אלי הראל מהנדסים
אלי הראל מהנדסים
אלי הראל מהנדסים

רשימת מאמרים

למה במבנה בטון צריך ברזל

צפיות: 2027

אם נתבונן במבנים עתיקים, לא נמצא בהם פלדה. למה? 


לעומת זאת, נוכל לראות שרוב המבנים העתיקים, הם בעלי קמרונותואין בהם תקרות שטוחות. 


אז מה ההבדל? למה במבנה בטון תהיה גם פלדה (או ברזל זיון)? 


תשובה: על כל מבנה או אלמנטים שונים במבנה מופעלים, או עשויים לפעול בנסיבות מסויימות (למשל ברעידת אדמה) עומסים שונים. 


העומסים, עשויים לגרום להפעלת כוחות מסוגים שונים, על המבנה: לחיצה, כפיפה, גזירה פיתול ועוד. 


העומסים האלו גורמים באופן עקרוני לשני מצבים: או ללחיצת של שטח מסויים, או למתיחתו. 


האבן, "יודעת" לקבל כוחות לחיצה גדולים מאוד. כלומר ניתן להעמיס על האבן משקל כבד מאוד, והיא תעמוד בזה. לעומת זאת, האבן לא "יודעת" לקבל כוחות מתיחה וברגע שיהיו עליה מאמצים שיגרמו למתיחה, היא תיסדק או תישבר. 


איזה כוחות מתיחה קיימים באבן? 


תשובה: כוחות מתיחה יכולים להיווצר באבן בכל מיני מקרים למשל, אם נתמוך אותה משני קצותיה, ונעמיס אותה באמצעה, ייווצרו בהמאמצי כפיפה, ונסביר:   

 

דמיינו לעצמכם את שער הכניסה לבית הכנסת העתיקבברעם, אחד מבתי הכנסת היפים ביותר שנשתמרו. 


אנחנו רואים את האבן המלבנית של המשקוף נתמכת משני קצותיה. מעליה קיימת קשת, שבה האבנים בנויות בצורת טרפז וכך הן יוצרות את צורת הקשת. האבן העליונה בקשת נקראת "אבן הראשה" היא זו ש"תופסת" את כל הקשת. 


מה מיוחד בקשת? במצב הזה כל אחת מהאבנים נמצאת במצב לחיצה. זה המצב האידיאלי של האבן ובה כוחה גדול. במקרה כזה, נוכל ליצור שער כניסה ראשי כמעט בכל רוחב שנרצה. כך גם בנויים המבנים העתיקים, שבהם האבנים בקמרונות נמצאים במצב לחיצה. 


לעומת זאת, בבית הכנסת בברעם, האבן התחתונהשל המשקוף בפועל, הנתמכת משני קצותיה, חייבת להיות במידות מסויימות ובעיקר בגובה מסויים. אם אנחנו נרצה להגדיל את המפתח (רוחב הפתח), האבן צריכה להיות ארוכה יותר אבל גם גבוהה יותר. אם לחילופין נרצה להקטין את גובה האבן, יתכן שהיא תישבר. 


למה? מה קורה לאבן? 


בחלק התחתון של האבן קיימים מאמצי מתיחה. איך זה קורה? 


נדמיין את האבן כקורת עץ גמישה שנתמכת משני צידיה. במקרה זה היינו רואים שקורה מקבלת "בטן" = כפיפה. 


כשיש "בטן", זה אומר שהחלק התחתון של הלוח מתארך בגלל שהוא מקבל מאמצי מתיחה. לעומת זאת, החלק העליון של לוח העץ נלחץ ו"רוצה" להתכווץ. 


במרכז קורת האבן, בדיוק באמצע העובי, זהו קו מעבר בין כוחות לחיצה לכוחות מתיחה. אם אנחנו "נשב" שם, לא נרגיש שמופעלים עלינו כוחות.. הכוחות הגדולים ביותר פועלים בקצה הקורה. 


אותו דבר באבן, החלק העליון נלחץ, ובזה האבן "טובה" ועומדת בלחצים האלו. לעומת זאת, החלק התחתון של האבן רוצה להתארך, כלומר להימתח. אם האבן היא גבוהה, יהיו מאמצי מתיחה נמוכים יחסית. אם האבן נמוכה, מאמצי המתיחה יהיו גבוהים יותר, כי כמו שלימדו בתיכון, המומנטשווה לאורך הזרוע X כוח. וככל שהזרוע גדולה יותר (=גובה האבן), הכוח (=מאמצי המתיחה הנדרשים מהאבן) הנדרש יכול להיות קטן יותר.
היכולת של האבן "לספוג" מאמצי מתיחה, תלויהגם באיכות האבן. אבן חלשה ופריכה תיסדק ותישבר בקלות, ובמקרה הזה המשקוף ייפול. לעומת זאת אבן העשוייה מסלע איכותי – יכולה לספוג מאמצי מתיחה גדולים יותר. 


באופן עקרוני, נשאף תמיד שהאבן תהיה דקה ככל שניתן כי בכך אנחנו חוסכים בחומר. 


אז למה מוסיפים פלדה למבנה בטון? 


הבטון, בדומה לאבן, הוא חומר פריך בעל חוזק לחיצה גבוה, וחוזק מתיחה נמוך (כ10% מחוזק הלחיצה). לעומתו, מוט הפלדה"מצטיין" בלקבל מאמצי מתיחה. 


שילוב של פלדה בתוך הבטון יוצר חומר מרוכב, שנקרא בטון מזויין, שתכונתו היא בעל חוזק לחיצה וחוזק מתיחה גבוהים. 


ולכן, במקרה של העמסת קורת בטון שנשענת בשני קצותיה, החלק העליון של הקורה – נלחץ, ובזה הבטון הוא טוב ויודע "להסתדר" בכוחות עצמו, ואנחנו "עוזרים" לו באמצעות מוטות הפלדה לקבל את מאמצי המתיחה. לכן, הברזל העיקרי בקורה מסוג זה (בין שני העמודים) ימוקם בחלקה התחתון של הקורה, כי שם עיקר מאמצי המתיחה והקורה שלנו יכולה להיות יותר דקה. 


במקרה של העמסת קורת בטון הנשענת בשני קצותיה וגם באמצעה במספר מקומות (למשל: על גבי עמודים), נקבל מאמצי מתיחה גם בחלק העליון של הקורה, באיזורים הנמצאים מעל ובסמוך לעמודים (בהתאם לעומס עליה). לכן, כדי "לקבל" את המאמצים האלו, מניחים את הברזל העיקרי באיזורים אלו, דווקא בחלק העליון של חתך הקורה ולא רק בחלקה התחתון. ברזל זה נקרא גם "ברזל עליון" והוא הכרחי באיזורים שמעל עמודים ובמיוחד בזיזים (כדוגמת המרפסת בחדרה). 


חשוב להדגיש שמיקום הפלדה בתוך האלמנט הוא קריטי, משום שאם לא שמנו את הפלדה במקום הנכון, היא לא תפעל את הפעולה שהיא צריכה. אם אנחנו שמים את הפלדה באיזור שבו קיימים כוחות לחיצה במקום באיזור של כוחות המתיחה, לא הועילו חכמים בתקנתם. 


כמובן, שיש פלדת זיון גם במקומות נוספים, כגון: ברזל נגד חדירה (של העמודים לתוך התקרה), חישוקים, וכד', כדי לקבל כוחות נוספים או למנוע סדקים וכד', אבל בעיקרון מטרת ברזל הזיון היא: לקבל כוחות למיניהם שפועלים כמתיחה על הבטון. 


הפלדה היא חומר כבד ויקר יותר מהבטון. ולכן אנחנו שואפים להשתמש בכמות מזערית של הפלדה כדי לשמור על היציבות של המבנה מצד אחד, אולם שיעמוד בעומסים ובמאמצים המתוכננים מצד שני. 

למה דווקא פלדה? 


תשובה: לפלדה יתרון המיוחד רק לה: מקדם התפשטות. כל חומר, מתפשט ומתכווץ בהתאם לטמפרטורת הסביבה. כשחם החומר מתפשט, כשקר הוא מתכווץ. 


אם נחבר בין שני חומרים שמקדם ההתפשטות שלהם שונה, נקבל סדיקה בין שני החומרים, והחומרים "לא יעבדו ביחד". במקרה של פלדה מקדם ההתפשטות שלה ושל הבטון הוא די דומה. זה אומר שגם אם יש שינוי טמפרטורה גדולים (ויש) עדיין הם יעבדו כמקשה אחת, ולא יתנתקו בגלל שינויים הטמפרטורה. 


לאור מה שהסברנו, נבין שבטון מזויין מאפשר לנו ליצוק תקרות שטוחות, דבר שלא היה נעשה בעת העתיקה אלא באמצעות לוחות עץ בלבד (או ריבוי עמודים). 


לסיכום: 


הקונסטרוקטור שלכם, אמור לבדוק לפני היציקות של התקרה או הרצפה, שברזל הזיון הונח בהתאם לתוכנית, הן מבחינת מספר מוטות הפלדה וקוטרם, ולא פחות חשוב: גם את מיקומם (ברזל תחתון או עליון).
עדיין לא דיברנו על מיקום הברזל בתוך האלמנט ומהו עובי הבטון הדרוש לכיסוי הברזל (ולמה) הנדרש בתקנים, אבל על כך בפעם אחרת. 

 

x
הרשמה לניוזלטר

לקבלת מאמרים שבועיים בנושא תכנון הבנייה, מלאו הפרטים והמאמר וחומר נוסף בנושא בנייה יגיעו ישירות לאי-מייל שלכם.
*ניתן לצאת מהרשימה בכל עת