چکیده

یک مشکل عمده که همواره در استفاده از اجزاي بتنی وجود داشته است ، مقاومت کششی کم بتن و آسیب پذیري آن در هنگام اعمال کشش می باشد . از سوي دیگر بتن در برابر فشار بسیار مقاوم است . بتن پیش تنیده ، یکی از جدیدترین فرم هاي ساختمان است که وارد مهندسی شده است

. بنابراین با پیش فشرده کردن یک عضو بتنی ، پس از خمش در اثر اعمال بار نیز ، کلا تحت فشار باقی می ماند و بدین دلیل طراحی کارامد تري فراهم می آورد . مشاهده می شود که از این سیستم می توان علاوه بر دال هاي بتنی در ساخت پلها ، مخازن بتنی ، فونداسیون ها و کف هاي پس تنیده ، مهار خاك ، مقاوم سازي سازه هاي موجود ، سازه هاي ویژه نظیر اسکله و … نیز استفاده کرد .

١

مقدمه :

یک مشکل عمده که همواره در استفاده از اجزاي بتنی وجود داشته است ، مقاومت کششی کم بتن و آسیب پذیري آن در هنگام اعمال کشش می باشد . از سوي دیگر بتن در برابر فشار بسیار مقاوم است . بتن پیش تنیده ، یکی از جدیدترین فرم هاي ساختمان است که وارد مهندسی شده است . بنابراین با پیش فشرده کردن یک عضو بتنی ، پس از خمش در اثر اعمال بار نیز ، کلا تحت فشار باقی می ماند و بدین دلیل طراحی کارامد تري فراهم می آورد .
مشاهده می شود که از این سیستم می توان علاوه بر دال هاي بتنی در ساخت پلها ، مخازن بتنی ، فونداسیون ها و کف هاي پس تنیده ، مهار خاك ، مقاوم سازي سازه هاي موجود ، سازه هاي ویژه نظیر اسکله و … نیز استفاده کرد
.

اولین کسی که ظاهرا توانست با ایجاد تنش فشاري در بتن مقاومت آن را تحت اثر لنگر خمشی افزایش دهد ، فردي آمریکایی به نام جکسون بود که در سال ۱۸۸۶ اختراع خود را به ثبت رساند . پس از آن در سال ۱۸۸۸ دوهرینگ آلمانی با قراردادن میله فولادي کشیده شده در دال بتنی اولین دال بتنی پیش تنیده را ایجاد کرد اما این روش به دلیل نا مرغوب بودن نوع فولاد و بتن چندان موثر نبود ، زیرا در اثر خزش و انقباض تنش ، پیش تنیدگی آنها کاهش یافته و از بین می رفت . در سال ۱۹۲۸ یک مهندس فرانسوي به نام یوجین فریسینه با استفاده از برخورد منطقی با مساله ، با استفاده از فولاد با مقاومت بالا توانست تکنیک پیش تنیدگی را با موفقیت بالا به کار ببرد. از این زمان به بعد بتن پیش تنیده به عنوان یک روش ساخت قابل قبول مورد استفاده واقعشد و امروز در بسیاري از کشورهاي توسعه یافته و در حال توسعه جهان در دسترس است .

در اروپا به دلیل فقدان فولاد ، بتن پیش تنیده به عنوان یک ماده سازنده مجاز بعد از جنگ جهانی دوم شناخته شده است.

اولین ساختار بتن پیش تنیده آمریکاي شمالی،پل خاطره انگیز Walnut Lane در Philadelphia ، Pennsylvania، در سال ۱۹۵۱به اتمام رسید.

این روزها با توسعه بتن پیش تنیده پل ها با دهانه هاي طویل ، ساختمان هاي بلند ، . . . ساخته شده اند. پل Barrios de Luraساخته شده بوسیله بتن پیش تنیده در اسپانیا در حال حاضر با دهانه اصلی ۴۴۰ متر می

باشد. در کانادا برج CNتورنتو که با بتن پیش تنیده ساخته شده به ارتفاع ۵۵۳ متر می باشد.

٢

معرفی سیستم پیش تنیده:

پیش تنیدگی عبارتست از ایجاد یک تنش ثابت دائمی و به اندازه لازم در یک عضو بتنی بطوریکه در اثر این تنش مقداري از تنش هاي ناشی از بار مرده و زنده در این عضو خنثی گردد و در نتیجه ظرفیت باربري عضو افزایش یابد.
اگر چه سیستمهاي پیش تنیدگی نیازمند دانش و نظرات فنی خاصی براي ساخت و نصب کردن می باشد ولی توضیح دادن مفهوم آن آسان است.

بطور کلی می توان عمل خنثی نمودن تنشها ویا متعادل نمودن بارها (Load Balancing) را اساس طراحی اعضاي پیش تنیده دانست.

بطور ساده بتن پیش تنیده را می توان بعنوان بتن پیش فشرده تعریف نمود، بدین معنی که قبل از آنکه عضو بتنی تحت تاثیر بارهاي بهره برداري قرار گیرد به آن تنش فشاري وارد می شود. این تنش در محل هایی از عضو بتنی وارد می شود که اگر بدان تنش فشاري اعمال نمی شد ، تحت بارهاي بهره برداري تنش کششی بوجود می آمد.

از دیدگاه کلی پیش تنیدگی به معناي ایجاد تنش هاي دائمی مخالف با تنش هایی می باشد که در اثر بارهاي خدمت در سازه ایجاد خواهند شد. در سیستم پیش تنیده بجاي آرماتورهاي معمولی از یکسري کابل (تاندون) هاي با مقاومت کششی بالا استفاده می شود.که این کابل ها تحت کشش زیادي قرار گرفته و در دو انتهاي تیر توسط گره هاي مخصوص تثبیت می گردند .

بدین ترتیب کابل هاي پیش کشیده پس از رها شدن از کشش تمایل به جمع شدن و رسیدن به حالت اولیه داشته و لذا یک نیروي فشاري زیادي در قسمت زیرین تار خنثی در بتن ایجاد میگردد که به تبع این نیرو در مقابل نیروي کششی که بواسطه بارهاي ثقلی در بتن ایجاد می گردد قرار می گیرد. بنا براین این کابل ها مقداري از نیروهاي ناشی از بارهاي ثقلی را خنثی نموده و مقطع قابلیت پذیرش بارهاي بیشتري را خواهد داشت.

٣

انواع سیستم هاي پیش تنیده :

بر حسب نوع اعمال نیرو پیش تنیدگی دو نوع سیستم پیش تنیده خواهیم داشت:

بهینه ترین حالت در انتخاب مقدار نیروي پیش فشردگی حالتی است که درصدي از بارها متعادل شود که منجر به کاهش میزان فولاد مصرفی و کنترل خیز و ترك دربتن شود.

الف) پیش کشیده

ب) پس کشیده

الف) سیستم پیش کشیده:

در این سیستم در مرحله اول فولادها تحت کشش قرارگرفته ودر دو انتهاي عضو توسط گیره هاي مخصوص کاملا گیر داده می شوند. در مرحله دوم عضو مورد نظر بتن ریزي می شود و سپس بتن عمل آورده می شود و به مقاومت کافی می رسد و در مرحله سوم فولاد هاي پیش تنیدگی در دو انتهاي تیر، بریده شده و نیروي پیش تنیدگی بصورت یک نیروي فشاري بر عضو اعمال میشود. فولاد هاي پیش تنیدگی به دو صورت فولاد با مسیر مستقیم یا فولاد با مسیر شکسته می باشد. اجراي مسیر با منحنی پیوسته براي کارهاي پیش کشیده تقریبا امکان پذیر نیست.

ب) سیستم پس کشیده :

در این سیستم در مسیر عبور فولادهاي پیش تنیدگی ، غلافی تو خالی در بتن تعبیه می گردد سپس کابل ها از درون غلاف ها عبور داده شده بطوریکه دو سر آن از غلاف بیرون بوده و عملیات بتن ریزي انجام می شود وغالبا قبل از بتن ریزي دو ورق صفحه فشار جایگذاري می شود .بعد از اینکه بتن به مقاومت مورد نظر رسید فولادهاي پیش تنیدگی توسط جک هایی که به صفحه فشار تکیه می نمایند کشیده می شوند. یک تفاوت مهم پیش تنیدگی و پس تنیدگی این است که در سیستم پس تنیدگی براحتی می توان از تاندونهاي منحنی استفاده نمود براي این کار غلافهاي انعطاف پذیر را به شکل منحنی در عضو کار می گذاریم و بتن ریزي در اطراف آنها انجام می شود .

۴

روشهاي اجراي بتن پیش تنیده:

اولین مرحله در پیش تنیدگی به این صورت می باشد که رشته هاي پیش تنیده فولاد در عرض کف قالب بسط داده می شود.

سپس بتن در اطراف رشته هاي کشیده شده ریخته می شود و بتن به رشته ها می چسبد.

زمانی که رشته ها قطع می شوند، بتن متراکم شده و تیرچه خمیده می شود.

روش هاي اجراي بتن پس تنیده :

در پس تنیدگی ي عمل آوري بتن، چسبیدن بتن به رشته هاي فولاد مجاز نمی باشد .

پس از عمل آوري بتن ، رشته ها به وسیله یک جک هیدرولیک ، تنیده شده و به انتهاي تیرچه متصل می شوند .

در روش پس کشیدن، کبلها را در قالب کار، داخل غلافهایی قرار میدهند، بتنریزي را انجام میدهند. وقتی به اندازه کافی خود را گرفت دو سر کابلها را به طرف بیرون میکشند. این کار به وسیله گرههاي مخصوص که به دو سر سیمها بسته میشوند و پس از قطع شدن کشش محکم میشوند، انجام میگیرد. مزیت پس کشیدن بر پیش کشیدن این است که میتوان آنها را خمیده کرد تا در مسیر تنش قرار گیرند. به این ترتیب میتوان بتن را به شکلی ریخت که کمترین حجم ممکن را داشته باشد.

۵

در زمینه اجراي سیستم پس کشیده دو روش جهت ساخت به کار می رود :

‐۱سیستم چسبیده: Bonded

با این روش کابل هاي پس کشیده از میان غلاف هاي تخت ممتد وکوچک از جنس گالوانیزه عبور می کند که داخل غلاف ها پس از بتن ریزي وکشیده شدن کابل ها با دوغاب پر می شود.

همانطور که میدانیم بتن در فشار بسیار قوي ولی در کشش ضعیف عمل می نماید بطوریکه یک تنش کششی اندك می تواند باعث ترك خوردگی مقطع بتنی شود. عموما از میلگردهاي فولادي در بتن بعنوان آرماتورکششی استفاده می شود تا مقدار ترك خوردگی را محدود نماید. براي 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، پائین مقطع (زیر تار خنثی) به کشش افتاده و در بالا فشار ایجاد می گردد. لذا از آنجا که بتن در کشش ضعیف می باشد پس از ترك خوردن بتن در مقابل تنش هاي کششی، فولاد موجود در زیر تار خنثی به کشش می افتد .این امر ممکن است حتی تحت اثر وزن خود تیر نیز اتفاق بیافتد.

-۲ سیستم غیر چسبیده :Unbonded

در این سیستم کابل با دوغاب تزریق نمی شود و می تواند آزادانه و مستقل از بتن حرکت کند. اغلب کابل ها در یک غلاف محافظ با گریس پوشانده شده اند . پس از بتن ریزي وکسب مقاومت فشاري مشخصه کابل بسادگی و با استفاده از یک جک دستی کوچک کشیده می شود که این عمل عملیات پس کشیدگی را تکمیل میکند.

مقایسه سیستمهاي چسبیده و نچسبیده:

سیستمهاي نچسبیده:

‐امکان ایجاد خروج از مرکزیت بیشتربراي کابلها

‐افت کمتر در نیروي پیش تنیدگی

‐عدم نیاز به تزریق گروت

‐سرعت اجراي بالاتر

۶

‐هزینه کمتر

‐میانگین مصرف کابل ۷۵:٫۳ کیلوگرم در هر متر مربع سقف

‐میانگین مصرف ارماتور: ۶ کیلوگرم در هر متر مربع سقف

سیستمهاي چسبیده

‐مقاومت بیشتر مقطع در حالت حدي نهایی

‐مستقل بودن نیروي پیش تنیدگی از مهار انتهایی بعد از تزریق گروت

‐میانگین مصرف کابل ۵:٫۴ کیلوگرم در هرمتر مربع

‐میانگین مصرف آرماتور: ۹ کیلوگرم در هر متر مربع سقف

مزایا و معایب بتن پیش تنیده و پس تنیده نسبت به بتن مسلح معمولی :

از مزایاي این سازه ها نسبت به سازه هاي بتن مسلح معمولی می توان به موارد ذیل اشاره نمود :

دوام بیشتر سازه اي بتنی پیش تنیده نسبت به بتن آرمه مسلح به علت نداشتن ترکهاي دائمی مخصوصا در سازه هاي دریایی یا واقع در زمنیهاي خوررنده و یا مخازن آب وزن کم سازه هاي بتنی پس تنیده به دلیل استفاده از کل سطح مقطع بتن و به کار گیري فولاد پر مقاومت کاهش خیز به دلیل خیز منفی اولیه

اقتصادي بودن سازه هاي بتنی پس تنیده براي دهانه هاي بزرگ و بارهاي سنگین تغییر شکل پذیري سازه با تغییر نیروي پس تنیدگی

به طور کلی استفاده از سیستم پس تنیدگی به دلیل تاثیرات مثبتی که بر روي موارد اقتصادي، سازه اي و معماري و

… دارد به موازات پیشرفت تکنولوژي رو به افزایش است .

امتیازات سیستم پس تنیده :

-۱ استفاده از دهانه هاي بلند

-۲ بهره گیري از سطح تخت و صاف در زیر سقف

-۳ انعطاف طرح

-۴ استفاده از دال هاي نازکتر

-۵ کنترل تغییر شکل وترك

٧

-۶ کاهش ارتفاع طبقات

-۷ سازه سبکتر

-۸ ساخت سریع

-۹ صرفه جویی در هزینه هاي ساخت

-۱۰ انعطاف پذیري در آینده کاربرد در سال هاي اخیر استفاده از سقفهاي پس کشیده در ساختمانها رشد و پیشرفت داشته است. بیشترین کاربرد آن در

کشور آمریکا بوده و در کالیفرنیا این سیستم اولین انتخاب براي سقفهاي بتنی است. سقفهاي پس کشیده همچنین در استرالیا، هنگ کنگ، سنگاپور و اروپا نیز استفاده میشود و در انگلستان نیز به سرعت در حال افزایش است.

مصالح و تجهیزات لازم جهت اجراي سیستم پس تنیده و پیش تنیده :

بتن :

مقاومت بتن در سازه هاي پیش تنیده و پس تنیده می بایست از مقاومت و کیفیت بهتري نسبت به بتن در سازه هاي ساخته شده از بتن مسلح معمولی ، برخوردار باشد ، زیرا بالا بودن کیفیت و مقاومت بتن باعث ایجاد گیرش و چسبندگی بهتري بین کابلها و بتن می شود .

-۲ فولاد :

فولاد هاي پیش تنیدگی و پس تنیدگی شامل مفتولها و کابلهاي ساخته شده از مفتول یا میلگرد هاي آلیاژ دار پر مقاومت می باشند .
-۳ انواع گیره ها و جکها :

گیره استرند فورس

گیره مالتی فورس

گیره VSL‐U

٨

گیره VSL‐U

مشخصات مصالح مصرفی در بتن پیش تنیده :

مصالح مصرفی در سازه هاي بتن پیش تنیده باید از کیفیت عالی برخوردار بوده و با دقت نیز مورد استفاده قرار گیرند . با توجه به این که بتن در سن کم که مقاومت نسبتاً ضعیفی داشته و قابل تغییر شکل نیز می باشد تحت فشار فوق العاده زیادي قرار می گیرد باید کیفیت آن به مراتب از کیفیت بتن مصرفی در سازه هاي بتن مسلح بالاتر باشد . همچنین فولاد نیز با توجه به اینکه تحت کشش فوق العاده زیادي قرار می گیرد(۱۰۰تا ۱۸۰ کیلو گرم بر میلی متر مربع ) باید مقاومت مناسبی داشته باشد بنابر این در زمان اجراي سازه مصالح مصرفی در بتن پیش تنیده تحت تنش هاي فوق العاده مهمی قرار می گیرند .

موارد کاربرد بتن هاي پس تنیده :

-۱تکنولوژي نوین مخازن پس تنیده و پیش تنیده

طراحی و اجراي مخازن ، سیلوها و پوسته ها استفاده از بتن پس تنیده در این سازه ها با تاندونهاي حلقوي افقی و عمودي باعث کاهش قابل ملاحظه هزینه هاي ساخت ، زمان اجرا ، مصرف فولاد و بتن ، کارایی بیشتر سازه و حذف ترکها و آب بندي در مخازن می شود .