بتن پیش‌تنیده

بتن پیش‌تنیده» روشی است برای برطرف کردن ضعف بتن در برابر کشش. از بتن پیش‌تنیده می‌توان برای ساخت تیرها، کف طبقات یا پل‌هایی با طول دهنه‌های زیاد که در عمل با بتن مسلح معمولی قابل ساخت نیستند، بهره برد. از تاندون‌های پیش‌تنیده (عموما کابل‌های فولادی کششی)، برای ایجاد بارهای مقاوم استفاده می‌شود. این بارهای مقاوم، با ایجاد تنش فشاری، سبب به وجود آمدن تعادل با تنش کششی شده که این تنش‌های کششی نیز در هنگام وارد آمدن بار خمشی در یک عضو فشاری بتنی ظاهر می‌شوند. این فرایند به وسیله رشته‌های فولادی، غلاف و … انجام شده و نیاز به ابزاری خاص دارد. روشهای پیش تنیدگی بتن شامل پیش تنیدگی به روش پیش کشیده و پیش تنیدگی به روش پس کشیده انجام می‌شوند. در بتن‌های مسلح معمولی، از میل‌گردهای فولادی در داخل بتن استفاده می‌شود.
سقف‌های بتنی پیش تنیده در ایران
سقف‌های بتن پیش تنیده به روش پس کشیده در سال ۱۳۸۱ برای اولین بار در ایران طراحی و اجرا گردید.در این مدت پروژه‌های زیادی با استفاده از این تکنیک طراحی و ساخته شد.در زمینه طراحی این نوع سازه‌ها در ایران باید گفت مهندس مجتبی هاشمی با تخصص طراحی انواع سازه‌های خاص و غیرمتعارف ، توانسته است طراحی‌های منحصربه فرد و بی‌بدیلی در زمینه استفاده از تکنیک پس کشیدگی در سقف سازه‌های مسکونی-اداری و تجاری داشته باشد.
سقف‌های بتنی پیش تنیده
این سیستم در مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، مورد ارزیابی قرار گرفته و کاربرد آن، در حیطه الزامات ارائه شده، مجاز می‌باشد.
چپ
وسط
مفهوم
بیش 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 تنش‌های ناشی از بارهای مرده و زنده در این عضو خنثی شده و در نتیجه مقاومت باربری آن افزایش پیدا می‌کند. هدف اصلی، محدود کردن تنش‌های کششی و ترک‌های ناشی از لنگر خمشی، تحت تاثیر بارهای وارده در آن عضو می‌باشد. بتن جسمی است مقاوم در مقابل فشار، ولیکن مقاومت آن در مقابل کشش بسیار کم می‌باشد، بنابراین می‌توان 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.
مفهوم پیش تنیدگی
کاربرد
پیش تنیده نمودن مقاطع بتنی از دیرباز از پل‌ها و اسکله‌ها کاربرد داشته و در سال‌ها ی اخیر استفاده از آن در سقف‌های دال تخت، با دهانه‌های بلند و خصوصا در سقف پارکینگ‌های طبقاتی و عموما اعضایی که تحت اثر خمش می‌باشند، توسعه یافته‌است.
عملکرد
در این سقف‌ها با بوجود آوردن نیروی اضافی فشاری در بتن، قسمتی از تنش‌های کششی بتن خنثی شده و در نتیجه سطح مقطع فشاری بتن افزایش می‌یابد. در این نوع سقف‌های، نیروی در بتن، توسط کشش کابل‌ها بعد از ریختن بتن و رسیدن بتن به مقاومت لازم، ایجاد می‌شود. این روش به صورت کارگاهی یا کارخانه‌ای قابل انجام است و با مخفف (TP) شناخته می‌شود. در اجرای سقف‌های TP ابتدا غلاف‌های فلزی جایگذاری می‌شوند. سپس، کابل‌ها درون غلاف قرار گرفته و پس از بتن ریزی و رسیدن بتن به مقاومت لازم، (میزانی ذکر شده در مدارک محاسباتی طرح) کشیده می‌شوند. در مرحله بعد به منظور محافظت کابل‌ها در برابر خوردگی و زنگ زدگی، گروت یا دوغاب سیمانی یا مواد پلیمری مانند انواع مناسب قیر یا گریس به درون غلاف‌ها تزریق می‌شود.
مزایا
در این سقف‌ها به دلیل افزایش سطح مقطع موثر فشاری بتن، ضخامت دال کاهش یافته و علاوه بر کاهش وزن امکان اجرای دهانه‌های بلند فراهم می‌شود از سوی دیگر با نمودن مقطع و کاهش یا حذف عمق ناحیه کششی بتن، ترک خوردگی و توسعه آن در مقطع بتنی، کاهش یا حذف شده و در نتیجه دوام مجموعه و مقاومت آن در محیط‌های خورنده افزایش میابد. در این سیستم به دلیل کاهش ضخامت سقف، علاوه بر کنترل تنش‌های خمشی و برشی و تغییر شکل‌ها، کنترل برش پانچ در محل اتصال دال به ستون نیز حایز اهمیت می‌باشد.
به‌طور کلی می‌توان را به صورت زیر برشمرد.
۱-نداشتن ترکهای دائمی
یکی از مهمترین خواص سازه‌های این نوع بتن نداشتن ترک‌های دائمی می‌باشد. این موضوع باعث دوام بیشتر این نوع سازه‌ها نسبت به سازه‌های بتنی و بتن آرمه می‌شود. این امر به خصوص در محیط‌هایی با گازها و زمین‌های خورنده و همچنین سازه‌های دریایی بسیار حائز اهمیت می‌باشد. برتری این نوع بتن نسبت به بتن آرمه در ساختمان تانکرهای آب و مخازن به جهت نداشتن ترک واضح است.
۲-وزن کمتر سازه
وزن سازه‌های به مراتب از وزن سازه‌های بتن آرمه معادل کمتر است. اولا چون از مقاومت تمام سطح مقطع بتن استفاده می‌شود، میزان بتن لازم کمتر است. ثانیا چون فولاد مصرفی دارای مقاومت زیادتری است، معمولا وزن فولاد لازم بین یک سوم تا یک پنجم وزن فولاد معمولی معادل می‌گردد.
۳-نداشتن خیز به سمت پایین
خیز به طرف پایین (deflection) تیرهای بتنی تحت اثر بارهای سرویس معمولا بسیار کم می‌باشد. زیرا قبل از وارد آمدن بارهای سرویس، تحت تاثیر نیروهای مقداری خیز به طرف بالا در تیر به وجود آمده‌است، که از شدت خیز به طرف پایین می‌کاهد.
۴-تست سازه قبل از بارگذاری
در سازه‌های بتن قبل از وارد آمدن بارهای سرویس، سازه به وسیله نیروی آن به شدت بارگذاری شده و بتن و فولاد تحت اثر تنش‌های زیادی قرار می‌گیرد، و این خود یک نوع امتحان از نظر مطمئن بودن بتن و فولاد می‌باشد.
۵-قابلیت انعطاف‌پذیری
با تغییر مقداری نیروی آن می‌توان سازه را صلب یا انعطاف‌پذیر کرد، بدون اینکه مقاومت نهایی آن تغییری بکند.
۶-اقتصادی بودن سازه
سازه‌های معمولا برای دهانه‌های بزرگ و بارهای سنگین اقتصادی‌تر از سازه‌های بتن آرمه می‌باشد.
۷-انعطاف‌پذیری در معماری
سازه‌های به دلیل حذف بعضی از ستون‌ها و پایه‌ها، امکان اجرای سازه با دهانه‌های بزرگتر را امکان‌پذیر ساخته و قابلیت سازه از نظر معماری را افزایش می‌دهد.
به عنوان مثال سطح هیپربولوئید (که از دوران هذلولی به وجود می‌آید) آن برای پوشش سقف ساختمان‌های صنعتی با دهانه‌های ۱۰ تا ۱۸ متر، سازه‌های فضایی و … از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه و از نظر آرشیتکتی بسیار زیبا می‌باشد.
وسط
معایب
تخریب این سیستم سقف به دلیل وجود میلگردهای آن بسیار پر خطر بوده و باید با روش‌های خاص توسط تیم فنی آموزش دیده، صورت گیرد.
از نکات حائز اهمیت در اعضای آن پس کشیده، مسئله افت و وادادگی کابل‌ها به دلایلی نظیر، کاهش اصطکاک بین کابل و غلاف، لغزش مهار انتهایی و فرورفتن گوه گیرداری در ابتدا و انتهای کابل، کهولت کرنش (relaxation) و شل شدگی فولاد، جمع شدگی بتن یا خزش و انقباض و آب رفتگی بتن به مرور زمان می‌باشد که لازم است به دقت محاسبه شده و مورد توجه قرار گیرد.
الزامات
در این سقف‌ها به منظور دست یافتن به یک طرح بهینه از لحاظ مقدار مصالح، وزن و هزینه، از بتن و فولادهای با مقاومت بالا استفاده می‌شود. در سقف‌های این نوع کشیده حداقل رده بتن باید c30 باشد.
در زمان اجرا، کنترل کیفیت مواردی نظیر محل و نحوه جایگذاری کابل‌ها، میزان نیروی پس کشیدگی، کفایت تزریق گروت در قلاف‌ها بسیار حائز اهمیت می‌باشد.
انقباض یا آب رفتگی بتن که به علت خروج آب از بتن به مرور زمان می‌باشد (shrink age)
افت ناشی از تغییر شکل نسبی الاستیک بتن
استفاده از سیستم سقف دال‌های تخت آن پس کشیده، در دهانه‌های بلندتر از ۷ متر توجیه اقتصادی دارد.
در استفاده از دال‌های تنیده پس کشیده به لحاظ بزرگ بودن دهانه‌ها و وجود نیروهای ثقلی قابل ملاحظه، در نظر گرفتن تمهیدات لازم به منظور کنترل برش سوراخ کننده (punch)بسیار حائز اهمیت می‌باشد.
نظر به اینکه سیستم سقف بتنی پیش تنیده پس کشیده عمدتا بصورت دال تخت کاربرد دارد، لذا بر اساس توصیه بند ۵-۸-۳-۲ آئین‌نامه ۲۸۰۰ ایران، در زمان استفاده از سیستم دالهای تخت و ستون، ارتفاع ساختمان به ۱۰ متر یا حداکثر ۳ طبقه محدود می‌شود. در غیر اینصورت استفاده از دیوارهای برشی بتن آرمه الزامی خواهد بود.
ضوابط طراحی و اجرای سیستم سقف بتنی پیش تنیده پس کشیده باید براساس آئین‌نامهACI 318 آئین‌نامه طرح و محاسبه قطعات بتن پیش تنیده موضوع نشریه شماره ۲۵۰ سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی کشور که بخش الحاقی آیین‌نامه بتن ایران(آبا) می‌باشد، انجام شود.
رعایت حداقل رده بتن مصرفی معادل 30 C در این سیستم الزامی است.
محافظت فولادهای پیش تنیدگی در برابر زنگ زدگی بسیار حائز اهمیت بوده و باید کابل‌ها توسط دوغاب سیمان که بعد از کشیدن کابل‌ها به داخل غلاف‌ها تزریق می‌شود یا مواد قیری یا گریس که روی آن می‌مالند از زنگ زدگی محافظت شوند.
نمودار بتن پیش‌تنیده
روشهای پیش تنیدگی
۱- بتن پیش تنیده پیش کشیده (Pre-tensioned concrete)
بتن پیش کشیده بتنی است که کابل‌های پیش تنیدگی آن قبل از ریختن بتن کشیده شده باشند. در بتن پیش کشیده کابل‌های داخل بتن به بتن چسبیده‌اند و در واقع کابل بدون غلاف داخل بتن جای می‌گیرد و بعد از اینکه بتن به مقاومت مشخصه رسید، کابل‌ها را از تکیه گاه‌های دو طرف آزاد کرده و قسمت اضافی بیرون مانده از بتن را قطع می‌نمایند. تمام نیروی پیش تنیدگی به‌طور کامل در طولی از کابل به بتن منتقل می‌شود که این طول انتقال، بستگی به نوع سطح فولاد، شکل مقطع و قطر آن دارد. همچنین مقاومت بتن نیز در آن موثر می‌باشد همانند تولید شمع‌ها و تیرهای پیش ساخته.
برای جلوگیری از وارد شدن ضربه به بتن در موقع انتقال نیروی پیش تنیدگی، باید این نیرو به‌طور 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 خاصیت‌های مهم بتن پیش کشیده این است که می‌توان چندین عضو یک شکل را در آن واحد بین دو تکیه گاه ریخته و پس از گرفتن بتن با قطع کردن کابل‌های مشترک، آنها را از هم جدا کرد. این کار از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه می‌باشد، زیرا عمل کشیدن کابل‌ها برای تمام عضوها فقط یکبار انجام می‌شود همانند تولید قطعات پیش ساخته Hallow-core که مراحل تولید به شکل زیر می‌باشد.
۲- بتن پیش تنیده پس کشیده (Post-tensioned concrete)
اگر فولاد پیش تنیدگی را بعد از گرفتن و سفت شدن بتن بکشند، بتن را اصطلاحا بتن پس کشیده می‌نامند. نیروی پیش تنیدگی توسط گیره‌های (anchorages) دو انتهای سازه از کابل به بتن منتقل می‌گردد. 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 غلاف‌ها یا مجراهایی که در داخل بتن یا خارج از آن تعبیه شده‌است، قرار داد.
کابل‌های پیش تنیدگی را می‌توان قبل یا بعد از بتن ریزی در داخل غلاف‌ها کار گذاشت. کابل‌ها به صورت یکی یکی به وسیله دستگاه کابل ردکن (strand pusher) یا به‌طور دسته‌ای بوسیله نیروی انسانی در داخل غلاف کار گذاشته می‌شود.
انواع بتن پیش تنیده پس کشیده
۱) با روش چسبنده (Bonded)
بعد از پایان عملیات کشش کابل‌ها، برای جلوگیری از زنگ زدن کابل‌ها، دوغاب سیمان به داخل غلاف‌ها تزریق می‌شود تا فاصله بین کابل و غلاف را پر کند. در این حالت چون کابل توسط دوغاب به غلاف و در نتیجه به بتن می‌چسبد، اصطلاحا این روش را چسبنده (Bonded) می‌نامند.
۲) با روش غیر چسبنده (Unbonded)
گاهی اوقات به دلائل خاصی از جمله ایجاد انعطاف‌پذیری 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) می‌نامند. در چنین مواقعی برای جلوگیری از زنگ زدن کابل، داخل غلاف و دور کابل را پر از گیریس می‌کنند. بعضی از کارخانه‌های کابل سازی، کابل‌هایی تولید می‌کنند که در داخل لوله‌های پلاستیک پر از گریس قرار دارد. این نوع کابل‌های فاقد چسبندگی را می‌توان مستقیما در داخل بتن کار گذاشت و بعد از کسب مقاومت از بتن، کابل‌ها را کشید که گریس مانع از چسبیدن کابل به غلاف پلاستیکی و در نتیجه به بتن می‌شود. در روش غیر چسبنده اگر به دلائلی کابل از داخل گیره‌ها در برود یا از هر نقطه پاره شود، نیروی پیش تنیدگی در آن مقطع از بین می‌رود.
اصولا مقاومت نهایی بتن پس کشیده چسبنده خیلی بیشتر از مقاومت نهایی بتن پس کشیده غیر چسبنده مشابه می‌باشد.
سازه پیش‌تنیده
دال با هسته توخالی
بتن مسلح