پیش تنیدگی

پیش تنیدگی عبارت است از ایجاد یک تنش ثابت و دائمی ( Prestress ) در یک عضو بتنی به نحو دلخواه و به اندازه لازم ، به طوریکه در اثر این تنش ، مقداری از تنش های ناشی از بارهای مرده و زنده در این عضو خنثی شده و در نتیجه مقاومت باربری آن افزایش پیدا می کند .

هدف اصلی از پیش تنیده کردن یک عضو بتنی ، محدود کردن تنش های کششی و ترک های ناشی از لنگر خمشی ، تحت تاثیر بارهای وارده در آن عضو می باشد .

بتن جسمی است مقاوم در مقابل فشار ، ولیکن مقاومت آن در مقابل کشش بسیار کم می باشد ، بنابراین می توان با وارد کردن فشار به بتن ، کشش ایجاد شده در اثر بار مرده و زنده را در عضو بتنی تقلیل و در نتیجه مقاومت آن را افزایش داد .

کاربرد بتن پیش تنیده معمولاً در عضوهایی است که تحت تاثیر خمش می باشد مانند : تیرها ، دال ها ، دیوارهای حائل و ستون ها . ولی می توان از بتن پیش تنیده در عضوهایی که تحت تاثیر کشش هستند مانند : لوله ها ، مخازن آب و غیره نیز به نحو مطلوب استفاده نمود .

مزایای بتن پیش تنیده :

۱ ) نداشتن ترکهای 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 .

۲ ) وزن کمتر سازه

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

۳ ) 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 .

۴ ) 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 .

۵ ) 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 .

۶ ) 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 .

۷ ) 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 آرشیتکتی بسیار زیبا می باشد .

روشهای پیش تنیدگی:

۱- بتن پیش تنیده پیش کشیده (Pre-tensioned concrete ) :

بتن پیش کشیده بتنی است که کابل های پیش تنیدگی آن قبل از ریختن بتن کشیده شده باشند . در بتن پیش کشیده کابل های داخل بتن به بتن چسبیده اند و در واقع کابل بدون غلاف داخل بتن جای می گیرد و بعد از اینکه بتن به مقاومت مشخصه رسید ، کابل ها را از تکیه گاههای دو طرف آزاد کرده و قسمت اضافی بیرون مانده از بتن را قطع می نمایند . تمام نیروی پیش تنیدگی به طور کامل در طولی از کابل به بتن منتقل می شود که این طول انتقال ، بستگی به نوع سطح فولاد ، شکل مقطع و قطر آن دارد . همچنین مقاومت بتن نیز در آن موثر می باشد همانند تولید شمع ها و تیرهای پیش ساخته .

برای جلوگیری از وارد شدن ضربه به بتن در موقع انتقال نیروی پیش تنیدگی ، باید این نیرو به طور آرام و تدریجی به بتن منتقل شود . همچنین قطعه بتنی باید بتواند به راحتی در روی بستر خود بلغزد تا جلوی به وجود آمدن نیروهای داخلی در اثر اصطکاک گرفته شود .

یکی از خاصیت های مهم بتن پیش کشیده این است که می توان چندین عضو یک شکل را در آن واحد بین دو تکیه گاه ریخته و پس از گرفتن بتن با قطع کردن کابل های مشترک ، آنها را از هم جدا کرد . این کار از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه می باشد ، زیرا عمل کشیدن کابل ها برای تمام عضوها فقط یکبار انجام می شود همانند تولید قطعات پیش ساخته Hallow-core که مراحل تولید به شکل زیر می باشد .

۲- بتن پیش تنیده پس کشیده (Post-tensioned concrete ) :

اگر فولاد پیش تنیدگی را بعد از گرفتن و سفت شدن بتن بکشند ، بتن را اصطلاحاً بتن پس کشیده می نامند . نیروی پیش تنیدگی توسط گیره های ( anchorages ) دو انتهای سازه از کابل به بتن منتقل می گردد . فولاد پیش تنیدگی نباید قبل از کشیدن به بتن چسبیده باشد ، در غیر این صورت امکان کشیدن آن وجود نخواهد داشت . فولادهای پیش تنیدگی را باید در داخل غلاف ها یا مجراهایی که در داخل بتن یا خارج از آن تعبیه شده است ، قرار داد .

کابل های پیش تنیدگی را می توان قبل و یا بعد از بتن ریزی در داخل غلاف ها کار گذاشت . کابل ها به صورت یکی یکی به وسیله دستگاه کابل ردکن ( strand pusher ) و یا به طور دسته ای بوسیله نیروی انسانی در داخل غلاف کار گذاشته می شود .

انواع بتن پیش تنیده پس کشیده

۱) با روش چسبنده ( Bonded )

بعد از پایان عملیات کشش کابل ها ، برای جلوگیری از زنگ زدن کابل ها ، دوغاب سیمان به داخل غلاف ها تزریق می شود تا فاصله بین کابل و غلاف را پر کند . در این حالت چون کابل توسط دوغاب به غلاف و در نتیجه به بتن می چسبد ، اصطلاحاً این روش را چسبنده ( Bonded )  می نامند .

.

پل صندوقه ای به وسیله دستگاه شاریو

.

.

پل صندوقه ای درجا ریز

.

تیر پس کشیده

.

سقف ساختمان پس کشیده

.

.

گروت تزریق شده داخل گیره

۲) با روش غیر چسبنده ( Unbonded )

گاهی اوقات به دلائل خاصی از جمله ایجاد انعطاف پذیری بیشتر سازه جهت مقاومت بهتر در مقابل زلزله ، ممکن است دوغاب به داخل غلاف تزریق نکنند . در چنین حالاتی چون هیچ نوع چسبندگی بین کابل و غلاف وجود ندارد ، این روش را غیر چسبنده ( unbonded ) می نامند . در چنین مواقعی برای جلوگیری از زنگ زدن کابل ، داخل غلاف و دور کابل را پر از گیریس می کنند . بعضی از کارخانه های کابل سازی ، کابل هایی تولید می کنند که در داخل لوله های پلاستیک پر از گریس قرار دارد . این نوع کابل های فاقد چسبندگی را می توان مستقیماً در داخل بتن کار گذاشت و بعد از کسب مقاومت از بتن ، کابل ها را کشید که گریس مانع از چسبیدن کابل به غلاف پلاستیکی و در نتیجه به بتن می شود .

در روش غیر چسبنده اگر به دلائلی کابل از داخل گیره ها در برود و یا از هر نقطه پاره شود ، نیروی پیش تنیدگی در آن مقطع از بین می رود .

اصولاً مقاومت نهایی بتن پس کشیده چسبنده خیلی بیشتر از مقاومت نهایی بتن پس کشیده غیر چسبنده مشابه می باشد .

سقف ساختمان های پس کشیده به روش Unbonded

سقف ساختمان های پس کشیده به روشUnbonded

---

شرح بتن پیش تنیده

بتن پیش تنیده برای غلبه بر مشکل ترک خوردن در بتن آرمه ، برای اولین بار توسط مهندسی درسان فرانسیسکو در سال ۱۸۸۶ ثبت شد.
زمانی که یک جزء ساختمانی پیش از حمل بار خدمات، متراکم می شود پیش تنیدگی به وجود می آید.
بتن پیش تنیده به عنوان نسل سوم بتن معرفی شده است. پیش تنیدگی توسط فولاد مسلح کشیده شده در یک جزء ساختمانی به وجود می آید.
با توجه به مراحل بتن ریزی ، پیش تنیدگی بتن پیش تنیده می تواند به عنوان پیش تنیدگی و پس تنیدگی دسته بندی شود. پیش تنیدگی ، فولاد مسلح را پیش از بتن ریزی تحت کشش قرار می دهد و پیش تنیدگی به پیوند ساخته شده بین فولاد مسلح کشیده شده و بتن سفت شده اعمال می شود. در تکنیک پس تنیدگی فولاد مسلح یا تاندون پس از بتن ریزی و بدست آوردن مقاومت مناسب کشیده می شود . در پس تنیدگی تاندون های فولادی در بتن با مقاومت مناسب در حفره های محفوظ قرار داده می شوند.
مراحل تکنیک پیش تنیدگی بتن پیش تنیده در شکل های ۱ تا ۳ نشان داده شده.

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 آمریکای 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 های طویل ، ساختمان های بلند ، . . . ساخته شده اند.
پل Barrios de Lura (ساخته شده بوسیله بتن پیش تنیده ) در اسپانیا در حال حاضر با دهانه اصلی ۴۴۰ متر می باشد. در کانادا برج CN تورنتو که با بتن پیش تنیده ساخته شده به ارتفاع ۵۵۳ متر می باشد .

بتن پیش فشرده

1. در یک تیرچه بتن آرمه متداول کمتر از نیمی از بتن تحت فشار قرار می گیرد و ترک هایی در کف تیرچه تحت بارگذاری کامل ، رخ می دهند.
2. زمانی که یک تیرچه بتن پیش تنیده می شود، تمامی بتن متراکم می شود. مکان های خارج از مرکز فولاد مسلح در تیرچه ، خمیدگی به وجود می آورند.
3. تیرچه بتن پیش تنیده تحت بارگذاری هموارتر می شود ، اما باز هم تمامی بتن متراکم می باشد و هیچ گونه ترکی ایجاد نمی شود.

علاوه بر فقدان ترک ها ، عمل ساختاری در تیرچه های بتن پیش تنیده بسیار موثرتر از تیرچه های مسلح معمولی هستند و همچنین از مواد کمتری استفاده می کنند.

بتن پیش تنیده

1. اولین مرحله در پیش تنیدگی به این صورت می باشد که رشته های پیش تنیده فولاد در عرض کف قالب بسط داده می شود.
2. سپس بتن در اطراف رشته های کشیده شده ریخته می شود و بتن به رشته ها می چسبد.
3. زمانی که رشته ها قطع می شوند، بتن متراکم شده و تیرچه خمیده می شود.

بتن پس تنیده

1. در پس تنیدگی طی عمل آوری بتن، بتن مجاز نمی باشد که به رشته های فولاد بچسبد.
2. پس از عمل آوری بتن ، رشته ها به وسیله یک جک هیدرولیک ، تنیده شده و به انتهای تیرچه متصل می شوند