بتن پیش تنیده و کاربرد پیش تنیدگی

مفهوم بتن پیش تنیده

در این مقاله به طور مفصل درباره بتن پیش تنیده (Prestressed Concrete) و کاربرد پیش تنیدگی(Prestressing) صحبت خواهیم کرد. برای درک بهتر مفهوم بتن پیش تنیده باید گفت از آنجا که بتن در برابر فشار مقاوم بوده ولی در مقابله با کشش ضعیف می باشد شیوه جبران این ضعف، پیش تنیده کردن بتن می باشد که مقاومت بتن را در برابر کشش به خوبی افزایش می دهد. امروزه بتن پیش تنیده کاربرد بسیار زیادی در صنعت ساخت و ساز دارد.

پیش تنیدگی چست؟

برای پیش تنیده کردن بتن یک نیروی فشاری توسط کابل‌ها از دو طرف به بتن وارد می شود که باعث کاهش تنش کششی در آن عضو شده و یا به طور کلی آن را حذف می کند. با انجام این عمل یک تنش دائمی و ثابت به اندازه لازم در بتن ایجاد می شود که به موجب آن مقاومت باربری عضو افزایش پیدا کرده و ترک های ناشی از لنگر خمشی نیز کاهش یافته و یا به کلی از بین می‌روند؛ همچنین مقاومت کششی سازه نیز افزایش پیدا می‌کند.

تفاوت بتن پیش تنیده و بتن مسلح

از آنجا که در بتن پیش تنیده مواد مصرفی فولاد و بتن تحت تنش بیشتری قرار دارند لذا برای تهیه بتن پیش تنیده از مصالح با مقاومت بیشتری استفاده می شود و آلیاژ فولاد ها متفاوت تر از فولاد استفاده شده در بتن مسطح می باشد. در مقایسه با بتن مسلح معمولی، بتن پیش تنیده برای بارهای سنگین مورد استفاده بیشتری واقع می‌شود. وزن ساختمان‌های درست شده از سازه های بتن پیش تنیده نسبت به ساختمان‌های مسلح در موارد مشابه کمتر بوده و مقدار بتن و فولاد مصرف شده در این حالت نیز کمتر می باشد زیرا در ساختمان‌های پیش تنیده از مقاومت تمام سطح مقطع بتن استفاده می‌شود.

تاریخچه استفاده از بتن پیش تنیده

کاربرد مصالح و سازه های بتن پیش تنیده در ساخت و ساز مبحث نسبتا تازه ای می باشد. در گذشته به این دلیل که برای تهیه بتن از فولاد با مقاومت کمتری استفاده می شد که این امر باعث کاهش نیروی پیش تنیدگی بود، زیاد رایج نبود. اما در قرن بیستم میلادی برای اولین بار مهندسی فرانسوی برای تهیه بتن پش تنیده از فولاد با مقاومت بالاتری استفاده کرد که نتیجه مطلوبی به دست آورد. و از آن زمان به بعد بتن پیش تنیده گستردگی بیشتری پیدا کرده و استفاده از آن رو به رشد می باشد بتن پیش تنیده معمولا به صورت تیرچه کاربرد بسیار زیادی دارد.

فولاد و مفتول پیش تنیده

فولادهای استفاده شده در تهیه بتن و سازه‌های پیش تنیده با آلیاژهای متفاوتی از دیگر فولاد ها درست می شوند تا مقاومت لازم برای استفاده در تهیه بتن و سازه پیش تنیده را داشته باشند. فولاد‌های پیش تنیده بصورت سیم، رشته، کابل و میله درست می شوند و معمولا قطر کمتری همراه با سطح تماس خارجی بزرگتر دارند تا خاصیت چسبندگی با بتن بهتر باشد. مهمترین خاصیت و مشخصات فیزیکی فولاد‌های پیش تنیده بصورت زیر می باشد:

• داشتن مقامت لازم در مقابله با زنگ زدگی
• داشتن مقاومت کششی بالا به منظور امکان تنش زیاد در فولاد
• داشتن خاصیت خمیری برای تنش های بسیار بالا
• داشتن خاصیت ارتجاعی برای تنش های بسیار بالا
• داشتن ضریب ارتجاعی بالا بعد از چسبیدن به تندان ها به منظور بالا رفتن سختی سازه و عضو
• داشتن ضریب ارتجاعی پایین به هنگام کشش فولاد به منظور به حداقل رسیدن اتلاف تنش
• کم بودن اتلاف تنش ناشی از خزش و سستی

مزایای بتن پیش تنیده

انعطاف پذیر بودن سازه پیش تنیده

در بتن پیش تنیده بدون تغییر دادن مقاومت نهایی آن می توان سازه را با تغییر دادن مقداری از نیروی پیش تنیدگی انعطاف پذیر کرد. این انعطاف پذیری سازه بتن پیش تنیده در معماری هم قابل اجراست هم چنان که با حذف بعضی از ستون ها و پایه ها امکان اجرای سازه با دهانه بزرگتر را فراهم می کند

نداشتن ترک های بتنی و خیز به طرف پایین در سازه پیش تنیده

از خاصیت های مهم بتن پیش تنیده نداشتن ترک های دائمی می باشد که باعث دوام بیشتر سازه پیش تنیده در مقایسه با سازه های بتنی می شود و این کار به خصوص در محیطی با زمین خورنده و سازه های دریایی اهمیت بیشتری دارد. همچنین در بتن پیش تنیده از شدت خیز به سمت پایین کاسته می شود که آن هم بدلیل داشتن خیز به طرف بالا تحت تاثیر نیروی پیش تنیدگی قبل از وارد آمدن بار بر آن می باشد

از دیگر مزایای بتن پیش تنیده می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سرعت اجرای بالا
• قابلیت اجرا در دهانه‌های بالاتر تا ۹ متر
• داشتن زیبایی از منظر طراحی و معماری
• داشتن مقاومت عالی در برابر زلزله و خورندگی
• کاهش استفاده از جک‌ها با زیاد شدن فاصله آن‌ها در زیر تیرچه‌ها
• سبک‌تر شدن سقف در مقایسه با موارد مشابه
• قابلیت کنترل کیفیت مداوم سازه در آزمایشگاه به دلیل پیش ساخته بودن آن
• قابلیت اجرا در شرایط گوناگون جوی
• کیفیت بالاتر به دلیل استفاده از مواد و مصالح اولیه با کیفیت
• ایجاد سهولت و انعطاف در پلن‌ها
• کاهش تعداد طبقات ساختمان و ارتفاع کل آن
• امکان عبور دادن بیشتر لوله‌ها و ادوات تاسیساتی
• آسان بودن ایجاد بیشترین خروج از مرکز در تاندون ها
• افت نیروی پیش تنیدگی ناشی از اصطکاک
• قابلیت تولید انبود در سریع‌ترین زمان ممکن
• حذف شدن آویز سقف‌ها و به وجود آمدن سطحی کاملا صاف
• سبک‌تر شدن سقف در مقایسه با موارد مشابه

معایب بتن پیش تنیده

با تمام مزایایی که برای بتن پیش تنیده مطرح شد، این سازه ها معایبی نیز دارند که بیشتر جنبه اقتصادی دارند. سازه‌های بتن پیش تنیده در مقایسه با عضو بتنی معمولی به دلیل استفاده از مصالح و فولاد با مقاومت بالاتر و استفاده از دستگاه های مخصوص و پرهزینه برای ایجاد کشش و پیش تنیدگی در بتن، هزینه ی تهیه و تولید بیشتری را به دنبال دارند.

همچنین حمل و نقل سازه های بتن پپیش تنیده به دلیل پیش ساخته بودنشان کمی دشوار می باشد که آن هم هزینه جابجایی را بالا می برد. لذا در حالت کلی استفاده از اعضای بتن پیش تنیده در سازه های کوچک و بارهای سبک به لحاظ اقتصادی هزینه زیادی را در بر خواهد داشت.

معایب سازه های پیش تنیده به طور خلاصه عبارت اند از:

• احتیاج به دانش فنی و مهندسی بالاتر در ساخت و تولید
• نیاز به بررسی و دقت بالاتر در تهیه و ساخت
• سخت و پیچیده بودن طراحی
• احتیاج به جرثقیل بزرگتر برای حمل و نقل
• داشتن هزینه ی مصالح، ساخت و حمل و نقل بالاتر
• خطر داشتن این عضوهای بتنی به هنگام تخریب به دلیل وجود انرژی موجود در کابل های کشیده شده

سازه پیش تیده

همان طور که بیان شد سازه های پیش تنیده یا (Prestressed Structures) با ترکیب رشته ها و کابل های فولادی با بتن ساخته می شوند که کابل های فولادی در ابتدا تحت کشش قرار گرفته و در آخر نیروی فشاری خود را به بتن منتقل میکنند. و از آنجایی که مقاومت بتن در برابر فشار بسیار بیشتر از مقاومت آن در برابر کشش است اعمال این بار های خارجی به سازه ها موجب کاهش تنش کششی بتن می شود. در این حالت قابلیت تحمل بار سازه تحت فشار بسیار بیشتر از سازه مشابه بدون پیش تنیدگی است.

ساخت بتن پیش تنیده

برای ساخت سازه و بتن پیش تنیده ابتدا کابل های فولادی که در بین دو گیره قرار دارند توسط دستگاه مخصوصی کشیده می شوند و سپس بتن ریزی انجام می گیرد و بعد از سخت شدن بتن به اندازه لازم گیره ها آزاد می شوند که با این کار نیروی پیش تنیده ایجاد شده به عضو بتنی انتقال می یابد. به هنگام آزادسازی فولاد مفتول ها به صورت تدریجی رها می شوند تا نیروی پیش تنیدگی به نسبت آرام تری بر بتن وارد شود تا از وارد شدن ضربه به بتن جلوگیری کند.

از بتن پیش تنیده در تولید بسیاری از سازه ها مانند تیرچه ها و دال های کف پیش تنیده استفاده می شود. این روش بیشتر در کارگاه ها و کارخانه های تولید قطعات بتنی مورد استفاده انجام می گیرد که محصولات تولید شده به صورت پیش ساخته می باشند.

روش های انتقال نیروی پیش کشیدگی به بتن پیش تنیده

۱- روش مکانیکی

 در روش مکانیکی از یک جک به عنوان تکیه گاه استفاده می شود.

۲- روش شیمیایی

در این روش برای تولید نیروی پیش تنیدگی در  سازه ها از نوعی سیمان که خاصیت منبسط شدن دارد استفاده می کنند. در این حالت به علت وجود کابل های منقبض شونده که از انبساط طول جلوگیری می کند به اندازه ای در تیرچه فشار ایجاد می شود.

۳- روش حرارتی یا الکتریکی

در روش حرارتی به منظور افزایش طول کابل ها از جریان برق استفاده می شود طوری که با اتصال برق، کابل ها توسط گیره هایی کشیده شده و به تکیه گاه متصل می گردند و بعد از قطع کردن جریان برق کابل ها بتن ریزی می شوند و بعد از کسب مقاومت لازم بتن کابل ها آزاد می شوند. با این کار نیروی ایجاد شده در اثر کشیدن کابل ها به بتن منتقل می شود. این روش در تولید دال ها، تیرچه ها و چراغ برق ها انجام می شود.

وسایل لازم برای تولید سازه پیش تنیده

۱- تکیه گاه و بستر مخصوص

تا جایی که امکان دارد برای ثابت نگه داشتن تنش در تندان ها از زمان بتن ریزی تا زمان قطع کردن فولادهای پیش تنیده، تندان ها باید کشیده شوند و به تکیه گاه مخصوص اتصال داده شوند.

۲- قالب مخصوص برای تولید سازه مورد نظر

قطعات پیش کشیده در برابر صدمه و رطوبت ناشی از بخار دادن به بتن و لرزش ناشی از ویبراتور باید مقاومت لازم را داشته باشند.

۳- ویبراتور لرزاننده قالب ها

ویبراتورها به قالب ها اتصال دارند و بر روی ریل هایی در دو طرف قالب سوار می شوند.

۴- جک مخصوص و پمپ هیدرولیک برای اعمال نیرو

۵- غلاف ها

این غلاف ها در محل تعیین شده قبل از بتن ریزی قرار می گیرند و معمولا از جنس پلی اتیلن می باشند، این غلاف ها باید به اندازه کافی محکم بوده تا به هنگام بتن ریزی تغییر شکل ندهند و همچنین به اندازه کافی نرم باشند تا قابلیت خم شوندگی طبق شعاع لازم را داشته باشند.

کاربرد بتن پیش تنیده

هدف اصلی بتن پیش تنیده داشتن قابلیت کنترل تنش های کششی و  ترک های ناشی از لنگر خمشی در اثر بار های وارده به آن عضو می باشد. کاربرد بتن پیش تنیده در عضوهایی که تحت تاثیر خمش و یا کشش قرار دارند می باشد. ازجمله عضوهایی که تحت تاثیر خمش قرار دارند مانند دیوار های حائل و ستون ها و دال ها اسکله ها، تیرها، سقف پارکینگ ها و پل ها مخصوصا با طول دهنه های زیاد که در عمل با بتن معمولی قابل ساخت نیستند و بهتر است که در ساخت آن ها از بتن پیش تنیده استفاده گردد. و عضو هایی که تحت تاثیر کشش می باشند مانند لوله ها و مخازن آب می باشند.

از جمله کاربرد های بتن پیش تنیده می توان به موارد زیر اشاره کرد:

پارکینگ های طبقاتی

با استفاده از مواد پیش تنیده در ساخت پارکینگ ها به دلیل افزایش فاصله ستون ها در سیستم دال پس کشیده فضای گسترده تری ایجاد می شود تا اتوموبیل ها به راحتی پارک و جابجا شوند. همچنین در پارکینگ های طبقاتی سقف ها به صورت نمایان و بدون سقف کاذب می باشند که با قابلیت کاهش نفوذپذیری و مقاوم شدن بتن در برابر تغییرات شیمیایی در دال های پس کشیده عامل مهمی در انتخاب این سیستم برای پارکینگ های طبقاتی می باشند.

ساختمان ها و برج های بلند

با در نظر گرفتن این نکته که با استفاده از دال های پس کشیده در سازه ارتفاع طبقات کاهش می یابد، پس می توان در یک ارتفاع ثابت تعداد طبقات بیشتری ایجاد کرد.

بیمارستان ها و ساختمان های تجاری

علت قابلیت استفاده بیشتر این سازه ها در چنین مکان هایی فاصله زیاد ستون ها، سرعت اجرای بالاتر، کاهش وزن سازه در سیستم دال های پس کشیده می باشد.

مجتمع های مسکونی

با در نظر گرفتن این که در مجتمع های مسکونی در هر طبقه تعداد زیادی واحد مسکونی وجود دارد طراحی می شوند لذا فاصله بیشتر ستون ها در این سیستم شرایط مناسبی را جهت معماری مجتمع مسکونی ایجاد می کند.

پل ها

از جمله مهمترین دلایل ساخت پل ها به این روش می توان به مواردی نظیر جلوگیری از لرزش، ترک خوردگی، نفوذ پذیری بتن و سرعت اجرای بالا اشاره کرد. بیشتر پل های بتنی به صورت پیش تنیده اجرا می شوند زیرا فاصله ستون ها در ساخت پل بسیار اهمیت دارد که عامل پیش تنیدگی به راحتی این مسئله را برطرف می کند.

دیگر کاربردهای مهم سیستم پیش تنیدگی

از سیستم پیش تنیدگی در مواردی که عضو تحت تاثیر کشش و خمش بیشتری قرار دارند استفاده زیادی می‌شود مانند:

• سقف پیش تنیده یا هالوکور
• دیوار‌های حائل
• دال‌ها
• ستون‌ها و تیرها
• اسکله‌ها
• سقف پارکینگ‌ها
• پل‌ها با دهانه‌های زیاد
• لوله‌ها و مخازن آب
• ساختمان ها و برج های بلند

سقف پیش تنیده

همچنان که در توضیحات بتن و سازه های پیش تنیده شرح داده شد در سیستم های سقف بتنی از آرماتور های عادی استفاده نمی شود در عوض کابل هایی که مقاومت کششی بالاتری دارند به کار می روند زیرا این کابل ها در فرایند تولید سازه های سقف پیش تنیده در ابتدا توسط گیره هایی در دو انتهای تیر تحت کشش زیادی قرار می گیرند که بعد از رها شدنشان نیروی فشاری زیادی را به بتن وارد می کنند.

 این نیروی پیش تنیدگی ناشی از کابل ها در مقابل نیروی کششی ناشی از بارهای ثقلی بتن قرار گرفته و آن را خنثی می کند که در نتیجه ی آن مقاومت باربری سقف افزایش پیدا می کند و همانطور گفته شد این نیروی پیش تنیده به دو صورت پیش کشیده و پس کشیده به این عضو وارد می شود.

برای تولید سقف بتنی پیش تنیده ابتدا فولادها را تحت کشش زیاد قرار داده و در دو انتهای تیرها توسط گیره هایی مخصوص تثبیت می شوند. و بعد از آن بتن ریزی انجام می گیرد و صبر می شود تا بتن پیش تنیده به مقاومت لازم برسد. با عمل آوری بتن فولاد های تثبیت شده از محل خود منقطع شده و نیروی فشاری خود را بر عضو نامبرده اعمال می کنند.

‌همچنین در حالتی دیگر در سقف پیش تنیده ابتدا غلافی توخالی در بتن تعبیه شده سپس کابل ها از درون غلاف ها عبور داده می شوند. در این حالت دو طرف کابل ها از غلاف بیرون گذاشته شده و دو ورق صفحه فشار جایگذاری می شوند. و بعد از آن بتن ریزی صورت می گیرد که با رسیدن بتن به مقاومت لازم فولادها توسط جک های مخصوصی کشیده می شوند.

اجرای سقف پیش تنیده

سازه ها و سقف های پیش تنیده بعد از تولید و انتقال به کارگاه آماده اجرا می باشند. نکته ی مهم در اجرای این نوع سقف ها این است که همانند مراحل تولید مرحله اجرا نیز به حساسیت بیشتر و گروه اجرای حرفه ای نیاز دارد. مراحل مختلف ارای این سقف ها به صورت زیر می باشد:

• قالب بندی
• اجرای مش بندی
• اجرای کابل کشی
• بتن ریزی
• کشش اولیه
• کشش نهایی

۱- قالب بندی

این مرحله از اجرای سقف پیش تنیده همانند دال بتنی معمولی یا سیستم بتن آرمه می باشد.

۲- مش بندی آرماتور بندی

در این مرحله تمامی آرماتور های مورد نیاز شامل آرماتور تقویتی ستون و دیوار ها، کلاف های کناری، آرماتور های کناری و … بر روی سقف پیش تنیده نصب می شوند. که نسبت به بتن آرمه معمولی حجم آرماتور بندی در این روش بسیار کم می باشد طوری که نیاز به آرماتوربندی شبکه بالایی و پایینی نخواهد بود.

۳- نصب کابل ها و مهارهای انتهایی

در این مرحله از اجرا کابل ها بر روی قالب قرار گرفته و مهار انتهایی به لبه قالب اتصال می یابد همچنین کابل ها به صورت عمود بر هم بر روی دال قرار می گیرند.

۴- نصب خرک ها برای تامین پروفیل کابل ها

برای تامین پروفیل مناسب خرک هایی در اندازه های مختلف در فاصله هایی مشخص قرار داده شده و کابل روی آن ها قرار می گیرد.

۵- عمل بتن ریزی

در این مرحله از اجرا بعد از بستن آماتورها و قرار دادن کابل بر روی سقف عمل بتن ریزی انجام می گیرد و در طول انجام این کار باید دقت کرد که اطراف مهارهای انتهایی به خوبی ویبره زده شوند.

6- عملیات کشش

در این مرحله با در نظر گرفتن اینکه بتن به مقاومت فشاری مورد نظر رسیده باشد کابل ها از اطراف کشیده می شوند. که برای اندازه گیری میزان کشش هر کابل بعد از کشش دوباره اندازه گیری می شوند تا از صحت اجرای عملیات اطمینان حاصل شود.

مزایای سقف پیش تنیده

امروزه سیستم های سقف پیش تنیده اهمیت و مزایای بسیار زیادی در ساخت و ساز دارد. به لحاظ سازه ای، اقتصادی و معماری فواید بسیاری را در بر داشته و امکانات فراوانی را برای کاربران، کارفرمایان و طراحان در پروژه ها قرار می دهد.

مزایای سقف پیش تنیده در معماری

با استفاده کردن از سقف پیش تنیده در ساخت و ساز امکان فراهم آوردن سهولت در طراحی نماهای مختلف، شرایط مناسب برای پارتیشن بندی فضاها، انعطاف بیشتر در عبور تاسیسات و ادوات ساختمانی، ایجاد دهانه های بلند تر و تعداد ستون کمتر برای معماران را فراهم می آورد.

مزایای سقف پیش تنیده در سازه های مختلف

سقف پیش تنیده به دلیل به کار رفتن کابل های بسیار مقاوم در آن و به دنبال آن اعمال نیروی پیش تنیده زیاد به بتن در سازه های مختلف مزایایی نظیر کاهش وزن ساختمان، کاهش مصالح مصرفی، کاهش ضخامت دال ها، کاهش ضخامت تیر های بتنی و کنترل تغییر اشکال را در بر دارد.

مزایای سقف پیش تنیده به لحاظ اقتصادی

علت اصلی مقرون به صرفه بودن سقف های پیش تنیده و به طور کلی سازه های پیش تنیده استفاده کمتر از آرماتور و بتن مصرفی، کاهش ارتفاع طبقات و ساختمان می باشد که بسیار مورد توجه قرار می گیرند.

می توان گفت مهمترین مزیت سقف های پیش تنیده امکان اجرای دهانه های با طول زیاد و با حداقل تعداد ستون ها می باشد. و از جمله کاربرد های آن در سیستم های مهار خاک و سنگ، مهار سد های بتنی، پایدار سازی تونل، اجرای سقف های دال بتنی و پل سازی می باشد. از مزیت های سقف پیش تنیده به صورت کلی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ساخت دهانه هایی با طول زیاد با حداقل ستون
• کاهش دادن ضخامت دال ها
• کاهش ارتفاع کل ساختمان و تعداد طبقات
• حذف تیرهای میانی
• امکان ستون گذاری نا منظم
• امکان ایجاد بازشو های بزرگ و نامنظم
• امکان تامین پارکینگ طبقاتی و مسیر حرکتی آن
• آرایش ساده تر پلان ها بدون ستون های مزاحم
• انعطاف پلان ها در مراکز خرید و هتل ها
• امکان ایجاد فضاهای کاملا باز

معایب سقف پیش تنیده

• هزینه زیاد حمل و نقل
• نیاز بودن به گروه متخصص در اجرا
• نیاز به دقت اجرای بالاتر
• هزینه ساخت زیادتر
• نیاز به جرثقیل بزرگتر برای حمل و نقل قطعات
• نیاز به دقت و دانش فنی بالا به هنگام ساخت
• طراحی پیچیده تر
• پر خطر بودن تخریب سقف

تیرچه پیش تنیده

تیرچه پیش تنیده در کارخانه های مجهز بصورت پیش ساخته تولید می شوند و از مقطع بتنی T شکل با رده مقاومتی بالاتر و مفتول های فولادی درست می شوند. در تولید تیرچه های پیش تنیده عمل بتن ریزی بعد از کشیده شدن مفتول های فولادی توسط جک ها انجام می گیرد و بعد از عمل آوری بتن آزاد می شوند. این کار موجب افزایش مقاومت تیرچه در برابر ترک خوردگی می شود. و به منظور تامین محل مناسب نصب بلوک های سقفی در دو طرف آن، سطح مقطع تیرچه پیش تنیده به شکل سپری ساخته می شود. همچنین در تیرچه پیش تنیده از سیم هایی فولادی به قطر ۵ میلی متر استفاده می شود.

مزایای‌ استفاده از تیرچه پیش تنیده

۱- مقرون به صرفه بودن به لحاظ اقتصادی به دلیل مصرف کمتر فولاد

۲- کاهش وزن فولاد فونداسیون و سازه

۳- سرعت اجرای بالا

برای آشنایی بیشتر با تیرچه و انواع آن می توانید به بخش مقالات در وبسایت شرکت بپتا مراجعه نمایید. همچنین برای اطلاع از قیمت هالوکور و تیرچه پیش تنیده و خرید این محصولات میتوانید با کارشناسان ما در ارتباط باشید.