بتن پيش تنيده ، كاربرد و اجراي آن

مقدمه
پيش تنيدگي عبارت از ايجاد تنش داخلي در يك جسم است تا تنشي را كه به علت تأثير نيروهاي خارجي به وجود مي آيد به مقدار مورد نياز خنثي كند يا به عبارت ديگر پيش تنيدگي به معناي ايجاد تنش هاي دائمي مخالف با تنش هايي مي باشد كه در اثر بارهاي خدمت در سازه ايجاد خواهند شد. عمده ترين كاربرد پيش تنيدگي در بتن پيش تنيده است .
بتن ، كه يكي از ارزانترين و عملي ترين مصالح ساختماني است ، مقاومت خوبي در برابر فشار دارد و تاب كششي كمي از خود نشان مي دهد . بنابراين در ناحيه اي از بتن ، كه بعد از بارگذاري تحت كشش قرار مي گيرد ، قبلاً ايجاد فشار مي كنند . اين عمل ، به اصطلاح« پيش تنيدن بتن » ناميده ميشود .

بر اساس « آيين نامة ACI 318 – ۹۵ » بتن پيش تنيده عبارت است از بتن سازه اي ( ساختماني ) كه جهت كاهش تنش هاي كششي بالقوه حاصل از بارها ، در آن تنش هاي داخلي ايجاد شده است .
هدف اصلي از پيش تنيده كردن يك عضو بتني محدود كردن تنشهاي كششي و تركهاي ناشي از لنگر خمشي تحت تأثير بارهاي وارده در آن عضو مي باشد .
پيش تنيدگي اصلي عمومي است كه در موارد ديگر نيز مورد استفاده قرار مي گيرد . يك چرخ دوچرخه يك مثال از پيش تنيدگي را نشان مي دهد : لاستيك چرخ دوچرخه بسيار نرم است و سيمهاي داخل آن بسيار بلنداند ، به طوري كه تحت نيروي فشار امكان كمانش آنها وجود دارد . ولي هم لاستيك و هم سيمها در مقابل كشش مقاوم اند ، پس لاستيك چرخ را پر از باد مي كنند و در سيمها كشش قبلي ايجاد مي كند .

 

تاريخچه
مصريها در ۵۰۰۰ سال پيش ، در ساختن قايقهايشان از خاصيت پيش تنيدگي استفاده مي كردند . بدين ترتيب كه ، براي اتصال چوبهاي بدنة قايق ، تيغهاي آهني گرم به كار مي برند تا بعد از سرد شدن و انقباض آنها قطعات چوبي به هم فشرده شوند.

اولين كسي كه ظاهراً توانست با ايجاد تنش فشاري در بتن مقاومت آنرا تحت تأثير لنگر خمشي افزايش دهد يك نفر آمريكايي به نام جكسون بود كه اختراع خود را در سال ۱۸۸۶ به ثبت رسانيد .دو سال بعد ، در سال ۱۸۸۸ ، دوهرينگ ، مهندس آلماني ، با قرار دادن يك ميلة فولادي كشيده شده در داخل يك دال بتني توانست اولين دال بتني پيش تنيده را ايجاد كند. در سال ۱۸۹۶ ، مندل مهندس اطريشي اصل پيش تنيدگي را در تير بتن پيش تنيده از فولاد معمولي با تنش اولية ۱۲۰ نيوتن بر ميليمتر مربع استفاده كرد و از افت ناشي از نشست و وارفتگي آگاهي نداشت ، فولاد به زودي كشش اولية خود را از دست داد و تير تبديل به بتن آرمة معمولي شد .

در سال ۱۹۳۹ ، امپرگر ، مهندس اطريشي استفاده از بتن آرمه با پيش تنيدگي جزئي را پيشنهاد كرد ، يعني قطعة بتني ، علاوه بر اينكه به وسيلة آرماتور كشيده شده پيش تنيده مي شود ، داراي آرماتور معمولي ( كه در بتن مورد استفاده قرار مي گيرد ) باشد و قطعه در موقع بار سرويس نيز كششي تحمل بكند .
در سال ۱۹۴۸ ، پروفسور آبلس انگليسي اولين سازة بتن آرمه با پيش تنيدگي جزئي را در لندن بنا كرد .

در سال ۱۹۵۳ ، فدراسيون بين المللي پيش تنيدگي اولين كنگرة خود را در لندن تشكيل داد . در چهارمين كنگرة فدراسيون ، كه در سال ۱۹۶۲ در رم تشكيل شد ، قدمهاي نويني براي استفاده از بتن آرمه با پيش تنيدگي جزئي برداشته شد و كميتة مختلطي از فدراسيون بين المللي پيش تنيدگي(F.I.P) و كميتة اروپايي بتن (C.E.B) به وجود آمد كه در سال ۱۹۷۰ توصيه نامه اي منتشر كرد كه در آن چهار نوع سازه از بتن آرمه تا پيش تنيدة كامل تعيين شده است . اين چهار نوع اساساً با مقدار ازدياد طول نسبي دورترين تار كششي بتن و ترك خوردگي بتن كششي از هم متمايز مي شوند .

ـ نوع اول بتن پيش تنيدة كامل كه بتن تا بار سرويس نبايد تنش كششي تحمل كند .
ـ نوع دوم بتن آرمه با پيش تنيدگي جزئي است . تحت بار سرويس بتن مي تواند تنش كششي داشته باشد – بشرطي كه ترك نخورد – و تحت بارهاي دائم بتن نبايستي كشيده شود .
ـ نوع سوم بتن آرمة پيش تنيده است . در اين نوع ترك خوردن بتن تحت بار سرويس امري عادي است ، ولي عرض تركها از ۱/۰ تا ۳/۰ ميليمتر محدود شده اند . محدوديت آنها بر حسب آب و هوايي كه قطعه در آنجا مورد استفاده قرار مي گيرد و جنس فولاد به كار رفته است .
ـ نوع چهارم بتن آرمة كلاسيك است .

مقايسة بتن پيش تنيده با بتن آرمه
ـ به علت اينكه فشار وارده از طرف كابلهاي پيش تنيده به بتن بسيار زياد است لازم است كه مقاومت فشاري بتن مورد استفاده در يك ساختمان بتن پيش تنيده به مراتب بالاتر از مقاومت فشاري بتن مورداستفاده در يك ساختمان بتن آرمه باشد .

ـ فولادهاي نرم كه معمولاً در ساختمان هاي بتن آرمه به كار مي رود براي ساختمانهاي بتن پيش تنيده مناسب نمي باشد زيرا امكان كشيدن آن به حدي كه بتواند جبران اتلاف تنش هاي پيش تنيدگي ناشي از انقباض و خزش بتن را بكند وجود ندارد .

ـ بتن پيش تنيده يك جسم همگن و الاستيك مي باشد و قبل از ترك خوردن بيشتر خاصيتي شبيه به فولاد را دارد تا يك جسم غير همگن مانند بتن آرمه .
ـ يك ساختمان بتن پيش تنيدة كامل تحت تأثير بارهاي سرويس ترك نخواهد خورد در صورتيكه در يك ساختمان بتن آرمه از همان ابتداي بارگذاري تركهايي در زير تار خنثي بوجود مي آيد حتي اگر در اثر بارهاي بيش از حد پيش بيني شده ساختمان بتن پيش تنيده ترك بخورد بعد از اينكه بارها از روي ساختمان برداشته شود تركها بسته خواهد شد .
ـ اگر در يك ساختمان بتن پيش تنيده تنش پيش تنيدگي در اثر بار وارده خنثي شود بتن پيش تنيده خاصيتي بسيار شبيه به بتن معمولي پيدا خواهد كرد .
ـ در بتن پيش تنيده لنگر مقاوم به چند برابر افزايش مي يابد اثر نيروي برشي ۱۰/۱ تا ۵/۱ تقليل ميابد . خمش يعني تغيير شكل به ۳/۱ مي رسد .

ـ در بتن پيش تنيده صرفه جوئي در فولاد به ميزان ۱۵ تا ۲۰ درصد و در بتن به ميزان ۳۰ تا ۵۰ در صد مي باشد .

مزايا و معايب بتن پيش تنيده
مزايا :
ـ يكي از مهمترين خواص ساختمانهاي بتن پيش تنيده نداشتن تركهاي دائمي مي باشد . اين موضوع باعث دوام بيشتر اين نوع ساختمانها نسبت به ساختمانهاي بتني و بتن آرمه مي شود . اين امر خصوصاً در محيط هايي با گازها و زمين هاي خورنده و همچنين ساختمانهاي دريايي بسيار حائز اهميت مي باشد . برتري بتن پيش تنيده نسبت به بتن آرمه جهت ساختمان تانكهاي آب و مخازن به جهت نداشتن ترك واضح است .

ـ وزن ساختمانهاي بتن پيش تنيده به مراتب از وزن ساختمانهاي بتن آرمة معادل كمتر است زيرا اولاً چون از مقاومت تمام سطح مقطع بتن استفاده مي شود ميزان بتن لازم كمتر است ، ثانياً چون فولاد مصرفي داراي مقاومت زيادتري است معمولاً وزن فولاد لازم بين ۵/۱ تا ۳/۱ وزن فولاد معمولي معادل مي گردد .
ـ خيز به طرف پايين تيرهاي بتن پيش تنيده تحت اثر بارهاي سرويس معمولاً بسيار كم مي باشد زيرا قبل از وارد آمدن بارهاي سرويس تحت تأثير نيروهاي پيش تنيدگي مقداري خيز به طرف بالا در تير به وجود آمده است كه از شدت خيز به طرف پايين مي كاهد .

ـ در ساختمانهاي بتن پيش تنيده قبل از وارد آمدن بارهاي سرويس ساختمان بوسيلة نيروي پيش تنيدگي به شدت بارگذاري شده و بتن و فولاد تحت اثر تنشهاي زيادي قرار مي گيرد و اين خود يك نوع امتحان از نظر مطمئن بودن بتن و فولاد مي باشد اگر چنانچه در اين مرحله ، ساختمان از خود حالت غير عادي نشان ندهد مي توان مطمئن شد كه تحت تأثير بارهاي سرويس نيز عيبي نخواهد كرد .

ـ با تغيير مقداري نيروي پيش تنيدگي مي توان سازه را صلب و يا انعطاف پذير كرد بدون اينكه مقاومت نهايي آن تغييري بكند .
واضح است كه يك سازه انعطاف پذير بيشتر خاصيت فنري و ارتجاعي داشته و مي تواند قبل از اينكه در اثر ضربه گسيخته گردد مقدار قابل توجهي انرژي را جذب كند . به اين ترتيب چنين سازه هايي تحت اثر بارهاي زلزله و ديناميكي رفتار بهتري نشان مي دهند . يك نمونه از چنين سازه هايي شمع هاي ضربه گير اسكله ها مي باشد ، از طرف ديگر يك سازه بسيار صلب بهتر مي تواند لرزش ها و نوسانات بسيار سنگين را تحمل كند .( براي مثال ، فونداسيون موتورهاي توربيني )
معايب :

ـ غالباً براي مهار كابل هاي پيش تنيدگي در دو انتها ، احتياج به وسايل مخصوصي مي باشد.
ـ اجراي بتن پيش تنيده به نظارت و مهارت بيشتري احتياج دارد كه باعث بالا رفتن هزينة واحد عمليات خواهد شد.
ـ استفاده از اعضاي پيش تنيده وقتي مقرون به صرفه است كه امكان توليد سري و انبوه وجود داشته باشد.
ـ در شرايط فعلي ، با توجه به محدوديت هاي ارزي ، امكان وارد كردن وسايل پيش تنيدگي به سادگي امكان پذير نيست.

مصالح در بتن پيش تنيده
الف) بتن :
بتن مورد استفاده در بتن پيش تنيده داراي مقاومت بالاتري نسبت به بتن مصرفي در بتن مسلح معمولي مي باشد. زيرا در بتن پيش تنيده بتن تحت تأثير تنش هاي فشاري بيشتري قرار مي گيرد و افزايش سطح مقطع به منظور كم كردن تنش ها باعث افزايش وزن سازه و در نتيجه غير اقتصادي شدن طرح مي شود.
در شرايط عادي از بتن هايي با مقاومت مشخصة در كارهاي پيش تنيده استفاده مي شود. در كارهاي مخصوص مقاومت تا كاربرد دارد.
سيمان مصرفي در بتن پيش تنيده معمولاً از نوع سيمان پرتلند معمولي ( نوع ۱ ) است.

سيمان مصرفي نبايد به هيچ وجه كلر داشته باشد ، زيرا كلر مادة زنگ زنندة بسيار خطرناكي براي فولاد كابلهاست . از سيماني كه مقاومت اولية آن زياد باشد( نوع ۳ ) در موارد الزامي استفاده مي كنند . سيمان نوع ۳ به سزعت خود را ميگيرد . وقتي كه ناچاريم پيش تنيدگي را در سن پايينتري انجام دهيم ، از اين نوع سيمان استفاده مي كنيم .
ب) فولاد :
فولادهاي پيش تنيدگي به سه صورت مفتول ، رشته يا كابل و ميلگردهاي آلياژدارتوليد مي شوند. مشخصة مهم فولادهاي پيش تنيدگي در مقايسه با ميلگردهاي معمولي ، نقطة گسيختگي بسيار بالاي آنها مي باشد.
در شكل (۱ـالف) نمودار تنش ـ كرنش فولادهاي پيش تنيدگي با ميلگرد هاي معمولي مورد مقايسه قرار گرفته است.اصولاً نقطة جاري شدن مشخصي براي ميلگردهاي پيش تنيدگي وجود ندارد و در مفتول ها و كابل ها ، تنش نظير كرنش ۱ درصد و در ميلگردهاي آلياژدار ، تنش نظير كرنش ۷/۰ درصد به عنوان تنش جاري شدن ( تنش تسليم ) مورد استفاده قرار مي گيرد . ( شكل (۱ـب)).

مفتول ها : مفتول در كارهاي پس كشيده و پيش كشيده مورد استفاده قرار مي گيرند . مفتول از نورد گرم فولاد بليت بصورت ميلگرد و سپس كشيدن سرد ميلگرد كه با كاهش قطر آن همراه است ، ساخته مي شوند. در آمريكا مفتول ها طبق ASTM-A421 توليد و استاندارد مي شوند. ( جدول ۱ )
كابل ها : كابل ها از تابيده شدن تعدادي مفتول در دور يكديگر ساخته مي شوند كه در زبان فارسي به آن مفتول بافته شده نيز گفته مي شود. معمول ترين نوع ، كابل ۷ مفتوله مي باشد كه قطر اسمي آن در حدود ۳ برابر قطر مفتول تشكيل دهندة آن است.كابل ۷ مفتوله از تابيده شدن ۶ مفتول حول مفتول مياني ساخته شده و طبق ASTM-A416 استاندارد مي شود. (جدول ۲ )

ميلگردهاي آلياژدار : با اضافه كردن آلياژهاي مخصوص در هنگام توليد فولاد و سپس اصلاح سرد ميلگرد توليدشده ، ميلگردهايي با مقاومت بالا براي كارهاي پيش تنيده توليد مي شود. در آمريكا ميلگردهاي آلياژدار طبق ASTM-A722 استاندارد مي شوند. ( جدول ۳ )

خوردگي فولاد پيش تنيده
خوردگي فولادي كه تحت تنش كششي زياد قرار دارد با خوردگي يا زنگ زدگي معمولي فولاد متفاوت است . زنگ زدگي معمولي در اثر اكسيده شدن فولاد حاصل مي شود كه به طور تدريجي سطح مقطع مقاوم را كاهش مي دهد ، در نتيجه تنش افزايش مي يابد تا به مقدار تنش گسيختگي مي رسد . اين عمل به تدريج صورت مي گيرد و قابل پيش بيني است .

بر عكس « خوردگي تحت كشش » پديده اي ناگهاني است و گسيختگي شكننده در پي دارد . مقطع گسيخته شده تقريباً مسطح بوده و يك هلال خاكستري رنگ در مقطع ديده مي شود . اگر تنش كششي فولاد كمتر از ۴/۰ تنش نهايي باشد ، خوردگي تحت كشش پيش نمي آيد . در بتن پيش تنيده تنش فولاد بزرگتر از ۴/۰ تنش نهايي است .
براي جلوگيري از خوردگي فولاد پيش تنيده بايد آن را بخوبي محافظت كرد . در قطعات چسبنده ، كابل بايد بخوبي در داخل بتن قرار گرفته و اطرافش ملات ماسه و سيمان ( كه محيط قليايي است ) تزريق شده باشد و در قطعات غير چسبنده ، از كابل گالوانيزة مخصوص استفاده نمود .

روشهاي پيش تنيدگي
پيش تنيدن بتن بوسيلة فولاد به دو طريق اساسي «‌ پيش كشيدگي » و « پس كشيدگي » صورت مي گيرد . فرق اساسي بين دو روية فوق مربوط به شرايطي است كه بتن در لحظة كشيدن فولاد دارد . در روش « پيش كشيدگي » پيش از آنكه بتن ريزي بكنند ، فولاد را تحت كشش قرار مي دهند و در روش « پس كشيدگي » پس از اينكه بتن خود را گرفت و به اندازة كافي مقاوم شد فولاد را مي كشند .