کامپوزیت‌ها یا چندسازه‌های ساخت بشر

از اولین کامپوزیت‌ها یا همان چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به کاه گل اشاره کرد. قایق‌هایی که سرخ‌پوست‌ها با قیر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم بز ساخته می‌شدمد و در نواحی مختلف کشورمان یافت شده است، از کامپوزیت‌های نخستین هستند.
بسیاری از نیازهای صنعتی صنایعی مانند صنایع فضایی، راکتورسازی، الکترونیکی و غیره نمی‌تواند با استفاده از مواد معمولی شناخته شده، برآورده شود. اما قسمتی از آن نیازها، می‌تواند با استفاده از چند ساه‌ها یا کامپوزیتها برآورده گردد. چندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوطی از دو یا چند عنصر ساخته شده باشند. درحالیکه در چندسازه‌ها، نه فقط خواص هر یک از اجزاء آن برجا باقی می‌ماند، بلکه درنتیجه پیوستن آنها با یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر هم بدست می‌آید. مواد مختلط همیشه ناهمگن می‌باشد.
بررسیها و تحقیقات برای دست یافتن به مواد جدیدتر با خواص مکانیکی بهتر، همواره انجام می‌گرفته و هنوز هم همگام با پیشرفت صنایع دنبال می‌گردد. در این بررسیها، اغلب این هدف دنبال می‌شود که به موادی با نسبت مناسب از استحکام کششی به چگالی، استحکام حرارتی بالا و خواص ویژه سطح خارجی دست یابند.
انواع چندسازه‌ها را می‌توان به گروههای زیر طبقه‌بندی نمود:
۱) کامپوزیت‌های پایه پلیمری: این مواد اهمیت صنعتی فراوانی دارد و هنوز هم تحقیقات در این زمینه ادامه دارد. مواد مصنوعی تقویت شده با الیاف شیشه (فایبرگلاس‌ها) یکی از این مواد می‌باشد که تاکنون کاربرد صنعتی وسیعی پیدا کرده است.
۲) کامپوزیت‌های پایه فلزی
۳) کامپوزیت‌های پایه سرامیکی : کامپوزیت‌های پایه پلیمری بیش از ۹۰% کاربرد کامپوزیت‌ها را به خود اختصاص داده‌اند و از بقیه مهمتر هستند. سابقه استفاده از کامپوزیت‌های پیشرفته، به دهه‌ ۱۹۴۰ بازمی‌گردد. در آن زمان ارتش‌های آمریکا و شوروی سابق در رقابتی تنگاتنگ با یکدیگر، موفق به ساخت کامپوزیت پایه پلیمری الیاف بور/ رزین اپوکسی برای استفاده در صنعت هوا فضا شدند. ۲۰ تا ۳۰ سال پس از آن، کامپوزیت‌های پایه پلیمری به طور گسترده‌ای به سوی صنایع شهری از جمله ساختمان و حمل و نقل روی آوردند. به طور مثال امروزه خودروهایی ساخته می‌شود که تماماْْ کامپوزیتی هستند. استفاده از کامپوزیت ها در این کاربرد به علت ویژگی‌هایی چون وزن کمتر، درنتیجه سوخت کمتر و عمر طولانی‌تر آنهاست. با توجه به پایداری بسیار زیاد کامپوزیت های پایه پلیمری و مقاومت بسیار خوب آنها در محیط‌های خورنده، این کامپوزیت‌ها، کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا کرده‌اند که از آن جمله می‌توان به ساخت بدنه قایق‌ها و کشتی‌ها و تاسیسات فراساحلی اشاره داشت. استفاده از کامپوزیت‌ها در این صنعت، حدود ۶۰% صرفه‌جویی اقتصادی داشته است که علت اصلی آن مربوط به پایداری این مواد است.
صنعت ساختمان پرمصرف‌ترین صنعت برای مواد کامپوزیتی است.استخرهای شنا، وان حمام، سینک ظرفشویی و دست‌شویی، کف‌پوش، نماپوش، سقف‌پوش، برج‌های خنک‌کننده و … همگی کامپوزیت‌های پایه پلیمری هستند. سبکی، سهولت شکل‌دهی، مقاوت در برابر خوردگی و قابلیت آب‌بندی، از ویژگی‌های کامپوزیت‌هایی است که در صنعت ساختمان به کار می‌رود. فایبرگلاس یا الیاف شیشه که پرکاربردترین کامپوزیت‌ها هستند، فیبرها یا الیاف ساخت بشر است که در آن ، ماده‌ی تشکیل دهنده‌ی فیبر، شیشه است. الیاف شیشه‌ها، موارد استفاده‌های فراوانی از جمله در: ساخت بدنه‌ی خودروها و قایق‌های تندرو و مسابقه‌ای، کلاه ایمنی موتورسواران، عایقکاری ساختمانها و کوره‌ها و یخچالها و … دارند. ساختمان و اندازه‌ی این الیاف شیشه‌ها بسیار متغیر است. کوچکترین آنها به وسیله‌ی چشم غیر مسلح دیده نمی‌شود و بسیار ریز هستند. اندازه‌های کمی بزرگتر از آن ذراتی هستند که در کارخانجات ساخت فرآورده‌های الیاف شیشه‌ها به کمک هوا نقل و انتقال یافته و سبب شوزش پوست و بینی و گلو می‌شود. الیاف شیشه متداولترین الیاف مصرفی کامپوزیت‌ها در دنیا و ایران است که متاسفانه در ایران ساخته نمی‌شود. انواع الیاف شیشه عبارتند از انواع E , C , S و کوارتز. ترکیب الیاف شیشه نوع E یا الکتریکی ، از جنس آلومینوبور و سیلیکات کلسیم بوده و دارای مقاومت ویژه الکتریکی بالایی است. الیاف شیشه نوع S ، تقریباْْ ۴۰ درصد استحکام بیشتری نسبت به الیاف شیشه نوع Eدارند. الیاف شیشه نوع C یا الیاف شیشه شیمیایی، دارای ترکیب بور و سیلیکات کربنات دو سود بوده و نسبت به دو مورد قبل پایداری شیمیایی بیشتری به خصوص در محیط‌های اسیدی دارد. الیاف شیشه کوارتز، بیشتر در مواردی که خاصیت دی‌الکتریک پایین نیاز باشد، مانند پوشش آنتن‌ها و یا رادارهای هواپیما استفاده می‌شوند.
ویژگیها و مشخصات فنی تیرچه پیش ساخته خرپایی
▪ در زیر ویژگیهای مهم اجزای تشکیل دهنده خود تیرچه ، مورد بحث قرار می گیرد. تیرچه پیش ساخته از قسمت های زیر تشکیل می یابد :
۱ـ۱) عضو کششی
۱ـ۲) میلگردهای عرضی
۱ـ۳) میلگرد بالائی
۱ـ۴) بتن پاشنه
۱ـ۱) عضو کششی
حداقل تعداد میلگرد کششی دو عدد بوده و سطح مقطع میلگردهای کششی از طریق محاسبه تعیین می شود . در هر صورت ، سطح مقطع میلگرد کششی برای فولاد نرم ، از ۰.۰۰۲۵ ، و برای فولاد نیم سخت و سخت ، از ۰.۰۰۱۵ برابر سطح مقطع جان تیر نباید کمتر باشد . توصیه می شود قطر میلگرد کششی از ۸ میلیمتر کمتر و از ۱۶ میلیمتر بیشتر نباشد. در مورد تیرچه هایی که ضخامت بتن پاشنه آنها ۵.۵ سانتیمتر یا بیشتر باشد ، می توان حداکثر قطر میلگرد کششی را به ۲۰ میلیمتر افزایش داد. برای صرفه جویی در مصرف فولاد و پیوستگی بهتر آن با بتن ، معمولا از میلگرد آجدار ، به عنوان عضو کششی استفاده می شود.
نکته بسیار حائز اهمیت اینست که در عمل باید از تطبیق مقاومت میلگردهای مورد استفاده با مقاومت قید شده در جدولها و محاسبات اطمینان حاصل کرد.
در صورت استفاده از میلگردهای کششی به تعداد بیش از دو عدد ، دو میلگرد طولی باید در سرتاسر طول تیرچه ادامه یابند ، ولی طول مورد نیاز بقیه میلگردها را می توان با توجه به نمودار لنگر خمشی محاسبه و در مقطعی که مورد نیاز نیست ، قطع نمود.
فاصله آزاد بین میلگردهای کششی نباید از قطر بزرگترین دانه شن بتن مورد مصرف در پاشنه تیرچه به اضافه ۵ میلیمتر کمتر باشد.
فاصله میلگرد کششی از لبه جانبی بتن پاشنه تیرچه ، به شرط وجود بلوک ، نباید از ۱۰ میلیمتر کمتر باشد و فاصله آزاد میلگرد کششی از سطح پائین تیرچه ( پوشش بتنی روی میلگرد ) نباید از ۱۵ میلیمتر کمتر باشد . در صورتی که از کفشک ( قالب سفالی ) استفاده شود ، فاصله آزاد میلگرد کششی از قسمت بالائی کفشک نباید از ۱۰ میلیمتر کمتر باشد.
پوشش روی میلگردها که در بالا شرح داده شد ، مربوط به تیرچه های مورد استفاده برای فضاهای داخلی ساختمانهاست. در صورتی که این تیرچه ها در محیط های باز ، مانند بالکن یا در فضاهایی که دارای مواد زیان آور برای بتن می باشند ، ادامه یابند ، اجرای یک لایه اندود ماسه سیمان پر مایه به ضخامت حداقل ۱۵ میلیمتر در زیر پوشش ، ضروری است. در ساختمانهائی که خورندگی فراگیر است یا در اقلیمهای خورنده باید حداقل ضخامت پوشش بتنی روی میلگردها رابه ۳۰ میلیمتر افزایش داد.
۱ـ۲) میلگردهای عرضی
این میلگردها جهت منظورهای زیر در تیرچه منظور می شوند:
ـ تامین اینرسی (=لختی ) لازم جهت مقاومت تیرچه در هنگام حکل و نقل.
- تامین مقاومت لازم جهت تحمل بار بلوک و بتن پوششی در بین تکیه گاه های موقت ، پیش از به مقاومت رسیدن بتن.
- جهت تامین پیوستگی لازم بین تیرچه و بتن پوششی ( درجا )
- تامین مقاومت برشی مورد نیاز تیرچه.
برای میلگردهای عرضی از نوع فولاد نرم و نیم سخت استفاده می شود که بصورت مضاعف یا منفرد تولید می شوند.
سطح مقطع میلگردهای عرضی نباید از ۰.۰۰۱۵bw.t کمتر اختیار شود که bw عرض جان مقطع و t فاصله دو میلگرد عرضی متوالی است.قطر میلگردهای عرضی از ۵ میلیمتر تا ۱۰ میلیمتر تغییر می کند ، و در هر حال ، حداقل قطر برای خرپای با میلگردهای عرضی مضاعف ۵ میلیمتر ، و برای خرپای با میلگرد عرضی منفرد، ۶ میلیمتر است. در مورد خرپای ماشینی ، میلگردهای عرضی به طور مضاعف و از نوع نیم سخت می باشند. قطر میلگردهای عرضی این نوع خرپاها بین ۴ الی ۶ میلیمتر تغییر می کند.
حداقل زاویه میلگرد عرضی نسبت به خط افق ، ۳۰ درجه است و معمولا از ۴۵ درجه کمتر نیست. ارتفاع خرپای تیرچه معمولا با توجه به ضخامت سقف ، که خود تابعی از دهانه مورد پوشش است ، تعیین می شود. فاصله میلگردهای عرضی متوالی در تیرچه ها ، حداکثر ۲۰ سانتیمتر است.
در بعضی از انواع تیرچه ها ، به جای میلگرد عرضی ، از ورق خم کاری شده با تسمه استفاده می شود.
۱ـ۳) میلگرد بالائی
از میلگرد بالائی ( میلگرد ساده یا آجدار ) به منظور تحمل نیروی فشاری خرپا در مرحله اول باربری تیرچه استفاده می شود و قطر آن با توجه به نوع میلگرد و طول دهانه ، فاصله تیرچه ها ، ارتفاع خرپای تیرچه و ضخامت بتن پوششی ، همچنین فاصله های جوشکاری عرضی ، از ۶ تا ۱۲ میلیمتر متفاوت است .
▪ میلگرد کمکی اتصال : این میلگرد ، به منظور مهار کردن میلگردهای کششی و امکان استقرار بیش از دو میلگرد کششی در ناحیه پاشنه تیرچه ، به کار برده می شود.
قطر میلگردهای کمکی اتصال ، ۶ میلیمتر و طول آنها در حدود فاصله میلگردهای کششی است. میلگردهای کمکی اتصال در فواصل ۴۰ تا ۱۰۰ سانتیمتری از یکدیگر نصب می گردند. در بعضی از کارخانه های تولید تیرچه که جهت قالب بتن پاشنه از ناودانی استفاده می شود ، معمولا بتن پاشنه تا انتهای میلگرد کششی ادامه می یابند. در این موارد ، بهتر است میلگرد کمکی در فاصله ۱۲ سانتیمتری از دو انتهای میلگرد کششی نصب شود تا هنگام اجرای سقف ، و در صورت شکستن دو سر تیرچه جهت نمایان شدن میلگردهای کششی ، خرپا صدمه نبیند.
▪ جوشکاری : اتصال میلگردهای عرضی و اعضای بالایی و زیرین خرپای تیرچه ، معمولا توسط نقطه جوش تامین می گردد. البته می توان از هر نوع عمل جوشکاری مناسب ، جهت اتصال اعضای خرپا استفاده کرد ، مشروط بر آنکه در مرحله جوشکاری ، از سطح مقطع اعضای خرپای تیرچه کاسته نشود ، مشخصات مربوط به جوشکاری باید مطابق آئین نامه های معتبر داخلی یا خارجی باشد.
۱ـ۴) بتن پاشنه
حداقل عرض بتن پاشنه ۱۰ سانتیمتر است و نباید از ( ۳.۵/۱ ) برابر ضخامت سقف کمتر باشد. ارتفاع بتن پاشنه باید به میزانی باشد که قابل بتن ریزی بوده و پوشش بتن روی میلگرد را جهت ایجاد مقاومت در برابر آتش سوزی تأمین نماید و همچنین پس از قرار گرفتن بلوک با سطح زیری تیرچه همسطح گردد. معمولا ضخامت بتن پاشنه ۴.۵ تا ۵.۵ سانتیمتر و عرض آن ۱۰ تا ۱۶ سانتیمتر است.
پاشنه پس از جاگذاری خرپا در قالب فلزی یا در قالب دایمی سفالی ( کفشک ) بتن ریزی می گردد. بتن پاشنه نقش بسیار مهمی در نحوه اجرای سقف دارد. چنانچه سطوح افقی و عمودی تیرچه ، در امتداد طولی انحنا داشته باشند ، جاگذاری بلوکها با مشکلاتی مواجه خواهد گشت. نشمینگاه بلوک باید صاف و یکنواخت باشد تا بلوکها به طور یکنواخت در محل خود قرار گیرند و سطح زیرین سقف برای نازک کاری بعدی مناسب گردد.
حداقل تاب فشاری بتن پاشنه ، ۲۵۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع است. مواد تشکیل دهنده مخلوط بتن برای یک متر مکعب بتن پاشنه تیرچه به شرح زیر توصیه می شود :
شن و ماسه تا ۱۲ ( تا ۱۲ میلیمتر ) ۱۲۰۰ لیتر
سیمان ۳۰۰- ۴۰۰ کیلوگرم
پس از بتن ریزی پاشنه ، باید مراقبت های لازم جهت نگهداری و مرطوب نگهداشتن بتن معمول گردد. نوع بتن و ضخامت پوشش بتنی روی میلگردهای کششی ، تأثیر زیادی در مقاومت سقف در مقابل آتش سوزی دارد. در صورتی که بتن پاشنه تیرچه معیوب و شکسته باشد، باید آن تیرچه را از محل عیب به دو تیرچه کوتاهتر تقسیم نمود، و یا نسبت به خرد کردن کامل بتن پاشنه و بتن ریزی مجدد آن اقدام کرد.
در صورت استفاده از قالب فلزی و عدم استفاده از کفشک، تیرچه بتن ریزی شده را می توان، بسته به شرایط حرارت محیط پس از ۲۴ تا ۴۸ ساعت از قالب خود جدا کرد. هنگام بتن ریزی پاشنه تیرچه باید به دقت خرپا داخل قالب فلزی یا کفشک قرار گیرد و میلگرد کششی در تمام طول تیرچه به طور یکسان و طبق ویژگیهای یاد شده رعایت شود. معمولا بتن تیرچه در مدت ۱۰ روز پس از بتن ریزی به مقاومت عملی (working strength)
خود می رسد.
مشخصات مواد افزودنی جهت زود گیر کردن و ایجاد کارائی بیشتر باید مطابق آئین نامه های معتبر داخلی یا بین المللی باشد.

نویسنده زابل عباسی

منبع : سایت علمی و اطلاع‌رسانی عمران ایران