به گزارش چغادک نیوز: سعید محب عالی در یادداشتی نوشت: بتن پیش تنیده یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌ها در مهندسی سازه طی قرن بیستم است که قابلیت‌های طراحی و ساخت سازه‌ها را به طرز چشمگیری متحول کرده است، به طور سنتی، بتن مسلح به دلیل مقاومت فشاری بالا و مقاومت کششی پایین، در برابر لنگرهای خمشی دچار ترک خوردگی در ناحیه کششی می‌شود.

بتن پیش تنیده با اعمال عمدی یک نیروی فشاری دائمی به بتن قبل از اعمال بارهای بهره‌برداری، این ضعف ذاتی را جبران می‌کند..
مفهوم کلیدی: پیش تنیدگی به معنای القای تنش‌های داخلی در یک سازه به منظور مقابله با تنش‌هایی است که در اثر بارهای خارجی یا بهره‌برداری ایجاد می‌شوند.

این عمل باعث می‌شود که تحت بارهای بهره‌برداری، بتن در تمام سطح مقطع یا بخش عمده‌ای از آن، تحت تنش فشاری باقی بماند، که این امر ترک خوردگی و تغییر شکل‌ها را به حداقل می‌رساند و کارایی سازه را افزایش می‌دهد.

تاریخچه مختصر

مفهوم پیش تنیدگی برای اولین بار در اواخر قرن نوزدهم مطرح شد، اما به دلیل محدودیت‌های فناوری و کیفیت پایین مصالح اولیه، اجرای موفقیت‌آمیز آن با مشکلاتی مواجه بود، پدر بتن پیش تنیده مدرن، مهندس فرانسوی اوژن فریسینه است که در دهه ۱۹۲۰، با استفاده از فولادهای با مقاومت بالا و درک پدیده تلفات کاهش نیروی پیش تنیدگی به مرور زمان)، توانست روش‌های عملی برای ساخت سازه‌های پیش تنیده را توسعه دهد.

انواع بتن پیش تنیده

بتن پیش تنیده عمدتاً به دو روش اجرا می‌شود که تفاوت اصلی آن‌ها در زمان اعمال نیروی پیش تنیدگی نسبت به زمان بتن‌ریزی است.

پیش‌کِشیده؛ کابل‌ها یا آرماتورهای پیش تنیدگی قبل از بتن‌ریزی، کشیده می‌شوند (تنش در آن‌ها القا می‌شود)، پس از گیرش و سخت شدن بتن، نیروی کششی به تدریج آزاد می‌شود و نیروی فشاری از طریق پیوند بین فولاد و بتن به قطعه منتقل می‌گردد.

این روش اغلب در کارخانجات و برای تولید قطعات پیش‌ساخته (مانند تیرچه‌ها، اسلب‌ها و شاه‌تیرها) به کار می‌رود و در این روش، داکت‌ها یا غلاف‌هایی داخل قالب قرار می‌گیرند و پس از بتن‌ریزی و کسب مقاومت کافی، کابل‌های پیش تنیدگی (تاندون‌ها) از داخل این غلاف‌ها عبور داده می‌شوند.

نیروی کششی با استفاده از جک‌های هیدرولیکی به تاندون‌ها اعمال می‌شود و پس از رسیدن به نیروی مورد نظر، تاندون‌ها توسط گیره‌هایی. به دو سر بتن متصل و مهار می‌شوند، فضای خالی داخل داکت‌ها معمولاً با تزریق دوغاب پر می‌شود تا از تاندون‌ها در برابر خوردگی محافظت شده و پیوند جزئی بین بتن و فولاد ایجاد شود.

سیستم پیوندی اگر در دوغاب تزریق نشود، سیستم غیر پیوندی نامیده می‌شود؛ این روش معمولاً در پروژه‌های بزرگ در محل . مانند پل‌ها، مخازن و دال‌های ضخیم ساختمان‌ها استفاده می‌شود.

مصالح و تجهیزات بتن پیش تنیده

مصالح مورد نیاز؛ موفقیت بتن پیش تنیده به طور مستقیم به کیفیت مصالح به کار رفته وابسته است.

بتن؛ نیاز به مقاومت فشاری بالا است، چرا که بتن باید بتواند نیروی فشاری بسیار زیاد ناشی از پیش تنیدگی را بدون خرد شدن تحمل کند و مقاومت نهایی بتن معمولاً در محدوده ۳۵ تا ۶۰ یا بالاتر است.

علاوه بر این، بتن باید در سنین اولیه نیز مقاومت کافی داشته باشد تا بتواند نیروی پیش تنیدگی اولیه را تحمل کند (مخصوصاً در سیستم پیش‌کشیده).

فولاد پیش تنیدگی (تاندون‌ها)

مهم‌ترین ویژگی این فولاد، مقاومت کششی بسیار بالا است و معمولاً از مفتول‌ها ، رشته‌ها یا میله‌های فولادی خاصی استفاده می‌شود که مقاومت تسلیم آن‌ها بسیار بالاتر از آرماتورهای معمولی می رسند و اغلب به ۱۵۰۰ تا ۱۹۰۰
این مقاومت بالا برای غلبه بر تلفات تنش (مانند جمع شدگی و خزش بتن) ضروری است تا نیروی پیش تنیدگی مؤثر قابل قبولی باقی بماند.

تجهیزات کلیدی؛ اجرای فرآیند پیش تنیدگی نیازمند ابزارهای تخصصی است.

جک‌های هیدرولیکی؛ برای اعمال نیروی کششی دقیق و کنترل شده به تاندون‌ها در سیستم پس‌کشیده استفاده می‌شوند. این جک‌ها باید قادر به تولید نیروهای بسیار زیاد باشند.

پمپ‌های هیدرولیکی؛ برای تامین فشار و جریان لازم برای جک‌ها.

مهارها و گیره‌ها؛ در سیستم پس‌کشیده، این تجهیزات فولادی برای انتقال نیروی کششی از تاندون به سطح بتن به کار می‌روند.
این گیره‌ها باید بتوانند نیروی بسیار زیاد تاندون را به طور مطمئن مهار کنند.

داکت‌ها یا غلاف‌ها؛ لوله‌های انعطاف‌پذیر یا صلب (معمولاً فلزی یا پلاستیکی) که مسیر تاندون را درون بتن فراهم می‌کنند و از تماس تاندون با بتن قبل از کشش جلوگیری می‌کنند.

دستگاه‌های تزریق گروت؛ در سیستم‌های پیوندی پس‌کشیده، برای تزریق دوغاب سیمانی به داخل داکت‌ها استفاده می‌شوند تا محافظت در برابر خوردگی و انتقال نیرو را تضمین کنند.

اهمیت کنترل کیفیت؛ کنترل کیفیت در تمامی مراحل اجرای بتن پیش تنیده حیاتی است. کوچک‌ترین خطا در نیروی کششی، محل قرارگیری تاندون‌ها، یا کیفیت بتن می‌تواند ایمنی و عملکرد سازه را به شدت تحت تأثیر قرار دهد.

کالیبراسیون تجهیزات؛ جک‌ها و گیج‌های فشار باید به طور منظم کالیبره شوند تا نیروی اعمالی دقیقاً مطابق با طراحی باشد.

تست بتن؛ مقاومت بتن در زمان کشش باید به دقت کنترل شود تا از خرد شدن بتن زیر مهارهای انتهایی جلوگیری شود.

اندازه‌گیری کشش؛ میزان افزایش طول تاندون باید به طور دقیق اندازه‌گیری و با نیروی مورد نظر (بر اساس فشار جک) مقایسه شود تا از اجرای صحیح نیروی پیش تنیدگی اطمینان حاصل شود.

مزایا و معایب بتن پیش تنیده

مزایای اصلی؛ استفاده از بتن پیش تنیده مزایای فنی و اقتصادی قابل توجهی به همراه دارد که منجر به گسترش کاربرد آن شده است.

کاهش یا حذف ترک‌ها؛ اعمال نیروی فشاری اولیه، تنش‌های کششی ناشی از بارها را خنثی می‌کند. این امر باعث می‌شود که سازه در بارهای بهره‌برداری کاملاً یا عمدتاً تحت فشار باشد، در نتیجه ترک‌ها حذف شده یا به حداقل می‌رسند. این مزیت، دوام و نفوذناپذیری سازه را به شدت افزایش می‌دهد.

کاهش خیز و تغییر شکل‌ها؛ نیروی پیش تنیدگی یک لنگر خمشی مثبت (رو به بالا) در سازه ایجاد می‌کند که با لنگر خمشی منفی (رو به پایین) ناشی از بارهای بهره‌برداری مقابله می‌کند و این پدیده باعث می‌شود که خیز سازه به طور مؤثری کنترل و کاهش یابد.

افزایش نسبت دهانه به عمق با توجه به عملکرد بهتر و مقاومت بالاتر، می‌توان از مقاطع نازک‌تر و سبک‌تر برای دهانه‌های طولانی استفاده کرد، که این امر منجر به صرفه‌جویی در مصالح (بتن و فولاد) و ایجاد فضاهای معماری بزرگتر و بدون ستون‌های میانی می‌شود.

افزایش مقاومت در برابر برش مسیر تاندون‌ها (به ویژه در سیستم پس‌کشیده) را می‌توان به صورت منحنی طراحی کرد، که این امر مؤلفه عمودی نیروی پیش تنیدگی را به وجود می‌آورد و مقاومت برشی مؤثر سازه را افزایش می‌دهد.

اقتصادی بودن در دهانه‌های بلند با وجود هزینه اولیه بالاتر مواد و اجرای پیش تنیدگی، در دهانه‌ها و بارهای بزرگ، کاهش وزن سازه، کاهش مقاطع و صرفه‌جویی در مصالح (به ویژه فولاد معمولی) در مجموع آن را از نظر اقتصادی برتر می‌سازد.

معایب و محدودیت‌ها؛ مانند هر فناوری دیگری بتن پیش تنیده نیز دارای چالش‌ها و محدودیت‌هایی است.

پیچیدگی طراحی و ساخت؛ طراحی بتن پیش تنیده پیچیده‌تر از بتن مسلح معمولی است و نیاز به درک عمیق‌تری از مکانیک مصالح، به ویژه پدیده‌های خزش. و جمع‌شدگی بتن و تلفات نیروی پیش تنیدگی دارد.

هزینه اولیه بالاتر؛ قیمت فولاد با مقاومت بالا و تجهیزات تخصصی (جک‌ها، مهارها، پمپ‌ها و غیره) در مقایسه با بتن مسلح معمولی بالاتر است.

نیاز به نیروی کار متخصص: نصب تاندون‌ها، اجرای کشش و تزریق گروت نیازمند دقت بالا و نیروی کار ماهر و متخصص است. هرگونه خطای اجرایی می‌تواند عواقب جدی برای عملکرد و ایمنی سازه داشته باشد.

آسیب‌پذیری در برابر خوردگی (سیستم غیر پیوندی): اگر در سیستم‌های غیر پیوندی، محافظت تاندون (مانند گریس یا پوشش پلاستیکی دچار آسیب شود، فولاد با مقاومت بالا به دلیل تنش دائمی بالا، به شدت مستعد خوردگی تنشی است که می‌تواند به شکست ناگهانی منجر شود.

تغییرات ابعادی اولیه؛ اعمال نیروی پیش تنیدگی باعث کوتاه شدن اولیه قطعه بتنی می‌شود که باید در طراحی اتصالات و در نظر گرفتن تغییر شکل‌های سازه‌ای لحاظ شود.

کاربردهای بتن پیش تنیده و روش‌های طراحی

کاربردهای رایج؛ به دلیل مزایای فنی ذکر شده، بتن پیش تنیده در طیف گسترده‌ای از پروژه‌های عمرانی استفاده می‌شود.

پل‌سازی یکی از مهم‌ترین کاربردها، به خصوص برای دهانه‌های بلند. استفاده از تیرهای پیش‌ساخته پیش‌کشیده و ساخت پل‌ها به روش طره آزاد با استفاده از پس‌کشیدگی، بسیار رایج است.

ساختمان‌های بلند و دال‌ها؛ استفاده از دال‌های پیش تنیده پس‌کشیده در ساختمان‌ها، امکان کاهش تعداد ستون‌ها، افزایش دهانه‌ها، کاهش ضخامت دال و در نتیجه کاهش ارتفاع کلی ساختمان را فراهم می‌کند.

مخازن و سیلوها نیروی پیش تنیدگی حلقوی به طور مؤثری با تنش‌های کششی ناشی از فشار مایعات یا مواد درون مخزن مقابله می‌کند و ترک خوردگی و نشت را حذف می‌کند.

تیرهای پیش‌ساخته تولید انبوه تیرچه‌ها و تیرهای پل‌های کوچک به روش پیش‌کشیده در کارخانه روسازی باند فرودگاه‌ها برای افزایش دوام و مقاومت در برابر بارهای سنگین هواپیما ، ریل‌گذاری تراورس‌های بتنی پیش تنیده مقاومت و عمر بسیار بیشتری نسبت به تراورس‌های چوبی دارند.

روش‌های طراحی؛ طراحی سازه‌های پیش تنیده بر اساس اصول مکانیک سازه و با توجه به معیارهای عملکردی خاص صورت می‌گیرد.

روش طراحی بر اساس تنش مجاز؛ در این روش، تنش‌های ایجاد شده در بتن و فولاد تحت بارهای بهره‌برداری (شامل نیروی پیش تنیدگی مؤثر) محاسبه شده و با تنش‌های مجاز (مانند تنش مجاز فشاری یا کششی بتن) مقایسه می‌شوند.

هدف اصلی این روش، تضمین عدم ترک خوردگی یا محدود کردن عرض ترک‌ها و کنترل خیز در شرایط بهره‌برداری است.

روش طراحی بر اساس مقاومت نهایی؛ در این روش، سازه برای تحمل بارهای ضریب‌دار (بارهای بهره‌برداری ضرب در ضریب افزایش بار) در حالت شکست نهایی (خمشی یا برشی) طراحی می‌شود، این روش تضمین می‌کند که سازه دارای ضریب ایمنی کافی در برابر فروپاشی است و مشابه طراحی بتن مسلح می باشد.

نکته تخصصی؛ نیروی پیش تنیدگی در طول عمر سازه به دلیل پدیده‌هایی مانند جمع‌شدگی و خزش بتن و ریلکسیشن فولاد، کاهش می‌یابد. محاسبه دقیق این تلفات در طراحی ضروری است، زیرا طراحی باید بر اساس نیروی پیش تنیدگی مؤثر (نیروی باقی مانده پس از تمام تلفات) صورت گیرد.

تلفات پیش تنیدگی، نگهداری و نتیجه‌گیری

پدیده تلفات؛ یکی از جنبه‌های حیاتی در طراحی بتن پیش تنیده، محاسبه دقیق تلفات نیروی پیش تنیدگی است. این تلفات به دو دسته تقسیم می‌شوند.

تلفات آنی؛ لغزش مهار کاهش تنش به دلیل فرو رفتن سیم‌ها یا رشته‌ها در گیره مهار در لحظه رهاسازی یا مهار نیروی کششی، اصطکاک در سیستم پس‌کشیده، اصطکاک بین تاندون و دیواره‌های داکت (به ویژه در مسیرهای منحنی) باعث کاهش نیروی اعمال شده در طول تاندون می‌شود.

تغییر شکل الاستیک بتن کوتاه‌شدن طول قطعه بتنی در لحظه اعمال نیروی پیش تنیدگی، که منجر به کاهش طول و در نتیجه کاهش تنش در فولاد می‌شود.

تلفات وابسته به زمان؛ خزش بتن افزایش کرنش بتن در طول زمان تحت تنش فشاری ثابت (ناشی از پیش تنیدگی)، که باعث کوتاه شدن بیشتر قطعه و کاهش نیروی فولاد می‌شود.

جمع‌شدگی بتن کاهش حجم بتن به دلیل از دست دادن رطوبت، که منجر به کوتاه شدن قطعه و کاهش نیروی پیش تنیدگی می‌شود .
کاهش تنش در فولاد تحت کشش ثابت در طول زمان، که پدیده‌ای ذاتی در فولادهای با مقاومت بالا است.

نگهداری و بازرسی؛ دوام سازه‌های پیش تنیده به طور کلی بالا است، اما بازرسی و نگهداری منظم ضروری است. تمرکز اصلی باید بر جلوگیری از نفوذ رطوبت و کلریدها (به ویژه در پل‌ها و سازه‌های ساحلی) به تاندون‌ها باشد.

سیستم‌های پیوندی؛ در این سیستم‌ها، تزریق کامل و با کیفیت گروت برای محافظت دائمی تاندون از خوردگی حیاتی است. در صورت وجود حفره در گروت، تاندون آسیب‌پذیر خواهد بود.

سیستم‌های غیر پیوندی؛ بازرسی پوشش محافظ (غلاف پلاستیکی و گریس) و اتصالات انتهایی (مهارها) برای اطمینان از عدم ورود آب است.

بازرسی ترک‌ها و خیز؛ بررسی دوره‌ای سازه برای رصد هرگونه ترک غیرمنتظره یا خیز بیش از حد مجاز است.

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز آینده؛ بتن پیش تنیده یک راهکار مهندسی برجسته است که امکان ساخت سازه‌هایی با دهانه‌های بلندتر، مقاطع ظریف‌تر، دوام بیشتر و خیز کمتر را فراهم آورده است.

در حالی که فرآیند طراحی و اجرای آن نیازمند تخصص و دقت بالایی است، مزایای اقتصادی و فنی آن در پروژه‌های بزرگ، آن را به گزینه‌ای بلامنازع تبدیل کرده است.

با پیشرفت‌های مداوم در مواد (مانند بتن‌های با عملکرد فوق‌العاده – UHPC) و فناوری‌های هوشمندسازی سازه مانند استفاده از سنسورها برای پایش نیروی پیش تنیدگی)، انتظار می‌رود که بتن پیش تنیده همچنان نقش کلیدی خود را در توسعه زیرساخت‌های نوین، از پل‌های عظیم گرفته تا ساختمان‌های مسکونی با طراحی‌های باز، حفظ کند و به سوی سازه‌هایی پایدارتر و انعطاف‌پذیرتر حرکت کند./انتهای پیام