خزش بتن: علل، انواع، آثار و عوامل مؤثر
خزش بتن چیست؟
خزش بتن (Concrete Creep) به افزایش تدریجی و وابسته به زمانِ تغییرشکل بتن گفته میشود که در اثر قرار گرفتن بتن تحت بار یا تنش پایدار (Sustained Load/Stress) برای مدت طولانی ایجاد میشود. برخلاف تغییرشکل آنی ناشی از رفتار الاستیک، خزش بهصورت تدریجی و در طول زمان توسعه پیدا میکند و میتواند بر عملکرد تیرها، ستونها، دالها و اعضای بتن پیشتنیده (Prestressed Concrete Members) تأثیر قابلتوجهی داشته باشد.
میزان خزش به عوامل متعددی از جمله سن بتن هنگام بارگذاری، شرایط رطوبتی و رطوبت نسبی محیط، ویژگیهای طرح اختلاط، ابعاد عضو سازهای و مدت و شدت تنش پایدار وابسته است.
شناخت رفتار خزش از آن جهت اهمیت دارد که تغییرشکلهای بیش از حد در بلندمدت میتوانند بهرهبرداری سازه (Serviceability)، نازککاریها، تغییرمکانها و عملکرد سازهای را تحت تأثیر قرار دهند. ازاینرو، خزش باید در ارزیابی رفتار بلندمدت سازه و طراحی اعضای حساس به تغییرشکل مورد توجه قرار گیرد.
در این مطلب، سازوکار ایجاد خزش، انواع آن، عوامل مؤثر، آثار خزش بر سازه و نحوه لحاظ کردن آن در طراحی سازهای (Structural Design) بررسی میشود.
پاسخ کوتاه
خزش بتن، تغییرشکل وابسته به زمان بتن تحت اثر بار یا تنش پایدار است. پس از ایجاد تغییرشکل اولیه و آنی ناشی از بارگذاری، تغییرشکل اضافی بهتدریج در طول زمان توسعه پیدا میکند.
میزان خزش تحت تأثیر عواملی مانند رطوبت، سن بتن، مقاومت و سختی بتن، ابعاد عضو سازهای و مدت بارگذاری قرار دارد.
خزش در سازههای دهانهبلند، ستونهای تحت بار دائمی و بهویژه سازههای بتن پیشتنیده اهمیت بیشتری دارد، زیرا میتواند موجب افزایش خیز بلندمدت و کاهش تدریجی نیروی مؤثر پیشتنیدگی شود.
خزش بتن: علل، انواع، آثار و عوامل مؤثر
بتن عموماً بهعنوان مصالحی با مقاومت و دوام بالا شناخته میشود؛ بااینحال، رفتار آن در طول زمان ثابت باقی نمیماند.
هنگامی که یک عضو بتنی تحت اثر بار پایدار (Sustained Load) قرار میگیرد، در لحظه اعمال بار دچار تغییرشکل اولیه میشود. اگر این بار برای مدت طولانی روی عضو باقی بماند، تغییرشکل بتن نیز میتواند بهتدریج افزایش پیدا کند.
این تغییرشکل وابسته به زمان، خزش (Creep) نامیده میشود.
خزش یک ویژگی ذاتی و طبیعی بتن است و لزوماً به معنای اجرای نامناسب یا کیفیت پایین بتن نیست. بااینحال، از آنجا که میتواند رفتار بلندمدت سازه را تغییر دهد، باید در طراحی سازهای مورد توجه قرار گیرد.
خزش بتن دقیقاً چیست؟
خزش بتن عبارت است از افزایش تدریجی کرنش (Strain) و تغییرشکل بتن در طول زمان، هنگامی که بتن تحت یک تنش پایدار قرار دارد.
برای مثال، یک تیر بتنآرمه را در نظر بگیرید که بارهای دائمی سازه را تحمل میکند. تیر بلافاصله پس از اعمال بار، مقدار مشخصی خیز پیدا میکند. اما اگر بار برای مدت طولانی ثابت باقی بماند، تیر بهمرور زمان دچار تغییرشکل بیشتری خواهد شد؛ حتی اگر مقدار بار اعمالشده تقریباً بدون تغییر باقی مانده باشد.
خزش با تغییرشکل الاستیک آنی (Instantaneous Elastic Deformation) تفاوت دارد.
تغییرشکل آنی
در لحظه اعمال بار، بتن دچار تغییرشکل اولیه میشود که بخش مهمی از آن ناشی از رفتار الاستیک بتن است.
تغییرشکل خزشی
در صورت تداوم تنش، تغییرشکل اضافی بهصورت تدریجی و وابسته به زمان توسعه پیدا میکند.
بنابراین، تغییرشکل نهایی در بلندمدت میتواند بهمراتب بیشتر از تغییرشکلی باشد که بلافاصله پس از اعمال بار مشاهده میشود.
چرا بتن دچار خزش میشود؟
بتن یک ماده کاملاً صلب نیست. خمیر سیمان (Cement Paste) موجود در بتن دارای منافذ بسیار ریز، رطوبت و ساختاری پیچیده است که در اثر اعمال تنش پایدار، بهتدریج دچار تغییر و بازآرایی میشود.
خزش بتن عمدتاً با تغییرشکل خمیر سیمان مرتبط است.
سازوکارهای مختلفی در ایجاد این پدیده نقش دارند؛ از جمله حرکت و بازتوزیع رطوبت در خمیر سیمان و تغییرات تدریجی در ساختار داخلی سیمان هیدراته.
از طرف دیگر، سنگدانهها نیز بر میزان خزش تأثیر دارند، زیرا در برابر تغییرشکل خمیر سیمان مقاومت ایجاد میکنند.
بنابراین، رفتار خزشی بتن را نمیتوان صرفاً به ویژگیهای سیمان نسبت داد؛ بلکه این رفتار حاصل برهمکنش ویژگیهای مختلف بتن، سنگدانه، خمیر سیمان، رطوبت و شرایط محیطی است.
خزش بتن در مقابل جمعشدگی بتن
خزش (Creep) و جمعشدگی (Shrinkage) هر دو پدیدههایی وابسته به زمان هستند، اما از نظر مکانیزم و علت ایجاد با یکدیگر تفاوت دارند.
|
خزش (Creep) |
جمعشدگی (Shrinkage) |
ویژگی |
|
تنش یا بار پایدار |
کاهش رطوبت و سایر تغییرات حجمی |
عامل اصلی |
|
بله، در خزش متعارف |
خیر |
نیاز به بار خارجی |
|
افزایش تدریجی کرنش و تغییرشکل |
کاهش حجم و ابعاد عضو |
پیامد اصلی |
|
بله |
بله |
وابستگی به زمان |
|
افزایش خیز، بازتوزیع تنش و کاهش نیروی پیشتنیدگی |
ترکخوردگی و تغییرات ابعادی |
آثار سازهای |
این دو پدیده ممکن است بهطور همزمان در یک عضو بتنی رخ دهند؛ بنابراین، در بررسی رفتار بلندمدت سازه باید خزش و جمعشدگی بهصورت جداگانه و متناسب با اثراتشان در نظر گرفته شوند.
انواع خزش بتن
خزش را میتوان بر اساس شرایط محیطی و بارگذاری به انواع مختلفی تقسیم کرد.
۱. خزش پایه (Basic Creep)
خزش پایه (Basic Creep) به خزشی گفته میشود که در اثر بارگذاری پایدار ایجاد میشود، در حالی که بتن در شرایط رطوبتی کنترلشده قرار دارد و تبادل رطوبت قابلتوجهی با محیط اطراف ندارد.
به بیان ساده، در خزش پایه اثر خشکشدن بتن از پدیده خزش تفکیک میشود.
۲. خزش ناشی از خشکشدن (Drying Creep)
خزش ناشی از خشکشدن (Drying Creep) زمانی رخ میدهد که بتن همزمان با قرار گرفتن تحت تنش پایدار، در معرض خشکشدن نیز قرار داشته باشد.
خشکشدن میتواند در شرایط مشابه، مقدار تغییرشکل خزشی را نسبت به خزش پایه افزایش دهد.
۳. خزش کل (Total Creep)
در ارزیابی عملی سازهها، بسته به شرایط واقعی محیطی و بارگذاری، میتوان رفتار خزشی بلندمدت بتن را بهصورت خزش کل (Total Creep) در نظر گرفت.
البته تعریف دقیق این اصطلاح و روش محاسبه آن ممکن است بر اساس آییننامه یا استاندارد طراحی مورد استفاده متفاوت باشد.
کرنش خزشی بتن
کرنش خزشی (Creep Strain) بیانگر کرنش اضافی است که در طول زمان و در اثر اعمال تنش پایدار ایجاد میشود.
یکی از روابط سادهشده برای بیان این رفتار، استفاده از ضریب خزش (Creep Coefficient) است:
ضریب خزش = کرنش خزشی / کرنش الاستیک اولیه
بااینحال، مقدار واقعی ضریب خزش به استاندارد طراحی مورد استفاده و همچنین پارامترهای مربوط به بتن و محیط بستگی دارد.
بنابراین، ضریب خزش را نباید یک مقدار ثابت و عمومی برای تمام بتنها در نظر گرفت؛ زیرا رفتار خزشی بهشدت تابع شرایط بارگذاری، سن بتن، رطوبت، ابعاد عضو و ویژگیهای مصالح است.
عوامل مؤثر بر خزش بتن
عوامل متعددی میتوانند مقدار و سرعت توسعه خزش در بتن را تحت تأثیر قرار دهند.
۱. سن بتن هنگام بارگذاری
بتنی که در سنین پایینتر تحت بار قرار میگیرد، معمولاً نسبت به بتنی که در سن بالاتر بارگذاری میشود، خزش بیشتری نشان میدهد.
با افزایش سن بتن، مقاومت و سختی آن افزایش پیدا میکند و در نتیجه رفتار خزشی آن نیز تغییر میکند.
۲. شدت تنش پایدار
بهطور کلی، افزایش تنش پایدار باعث افزایش خزش میشود؛ البته این موضوع در محدوده تنشهایی معتبر است که مدلهای متعارف خزش برای آنها قابل استفاده باشند.
در تنشهای بسیار بالا، رفتار بتن میتواند وارد محدوده غیرخطی (Nonlinear Behavior) شود و سازوکارهای پیچیدهتری ایجاد شود.
۳. مدت زمان بارگذاری
خزش تا زمانی که تنش پایدار بر بتن اعمال میشود، بهصورت تدریجی توسعه پیدا میکند.
نرخ خزش معمولاً در مراحل اولیه بیشتر است و با گذشت زمان کاهش مییابد.
۴. شرایط رطوبتی
رطوبت نسبی محیط (Relative Humidity) تأثیر قابلتوجهی بر رفتار خزشی بتن دارد.
بتنی که در شرایط خشکشدن قرار دارد، معمولاً نسبت به بتنی که از تبادل رطوبت با محیط محافظت شده است، تغییرشکل خزشی بیشتری نشان میدهد.
۵. ابعاد عضو سازهای
اعضای سازهای کوچکتر معمولاً با سرعت بیشتری با محیط اطراف خود تبادل رطوبت دارند.
ازاینرو، ابعاد عضو (Member Size) بر سرعت و میزان خزش اثرگذار است.
۶. مقاومت بتن
مقاومت و سختی بتن بر رفتار خزشی آن تأثیر دارند.
در شرایط مشابه، بتنهای با مقاومت بالاتر معمولاً خزش کمتری نشان میدهند؛ بااینحال، رفتار واقعی بتن به ترکیب کامل مصالح، طرح اختلاط و سابقه عملآوری آن وابسته است.
۷. ویژگیهای سنگدانه
سنگدانهها با محدود کردن تغییرشکل خمیر سیمان، نقش مهمی در کنترل خزش دارند.
بنابراین عواملی مانند نوع سنگدانه، سختی (Stiffness)، درصد حجمی و اندازه سنگدانهها میتوانند بر میزان خزش بتن تأثیر بگذارند.
۸. نسبت آب به سیمان
نسبت آب به سیمان (Water-Cement Ratio) بر مقدار و ویژگیهای خمیر سیمان تأثیر میگذارد.
در شرایط مشابه، بتنهایی با نسبت آب به سیمان بالاتر معمولاً خزش بیشتری از خود نشان میدهند.
۹. عملآوری بتن
عملآوری (Curing) مناسب امکان پیشرفت بهتر فرآیند هیدراتاسیون سیمان را فراهم کرده و بر ریزساختار نهایی بتن تأثیر میگذارد.
عملآوری نامناسب میتواند خواص مکانیکی بتن و رفتار تغییرشکل آن در بلندمدت را تحت تأثیر قرار دهد.
۱۰. دما
دمای محیط بر حرکت رطوبت و فرآیند هیدراتاسیون سیمان تأثیر میگذارد و از این طریق میتواند رفتار خزشی بتن را تغییر دهد.
اهمیت این عامل به شرایط محیطی، مدت و شدت مواجهه با دما و همچنین شرایط بهرهبرداری سازه بستگی دارد.
آثار خزش بر سازههای بتنی
خزش میتواند آثار مختلفی بر عملکرد سازه داشته باشد؛ برخی از این آثار قابلکنترل هستند، اما در اعضای حساس به تغییرشکل میتوانند بسیار مهم باشند.
افزایش خیز
یکی از مهمترین پیامدهای خزش، افزایش خیز بلندمدت (Long-Term Deflection) تیرها و دالها است.
این مسئله بهخصوص در اعضای دهانهبلند (Long-Span Members) اهمیت بیشتری پیدا میکند؛ زیرا در این اعضا کنترل معیارهای بهرهبرداری اهمیت زیادی دارد.
بازتوزیع تنش
در اعضای بتنآرمه (Reinforced Concrete)، خزش میتواند موجب بازتوزیع تنش بین بتن و آرماتورهای فولادی شود.
کاهش نیروی پیشتنیدگی
خزش بتن یکی از عوامل مهم در افت پیشتنیدگی (Prestress Loss) اعضای بتن پیشتنیده است.
خزش باعث کوتاهشدن تدریجی بتن شده و در نتیجه میتواند نیروی مؤثر پیشتنیدگی (Effective Prestressing Force) را در طول زمان کاهش دهد.
کوتاهشدگی ستونها
خزش میتواند در کوتاهشدن بلندمدت ستونهای بتنی نیز نقش داشته باشد.
در ساختمانهای بلندمرتبه، کوتاهشدگی تفاضلی (Differential Shortening) میان اعضای سازهای مختلف میتواند به یک مسئله مهم طراحی تبدیل شود.
تأثیر بر نازککاریها
تغییرشکل بلندمدت اعضای سازهای میتواند بر تیغهها، سقفهای کاذب، نما و سایر اجزای نازککاری (Finishes) متصل به سازه اثر بگذارد.
حرکت بیش از حد سازه ممکن است موجب ترکخوردگی یا ایجاد مشکلات بهرهبرداری شود.
خزش در بتنآرمه
آرماتورهای فولادی بر رفتار بلندمدت اعضای بتنآرمه تأثیر میگذارند.
هنگامی که بتن تحت بار پایدار دچار خزش میشود، آرماتورهای موجود در بتن بخشی از این تغییرشکل را محدود میکنند.
در نتیجه، تنشها بین بتن و فولاد بهتدریج باز توزیع (Stress Redistribution) میشوند.
میزان این اثر به عواملی مانند نسبت آرماتور، هندسه عضو، شرایط بارگذاری و سایر پارامترهای سازهای بستگی دارد.
به همین دلیل، در ارزیابی خیز بلندمدت و رفتار تنش-کرنش اعضای بتنآرمه، اثر خزش باید مورد توجه قرار گیرد.
خزش در بتن پیشتنیده
خزش در بتن پیشتنیده (Prestressed Concrete) اهمیت ویژهای دارد.
در اعضای پیشتنیده، یک نیروی فشاری اولیه بهصورت عمدی در عضو ایجاد میشود. با گذشت زمان، خزش بتن باعث کوتاهشدن تدریجی بتن تحت اثر تنشهای موجود میشود.
از آنجا که فولاد پیشتنیدگی به عضو متصل است یا با آن درگیر است، این کوتاهشدن بتن میتواند باعث کاهش نیروی مؤثر پیشتنیدگی شود.
سایر عوامل مؤثر بر افت پیشتنیدگی عبارتاند از:
- جمعشدگی بتن (Concrete Shrinkage)
- وادادگی یا آرامش فولاد پیشتنیدگی (Relaxation of Prestressing Steel)
- اثرات مربوط به مهار و انکوریج (Anchorage Effects)
- افت اصطکاکی (Friction Losses) در سیستمهایی که این پدیده در آنها مطرح است
بنابراین، در طراحی اعضای پیشتنیده باید تمامی افتهای مرتبط با سیستم در نظر گرفته شوند تا عملکرد مورد انتظار عضو در بلندمدت تأمین شود.
خزش و خیز بلندمدت
یکی از مهمترین پیامدهای عملی خزش، افزایش خیز بلندمدت (Long-Term Deflection) است.
یک تیر بتنآرمه را در نظر بگیرید که بار دائمی را تحمل میکند. بلافاصله پس از اعمال بار، تیر دچار خیز آنی میشود.
با توسعه خزش، بتن دچار تغییرشکل اضافی شده و در نتیجه خیز تیر نیز بهتدریج افزایش پیدا میکند.
به همین دلیل، در طراحی سازهای باید هر دو مؤلفه زیر مورد بررسی قرار گیرند:
خیز آنی + خیز ناشی از اثرات بلندمدت = خیز بلندمدت عضو
بنابراین، کنترل بهرهبرداری (Serviceability) تنها با بررسی تغییرشکل لحظهای عضو کامل نمیشود.
چگونه میتوان خزش بتن را کاهش داد؟
خزش را نمیتوان در بتن معمولی بهطور کامل حذف کرد؛ اما میتوان با استفاده از روشهای مناسب طراحی و اجرای بتن، مقدار آن را کنترل کرد.
استفاده از مقاومت مناسب بتن
مقاومت و سختی مناسب بتن میتواند در شرایط مشابه، میزان تغییرشکل را کاهش دهد. البته انتخاب مقاومت بتن باید بر اساس نیازهای واقعی سازه انجام شود.
کنترل مقدار آب
طرح اختلاط مناسب و کنترل میزان آب میتواند از افزایش غیرضروری خمیر سیمان و تغییرشکلهای ناشی از آب اضافی جلوگیری کند.
استفاده از سنگدانه مناسب
سنگدانههای سختتر میتوانند محدودیت بیشتری در برابر تغییرشکل خمیر سیمان ایجاد کرده و از این طریق بر کاهش خزش اثرگذار باشند.
عملآوری مناسب
عملآوری صحیح باعث پیشرفت مناسب هیدراتاسیون سیمان و شکلگیری بهتر خواص نهایی بتن میشود.
جلوگیری از بارگذاری زودهنگام غیرضروری
اجازه دادن به بتن برای دستیابی به مقاومت و سختی کافی پیش از اعمال بارهای پایدار قابلتوجه، میتواند نسبت به بارگذاری در سنین بسیار پایین، خزش بلندمدت را کاهش دهد.
توجه به ابعاد عضو
ابعاد عضو بر نحوه تبادل رطوبت با محیط و در نتیجه بر رفتار خزشی تأثیر دارد؛ بنابراین باید در طراحی و ارزیابی بلندمدت عضو لحاظ شود.
آزمایش خزش بتن
برای ارزیابی تغییرشکل وابسته به زمان، میتوان از آزمایشهای خزش بتن (Concrete Creep Tests) در شرایط آزمایشگاهی کنترلشده استفاده کرد.
یک آزمایش متداول خزش معمولاً شامل مراحل زیر است:
- تهیه نمونههای بتنی
- رساندن نمونهها به سن موردنظر
- اعمال یک بار پایدار
- اندازهگیری تغییرشکل در طول زمان
- مقایسه کرنش اندازهگیریشده با نمونه مرجع یا نمونه بدون بار
ابعاد نمونه، شرایط بارگذاری، مدت آزمایش و روش اندازهگیری دقیقاً به استاندارد آزمایش مربوطه بستگی دارد.
خزش چگونه در طراحی سازهای لحاظ میشود؟
مهندسان سازه برای برآورد تغییرشکلهای بلندمدت از آییننامههای طراحی و مدلهای معتبر خزش (Creep Models) استفاده میکنند.
بسته به استاندارد مورد استفاده، محاسبات میتواند پارامترهای زیر را در نظر بگیرد:
- سن بتن هنگام بارگذاری
- رطوبت نسبی محیط
- ابعاد عضو
- مقاومت بتن
- ویژگیهای سیمان و سنگدانه
- مدت بارگذاری
- سطح تنش
- شرایط عملآوری
روش دقیق محاسبه به آییننامه طراحی مورد استفاده وابسته است.
در سازههای مهم و حساس، خیز بلندمدت، تغییرشکلهای ناشی از خزش و اثر آن بر افت پیشتنیدگی باید بهصورت دقیق توسط مهندس سازه ارزیابی شود.
مثال سادهای از خزش بتن
فرض کنید یک تیر بتنی پس از اعمال یک بار پایدار، دچار کرنش الاستیک اولیه شود.
اگر در ادامه، به دلیل باقیماندن بار روی عضو، تغییرشکل اضافی بهتدریج در طول زمان ایجاد شود، این کرنش اضافی وابسته به زمان، بیانگر کرنش خزشی خواهد بود.
فرآیند را میتوان بهصورت ساده اینگونه نمایش داد:
بار پایدار → کرنش اولیه → توسعه کرنش وابسته به زمان → افزایش تغییرشکل بلندمدت
مقدار واقعی این تغییرشکل به ویژگیهای بتن، شرایط محیطی، نحوه بارگذاری، سطح تنش و مدت زمان بارگذاری بستگی دارد.
چند تصور نادرست رایج درباره خزش بتن
خزش یعنی بتن در حال شکست است.
لزوماً اینطور نیست. خزش یکی از رفتارهای طبیعی بتن در شرایط تنش پایدار است و بهخودیخود به معنای شکست یا خرابی سازه نیست.
خزش فقط در بتن بیکیفیت اتفاق میافتد.
خیر. تقریباً تمام بتنهای معمولی درجاتی از خزش را تجربه میکنند. کیفیت بتن، طرح اختلاط و شرایط عملآوری عمدتاً بر مقدار خزش تأثیر میگذارند.
خزش بلافاصله پس از بارگذاری اتفاق میافتد.
خزش یک پدیده وابسته به زمان است. اگرچه نرخ خزش معمولاً در مراحل اولیه بیشتر است، توسعه آن در طول زمان ادامه پیدا میکند و بهتدریج سرعت آن کاهش مییابد.
خزش و جمعشدگی یک پدیده هستند.
خیر. این دو پدیده متفاوتاند. خزش به تنش پایدار وابسته است، در حالی که جمعشدگی میتواند بدون اعمال بار خارجی نیز اتفاق بیفتد.
میتوان خزش را کاملاً حذف کرد.
در بتن معمولی نمیتوان خزش را بهطور کامل حذف کرد. رویکرد صحیح این است که مقدار مورد انتظار خزش در طراحی و ارزیابی عملکرد بلندمدت سازه لحاظ شود.
جمعبندی
خزش بتن یک پدیده طبیعی و وابسته به زمان است که در اثر قرار گرفتن بتن تحت تنش پایدار ایجاد میشود. اگرچه وقوع خزش بهخودیخود نشانه شکست یا ضعف سازه نیست، اما میتواند تأثیر قابلتوجهی بر خیز بلندمدت، بازتوزیع تنش، کوتاهشدگی ستونها و افت نیروی پیشتنیدگی داشته باشد.
میزان خزش به مجموعهای از عوامل از جمله سن بتن هنگام بارگذاری، رطوبت نسبی، ابعاد عضو، مقاومت و سختی بتن، ویژگیهای سنگدانه، مقدار تنش پایدار و مدت بارگذاری وابسته است.
طرح اختلاط مناسب، استفاده از سنگدانههای مطلوب، عملآوری صحیح و اجتناب از بارگذاری غیرضروری در سنین پایین میتواند به کنترل خزش کمک کند؛ بااینحال، حذف کامل این پدیده در بتن معمولی امکانپذیر نیست.
از دیدگاه مهندسی سازه، نکته اساسی این است که اثر خزش در ارزیابی رفتار بلندمدت (Long-Term Behavior) اعضای سازهای، بهخصوص تیرها، دالها، ستونهای ساختمانهای بلند و اعضای بتن پیشتنیده، مطابق ضوابط استاندارد طراحی مربوطه لحاظ شود.
پرسشهای متداول
۱. خزش بتن چیست؟
خزش بتن عبارت است از افزایش تدریجی و وابسته به زمانِ تغییرشکل بتن هنگامی که بتن برای مدت طولانی تحت یک بار یا تنش پایدار قرار دارد. عضو ابتدا دچار تغییرشکل آنی میشود و سپس تغییرشکل اضافی بهتدریج توسعه پیدا میکند.
خزش یکی از ویژگیهای طبیعی بتن است و در طراحی سازهای برای کنترل خیز بلندمدت و سایر آثار ناشی از تغییرشکل درازمدت مورد توجه قرار میگیرد.
۲. علت ایجاد خزش در بتن چیست؟
خزش عمدتاً به تغییرشکل وابسته به زمان خمیر سیمان تحت تنش پایدار مربوط است. حرکت رطوبت، ساختار داخلی سیمان هیدراته، سن بتن، ویژگیهای سنگدانه، سطح تنش و شرایط محیطی همگی میتوانند بر میزان خزش اثر بگذارند.
بنابراین، رفتار خزشی به یک عامل منفرد وابسته نیست و باید آن را حاصل برهمکنش ویژگیهای مصالح، محیط و شرایط بارگذاری دانست.
۳. تفاوت خزش و جمعشدگی چیست؟
خزش، تغییرشکل وابسته به زمان در اثر تنش پایدار است؛ در حالی که جمعشدگی یک تغییر حجم است که میتواند بدون وجود بار خارجی نیز اتفاق بیفتد.
هر دو پدیده تحت تأثیر رطوبت، ترکیبات بتن و شرایط محیطی قرار دارند و ممکن است بهطور همزمان رخ دهند. بااینحال، در تحلیل رفتار بلندمدت سازه باید آثار آنها بهصورت جداگانه ارزیابی شود.
۴. چه عواملی بر خزش بتن تأثیر میگذارند؟
مهمترین عوامل عبارتاند از:
- سن بتن هنگام بارگذاری
- شدت تنش پایدار
- مدت بارگذاری
- رطوبت نسبی
- ابعاد عضو
- مقاومت و سختی بتن
- ویژگیهای سنگدانه
- نسبت آب به سیمان
- شرایط عملآوری
- دما
این عوامل با یکدیگر برهمکنش دارند؛ بنابراین نمیتوان خزش را تنها بر اساس یک ویژگی مصالح یا یک پارامتر اجرایی با دقت مناسب پیشبینی کرد.
۵. خزش چه اثری بر تیرهای بتنآرمه دارد؟
خزش میتواند موجب افزایش خیز بلندمدت تیرها و دالهای بتنآرمه شود. همچنین میتواند باعث بازتوزیع تنش بین بتن و آرماتور شود.
این اثر در اعضایی که برای مدت طولانی تحت بارهای دائمی قرار دارند، بهخصوص اعضای دهانهبلند و اعضایی که محدودیتهای بهرهبرداری سختگیرانه دارند، اهمیت بیشتری پیدا میکند.
۶. چرا خزش در بتن پیشتنیده اهمیت زیادی دارد؟
خزش موجب کوتاهشدن تدریجی بتن تحت تنش میشود. از آنجا که فولاد پیشتنیدگی با بتن عضو درگیر است، این کوتاهشدن میتواند باعث کاهش نیروی مؤثر پیشتنیدگی شود.
به همین دلیل، در طراحی اعضای پیشتنیده، خزش بتن در کنار جمعشدگی بتن، وادادگی فولاد پیشتنیدگی و سایر افتهای مرتبط باید در محاسبات بلندمدت لحاظ شود.
۷. آیا میتوان خزش بتن را متوقف کرد؟
خیر، در بتن معمولی نمیتوان خزش را بهطور کامل حذف کرد. بااینحال، میتوان با طرح اختلاط مناسب، انتخاب سنگدانه مناسب، عملآوری صحیح، تأمین مقاومت کافی و کنترل شرایط بارگذاری مقدار آن را کاهش داد.
علاوه بر این، مهندس سازه میتواند اثر خزش مورد انتظار را در محاسبات تغییرشکل بلندمدت لحاظ کند.
۸. آیا خزش بتن همان تغییرشکل دائمی است؟
خزش نوعی تغییرشکل وابسته به زمان تحت تنش پایدار است، اما نباید آن را مترادف تمام انواع تغییرشکل دائمی دانست.
بخشی از تغییرشکل ایجادشده ممکن است پس از حذف بار بازیابی شود، در حالی که بخش دیگری میتواند باقی بماند. روشهای طراحی سازهای با توجه به مدل رفتاری بتن، این مؤلفهها را در ارزیابی عملکرد بلندمدت در نظر میگیرند.
خزش بتن چیست؟
خزش بتن (Concrete Creep) به افزایش تدریجی و وابسته به زمانِ تغییرشکل بتن گفته میشود که در اثر قرار گرفتن بتن تحت بار یا تنش پایدار (Sustained Load/Stress) برای مدت طولانی ایجاد میشود. برخلاف تغییرشکل آنی ناشی از رفتار الاستیک، خزش بهصورت تدریجی و در طول زمان توسعه پیدا میکند و میتواند بر عملکرد تیرها، ستونها، دالها و اعضای بتن پیشتنیده (Prestressed Concrete Members) تأثیر قابلتوجهی داشته باشد.
میزان خزش به عوامل متعددی از جمله سن بتن هنگام بارگذاری، شرایط رطوبتی و رطوبت نسبی محیط، ویژگیهای طرح اختلاط، ابعاد عضو سازهای و مدت و شدت تنش پایدار وابسته است.
شناخت رفتار خزش از آن جهت اهمیت دارد که تغییرشکلهای بیش از حد در بلندمدت میتوانند بهرهبرداری سازه (Serviceability)، نازککاریها، تغییرمکانها و عملکرد سازهای را تحت تأثیر قرار دهند. ازاینرو، خزش باید در ارزیابی رفتار بلندمدت سازه و طراحی اعضای حساس به تغییرشکل مورد توجه قرار گیرد.
در این مطلب، سازوکار ایجاد خزش، انواع آن، عوامل مؤثر، آثار خزش بر سازه و نحوه لحاظ کردن آن در طراحی سازهای (Structural Design) بررسی میشود.
پاسخ کوتاه
خزش بتن، تغییرشکل وابسته به زمان بتن تحت اثر بار یا تنش پایدار است. پس از ایجاد تغییرشکل اولیه و آنی ناشی از بارگذاری، تغییرشکل اضافی بهتدریج در طول زمان توسعه پیدا میکند.
میزان خزش تحت تأثیر عواملی مانند رطوبت، سن بتن، مقاومت و سختی بتن، ابعاد عضو سازهای و مدت بارگذاری قرار دارد.
خزش در سازههای دهانهبلند، ستونهای تحت بار دائمی و بهویژه سازههای بتن پیشتنیده اهمیت بیشتری دارد، زیرا میتواند موجب افزایش خیز بلندمدت و کاهش تدریجی نیروی مؤثر پیشتنیدگی شود.
خزش بتن: علل، انواع، آثار و عوامل مؤثر
بتن عموماً بهعنوان مصالحی با مقاومت و دوام بالا شناخته میشود؛ بااینحال، رفتار آن در طول زمان ثابت باقی نمیماند.
هنگامی که یک عضو بتنی تحت اثر بار پایدار (Sustained Load) قرار میگیرد، در لحظه اعمال بار دچار تغییرشکل اولیه میشود. اگر این بار برای مدت طولانی روی عضو باقی بماند، تغییرشکل بتن نیز میتواند بهتدریج افزایش پیدا کند.
این تغییرشکل وابسته به زمان، خزش (Creep) نامیده میشود.
خزش یک ویژگی ذاتی و طبیعی بتن است و لزوماً به معنای اجرای نامناسب یا کیفیت پایین بتن نیست. بااینحال، از آنجا که میتواند رفتار بلندمدت سازه را تغییر دهد، باید در طراحی سازهای مورد توجه قرار گیرد.
خزش بتن دقیقاً چیست؟
خزش بتن عبارت است از افزایش تدریجی کرنش (Strain) و تغییرشکل بتن در طول زمان، هنگامی که بتن تحت یک تنش پایدار قرار دارد.
برای مثال، یک تیر بتنآرمه را در نظر بگیرید که بارهای دائمی سازه را تحمل میکند. تیر بلافاصله پس از اعمال بار، مقدار مشخصی خیز پیدا میکند. اما اگر بار برای مدت طولانی ثابت باقی بماند، تیر بهمرور زمان دچار تغییرشکل بیشتری خواهد شد؛ حتی اگر مقدار بار اعمالشده تقریباً بدون تغییر باقی مانده باشد.
خزش با تغییرشکل الاستیک آنی (Instantaneous Elastic Deformation) تفاوت دارد.
تغییرشکل آنی
در لحظه اعمال بار، بتن دچار تغییرشکل اولیه میشود که بخش مهمی از آن ناشی از رفتار الاستیک بتن است.
تغییرشکل خزشی
در صورت تداوم تنش، تغییرشکل اضافی بهصورت تدریجی و وابسته به زمان توسعه پیدا میکند.
بنابراین، تغییرشکل نهایی در بلندمدت میتواند بهمراتب بیشتر از تغییرشکلی باشد که بلافاصله پس از اعمال بار مشاهده میشود.
چرا بتن دچار خزش میشود؟
بتن یک ماده کاملاً صلب نیست. خمیر سیمان (Cement Paste) موجود در بتن دارای منافذ بسیار ریز، رطوبت و ساختاری پیچیده است که در اثر اعمال تنش پایدار، بهتدریج دچار تغییر و بازآرایی میشود.
خزش بتن عمدتاً با تغییرشکل خمیر سیمان مرتبط است.
سازوکارهای مختلفی در ایجاد این پدیده نقش دارند؛ از جمله حرکت و بازتوزیع رطوبت در خمیر سیمان و تغییرات تدریجی در ساختار داخلی سیمان هیدراته.
از طرف دیگر، سنگدانهها نیز بر میزان خزش تأثیر دارند، زیرا در برابر تغییرشکل خمیر سیمان مقاومت ایجاد میکنند.
بنابراین، رفتار خزشی بتن را نمیتوان صرفاً به ویژگیهای سیمان نسبت داد؛ بلکه این رفتار حاصل برهمکنش ویژگیهای مختلف بتن، سنگدانه، خمیر سیمان، رطوبت و شرایط محیطی است.
خزش بتن در مقابل جمعشدگی بتن
خزش (Creep) و جمعشدگی (Shrinkage) هر دو پدیدههایی وابسته به زمان هستند، اما از نظر مکانیزم و علت ایجاد با یکدیگر تفاوت دارند.
|
خزش (Creep) |
جمعشدگی (Shrinkage) |
ویژگی |
|
تنش یا بار پایدار |
کاهش رطوبت و سایر تغییرات حجمی |
عامل اصلی |
|
بله، در خزش متعارف |
خیر |
نیاز به بار خارجی |
|
افزایش تدریجی کرنش و تغییرشکل |
کاهش حجم و ابعاد عضو |
پیامد اصلی |
|
بله |
بله |
وابستگی به زمان |
|
افزایش خیز، بازتوزیع تنش و کاهش نیروی پیشتنیدگی |
ترکخوردگی و تغییرات ابعادی |
آثار سازهای |
این دو پدیده ممکن است بهطور همزمان در یک عضو بتنی رخ دهند؛ بنابراین، در بررسی رفتار بلندمدت سازه باید خزش و جمعشدگی بهصورت جداگانه و متناسب با اثراتشان در نظر گرفته شوند.
انواع خزش بتن
خزش را میتوان بر اساس شرایط محیطی و بارگذاری به انواع مختلفی تقسیم کرد.
۱. خزش پایه (Basic Creep)
خزش پایه (Basic Creep) به خزشی گفته میشود که در اثر بارگذاری پایدار ایجاد میشود، در حالی که بتن در شرایط رطوبتی کنترلشده قرار دارد و تبادل رطوبت قابلتوجهی با محیط اطراف ندارد.
به بیان ساده، در خزش پایه اثر خشکشدن بتن از پدیده خزش تفکیک میشود.
۲. خزش ناشی از خشکشدن (Drying Creep)
خزش ناشی از خشکشدن (Drying Creep) زمانی رخ میدهد که بتن همزمان با قرار گرفتن تحت تنش پایدار، در معرض خشکشدن نیز قرار داشته باشد.
خشکشدن میتواند در شرایط مشابه، مقدار تغییرشکل خزشی را نسبت به خزش پایه افزایش دهد.
۳. خزش کل (Total Creep)
در ارزیابی عملی سازهها، بسته به شرایط واقعی محیطی و بارگذاری، میتوان رفتار خزشی بلندمدت بتن را بهصورت خزش کل (Total Creep) در نظر گرفت.
البته تعریف دقیق این اصطلاح و روش محاسبه آن ممکن است بر اساس آییننامه یا استاندارد طراحی مورد استفاده متفاوت باشد.
کرنش خزشی بتن
کرنش خزشی (Creep Strain) بیانگر کرنش اضافی است که در طول زمان و در اثر اعمال تنش پایدار ایجاد میشود.
یکی از روابط سادهشده برای بیان این رفتار، استفاده از ضریب خزش (Creep Coefficient) است:
ضریب خزش = کرنش خزشی / کرنش الاستیک اولیه
بااینحال، مقدار واقعی ضریب خزش به استاندارد طراحی مورد استفاده و همچنین پارامترهای مربوط به بتن و محیط بستگی دارد.
بنابراین، ضریب خزش را نباید یک مقدار ثابت و عمومی برای تمام بتنها در نظر گرفت؛ زیرا رفتار خزشی بهشدت تابع شرایط بارگذاری، سن بتن، رطوبت، ابعاد عضو و ویژگیهای مصالح است.
عوامل مؤثر بر خزش بتن
عوامل متعددی میتوانند مقدار و سرعت توسعه خزش در بتن را تحت تأثیر قرار دهند.
۱. سن بتن هنگام بارگذاری
بتنی که در سنین پایینتر تحت بار قرار میگیرد، معمولاً نسبت به بتنی که در سن بالاتر بارگذاری میشود، خزش بیشتری نشان میدهد.
با افزایش سن بتن، مقاومت و سختی آن افزایش پیدا میکند و در نتیجه رفتار خزشی آن نیز تغییر میکند.
۲. شدت تنش پایدار
بهطور کلی، افزایش تنش پایدار باعث افزایش خزش میشود؛ البته این موضوع در محدوده تنشهایی معتبر است که مدلهای متعارف خزش برای آنها قابل استفاده باشند.
در تنشهای بسیار بالا، رفتار بتن میتواند وارد محدوده غیرخطی (Nonlinear Behavior) شود و سازوکارهای پیچیدهتری ایجاد شود.
۳. مدت زمان بارگذاری
خزش تا زمانی که تنش پایدار بر بتن اعمال میشود، بهصورت تدریجی توسعه پیدا میکند.
نرخ خزش معمولاً در مراحل اولیه بیشتر است و با گذشت زمان کاهش مییابد.
۴. شرایط رطوبتی
رطوبت نسبی محیط (Relative Humidity) تأثیر قابلتوجهی بر رفتار خزشی بتن دارد.
بتنی که در شرایط خشکشدن قرار دارد، معمولاً نسبت به بتنی که از تبادل رطوبت با محیط محافظت شده است، تغییرشکل خزشی بیشتری نشان میدهد.
۵. ابعاد عضو سازهای
اعضای سازهای کوچکتر معمولاً با سرعت بیشتری با محیط اطراف خود تبادل رطوبت دارند.
ازاینرو، ابعاد عضو (Member Size) بر سرعت و میزان خزش اثرگذار است.
۶. مقاومت بتن
مقاومت و سختی بتن بر رفتار خزشی آن تأثیر دارند.
در شرایط مشابه، بتنهای با مقاومت بالاتر معمولاً خزش کمتری نشان میدهند؛ بااینحال، رفتار واقعی بتن به ترکیب کامل مصالح، طرح اختلاط و سابقه عملآوری آن وابسته است.
۷. ویژگیهای سنگدانه
سنگدانهها با محدود کردن تغییرشکل خمیر سیمان، نقش مهمی در کنترل خزش دارند.
بنابراین عواملی مانند نوع سنگدانه، سختی (Stiffness)، درصد حجمی و اندازه سنگدانهها میتوانند بر میزان خزش بتن تأثیر بگذارند.
۸. نسبت آب به سیمان
نسبت آب به سیمان (Water-Cement Ratio) بر مقدار و ویژگیهای خمیر سیمان تأثیر میگذارد.
در شرایط مشابه، بتنهایی با نسبت آب به سیمان بالاتر معمولاً خزش بیشتری از خود نشان میدهند.
۹. عملآوری بتن
عملآوری (Curing) مناسب امکان پیشرفت بهتر فرآیند هیدراتاسیون سیمان را فراهم کرده و بر ریزساختار نهایی بتن تأثیر میگذارد.
عملآوری نامناسب میتواند خواص مکانیکی بتن و رفتار تغییرشکل آن در بلندمدت را تحت تأثیر قرار دهد.
۱۰. دما
دمای محیط بر حرکت رطوبت و فرآیند هیدراتاسیون سیمان تأثیر میگذارد و از این طریق میتواند رفتار خزشی بتن را تغییر دهد.
اهمیت این عامل به شرایط محیطی، مدت و شدت مواجهه با دما و همچنین شرایط بهرهبرداری سازه بستگی دارد.
آثار خزش بر سازههای بتنی
خزش میتواند آثار مختلفی بر عملکرد سازه داشته باشد؛ برخی از این آثار قابلکنترل هستند، اما در اعضای حساس به تغییرشکل میتوانند بسیار مهم باشند.
افزایش خیز
یکی از مهمترین پیامدهای خزش، افزایش خیز بلندمدت (Long-Term Deflection) تیرها و دالها است.
این مسئله بهخصوص در اعضای دهانهبلند (Long-Span Members) اهمیت بیشتری پیدا میکند؛ زیرا در این اعضا کنترل معیارهای بهرهبرداری اهمیت زیادی دارد.
بازتوزیع تنش
در اعضای بتنآرمه (Reinforced Concrete)، خزش میتواند موجب بازتوزیع تنش بین بتن و آرماتورهای فولادی شود.
کاهش نیروی پیشتنیدگی
خزش بتن یکی از عوامل مهم در افت پیشتنیدگی (Prestress Loss) اعضای بتن پیشتنیده است.
خزش باعث کوتاهشدن تدریجی بتن شده و در نتیجه میتواند نیروی مؤثر پیشتنیدگی (Effective Prestressing Force) را در طول زمان کاهش دهد.
کوتاهشدگی ستونها
خزش میتواند در کوتاهشدن بلندمدت ستونهای بتنی نیز نقش داشته باشد.
در ساختمانهای بلندمرتبه، کوتاهشدگی تفاضلی (Differential Shortening) میان اعضای سازهای مختلف میتواند به یک مسئله مهم طراحی تبدیل شود.
تأثیر بر نازککاریها
تغییرشکل بلندمدت اعضای سازهای میتواند بر تیغهها، سقفهای کاذب، نما و سایر اجزای نازککاری (Finishes) متصل به سازه اثر بگذارد.
حرکت بیش از حد سازه ممکن است موجب ترکخوردگی یا ایجاد مشکلات بهرهبرداری شود.
خزش در بتنآرمه
آرماتورهای فولادی بر رفتار بلندمدت اعضای بتنآرمه تأثیر میگذارند.
هنگامی که بتن تحت بار پایدار دچار خزش میشود، آرماتورهای موجود در بتن بخشی از این تغییرشکل را محدود میکنند.
در نتیجه، تنشها بین بتن و فولاد بهتدریج باز توزیع (Stress Redistribution) میشوند.
میزان این اثر به عواملی مانند نسبت آرماتور، هندسه عضو، شرایط بارگذاری و سایر پارامترهای سازهای بستگی دارد.
به همین دلیل، در ارزیابی خیز بلندمدت و رفتار تنش-کرنش اعضای بتنآرمه، اثر خزش باید مورد توجه قرار گیرد.
خزش در بتن پیشتنیده
خزش در بتن پیشتنیده (Prestressed Concrete) اهمیت ویژهای دارد.
در اعضای پیشتنیده، یک نیروی فشاری اولیه بهصورت عمدی در عضو ایجاد میشود. با گذشت زمان، خزش بتن باعث کوتاهشدن تدریجی بتن تحت اثر تنشهای موجود میشود.
از آنجا که فولاد پیشتنیدگی به عضو متصل است یا با آن درگیر است، این کوتاهشدن بتن میتواند باعث کاهش نیروی مؤثر پیشتنیدگی شود.
سایر عوامل مؤثر بر افت پیشتنیدگی عبارتاند از:
- جمعشدگی بتن (Concrete Shrinkage)
- وادادگی یا آرامش فولاد پیشتنیدگی (Relaxation of Prestressing Steel)
- اثرات مربوط به مهار و انکوریج (Anchorage Effects)
- افت اصطکاکی (Friction Losses) در سیستمهایی که این پدیده در آنها مطرح است
بنابراین، در طراحی اعضای پیشتنیده باید تمامی افتهای مرتبط با سیستم در نظر گرفته شوند تا عملکرد مورد انتظار عضو در بلندمدت تأمین شود.
خزش و خیز بلندمدت
یکی از مهمترین پیامدهای عملی خزش، افزایش خیز بلندمدت (Long-Term Deflection) است.
یک تیر بتنآرمه را در نظر بگیرید که بار دائمی را تحمل میکند. بلافاصله پس از اعمال بار، تیر دچار خیز آنی میشود.
با توسعه خزش، بتن دچار تغییرشکل اضافی شده و در نتیجه خیز تیر نیز بهتدریج افزایش پیدا میکند.
به همین دلیل، در طراحی سازهای باید هر دو مؤلفه زیر مورد بررسی قرار گیرند:
خیز آنی + خیز ناشی از اثرات بلندمدت = خیز بلندمدت عضو
بنابراین، کنترل بهرهبرداری (Serviceability) تنها با بررسی تغییرشکل لحظهای عضو کامل نمیشود.
چگونه میتوان خزش بتن را کاهش داد؟
خزش را نمیتوان در بتن معمولی بهطور کامل حذف کرد؛ اما میتوان با استفاده از روشهای مناسب طراحی و اجرای بتن، مقدار آن را کنترل کرد.
استفاده از مقاومت مناسب بتن
مقاومت و سختی مناسب بتن میتواند در شرایط مشابه، میزان تغییرشکل را کاهش دهد. البته انتخاب مقاومت بتن باید بر اساس نیازهای واقعی سازه انجام شود.
کنترل مقدار آب
طرح اختلاط مناسب و کنترل میزان آب میتواند از افزایش غیرضروری خمیر سیمان و تغییرشکلهای ناشی از آب اضافی جلوگیری کند.
استفاده از سنگدانه مناسب
سنگدانههای سختتر میتوانند محدودیت بیشتری در برابر تغییرشکل خمیر سیمان ایجاد کرده و از این طریق بر کاهش خزش اثرگذار باشند.
عملآوری مناسب
عملآوری صحیح باعث پیشرفت مناسب هیدراتاسیون سیمان و شکلگیری بهتر خواص نهایی بتن میشود.
جلوگیری از بارگذاری زودهنگام غیرضروری
اجازه دادن به بتن برای دستیابی به مقاومت و سختی کافی پیش از اعمال بارهای پایدار قابلتوجه، میتواند نسبت به بارگذاری در سنین بسیار پایین، خزش بلندمدت را کاهش دهد.
توجه به ابعاد عضو
ابعاد عضو بر نحوه تبادل رطوبت با محیط و در نتیجه بر رفتار خزشی تأثیر دارد؛ بنابراین باید در طراحی و ارزیابی بلندمدت عضو لحاظ شود.
آزمایش خزش بتن
برای ارزیابی تغییرشکل وابسته به زمان، میتوان از آزمایشهای خزش بتن (Concrete Creep Tests) در شرایط آزمایشگاهی کنترلشده استفاده کرد.
یک آزمایش متداول خزش معمولاً شامل مراحل زیر است:
- تهیه نمونههای بتنی
- رساندن نمونهها به سن موردنظر
- اعمال یک بار پایدار
- اندازهگیری تغییرشکل در طول زمان
- مقایسه کرنش اندازهگیریشده با نمونه مرجع یا نمونه بدون بار
ابعاد نمونه، شرایط بارگذاری، مدت آزمایش و روش اندازهگیری دقیقاً به استاندارد آزمایش مربوطه بستگی دارد.
خزش چگونه در طراحی سازهای لحاظ میشود؟
مهندسان سازه برای برآورد تغییرشکلهای بلندمدت از آییننامههای طراحی و مدلهای معتبر خزش (Creep Models) استفاده میکنند.
بسته به استاندارد مورد استفاده، محاسبات میتواند پارامترهای زیر را در نظر بگیرد:
- سن بتن هنگام بارگذاری
- رطوبت نسبی محیط
- ابعاد عضو
- مقاومت بتن
- ویژگیهای سیمان و سنگدانه
- مدت بارگذاری
- سطح تنش
- شرایط عملآوری
روش دقیق محاسبه به آییننامه طراحی مورد استفاده وابسته است.
در سازههای مهم و حساس، خیز بلندمدت، تغییرشکلهای ناشی از خزش و اثر آن بر افت پیشتنیدگی باید بهصورت دقیق توسط مهندس سازه ارزیابی شود.
مثال سادهای از خزش بتن
فرض کنید یک تیر بتنی پس از اعمال یک بار پایدار، دچار کرنش الاستیک اولیه شود.
اگر در ادامه، به دلیل باقیماندن بار روی عضو، تغییرشکل اضافی بهتدریج در طول زمان ایجاد شود، این کرنش اضافی وابسته به زمان، بیانگر کرنش خزشی خواهد بود.
فرآیند را میتوان بهصورت ساده اینگونه نمایش داد:
بار پایدار → کرنش اولیه → توسعه کرنش وابسته به زمان → افزایش تغییرشکل بلندمدت
مقدار واقعی این تغییرشکل به ویژگیهای بتن، شرایط محیطی، نحوه بارگذاری، سطح تنش و مدت زمان بارگذاری بستگی دارد.
چند تصور نادرست رایج درباره خزش بتن
خزش یعنی بتن در حال شکست است.
لزوماً اینطور نیست. خزش یکی از رفتارهای طبیعی بتن در شرایط تنش پایدار است و بهخودیخود به معنای شکست یا خرابی سازه نیست.
خزش فقط در بتن بیکیفیت اتفاق میافتد.
خیر. تقریباً تمام بتنهای معمولی درجاتی از خزش را تجربه میکنند. کیفیت بتن، طرح اختلاط و شرایط عملآوری عمدتاً بر مقدار خزش تأثیر میگذارند.
خزش بلافاصله پس از بارگذاری اتفاق میافتد.
خزش یک پدیده وابسته به زمان است. اگرچه نرخ خزش معمولاً در مراحل اولیه بیشتر است، توسعه آن در طول زمان ادامه پیدا میکند و بهتدریج سرعت آن کاهش مییابد.
خزش و جمعشدگی یک پدیده هستند.
خیر. این دو پدیده متفاوتاند. خزش به تنش پایدار وابسته است، در حالی که جمعشدگی میتواند بدون اعمال بار خارجی نیز اتفاق بیفتد.
میتوان خزش را کاملاً حذف کرد.
در بتن معمولی نمیتوان خزش را بهطور کامل حذف کرد. رویکرد صحیح این است که مقدار مورد انتظار خزش در طراحی و ارزیابی عملکرد بلندمدت سازه لحاظ شود.
جمعبندی
خزش بتن یک پدیده طبیعی و وابسته به زمان است که در اثر قرار گرفتن بتن تحت تنش پایدار ایجاد میشود. اگرچه وقوع خزش بهخودیخود نشانه شکست یا ضعف سازه نیست، اما میتواند تأثیر قابلتوجهی بر خیز بلندمدت، بازتوزیع تنش، کوتاهشدگی ستونها و افت نیروی پیشتنیدگی داشته باشد.
میزان خزش به مجموعهای از عوامل از جمله سن بتن هنگام بارگذاری، رطوبت نسبی، ابعاد عضو، مقاومت و سختی بتن، ویژگیهای سنگدانه، مقدار تنش پایدار و مدت بارگذاری وابسته است.
طرح اختلاط مناسب، استفاده از سنگدانههای مطلوب، عملآوری صحیح و اجتناب از بارگذاری غیرضروری در سنین پایین میتواند به کنترل خزش کمک کند؛ بااینحال، حذف کامل این پدیده در بتن معمولی امکانپذیر نیست.
از دیدگاه مهندسی سازه، نکته اساسی این است که اثر خزش در ارزیابی رفتار بلندمدت (Long-Term Behavior) اعضای سازهای، بهخصوص تیرها، دالها، ستونهای ساختمانهای بلند و اعضای بتن پیشتنیده، مطابق ضوابط استاندارد طراحی مربوطه لحاظ شود.
پرسشهای متداول
۱. خزش بتن چیست؟
خزش بتن عبارت است از افزایش تدریجی و وابسته به زمانِ تغییرشکل بتن هنگامی که بتن برای مدت طولانی تحت یک بار یا تنش پایدار قرار دارد. عضو ابتدا دچار تغییرشکل آنی میشود و سپس تغییرشکل اضافی بهتدریج توسعه پیدا میکند.
خزش یکی از ویژگیهای طبیعی بتن است و در طراحی سازهای برای کنترل خیز بلندمدت و سایر آثار ناشی از تغییرشکل درازمدت مورد توجه قرار میگیرد.
۲. علت ایجاد خزش در بتن چیست؟
خزش عمدتاً به تغییرشکل وابسته به زمان خمیر سیمان تحت تنش پایدار مربوط است. حرکت رطوبت، ساختار داخلی سیمان هیدراته، سن بتن، ویژگیهای سنگدانه، سطح تنش و شرایط محیطی همگی میتوانند بر میزان خزش اثر بگذارند.
بنابراین، رفتار خزشی به یک عامل منفرد وابسته نیست و باید آن را حاصل برهمکنش ویژگیهای مصالح، محیط و شرایط بارگذاری دانست.
۳. تفاوت خزش و جمعشدگی چیست؟
خزش، تغییرشکل وابسته به زمان در اثر تنش پایدار است؛ در حالی که جمعشدگی یک تغییر حجم است که میتواند بدون وجود بار خارجی نیز اتفاق بیفتد.
هر دو پدیده تحت تأثیر رطوبت، ترکیبات بتن و شرایط محیطی قرار دارند و ممکن است بهطور همزمان رخ دهند. بااینحال، در تحلیل رفتار بلندمدت سازه باید آثار آنها بهصورت جداگانه ارزیابی شود.
۴. چه عواملی بر خزش بتن تأثیر میگذارند؟
مهمترین عوامل عبارتاند از:
- سن بتن هنگام بارگذاری
- شدت تنش پایدار
- مدت بارگذاری
- رطوبت نسبی
- ابعاد عضو
- مقاومت و سختی بتن
- ویژگیهای سنگدانه
- نسبت آب به سیمان
- شرایط عملآوری
- دما
این عوامل با یکدیگر برهمکنش دارند؛ بنابراین نمیتوان خزش را تنها بر اساس یک ویژگی مصالح یا یک پارامتر اجرایی با دقت مناسب پیشبینی کرد.
۵. خزش چه اثری بر تیرهای بتنآرمه دارد؟
خزش میتواند موجب افزایش خیز بلندمدت تیرها و دالهای بتنآرمه شود. همچنین میتواند باعث بازتوزیع تنش بین بتن و آرماتور شود.
این اثر در اعضایی که برای مدت طولانی تحت بارهای دائمی قرار دارند، بهخصوص اعضای دهانهبلند و اعضایی که محدودیتهای بهرهبرداری سختگیرانه دارند، اهمیت بیشتری پیدا میکند.
۶. چرا خزش در بتن پیشتنیده اهمیت زیادی دارد؟
خزش موجب کوتاهشدن تدریجی بتن تحت تنش میشود. از آنجا که فولاد پیشتنیدگی با بتن عضو درگیر است، این کوتاهشدن میتواند باعث کاهش نیروی مؤثر پیشتنیدگی شود.
به همین دلیل، در طراحی اعضای پیشتنیده، خزش بتن در کنار جمعشدگی بتن، وادادگی فولاد پیشتنیدگی و سایر افتهای مرتبط باید در محاسبات بلندمدت لحاظ شود.
۷. آیا میتوان خزش بتن را متوقف کرد؟
خیر، در بتن معمولی نمیتوان خزش را بهطور کامل حذف کرد. بااینحال، میتوان با طرح اختلاط مناسب، انتخاب سنگدانه مناسب، عملآوری صحیح، تأمین مقاومت کافی و کنترل شرایط بارگذاری مقدار آن را کاهش داد.
علاوه بر این، مهندس سازه میتواند اثر خزش مورد انتظار را در محاسبات تغییرشکل بلندمدت لحاظ کند.
۸. آیا خزش بتن همان تغییرشکل دائمی است؟
خزش نوعی تغییرشکل وابسته به زمان تحت تنش پایدار است، اما نباید آن را مترادف تمام انواع تغییرشکل دائمی دانست.
بخشی از تغییرشکل ایجادشده ممکن است پس از حذف بار بازیابی شود، در حالی که بخش دیگری میتواند باقی بماند. روشهای طراحی سازهای با توجه به مدل رفتاری بتن، این مؤلفهها را در ارزیابی عملکرد بلندمدت در نظر میگیرند.
خزش بتن چیست؟
خزش بتن (Concrete Creep) به افزایش تدریجی و وابسته به زمانِ تغییرشکل بتن گفته میشود که در اثر قرار گرفتن بتن تحت بار یا تنش پایدار (Sustained Load/Stress) برای مدت طولانی ایجاد میشود. برخلاف تغییرشکل آنی ناشی از رفتار الاستیک، خزش بهصورت تدریجی و در طول زمان توسعه پیدا میکند و میتواند بر عملکرد تیرها، ستونها، دالها و اعضای بتن پیشتنیده (Prestressed Concrete Members) تأثیر قابلتوجهی داشته باشد.
میزان خزش به عوامل متعددی از جمله سن بتن هنگام بارگذاری، شرایط رطوبتی و رطوبت نسبی محیط، ویژگیهای طرح اختلاط، ابعاد عضو سازهای و مدت و شدت تنش پایدار وابسته است.
شناخت رفتار خزش از آن جهت اهمیت دارد که تغییرشکلهای بیش از حد در بلندمدت میتوانند بهرهبرداری سازه (Serviceability)، نازککاریها، تغییرمکانها و عملکرد سازهای را تحت تأثیر قرار دهند. ازاینرو، خزش باید در ارزیابی رفتار بلندمدت سازه و طراحی اعضای حساس به تغییرشکل مورد توجه قرار گیرد.
در این مطلب، سازوکار ایجاد خزش، انواع آن، عوامل مؤثر، آثار خزش بر سازه و نحوه لحاظ کردن آن در طراحی سازهای (Structural Design) بررسی میشود.
پاسخ کوتاه
خزش بتن، تغییرشکل وابسته به زمان بتن تحت اثر بار یا تنش پایدار است. پس از ایجاد تغییرشکل اولیه و آنی ناشی از بارگذاری، تغییرشکل اضافی بهتدریج در طول زمان توسعه پیدا میکند.
میزان خزش تحت تأثیر عواملی مانند رطوبت، سن بتن، مقاومت و سختی بتن، ابعاد عضو سازهای و مدت بارگذاری قرار دارد.
خزش در سازههای دهانهبلند، ستونهای تحت بار دائمی و بهویژه سازههای بتن پیشتنیده اهمیت بیشتری دارد، زیرا میتواند موجب افزایش خیز بلندمدت و کاهش تدریجی نیروی مؤثر پیشتنیدگی شود.
خزش بتن: علل، انواع، آثار و عوامل مؤثر
بتن عموماً بهعنوان مصالحی با مقاومت و دوام بالا شناخته میشود؛ بااینحال، رفتار آن در طول زمان ثابت باقی نمیماند.
هنگامی که یک عضو بتنی تحت اثر بار پایدار (Sustained Load) قرار میگیرد، در لحظه اعمال بار دچار تغییرشکل اولیه میشود. اگر این بار برای مدت طولانی روی عضو باقی بماند، تغییرشکل بتن نیز میتواند بهتدریج افزایش پیدا کند.
این تغییرشکل وابسته به زمان، خزش (Creep) نامیده میشود.
خزش یک ویژگی ذاتی و طبیعی بتن است و لزوماً به معنای اجرای نامناسب یا کیفیت پایین بتن نیست. بااینحال، از آنجا که میتواند رفتار بلندمدت سازه را تغییر دهد، باید در طراحی سازهای مورد توجه قرار گیرد.
خزش بتن دقیقاً چیست؟
خزش بتن عبارت است از افزایش تدریجی کرنش (Strain) و تغییرشکل بتن در طول زمان، هنگامی که بتن تحت یک تنش پایدار قرار دارد.
برای مثال، یک تیر بتنآرمه را در نظر بگیرید که بارهای دائمی سازه را تحمل میکند. تیر بلافاصله پس از اعمال بار، مقدار مشخصی خیز پیدا میکند. اما اگر بار برای مدت طولانی ثابت باقی بماند، تیر بهمرور زمان دچار تغییرشکل بیشتری خواهد شد؛ حتی اگر مقدار بار اعمالشده تقریباً بدون تغییر باقی مانده باشد.
خزش با تغییرشکل الاستیک آنی (Instantaneous Elastic Deformation) تفاوت دارد.
تغییرشکل آنی
در لحظه اعمال بار، بتن دچار تغییرشکل اولیه میشود که بخش مهمی از آن ناشی از رفتار الاستیک بتن است.
تغییرشکل خزشی
در صورت تداوم تنش، تغییرشکل اضافی بهصورت تدریجی و وابسته به زمان توسعه پیدا میکند.
بنابراین، تغییرشکل نهایی در بلندمدت میتواند بهمراتب بیشتر از تغییرشکلی باشد که بلافاصله پس از اعمال بار مشاهده میشود.
چرا بتن دچار خزش میشود؟
بتن یک ماده کاملاً صلب نیست. خمیر سیمان (Cement Paste) موجود در بتن دارای منافذ بسیار ریز، رطوبت و ساختاری پیچیده است که در اثر اعمال تنش پایدار، بهتدریج دچار تغییر و بازآرایی میشود.
خزش بتن عمدتاً با تغییرشکل خمیر سیمان مرتبط است.
سازوکارهای مختلفی در ایجاد این پدیده نقش دارند؛ از جمله حرکت و بازتوزیع رطوبت در خمیر سیمان و تغییرات تدریجی در ساختار داخلی سیمان هیدراته.
از طرف دیگر، سنگدانهها نیز بر میزان خزش تأثیر دارند، زیرا در برابر تغییرشکل خمیر سیمان مقاومت ایجاد میکنند.
بنابراین، رفتار خزشی بتن را نمیتوان صرفاً به ویژگیهای سیمان نسبت داد؛ بلکه این رفتار حاصل برهمکنش ویژگیهای مختلف بتن، سنگدانه، خمیر سیمان، رطوبت و شرایط محیطی است.
خزش بتن در مقابل جمعشدگی بتن
خزش (Creep) و جمعشدگی (Shrinkage) هر دو پدیدههایی وابسته به زمان هستند، اما از نظر مکانیزم و علت ایجاد با یکدیگر تفاوت دارند.
|
خزش (Creep) |
جمعشدگی (Shrinkage) |
ویژگی |
|
تنش یا بار پایدار |
کاهش رطوبت و سایر تغییرات حجمی |
عامل اصلی |
|
بله، در خزش متعارف |
خیر |
نیاز به بار خارجی |
|
افزایش تدریجی کرنش و تغییرشکل |
کاهش حجم و ابعاد عضو |
پیامد اصلی |
|
بله |
بله |
وابستگی به زمان |
|
افزایش خیز، بازتوزیع تنش و کاهش نیروی پیشتنیدگی |
ترکخوردگی و تغییرات ابعادی |
آثار سازهای |
این دو پدیده ممکن است بهطور همزمان در یک عضو بتنی رخ دهند؛ بنابراین، در بررسی رفتار بلندمدت سازه باید خزش و جمعشدگی بهصورت جداگانه و متناسب با اثراتشان در نظر گرفته شوند.
انواع خزش بتن
خزش را میتوان بر اساس شرایط محیطی و بارگذاری به انواع مختلفی تقسیم کرد.
۱. خزش پایه (Basic Creep)
خزش پایه (Basic Creep) به خزشی گفته میشود که در اثر بارگذاری پایدار ایجاد میشود، در حالی که بتن در شرایط رطوبتی کنترلشده قرار دارد و تبادل رطوبت قابلتوجهی با محیط اطراف ندارد.
به بیان ساده، در خزش پایه اثر خشکشدن بتن از پدیده خزش تفکیک میشود.
۲. خزش ناشی از خشکشدن (Drying Creep)
خزش ناشی از خشکشدن (Drying Creep) زمانی رخ میدهد که بتن همزمان با قرار گرفتن تحت تنش پایدار، در معرض خشکشدن نیز قرار داشته باشد.
خشکشدن میتواند در شرایط مشابه، مقدار تغییرشکل خزشی را نسبت به خزش پایه افزایش دهد.
۳. خزش کل (Total Creep)
در ارزیابی عملی سازهها، بسته به شرایط واقعی محیطی و بارگذاری، میتوان رفتار خزشی بلندمدت بتن را بهصورت خزش کل (Total Creep) در نظر گرفت.
البته تعریف دقیق این اصطلاح و روش محاسبه آن ممکن است بر اساس آییننامه یا استاندارد طراحی مورد استفاده متفاوت باشد.
کرنش خزشی بتن
کرنش خزشی (Creep Strain) بیانگر کرنش اضافی است که در طول زمان و در اثر اعمال تنش پایدار ایجاد میشود.
یکی از روابط سادهشده برای بیان این رفتار، استفاده از ضریب خزش (Creep Coefficient) است:
ضریب خزش = کرنش خزشی / کرنش الاستیک اولیه
بااینحال، مقدار واقعی ضریب خزش به استاندارد طراحی مورد استفاده و همچنین پارامترهای مربوط به بتن و محیط بستگی دارد.
بنابراین، ضریب خزش را نباید یک مقدار ثابت و عمومی برای تمام بتنها در نظر گرفت؛ زیرا رفتار خزشی بهشدت تابع شرایط بارگذاری، سن بتن، رطوبت، ابعاد عضو و ویژگیهای مصالح است.
عوامل مؤثر بر خزش بتن
عوامل متعددی میتوانند مقدار و سرعت توسعه خزش در بتن را تحت تأثیر قرار دهند.
۱. سن بتن هنگام بارگذاری
بتنی که در سنین پایینتر تحت بار قرار میگیرد، معمولاً نسبت به بتنی که در سن بالاتر بارگذاری میشود، خزش بیشتری نشان میدهد.
با افزایش سن بتن، مقاومت و سختی آن افزایش پیدا میکند و در نتیجه رفتار خزشی آن نیز تغییر میکند.
۲. شدت تنش پایدار
بهطور کلی، افزایش تنش پایدار باعث افزایش خزش میشود؛ البته این موضوع در محدوده تنشهایی معتبر است که مدلهای متعارف خزش برای آنها قابل استفاده باشند.
در تنشهای بسیار بالا، رفتار بتن میتواند وارد محدوده غیرخطی (Nonlinear Behavior) شود و سازوکارهای پیچیدهتری ایجاد شود.
۳. مدت زمان بارگذاری
خزش تا زمانی که تنش پایدار بر بتن اعمال میشود، بهصورت تدریجی توسعه پیدا میکند.
نرخ خزش معمولاً در مراحل اولیه بیشتر است و با گذشت زمان کاهش مییابد.
۴. شرایط رطوبتی
رطوبت نسبی محیط (Relative Humidity) تأثیر قابلتوجهی بر رفتار خزشی بتن دارد.
بتنی که در شرایط خشکشدن قرار دارد، معمولاً نسبت به بتنی که از تبادل رطوبت با محیط محافظت شده است، تغییرشکل خزشی بیشتری نشان میدهد.
۵. ابعاد عضو سازهای
اعضای سازهای کوچکتر معمولاً با سرعت بیشتری با محیط اطراف خود تبادل رطوبت دارند.
ازاینرو، ابعاد عضو (Member Size) بر سرعت و میزان خزش اثرگذار است.
۶. مقاومت بتن
مقاومت و سختی بتن بر رفتار خزشی آن تأثیر دارند.
در شرایط مشابه، بتنهای با مقاومت بالاتر معمولاً خزش کمتری نشان میدهند؛ بااینحال، رفتار واقعی بتن به ترکیب کامل مصالح، طرح اختلاط و سابقه عملآوری آن وابسته است.
۷. ویژگیهای سنگدانه
سنگدانهها با محدود کردن تغییرشکل خمیر سیمان، نقش مهمی در کنترل خزش دارند.
بنابراین عواملی مانند نوع سنگدانه، سختی (Stiffness)، درصد حجمی و اندازه سنگدانهها میتوانند بر میزان خزش بتن تأثیر بگذارند.
۸. نسبت آب به سیمان
نسبت آب به سیمان (Water-Cement Ratio) بر مقدار و ویژگیهای خمیر سیمان تأثیر میگذارد.
در شرایط مشابه، بتنهایی با نسبت آب به سیمان بالاتر معمولاً خزش بیشتری از خود نشان میدهند.
۹. عملآوری بتن
عملآوری (Curing) مناسب امکان پیشرفت بهتر فرآیند هیدراتاسیون سیمان را فراهم کرده و بر ریزساختار نهایی بتن تأثیر میگذارد.
عملآوری نامناسب میتواند خواص مکانیکی بتن و رفتار تغییرشکل آن در بلندمدت را تحت تأثیر قرار دهد.
۱۰. دما
دمای محیط بر حرکت رطوبت و فرآیند هیدراتاسیون سیمان تأثیر میگذارد و از این طریق میتواند رفتار خزشی بتن را تغییر دهد.
اهمیت این عامل به شرایط محیطی، مدت و شدت مواجهه با دما و همچنین شرایط بهرهبرداری سازه بستگی دارد.
آثار خزش بر سازههای بتنی
خزش میتواند آثار مختلفی بر عملکرد سازه داشته باشد؛ برخی از این آثار قابلکنترل هستند، اما در اعضای حساس به تغییرشکل میتوانند بسیار مهم باشند.
افزایش خیز
یکی از مهمترین پیامدهای خزش، افزایش خیز بلندمدت (Long-Term Deflection) تیرها و دالها است.
این مسئله بهخصوص در اعضای دهانهبلند (Long-Span Members) اهمیت بیشتری پیدا میکند؛ زیرا در این اعضا کنترل معیارهای بهرهبرداری اهمیت زیادی دارد.
بازتوزیع تنش
در اعضای بتنآرمه (Reinforced Concrete)، خزش میتواند موجب بازتوزیع تنش بین بتن و آرماتورهای فولادی شود.
کاهش نیروی پیشتنیدگی
خزش بتن یکی از عوامل مهم در افت پیشتنیدگی (Prestress Loss) اعضای بتن پیشتنیده است.
خزش باعث کوتاهشدن تدریجی بتن شده و در نتیجه میتواند نیروی مؤثر پیشتنیدگی (Effective Prestressing Force) را در طول زمان کاهش دهد.
کوتاهشدگی ستونها
خزش میتواند در کوتاهشدن بلندمدت ستونهای بتنی نیز نقش داشته باشد.
در ساختمانهای بلندمرتبه، کوتاهشدگی تفاضلی (Differential Shortening) میان اعضای سازهای مختلف میتواند به یک مسئله مهم طراحی تبدیل شود.
تأثیر بر نازککاریها
تغییرشکل بلندمدت اعضای سازهای میتواند بر تیغهها، سقفهای کاذب، نما و سایر اجزای نازککاری (Finishes) متصل به سازه اثر بگذارد.
حرکت بیش از حد سازه ممکن است موجب ترکخوردگی یا ایجاد مشکلات بهرهبرداری شود.
خزش در بتنآرمه
آرماتورهای فولادی بر رفتار بلندمدت اعضای بتنآرمه تأثیر میگذارند.
هنگامی که بتن تحت بار پایدار دچار خزش میشود، آرماتورهای موجود در بتن بخشی از این تغییرشکل را محدود میکنند.
در نتیجه، تنشها بین بتن و فولاد بهتدریج باز توزیع (Stress Redistribution) میشوند.
میزان این اثر به عواملی مانند نسبت آرماتور، هندسه عضو، شرایط بارگذاری و سایر پارامترهای سازهای بستگی دارد.
به همین دلیل، در ارزیابی خیز بلندمدت و رفتار تنش-کرنش اعضای بتنآرمه، اثر خزش باید مورد توجه قرار گیرد.
خزش در بتن پیشتنیده
خزش در بتن پیشتنیده (Prestressed Concrete) اهمیت ویژهای دارد.
در اعضای پیشتنیده، یک نیروی فشاری اولیه بهصورت عمدی در عضو ایجاد میشود. با گذشت زمان، خزش بتن باعث کوتاهشدن تدریجی بتن تحت اثر تنشهای موجود میشود.
از آنجا که فولاد پیشتنیدگی به عضو متصل است یا با آن درگیر است، این کوتاهشدن بتن میتواند باعث کاهش نیروی مؤثر پیشتنیدگی شود.
سایر عوامل مؤثر بر افت پیشتنیدگی عبارتاند از:
- جمعشدگی بتن (Concrete Shrinkage)
- وادادگی یا آرامش فولاد پیشتنیدگی (Relaxation of Prestressing Steel)
- اثرات مربوط به مهار و انکوریج (Anchorage Effects)
- افت اصطکاکی (Friction Losses) در سیستمهایی که این پدیده در آنها مطرح است
بنابراین، در طراحی اعضای پیشتنیده باید تمامی افتهای مرتبط با سیستم در نظر گرفته شوند تا عملکرد مورد انتظار عضو در بلندمدت تأمین شود.
خزش و خیز بلندمدت
یکی از مهمترین پیامدهای عملی خزش، افزایش خیز بلندمدت (Long-Term Deflection) است.
یک تیر بتنآرمه را در نظر بگیرید که بار دائمی را تحمل میکند. بلافاصله پس از اعمال بار، تیر دچار خیز آنی میشود.
با توسعه خزش، بتن دچار تغییرشکل اضافی شده و در نتیجه خیز تیر نیز بهتدریج افزایش پیدا میکند.
به همین دلیل، در طراحی سازهای باید هر دو مؤلفه زیر مورد بررسی قرار گیرند:
خیز آنی + خیز ناشی از اثرات بلندمدت = خیز بلندمدت عضو
بنابراین، کنترل بهرهبرداری (Serviceability) تنها با بررسی تغییرشکل لحظهای عضو کامل نمیشود.
چگونه میتوان خزش بتن را کاهش داد؟
خزش را نمیتوان در بتن معمولی بهطور کامل حذف کرد؛ اما میتوان با استفاده از روشهای مناسب طراحی و اجرای بتن، مقدار آن را کنترل کرد.
استفاده از مقاومت مناسب بتن
مقاومت و سختی مناسب بتن میتواند در شرایط مشابه، میزان تغییرشکل را کاهش دهد. البته انتخاب مقاومت بتن باید بر اساس نیازهای واقعی سازه انجام شود.
کنترل مقدار آب
طرح اختلاط مناسب و کنترل میزان آب میتواند از افزایش غیرضروری خمیر سیمان و تغییرشکلهای ناشی از آب اضافی جلوگیری کند.
استفاده از سنگدانه مناسب
سنگدانههای سختتر میتوانند محدودیت بیشتری در برابر تغییرشکل خمیر سیمان ایجاد کرده و از این طریق بر کاهش خزش اثرگذار باشند.
عملآوری مناسب
عملآوری صحیح باعث پیشرفت مناسب هیدراتاسیون سیمان و شکلگیری بهتر خواص نهایی بتن میشود.
جلوگیری از بارگذاری زودهنگام غیرضروری
اجازه دادن به بتن برای دستیابی به مقاومت و سختی کافی پیش از اعمال بارهای پایدار قابلتوجه، میتواند نسبت به بارگذاری در سنین بسیار پایین، خزش بلندمدت را کاهش دهد.
توجه به ابعاد عضو
ابعاد عضو بر نحوه تبادل رطوبت با محیط و در نتیجه بر رفتار خزشی تأثیر دارد؛ بنابراین باید در طراحی و ارزیابی بلندمدت عضو لحاظ شود.
آزمایش خزش بتن
برای ارزیابی تغییرشکل وابسته به زمان، میتوان از آزمایشهای خزش بتن (Concrete Creep Tests) در شرایط آزمایشگاهی کنترلشده استفاده کرد.
یک آزمایش متداول خزش معمولاً شامل مراحل زیر است:
- تهیه نمونههای بتنی
- رساندن نمونهها به سن موردنظر
- اعمال یک بار پایدار
- اندازهگیری تغییرشکل در طول زمان
- مقایسه کرنش اندازهگیریشده با نمونه مرجع یا نمونه بدون بار
ابعاد نمونه، شرایط بارگذاری، مدت آزمایش و روش اندازهگیری دقیقاً به استاندارد آزمایش مربوطه بستگی دارد.
خزش چگونه در طراحی سازهای لحاظ میشود؟
مهندسان سازه برای برآورد تغییرشکلهای بلندمدت از آییننامههای طراحی و مدلهای معتبر خزش (Creep Models) استفاده میکنند.
بسته به استاندارد مورد استفاده، محاسبات میتواند پارامترهای زیر را در نظر بگیرد:
- سن بتن هنگام بارگذاری
- رطوبت نسبی محیط
- ابعاد عضو
- مقاومت بتن
- ویژگیهای سیمان و سنگدانه
- مدت بارگذاری
- سطح تنش
- شرایط عملآوری
روش دقیق محاسبه به آییننامه طراحی مورد استفاده وابسته است.
در سازههای مهم و حساس، خیز بلندمدت، تغییرشکلهای ناشی از خزش و اثر آن بر افت پیشتنیدگی باید بهصورت دقیق توسط مهندس سازه ارزیابی شود.
مثال سادهای از خزش بتن
فرض کنید یک تیر بتنی پس از اعمال یک بار پایدار، دچار کرنش الاستیک اولیه شود.
اگر در ادامه، به دلیل باقیماندن بار روی عضو، تغییرشکل اضافی بهتدریج در طول زمان ایجاد شود، این کرنش اضافی وابسته به زمان، بیانگر کرنش خزشی خواهد بود.
فرآیند را میتوان بهصورت ساده اینگونه نمایش داد:
بار پایدار → کرنش اولیه → توسعه کرنش وابسته به زمان → افزایش تغییرشکل بلندمدت
مقدار واقعی این تغییرشکل به ویژگیهای بتن، شرایط محیطی، نحوه بارگذاری، سطح تنش و مدت زمان بارگذاری بستگی دارد.
چند تصور نادرست رایج درباره خزش بتن
خزش یعنی بتن در حال شکست است.
لزوماً اینطور نیست. خزش یکی از رفتارهای طبیعی بتن در شرایط تنش پایدار است و بهخودیخود به معنای شکست یا خرابی سازه نیست.
خزش فقط در بتن بیکیفیت اتفاق میافتد.
خیر. تقریباً تمام بتنهای معمولی درجاتی از خزش را تجربه میکنند. کیفیت بتن، طرح اختلاط و شرایط عملآوری عمدتاً بر مقدار خزش تأثیر میگذارند.
خزش بلافاصله پس از بارگذاری اتفاق میافتد.
خزش یک پدیده وابسته به زمان است. اگرچه نرخ خزش معمولاً در مراحل اولیه بیشتر است، توسعه آن در طول زمان ادامه پیدا میکند و بهتدریج سرعت آن کاهش مییابد.
خزش و جمعشدگی یک پدیده هستند.
خیر. این دو پدیده متفاوتاند. خزش به تنش پایدار وابسته است، در حالی که جمعشدگی میتواند بدون اعمال بار خارجی نیز اتفاق بیفتد.
میتوان خزش را کاملاً حذف کرد.
در بتن معمولی نمیتوان خزش را بهطور کامل حذف کرد. رویکرد صحیح این است که مقدار مورد انتظار خزش در طراحی و ارزیابی عملکرد بلندمدت سازه لحاظ شود.
جمعبندی
خزش بتن یک پدیده طبیعی و وابسته به زمان است که در اثر قرار گرفتن بتن تحت تنش پایدار ایجاد میشود. اگرچه وقوع خزش بهخودیخود نشانه شکست یا ضعف سازه نیست، اما میتواند تأثیر قابلتوجهی بر خیز بلندمدت، بازتوزیع تنش، کوتاهشدگی ستونها و افت نیروی پیشتنیدگی داشته باشد.
میزان خزش به مجموعهای از عوامل از جمله سن بتن هنگام بارگذاری، رطوبت نسبی، ابعاد عضو، مقاومت و سختی بتن، ویژگیهای سنگدانه، مقدار تنش پایدار و مدت بارگذاری وابسته است.
طرح اختلاط مناسب، استفاده از سنگدانههای مطلوب، عملآوری صحیح و اجتناب از بارگذاری غیرضروری در سنین پایین میتواند به کنترل خزش کمک کند؛ بااینحال، حذف کامل این پدیده در بتن معمولی امکانپذیر نیست.
از دیدگاه مهندسی سازه، نکته اساسی این است که اثر خزش در ارزیابی رفتار بلندمدت (Long-Term Behavior) اعضای سازهای، بهخصوص تیرها، دالها، ستونهای ساختمانهای بلند و اعضای بتن پیشتنیده، مطابق ضوابط استاندارد طراحی مربوطه لحاظ شود.
پرسشهای متداول
۱. خزش بتن چیست؟
خزش بتن عبارت است از افزایش تدریجی و وابسته به زمانِ تغییرشکل بتن هنگامی که بتن برای مدت طولانی تحت یک بار یا تنش پایدار قرار دارد. عضو ابتدا دچار تغییرشکل آنی میشود و سپس تغییرشکل اضافی بهتدریج توسعه پیدا میکند.
خزش یکی از ویژگیهای طبیعی بتن است و در طراحی سازهای برای کنترل خیز بلندمدت و سایر آثار ناشی از تغییرشکل درازمدت مورد توجه قرار میگیرد.
۲. علت ایجاد خزش در بتن چیست؟
خزش عمدتاً به تغییرشکل وابسته به زمان خمیر سیمان تحت تنش پایدار مربوط است. حرکت رطوبت، ساختار داخلی سیمان هیدراته، سن بتن، ویژگیهای سنگدانه، سطح تنش و شرایط محیطی همگی میتوانند بر میزان خزش اثر بگذارند.
بنابراین، رفتار خزشی به یک عامل منفرد وابسته نیست و باید آن را حاصل برهمکنش ویژگیهای مصالح، محیط و شرایط بارگذاری دانست.
۳. تفاوت خزش و جمعشدگی چیست؟
خزش، تغییرشکل وابسته به زمان در اثر تنش پایدار است؛ در حالی که جمعشدگی یک تغییر حجم است که میتواند بدون وجود بار خارجی نیز اتفاق بیفتد.
هر دو پدیده تحت تأثیر رطوبت، ترکیبات بتن و شرایط محیطی قرار دارند و ممکن است بهطور همزمان رخ دهند. بااینحال، در تحلیل رفتار بلندمدت سازه باید آثار آنها بهصورت جداگانه ارزیابی شود.
۴. چه عواملی بر خزش بتن تأثیر میگذارند؟
مهمترین عوامل عبارتاند از:
- سن بتن هنگام بارگذاری
- شدت تنش پایدار
- مدت بارگذاری
- رطوبت نسبی
- ابعاد عضو
- مقاومت و سختی بتن
- ویژگیهای سنگدانه
- نسبت آب به سیمان
- شرایط عملآوری
- دما
این عوامل با یکدیگر برهمکنش دارند؛ بنابراین نمیتوان خزش را تنها بر اساس یک ویژگی مصالح یا یک پارامتر اجرایی با دقت مناسب پیشبینی کرد.
۵. خزش چه اثری بر تیرهای بتنآرمه دارد؟
خزش میتواند موجب افزایش خیز بلندمدت تیرها و دالهای بتنآرمه شود. همچنین میتواند باعث بازتوزیع تنش بین بتن و آرماتور شود.
این اثر در اعضایی که برای مدت طولانی تحت بارهای دائمی قرار دارند، بهخصوص اعضای دهانهبلند و اعضایی که محدودیتهای بهرهبرداری سختگیرانه دارند، اهمیت بیشتری پیدا میکند.
۶. چرا خزش در بتن پیشتنیده اهمیت زیادی دارد؟
خزش موجب کوتاهشدن تدریجی بتن تحت تنش میشود. از آنجا که فولاد پیشتنیدگی با بتن عضو درگیر است، این کوتاهشدن میتواند باعث کاهش نیروی مؤثر پیشتنیدگی شود.
به همین دلیل، در طراحی اعضای پیشتنیده، خزش بتن در کنار جمعشدگی بتن، وادادگی فولاد پیشتنیدگی و سایر افتهای مرتبط باید در محاسبات بلندمدت لحاظ شود.
۷. آیا میتوان خزش بتن را متوقف کرد؟
خیر، در بتن معمولی نمیتوان خزش را بهطور کامل حذف کرد. بااینحال، میتوان با طرح اختلاط مناسب، انتخاب سنگدانه مناسب، عملآوری صحیح، تأمین مقاومت کافی و کنترل شرایط بارگذاری مقدار آن را کاهش داد.
علاوه بر این، مهندس سازه میتواند اثر خزش مورد انتظار را در محاسبات تغییرشکل بلندمدت لحاظ کند.
۸. آیا خزش بتن همان تغییرشکل دائمی است؟
خزش نوعی تغییرشکل وابسته به زمان تحت تنش پایدار است، اما نباید آن را مترادف تمام انواع تغییرشکل دائمی دانست.
بخشی از تغییرشکل ایجادشده ممکن است پس از حذف بار بازیابی شود، در حالی که بخش دیگری میتواند باقی بماند. روشهای طراحی سازهای با توجه به مدل رفتاری بتن، این مؤلفهها را در ارزیابی عملکرد بلندمدت در نظر میگیرند.
