بتن پیش تنیده ( Prestressed concrete ) یکی از پرکاربرد ترین مصالح ساختمانی است.
پیش تنیدگی عبارت است از ایجاد یک تنش ثابت و دائمی ( Prestress ) در یک عضو بتنی به نحو دلخواه و به اندازه لازم ، به طوریکه در اثر این تنش ، مقداری از تنش های ناشی از بارهای مرده و زنده در این عضو خنثی شده و در نتیجه مقاومت باربری آن افزایش پیدا می کند.
هدف اصلی از پیش تنیده کردن یک عضو بتنی ، محدود کردن تنش های کششی و ترک های ناشی از لنگر خمشی ، تحت تاثیر بارهای وارده در آن عضو می باشد .
بتن جسمی است مقاوم در مقابل فشار ، ولیکن مقاومت آن در مقابل کشش بسیار کم می باشد ، بنابراین می توان با وارد کردن فشار به بتن، کشش ایجاد شده در اثر بار مرده و زنده را در عضو بتنی تقلیل و در نتیجه مقاومت آن را افزایش داد .
کاربرد بتن پیش تنیده معمولاً در عضوهایی است که تحت تاثیر خمش می باشد مانند : تیرها ، دال ها ، دیوارهای حائل و ستون ها . ولی می توان از بتن پیش تنیده در عضوهایی که تحت تاثیر کشش هستند مانند : لوله ها ، مخازن آب و غیره نیز به نحو مطلوب استفاده نمود .
روش بتن پیش تنیده در سال ۱۸۸۶ میلادی توسط دانشمند اروپایی جکسون در در ایالت سان فرانسیسکو مطرح شد. اگرچه تا ۵۰ سال بعد همچنان به عنوان یک مصالح ساختاری مورد قبول و پذیرپش بسیاری قرار نگرفت اما با وقوع جنگ جهانی و کمبود مصالح ساختمانی از جمله فولاد، علاقه نسبت به استفاده از این فناوری جدید روز به روز گسترش پیدا کرد. اولین پل پیش تنیده در سال ۱۹۵۱ در کشور امریکا طراحی و اجرا شد.
در بتن پيش تنيده نيز مانند بتن مسلح از بتن که داراي مقاومت بسيار خوب فشاري است و فولاد استفاد مي شود اما بتن مسلح ترکيبي از بتن و فولاد است که در آن بتن در مقابل فشار و فولاد در مقابل کشش مقاومت مي کند در حالي که در بتن پيش تنيده با انجام يک عمل مکانيکي بتن به تنهايي تنش‌هاي کششي و فشاري ايجاد شده را تحمل مي نمايد. براي طرح محاسبه قطعات پيش تنيده روش و ترتيب اجراي سازه بايد دقيقا مشخص باشد زيرا مقادير تنش هاي ايجاد شده در قطعات در حين اجراي سازه بسيار مهم و گاهي تعيين کننده مي باشند. همچنين برخلاف حالت بتن مسلح بعد از بررسي پايداري سازه تغيير شکل‌هاي کوتاه مدت و دراز مدت بتن و فولاد نيز بايد به دقت مورد مطالعه قرار گيرند. مصالح مصرفي در سازه هاي بتن پيش تنيده بايد از کيفيت عالي برخوردار بوده و با دقت نيز مورد استفاده قرار گيرند با توجه به اين که بتن در سن کم که مقاومت نسبتاً ضعيفي داشته و قابل تغيير شکل نيز مي باشد تحت فشار فوق العاده زيادي قرار مي گيرد بايد کيفيت آن به مراتب از کيفيت بتن مصرفي در سازه هاي بتن مسلح بالاتر باشد همچنين فولاد نيز با توجه به اينکه تحت کشش فوق العاده زيادي قرار مي گيرد (100تا 180 کيلو گرم بر ميلي متر مربع ) بايد مقاومت مناسبي داشته باشد بنابر اين در زمان اجراي سازه مصالح مصرفي در بتن پيش تنيده تحت تنش هاي فوق العاده مهمي قرار مي گيرند که عمل تنيدن آزمايش مناسبي براي کنترل کيفيت مصالح به کار رفته است.
-
پیش تنیدگی به چه معناست؟
پیش تنیدگی زمانی ایجاد می شود که دو نوع مصالح تحت تنش به شکلی به یکدیگر متصل شوند که نیروی موجود در یکی به وسیله نیروی مخالف در دیگری خنثی شود.
در گذشته از این روش در ساخت چرخ های درشکه استفاده می کردند. عامل یکپارچگی پره ها و طوقه چوبی درشکه، تسمه ای فولادی بود که به صورت داغ حول طوقه قرار داده می شد. با سرد شدن و منقبض شدن حلقه، مجموعه طوقه و پره فشرده شده و یکپارچه می گردید. یک مثال دیگر که نشان دهنده مفهوم پیش تنیدگی، بشکه های چوبی قدیمی است که کشش ایجاد شده در حلقه های فلزی به طور موثری قطعات چوبی را به یکدیگر می فشارد تا مقاومت پایداری آن را افزایش دهند.
برای درک بهتر مفهوم پیش تنیدگی (Prestressing) تصویر زیر را مشاهده کنید. وقتی بار را بر روی اعضای بتنی وارد می‌کنیم، اعضا به این شکل خم می‌شوند. می‌توانید فشار را در قسمت بالا و کشش را در قسمت پایین مشاهده کنید و به دلیل این کشیدگی در قسمت پایین، بتن دچار ترک می‌شود.
به همین دلیل است که ما میل‌گردهایی را در قسمت پایینی اضافه می‌کنیم و آن را کش می‌دهیم تا بتواند در برابر کشش مقاومت بیشتری داشته باشند و بتن را از ترک خوردن نجات دهد. به این موضوع پیش تنیدگی گفته می‌شود. در پیش تنیدگی آرماتورها در امتداد محور خود کشیده می‌شوند. پس از آن هنگامی که میل‌گرد‌ها آزاد شدند، فشرده سازی در ناحیه پایین‌تر ایجاد می‌شود که سعی دارد فشار را به دلیل بارگذاری در قسمت بالای تیر متعادل کند. نیروهای رو به بالا در طول تیر با بارهای سرویس (بار مرده و زنده) که رو به پایین هستند، مقابله می‌کنند.
پیش تنیدگی محدودیت‌های طراحی بتن معمولی را از بین می‌برد و اجازه می‌دهد تا سقف ساختمان‌ها، پل‌ها و تیرها با دهانه بلندتر ساخته شوند.
-
مزایای بتن پیش تنیده
این نوع بتن از مزایای متعددی در برابر دیگر بتن ها برخوردار است که از جمله آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. نداشتن ترکهای دائمی
یکی از مهمترین خواص سازه های بتن پیش تنیده نداشتن ترک های دائمی می باشد . این موضوع باعث دوام بیشتر این نوع سازه ها نسبت به سازه های بتنی و بتن آرمه می شود . این امر به خصوص در محیط هایی با گازها و زمین های خورنده و همچنین سازه های دریایی بسیار حائز اهمیت می باشد . برتری بتن پیش تنیده نسبت به بتن آرمه در ساختمان تانکرهای آب و مخازن به جهت نداشتن ترک واضح است .
2. وزن کمتر سازه
وزن سازه های بتن پیش تنیده به مراتب از وزن سازه های بتن آرمه معادل کمتر است . اولاً چون از مقاومت تمام سطح مقطع بتن استفاده می شود ، میزان بتن لازم کمتر است . ثانیاً چون فولاد مصرفی دارای مقاومت زیادتری است ، معمولاً وزن فولاد لازم بین یک سوم تا یک پنجم وزن فولاد معمولی معادل می گردد .
3. نداشتن خیز به سمت پایین
خیز به طرف پایین ( deflection ) تیرهای بتنی پیش تنیده تحت اثر بارهای سرویس معمولاً بسیار کم می باشد . زیرا قبل از وارد آمدن بارهای سرویس ، تحت تاثیر نیروهای پیش تنیدگی مقداری خیز به طرف بالا در تیر به وجود آمده است ، که از شدت خیز به طرف پایین می کاهد .
4. تست سازه قبل از بارگذاری
در سازه های بتن پیش تنیده قبل از وارد آمدن بارهای سرویس ، سازه به وسیله نیروی پیش تنیدگی به شدت بارگذاری شده و بتن و فولاد تحت اثر تنش های زیادی قرار می گیرد ، و این خود یک نوع امتحان از نظر مطمئن بودن بتن و فولاد می باشد
5. قابلیت انعطاف پذیری
با تغییر مقداری نیروی پیش تنیدگی می توان سازه را صلب و یا انعطاف پذیر کرد ، بدون اینکه مقاومت نهایی آن تغییری بکند .
6. اقتصادی بودن سازه
سازه های بتن پیش تنیده معمولاً برای دهانه های بزرگ و بارهای سنگین اقتصادی تر از سازه های بتن آرمه می باشد .
7. انعطاف پذیری در معماری
سازه های بتن پیش تنیده به دلیل حذف بعضی از ستون ها و پایه ها ، امکان اجرای سازه با دهانه های بزرگتر را امکان پذیر ساخته و قابلیت سازه از نظر معماری را افزایش می دهد .
به عنوان مثال سطح هیپربولوئید ( که از دوران هذلولی به وجود می آید ) پیش تنیده برای پوشش سقف ساختمان های صنعتی با دهانه های ۱۰ تا ۱۸ متر ، سازه های فضایی و … از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه و از نظر آرشیتکتی بسیار زیبا می باشد .
-
پیش تنیدگی بتن به دلایل زیر انجام می‌شود
- کاهش ترک‌ها در ناحیه کششی
- افزایش مقاومت فشاری بتن
- عدم خوردگی آرماتورها در اثر ترک
- کاهش سطح مقطع عضو بتنی
- افزایش مدت زمان تخریب سازه
بتن پیش تنیده با دوام ترین، قابل اطمینان‌ترین و قوی‌ترین بتنی است که به طور گسترده برای ساخت ساختمان‌های بزرگ و پل‌ها استفاده می‌شود. این بتن برای ساختن سازه‌های بدون ترک و مقابله با اثرات انقباض و دما بسیار مفید است.
بتن پیش تنیده اجازه می‌دهد تا تیرها با طول دهانه بیشتری ساخته شوند و بتوانند ظرفیت حمل بار نهایی را برای سطح مقطعی یکسان افزایش دهند. با این حال، روند ساخت در بتن پیش تنیده نیاز به نظارت گسترده و تجهیزات پیچیده دارد.
-
معایب بتن پیش تنیده
استفاده از این نوع بتن مانند هر محصول دیگری ، در کنار مزایای خود دارای معایبی نیز است که از جمله آن ها می توان به دو مورد زیر اشاره کرد:
1. احتمال تخریب سیستم سقف
تخریب و خراب شدن این نوع سیستم سقف می تواند بسیار خطرناک باشد. زیرا برای ساخت بتن پیش تنیده از میله گردهای بسیار زیادی استفاده می شود. به همین دلیل تخریب آن ها باید به وسیله تیم فنی آموزش دیده انجام شود.
2. احتمال افت و وا دادگی کابل ها
از دیگر معایب بتن پیش تنیده پس کشیده می توان به مشکل افت و وا دادگی کابل ها به دلایل مختلفی چون کاهش اصطکاک بین کابل و غلاف ، کهولت کرنش (relaxation) و شل شدگی فولاد ، لغزش مهار انتهایی و فرو رفتن در ابتدا و انتهای کابل ، جمع شدگی بتن یا خزش و انقباض و آب رفتگی بتن به مرور زمان اشاره کرد.
3. هزینه بر بودن
برای ساخت این نوع بتن به مواد و مصالح متعدد ، دانش فنی بالا و نیروی متخصص احتیاج است و به صورت معمول برای جابه جایی قطعات آن ها باید از جرثقیل استفاده کرد. به همین دلیل مراحل ساخت و تولید و اجرا بتن پیش تنیده می تواند کمی سخت ، دشوار و هزینه بر است.
-
روش‌های پیش تنیدگی
1. بتن پیش تنیده پیش کشیده (Pre-tensioned concrete )
بتن پیش کشیده بتنی است که کابل های پیش تنیدگی آن قبل از ریختن بتن کشیده شده باشند . در بتن پیش کشیده کابل های داخل بتن به بتن چسبیده اند و در واقع کابل بدون غلاف داخل بتن جای می گیرد و بعد از اینکه بتن به مقاومت مشخصه رسید ، کابل ها را از تکیه گاه‌های دو طرف آزاد کرده و قسمت اضافی بیرون مانده از بتن را قطع می نمایند . تمام نیروی پیش تنیدگی به طور کامل در طولی از کابل به بتن منتقل می شود که این طول انتقال ، بستگی به نوع سطح فولاد ، شکل مقطع و قطر آن دارد . همچنین مقاومت بتن نیز در آن موثر می باشد همانند تولید شمع ها و تیرهای پیش ساخته .
برای جلوگیری از وارد شدن ضربه به بتن در موقع انتقال نیروی پیش تنیدگی ، باید این نیرو به طور آرام و تدریجی به بتن منتقل شود . همچنین قطعه بتنی باید بتواند به راحتی در روی بستر خود بلغزد تا جلوی به وجود آمدن نیروهای داخلی در اثر اصطکاک گرفته شود .
یکی از خاصیت های مهم بتن پیش کشیده این است که می توان چندین عضو یک شکل را در آن واحد بین دو تکیه گاه ریخته و پس از گرفتن بتن با قطع کردن کابل های مشترک ، آنها را از هم جدا کرد . این کار از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه می باشد ، زیرا عمل کشیدن کابل ها برای تمام عضوها فقط یکبار انجام می شود همانند تولید قطعات پیش ساخته Hallow-core که مراحل تولید به شکل زیر می باشد .
2. بتن پیش تنیده پس کشیده (Post-tensioned concrete )
اگر فولاد پیش تنیدگی را بعد از گرفتن و سفت شدن بتن بکشند ، بتن را اصطلاحاً بتن پس کشیده می نامند. نیروی پیش تنیدگی توسط گیره های ( anchorages ) دو انتهای سازه از کابل به بتن منتقل می گردد . فولاد پیش تنیدگی نباید قبل از کشیدن به بتن چسبیده باشد ، در غیر این صورت امکان کشیدن آن وجود نخواهد داشت . فولادهای پیش تنیدگی را باید در داخل غلاف ها یا مجراهایی که در داخل بتن یا خارج از آن تعبیه شده است ، قرار داد.
کابل های پیش تنیدگی را می توان قبل و یا بعد از بتن ریزی در داخل غلاف ها کار گذاشت . کابل ها به صورت یکی یکی به وسیله دستگاه کابل ردکن ( strand pusher ) و یا به طور دسته ای بوسیله نیروی انسانی در داخل غلاف کار گذاشته می شود.
-
انواع بتن پیش تنیده پس کشیده
1. با روش چسبنده ( Bonded )
بعد از پایان عملیات کشش کابل ها ، برای جلوگیری از زنگ زدن کابل ها ، دوغاب سیمان به داخل غلاف ها تزریق می شود تا فاصله بین کابل و غلاف را پر کند . در این حالت چون کابل توسط دوغاب به غلاف و در نتیجه به بتن می چسبد ، اصطلاحاً این روش را چسبنده ( Bonded ) می نامند.
2. با روش غیر چسبنده ( Unbonded )
گاهی اوقات به دلائل خاصی از جمله ایجاد انعطاف پذیری بیشتر سازه جهت مقاومت بهتر در مقابل زلزله ، ممکن است دوغاب به داخل غلاف تزریق نکنند . در چنین حالاتی چون هیچ نوع چسبندگی بین کابل و غلاف وجود ندارد ، این روش را غیر چسبنده ( unbonded ) می نامند . در چنین مواقعی برای جلوگیری از زنگ زدن کابل ، داخل غلاف و دور کابل را پر از گیریس می کنند . بعضی از کارخانه های کابل سازی ، کابل هایی تولید می کنند که در داخل لوله های پلاستیک پر از گریس قرار دارد . این نوع کابل های فاقد چسبندگی را می توان مستقیماً در داخل بتن کار گذاشت و بعد از کسب مقاومت از بتن ، کابل ها را کشید که گریس مانع از چسبیدن کابل به غلاف پلاستیکی و در نتیجه به بتن می شود.
در روش غیر چسبنده اگر به دلائلی کابل از داخل گیره ها در برود و یا از هر نقطه پاره شود ، نیروی پیش تنیدگی در آن مقطع از بین می رود.
اصولاً مقاومت نهایی بتن پس کشیده چسبنده خیلی بیشتر از مقاومت نهایی بتن پس کشیده غیر چسبنده مشابه می باشد .
