مفهوم پیش تنیدگی
پیش 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 از پیش تنیده کردن یک عضو بتنی، 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.
کاربرد بتن پیش تنیده معمولاً در عضوهایی است که تحت تاثیر خمش میباشد، مانند : تیرها، دالها، دیوارهای حائل و ستونها. ولی میتوان از بتن پیش تنیده در عضوهایی که تحت تاثیر کشش هستند مانند : لولهها، مخازن آب و غیره نیز به نحو مطلوب استفاده نمود.
مزایای بتن پیش تنیده
نداشتن ترکهای دائمی
یکی از مهمترین خواص سازههای بتن پیش تنیده 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 بتن پیش تنیده نسبت به بتن آرمه در ساختمان تانکرهای آب و مخازن به جهت نداشتن ترک واضح است.
وزن کمتر سازه
وزن سازههای بتن پیش تنیده به مراتب از وزن سازههای بتن آرمه معادل کمتر است. اولاً چون از مقاومت تمام سطح مقطع بتن استفاده میشود، میزان بتن لازم کمتر است. ثانیاً چون فولاد مصرفی دارای مقاومت زیادتری است، معمولاً وزن فولاد لازم بین یک سوم تا یک پنجم وزن فولاد معمولی معادل میگردد.
نداشتن خیز به سمت پایین
خیز به طرف پایین ( deflection ) تیرهای بتنی پیش تنیده تحت اثر بارهای سرویس معمولاً بسیار کم میباشد. زیرا قبل از وارد آمدن بارهای سرویس، تحت تاثیر نیروهای پیش تنیدگی مقداری خیز به طرف بالا در تیر به وجود آمده است، که از شدت خیز به طرف پایین میکاهد.
تست سازه قبل از بارگذاری
در سازههای بتن پیش تنیده قبل از وارد آمدن بارهای سرویس، سازه به وسیله نیروی پیش تنیدگی به شدت بارگذاری شده و بتن و فولاد تحت اثر تنش های زیادی قرار میگیرد و این خود یک نوع امتحان از نظر مطمئن بودن بتن و فولاد میباشد.
قابلیت انعطاف پذیری
با تغییر مقداری نیروی پیش تنیدگی میتوان سازه را صلب و یا انعطاف پذیر کرد ، بدون اینکه مقاومت نهایی آن تغییری بکند.
اقتصادی بودن سازه
سازههای بتن پیش تنیده معمولاً برای دهانههای بزرگ و بارهای سنگین اقتصادیتر از سازههای بتن آرمه میباشد.
انعطاف پذیری در معماری
سازههای بتن پیش تنیده 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 ) پیش تنیده 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.
روش های پیش تنیدگی
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 به طور 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 شمع ها و تیرهای پیش ساخته.
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.
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.
بتن پیش تنیده پس کشیده (Post-tensioned concrete)
اگر فولاد پیش تنیدگی را بعد از گرفتن و سفت شدن بتن بکشند، بتن را اصطلاحاً بتن پس کشیده می نامند. 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 شده است، قرار داد.
کابلهای پیش تنیدگی را میتوان قبل و یا بعد از بتن ریزی در داخل غلافها کار گذاشت. کابلها به صورت یکی یکی به وسیله دستگاه کابل ردکن ( strand pusher ) و یا به طور دستهای بوسیله نیروی انسانی در داخل غلاف کار گذاشته میشود.
انواع بتن پیش تنیده پس کشیده
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، اصطلاحاً این روش را چسبنده (Bonded) مینامند.
با روش غیر چسبنده (Unbonded)
گاهی اوقات به دلائل خاصی از جمله ایجاد انعطاف پذیری 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 مستقیماً 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 و یا از هر نقطه پاره شود، نیروی پیش تنیدگی در آن مقطع از بین میرود.
اصولاً مقاومت نهایی بتن پس کشیده چسبنده خیلی بیشتر از مقاومت نهایی بتن پس کشیده غیر چسبنده مشابه میباشد.