بتن پیش تنیده
پیش تنیدگی دارای مفهومی عام می باشد که در حوزه های گوناگون مهندسی و صنعت کاربردی وسیع دارد. به عنوان مثال یک چرخ دوچرخه مثالی از مفهوم پیش تنیدگی را نشان می دهد که آن لاستیک چرخ بسیار نرم و سیم های داخل آن بسیار بلند است می باشند. که تحت نیروی فشار امکان کمانش آن ها وجود دارد. ولی لاستیک ها و سیم ها در مقابل آن مقاومند پس لاستیک چرخ را پر از باد می کنند و به این ترتیب در سیم ها کشش قبلی ایجاد می کنند. در یک تعریف کلی می توان گفت که عمل پیش تنیدگی اعمال فشار مصنوعی اولیه بر بتن است. به طوریکه تنش حاصله با آثار ناشی از بارگذاری مرحله بهره برداری، تنش هایی در حد تحمل مصالح مصرفی ارائه نمایند.
در صنعت ساختمان نیز استفاده از بتن مسلح در انواع سازه ها و دهانه های متعارف با توجه به دوام، شکل پذیری و هزینه اجرایی مناسب، متداول است اما به دل مقاومت کششی محدود بتن، اجزا باربر در ناحیه کششی ترک خورده و لذا تنها بخش فشاری مقطع در مقاومت مکانیکی شرکت می کند. وقتی طول دهانه و بارهای وارده سطح ناحیه کششی وسعت یابد، کمبود مقاومت کششی بیشتر خود را به عنوان مشکل نشان می دهد لذا در جهت اقتصادی تر نمودن طرح ها و استفاده بهتر از مصالح مصرفی تکنیک پیش تنیدگی مطرح و اجرا شده است. در مورد تاریخچه پیش تنیدگی می توان گفت که حدود ۵۰۰۰ سال قبل، مصری ها از سیستم پیش تنیدگی در ساخت قایق های خود استفاده می کرده اند.
بدین ترتیب که برای اتصال چوب های بدنه قایق، تیغ های آهنی گرم به کار می بردند تا بعد از سرد شدن و انقباض آن ها قطعات چوبی به هم فشرده شوند. اما اولین کسی که توانست با ایجاد تنش فشاری در بتن، مقاومت آن را تحت تاثیر لنگر خمشی افزایش دهد، مهندس آمریکایی به تام جکسون بود که توانست اختراع خود را در سال ۱۸۸۶ به ثبت برساند. دو سال بعد، در سال ۱۸۸۶، دوهرینگ، مهندس آلمانی با قرار دادن یک میله فولادی کشیده شده در داخل دال بتنی توانست اولین دال بتنی پیش تنیده را بسازد. در سال ۱۹۴۸، پروفسور آبلس انگلیسی اولین سازه بتن آرمه با پیش تنیدگی جزئی را در لندن بنا کرد.
امروزه میتوان سازه ها را به دسته بندی های زیر تقسیم نمود: که این تقسیم بندی نشان می دهد سازه های بتنی پیش تنیده یکی از شاخه های اصلی سازه های بتنی را تشکیل می دهند و لذا از اهمیت بالایی به لحاظ طراحی و اجرا برخوردار می باشند.
کاربرد این سیستم در پروژه هایی مانند : ساختمان های مسکونی و اداری، هتل ها، بیمارستان ها، پارکینگ های طبقاتی، ورزشگاه ها، فرودگاه ها، ساختمان های بلندمرتبه، ساختمان های خاص همچون مراکز فرهنگی، پروژه های انبوه سازی، مخازن زمینی و هوایی آب و سوخت و در مناطق با خطر زلزله بالا و یا محیط هایی که سازه معرض خوردگی زیادی می باشد استفاده شده است با آگاهی بیشتر کارفرمایان، معماران و مهندسین مشاوره، دامنه کاربرد صنعت پیش تنیدگی در ۲۰ سال اخیر به بیش از ۵ برابر افزایش یافته است.
مفهوم پیش تنیدگی
پیش تنیدگی عبارت است از ایجاد یک تنش ثابت و دائمی در یک عضو بتنی به نحو دلخواه و به اندازه لازم، به بطوریکه در اثر این تنش، مقداری از تنش های ناشی از بارهای مرده و زنده در این عضو حنثی 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 معمولا در عضو هایی 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 نحوه مطلوب استفاده نمود.
از دیدگاه کلی پیش تنیدگی به معنای ایجاد تنش های دائمی مخالف با تنش هایی می باشد که در اثر بارهای خدمت در سازه ایجاد خواهند شد. همانطور که میدانیم بتن در فشار بسیار قوی ولی در کشش ضعیف عمل می نماید بطوریکه یک تنش کششی اندک می تواند باعث ترک خوردگی مقطع بتنی شود. عموما از میلگردهای فولاد در بتن به عنوان آرماتور کشش استفاده می شود تا مقدار ترک خوردگی را محدود نماید. برای روشن تر شدن موضوع یک تیر بتنی را مورد بررسی قرار می دهیم.
در یک تیر بتنی معمولی(غیر پیش تنیده) که تحت بار ثقلی قرار دارد به واسطه خمش ایجاد شده در آن، پایین مقطع (زیر تار خنثی) به کشش افتاده و در بالا فشار ایجاد می گردد پس از ترک خوردن خوردن بتن در کشش ضعیف میباشد. پس از ترک خوردن بتن در مقابل تنش های کششی، فولاد موجود در زیر تار خنثی به کشش می افتد. این امر ممکن است حتی اثر وزن خود تیر نیز اتفاق بیفتد و پایداری آن را افزایش دهد.
اگر یک تیر فقط تحت تاثیر لنگر خمشی ناشی از بار مرده و زنده باشد همیشه در پایین تیر کشش وجود خواهد داشت حال اگر نیروی فشاری را در مرکز ثقل سطح مقطع تیر از دو طرف وارد آوریم می توان تنش کششی را در پایین تیر کاهش داده و یا اینکه به طور کلی آن را از بین برده و تبدیل به تنش فشاری کرد چون مقاومت کششی بتن در کشش حدود یک دهم مقاومت فشاری آن است بنابراین با از بین بردن تنش کششی در یک تیر می توان مقاومت آن را مقدار زیادی افزایش داد.
در سازه های بتن مسلح معمولی، اعضای بتنی از قبیل تیر و ستون و دال سقف شامل بتن و آرماتور هستند که در این اعضاء بخشی از بتن تحت نیرو های فشاری و بخش دیگر آن به همراه آرماتور، تحت نیرو های کششی قرار می گیرند. بتن در فشار عملکرد مطلوبی دارد ولی در کشش بسیار ضعیف عمل می کند. در ناحیه کششی بتن ترک می خورد و کارایی خود را از دست می دهد و آماتور به تنهایی نیروهای کششی را تحمل می کند. در این حالت بتن، تنها نگهدارنده آرماتور است و بدون باربری، به وزن سازه می افزاید. اما در سازه های پیش تنیده، قبل از آنکه بار های مرده و زنده بر بتن اعمال شوند، در بتن مقداری تنش فشاری ایجاد می کنند که این تنش فشاری بعد از اعمال بارگذاری با تنش کششی ناشی از بار خنثی شده و مانع از ایجاد ترک های کششی در بتن می شود. بدین ترتیب از حداکثر ظرفیت بتن استفاده می شود و ابعاد و اندازه اعضا کاهش می یابد.
با پیش فشرده کردن یک عضو بتنی، پس از خمش، در اثر اعمال بار نیز عضو بتنی تحت فشار باقی می ماند و بدین دلیل امکان طراحی کارآمدتری را فراهم می آورد. یک تیر بتنی تحت فشار باقی می ماند و بدین دلیل امکان طراحی کارامدتری را فراهم می آورد. یک تیر بتنی پیش تنیده هنگامی که تحت اعمال بار قرار می گیرد خم می شود که تنش های فشاری داخلی کاهش می یابد. وقتی که بار برداشته می شود، نیروی پیش تنیدگی باعث می شود که تیر به حالت اولیه خود برگردد که نشان دهنده خاصیت ارتجاعی بتن پیش تنیده است. به عبارتی دیگر پیش تنیدگی به تیر امکان مقاومت بسیار بالایی در برابر خستگی می دهد.
یکی از ساده ترین مثال های پیش تنیدگی، تلاش برای بلند کردن یک ردیف کتاب می باشد زیر ابتدا لازم است به ردیف کتاب ها از دو طرف فشاری وارد کنیم تا باعث افزایش مقاومت در برابر لغزش بین کتاب ها شده، به طوری که بلند کردن آن ها را ممکن سازد. مثال دیگر مربوط به بشکه های مخصوص نگهداری آب و مایعات است که در آن ها چوب در اثر تماس با مایع خیس خورده و متورم می شود اما حلقه فلزی دور آن باعث ایجاد تنش اضافی شده و پیش تنیدگی در سیستم ایجاد می کنند.
توزیع تنش در مقطع بتنی مسلح
- در سیستم پیش تنیده به علت اینکه فشار وارده از طرف کابل های پیش تنیده به بتن بسیار زیاد است لازم است که مقاومت فشاری بتن مورد استفاده در یک ساختمان بتنی پیش تنیده بالاتر از مقاومت فشاری بتن مورد استقاده در یک ساختمان بتن آرمه باشد.
- بتن پیش تنیده یک جسم همگن و الاستیک می باشد و قبل از ترک خوردن بیشتر خاصیتی شبیه به فولاد را دارد تا یک جسم غیر همگن مانند بتن آرمه.
- یک ساختمان ساخته شده با سیستم بتن پیش تنیده تحت اعمال بارهای سرویس ترک نمی خورد در صورتی که در یک ساختمان بتن آرمه معمولی، از همان ابتدای بارگذاری ترک هایی در زیر تار خنثی به وجود می آید. حتی اگر در اثر بارهای بیش از حد پیش بینی نشده ساختمان بتن پیش تنیده ترک بخورد، بعد از اینکه بارها از روی ساختمان برداشته شود ترک ها بسته خواهند شد.
- در بتن پیش تنیده لنگر مقاوم به چند برابر افزایش می یابد و اثر نیروی برشی به ۱:۱۰ تا ۱:۵ تقلیل می یابد.
- استفاده از فولادی های نرم که معمولا در ساختمان های بتن آرمه به کار می روند، برای استفاده در ساختمان های بتن پیش تنیده مناسب نمی باشند زیرا امکان کشیدن آن ها به حدی که بتواند جبران اتلاف تنش های پیش تنیدگی ناشی از انقباض و خزش بتن را بکند وجود ندارد.
- اگر در یک ساختمان پیش تنیده، تنش پیش تنیدگی در اثر بار وارده خنثی شود، بتن پیش تنیده خاصیتی بسیار شبیه به بتن معمولی پیدا خواهد کرد.
- کاهش هزینه های ساخت و بهره برداری در بتن پیش تنیده نسبت به بتن معمولی.
- وزن ساختمان های بتن پیش تنیده تحت اثر بار های سرویس معمولا بسیار کم می باشد زیر 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.
- خیز به طرف پایین تیرهای بتن پیش تنیده تحت اثر بارهای سرویس معمولا بسیار کم می باشد. زیرا قبل از وارد آمدن بارهای سرویس تحت اثر نیروهای پیش تنیدگی مقداری خیز به طرف بالا در تیر به وجود آمده است که از شدت خیز به طرف پایین می کاهد.
- در ساختمان های بتن پیش تنیده قبل از وارد آمدن بارهای سرویس، ساختمان به وسیله نیروی پیش تنیدگی به شدت بارگذاری شده و بتن و فولاد تحت اثر تنش های زیادی قرار می گیرند و این خود یک نوع امتحان از نظر مطمئن بودن بتن و فولاد می توان مطمئن شد که چنانچه در این مرحله ساختمان از خود حالت غیر نشان ندهد می توان مطمئن شد که تحت تاثیر بارهای سرویس نیز عیبی پیدا نخواهد کرد.
- در سازه های بتنی پیش تنیده، با تغییرات مقداری نیروی پیش تنیدگی می توان سازه را صلب و یا انعطاف پذیر کرد بدون اینکه مقاومت نهایی آن تغییری پیدا بکند.
- سازه های بتنی پیش تنیده با توجه به انعطاف پذیری بیشترشان، خاصیت فنری و ارتجاعی داشته و می توانند قبل از اینکه در اثر ضربه گسیخته گردند مقدار قابل توجهی انرژی جذب کنند. به همین دلیل این سازه ها تحت تاثیر بارهای زلزله و دینامیکی رفتار بهتری از خود نشان می دهند.
- وزن ساختمان های بتن پیش تنیده به مراتب از وزن ساختمان های بتن آرمه معادل کمتر است. زیرا اولا چون از مقاومت تمام سطح مقطع بتن استقاده می شود میزان بتن لازم کمتر است، ثانیا چون فولاد مصرفی دارای مقاومت زیادتری است معمولا وزن فولاد لازم ۱:۵ تا ۱:۳ وزن فولاد معمولی معادل می باشد.
- از دیگر خواص سازه های بتنی پیش تنیده، عدم وجود ترک های دائمی در آن ها می باشد که باعث استفاده بیشتر از این سیستم در محیط های گاز دار و خورنده و نیز زمین های مشکل ساز به لحاظ امکان خوردگی و سازه های دریایی شده است.
مزایای معماری پیش تنیدگی در ساخت دال های تخت
۱- امکان ایجاد دهانه های بزرگ تر یا افزایش فواصل بین ستون ها
۲- کاهش ضخامت سقف و وزن سازه
۳- کاهش ارتفاع سقف و کل ساختمان
۴- امکان ایجاد کنسول های بزرگ تر
۵- ایجاد فضای لازم جهت تامین پارکینگ های بیشتر
۶- سطح زیرین دال به صورت تخت
۷- انعطاف بیشتر در پلان
۸- امکان ایجاد بازشوهای بزرگ تر در سقف
۹- قابلیت بیشتر عبور لوله ها و تاسیسات ساختمانی
۱۰- کنترل ترک خوردگی سازه
۱۱- افزایش دوام بتن
۱۲- باربری بیشتر عضو پیش تنیده
۱۳- کاهش وزن مرده ساختمان و مصالح مصرفی
۱۴- ایمنی بیشتر سقف یکپارچه بتنی در زلزله
۱۵- امکان ساخت قطعات سبک تر بتنی پیش ساخته
۱۶- کاهش ارتعاش ناشی از ضربه های دینامیکی
۱۷- سیکل های اجرایی کوتاه تر و افزایش سرعت اجرا
روش های پیش تنیدگی
بسته به اینکه کشش در کابل ها قبل یا بعد از بتن ریزی صورت پذیرد، انجام عملیات پیش تنیدگی به دور روش زیر امکان پذیر است.
۱- پیش کشیدگی ۲- پس کشیدگی
پیش کشیدگی
در این روش اعضای کششی قبل از گیرش بتن کشیده می شوند و مورد استقاده آن بیشتر در تولید مقاطع پیش ساخته بتنی مانند دال های و تیرهای پیش ساخته می باشد. برای ساخت بتن پیش کشیده، کابل ها (اعضای کششی) را در درون قالب بتن گذاشته و از درون این قالب های فلزی به طرف بیرون کشیده می شوند و زمانی که بتن سخت شده کابل ها را در بر گرفت، این کابل ها را از اطراف بریده و کشش درونی آن ها بتن را تحت فشار می دهد. این مراحل به ترتیب زیر می باشند:
۱- کشیدن کابل های پیش تنیدگی
۲- بتن ریزی پیرامون کابل ها
۳- آزاد کردن کابل ها پس از سفت شدن بتن
سپس بتن خود را جمع می کند (خیزش و افت در بتن) و پیش کشیدگی اتفاق می افتد و در قطعه، تنش اضافی ایجاد می شود.
تمام نیروی پیش تنیدگی به طول کامل در طولی از کابل به بتن منتقل می شود این طول را طول انتقال می نامند. طول انتقال بستگی به نوع سطح فولاد، شکل مقطع و قطر آن دارد همچنین مقاومت بتن نیز در آن موثر می باشد. طول انتقال همچنین به خاصیت گوه ای فولاد بتن پیش تنیده در طرف بریده شده آن بستگی دارد. خاصیت گوه ای به این دلیل به وجود می آید که چون قطر فولاد در اثر کشیده شدن کم می شود در طول انتقال که نیروی متغیر می باشد قطر فولاد نیرو بسته به نیروی داخل آن متغیر می باشد.
برای جلوگیری از وارد شدن ضربه به بتن در موقع انتقال نیروی پیش تنیده باید این نیرو به طور آرام و تدریجی به بتن منتقل شود. همچنین تیر باید بتواند به راحتی در روی بستر خود بلغزد تا جلوی به وجود آمدن نیروی داخلی در اثر اصطحکاک گرفته شود. اگر چنانچه سطح فولاد مصرفی دارای خاصیت چسبندگی کافی به بتن نباشد نیروی پیش تنیدگی ممکن است به طور ناقص به بتن منتقل شود و در این حالت نمی توان فرض کرد که بتن پیش تنیده شده است و حتی ممکن است که مقاومت خمشی آن از یک تیر بتن فولادی کمتر گردد. بنابراین در بتن پیش تنیده باید از فولادهای نوع مجاز برای این کار و همچنین بتن نوع عالی با مقاومت بیشتر از در موقع انتقال استفاده نمود.
یکی از خاصیت های مهم بتن پیش کشیده این است که می توان چندین عضو یک شکل را در آن واحد در کارخانه بین دو تکیه گاه ریخته و پس از گرفتن بتن با قطع کردن کابل های مشترک آن ها 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 یک بار انجام می گیرد.
تکیه گاه ها و بستر مخصوص کارهای پیش کشیدگی
در حین بتن ریزی و در طول مدت حفاظت از بتن باید تا جایی که امکان داشته باشد تنش در کابل های پیش تنیدگی، تقریبا ثابت نگاه داشته باشد این کار می توان به دو طریق زیر انجام داد:
الف : کابل ها را کشیده و با قالب های مجاز فلزی که برای تحمل نیروهای پیش کشیدگی و تنش های ناشی از وزن بتن تازه طرح گیر می دهند.
ب : کابل ها را کشیده و به تکیه گاه های مخصوصی اتصال می دهند این تکیه گاه ها نیروی پیش کشیدگی در کابل را در حین عملیات بتن ریزی حفظ کرده و ثابت نگاه می دارد.
بین دو تکیه گاه سطح تراز و صافی وجود دارد که در روی آن قالب های مربوط به قطعات پیش کشیده را گذاشته سپس بتن ریزی را انجام می دهند. مجموعه دو تکیه گاه و سطح صاف بتن آن ها را بستر پیش کشیده می نامند.
از قالب های مجزا که نیروی پیش کشیدگی کابل مستقیما به آن ها وارد می شود برای ساخت تیرهای T دولبه و شمع های پیش کشیده و تراورس های راه آهن استفاده می شود به غیر از موارد ذکر شده معمولا سیستم قالب های مجزا زیاد اقتصادی نبود و مورد استفاده وسیعی ندارد انواع بسیار متنوعی از بسترهای پیش کشیده وجود دارد که هر کدام برای کار خاصی مناسب است هر تکیه گاه و بستر معمولا برای تحمل یک نیروی ماکزیمم و یک لنگر حداکثر طرح می شود.
قالب های مخصوص کارهای پیش کشیدگی
به طور کلی قالب هایی که برای ساخت قطعات پیش کشیده به کار می رود باید دارای مشخصات مخصوص و مناسبی برای این کار باشد مهم ترین این مشخصات به شرح زیر می باشد:
مقاومت زیاد نسبت به صدمه ناشی از عدم استفاده صحیح از قالب و رطوبت زیاد ناشی از بخار دادن به بتن با توجه به این شرط استفاده از قالب جوبی که نمی توان از آن به دفعات زیاد (به عنوان قالب برای بتن ریزی) استفاده نمود و ضمنا به بخار آب نیز حساس است مناسب نمی باشد با وجودی که استفاده از قالب های بتنی موفق بوده است لیکن قالب های سبک تر فلزی معمولا ارجیحت دارد.
دقیق بودن ابعاد قسمت های مختلف قالب از آنجایی که معمولا یک قالب متشکل از قطعات مجزایی است که باید یه یکدیگر متصل شود اهمیت دارد لذا قطعات باید با دقت زیادی ساخته شده باشد تا در موقع اتصال کاملا با یکدیگر هماهنگ شوند.
قالب باید طوری طرح شود که کار کردن با آن ساده و راحت باشد موضوع مهم این است که در هنگام باز کردن بستن قالب جا به جایی قطعات مجزای تشکیل دهنده قالب و اتصال آن ها به هم آسان باشد و برای این منظور قطعات مجزا باید عموما در وضعیت قائم قرار داشته باشد.
قالب باید طوری طرح شود که بتوان یک طرف آن را مستقل از طرف دیگر در وضعیت نهایی خود قرار داد. قالب باید دارای قابلیت تنظیم باشد قالب و یا اجزا قالب باید طوری قابل تنظیم باشد که بتوان عضوهایی با چندین شکل مختلف را در آن توسط خود قالب و یا اجزا قالب ساخت و باید به اندازه کافی محکم باشد تا بتواند لرزشی ناشی از ویبراتورها را (ویبراتورهای متصل به قالب) به راحتی تحمل کند.
قسمت زیر قالب باید بسیار صلب باشد و نباید در موقع استفاده تغییر شکل دهد زیرا چنین تغییر شکل هایی باعث می شود که قسمت زیر عضوهای ساخته شده در این قالب دارای ناصافی ها و یا انحناهایی گردد. به علاوه قسمت زیر قالب باید به صورت یک عضو سازه ای عمل کند و بتواند نیروی های جانبی و نیروی های رو به بالا را تحمل نماید تا بتوان قالب کناری را طور محکم به آن اتصال داد که در موقع بتن ریزی حرکت نکند این شرط آخری برای ساخت تیرهای T شکل با بال پایینی پهن بسیار با اهمیت می باشد زیرا نیروی رو به بالا ( در اثر فشار هیدرواستاتیکی بتن تازه) در چنین حالتی ممکن است بسیار بزرگ است.
پس کشیدگی
در سال اخیر استفاده از سقف های پس کشیده در ساختمان ها رشد و پیشرفت داشته است. بیشترین کاربرد آن در کشور آمریکا بوده در کالیفرنیا این سیستم اولین انتخاب برای سقف بتنی است. سقف های پس کشیده همچنین در استرالیا، هنگ کنگ، سنگاپور و اروپا نیز استفاده می شودو در انگلستان نیز به سرعت در حال افزایش است. در این حالت نیروی پیش تنیدگی بدین تربیت اعمال می شود که تاندون های فولادی به وسیله جک هایی کشیده می شوند به قسمی که عکس العمل این جک ها به یک عضو بتنی که قبلا ریخته شده وارد می شود. تقریبا تمامی پیش تنیدگی درجا با استفاده از این روش انجام می شود. تاندون هااز داخل غلاف هایی که قبلا در عضر بتن تعبیه شده اند عبور داده می شوند. در اکثر کاربردهای بتن پس کشیده، فضای بین تاندون و غلاف با دوغاب سیمان تحت فشار ترزیق می شود، این عمل از تاندون ها در مقابل زنگ زدگی محافظت می کند و نیز باعث بهبود ظرفیت مقاومت نهایی عضو می شود. یک تفاوت مهم بین سیستم های پیش کشیدگی و پس کشیدگی این است که در حالت پس کشیدگی به راحتی می توان از تاندون های منحنی استفاده نمود برای این کار غلاف های انعطاف پذیر را به شکل منحنی در عضو کار می گذاریم و بتن ریزی در اطرف آن ها انجام شود.
اگر فولاد پیش تنیدگی را بعد از گرفتن و سفت شدن بتن بکشند بتن را اصطلاحا بتن پس کشیده می نامند. نیروهای پیش تنیدگی توسط گیره های انتهایی 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. همچنین اصطلاک بین فولاد و بتن را باید هرچه ممکن است کاهش داد. فولادهای پیش تنیدگی را می توان در داخل غلاف ها یا مجراهایی که در بتن تعبیه شده است و یا اینکه کاملا خارج از بتن قرار داد.
معمولا برای جلوگیری از زنگ زدن کابل ها دوغاب سیمان به داخل غلاف ها تزریق می کنند تا فاصله بین کابل و غلاف را پرکند. در این حالت چون کابل توسط دوغاب به غلاف و در نتیجه به بتن می چسبد اصطلاحا کابل را کابل با چسبندگی می نامند. گاهی اوقات به دلایل خاصی از جمله ایجاد انعطاف پذیری بیشتر جهت مقاومت در برابر زلزله ممکن است دوغاب به داخل غلاف های دور کابل تزریق نکنند در چنین حالاتی چون هیچ نوع چسبندگی بین کابل و غلاف وجود ندارد کابل را بدون چسبندگی می نامند در چنین مواقعی برای جلوگیری از زنگ زدن کابل داخل علاف دور کابل را پر از گریس می کنند. بعضی را 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 مستقیما در داخل بتن کار گذارد و بعد از پایان عملیات بتن ریزی کابل ها را کشید چون گریس مانع چسبیدن کابل به غلاف می شود.
در این روش اعضای کششی پس از گیرش بتن کشیده می شود. روند ساخت با مرحله درجا سازی هماهنگ بوده و به همین دلیل در اکثر پروژه های ساختمانی قابل استفاده است. به گونه ای که ابتدا قالب بندی و آرماتوربندی مورد نیاز صورت می پذیرد و در مسیرهایی که از محاسبات استخراج می شود غلاف های پلاستیکی یا فلزی قرار می گیرد. اعضای کششی از داخل این غلاف ها عبور می کنند به گونه ای که پس از گیرش بتن امکان حرکت در تمام طول مسیر را خواهند داشت.
سپس عملیات بتن ریزی به صورت درجا انجام شده و بتن پیرامون غلاف ها را کاملا محصور می نماید. پس از گیرش بتن عملیات کشش توسط جک های هیدرولیکی انجام گردیده و نیروی اعمال شده توسط وسیله مخصوصی به نام مهاری که قبلا در بتن جایگذاری شده به بتن منتقل می گردد. استراند اعضای کششی با مقاومت بالا هستند که مقاومتی حداقل به اندازه ۱۸۲۵۰ کیلوگرم بر سانتیمتر دارند.
انواع سیستم های پس کشیده
روش های پس کشیدگی بسته به نوع غلاف ها و نحوه اتصال به بتن به دو شیوه طبقه بندی می شوند.
۱. روش چسبیده (قطعه بتنی به کابل می چسبد)
۲. روش غیر چسبیده (قطعه بتنی به کابل نمی چسبد)
بررسی سیستم های چسبیده و غیر چسبیده
- در روش غیر چسبیده در کارخانه محل تولید هر رشته استرند کاملا به گریس مخصوص آغشته شده و غلافی پلاستیکی از جنس پلی اتلین متراکم دور استرند قرار داده می شود. این غلاف و گریس ضمن محافظت از استرلند در برابر عوامل خورنده، باعث کاهش اصطلاک شده و امکان حرکت آزاد استرلند را در داخل بتن فراهم می آورد. در سیستم چسبیده این عملیات در محل کارگاه و به وسیله غلاف فلزی و دوغاب (گروت) تزریق شده به داخل غلاف صورت می گیرد با این تفاوت که در هر غلاف فلزی چند رشته استرند جاسازی می شود.
- برای طرح و اجرای دال های پس کشیده می توان از هر دو روش غیر چسبیده و چسبیده و یا ترکیب همزمان آن ها بهره جست. هر یک از این روش ها دارای خصوصیاتی می باشند که موارد استفاده از آن ها را متفاوت می گرداند.
- در سیستم چسبیده ضخامت زیاد غلاف و همچنین قرار گرفتن استرندها پس از کشش در یک وجه غلاف باعث می شود تا مقدار خروج از مرکزیت کم و به تبع آن اثر پیش تنیدگی کاهش یافته و در نتیجه حجم مصالح مصرفی شامل ادوات پیش تنیدگی و بتن و آرماتور افزایش می یابد. به عنوان مثال اگر محاسبات ضخامت مسقفی را با سیستم چسبیده ۲۵ سانتیمتر باشد، با سیستم غیر چسبیده این ضخامت به ۲۳ سانتیمتر کاهش می باید.
- در سیستم چسبیده یک گروه استرند از داخل یک غلاف فلزی عبور می کنند در صورتیکه در روش غیر چسبیده استرندها به صورت جداگانه داخل غلاف های پلاستیکی عبور می نمایند. همین کیفیت باعث می شود استرند ها در دال توزیع مناسب تری داشته باشند و دال در نهایت عملکرد مطلوب تری داشته باشد.
- در سیستم چسبیده به دلیل شکل مقطع غلاف و اینرسی بالای آن در پلان حرکت غلاف ها به صورت منحی در پلان به سختی امکان پذیر بوده و به همین جهت اجرای سازه هایی با پلان های منحنی و یا آرایش نامنظم ستون ها بسیار دشوار بوده و همچنین امکان عبور استرندها از پیرامون بازشوهای قرار گرفته در مسیر استرندها نخواهد بود.
- سیستم چسبیده با توجه به شکل غلاف ها و امکان استفاده از تعداد زیاد استرند در یک غلاف عموما برای تیرها با دهانه ها بزرگ مناسب می باشند چرا که در این تیرها از دست رفتن خروج از مرکزیت با توجه با ارتفاع زیاد تیر از اهمیت کمتری برخوردار است.
- در سیستم چسبیده عملیات قرار دادن استرند داخل غلاف و همچنین تزریق گروت در محل کارگاه انجام می شود در صورتیکه در سیستم غیر چسبیده کلیه عملیات فوق در کارخانه انجام شده لذا از کیفیت بالاتری برخوردار است.
- در سیستم چسبیده به دلیل تزریق گروت در محل، در صورت عدم نظارت دقیق امکان دارد هوا و آب در مسیر غلاف ها محبوس و باعث خوردگی استرندها شود. همچنین یخ زدن آب در داخل غلاف احتمالی ترکیدن غلاف و تخریب بتن مجار آن به همراه خواهد داشت.
- در سیستم غیر چسبیده به دلیل اصطلاک کمتر غلاف ها و کابل ها عملا افت نیروی کمتری اتفاق افتاده و راندمان پیش تنیدگی بیشتر خواهد بود.
- در سیستم چسبیده عملیاتی همچون ساخت و نصب غلاف، عبور استرندها از داخل غلاف، نصب آرماتورهای انفجاری، نصب هواکش ها، جزئیات خاص در نواحی انتهایی، سوراخ کاری لبه قالب دال، سنگین بودن غلاف و گروه استرندها، عملیات ساخت و تزریق گروت، نیاز به بالابر و جرثقیل جهت حمل دستگاه تزریق از جمله پارامترهایی هستند که زمان اجرای عملیات پیش تنیدگی را بیشتر نموده و نیروی انسانی بیشتری را طلب می کنند.
مزایای سیستم غیر چسبیده:
۱- امکان تعویض کابل ها در صورت خوردگی
۲- امکان بازرسی جهت و تعمیر و نگهداری و در صورت استفاده خارجی
۳- ظاهر شدن علائم هشدار دهنده قبل از خرابی در صورت اشکال ( صدا،زدگی)
۴- مقرون به صرفه بودن در ساخت دال سقف
۵- دست یابی به بیشترین خروج از مرکزیت یا قرار دادن کابل نزدیک به سطح خارجی بتن ( کمانش،خیز و گمانه ایجاد کنیم – خیز مثبت)
۶- مطابقت داشتن کابل ها با تغییر شکل دال
۷- سرعت بالای ساخت به دلیل عدم تزریق دوغاب.
موارد فوق که به عنوان نمونه ذکر گردید باعث شده سیستم غیر چسبیده با وجود گران تر بودن مصالح مصرفی نسبت به سیستم چسبیده اقتصادی تر و دارای کاربرد بیشتری باشد و عملا در ایالات متحده به عنوان منطقی ترین روش اجرا در پروژه های ساختمانی ارائه گردیده است.
مزایای سیستم پس کشیدگی
الف – مزایای معماری:
- انعطاف طرح
- سهولت در هماهنگ نمودن کابل ها با ابعاد هندسی طرح یا بازشو های دال
- قابلیت استفاده در پلان نامنظم
- تسهیلات برای تاسیسات
- قابلیت بیشتر جهت عبور تاسیسات و لوله ها
- بهینه شدن عملکرد های حجمی فضا
- ستون ها الزاما روبروی هم نیستند همچنین می توان از ما بین ستون ها کابل عبور داد.
۳- انعطاف پذیری در آینده
- سادگی در تشخیص مناطق آسیب پذیر برای تغییرات آتی
- امکان ایجاد بازشوهای بزرگ در اصطلاحات آینده
- ساخت دهانه وسیع
- امکان ایجاد دهانه های بزرگ تر نسبت به بتن مسلح معمولی
- بهتره گیری از دهانه های وسیع بدون ستون
- سطح زیرین سقف به صورت تخت
- ایجاد شرایط مناسب برای پارتیشن بندی فضا به علت عدم وجود آویز تیرها
ب- مزایای سازه ای :
- کنترل تغییر شکل
- ایجاد بار متعادل به صورت نیرویی برخلاف ثقل
- امکان کنترل تغییر شکل ناشی از بهره برداری با تغییر میزان پس کشیدگی ( می توان کنترل کشش داشت و جلوی کمانش سقف را کشش کابل گرفت)
- دال های نازک تر
- کاهش ضخامت دال به علت سختی بیشتر ناشی از پیش تنیدگی
- کنترل ترک
- کنترل ترک خوردگی کف
- دست یابی به ساختمان بدون ترک در صورت طراحی درست
- استفاده زیاد در پارکینگ با سطح بتن اکسپوز
- افزایش طول عمر سازه با جلوگیری از نفوذ آب (بهم فشردگی دانه بندی
ج- مزایای اقتصادی
- کاهش ارتفاع طبقات کاهش ضخامت دال به علت حذف آویز تیرها
- جا دادن طبقات اضافی در ساختمان های با ارتفاع محدود
- بار مرده ساختمان کاهش می یابد و در مصرف میلگرد صرفه جویی می شود.
- افزایش مساحت در ارتفاع یکسان
- سازه سبک تر
- صرفه جویی در حجم بتن مصرفی ناشی از افزایش کارایی مقاطع بتنی به وسیله پی تنیدگی
- کاهش بیشتر هزینه ها به علت سازه و فوندانسیون سبک تر ناشی از دال های نازک تر
- ۲۰٪ صرفه جویی در مصرف بتن و ۶۰ ٪ صرفه جویی در مصرف آرماتور و ۵۰٪ صرفه جویی در قالب بندی قائم
د- مزایای ویژه:
- ساخت سریع
- صرفه جویی
- دوام
- افزایش کارایی سیستم در زلزله ( همه سیستم به هم دوخته شده است)
- کاهش هزینه کل طی ساخت و بهره برداری
تفاوت بتن پیش کشیده و بتن پس کشیده
تفاوت های بتن پیش کشیده و بتن پس کشیده را از نظر ساخت بررسید قرار می دهیم مهم ترین این تفاوت ها به شرح زیر می باشد.
با سیستم پس کشیده می توان قطعات پیش تنیده را یا در پای کار ویا در کارخانه ساخت در حالی که سیستم پیش کشیده احتیاج به سرمایه گذاری بزرگ جهت تهیه وسایل پیش تنیدگی دارد و با سیستم پس کشیده می توان ساختمان را به صورت درجا ریخته بتن ریزی نموده و در محل پیش تنیده کرد، در صورتی که این کار بار سیستم پیش کشیده امکان پذیر نمی باشد زیرت عملیات پیش کشیدگی را نمی توان در پای کار انجام داد و باید حتما در کارخانه انجام گیرد، چون احتیاج به تکیه گاه های مخصوصی می باشد.
کابل های مربوط به یک سازه پس کشیده را می توان روی هر مسیر منحنی دلخواه به راحتی کار گذارد بدون اینکه احتیاج به وسایل مخصوص و بزرگی جهت خم نگاه داشتن کابل باشد ولی در سیستم پیش کشیده در اثر اصطکاک کابل با غلاف مقداری از نیرو و تنش پیش تنیدگی تلف می شود که باید در طرح در نظر گرفته شود زیرا ممکن است اثر بسیار مهم در رفتار بعدی سازه داشته باشد چنین اتلاف تنشی در ساختمان های پیش کشیده وجود ندارد. هرکابل پس کشیده باید به طور مجزا کشیده شود این امر توام با هزینه گیره های انتهایی غلاف، وسایل مخصوص و عملیات تزریق دوغاب به داخل غلاف (جهت محافظت از فولاد و ایجاد چسبندگی) باعث می شود که در اکثر اوقات قیمت واحد برای هر کیلو نیوتون نیروی موثر پیش تنیدگی برای کابل های پس کشیده به نحو قابل ملاحظه ای بیشتر از کابل های پیش کشیده شود.
انواع سیستم های دال پیش تنیده
کابل های پیش تنیدگی در دال ها به گونه ای قرار داده می شوند که پس از کشش علاوه بر اعمال بار فشاری در مقطع بتنی یک نیروی رو به بالا و در خلاف جهت بارهای ثقلی ایجاد می نمایند که باعث افزایش باربری و به تبع آن، افزایش مقاومت دال پیش تنیده می شود.
۱. دال تخت
۲. دال تخت نواری
۳. دال تخت صلب با کتیبه
۴. دال تیرک دار
۵. دال مجوف دو طرفه
۶. دال و تیر
دال تخت
این دال ها عموما در بلوک های آپارتمانی، ساختمان های اداری، هتل ها و پارکینگ ها به کار می روند. ساخت این دال ها به وسیله قالب های معمولی به راحتی امکان پذیر بوده و انعطاف پذیری مناسبی در ایجاد داکت های ساختمانی دارند. سطح زیرین این سقف ها به دلیل مسطح بودن و حذف المان های تیر باعث ایجاد حداکثر کارایی معماری این فضاها می شود.
دال مجوف
این نوع دال برای سازه های با بارهای بسیار سنگین و یا برای سازه های با دهانه تا ۲۰ متر استفاده می شود. این نوع دال در طراحی سقف ترمینال ها و فرودگاه ها استفاده بسیار دارد.
اصول طراحی دال های پیش تنیده
جهت طراحی دال ها اول ابعاد سنجیده می شود و بعد بار گذاری انجام می گیرد
مراحل طراحی : (تعیین یک یا دو طرفه بودن دال)
- تعیین ابعاد و میزان بارگذاری بر روی دال
- تعیین تنش ها (لنگر و برش) از طریق تحلیل سازه
- طراحی آرماتور گذاری پیش تنیدگی (عمل در کشش و خنثی کردن خمش) و معمولی (عملکرد دال)
دال دو طرفه: اگر نسبت طول به عرض در دال مساوی باشد ( مربع)، دال در دو جهت عمل می کند و بارهای وارده را دو جهت تحمل می کند.
دال یک طرفه: اگر نسبت طول به عرض دال بیش از 1/5 برابر باشد دال یک طرفه و درجهت عرض کمتر عمل می کند.
روش های تحلیل و طراحی قاب ها
الف – روش قاب معادل
- مدل سازی سیستم دال سه بعدی به عنوان مجموعه ای از قاب های دو بعدی
- تحلیل مستقل برای بارهایی که در صفحه هر قاب اعمال می شود.
ب- روش المان محدود (FEM) :
۱- تقسیم صفحه به تعدادی المان کوچیک تر
۲- اتصال المان ها در نقاط مرجع به نام گره
۳- انتقال نیروهای المان ها از طریق گره ها
وسایل لازم برای پیش کشیدگی و پس کشیدگی
غلاف
در سیستم پس کشیده به منظور پیش بینی یک فضای رزرو برای عبور کابل ها از لوله ای به نام غلاف استفاده می شود. در حالت مسیر مستقیم لوله غلاف از مصالح پلیکا انتخاب شده اما در مسیرهای منحنی غلاف های فلزی بکار می رود. این غلاف ها از ورق های فلزی به ضخامت ۱.۵ تا ۲.۱ میلی متر ساخته شده و اغلب برای جلوگیری از زنگ زدگی گالوانیزه می شوند. همچنین به منظور جلوگیری از تغییر شکل مقطع عرضی لوله که باعث اصطحکاک بیشتر با کابل ها می شود، سطح لوله به صورت آج دار در آمده که بر صلبیت عرضی آن می افزاید این لوله در جهت طول انعطاف پذیر بوده تا انحنای مسیر کابل مطابق روش محاسباتی تامین گردد.
جک
برای کشیدن کابل ها از دستگاهی به نام جک استفاده می شود که استوانه ای شکل و دارای یک پوسته خارجی است و تخت فشار روغن حرکت می کند. برای اعمال نیروی کششی، کابل های پیش تنیدگی به بدنه جک متصل شده و پوسته جک با حرکت خود به سمت خارج کابل ها را تحت کشش قرار می دهد به محض حصول تنش (یا تغییر شکل) مورد نظر در کابل، دستگاه جک سیستم مهاری را برای ثابت نمودن کابل تحت کشش، به کار می اندازد.
گیره
فولادهای پس کشیده در دو انتهای تیر باید به نحو مناسبی گیر داده شوند. مشخصات وسایل مهار کننده (گیره)، بستگی به مشخصات ارائه شده از طرف سازنده دارد. در شکل زیر چند نمونه معمول از گیره ها نشان داده شده است. به طور کلی گیره ها به دو دسته گیره های مهره ای و گیره گوه ای تقسیم می شوند. گیره های گوه ای بیشتر برای گیر دادن کابل ها و گیره ای مهره ای بیشتر برای گیر دادن میلگرد های آلیاژدار و مفتول های موازی به کار می روند.
