پیش از مهندسی مدرن و توانایی دستکاری بتن و فولاد، دنیای معماری شامل چوب، خشت و کاهگل بود. بشر تا کنون راه زیادی را پیموده است. امروزه در جهان، شهرهایی با آسمان‌ خراش های بلند و با عظمتی را می بینیم که با ساختمان هایی بلند در اطراف خود احاطه شده‌اند. به عنوان مثال آسمان‌خراش‌های توکیوی  (یکی از شهرهایی با بالاترین تراکم آسمان‌خراش‌ها در جهان) پدیده‌ای جدید است که از سال 1963 که محدودیت‌های ارتفاع 31 متری ساختمان‌ها را لغو کرد، شکل گرفت.

کدام ماده بهتر است بتن یا فولاد؟

هر دو فواید و معایب خود را دارند. اما در مورد اینکه کدام بهتر است در ادامه همین مقاله بحث خواهیم کرد. و هر دو ماده بتن و فولاد را از زوایای مختلف مورد بررسی قرار می دهیم. همچنین در انتها در خصوص اینکه چگونه ماده مناسب برای پروژه خود را انتخاب کنید نکات کلیدی و مهمی را خواهیم گفت.

لازم است پیش از پرداختن به فواید و تفاوت های فولاد و بتن ابتدا کمی در خصوص خود فولاد و بتن بحث کنیم. به خواندن ادامه دهید تا با این دو ماده مهم بیشتر آشنا شوید.

فولاد چیست؟

فولاد آلیاژی است تشکیل شده از آهن با چند دهم درصد کربن که برای بهبود استحکام و مقاومت در برابر شکست در مقایسه با سایر اشکال آهن ساخته شده است. فولاد به دلیل استحکام کششی بالا و هزینه کم و همچنین خواص منحصر به فرد خود در ساختمان‌ها، زیرساخت‌ها، ابزارها، کشتی‌ها، قطارها، ماشین‌ها، وسایل الکتریکی و سلاح‌ها استفاده می‌شود.

شکل پذیری فولاد

یکی از خواص مکانیکی مفید فولاد، تغییر شکل آن در اثر اعمال نیرو به آن بدون ایجاد شکستگی است. این خاصیت به عنوان شکل پذیری شناخته می شود، که آن را قادر می سازد در ساخت اشکال و ساختارهای مختلف از سیم های نازک یا قطعات و پانل های بزرگ خودرو استفاده شود.

چکش خواری فولاد (استیل)

چکش خواری ارتباط نزدیکی با شکل پذیری دارد. فولاد از چکش خواری مناسبی برخوردار است که اجازه می دهد تا فولاد تحت فشار تغییر شکل دهد. این اجازه می دهد تا این آلیاژ به ورق هایی با ضخامت های متغیر فشرده شود که اغلب با چکش کاری یا نورد ایجاد می شود.

دوام استیل

سختی این آلیاژ بالا است که نشان دهنده توانایی آن در مقاومت در برابر کرنش است. فولاد ماندگاری و عمر مفید بسیار بالاتری نسبت به سایر فلزات و آلیاژها دارد و همچنین مقاومت عالی در برابر ساییدگی دارد. به همین دلیل به عنوان ماده ای بسیار با دوام و مقاوم شناخته می شود.

مقاومت در برابر زنگ زدگی فولاد

افزودن عناصر خاص، مانند کروم  برخی از انواع فولاد را در برابر زنگ زدگی مقاوم می کند. به عنوان مثال فولاد ضد زنگ حاوی نیکل، مولیبدن و کروم است که توانایی آن را در مقاومت در برابر زنگ زدگی بهبود می بخشد.

انواع فولاد

چهار نوع اصلی فولاد:

فولاد کربنی (مات مانند به نظر می رسد و در برابر خوردگی آسیب پذیر است.)

فولاد آلیاژی (که مخلوطی از چندین فلز مختلف مانند نیکل، مس و آلومینیوم است.)

فولاد ابزار (برای ساخت ابزار آلات استفاده می شود)

فولاد ضد زنگ (حاوی حداقل ۱۰.۵ درصد کروم هستند و مقاوت عالی در برابر خوردگی، زنگ زدگی سایش و غیره دارند)

بتن چیست؟

بتن یک ماده مهندسی است که خواص سنگ را ارائه می دهد که ترکیبی از ذرات نزدیک به هم است. بتن ترکیبی از سنگدانه‌ها است که معمولاً شامل ماسه طبیعی، شن و یا سنگ خرد شده است. این مواد توسط یک بایندر هیدرولیک به هم متصل می شوند تا یک توده نیمه همگن متراکم تشکیل دهد.

بتن به دلیل خصوصیات کلی خود گاهی اوقات به عنوان سنگ مصنوعی ( در زبان فارسی و اصطلاحات بازاری مرسوم نیست) شناخته می شود. بتن در برابر فشار بسیار قوی است. در مواردی که باید تنش های کششی اعمال شود، برای جذب کشش، آرماتور در بتن گنجانده می شود. بتن پرمصرف ترین ماده ساختمانی است. بتن انعطاف پذیری را در ساختار کلی فراهم می کند زیرا می توان آن را به شکل های متعددی درآورد.

مشخصات بتن

بتن یکی از مصالح ساختمانی پرکاربرد است که مخلوطی از سیمان، سنگدانه ها، آب و مواد افزودنی است. بتن اولین انتخاب برای صنعت مهندسی و عمران است زیرا ماده رایج تری است چراکه به راحتی در دسترس است و ارزان است. بتن دارای برخی خواص خوب مانند دوام عال و قالب پذیری است. حتی  در دنیای پرطرفدار مصالح سبک وزن، بتن تنها مصالح ساختمانی است که برای ساخت فونداسیون ها، تیرهای اتصال، حتی سازه‌های زیرزمینی و دریایی استفاده می شود.

خواص بتن

استحکام – قدرت

دوام

انواع بتن

در ادامه این مطلب انواع بتن مورد استفاده در صنایع را بررسی خواهیم کردیم. نیاز به خواص بتن بسته به نوع سازه، ویژگی های هندسی سازه، زمان قرارگیری بتن و سایر عوامل متفاوت است. بنابراین بر اساس موقعیت و نوع سازه می توان بتن را در چند نوع به شرح زیر دسته بندی کرد. هر کدام از این انواع دارای خواص متفاوتی از نظر استحکام، کارایی وغیره می باشند:

بتن خالص

این بتن هیچ تقویت کننده ای در خود نخواهد داشت. مواد تشکیل دهنده اصلی آن سیمان، سنگدانه ها و آب هستند. چگالی بتن ساده بین 2200 تا 2500 کیلوگرم بر متر مکعب متغیر خواهد بود. مقاومت فشاری 200 تا 500 کیلوگرم بر سانتی متر مربع است. این نوع بتن عمدتاً در ساختمان ها به ویژه در مناطقی که نیاز کمتری به مقاومت کششی بالا وجود دارد، استفاده می شود. دوام این نوع بتن ها رضایت بخش است.

بتن آرمه

بتن سیمانی تقویت شده به بتنی گفته می شود که آرماتور برای مقاومت کششی به آن افزوده می شود. بتن ساده از نظر مقاومت کششی ضعیف است ولی از مقاومت در برابر فشار خوبی برخوردار است. از این رو قرار دادن آرماتور مسئولیت تحمل تنش های کششی را بر عهده می گیرد. R.C.C با ترکیبی از بتن ساده و آرماتور ارائه می شود. آرماتور فولادی مورد استفاده در بتن می تواند به صورت، میله و یا به صورت مشبک باشد. در حال حاضر الیاف نیز به عنوان تقویت کننده استفاده می شود.

 بتن پیش تنیده

بیشتر پروژه های مگا بتن از طریق واحدهای بتن پیش تنیده انجام می شود. این یک تکنیک ویژه است که در آن میله ها یا تاندون های مورد استفاده در بتن قبل از اعمال بار سرویس واقعی تحت فشار قرار می گیرند. در طول اختلاط و قرار دادن بتن، این میلگردهای کششی از هر انتهای واحد سازه ای محکم قرار گرفته و نگه داشته می شوند. پس از گیرش و سخت شدن بتن، واحد سازه تحت فشار قرار می گیرد. این پدیده پیش تنیدگی باعث می شود که قسمت پایینی عضو بتنی در برابر کشش قوی تر شود.

بتن مسلح

Reinforced concrete یا بتن مسلح که به اختصار (RC) نوشته می شود.  همچنین به آن بتن آهنی نیز گفته می شود، این بتن یک ماده مرکب است که در آن استحکام کششی و شکل پذیری نسبتاً پایین بتن با گنجاندن آرماتورهایی با مقاومت کششی یا شکل پذیری بالاتر جبران می شود.

بتن پیش ساخته

عناصر ساختاری مختلفی را می توان طبق مشخصات در کارخانه ساخته و ریخته گری کرد و در زمان مونتاژ در محل خریداری کرد. چنین واحدهای بتنی را بتن پیش ساخته می نامند. نمونه هایی از واحدهای بتنی پیش ساخته عبارتند از بلوک های بتنی، واحدهای راه پله، دیوارها و تیرهای پیش ساخته، لنگه های بتنی و بسیاری از عناصر دیگر. این واحدها مزیت ساخت سریع را دارند زیرا فقط مونتاژ لازم است. همانطور که ساخت در محل انجام می شود

بتن سبک

بتن هایی که چگالی کمتر از 1920 کیلوگرم بر متر مکعب دارند در دسته بتن سبک قرار می گیرند. استفاده از سنگدانه های سبک در طراحی بتن به ما سنگدانه های سبکی خواهد داد. سنگدانه ها عنصر مهمی هستند که به تراکم بتن کمک می کنند. نمونه هایی از سنگدانه های سبک عبارتند از پوکه، پرلیت و اسکوریا. بتن سبک برای حفاظت از سازه های فولادی و همچنین برای ساخت پل دهانه بلند استفاده می شود.

بتن با چگالی بالا

بتن هایی که چگالی آنها بین 3000 تا 4000 کیلوگرم بر متر مکعب است را می توان بتن سنگین وزن نامید. در اینجا از سنگدانه های سنگین استفاده می شود. از سنگ های خرد شده به عنوان سنگدانه های درشت استفاده می شود. متداول ترین سنگدانه های سنگین وزن باریت ها هستند. این نوع سنگدانه ها بیشترین کاربرد را در ساخت نیروگاه های اتمی و پروژه های مشابه دارند. وزن سنگین

بتن مکیده

اینها بتن‌هایی هستند که هوا به طور برنامه ریزی شده و عمدی به مقدار 3 تا 6 درصد به داخل آنها کشیده می شود. حباب هوا در بتن با افزودن فوم ها یا مواد کف کننده گاز حاصل می شود. برخی از نمونه‌های عوامل حباب‌کننده هوا رزین‌ها، الکل‌ها و اسیدهای چرب هستند.

بتن آماده

بتن هایی که در یک کارخانه یا کارگاه مخلوط و اماده می شوند بتن آماده نامیده می شود. ایم گروه با کمک یک میکسر حمل و نقل (کامیون) به محل ساخت و ساز آورده می شود. پس از رسیدن به محل می توان از آن مستقیماً و بدون نیاز به انجام هر عملیات و فرآیند دیگری استفاده کرد. ساخت این بتن به یک کارخانه متمرکز نیاز دارد. این کارخانه ها در فاصله قابل تنظیم از محل ساخت قرار خواهند گرفت. اگر مدت زمان حمل و نقل بیش از حد طولانی باشد، منجر به گیرش بتن می شود. از این گونه مسائل مربوط به تاخیر زمانی با استفاده از عواملی که گیرش را به تاخیر می اندازند، تا حد زیادی جلوگیری می شود.

بتن پلیمری

در مقایسه با بتن معمولی، در بتن پلیمری سنگدانه ها به جای سیمان با پلیمر متصل می شوند. تولید بتن پلیمری به کاهش حجم فضاهای خالی در سنگدانه کمک می کند. این امر باعث کاهش مقدار پلیمری می شود که برای اتصال سنگدانه های مورد استفاده لازم است. از این رو سنگدانه ها بر این اساس درجه بندی و مخلوط می شوند تا حداقل فضاهای خالی و در نتیجه حداکثر چگالی به دست آید.

مقایسه فولاد و بتن

تا اینجا در خصوص بتن و فولاد توضیحات کاملی ارائه شد حالا نوبت آن رسیده تا بتن و فولاد از زوایای مختلف مورد بررسی قرار دهیم تا با مزایا و معایف هر کدام بیشتر آشنا شویم. از مطالب این قسمت می توانید به عنوان راهنمایی برای انتخاب متریال مناسب برای پروژه خود استفاده کنید.

ایمنی

در این قسمت بتن و فولاد را از نظر ایمنی بررسی می کنیم. همچنین تفاوت های بت و فولاد  را به صورت جداگانه بررسی خواهیم کرد. با ما همراه باشید تا همه چیز را در مورد بت و فولاد به شما بگوییم.

بتن:

اعلامیه اخیر لری سیلورستین، توسعه دهنده Ground Zero در مورد اقدامات ایمنی در ساختمان جدید مرکز تجارت جهانی (WTC) همان چیزی است که صنعت بتن سال ها پیش گفته است: بتن ایمن تر است.

مرکز ساختمان (جایی که آسانسورها، پله‌ها و سیستم‌های برق قرار دارند) برای محافظت در صورت آتش‌سوزی یا حمله تروریستی از بتن استفاده می شود. بتن مسلح در این محل، مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر انفجار و/یا ضربه ارائه می‌کند. علاوه بر این، می‌تواند دمای بسیار بالا ناشی از آتش‌سوزی را برای مدت طولانی بدون از دست دادن یکپارچگی ساختاری تحمل کند.

بتن برای رعایت قوانین دقیق آتش سوزی نیازی به عملیات ضد حریق اضافی ندارد و در هنگام بلایای طبیعی و بلایای انسانی عملکرد خوبی دارد. به دلیل سنگینی، جرم و استحکام ذاتی بتن، ساختمان‌هایی که با بتن مسلح ساخته می‌شوند، می‌توانند در برابر بادهایی با سرعت بیش از 200 مایل در ساعت مقاومت کنند.

با طراحی، مهندسی و ساخت مناسب، سازه‌های با اتصالات صلب ساخته شده با بتن می‌توانند شکل‌پذیری بیشتری از خود نشان دهند که در مناطق مستعد فعالیت لرزه‌ای ضروری است. با این حال، طبق گفته انجمن سیمان پرتلند (PCA)، عملکرد هر ساختمان در هنگام زلزله تا حد زیادی تابعی از طراحی می باشد، تا مواد مورد استفاده در ساخت و ساز.

فولاد:

گزارش‌های اخیر منتشر شده توسط موسسه ملی استاندارد و فناوری کاهش یکپارچگی ساختاری فولاد را عامل ریزش برج‌های WTC می‌دانند، و کارشناسان اذعان دارند که فولاد با قرار گرفتن در معرض دمای بسیار بالا می تواند نرم و ذوب شود.

با این حال، با افزودن حفاظت غیرفعال در برابر آتش، مانند عایق ضد حریق پاششی، ساختمان‌های ساخته شده از فولاد می‌توانند تا دماهای بالاتری مقاومت خود را حفظ کنند و ایمنی بیشتری ایجاد کنند.

این مقاله نشان می‌دهد که ویژگی‌های ذاتی اسکلت‌های فولادی از فروپاشی سازه جلوگیری می‌کند. جان پی کراس، معاون بازاریابی، مؤسسه ساخت و ساز فولادی آمریکا، شیکاگو، توضیح می‌دهد: «ما سازه‌های زیادی را می‌بینیم که برای شرایط انفجار ساخته شده‌اند که به طور مؤثر و بسیار اقتصادی از فولاد طراحی شده‌اند.

استحکام و شکل پذیری فولاد، اگر با مهندسی و طراحی خوب همراه باشد، آن را به انتخابی مطمئن در مناطق لرزه خیز تبدیل می کند. لری ویلیامز، کارشناس فولاد مستقر در واشنگتن، می‌گوید: اسکلت‌های فولادی تحت بارهای زیاد و بادهای شدید بسیار خوب عمل می‌کنند، زیرا انعطاف‌پذیر هستند، یعنی توانایی خم شدن، بدون شکستگی را دارند و به راحتی می‌توانند چنین انرژی را جذب کنند.

بررسی و مقایسه فولاد از نظر هزینه

در این قسمت بتن و فولاد را از نقطه نظر هزینه بررسی خواهیم کرد.

بتن:

درست است قیمت مصالح ساختمانی در جهان افزایش یافته است. اما، قیمت بتن آماده نسبتاً ثابت باقی می‌ماند و به گفته تعدادی از کارشناسان رسمی، حتی افزایش قیمت فولاد نیز کمترین تأثیر را بر پروژه‌های ساختمان‌های بتن آرمه داشته است. او می‌گوید: «قیمت‌های بتن با وجود نوسانات و افزایش قابل توجه قیمت‌های سایر مصالح ساختمانی ثابت باقی می‌ماند. (در این خصوص باید همیشه در جریان اخبار روز باشید). در خصوص قیمت بتن باید بدانید با توجه به در دسترس بودن بتن نسبت به سایر مصالح، طبیعی است که قیمت آن پایین تر باشد و‌یا نوسان قیمتی کمتری داشته باشد.

شرکت‌های بیمه مزایای ساختمان‌های بتن آرمه ریخته‌شده در محل را می‌شناسند، زیرا مزایای ذکر شده – افزایش ایمنی و یکپارچگی ساختاری – مسئولیت آنها را کاهش می‌دهد. شرکت‌های بیمه همچنین گزارش می‌دهند که مالکان و توسعه‌دهندگان برج‌های اداری کلاس A با اسکلت بتن آرمه ریخته‌شده در محل با هسته بتنی و پله‌های خروجی وسیع‌تر، سالانه نزدیک به 25 درصد در هزینه بیمه اموال صرفه‌جویی خواهند کرد.

فولاد:

خبر مهم در توسعه، قیمت فولاد است. و در حالی که فولاد سازه از نوامبر 2003 افزایش 50 درصدی را نسبت به قیمت کارخانه تجربه کرده است، کارشناسانی مانند کراس تاکید می کنند که فولاد سازه کمتر از 20 درصد کل فولاد مورد استفاده در ساخت و ساز ساختمان را تشکیل می دهد.

«اگر به تأثیر کلی بر هزینه‌های پروژه نگاه کنید، در سال گذشته شاهد افزایش حدود 10 درصدی هزینه‌های پروژه در نتیجه افزایش انواع مصالح ساختمانی بوده‌ایم. کراس توضیح می دهد که افزایش هزینه سیستم قاب سازه کمتر از 2 درصد از افزایش 10 درصدی هزینه های پروژه را نشان می دهد.

کراس می‌گوید، علی‌رغم آنچه برخی از کارشناسان بتن می‌گویند، اگر فکر می‌کردید با انتخاب بتن مسلح از افزایش قیمت فولاد فرار می‌کنید، دوباره فکر کنید. او می‌افزاید: «هزینه‌های یک سیستم اسکلت بتنی تقریباً معادل هزینه‌های یک سیستم اسکلت فلزی افزایش یافته است». برای بدست آوردن قرائت دقیق در مورد اینکه کدام ماده مقرون به صرفه است، قیمت های فعلی اسکلت فولادی و بتنی را بر اساس پروژه به پروژه تجزیه و تحلیل کنید. و به یاد داشته باشید، به گفته ویلیامز، «2004 سال خوبی برای هیچ مصالح ساختمانی نبود.

3. در دسترس بودن مواد

بتن:

در پاییز سال 2004، بسیاری از ایالت ها کمبود سیمان را گزارش کردند، ماده اولیه اتصال دهنده مورد استفاده در بتن. طوفان‌های فلوریدا و سطوح غیرمعمول فعالیت‌های ساخت‌وساز زمستانی منجر به تقاضای بیشتر و عرضه کوتاه‌تر شد.

بر اساس PCA، عوامل دیگری که به کمبود کمک می کند، نرخ حمل و نقل و در دسترس بودن محدود کشتی های حمل و نقل است. با سیمان وارداتی که مکمل منابع داخلی است، نرخ های حمل و نقل سرسام آور و حمل و نقل محدود بار منجر به هزینه های بالاتر و عرضه غیرقابل اعتماد شده است.

مطالب مرتبط: قبل از اینکه خیلی دیر شود، ساختمان خود را برای یک طوفان آماده کنید

علیرغم عرضه کم سیمان در برخی از مناطق ایالات متحده، تأثیرات آن بر شرکت‌ها، سازندگان یا پیمانکاران کوچک‌تر بوده است. آلسامسام می گوید: «توسعه دهندگان از ساختمان های اسکلت بتنی در هر بخش ساختمانی استفاده می کنند و برای قیمت گذاری پایدار و در دسترس بودن در منطقه روی بتن حساب می کنند. شرکت های سیمان به سرعت در حال گسترش هستند و انتظار می رود ظرفیت داخلی تا سال 2008 افزایش یابد.

فولاد:

در دسترس بودن فولاد اخیراً موضوع بیش از چند گفتگو بوده است و تقصیر را متوجه فعالیت‌های ساخت‌وساز در حال گسترش در کشورهای آسیایی مانند چین می‌دانند. با این حال، کارشناسان صنعت فولاد مشتاق هستند تا این افسانه را که به سادگی فولاد کافی برای دور زدن وجود ندارد را از بین ببرند.

کراس می‌گوید: «در طول سال گذشته، برداشت‌های نادرست زیادی از نظر در دسترس بودن مواد وجود داشته است. «هیچ کمبودی وجود ندارد. صنعت فولاد سازه ای ایالات متحده ظرفیت تولید 6 میلیون تن فولاد سازه ای در سال را دارد. در سال 2004، استفاده ما حدود 4 میلیون تن محصول ساختاری فلنج پهن بود، که به این معنی است که مطمئنا ظرفیت کافی برای پاسخگویی به هر گونه رشد در آینده قابل پیش بینی وجود دارد. فولاد سازه ای به راحتی در دسترس است.

بازیافت بتن نیز مقرون به صرفه نیست

تنها حدود 50 درصد از بتن پس از تخریب، بازیافت می شود. 50 درصد دیگر در نهایت به محل های دفن زباله، ریخته می شود. که یک مشکل زیست محیطی واقعی ایجاد می کند.

بازیافت صد درصدی فولاد

فولاد تنها ماده ای است که بدون توجه به چند بار بازیافت تمام استحکام خود را حفظ می کند – و فولاد 100٪ قابل بازیافت است.

تاثیر خواص مغناطیسی فولاد بر فرآیند بازیافت

خواص مغناطیسی ضایعات فولاد، حمل و بازیافت آن را ساده و اقتصادی می کند. امروزه آمریکایی ها تقریباً 100 درصد از تمام فولادهای سازه ای را بازیافت می کنند. بازیافت فولاد در واقع هزینه کمتری نسبت به تولید فولاد جدید دارد. هر تن فولاد بازیافتی، حدود 2500 پوند سنگ آهن، 1400 پوند زغال سنگ، 120 پوند سنگ آهک و مقادیر زیاد انرژی صرفه جویی می کند!

تولید دی اکسید کربن در فولا بیشتر است یا بتن

متأسفانه فولاد نیز مانند سیمان مقداری دی اکسید کربن تولید می کند. با این حال، نوآوری در تولید فولاد در دهه های اخیر، انتشار گلخانه ای را تا 37 درصد کاهش داده است. تحقیق و توسعه مداوم به جستجوی راه هایی برای کاهش بیشتر انتشارات و انرژی مورد استفاده در تولید فولاد ادامه می دهد.

کاهش گرمای مناطق شهری با استفاده از فولاد

استفاده از پانل های فولادی بازتابنده بر روی ساختمان های فلزی به کاهش اثرات گرمای شهری در شهرها کمک می کند.