پیش تنیدگی (Prestressed)

 

 

  • تاریخچه (History)

    گرچه بتن در گذشته مدت‌های مديدی به‌عنوان مصالح ساختمانی به‌کار می‌رفت، اما به‌هيچ‌عنوان مصالح سازه‌ای مناسبی محسوب نشده و قابل رقابت با فولاد، سنگ و چوب نبود؛ چراکه برخلاف مقاومت فشاری بالا، در برابر تنش‌های کششی، بسيار ضعيف عمل می‌کند. به همین علت از بتن صرفاً به‌عنوان مصالح بنایی استفاده می‌شد. 

     

    بعدها مهندسين برای غلبه بر اين ضعف، ترکيبی از فولاد مسلح‌کننده و بتن که امکان مقاومت در برابر نيروهای کششی و فشاری را ايجاد می‌نمايد، به‌کار گرفتند. در آغاز، برای مسلح کردن بتن از آرماتور استفاده شد (بتن آرمه). ولی در ادامه، استفاده از تکنولوژی پيش‌تنيدگی، بتن را به يکی از کاراترین مصالح سازه‌ای تبديل نمود. ایده پیش‌تنیدگی در دهه اول قرن نوزدهم میلادی مطرح گردید و تحقیقات مختلفی بین سال‌های 1930 تا 1940 روی آن انجام گرفت. این روش عملاً از سال 1955 تا کنون در زمینه‌های مختلف سازه‌ای مورد استفاده بوده است.

  •  تئوری پيش‌تنيدگی (Theory of Prestressed)

    پیش تنیدگی عبارتست از ایجاد یک تنش ثابت دائمی و به اندازه لازم در یک عضو  بتنی بطوریکه در اثر این تنش مقداری از تنش های نا شی از بار مرده وزنده در این عضو خنثی گردد ودر نتیجه ظرفیت باربری عضو افزایش یابد. در واقع نیروی فشاری مورد نیاز در بتن پیش تنیده توسط کشش در فولاد با مقاومت بالا تولید می شود؛ فولاد می تواند قبل یا بعد از بتن ریزی کشیده شود. چنانچه فولاد قبل از بتن ریزی کشیده شود به آن پیش کشیده و چنانچه فولاد بعد از بتن ريزی کشیده شود به آن پس کشیده گفته می شود. بطور کلی عمل خنثی نمودن تنش ها ویا متعادل نمودن بارها را اساس طراحی اعضای پیش تنیده می توان دانست. اگر نیروی فشاری مشخصی رااز دوطرف به یک قطعه یا تیر وارد بیاوریم می توان تنش کششی رادرپائین عضوکاهش داد و یا به کلی آنرا خنثی نمود و تبدیل به تنش فشاری کرد که این اعمال نیرو تعادل بارهای خارجی می باشند.
    در سازه های بتن معمولی، اعضای بتنی ازقبیل تیرو ستون و دال سقف شامل بتن و آرماتور هستند که در این اعضا، بخشی از بتن تحت نیروهای فشاری و بخش دیگر آن به همراه آرماتور ، تحت نیروهای کششی قرارمی گیرند. در ناحیه فشاری، بتن به خوبی نیروها را تحمل می کند اما در ناحیه کششی ، ترک می خورد و عملاً کارایی خود را از دست می دهد و آرماتور به تنهایی نیروهای کششی را تحمل می نمایند در این حالت، بتن تنها نگهدارنده آرماتور است و بدون باربری به وزن سازه می افزاید. در طول اعضای خمشی هم تار تحتانی در کشش قرار می گیرد(روی تکیه گاه ) و هم تار فوقانی(وسط دهانه) در مقاطع پیش تنیده با جابجا کردن موقعیت کابل، مقدار و توزیع تنش فشاری قابل کنترل است.
    در سازه های پیش تنیده اعضای بتنی شامل بتن آرماتور و کابل های پیش تنیدگی می باشند در این اعضا آرماتورها برای جلوگیری از ایجاد ترکهای بزرگ در بتن(که عملا موجب شکست می شوند) و تامین الزامات حداقل مقرراتی که آیین نامه بتن ایران برای سازه های بتنی  مقرر داشته است استفاده می شوند و معمولاً بعنوان قطعات باربر مورد استفاده قرار نمی گیرند.بتن در این اعضا همچنان نقش باربری فشاری را عهده دار است با این تفاوت که بطور کامل تحت فشار قرار می گیرد و عملا تمام مصالح بتن بدون ایجاد ترک ، نیروهای فشاری را تحمل می کند. دلیل این امر استفاده از کابلهای پیش تنیدگی می باشد که کابلهای پیش تنیدگی وظیفه بوجود آمدن چنین وضعیتی راعهده دار هستند.( در زمان ساخت و قبل از بهره برداری از سازه). این کابلهای با ایجاد نیروی فشاری اولیه در ناحیه کششی بتن، موجب می شوند  بعد از آنکه بارهای مرده(از قبیل بار وسایل و کاربران) و زنده( از قبیل کف سازی ) در زمان بهره برداری از سازه بر سازه اعمال شدند این ناحیه تحت کشش قرار نگیرد و موجب ترک بتن و از دست رفتن کارایی بتن نشود  به این ترتیب، از حداکثر ظرفیت باربری بتن استفاده می شود و ابعاد و اندازه اعضا کاهش می یابد.

     

     پیش‌تنیدگی در تیرهای مفصل

     

     پیش‌تنیدگی در تیرها و دال‌های یکسره

     

  • روش‌های پيش‌تنيدگی (Prestressed Methods)

    اعمال نيروهای پيش‌تنيدگی به دو روش پيش‌کشيده یا پس‌کشيده صورت می‌گیرد. بدین معنی که عملیات کشش کابل‌ها می‌تواند پیش از بتن‌ریزی یا پس از بتن‌ریزی انجام شود.

    -در روش پيش‌کشيده ابتدا کابل‌ها روی بسترهای پيش‌ساخته در حد فاصل دو انتها کشيده می‌شوند. بعد از بتن‌ريزی و کسب مقاومت لازم، با بريدن آنها، نيروی کششی موجود به‌صورت فشاری به بتن منتقل می‌گردد. این روش در کارگاه‌ها یا کارخانه‌های تولید قطعات بتنی مورد استفاده است و معمولاً محصولات تولیدشده به‌صورت پیش‌ساخته می‌باشند.

    - در روش پس‌کشيده کابل‌ها (که داخل غلاف‌های محافظ هستند) در قطعه مورد نظر قرار می‌گیرند. سپس عملیات بتن‌ریزی انجام شده و پس از اين که بتن به مقاومت فشاری مورد نياز رسيد، کشيده و مهار می‌شوند. از این روش هم در ساخت قطعات پیش‌ساخته استفاده می‌شود و هم امکان اجرای آن به‌صورت درجا و در محل وجود دارد. کابل‌ها داخل قطعات پس‌کشیده به دو صورت چسبیده به غلاف و یا نچسبیده قرار می‌گیرند.

     

    سیستم چسبیده (Bonded):

    در این روش چند کابل داخل یک غلاف فلزی قرار می‌گیرند و معمولاً همگی به یک مهار انتهایی ختم می‌شوند. مجموعه این غلاف‌ها در محل‌های مناسب روی قالب نصب شده و پس از بتن‌ریزی و کسب مقاومت فشاری مورد نیاز، کشیده می‌شوند. برای ایجاد پیوند بین کابل و بتن، مواد پرکننده (گروت) داخل غلاف‌ها تزریق شده و به این ترتیب چسبندگی بین کابل و غلاف تأمین می‌گردد. آج‌های روی جداره‌ی غلاف نیز طوری طراحی شده‌اند تا درگیری مناسبی با بتن ایجاد کنند. بدین ترتیب بین کابل و بتن پیوند (Bond) قابل قبولی ایجاد می‌گردد. روش چسبيده بیشتر در مواردی استفاده می‌شود که نیاز به نیروی زیادی برای پیش‌تنیده کردن اعضا وجود داشته باشد. موارد زیر از کاربردهای این سیستم است:

    • پل‌های پیش‌تنیده
    • تیرهای پیش‌تنیده برای دهانه‌های بزرگ
    • صفحات انتقال بار (Transfer Plate)
    • فونداسیون‌های پیش‌تنیده

    کابل‌ها داخل غلاف فلزی قبل از بتن‌ریزی

     

    مهار انتهایی مدفون در بتن (Dead End) و لوله‌های تعبیه‌شده برای تزریق گروت بعد از بتن‌ریزی

     

     

    مهارهای انتهایی برای کشش(Live End)بعد از بتن‌ریزی

     

    سیستم نچسبیده (Unbonded):

    در این روش نيروی فشاری از طريق مهارهای انتهايی به بتن منتقل شده و کابل در طول خود پیوندی با بتن ندارد. برخلاف روش چسبیده، در این سیستم هر کابل داخل یک غلاف پلاستیکی قرار دارد و مستقیماً توسط یک مهار نگه داشته می‌شود. از آنجایی که نیازی به تأمین چسبندگی بین کابل و بتن وجود ندارد، عملیات تزریق گروت در این سیستم حذف می‌شود. روش نچسبيده بيشتر در مواردی استفاده می‌شود که اجزای بتنی دارای ضخامت کمی هستند و کارگذاری مهارهای انتهایی بزرگ‌تر که برای مهار چند رشته کابل استفاده می‌شوند، امکان‌پذیر نباشد. موارد زیر از کاربردهای این سیستم است:

    • دال‌های ساختمانی
    • دال‌های روی زمین (Slab On Ground)

    نصب مهارهای انتهایی قبل از بتن‌ریزی

     

    کابل‌های پس‌کشیدگی روی سقف به‌همراه انحنای مورد نظر قبل از بتن‌ریزی

     

    مهارهای انتهایی برای کشش(Live End) بعد از بتن‌ریزی

     

    سیستم نچسبیدهسیستم چسبیده
    • امکان ایجاد خروج از مرکزیت بیشتر برای کابل‌ها وجود دارد.
    • افت کمتری در نیروی پیش‌تنیدگی وجود دارد.
    • نیازی به تزریق گروت ندارد.
    • سرعت اجرای بالاتری دارد.
    • ارزان‌تر است.

    • مقاومت مقطع در حالت حدی نهایی بیشتر است.
    • بعد از تزریق گروت نیروی پیش‌تنیدگی مستقل از مهار انتهایی می‌باشد.

     

  • مصالح و تجهیزات پیش تنیدگی (Prestressed Materials & Equipments)

    مصالح پيش تنيدگي در دو قالب اصلي کابل پيش تنيدگي و مهار انتهايي تقسيم بندي مي شود. براي کشش کابل ها نيز از جک و پمپ هاي هيدروليکی استفاده مي شود. در ادامه به معرفي مصالح و تجهيزات پيش تنيدگي پرداخته شده است.

    •  کابل پیش تنیدگی (PC Strand) :

      در حال حاضر مرسوم ترین شکل برای استفاده از فولاد پیش تنیدگی، کابل های پیش تنیدگی هفت رشته ای است. این کابل ها مطابق استاندارد آمریکایی ASTM A416 در دو رده 250 و 270 استفاده می شوند. مقاومت نهایی کابل های رده 250 برابر 1725 و رده 270 برابر 1860 کیلوگرم بر سانتی متر مربع می باشد. کلبا های پیش تنیدگی در دو دسته تنش زدایی شده (Stress Relieved) و با وادادگی کم (Low Relaxation ) تولید می شوند. کابل های با وادادگی کم پس از کشش و در دراز مدت افت کمتری دارند. در حال حاضر این کابل ها به صورت معمول در کارها استفاده می شوند و کابل های تنش زدایی شده صرفا در موارد خاص کاربرد دارند.


      PC Strand ASTM A416 

       

      مطابق استاندارد آمریکایی کابل های رده 250 در شش قطر 6/35، 7/94، 9/53، 11/11، 12/70، 15/24 میلی متر و کابل های رده 270 در چهار سایز 9/53، 11/11، 12/70، 15/24 میلی متر تولید می شوند. به صورت معمول یک دسته کابل می تواند از 1 تا 50 رشته کابل داشته باشد. کابل های پیش تنیدگی با جک های هیدرولیکی کشیده شده و توسط گوه های فولادی در مهارهای انتهایی، گرفته می شوند. همچنین کابل ها به صورت قرقره هایی (کویل) در وزن های 2 تا 3 تن بسته بندی می شوند.

       


      استراند روکش دار 

       

      کویل کابل پیش تنیدگی

       

      کابل پیش تنیدگی


    •  ست مهار انتهایی (Anchor & Wedge Set) :

      مهار شدن کابل پیش تنیدگی داخل قطعه بتنی معمولا به یکی از روش های زیر صورت می گیرد:
      - مهار کردن با تکیه بر عملکرد گوه و اتصال اصطکاکی آن به کابل
      - پرچ کردن انکوریج به انتهای کابل ( مهارهای دکمه ای)
      - پیازی کردن یا افشان کردن کابل داخل بتن ( بدون نیاز به مهار انتهایی)
      سیستم های مهار انتهایی زیادی بر اساس روش اول و دوم یا بر مبنای عملکرد گوه ای یا مهارهای دکمه ای گسترش پیدا کرده اند. در مورد مزایای هرکدام از این سیستم هانسبت به همدیگر، بیش از توجه به اصول حاکم بر عملکرد آنها باید به شکل کاربردی آنها توجه نمود. روش سوم علی رغم عدم استفاده از مهار انتهایی و مزایای قابل توجه در قیاس با سایر روش ها، کاربرد زیادی پیدا نکرده است. در میان سه نوع مهاری اشاره شده، مهارهایی که بر عملکرد گوه ای استوار هستند توسعه بیشتری پیدا کرده اند. در این نوع مهار انتهایی، قطعه مخروطی شکلی وجود دارد که کابل از داخل آن عبور کرده و در انتها به صفحه ای متکی بر مخروط ختم می شوند.
      کابل ها روی این صفحه توسط گوه هایی مهار می شوند که شکل مخروطی و شیار داخلی آنها باعث نگه داشتن کابل ها می شود. قطعه مخروطی شکل مهار انتهایی داخل قطعه بتنی مدفون می شود. معمولا موفقیت قرارگیری مهار انتهایی، لبه قطعی بتنی یا در صورت نیاز کمی عقب تر خواهد بود. این مکانیزم سبب انتقال نیروی پیش تنیدگی به قطعه بتنی خواهد شد.  

       


      ست مهار انتهایی (سیستم نچسبیده) 

       

       نحوه قرارگیری ست مهار انتهایی (سیستم نچسبیده)

       

      ست مهار انتهایی (سیستم چسبیده)


       نحوه قرارگیری ست مهار انتهایی (سیستم چسبیده)


    • جک و پمپ پیش تنیدگی (Prestressed Jack & Pump) :

      در سیستم های پس کشیده و پیش گشیده برای کشش فولاد پیش تنیده از جک و پمپ استفاده می شود. در قطعات پس کشیده جک ها به روی بتن سخت شده قرار می گیرند تا با استفاده از عکس العمل ایجاد شده فولاد را تحت کشش قرار دهند. در سیستم های پیش کشیده جک ها روی قالب یا دیواره دور قالب قرار گرفته و به آنها تکیه می کنند. به علت سادگی در نحوه استفاده، جک های هیدرولیکی کاربرد بیشتری نسبت به جک های دستی یا جک های برقی دارند. معمولا از جک های دستی زمانی استفاده می شود که مقدار کمی نیروی پیش تنیدگی مورد نیاز است. جک ها معمولا از یک یا دو پیستون تشکیل شده که به یک پمپ هیدرولیکی و شیر کنترل کننده متصل شده اند. بازوها دارای ظرفیت های متفاوتی در محدوده 3 الی 1000 تن هستند.

       

       


      جک و پمپ 

       

  • مراحل اجرای دال های پس کشیده با روش نچسبیده (Construction's Steps of P.T Slab) :
    • قالب‌بندی:
      مشابه دال بتنی معمولی (بتن آرمه)، قالب‌بندی سقف انجام می‌شود.

       

       

    • آرماتوربندی :
      حجم آرماتوربندی در مقایسه با دال بتن‌آرمه بسیار کمتر است. آرماتورهای مورد نیاز شامل کلاف‌های کناری، آرماتورهای تقویتی روی ستون‌ها و دیوارها، آرماتورهای مربوط به برش پانج، اطراف بازشوها و... در این مرحله روی سقف نصب می‌شوند. عملاً آرماتوربندی به‌صورت شبکه فوقانی و تحتانی در این روش وجود ندارد.

       

       

    • نصب کابل‌ها و مهارهای انتهايی :
      با توجه به نقشه‌های اجرای، کابل‌ها روی قالب قرار می‌گیرند و مهارهای انتهایی به لبه قالب متصل می‌شوند. معمولاً کابل‌ها در دو جهت عمود بر هم روی سقف قرار می‌گیرند. تعداد و فاصله کابل‌ها تابع طول دهانه و بار روی دال می‌باشد. در حالت معمول، در یک جهت، کابل‌ها به‌صورت متمرکز روی نوارهای ستونی قرار می‌گیرند (Banded Tendons) و در جهت دیگر با فاصله‌های یکنواخت حدود 50/1 متری توزیع می‌گردند (Distributed Tendons).

       

    •  نصب Chairها و تأمین پروفیل کابل‌ها :
      همان‌طور که در ابتدا اشاره شد، برای استفاده بهینه از نیروی پیش‌تنیدگی، موقعیت کابل نسبت به تار خنثی در طول دال تغییر می‌کند. معمولاً روی نقاط تکیه‌گاهی کابل‌ها به تار فوقانی، و در وسط دهانه به تار تحتانی نزدیک می‌شوند. به این انحنا اصطلاحاً پروفیل (Profile) می‌گویند. جهت تأمین این پروفیل، Chairهای در اندازه‌های متفاوت با فاصله‌های مشخص قرار داده می‌شوند و کابل روی آنها قرار می‌گیرد. به‌این‌ترتیب پروفیل مورد نظر تأمین می‌گردد.

       

    •  بتن ریزی :
      بعد از بستن آرماتورها و قرارگیری کابل‌ها روی سقف، بتن ریزی انجام می‌شود. در این مرحله باید در مورد ویبره زدن اطراف مهارهای انتهایی دقت کافی به خرج داد.

       

    • عملیات کشش :
      بعد از اینکه بتن به مقاومت فشاری مورد نیاز رسید، می‌توان عملیات کشش کابل‌ها را آغاز نمود. هر کابل از یک طرف یا از هر دو طرف (بسته به نیاز) کشیده می‌شود. میزان افزایش طول هر کابل با توجه به طول و پروفیل آن محاسبه شده و پس از کشش نیز اندازه‌گیری می‌شود. بدین ترتیب صحت اجرای عملیات کنترل می‌گردد.

       

       

  • مزایای سیستم پیش تنیدگی (Prestressed System Advantages)
    • دهانه بزرگتر :
      با استفاده از تکنولوژی پیش‌تنیدگی امکان ایجاد دهانه‌های بزرگ‌تر در سازه وجود دارد. محدودیت‌هایی که روش‌های دیگر در پوشاندن دهانه‌های بزرگ با آن مواجه هستند در این سیستم منتفی است. این مزیت قابلیت‌های گسترده‌تری را در اختیار طرح معماری جهت استفاده مناسب از فضا قرار می‌دهد.

       

       

    • ضخامت دال کمتر :
      با توجه به تحت فشار بودن بتن و وجود انحنا در کابل‌ها، امکان پوشاندن دهانه‌ با ضخامت کمتر نسبت به دال‌های بتن آرمه معمولی و یا سایر سیستم‌های رایج فراهم می‌گردد.

       

       

    • حذف تیرها :
      از آنجایی که در این سیستم امکان حذف تیرها و آویزها وجود دارد، می‌توان سطح زیرین تخت را در اختیار طرح معماری قرار داد. در نتیجه عبور کانال‌های تأسیساتی با سهولت امکان‌پذیر می‌باشد. به‌علاوه، تیغه‌بندی و پارتیشن‌بندی نیز بدون محدودیت قابل اجراست.

       

       

    • ارتفاع کمتر کف تا کف و کاهش ارتفاع کل ساختمان :
      با توجه به کاهش ضخامت دال و حذف آویز تیرها، می‌توان ارتفاع کف تا کف طبقات را کاهش داد. این امر باعث کاهش ارتفاع ساختمان و کاهش مصالح مصرفی در ستون، دیوار، تیغه‌بندی و... می‌گردد. همچنین در ارتفاع ثابت می‌توان از تعداد طبقات بیشتری استفاده کرد. این امر به‌خصوص در ساختمان‌های بلندمرتبه که با توجه به قوانین موجود محدودیت ارتفاع دارند، حایز اهمیت است.

       

       

    • کنترل ترک و دوام بیشتر :
      نیروی پیش‌تنیدگی باعث اعمال فشار دائمی به دال‌های پیش‌تنیده می‌گردد و سقف‌ها همواره تحت فشار خواهند بود. لذا ترک‌های موجود در این سیستم به حداقل می‌رسد. کاهش ترک، باعث افزایش مقطع مؤثر بتن خواهد شد؛ درحالی‌که در اعضای بتن آرمه معمولی به‌واسطه ترک‌خوردگی، مقطع مؤثر بتن تحت بارهای بهره‌برداری کاهش می‌یابد. به‌علاوه، کاهش ترک، مانع نفوذ مواد خورنده به بتن شده و خوردگی فولاد کمتر می‌شود. به‌عبارت دیگر دوام سازه افزایش می‌‌یابد.

       

       

    • امکان ستون‌گذاری نامنظم :
      با استفاده از تکنولوژی پیش‌تنیدگی امکان ایجاد دهانه‌های برخلاف سازه‌های بتنی معمولی که ستون‌گذاری معمولاً از آکس‌بندی منظم پیروی می‌کند، در این سیستم، امکان ستون‌گذاری به‌صورت نامنظم وجود دارد که در طرح‌های معماری حائز اهمیت است.

       

    • امکان ایجاد بازشوهای بزرگ و نامنظم در سقف :
      با توجه به انعطاف‌پذیری کابل‌ها، امکان ایجاد بازشوهای بزرگ و نامنظم روی سقف وجود دارد. در این سیستم نیاز به تعبیه تیر اطراف بازشوها نمی‌باشد.

       

       

    • افزايش سرعت اجرا :
      با توجه به حذف تیرهای میانی و آرماتوربندی دال‌ها، زمان اجرای یک سقف پیش‌تنیده بسیار کمتر از یک دال بتنی معمولی خواهد بود. به‌علاوه، عدم وجود تیرها، سرعت اجرای قالب‌بندی را نیز افزایش می‌دهد. از طرف دیگر بعد از اجرای عملیات کشش، سقف بدون وجود قالب و شمع بندی، خود‌ایستا خواهد بود و می‌توان قالب‌ها را در مدت زمان کوتاه‌تری باز کرد. به‌صورت عمومی، زمان اجرای یک دال پیش‌تنیده حدود 30% سریع‌تر از دال بتن آرمه معمولی می‌باشد.

       

       

    • کاهش وزن ساختمان :
      با توجه به کاهش ضخامت دال و حذف تیرها، وزن کلی ساختمان نیز کاهش می‌یابد. این امر باعث کم شدن ابعاد و اندازه سایر اجزای سازه‌ای خواهد شد.

    • بهبود عملکرد لرزه‌ای :
      سیستم دال بتنی نسبت به سایر سیستم‌های پوشش سقف دیافراگم یکپارچه‌تری تشکیل می‌دهد که باعث بهبود عملکرد لرزه‌ای ساختمان می‌گردد.

    • کاهش هزینه‌ها:
      کاهش ضخامت دال، کاهش تعداد ستون‌ها، حذف تیرها و... باعث صرفه‌جویی قابل توجهی در بتن و فولاد مصرفی خواهد شد. به‌علاوه، کاهش عملیات قالب‌بندی و آرماتوربندی نیز باعث کاهش هزینه‌های اجرای می‌‌گردد. سرعت اجرای بیشتر نیز کاهش هزینه تجهیزات و نیروی انسانی را در پی خواهد داشت. روی‌هم‌رفته ساختمان‌هایی که در آنها از سیستم دال پس‌کشیده استفاده می‌شود حدود 10 تا 20 درصد نسبت به ساختمان‌های بتن آرمه ارزان‌تر خواهد بود.