بتن پیش تنیده چیست و چه ویژگی هایی دارد ( به همراه نقشه واقعی پل پیش تنیده)

تعریف

بتن پیش‌تنیده به انگلیسی: Prestressed concrete

برای برطرف کردن ضعف بتن در برابر کشش از بتن پیش‌تنیده استفاده می کنند. از بتن پیش تنیده برای ساخت تیرها، سقف ها یا پل‌هایی با طول دهنه‌های زیاد می توان بهره برد. از کابل‌های فولادی کششی به عنوان تاندون‌های پیش‌تنیده  ، برای ایجاد بار فشاری استفاده می‌شود. هنگام وارد شدن بار خمشی در یک عضو پیش تنیده ، تنش‌های کششی پدید می آیند. این تنش های کششی با بار فشاری که از قبل توسط کابل ها ایجاد شده خنثی میشود. این فرایند به وسیله رشته‌های فولادی، غلاف و … انجام شده و نیاز به ابزاری خاص دارد.

مفهوم

همان طور که در شکل مشاهده می کنید در بتن مسلح معمولی پس از بارگزاری خیز مثبت ایجاد میشود و تار پایین به کشش می افتد در اثر نیروی کششی ذکر شده ترک هایی ایجاد میشود که تا کمی بالاتر از تار خنثی امتداد خواهد داشت.

اما در بتن پیش تنیده قبل از بارگزاری خیز منفی وجود دارد(توسط کابل های قرار داده شده تحت فشار است) پس از اعمال نیروی کششی خیز(فشار موجود) خنثی خواهد شد ، در بتن پیش تنیده به دلیل سختی جانبی کمتر تار خنثی پایین تر می آید.

مقاومت بتن در برابر فشار بالاست ولی در مقابل كشش ضعیف است. ایجاد پیش تنیدگی در بتن با كابل‌های فولادی باعث می‌شود بتن همواره در تنش فشاری باقی بماند.  و در نتیجه میزان باربری آن افزایش خواهد یافت. چون كابل‌ها در حالت کشیده قرار دارند و نیروی کششی را به نیروی فشاری تبدیل می‌كنند و هیچ ضعفی در مقطع بتن ایجاد نمی‌كنند و بتن فقط تحت بارهای بسیار زیاد به كشش می‌افتد و ترک نمی ‌خورد. برای پیش تنیده كردن بتن دو سیستم متفاوت پیش كشیدن و پس كشیدن وجود دارد.

پیش تنیدگی در گذشته

تاریخچه

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.

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 پذیرفته نشد 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.

انواع

1-پیش تنیدگی(Pre-Tensioning):

بسیاری از قطعات بتنی پیش ساخته‌ی پیش تنیده (از جمله تیرهای برق ، تیرچه‌ی T شکل، دال های مجوف یا هالوکر، تراورس راه آهن و …) با این روش تولید می‌شوند. در روش پیش کشیدگی، ابتدا وایرها یا کابل ها را به صورت آزاد در داخل قالب قرار داده و به کمک جک های هیدرولیکی، تحت کشش قرار می دهند. سپس عملیات بتن ریزی انجام شده و پس از خارج کردن هوای آن به کمک ویبراتور، شرایط لازم را برای گیرش سریع‌تر بتن فراهم می کنند. پس از رسیدن بتن به مقاومت مطلوب، اضافه طول کابل ها برش داده شده و بتن تحت فشار قرار می‌گیرد. در این روش نیز همانند بتن مسلح پیش ساخته، مقطع و محل قرارگیری کابل ها بر اساس بارهای محاسبه شده، مشخص و رعایت می‌شود.

جک هیدرولیکی

2-پس کشیدگی(Post-Tensioning):

در این روش، موقعیت کابل‌ها و صفحات مهاری (انکوریج) را پیش از بتن ریزی در داخل قالب تثبیت کرده و سپس بتن‌ریزی را انجام می‌دهند. پس از رسیدن بتن به مقاومت مورد نظر، عملیات کشش کابل‌ها با استفاده از جک های هیدرولیکی، انجام می شود از پس کشیدگی در دال‌ها و تیرهای ساختمان‌ها، پارکینگ‌ها، برج‌ها، مخازن بتنی، دالهای روی سطح زمین و … استفاده می‌شود.. مزیت پس کشیدگی بر پیش کشیدگی آن است که در این روش، می‌توان مسیر کابل ها را به گونه ای انحناء داد که در هر مقطع، تنش فشاری برابر با تنش کششی شکل گرفته در آن مقطع، ایجاد شود و به این ترتیب در حجم بتن ریزی، صرفه جویی نمود

 نمایی از پیش تنیدگی

پس کشیدگی به دو صورت گیردار یا چسبیده (Bonded) و آزاد یا غیرچسبیده (Unbonded) اجرا می‌گردد. در آمریکا بیشتر از سیستم آزاد و در استرالیا از سیستم گیردار استفاده می‌شود.

انتقال نیرو از کابل‌ها به بتن در سیستم آزاد تنها از طریق تکیه گاه های (انکوریج) انتهایی به صورت نیروی فشاری می‌باشد، اما در سیستم گیردار علاوه بر انتقال نیرو از طریق تکیه‌گاه‌ها، از طریق نیروی تماسی (گیرداری طولی) نیز این انتقال صورت می‌گیرد.

الف- سیستم گیردار یا چسبیده (Bonded):

در سیستم گیردار (Bonded)، ابتدا صفحات مهاری (انکوریج) و غلاف‌های فلزی درون قالب قرار داده می‌شوند. پس از رانش کابل در داخل غلاف ها، بتن‌ریزی را انجام می‌دهند. پس از رسیدن بتن به مقاومت لازم، کشیدن کابل‌ها توسط جک‌های هیدرولیکی انجام می‌گیرد. پس از انجام عمل کشیدگی، داخل مجرای غلاف‌ها با گروت (نوعی ملات سیمانی متشکل از آب، سیمان، ماسه و مواد افزودنی‌) پر می‌شود. استفاده از گروت هم باعث محافظت از خوردگی کابل‌های فولادی می‌شود و هم باعث ایجاد گیرداری و انتقال نیروی کششی بین کابل‌ها و محیط درون غلاف‌ می‌شود.

ب- سیستم آزاد (Unbonded):

در سیستم آزاد (Unbonded)، کابل‌ها دارای روکش پلی‌اتیلن مخصوص بوده و در نتیجه نیازی به غلاف گذاری ندارند؛ در نتیجه پس از کارگذاری کابل‌ها، بتن ریزی صورت گرفته و سپس عملیات کشش انجام می‌شود. بدلیل عدم وجود غلاف، این سیستم نیازی به گروت ریزی ندارد.

غلاف های کابل پیشتنیدگی

کاربرد

پارکینگ های طبقاتی

سقف پارکینگ پیش تنیده

ساختمان ها و برج های بلند

پیش تنیدگی در ساختمان بلند

مجتمع های مسکونی

پل ها

پیش تنیدگی در پل

دیگر کاربردهای مهم سیستم پیش تنیدگی

از سیستم پیش تنیدگی در مواردی که عضو تحت تاثیر کشش و خمش بیشتری قرار دارند استفاده زیادی می‌شود مانند:

سقف پیش تنیده یا هالوکور

دیوار‌های حائل

دال‌ها

ستون‌ها و تیرها

اسکله‌ها

سقف پارکینگ‌ها

پل‌ها با دهانه‌های زیاد

لوله‌ها و مخازن آب

ساختمان ها و برج های بلند

مراحل پیش تنیدگی

مزایا

انعطاف پذیر بودن سازه پیش تنیده:

در بتن پیش تنیده بدون تغییر دادن مقاومت نهایی آن می توان سازه را با تغییر دادن مقداری از نیروی پیش تنیدگی انعطاف پذیر کرد. این انعطاف پذیری سازه بتن پیش تنیده در معماری هم قابل اجراست هم چنان که با حذف بعضی از ستون ها و پایه ها امکان اجرای سازه با دهانه بزرگتر را فراهم می کند

دوام و ماندگاری بالا:

از خاصیت های مهم بتن پیش تنیده نداشتن ترک های دائمی می باشد که باعث دوام بیشتر سازه پیش تنیده در مقایسه با سازه های بتنی می شود و این کار به خصوص در محیطی با زمین خورنده و سازه های دریایی اهمیت بیشتری دارد. همچنین در بتن پیش تنیده از شدت خیز به سمت پایین کاسته می شود که آن هم بدلیل داشتن خیز به طرف بالا تحت تاثیر نیروی پیش تنیدگی قبل از وارد آمدن بار بر آن می باشد

زیبایی و معماری:

تعداد ستون های بسیار کمتر درسازه ای که در آن از پیش تنیدگی استفاده شده دست معماران و طراحان فضای داخلی را باز میگذارد تا از فضای بیشتر استفاده کنند و همچنین تعداد ستون های کمتر، زیبایی بیشتری به سازه میدهد.

کاهش وزن سازه:

در این سیستم بدلیل حذف قسمت کششی بتن ضخامت دال کاهش می یاید. درنتیجه ابعاد ستون‌ها، دیوارهای برشی و فونداسیون کاهش یافته که این امر باعث کاهش بار مرده ساختمان و کاهش بار زلزله می شود به این ترتیب تحمل سازه در برابر زلزله بالا می‌رود.

معایب

احتیاج به دانش فنی و مهندسی بالاتر در ساخت و تولید

نیاز به بررسی و دقت بالاتر در تهیه و ساخت

سخت و پیچیده بودن طراحی

داشتن هزینه ی مصالح، ساخت و حمل و نقل بالاتر

خطر داشتن این عضوهای بتنی به هنگام تخریب به دلیل وجود انرژی موجود در کابل های کشیده شده

نمونه نقشه اجرایی از پیش تنیدگی :

(توسط شرکت آرشکو)

نمونه واقعی نقشه اجرایی پیش تنیدگی آرشکو

نکات اجرایی مربوط به پیش تنیدگی در این پروژه :

1-تاندونها متشکل از 3 رشته 7 سیمی به قطر اسمی 24/15 میلی متر و از نوع 270Grade  با مقاومت نهایی 18500 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و با وادادگی کم مطابق استانداردASTM A416  می باشد.

در ضمن نیروی کشیدن کابلها برابر 75 درصد مقاومت نهایی کابلها که معادل 53 ton می باشد.

2-غلاف تاندونها از نوع گالوانیزه موجدار به قطر خارجی 60 و قطر داخلی48 میلی متر می باشد.

3-غلاف تاندون ها باید به وسیله بست های مناسب و محکم و مطمئن در فواصل حداکثر یک متر مطابق اعداد ارائه شده در نقشه قالب بندی تیر ها نگهداری شوند.

4-یک متر پایانی همه تاندون ها باید به صورت مستقیم (خط راست) اجرا شوند.

5-صفحه گیره‌ها با توجه به زوایای داده شده باید به صورت عمود بر مسیر تاندون ها اجرا شوند.

6-حداقل مقاومت بتن پشت گیره ها هنگام کشیدن کابل ها باید 250 کیلوگرم بر سانتی متر مربع برای نمونه استوانه ای باشد.

7-اعمال نیرو و کشیدن کابل ها مطابق نقشه تیر ها از یک طرف تیرها می باشد.

8-کابل های شماره 1 و 2 روی زمین و از انتهای تیر و کابل شماره 3 بعد از اجرای دال کشیده می شود.

9-ترتیب، میزان کشیدن و قرائت نتایج تاندون ها در هر مرحله مطابق برنامه اجرایی می باشد.

10- در هنگام حمل و نقل تاندون ها باید از آسیب های مکانیکی تاندون ها نظیر شکننده شدن ، ضربه خوردن ، له شدن وحرارت دیدن جلوگیری شود. دستگاه نظارت باید به دقت بازرسی به عمل آورد.

11-تاندون ها باید در سطحی بالا تر از سطح زمین نگه داشته شوند.

12-تاندون ها را به هیچ وجه نمی توان جوش داد یا گرم کرد یا گالوانیزه نمود.

13-سطح تاندون ها و سطوح داخلی و خارجی غلاف ها باید عاری از زنگ زدگی و مواد چرب باشد.

14-در محل اتصالات غلاف ها باید به طور مطمئن از خروج شیره بتن و گروت جلوگیری گردد. اتصالات غلاف های مجاور باید حداقل 30 سانتی متر از هم فاصله داشته باشد.

15-تاندون های پیش تنیدگی ، مهارها ، گیرها و غلاف ها باید به طور موثری در برابر خوردگی در طول زمان بین کشیدن کابل ها و پوشاندن آن ها با گروت محافظت شوند. انتهای غلاف ها و منافذ آن ها باید در این هنگام بسته باشند.

16-عملیات کشش تاندون ها نباید در دمای صفر درجه سانتی گراد انجام شود.

17-عملیات کشش باید به طریقی انجام گیرد که تنش در فولاد به تدریج و به طور یکنواخت و کنترل شده افزایش یابد.

18-ملات تزریقی(گروت) باید از موادی تشکیل و به صورتی تهیه گرددکه با پوشانیدن اطراف کابل ها  و پر کردن تمام فضای خالی ، کابل ها را در مقابل زنگ زدگی محافظت نموده و قابلیت انتقال نیرو از کابل به بتن را تامین نماید. حداقل مقاومت فشاری نمونه استوانه ای ملات تزریقی 300 کیلوگرم بر سانتی متر مربع است.

هیچ نوع مصالح شن و ماسه نباید در ساخت ملات تزریقی مورد استفاده قرار گیرد و نسبت آب به سیمان نباید از 0.44 تجاوز نماید.

19-گیره های مورد استفاده باید از نوع dywidag یا مشابه آن بوده و مشخصات آن ها باید مطابق آیین نامه BS4447 باشد.

20-در محل گیره ها به منظور خروج هوای درون غلاف ها حین عملیات تزریق گروت باید هواکش هایی(vents)

با قطر 10 سانتی متر تعبیه شوند و عملیات تزریق درون غلاف ها پس از خروج گروت از این هواکش ها و اطمینان از باقی نماندن فضای خالی درون غلاف ها به پایان می رسد.

21-قبل از شروع عملیات تزریق باید آزمایش فشار هوا بر روی غلاف ها انجام می شود.

22-از انبار کردن تاندون ها به مدت طولانی در انبار باید خودداری نمود و در صورت وقوع این امر باید از کیفیت تاندون ها به علت عملیات زنگ زدگی ، کم شدن مقطع و تغییر در خواص مکانیکی به وسیله آزمایشات مطمئن شد.

23-جک های هیدرولیکی مخصوص کشیدن کابل ها باید دارای مشخصات زیر باشند.

الف- وسیله گیر دادن فولاد پیش تنیده به جک باید محکم و ایمن باشد.

ب- وسایل کشیدن باید به نحوی عمل کنند که نیروی نهایی قابل کنترلی راتدریجا در فولاد ایجاد نماید و هیچگونه تنش خطرناک ثانویدر تاندون ها ، گیره یا بتن ایجاد ننماید.

ج- میزان نیروی کششی باید در حین عملیات کششی به طور مستقیم توسط نیروسنج و یا به طور غیر مستقیم به وسیله نانومتر اندازه گیری شود.

د- دقت وسایل اندازه گیری نیرو نباید کمتر از 2 درصد باشد قبل ازبه کار گیری ازعملکرد صحیح دستگاه های اندازه گیری اطمینان حاصل شود.

24- برگشت کابل در گیره 6 میلی متر در محاسبات منظور شده است.

25-پیمانکار موظف است قبل از اقدام به کار پیش تنیدگی ، مشخصات کارخانه ای کابل هایی که مصرف خواهند شد را در اختیار مهندسین مشاور قرار دهد تا مقدار افت ها و نیروی کشیدن کابل ها در صورت متفاوت بودن با مشخصات مفروض بازنگری شود.