بتن پیش تنیده

معرفی سیستم پیش تنیدگی

بر اساس «آيين نامه ACI318- 95 » بتن پيش تنيده عبارت است از بتن سازه‌ای(ساختمانی) که جهت کاهش تنش های کششی حاصل  از بارها, در آن تنش های داخلی ايجاد شده است.

هدف اصلی از پيش تنيده کردن يک عضو بتنی محدود کردن تنش های کششی و ترکهای  ناشی از لنگر خمشی تحت تاثيری  بارهای وارده درآن عضو می‌باشد.

پيش تنيدگی ؛ اصلی عمومی است که در موارد ديگر نيز مورد استفاده قرارمی گيرد. يک چرخ دوچرخه يک نمونه از پيش تنيدگی را نشان می دهد: لاستيک چرخ دوچرخه بسيار نرم است و سيمهای داخل آن بسيار بلندتر، به طوری که تحت نيروی فشار امکان کمانش آنها وجود دارد. ولی هم لاستيک و هم سيمها در مقابل کشش مقاوم اند، پس لاستيک چرخ را پراز باد می کنند و در سيمها کشش قبلی ايجاد می کنند.

یکی دیگر از مثالهای پیش تنیدگی،تلاش برای بلند کردن یک ردیف کتاب می باشد.ابتدا لازم است به ردیف کتابها از دو طرف فشاری اعمال کنیم تا باعث افزایش مقاومت در مقابل لغزش بین کتابها شده،به طوریکه بلند کردن کتابها را ممکن سازد.

سرعت مناسب اجرا، مقاومت زیاد در برابر خوردگی،ایجاد بیشترین خروج از مرکزیت تاندون ها و حداقل افت نیروهای پیش تنیدگی ناشی از اصطکاک از جمله عوامل رشد سریع این سیستم می باشد.

تاريخچه                                   

مصريها در 5000 سال پيش، در ساختن قايقهايشان از خاصيت پيش تنيدگی استفاده می کردند. بدين ترتيب که،برای اتصال چوبهای بدنه قايق، تيغهای آهنی گرم به کار می بردند تا بعد  از سرد شدن و انقباض آنها قطعات چوبی به هم فشرده شوند.

اولين کسی که ظاهراً توانست با ايجاد تنش فشاری در بتن مقاومت آن را تحت تاثير لنگر خمشی افزايش دهد يک نفر آمريکايی به نام جکسون بود که اختراع خود را در سال 1886 به ثبت رسانيد.

در سال 1888، دوهرينگ، مهندس آلمانی، با قرار دادن يک ميله فولادی کشيده شده در داخل دال بتنی توانست اولين دال بتنی پيش تنيده را ايجاد کند. در سال 1896, مندل مهندسی اتريش اصل پيش تنيدگی را در تير بتن پيش تنيده از فولاد معمولی با تنش اوليه 120 نيوتن بر ميليمتر مربع استفاده کرد و از افت ناشی از نشست و وارفتگی آگاهی نداشت, فولاد به زودی کشش اوليه خود را از دست داد و تير تبديل به بتن آرمه معمولی شد.

در سال1939، امپرگر، مهندس اتريشی استفاده از بتن آرمه با پيش تنيدگی جزئی را که دارای آرماتور معمولی باشد و قطعه در موقع بار سرویس نیز بار کششی تحمل بکند را مورد استفاده قرار داد.

در سال 1948، پروفسر آبلس انگليسی اولين سازه بتن آرمه با پيش تنيدگی جزئی را در لندن بنا کرد.

در سال 1953، فدراسيون بين المللی پيش تنيدگی اولين کنگره خود را در لندن تشکيل داد. در چهارمين کنگره فدراسيون، که در سال 1962 دررمتشکيل شد قدمهای نوينی برای استفاده از بتن آرمه با پيش تنيدگی جزئی برداشته شد و کميته مختلطی از فدراسيون بين المللی پيش تنيدگی(F. I. P) وکميته اروپايی بتن (C. E. B) به وجود آمد که درآن چهارنوع سازه از بتن آرمه تا پيش تنيده شدن کامل تعيين شده است. اين چهار نوع اساساً با مقدار ازدياد طول نسبی دورترين تارکششی بتن و ترک خوردگی بتن کششی از هم متمايز می شوند.

نوع اول:بتن پيش تنيده کامل که بتن نبايد تنش کششی تحمل کند.

نوع دوم:بتن آرمه با پيش تنيدگی جزئیاست. تحت بار سرويس بتن می تواند تنش کششی داشته باشد (به شرطی که ترک نخورد).تحت بارهای دائم بتن نبایدکشيده شود.

نوع سوم:بتن آرمه پيش تنيده است. ترک خوردن بتن تحت بار سرويس امری عادی است، ولی عرض ترکها از1/. تا 3/. ميليمتر محدود شده اند. محدوديت آنها بر حسب آب و هوايی که قطعه  در آنجا مورد استفاده قرار مي گيرد و جنس فولاد به کار رفته است. 

نوع چهارم:بتن آرمه کلاسيک است.

تعریف پیش تنیدگی         

پیش تنیدگی یک روش برای مسلح کردن بتن با فولاد مقاومت بالا می باشد که با ایجاد فشار در اعضای بتنی،باعث مقاومت بیشتر این اعضاء در مقابل بارهای وارده میشود.

به عبارت دیگر پیش تنیدگی ایجاد یک تنش ثابت و دائمی  در یک عضو بتنی به اندازه لازم به طوریکه در اثر این تنش،مقداری از تنشهای ناشی از بارهای مرده و زنده در این عضو خنثی شده و در نتیجه مقاومت باربری آن افزایش پیدا میکند.عمل خنثی نمودن تنشها یا متعادل نمودن بار،اساس طراحی قطعات پیش تنیده را تشکیل می دهد.

عمده ترين کاربرد پيش تنيدگی در بتن پيش تنيده است .

بتن که يکي از ارزانترين و عملی ترين مصالح ساختمانی است،مقاومت خوبی در برابر فشار دارد و تاب کششی کمی از خود نشان می دهد.بنابراين در ناحيه ای از بتن که بعد از بارگذاری تحت کشش قرار می گيرد، قبلا ايجاد فشار می کنند. اين عمل، به اصطلاح«پيش تنيدن بتن» ناميده می شود.

بیشترین کاربردهای بتن پیش تنیده در زمینه سازه های ساختمانی به صورت تولید تیرها و دالها با تکیه گاه ساده می باشد،این تیرها معمولا در کارخانه ساخته می شوند تا کنترل کیفیت بهتر انجام گیرد،در جایی که دهانه های بزرگ داشته باشیم معمولا تیرهای بتنی پیش تنیده درجا به کار می روند.

در زمینه مهندسی پل،معرفی بتن پیش تنیده ساخت پل های بتنی با دهانه زیاد را عملی ساخته است.این پل ها معمولا از قطعات پیش ساخته تشکیل شده اند که لا جرثقیل در ارتفاع مورد نظر قرار گرفته اند و به کمک پیش تنیدگی به قطعات موجود وتصل می شوند.

اگر نیروی فشاری مشخصی رااز دوطرف به یک قطعه تیر وارد بیاوریم می توان تنش کششی رادر پائین عضوکاهش دادو یا به کلی آنرا خنثی نمود و تبدیل به تنش فشاری کرد که این اعمال نیرو تعادل بارهای خارجی  می باشند.

بهینه ترین حالت در انتخاب مقدار نیروی پیش فشردگی حالتی است که درصدی از بارها متعادل شود که منجر به کاهش میزان فولاد مصرفی و  کنترل خیز و ترک در بتن شود.

معیار اساسی پیش تنیدگی          

معیار اساسی طراحی بتن آرمه چه برای نوع پیش تنیده و چه برای غیر پیش تنیده،عبارت است از: قرار دادن آرماتور فولادی درمواضعی که در اثر بارگذاری خارجی کشش ایجاد میشود،دربتن پیش تنیده آرماتور با مقاومت زیاد به کار می رود.آرماتور پیش از اعمال بار خارجی کشیده می شود،این کشیدگی اولیه ی ارماتور،بتن مجاور خود را پیش فشرده می کند و موجب می شود که این بتن بار بیشتری را پیش از ترک خوردگی تحمل کند.

در هنگام گسیختگی،لنگر وارده با ایجاد تنش های کششی زیاد در آرماتور و تنش های فشاری زیاد در بتن،تحمل می شود.

عمل پیش تنیدگی موجب ایجاد یک سیستم تنش خود-متعادل میشود.این تنش های خود-متعادل، عبارتند از تنش های کششی زیاد در فولاد و تنش های متقابل در بتن. باید متوجه بود که چون این دو نیروی متقابل همدیگر را خنثی می کنند،هیچ نیروی محوری و یا لنگر خمشی در اثر پیش تنیدگی ایجاد نمی شود.

مشخصات مصالح مصرفی در بتن پیش تنیده

مصالح مصرفی در سازه های 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 زیادی قرار می گیرد باید کیفیت آن به مراتب از کیفیت بتن مصرفی در سازه های بتن مسلح بالاتر باشد همچنین فولاد نیز با توجه به اینکه تحت کشش فوق العاده زیادی قرار می گیرد(100تا 180 کیلو گرم بر میلی متر مربع ) باید مقاومت مناسبی داشته باشد بنابر این در زمان اجرای سازه مصالح مصرفی در بتن پیش تنیده تحت تنش های فوق العاده مهمی قرار می گیرند.

تجهیزات خاص پیش تنیدگی     

سیستم های اتوماتیک برش و خمش آرماتور

با استفاده از این سیستم، آرماتورها به صورت کارخانه ای و با دقت بسیار بالایی آماده شده و جهت نصب به کارگاه انتقال می یابد.این امر باعث کاهش قابل ملاحظه ای در زمان ساخت پروژه و حذف هزینه های اضافی می گردد.

بخش فناوری و طراحی              

مهندسان بخش فناوری و طراحی با بررسی شرایط و نیازهای پروژه، گزارش فنی-اقتصادی طرح را تهیه نموده و به کارفرما ارائه می نمایند.

بخش اجرایی              

با توجه به تخصصی بودن اجرای سیستم پیش تنیدگی، این بخش متشکل از کادر فنی-اجرایی بوده که مسئولیت نصب وکشش کابل های پیش تنیدگی را بر عهده دارند.

بخش بازرسی و نظارت              

اجرای دقیق نقشه ها، رعایت کلیه آئین نامه ها و ضوابط اجرایی در پروژه بر عهده این بخش می باشد.

بخش پشتیبانی              

با توجه به ویژگی های خاص تجهیزات و ماشین آلات پیش تنیدگی این بخش مسئولیت تهیه، تامین، تعمیر ونگهداری و همچنین کالیبراسیون این نوع اقلام را بر عهده دارد

روش های وارد کردن نیروی پیش تنیدگی

روش مکانیکی            

شاید ساده ترین روش فشرده ساختن یک تیر،به وسیله یک یا دو جک در مقابل دو تکیه گاه می باشد.این روش در بعضی از پروژهای بزرگ بکار می رود.در بعضی از پروژه ها پس از فشرده ساختن تیر به وسیله جک با قرار دادن پلیت بین تیر و تکیه گاه جلوی برگشت تیر به حالت اولیه را گرفته،سپس جک ها را آزاد می کند.اشکال اساسی این روش ها این است که کوچکترین تغییر شکل و یا حرکت تکیه گاه به نحو قابل ملاحظه ای نیروی پیش تنیدگی را کاهش می دهد.

2-روش شیمیایی

در این روش نیروی پیش تنیدگی در اثر استفاده از سیمان های منبسط شونده به وجود می آید،این سیمانها بر خلاف سیمانهای معمولی در موقع گرفتن و سخت شدن به جای منقبض شدن منبسط می گردند و چون وجود کابلها در داخل بتن جلوی این انبساط طول را می گیرددر نتیجه مقداری نیروی فشاری در تیر ایجاد می شود.

روش الکتریکی-حرارتی          -3             

در این روش با وصل کردن جریان برق به کابلها باعث ازدیاد طول کابلها شده،سپس کابلها را توسط گیره هائی در همان حال کشیده به تکیه گاه وصل می کنند.پس از قطع کردن جریان و سرد شدن کابلها،دور آنها را بتن ریزی می کنند و بعد از اینکه مقاومت بتن به حد لازم رسید کابلهای کشیده شده را از تکیه گاه آزاد می کنند و در نتیجه نیروی کشیده شدن کابلها به بتن منتقل می گردد.روش پیش تنیدگی حرارتی به طور وسیعی برای ساختن دالها،تیرها،خرپاها و ستونهای چراغ برق مورد استفاده قرار می گیرند.

مزایا بتن پیش تنیده            

نداشتن ترک های دائمی

 یکی از مهمترین خواص سازه های بتن پیش تنیده نداشتن ترک های دائمی می باشد . این موضوع باعث دوام بیشتر این نوع سازه ها نسبت به سازه های بتنی و بتن آرمه می شود. این امر به خصوص در محیط هایی با گازها و زمین های خورنده و همچنین سازه های دریایی بسیار حائز اهمیت می باشد. برتری بتن پیش تنیده نسبت به بتن آرمه در ساختمان تانکرهای آب و مخازن به جهت نداشتن ترک واضح است.

2- وزن کمتر سازه                                             وزن سازه های بتن پیش تنیده به مراتب از وزن سازه های بتن آرمه معادل کمتر است. اولا: چون از مقاومت تمام سطح مقطع بتن استفاده می شود، میزان بتن لازم کمتر است. ثانیا: چون فولاد مصرفی دارای مقاومت زیادتری است، معمولاً وزن فولاد لازم بین یک سوم تا یک پنجم وزن فولاد معمولی معادل می گردد.

نداشتن خیز به سمت پایین                                

خیز به طرف پایین ( deflection ) تیرهای بتنی پیش تنیده تحت اثر بارهای سرویس معمولاً بسیار کم می باشد. زیرا 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 می کاهد.

تست سازه قبل از بارگذاری                            

در سازه های بتن پیش تنیده قبل از وارد آمدن بارهای سرویس، سازه به وسیله نیروی پیش تنیدگی به شدت بارگذاری شده و بتن و فولاد تحت اثر تنش های زیادی قرار می گیرد، و این خود یک نوع امتحان از نظر مطمئن بودن بتن و فولاد می باشد.

قابلیت انعطاف پذیری                                     

با تغییر مقداری نیروی پیش تنیدگی می توان سازه را صلب و یا انعطاف پذیر کرد، بدون اینکه مقاومت نهایی آن تغییری بکند.

واضح است که یک سازه انعطاف پذیر بیشتر خاصیت فنری و ارتجاعی داشته و می تواند قبل از اینکه در اثر ضربه گسیخته گردد مقدار قابل توجهی انرژی را جذب کند به همین ترتیب چنین سازه هایی تحت تاثیر بارهای زلزله و دینامیکی رفتار بهتری نشان می دهند.

یک نمونه از چنین سازه هایی شمع های ضربه گیر اسکله ها می باشد،از طرف دیگر یک سازه صلب بهتر می تواند لرزش ها و نوسانات بسیار سنگین را تحمل کند.

اقتصادی بودن سازه                           

سازه های بتن پیش تنیده معمولاً برای دهانه های بزرگ و بارهای سنگین اقتصادی تر از سازه های بتن آرمه می باشد.

انعطاف پذیری در معماری                              

سازه های بتن پیش تنیده به دلیل حذف بعضی از ستون ها و پایه ها، امکان اجرای سازه با دهانه های بزرگتر را امکان پذیر ساخته و قابلیت سازه از نظر معماری را افزایش می دهد.

به عنوان مثال سطح هیپربولوئید ( که از دوران هذلولی به وجود می آید ) پیش تنیده برای پوشش سقف ساختمان های صنعتی با دهانه های ۱۰ تا ۱۸ متر، سازه های فضایی و... از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه و از نظر معماری بسیار زیبا می باشد.

مزایای بتن پیش تنیده از نظر معماری    

استفاده از سیستم بتن پیش تنیده در اجرای ساختمان ها باعث سهولت در طراحی پلان و نما، فضای مناسب جهت پارکینگ، شرایط مناسبی برای پارتیشن بندی فضا، قابلیت بیشتر عبور لوله ها و ادوات تاسیساتی، امکان ایجاد دهانه های بلندتر و تعداد ستون کمتر و ایجاد کنسول های بلندتر می شود.

امکان اجرای دهانه های بزرگتر      

مزایای سازه ای               

به دلیل استفاده از کابل های با مقاومت بالای پیش تنیدگی و اعمال نیروی فشاری به بتن قبل از اعمال بارها به سازه مزیت هایی نظیر کنترل تغییر شکل، کاهش ضخامت دال ها یا تیرهای بتنی، کاهش وزن مرده ساختمان و مصالح مصرفی را شاهد هستیم.

مزایا اقتصادی                  

سازه های بتنی پیش تنیده به دلیل مزایایی از جمله کاهش قابل ملاحظه در آرماتور و بتن مصرفی، کاهش ارتفاع طبقات و کل ساختمان، صرفه جویی قابل ملاحظه در زمان ساخت ارزانتر هستند و مورد توجه قرار گرفته اند.

موارد کاربرد بتن پیش تنیدگی       

1- بلند مرتبه سازی

2- ساختمانهای اداری و مسکونی

3- پارکینگهای طبقاتی

4- مراکز آموزشی

5- مراکز درمانی و بهداشتی

6- مراکز تجاری

7- انبارهای صنعتی و توزیع کالا

8- سالن های ورزشی و استادیو ها

9- ساختمانهای داروسازی شیمیایی و نیروگاه های اتمی

10- فرود گاه ها

11- هتل ها و پل ها

12- سازه های کابلی معلق و سازه های صنعتی

توضیح برخی از موارد استفاده از بتن پیش تنیده

1- دال های بتنی پیش تنیده به روش پس کشیده: این دال ها با اجرای در جا امکان پوشش دهانه های بزرگتر با تعداد ستون و ضخامت دال کمتر و قالب بندی ساده تر، باعث کاهش وزن و ارتفاع ساختمان،صرفه جویی در هزینه ساخت،سرعت بالاتر و امکانات بیشتر طراحی معماری می شود.

2- طراحی و اجرای مخازن،سیلوها و پوسته ها: استفاده از بتن پیش تنیده در این سازه ها با تاندون های حلقوی افقی و عمودی باعث کاهش هزینه های قابل ملاحظه ساخت، زمان اجرا،مصرف فولاد و بتن،کارایی بیشتر سازه،حذف ترک ها و آب بندی در مخازن می شود.

3- مهار خاک: نگهداری دیواره های خاکی و پایدار سازی آنها به خصوص در گودبرداری ها نیاز به روش های ارزان و ایمن دارد که بهره گیری از روش پیش تنیدگی پاسخ مناسبی به این نیازها می باشد.

برخی از پروژه های اجرا شده            

1-پروژه مجتمع تجاری وصال در مشهد

پل کابلی اهواز