השפעת דרגת החשיפה על כמות הברזל בבטון מזויין

תקציר

תכנון הברזל בבטון מזויין מושפע מרוחב הסדק וחוזק הבטון.
מכיוון שחוזק הבטון ורוחב הסדק מושפעים מדרגת החשיפה, ההחלטה על סוג המענה, תפקודי או גבולי:

מביאה להבדלים משמעותיים בכמות הברזל באלמנט (עד יותר מ- 60%).
בבטון גבולי, עלולה לגרום לתכנון-חסר של ברזל ואי עמידה בדרישות תקן 466.

בדרגות חשיפה 5 ומעלה, יש עדיפות מובהקת (כלכלית והנדסית) למענה התפקודי.
בדרגות חשיפה 1-4, בהן הסביבה אינה מאתגרת את המבנה במשך השרות, יש עדיפות כלכלית למענה הגבולי.

תכנון ברזל בהתאם לקיים

בשלב תכנון השלד, שיקולים בתכנון ברזל ובתכנון בטון משתלבים, משפיעים ומושפעים זה מזה.
ככלל, תהליך תכנון הברזל בהתאם לקיים הינו כמתואר בתרשים הבא.

אפיון הסביבה בה מיועד לשרת המבנה.
דרגת החשיפה נקבעת על ידי הסביבה
מענה תפקודי או גבולי לבטון נקבע על ידי דרגות החשיפה (החלטת קונסטרוקטור)
חוזק הבטון נקבע על ידי סוג המענה לדרגות החשיפה
רוחב הסדק נקבע על ידי דרגת החשיפה
כמות הברזל נקבעת על ידי חוזק הבטון ורוחב הסדק
קוטר הברזל נקבע על ידי רוחב הסדק
פיזור הברזל נקבע על ידי רוחב הסדק ועל ידי כמות וקוטר הברזל

הקונסטרוקטור מתכנן השלד, הוא האחראי להבטחת קיים המבנה במשך השירות המתוכנן לו.
הנוהג התכנוני על פיו סוג המענה לדרגות החשיפה אינו מוגדר (תקן 118 מחייב ציון דרגת החשיפה בלבד)
עלול להוביל לתכנון ברזל בחוסר ולאי-עמידה בדרישות חוקת הבטון – תקן 466 חלק 1.

כיום, התכנון הנפוץ בדרגות חשיפה גבוהות, מתאים לבטון תפקודי, בעוד הספקת הבטון הנפוצה מתאימה לבטון גבולי.
מרבית הקונסטרוקטורים מתכננים את כמות הברזל על פי חוזק "רגיל" (ב-30 או ב-40), כאשר במענה הגבולי מסופק בטון עם עודף חוזק (ב-60), המחייב הגדלה של עד 62% בכמות הברזל.

הגדרת מענה תפקודי אינה דורשת התאמות בתכנון הנפוץ של השלד.
הגדרת מענה גבולי דורשת תוספת משמעותית לכמות הברזל (ועלותו) וכן תוספת עלות לתערובת הבטון עצמה.
על כן, חשוב מאוד לכלול את סוג המענה לדרגות החשיפה בכל תכנית, מפרט וכתב כמויות,
כדי להימנע מחוסר ברזל בפועל, קיצור משך השירות בפועל, ומחשיפה לאחריות ביטוחית-משפטית.

בדרגות חשיפה 5 ומעלה, יש עדיפות מובהקת (כלכלית והנדסית) למענה התפקודי.

להלן ציטוטים רלוונטיים מתקנים 466-1 ו-118 והסברים מפורטים.

אפיון הסביבה בה מיועד לשרת המבנה:
למיקום המבנה בסביבתו השפעה מהותית על תכנון השלד, כך שיתפקד לפחות במשך השרות המתוכנן ללא עלויות תחזוקה משמעותיות. משך השרות ה"רגיל" הוא 50 שנה.
דרגות החשיפה נקבעת על ידי הסביבה:
סיווג אגרסיביות הסביבה בה מתפקד המבנה במשך השרות המתוכנן לו מוגדר בטבלאות 6.1 ו-6.3.
טבלאות אלו זהות לטבלאות 1 ו- 3 בתקן 118.
באוגוסט 2016 הוחלט במכון התקנים על הוספת טבלת אגרסיביות הקרקע לתקן 940 חלק 1 (טרם בוצע).

לכל מבנה שלוש דרגות חשיפה שונות:

המתכנן רשאי וצריך להחמיר את דרגות החשיפה מעל המינימום, על פי הנחיות התקנים, מיקומו המסוים של הבניין, השימוש הצפוי בחלקי הבניין, ושיקול דעתו.

לאחר קביעת דרגות החשיפה של חלקי הבניין, מתחיל תכנון השלד בשני היבטים שלובים, המשפיעים ומושפעים זה מזה:

תכנון הברזל – כמות, קוטר, מיקום בבטון, עובי הכיסוי על הברזל החיצוני באלמנט הבטון המזויין.
תכנון הבטון – צפיפות, סומך, חוזק, סוג וגודל אגרגאט, סוג צמנט, כמות צמנט, מוספים, ועוד

3. בטון גבולי או בטון תפקודי:
בתכנון הבטון באלמנט בטון מזויין על הקונסטרוקטור להגדיר את סוג המענה לדרגות החשיפה:
שיטת מענה תפקודי, או, לחילופין, שיטת ערכים גבוליים – סעיף 5.3.1 בתקן 118.

ככל שדרגת החשיפה גבוהה יותר, כך היתרון ההנדסי והכלכלי בהגדרת מענה תפקודי מובהק יותר.
בדרגות החשיפה 5 ומעלה,

המענה הגבולי מעלה את צפיפות הבטון, על ידי עודף צמנט והגבלת יחס מים:צמנט, המאריך את תקופת הדגירה עד תחילת הקורוזיה של ברזל הזיון, ללא השפעה על קצב הקורוזיה.
המענה התפקודי מעלה את עמידות הברזל בבטון מפני קורוזיה, המאריך הן את תקופת הדגירה והן את קצב התפתחות הקורוזיה.

4. חוזק הבטון:
ברוב המקרים, ב-30 או ב-40 מספיקים מבחינת חוזק לחיצה.

המענה הגבולי מעלה את חוזק הבטון מעל הצורך הקונסטרוקטיבי (ב-60) וגם מעלה את נטיית הבטון לסדיקה וסגרגציה.
המענה התפקודי אינו משפיע על חוזק הבטון.
מאפשר להקטין את עובי הכיסוי על הברזל בסביבה אגרסיבית.
כולל בתוכו גם מענה לשגיאות יישום כגון כיסוי חסר, סדקים, סגרגציות.

5. רוחב הסדק:
רוחב הסדק הדינמי המקסימלי מוכתב על ידי דרגת החשיפה בסעיף 6.3 ובטבלה 6.5.
בדרגות החשיפה הגבוהות, רוחב הסדק קטן (0.10 מ"מ).

6. כמות הברזל:
בסעיף 6.3.3. בתקן 466, מופיעות הנוסחאות לחישוב כמות הברזל לריסון הסדיקה.
כמות הברזל תלויה לינארית (ישירות) בחוזק הבטון, כלומר, ככל שהבטון חזק יותר כך צריך יותר ברזל על מנת לרסן את הסדיקה.

חוזק הבטון הדרוש הוא לרוב ב-30 או ב- 40, אבל בחירה במענה גבולי לדרגות חשיפה (עודף צמנט)
יוצרת מצב בו מתקבל בטון ב-60 (חזק בהרבה מהצורך הקונסטרוקטיבי).

כלומר, בבטון גבולי, יש צורך בתוספת משמעותית של ברזל על מנת לעמוד במגבלת הסדיקה.
ב-60 במקום ב-30, דורש 62% יותר ברזל. 3.78/2.33=1.62

בחירה במענה תפקודי אינה משנה את חוזק הבטון וכמות הברזל בהתאמה (ב-30 נשאר ב-30).

7. קוטר הברזל:
הקוטר המקסימאלי של מוטות הזיון מוכתב על ידי רוחב הסדק, שנקבע על ידי דרגת החשיפה (טבלה 6.6). ככל שרוחב הסדק קטן יותר, קוטר הברזל קטן יותר. כלומר, אותה כמות ברזל תתבטא ביותר מוטות דקים ועליה בעבודת התפסנות בהתאם.

8. פיזור הברזל:
המרחק המקסימאלי בין מוטות הזיון מוכתב על ידי רוחב הסדק, שנקבע על ידי דרגת החשיפה (טבלה 6.7). ככל שרוחב הסדק קטן יותר, המרחק בין מוטות הזיון יהיה קטן יותר. כלומר, אותה כמות ברזל תתבטא ברשת זיון צפופה יותר והקטנת גודל האגרגאט המקסימלי בבטון בהתאם.
המרחק בין המוטות בבטון גבולי עם כמות ברזל גדולה בקוטר קטן, עלול להיות קטן מהמוצג בטבלה