بتن پیش تنیده چیست و چه ویژگی‌ هایی دارد؟

امروزه پیشرفت تکنولوژی و فناوری های نوین جای خود را در تمام علوم و صنایع مختلف پیدا کرده است. صنعت ساختمان نیز مانند تمامی صنایع دیگر از این پیشرفت‌ها مستثنی نیست. امروزه ساخت ساختمان هایی با اسکلت بتنی به دلیل در دسترس بودن مصالح و همچنین سرعت بالای انجام کار، طیف وسیعی از ساخت و سازها را در سراسر دنیا تشکیل می دهد. بتن پیش تنیده یکی از انواع بت است که در این مقاله قصد داریم درباره آن صحبت کنیم.

تاریخچه بتن پیش تنیده

روش بتن پیش تنیده در سال ۱۸۸۶ میلادی توسط دانشمند اروپایی جکسون در در ایالت سان فرانسیسکو مطرح شد. اگرچه تا ۵۰ سال بعد همچنان به عنوان یک مصالح ساختاری مورد قبول و پذیرپش بسیاری قرار نگرفت اما با وقوع جنگ جهانی و کمبود مصالح ساختمانی از جمله فولاد، علاقه نسبت به استفاده از این فناوری جدید روز به روز گسترش پیدا کرد.

بتن پیش تنیده از جمله سیستم هایی است که طی چند سال اخیر مورد توجه مهندسان و کارفرمایان  قرار گرفته است. بتن پیش تنیده به مهندسان عمران این اجازه را می دهد که یک تنش از پیش تعیین شده در عضو ایجاد کرده تا این عضو بتواند در مقابل تنش‌های ایجاد شده ناشی از بارگذاری  در هنگام برپایی ساختمان از خود مقاومت بیشتری نشان دهد. در این حالت ترکیبی از حداکثر مقاومت فشاری بتن و حداکثر مقاومت کششی فولاد در تعیین تنش مدنظر قرار می گیرد.

مقایسه بتن آرمه و بتن پیش تنیده

در سازه های بتن آرمه معمول تنش های ایجاد شده در اثر بارگذاری در سازه توسط میلگردهای فولادی تحمل می شود، اما در بتن پیش تنیده ساز و کار گسترش تنش‌ها در اعضا باعث افزایش مقاومت و پایداری عضو است.

در دهه کنونی با توجه به گسترش زمین لرزه ها و عوامل انسانی توجه به بارهای ضربه و لرزه در طراحی ساختمان و آنالیزهای سازه بیش از پیش احساس می‌شود.

توجه به این ویژگی علی الخصوص در سازه‌های خاص مانند پل‌ها، نیروگاه‌ها، بیمارستان ها و ساختمان‌های حیاتی و دارای کاربری خاص این امکان را به مهندسان عمران می دهد که از مقاطع کوچکتر و معادل که ظرفیت بالاتری نسبت به مقاطع معمولی دارند در ساخت ساختمان های با ارتفاع زیاد و لاغر استفاده شود.

کاربرد بتن پیش تنیده

بیشترین استفاده از بتن پیش تنیده در سازه های پل، منابع آب، سقف ها وبزرگراه هاست. بطور کلی از بتن پیش تنیده در ساخت ستون ها ودیوارها استفاده نمی‌گردد ولی بعنوان یک روش اقتصادی برای ساخت ستون ها همچنین دیوارهای باربر دارای تنش خمشی  پیشنهاد میشود.

استفاده از بتن های مسلح معمولی در دهانه‌های اجرایی تا حدود ۶ متر قابل قبول بوده و از لحاظ اقتصادی نتیجه مطلوبی دارد. اما دردهانه‌های بزرگتر( ۹متر و بیشتر ) این بتن پیش تنیده است که با اقتصاد پروژه سازگاری بیشتری دارد.

در دهانه های بین ۶ تا ۹ متر باید هر دو روش مدنظر قرار گرفته و با توجه به ویژگی های پروژه و الزامات اجرایی دیگر  مناسب ترین روش انتخاب شود.

روش های اجرایی بتن پیش تنیده:

این فناوری  می تواند بصورت پیش کشیدگی یا با استفاده از پس کشیدگی مورد استفاده قرار گیرد.

فولاد مورد استفاده در این روش به شکل کابل وتندون است که رشته کلاف های فولادی را تشکیل می دهند. همچنین در مواردی که در بخش های بعد به آن اشاره خواهیم کرد از میله های فولادی نیز می توان به عنوان جایگزین این رشته ها استفاده کرد. مفتول ها به روش کشش سرد و با اسفاده از فولاد آلیاژی با کربن بالا طراحی شده اند.

قطر مفتول بطور معمول بین ۳-۷میلی متر و بصورت گرد و فشرده هستند تا بتواند استحکام بیشتری را از خود نشان دهد. در روش دیگر از بهم پیوستن تعدادی مفتول (که  از رشته های بهم پیچیده تشکیل شده) که به دور یک مفتول مرکزی پیچیده شده، استفاده می شود.

در این روش از دسته مفتول های ۷ تایی یا ۱۹ تایی بدین صورت که یک سیم در مرکز و بقیه به دور آن تنیده و پیچیده می شوند. دقیقا مشابه مفتول ها از کابل نیز به همین شیوه می توان استفاده کرد.

پیش کشیدگی(Pre-tentioned Concret)

در این روش برای ایجاد پیش کشیدگی، مفتول ها را در یک تکیه گاه فولادی محکم کرده و تا طول حداکثر ۱۲۰ متر پیش کشیدگی بوجود می آید. یک جک هیدرولیکی تنش های مورد انتظار برای ایجاد پیش کشیدگی را بوجود می آورد.

معمولا ۱۰ درصد بیشتر از مقدار مورد انتظار را بعنوان خزش و کرنش اضافی نیز نظر می گیرند. پس از ایجادتنش ها قالب ها در اطراف مفتول ها قرار گرقته و بتن ریخته می شود.

اجرای بتن به روش پیش کشیدگی

پس از بتن ریزی بتن شروع به سفت شدن کرده و یک بتن مسلح قوی بوجود می آید. نیروی مورد نیاز برای ایجاد نیروی فشاری اضافی در بتن توسط جک ها و توسط مفتول ها اعمال می شود. پس از رسیدن بتن به یک مقاومت مطلوب و از پیش تعیین شده کابل های پیش تنیده از جک های هیدروبیکی آزاد می شود.

مقاومت مطلوب  بتن( ۲۸ نیوتون بر میلی متر مربع) میتواند توسط عمل آوری بوسیله بخار  و یا با استفاده از مواد افزودنی طی ۲۴ ساعت بوجود آید. همچنین برای ایجاد اعضا به طول کمتر می توان از صفحات جداکننده در طول عضو استفاده کرد وکابل ها را از محل صفحات قطع نمود.

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.

مزایای روش پیش کشیدگی

یکی از مزیت های اجرایی روش پیش کشیدگی این است که می توان همزمان در محل اجرا چند عضو یک شکل همزمان با هم ریخته شود و پس از سفت شدن بتن وقطع کابل از یکدیگر جدا شود.

این روش از نظر احرایی بسیار مقرون بصرفه است زیرا عمل کشیدن کابل ها توسط جک هیدرولیکی بصورت همزمان و یکبار انجام می شود.در شکل زیر یک نمونه اجرایی پیش از بتن ریزی نمایش داده شده است.

روش پس کشیده(Post-tentioned Concret)

در این روش برعکس سیستم پیش کشیدگی، ایجاد تنش زمانی اتفاق می افتد که بتن دچار سخت شدگی شده و به مقاومت خود رسیده باشد.

چه زمانی از روش پس کشیدگی استفاده می‌شود؟

این روش زمانی استفاده می شود که در محل انجام پروژه پس از سفت شدن بتن تنش های اضافی  اعمال شود و یا هنگامی که از قطعات بتن پیش ساخته استفاده شده و بخواهیم در محل پروژه  آن ها را به یکدیگر متصل کنیم.

کابل ها و سیم ها می توانند قبل از بتن ریزی در محل قالب ها قرار گیرند اما، فولاد پیش تنیدگی نباید قبل از بتن ریزی به بتن چسبیده باشد در غیر این صورت امکان عمل پس کشیدگی وجود ندارد.

اجرای بتن به روش پس کشیدگی

برای این منظور به وسیله یک داکت یا غلاف لاستیکی انعطاف پذیر از برای جلوگیری از اتصال مستقیم با بتن استفاده می شود. 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.به این نکته توجه کنیم که پس از بتن ریزی وهنگام سخت شدن بتن این غلاف و داکت ها از بین می رود.

روش ایجاد تنش

تنش های پسماند پس از عمل آوری بتن به وسیله جک های هیدرولیکی که در یک یا دو انتهای عضو نصب می شوند در کابل ها ایجاد می شود. ایجاد پیش تنیدگی در کابل ها سبب ایجاد تنش های موضعی در محل تکیه گاه ها میشود.

برای مقابله با این موضوع سیم ها و کابل ها به صورت مارپیچ در هم تنیده شده و یک مقاومت مارپیچ در طرح ایجاد می شود. پس از ایجاد تنش های مورد نظر،کابل ها برا حفظ تنش ها محکم می شوند. انتهای هر عضو که عمل پیش تنیدگی در آن بوجود آمده برای جلوگیری از خرابی در اثر رطوبت و کمک به توزیع تنش بوسیله ملات سیمان پر می شوند.

برای اینکه هنگام بتن ریزی و تا لحظه قطع کردن فولادهای پیش تنیده، تا جایی که امکان دارد تنش در تندون ها تقریبا ثابت نگه داشته شود باید تندون ها را کشیده و به تکیه گاه مخصوص اتصال داد. نوع تکیه گاه مخصوص بسته به اینکه تندون ها به صورت تکی یا جداگانه تحت تنش هستند بستگی دارد. اکثر سیستم ها به صورت گوه مخروطی شکل و یا فک هستند.

 مزایا و معایب استفاده از بتن پیش تنیده

مزایای بتن پیش تنیده

• یکی از ویژگی ها و در واقع ویژگی بارز این سیستم استفاده حداکثر و بهینه از مقاومت فشاری ذاتی بتن است. همچنین از حداکثر  ظرفیت کابل و مفتول های آلیاژی در بتن پیش تنیده استفاده می شود.
• از دیگر مزایای این روش از بین رفتن ترک های کششی و دائمی در بتن است.این ویژگی بخصوص در مناطق دارای خوردگی (مناطق ساحلی و مناطق دارای گازهای خورنده) سبب افزایش دوام و پایداری سازه نسبت به بتن آرمه معمولی می شود.
• نداشتن خیز به سمت پایین خیز به طرف پایین (deflection) تیرهای بتنی تحت اثر بارهای سرویس معمولاً بسیار کم ماست. زیرا قبل از وارد آمدن بارهای سرویس، تحت تاثیر نیروهای مقداری خیز به طرف بالا در تیر به وجود آمده است، که از شدت خیز به طرف پایین می‌کاهد. برای هردهانه وشرایط بارگذاری استفاده از بتن پیش تنیده باعث کاهش قابل توجه وزن سازه و کوچکتر شدن مقطع شده و درنتیجه از لحاظ اقتصادی نیز در مصرف بتن صرفه جویی می شود. اعضا کامپوزیت را نیز میتوان از به هم پیوستن اجزا بتنی به یکدیگر تشکیل داد.

معایب بتن پیش تنیده

در مجوع شاید بتوان دو نقطه ضعف مهم این روش را قیمت بالای تمام شده ونیروی کار ماهر آن دانست.

• یکی از معایب بتن پیش تنیده استفاده از نیروی کار ماهر وهمچنین سیستم کنترل بسیار دقیق است.
• در بتن پیش تنیده از فولادهای آلیاژی به جای فولاد معمولی استفاده می شود. بطبع هزینه فولاد آلیاژی نسبت به فولاد معمولی بسیار بالاست.
• همچنین تجهیزات گران قیمت و سیستم ایمنی بالایی برای برپایی و اجرای آن نیاز است.

سخن آخر

بتن پیش تنیده یکی ازانواع بتن است که در ساخت و ساز از آن استفاده می‌شود و دانشجویان و مهندسان عمران باید به خوبی با این بتن، ویژگی‌ها، کاربرد مزایا و معایب آن آشنا باشند. در این مقاله از خط مهندسی سعی کردیم اطلاعاتی در اختیار شما کاربران عزیز درباره این بتن قرار دهم. امیدواریم این مقاله برای شما مفید واقع شده باشد.