قبل از پيدايش تكنيك پيش تنيدگي،پل هاي بتن آرمه تنها براي پوشش دادن به دهانه هاي نسبتاً كوتاهي بكار برده مي شدند.محدوديت طول دهانه در اين پل ها داراي دو عامل اساسي بوده است.زيرا اولا براي دهانه هاي بلندتر حجم مصالح مصرفي(بتن و فولاد) به سرعت افزوده مي گردد.بطوريكه بار مرده سازه خود يك عامل بحراني در طراحي مقطع محسوب خواهد شد،ثانياً هزينه هاي مربوط به قالب بندي و شمعك گذاري چنين عرشه هائي مقادير بسيار بزرگي را بخود اختصاص خواهد داد.با توجه به دو عامل ياد شده،معمولا راه حل ديگر يعني استفاده ازشاهتريهاي فولادي ترجيح داده مي شد.
پيش تنيدگي چيست؟
امرزه با بكارگيري مصالح پرمقاومت و همچنين استفاده از شيوه هاي نوين طراحي،سازه هاي اقتصادي تري طراحي و اجرا شده است. استفاده از مصالح پرمقاومت موجب كاهش مقطع عرضي اعضا و متعاقب آن كاهش كلي بار مرده سازه هاي شده است. اين پيشرفت خصوصاً در مورد سازه هاي بتن مسلح چشمگيرتر بوده است، زيرا در طراحي اين گونه اعضا بار مرده قسمت عمده اي از بارهاي طراحي را تشكيل مي دهد. در برخي سازه هاي خاص اهميت كاهش ابعاد مقطع بمراتب بيشتر مي باشد، براي مثال در پل هاي دهانه بلند اين مطلب حائز اهميت زيادي است، در چنين پل هائي بار مرده عرشه لنگرهاي بزرگتري را در مقايسه با بارهاي طراحي ايجاد مي نمايد؛ همچنين قسمت عمده بار وارد بر پايه ها و فونداسيون ها ناشي از وزن روسازه مي باشد. استفاده از بتن هاي با مقاومت فشاري بالا و همچنين فولادهاي پرمقاومت موجب طراحي اعضاي بتن آرمه ظريف تري شده است، با اين وجود محدوديتهائي در استفاده از اين پيشرفتهاي جديد موجود مي باشد كه قسمت عمده آن ناشي از مسئله ارتباط متقابل بين ايجاد ترك در اعضاء بتن آرمه و خيز آنها در مرحله بهره برداري مي باشد. با توجه به رفتار اعضاي بتن آرمه، راندمان استفاده از فولادهاي پرمقاومت محدود مي باشد زيرا تنش در اين فولاد متناسب با توزيع كرنش كلي موجود در مقطع بوده و افزايش كرنش ها در مقطع با افزايش دامنه و عرض ترك ها همراه خواهد بود. اين ترك ها از دو جنبه مطلوب نمي باشند، اول آنكه در محيط هائي كه بتن در مجاورت عوامل فرسايش دنهده شيميائي است وجود ترك ها موجب خوردگي شديد آرماتورها خواهد گرديد. از جنبه ديگر گسترش ترك ها كاهش سختي خمش عضو را بدنبال داشته و خيز عضو را خواهد افزود. چنين اعضائي از نظر سرويس دهي، مطلوب نخواهند بود.
اين ويژگيهاي نامطلوب در اعضاي بتن آرمه معمولي، با ابداع شيوه پيش تنيدگي اصلاح شده است. يك عضو پيش تنيده بتن آرمه عضوي است كه تنش هائي از قبل در آن قرار داده شده باشد، اين تنش ها در تمامي طول عمر عضو با آن همراه است. فلسفه اين تنش هاي از پيش قرار داده شده، مقابله يا مخالفت با تنش هاي ناشي از بارهاي بهره برداري و حتي المقدور خنثي كردن اثر آنها مي باشد. بتن ماهياتاً عضوي فشاري است و مي توان مقاومت كششي آن را ناچيز دانسته و از آن صرفنظر نمود، پيش تنيدگي در واقع عضو را تحت نوعي فشار اوليه قرار مي دهد، بصورتيكه نتيجه آن كاهش تنش هاي كششي در مقطع به حد مجاز و يا اساساً حذف آنها خواهد بود. بدين صورت ترك خوردگي تحت بارهاي بهره برداري منتفي خواهد گرديد.
فولاد و بتن مورد مصرف در صنعت پيش تنيدگي؟
تاندون هاي پيش تنيدگي مي توانند متشكل از سيم ها،كابل ها و يا ميلگردها باشند. در صنعت پيش تنيدگي كابل هاي 7 سيمه متداول تر بوده و مشخصات آنها مطابق با استانداردهاي ASTM A416 مي باشد.
ميلگردها و سيم هاي پيش تنيدگي كمتر بعنوان فولادهاي اصلي در اعضاي پيش تنيده بكار برده مي شوند و مشخصات آنها را مي توان در استانداردهاي ASTM A421 و ASTM A722 جستجو نمود.
________________________________________
بتن مورد استفاده براي سازه هاي پيش تنيده اصولاً، داراي مقاومت فشاري بالاتري نسبت به اعضاي بتن آرمه معمولي مي باشد. حدود مقاومت فشاري براي نمونه 28 روزه استوانه اي استاندارد ASTM براي اعضاي پيش تنيده در حدود 280 تا 560 kg/cm2 است، در صورتيكه براي اعضاي معمولي بتن آرمه حدود اين مقاومت مشخصه، در محدوده 210 تا 280 kg/cm2 مي باشد. استفاده از بتن با مقاومت بالا در اعضاي پيش تنيده مي تواند داراي مزاياي مختلفي باشد. كه برخي از آنها به قرار زير است:
- عمده ترين مزيت بتن پيش تنيده پوشش دادن به دهانه هاي بزرگ مي باشد، در چنين دهانه هائي بار مرده بخش عمده اي از بارهاي طراحي را تشكيل مي دهد. با بكارگيري مقاومت بالاتر مي توان اعضاي ظريف تري طراحي نموده و به طرح اقتصادي تري دست يافت.
- در اعضاي پس كشيده در محل مهاري هاي تاندون ها، تنش هاي لهيدگي در زير صفحات مهاري بسيار بالا مي باشد. براي جبران اين مسئله بايد سطح صفحات مهاري را افزود و يا مقاومت عضو را بالاتر بدست آورد، بعلت موارد ذكر شده در بند قبل معمولا راه حل دوم انتخاب مي گردد.
- استفاده از صنعت پيش ساختگي, براي توليد قطعات پيش تنيده رواج زيادي دارد, بدين لحاظ ميتوان از مزيت ايجاد بتن با مقاومت بالا در اين صنعت استفاده نمود.
شيوههاي مختلف پيش تنيدگي
– شيوه پيش کشيدگي (Pretensiong system)
– شيوه پس کشيدگي (Post-tensioning System)
اعضاي پس کشيده ميتوانند بصورت يکپارچه توليد شده و يا بصورت قطعهاي بتن ريزي شوند. ساخته شدن يک عضو پيش کشيده (به اختصار) شامل مراحل زير است:
- ابتدا قالب عضو آماده شده و تاندونهاي پيش تنيدگي در طول قالب، در مسير طراحي شده قرار ميگيرند، پس از آن تاندونها تا حد مورد نياز تحت کشش واقع ميشوند, (نيروي اعمالي از طرف جکها به تاندونها را نيروي جک زند 1 ناميده و آنرا با Pj نمايش ميدهيم).
- تاندونهاي کشيده شده در مرحله قبل از هر دو سو در دو تکيهگاه ثابت مهار ميشوند.
- بتنريزي عضو انجام شده و پس از آن مرحله عمل آوردن بتن 2 صورت ميپذيرد.
- پس از رسيدن مقاومت بتن به حد مورد نياز و بوجود آمدن چسبندگي و اتصال کافي بين تاندونها و بتن ريخته شده, گيرهها آزاد ميگردد و نيروي موجود در فولادهاي تحت کشش, به بتن انتقال داده ميشود، (مقاومت فشاري بتن در مرحلة انتقال نيروي پيش تنيدگي را با نمايش ميدهيم).
در اين شيوه بمنظور جلوگيري از آسيب ديدن قالبها, معمولاً قبل از مرحله چهارم قالبها باز شدهاند. با رسيدن مقاومت عضو به ميتوان آن را براي تحمل بارهاي مورد نظر به محل نهائي برده و نصب نمود.
با توجه به توضيحات فوق قابل پيش بيني است که شکل دادن به تاندونها در اين شيوه دشورا خواهد بود، بنابراين تاندونهاي پيش کشيدگي اغلب داراي مسيرهاي سادهتري ميباشند. در شکل زیر مسيرهاي متداول تاندونها براي اين شيوه آمده است. در اين شکل ها مرکز ثقل مجموعة تاندونها با C.G.S نمايش داده شده است.
ساخته شدن يک عضو پس کشيده (به اختصار) شامل مراحل زير است:
- ابتدا در داخل قالب عضو، فولادهاي معمولي جاي داده ميشوند. پس از آن غلافهاي 1 توخالي در مسيرهاي پيش بيني شده براي تاندونها قرار گرفته و به آرماتورهاي معمولي مهار ميشوند تا در هنگام بتن ريزي جابجا نگردند. اين غلافها پس از سخت شدن بتن فضاي کافي جهت عبور تاندونها, در مسيرهاي مورد نظر را تأمين ميکنند.
- بتن ريزي عضو انجام شده و پس از آن مرحلة عمل آوردن بتن صورت ميپذيرد.
- پس از رسيدن مقاومت بتن به حد مورد نياز فولادهاي پيش تنيدگي موجود در درون غلافها کشيده شده و نيروي بوجود آمده در آنها توسط گيرههاي مخصوص مهار ميگردد. اين گيرهها نيروي اعمالي را به صفحات مهاري انتقال داده آنها نيز نيرو را در سطح بتن توزيع مينمايند.
- براي آنکه اتصال کاملتري بين بتن و تاندونهاي پيش تنيدگي ايجاد گردد, معمولاً در اين مرحله دو غاب سيمان 2 تحت فشار زياد به درون غلافها تزريق ميشود.
با توجه به روش توليد اعضاي پيش کشيده، اين اعضا تنها براي دهانههاي ساده قابل استفاده خواهند بود. در صورت تمايل به اتصال بين اعضاي پيش کشيده و يکسره کردن دهانههاي مجاور، بايد از شيوة پس کشيدگي کمک گرفت. در شکل زیر نمونهاي از اشتراک اين دو شيوه براي ايجاد دهانههائي يکسره نمايش داده شده است. همانگونه که در شکل مشاهده ميگردد شاهتيرهاي پيش ساخته پيش کشيده در محل تکيهگاهها با کمک تاندونهاي پس کشيدگي اتصال داده شدهاند و ميتوانند در اين نقاط لنگر منفي را نيز تحمل نمايند.
تغييرات کرنش در بتن
- کرنشهاي آني: که در اثر رفتار ارتجاعي بتن، بيدرنگ با بارگذاري ايجاد ميگردند.
- کرنشهاي دراز مدت : که در اثر استمرار بارگذاري، تغييرات شرايط رطوبتي و تغييرات دما ايجاد ميگردند.
خزش در بتن
فرض کنيد مطابق شکل يک نمونة استوانهاي بتني در لحظة t0 تحت تنش ثابت قرار داده شده باشد و در طول زمان شرايط رطوبتي و دمائي بتن و محيط اطراف آن ثابت نگاه داشته شود.
شکل الف: نمونة تحت تنش ثابت با شرايط رطوبتي و دمائي ثابت ب: دياگرام تغييرات تنش در طول زمان، پ: دياگرام تغييرات کرنش در طول زمان.
جمع شدگي بتن
علاوه بر کرنشهاي ناشي از بارگذاري عضو و اثرات دراز مدت اين بارگذاري، کرنشهاي ناشي از جمع شدگي نيز حائز اهميت ميباشند. مفهوم جمعشدگي بتن که به آن افت يا آبرفتگي هم ميگويند، کاهش حجم بتن در اثر کاهش آب موجود در مخلوط بتن ميباشد. اين کاهش آب ميتواند ناشي از تبخير آب اختلاط و يا در نتيجة فرآيند هيدراسيون در بتن باشد. براي اعضاي بتني غيرمسلح که در ارتباط با اعضاي ديگر نباشند اين تغييرات حجمي فاقد اهميت است اما در اعضاي پيش تنيده اين پديده عوارضي را بدنبال خواهد داشت.
عوامل موثر بر جمع شدگي عبارتند از:
- با افزايش حجم سنگدانهها در مخلوط بتن و يا استفاده از سنگدانههاي درشتتر، جمعشدگي کاهش خواهد يافت، (زيرا مشابه با پديدة خزش، در اين مورد هم منشاء جمع شدگي را بايد در خمير سيمان جستجو کرد).
- کاهش نسبت وزني آب به سيمان در مخلوط بتن موجب کاهش جمع شدگي خواهد بود.
- با افزايش رطوبت نسبي محيط، جمعشدگي کاهش خواهد يافت. هر گاه محيط اطراف بقدري مرطوب باشد که بتن مقداري آب جذب کند حجم عضو افزايش خواهد يافت، اين پديده را که عکس پديدة قبلي است تورم بتن مينامند.
- وجود آرماتورهاي معمولي در عضو، جمع شدگي را کاهش خواهد يافت.
- وجود ناخالصيها در سنگدانههاي بتن و استفاده از بسياري از مواد افزودني (چاشنيها)، جمعشدگي را شدت خواهد بخشيد.
عوامل ناشي از جمع شدگي عبارتند از:
- جمع شدگي بتن در تراز C.G.S، موجب کاهش يافتن مقداري از تنشهاي پيش تنيدگي در درون تاندونها خواهد گرديد.
- در سازههاي معين پيش تنيده (با توجه به فرض يکنواختي جمع شدگي در مقاطع عضو) اين پديده اثر مستقيمي برخيز تيرها نخواهد گذاشت و تنها بصورت غيرمستقيم با تغيير دادن نيروي پيشتنيدگي برخيز تيرها اثر خواهد نمود.
تغييرات تنش در فولادهاي پيش تنيدگي
فولاد بعنوان ايدهآلترين مصالح ارتجاعي، در محدودة تنشهاي مجاز رفتاري ارتجاعي و خطي از خود نشان ميدهد. بنابراين چنين بنظر ميرسد که با مشخص بودن نيروي اعمالي از طرف جک (Pj)، و همچنين با فرض آنکه مجموعة بارهاي وارد بر عضو باندازهاي نباشند که در بتن ايجاد ترکهاي خمشي نمايند، ميتوان با کمک موارد ذکر شده، تنشهاي موجود در تاندونها را محاسبه نمود.
- تاندونهاي چسبيده: تاندونهائي هستند که در تمامي طول خود داراي چسبندگي و اتصال کامل با بتن اطراف ميباشند.
- تاندونهاي نچسبيده: تاندونهائي هستند که تنها بواسطة اتصال در نواحي محدودي، نيروي پيش تنيدگي را به بتن انتقال ميدهند.
بعنوان مثال در شيوة پس کشيدگي، قبل از تزريق دوغاب سيمان تاندونها از نوع نچسبيده ميباشند، اما پس از آن به تاندونهاي چسبيده تبديل ميگردند.
اتلافهاي نيروي پيش تنيدگي
- اتلافهاي ناشي از سرخوردن تاندونها در گيرههاي مهاري
- اتلافهاي اصطکاکي، ناشي از وجود انحناءهاي عمدي يا غيرعمدي در مسير تاندونهاي پس کشيدگي
- اتلافهاي ناشي از کوتاه شدن الاستيک بتن
- اتلافهاي ناشي از خزش در بتن
- اتلافهاي ناشي از جمع شدگي بتن
- اتلافهاي ناشي از وادادگي در تاندونهاي پيش تنيدگي
تغييرات در تنش فولادهاي پيش تنيدگي در اثر افزايش تدريجي بارها
با توجه به مباحث بخشهاي قبل ميتوان نتيجه گرفت که با اندازهگيري نيروي اعمالي از طرف جکها، مقدار fsj قابل محاسبه ميباشد و با محاسبة اتلافهاي پيش تنيدگي در هر مقطع از عضو ميتوان fse را تعيين نمود. در مرحلة بهرهبرداري از عضو که شامل اعمال بارهاي مردة اضافي و بارهاي زنده ميباشد، تنش موثر موجود در تاندونها تنها تغييراتي بسيار جزئي خواهد نمود که در محاسبات عملاً از آنها صرفنظر مينماييم. اين پديده دقيقاً مخالف رفتار اعضاي بتن آرمة معمولي ميباشد. زيرا در آنها افزايش بارهاي خارجي با افزايش تنش موجود در آرماتورها جبران خواهد گرديد. اما در اينجا اين سوال مطرح است که در اعضاي پيش تنيده افزايش بارهاي خارجي چگونه جبران ميشود؟
براي پاسخ دادن به اين سوال، تير پيش تنيدة موجود در شکل زیر را مورد توجه قرار ميدهيم. کلية بارهاي اعمالي به اين عضو با W نمايش داده شده است. فرض ميکنيم رفتار عضو کاملاً ارتجاعي بوده و موارد ذکر شده در بخش قبل برقرار باشد.
مقطع غيرمشخصي از اين عضو را مورد بررسي قرار داده، و نيروي پيش تنيدگي موجود در آن را با P نمايش ميدهيم. با فرض w=0 توزيع تنشهاي فشاري در مقطع مورد بررسي مطابق شکل خواهد بود، در اين شکل برآيند تنشهاي فشاري مقطع بتني با c نمايش داده شده است و با توجه به اصول استاتيک P=-C ميباشد. بعبارت ديگر اين دو نيرو در اين حالت کاملاً اثر يکديگر را خنثي مينمايند.
آنالیز و طراحی اعضای خمشی پیش تنیده
اعضای پیش تنیدة مورد توجه در این رساله، اعضائی هستند که به صورت عناصر خمشی در عرشة پل های بتن آرمه بکار برده می شوند. بنابراین قبل از پرداختن به نحوة تحلیل و طراحی آنها به آشنایی با انواع بارهای اعمالی به آنها می پردازیم.
انواع بارهای اعمالی به سازة پل ها
در طول عمر مفید یک پل نیروهای مختلفی به آن اعمال خواهد گردید. بعضی از این نیروها ناشی از وزن اجزاء دائمی پل می باشند، برخی دیگر از این نیروها مرتبط به فلسفة طراحی پل بوده و بر اساس آنکه پل برای عبور وسایل نقلیه، یا عابر پیاده و یا کانال طراحی شده باشد انتخاب می گردند. عوامل طبیعی نظیر وزش باد، زمین لرزه، جریان آب و فشار خاک نیز سایر نیروهای محتملی هستند که سازة پل و همچنین هر یک از اجزاء آن بتنهایی، باید قادر به تحمل بحرانی ترکیب آنها باشند. در بخش سوم از آئین نامه AASHTO تمامی این بارها معرفی و همچنین نحوة ترکیب آنها نیز مشخص گردیده است.
روش های مختلف طراحی اعضای پیش تنیده
دو روش عمدة طراحی سازه های بتن آرمه عبارتند از:
- روش تنش های مجاز (Working Stress Design)
- روش مقاومت نهایی (Ultimate Stress Design)
اگر چه روش اول دارای سابقة طولانی تری می باشد اما امروزه عملاً برای ساختمان های معمولی کاربردی ندارد. در مقابل روش دوم در بین مهندسین محاسب رواج زیادی داشته و در آئین نامه بتن آمریکا جانشین روش اول گردیده است. علی رغم مطلب فوق در طراحی برخی از سازه های خاص نظیر سازه های هیدرولیکی که در آنها مسئله نشت آب بسیار اساسی است، روش دوم هنوز محتاطانه بکار گرفته می شود و در اینگونه موارد غالب طراحان روش اول را ترجیح می دهند.
