هزينه میلگرد کاهش می‌يابد.

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه میلگرد – ساختمان 3 طبقه

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه میلگرد – ساختمان 7 طبقه

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه میلگرد – ساختمان 12 طبقه

رابطه مقاومت فشاری بتن با هزینه بتن مصرفی

با توجه به نمودارهای 11 تا 13 مشاهده می‌شود که در ساختمان سه طبقه، کمترين هزينه مربوط به مقاومت فشاری بتن 250؛ درساختمان هفت طبقه، کمترين هزينه در مقاومت فشاری 250؛ و در ساختمان دوازده طبقه، کمترين هزينه به مقاومت فشاری 350 تعلق دارد.

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه بتن مصرفی – ساختمان 3 طبقه

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه بتن مصرفی – ساختمان 7 طبقه

نمودار رابطه مقاومت فشاری با هزینه بتن مصرفی – ساختمان 12 طبقه

درصد کاهش میلگرد با افزایش مقاومت فشاری بتن

با توجه به نمودارهای تدوين شده، بیشترين درصد کاهش میلگرد در ساختمان سه طبقه مربوط به مقاومت فشاری 300 و در ساختمان 7 طبقه مربوط به مقاومت فشاری  400 و در 12 طبقه مربوط به مقاومت فشاری 300 می‌باشد.

نمودار درصد کاهش میلگرد – ساختمان 3 طبقه

نمودار درصد کاهش میلگرد – ساختمان 7 طبقه

نمودار درصد کاهش میلگرد – ساختمان 12 طبقه

درصد کاهش یا افزایش هزینه کل

ساختمان سه طبقه با مقاومت فشاری 300،  ساختمان هفت طبقه با مقاومت فشاری 400، و ساختمان 12طبقه با مقاومت فشاری 450، بیشترین کاهش هزینه را دارند.

نمودار درصد کاهش یا افزایش هزینه کل- ساختمان 3 طبقه

درصد کاهش یا افزایش هزینه کل – ساختمان 7 طبقه

درصد کاهش یا افزایش هزینه کل – ساختمان 12 طبقه

نتیجه‌گیری

با استناد به نتايج به دست آمده از آنالیز و طراحی مدل‌های مشروح در اين تحقیق، نتیجه گرفته می‌شود برای ساختمان بتن مسلح 3 طبقه، بتن با مقاومت 300، برای ساختمان‌های 7 طبقه، از بتن با مقاومت 400 و برای ساختمان 12 طبقه، از بتن با مقاومت 450 استفاده گردد. البته اين نتايج متاثر از نرخ فولاد و بتن در زمان حال و نیز شرايط خاص سازه، مانند منظمی يا نامنظمی و هم‌چنین روش‌های تحلیل و طراحی سازه می‌باشد.