تنش فشاری در بتن

تاریخچه :

اولین کسی که ظاهرأ توانست با ایجاد تنش فشاری در بتن آن را تحت تأثیر لنگر خنثی افزایش دهد ، یک نفر آمریکایی به نام Jackson بود که اختراع خود را در سال 1886 به ثبت رسانید .

در سال 1888 دو هرینگ آلمانی با قرار دادن یک میله فولادی کشیده شده در داخل یک دال بتنی توانست ، اولین دال بتنی پیش تنیده را ایجاد کند . نظر او به این بود که ، چون بتن جسمی است مقاوم در برابر فشار و لیکن مقاومت آن در مقابل کشش کم می باشد ، میتوان با وارد کردن فشار به بتن کشش ایجاد شده در اثر بار مرده وزنده را دال تقلیل ، و در نتیجه مقاومت آن را افزایش داد .

هیچکدام از روشهای اولیه پیش تنیدگی در عمل موفق نبود ، زیرا به علت نامرغوب بودن نوع فولاد و بتن مقدار زیادی و گاهی همه تنش پیش تنیدگی به مرور زمان در اثر خزش(Creep) و انقباض بتن (Shrinkage) از بین میرفت . در نتیجه بتن پیش تنیده از نظر اقتصادی نمی توانست با بتن فولادی رقابت نماید .

اولین کسی که در حقیقت  توانست از بتن پیش تنیده به صورتی که امروزه آن را می شناسیم استفاده کند ، یک نفر فرانسوی به نام Freyssinet بود . او در سال 1828 توانست با استفاده از فولادهای با مقاومت بالا ،  در صد از دست رفتن تنش ناشی از خزش و انقباض به تنش اولیه پیش تنیدگی را کاهش داده و در نتیجه بتن پیش تنیده را از نظر اقتصادی مقرون به صرفه کند .

کاربرد بتن پیش تنیده معمولأ در عضوهایی است که تحت تأثیر خمش میباشد مانند تیرها ، دال ها ، دیوار های حائل و ستونها . ولی از بتن پیش تنیده در عضو هایی که تحت تأثیر کشش هستند مانند لوله ها ، مخازن آب و غیره به نحو مطلوب می توان استفاده نمود. 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

مفهوم 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 .

استفاده از بتن پیش تنیده در ایجاد پلها و ساختمان ها از حدود 50 سال پیش تا کنون در سطح وسیع متداول شده است. با توجه به عیوب مختلف فولاد ( نا پایداری الاستیک نیمرخ های فلزی، خوردگی و زنگ زدگی، فزونی بهای تولید...) امروزه اغلب پلهای بزرگ از بتن پیش تنیده ساخته می شوند، اما برخلاف حالت بتن مسلح مصالح مصرفی جهت این پلها باید از کیفیت بسیار خوبی برخوردار باشند در بتن پیش تنیده نیز مانند بتن مسلح از بتن که دارای مقاومت بسیار خوب فشاری است و فولاد استفاد می شود.

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 .

7 ) 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 .

انواع پیش تنیدگی

اعمال نیروی پیش تنیدگی به دو روش پیش کشیده یا پس کشیده صورت  میگیرد

بدین معنی که عملیات کشش کابلها می تواند پیش از بتن ریزی یا پس از  بتن ریزی انجام شود.                          بتن پیش تنیده پیش کشیده   

دراین روش ابتدا کابلها روی بسترپیش ساخته  در حد فاصل دو انتها  کشیده می شوند. بعد از بتن ریزی و کسب مقاومت لازم با بریدن کابلها نیروی کششی موجود به صورت فشاری به بتن منتقل می گردد.

این روش در کارگاهها یاکارخانه های تولید قطعات بتنی مورد استفاده قرار گرفته و معمولامحصولات تولید شده بصورت پیش ساخته می باشد

الف) سیستم پیش کشیده : در این سیستم در مرحله اول فولادها تحت کشش قرارگرفته ودر دو انتهای عضو توسط گیره های مخصوص کاملا گیر داده می شوند. در مرحله دوم عضو مورد نظر بتن ریزی می شود و سپس بتن عمل آورده می شود و به مقاومت کافی می رسد و در مرحله سوم فولاد های پیش تنیدگی در دو انتهای تیر، بریده شده و نیروی پیش تنیدگی بصورت یک نیروی فشاری بر عضو اعمال میشود. فولاد های پیش تنیدگی به دو صورت فولاد با مسیر مستقیم یا فولاد با مسیر شکسته می باشد. اجرای مسیر با منحنی پیوسته برای کارهای پیش کشیده تقریبا امکان پذیر نیست.

 ب) سیستم پس کشیده : در این سیستم در مسیر عبور فولادهای 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 ریزی انجام می شود وغالبا قبل از بتن ریزی دو ورق صفحه فشار جایگذاری می شود. بعد از اینکه بتن به مقاومت مورد نظر رسید فولادهای پیش تنیدگی توسط جک هایی که به صفحه فشار تکیه می نمایند کشیده می شوند.

 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

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 روش