اطلاعات کامل در مورد بتن پیش تنیده
TXT
txt 04 f 2016
اطلاعات کامل در مورد بتن پیش تنیده
در مورد بتن پیش تنیده
پیش تنیدگی عبارت است از ایجاد یک تنش ثابت و دائمی در یک عضو بتنی به نحو دلخواه و به اندازه لازم ، به طوریکه در اثر این تنش ، مقداری از تنش های ناشی از بارهای مرده و زنده در این عضو خنثی شده و در نتیجه مقاومت باربری آن افزایش پیدا می کند .
هدف اصلی از پیش تنیده کردن یک عضو بتنی ، محدود کردن تنش های کششی و ترک های ناشی از لنگر خمشی ، تحت تاثیر بارهای وارده در آن عضو می باشد .
بتن جسمی است مقاوم در مقابل فشار ، ولیکن مقاومت آن در مقابل کشش بسیار کم می باشد ، بنابراین می توان 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 …
مقدمه پیش تنیدگی
یوجین فریسنه در سال 1936 ادعا کرد که موفق به ساخت ماده ساختمانی نوینی شده است او در کنفرانسی در لندن فشار داخلی برابر 14 مگاپاسگال را به یک لوله پیش تنیده پر از آب وارد کرد لوله مورد نظر پیش از نشست کردن فشاری معادل ده برابر فشاری که همان لوله از جنس بهترین بتن آرمه و با همان ابعاد می توانست تحمل کند را تحمل کرد،او نام سخنرانی خود را انقلاب در روش کاربرد بتن نامید
مفهوم پیش تنیدگی
پیش تنیدگی عبارت است از ایجاد یک تنش ثابت و دائمی در یک عضو بتنی به نحو دلخواه و به اندازه لازم ، به طوریکه در اثر این تنش ، مقداری از تنش های ناشی از بارهای مرده و زنده در این عضو خنثی شده و در نتیجه مقاومت باربری آن افزایش پیدا می کند .
هدف اصلی از پیش تنیده کردن یک عضو بتنی ، محدود کردن تنش های کششی و ترک های ناشی از لنگر خمشی ، تحت تاثیر بارهای وارده در آن عضو می باشد .
بتن جسمی است مقاوم در مقابل فشار ، ولیکن مقاومت آن در مقابل کشش بسیار کم می باشد ، بنابراین می توان 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 .
مزایای بتن پیش تنیده نسبت به بتن معمولی
1- برای یک دهانه بارگذاری داده شده باید مقطع کوچکتری برای پیش تنیده در نظر گرفت این صرفه جویی در بار مرده در سازه های با دهانه زیاد مثل پل ها که بار مرده بخش بزرگی از بار را تشکیل میدهد اهمیت بسزایی دارد .در این مورد به غیر از صرفه جویی در بتن مصرفی اعضای شالوده نیز ارزان تر خواهد شد واین مورد برای پی های ضعیف بسیار مناسب است. و به دلیل حذف بعضی از ستون ها و پایه ها ، امکان اجرای سازه با دهانه های بزرگتر را امکان پذیر ساخته و قابلیت سازه از نظر معماری را افزایش می دهد .
2- با پیش تنیده کردن مناسب می توان یک سازه بدون ترک بدست آورد این مورد در سازه هایی که دوام برای ما اهمیت دارد مناسب است.
3- پیش تنیدگی وسیله ای برای کنترل خیز است.یک نیروی پیش تنیدگی بر محور نسبت به مرکز سطح مقطع موجب خیز قاعم شده است که خلاف جهت خیز حاصل از بارگذاری است با پیش تنیدگی مناسب می توان خیز را کاهش داد و یا از بین برد .
4-در سازه های 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 می گیرد ، و این خود یک نوع امتحان از نظر مطمئن بودن بتن و فولاد می باشد .
5-با تغییر مقداری نیروی پیش تنیدگی می توان سازه را صلب و یا انعطاف پذیر کرد ، بدون اینکه مقاومت نهایی آن تغییری بکند.
معایب بتن های پیش تنیده
1- قسمت عمده و در برخی موارد تمام مقطع بتنی در تمام شرایط بار گذاری زیر فشار بوده و این به معنای آن است که مشکلات مربوط به حرکت های خزش بلند مدت افزایش خواهد داشت.
خزش: خواصیتی از بتن است که به علت آن بتن به تغییر شکل خود در اثر بارهای وارده دراز مدت تحت تنش ثابتی که در محدوده قابل قبول الاستیک می باشد ادامه می دهد با افزایش زمان بار گذاری مقدار تقییر شکل افزایش یافته و تغییر شکل الاستیک نیز می دهد که مقدار کل آن می تواند چند برابر تغییر شکل های کوتاه مدت الاستیک باشد.
مکانیسم داخلی خزش: در اثر یک یا ترکیبی از عوامل زیر میباشد
1- بسته شدن حفرات داخلی
2- خارج شدن آب از سیمان در اثر بار خارجی
3- سیلان کریستالی مواد دانه ای
عواملی که به مقدار خزش اثر می گذارند:
1- اجزای تشکیل دهنده بتن ( ریزی سیمان – مواد مضاف – دانه بندی و …)
2- نسبت آب به سیمان
3- رطوبت و درجه حرارت هوایی که بتن در آن عمل میاید
4- رطوبت نسبی هوایی که بتن در آن استفاده میشود
5- مدت بارگذاری
6- عمر بتن
7- مقدارتنش
8- مقدار اسلامپ
9- نسبت سطح به حجم
جمع شدگی یا افت:
کاهش حجم بتن بدون وابستگی به نیروی خارجی که عموما در اثر خروج آب می باشد .
عوامل بوجود آورنده جمع شدگی همان عوامل به وجود آورنده خزش اند مخصوصا آن عوامل که به کاهش رطوبت تاثیر می گذارد.
با توجه به آن که بتن به علت پدیده خزش دچار کاهش طول بر اثر گذشت زمان می شود و نیز تحت پدیده جمع شدگی که از دست دادن آب در رطوبت می باشد دچار کاهش طول میگردد لذا این دو پدیده با هم باعث کوتاه شدن بتن معادل با کرنش 0/0001 می باشد
از طرفی فولاد با مقاومت معمولی و در عملیات پیش تنیدکی نمی توان بیش از کرنش معادل 0/015 تحت کشش قرار داد.بنابراین بر اثر گذشت زمان بسیاری از این پیش کشیدگی از بتن می رود حال که مفتول فولادی با مقاومت بالا را می توان تا 0/007 افزایش طول داد بنابراین حتی با افت معادل یک هزارم هنوز شش هفتم نیروی پیش تنیدگی در فولاد باقی خواهد ماند.
2- نیاز به کنترل کیفیت بیشتری هم برای تولید مصالح و هم به لحاظ نسبت مکان فولادهای پیش تنیده در سازه لازم است.
3 -فناوری لازم برای پیش تنیدگی از لحاظ تجهیزات و پرسنل فنی گران است.
دو روش کلی برای پیش تنیدگی وجود دارد
1- پیش کشیدگی : فولاد قبل از بتن ریزی کشیده می شود.
2- پس کشیدگی : فولاد پس از بتن ریزی کشیده می شود.
نکته: نتیجه پیش تنیدگی خیز منفی می باشد.
معیار اساس پیش تنیدگی
همان طور که می دانید معیار اساسی طراحی سازه های بتن آرمه چه پیش تنیده چه غیر پیش تنیده عبارت اند از قرار دادن آرماتورهای فولادی در مواقعی که در اثر بارگذاری تحت کشش قرار میگیرد اما در بتن پیش تنیده آرماتور با مقاومت زیاد به کار می رود این آرماتور بیش از اعمال بار خارجی کشیده می شود .
این کشش اولیه بتن مجاور را پیش فشرده می کند و موجب میشود که بتن بار بیشتری را پیش از ترک خوردگی تحمل کند.
فولاد غیر پیش تنیده وقتی تحت کرنش قرار میگیرد که بتن اطرافش دچار کرنش شده باشد بنابراین کرنش های کشش زیاد فقط در صورتی در این فولاد ایجاد میشود که بتن اطراف به شدت ترک خورده باشد(به دلیل چسبندگی).
کرنش درفولاد پیش تنیده خیلی بیشتر از کرنش موجود در بتن اطراف آن است.
به این دلیل حتی قبل از ترک خوردگی بتن فولاد پیش تنیده ممکن است دارای تنش های کششی زیادی باشد
می توان تصور کرد که فولاد غیر پیش تنیده به طور غیر مستقیم کرنش های وارد را قبول می کند(به دلیل پیوستگی با بتن).
به کمک پیش تنیدگی این طراح است که به صورت مستقیم تنش موجود را کنترل و تغییر شکل های سازه را تنظیم می کند.
نمونه هایی از چند سازه پیش تنیده
دال پیش تنیده : چون پیش تنیدگی به ما این امکان را میدهد که ترک خوردگی زیر بار سرویس را(بدون ضریب) به حداقل برسانیم و خیزها را کنترل کنیم بنابراین سازه ها لاغر تر از این روش به دست می آید.
انواع پل های پیش تنیده
پل های ساده رو گذر شاه راه ها که از تیر های آی شکل پیش کشیده ساخته می شود
پل های جعبه ای بتن کشیده با دهانه های بیش از صد متر
پل های کابلی با دهانه های بیش از 300متر
طراحی سازه های پیش تنیده
هدف طراحی سازه ها همواره ایجاد یک سازه ایمن ، قابل استفاده ، با دوام ، اقتصادی و جذاب است .
برای رسیدن به این هدف مهندس سازه باید به اصول اساسی حاکم بر رفتار بتن پیش تنیده احاطه کامل داشته باشد.
طراحی را می توان به سه فاز مشخص و در عین حال مرتبط با یکدیگر تقسیم کرد:
1- طرح اولیه
2- تحلیل
3- تعیین ابعاد و جزییات
طرح اولیه سخت ترین مرحله طرح است و بیشترین خلاقیت را می طلبد در این فاز شکل سازه انتخاب میشود ،ابعاد مقدماتی و مسیر های پیش تنیده تعیین و بار های طراحی مشخص میشود.
با نگرش به کاربرد مورد نیاز سازه طراحی بر مبنای تجزیه ، هنر ، دانش روش های ساختمانی و … تشکیل می گیرد . طراح می کشد تا با تکیه بر آموخته های پیشین خود به اقتصادی ترین راه حل با توجه به مجموع شرایط حاکم برسد.
نکته: در فازتحلیل سازه واقعی به صورت مجموعه ای از المان های متشکله آن مدل می شود به نحوی که بتوان توزیع بار وارد به هر المان را مشخص کرد سپس تنش ها و نیرو های مقطع در سراسر سازه محاسبه می شود.
در فاز تعیین ابعاد و جزییات بازتاب تک تک اعضای سازه در مقابل نیرو های داخلی بار وارد بر آن بررسی و ابعاد کنترل و مقادیر مورد نیاز فولاد پیش تنیدگی مشخص می شود.
روش های پیش تنیدگی
سیستم پیش کشیده
در این روش تاندون های فولادی بین دو گیره انتهایی کشیده می شوند و اعضای بتن از اطراف آن تاندون ها ریخته می شوند ، هنگامی که بتن به اندازه کافی سخت شد گیره های انتهایی آزاد و در نتیجه نیروی پیش تنیدگی در اثر پیوستگی بین بتن و فولاد به بتن منتقل می شود سپس انتهای بیرون آمده تاندون ها بریده می شوند تا سطح صاف شود در این اعضا تاندون ها به شکل وایر یا مفتول می باشند ،در اعضای پیش کشیدگی تعداد زیادی مفتول در جای خود قرار می گیرند تا نیروی پیش کشیدگی لازم بوجود آید.
علت تعداد زیاددمفتول آن است که چون انتقال نیرو توسط پیوستگی بین بتن و فولاد صورت می گیرد باید سطح تماس زیادی بین بتن و فولاد ایجاد شود.
در بیشتر کاربرد های بتن پیش کشیده فضای بین تاندون و قلاف با دوغاب سیمان زیر فشار تزریق می شود این عمل از تاندون ها در مقابل زنگ زدگی حفاظت می کند همچنین باعث بهبود ظرفیت مقاومت نهایی بازو می شود.
سیستم پیش کشیده و گیره ها
از گیره ها برای نگه داری تاندون ها در حالت کششی تا زمانی استفاده می شود که بتن به اندازه کافی سخت شود ،این گره ها باید قابلیت استفاده مجدد را داشته باشند. عمومی ترین سیستم آرایش بشکه ای و قوه ای منفرد است. زمانی که تاندون ها تا نیروی مورد نیاز کشیده شده اند جک آزاد میشود و همراه انقباض قوه ها به سطح تاندون و بشکه قفل میشود و بشکه نیز به طور مستقیم با بلوک مهاری در تماس اند و این بلوک ها نیرو پیش تنیدگی را در طول بتن پیش تنیدگی به انتهای دیگر انتقال می دهد.
زمانی که بتن موجود اعضا به مقاومت کافی رسید برای انتقال رأس یک پایه ای پیش ساخته بین بلوک مهاری و جک قرار داده می شود اعمال نیرو به تاندون ها از فشار گیره کاسته می شود و گیره الحاقی که در این جا شل شده بیرون آورده می شود پس از آن جک آزاد شده و نیرو در سیستم منقلب می شود.
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 خاصیت های مهم بتن پیش کشیده این است که می توان چندین عضو یک شکل را در آن واحد بین دو تکیه گاه ریخته و پس از گرفتن بتن با قطع کردن کابل های مشترک ، آنها را از هم جدا کرد . این کار از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه می باشد ، زیرا عمل کشیدن کابل ها برای تمام عضوها فقط یکبار انجام می شود.
سیستم پس کشیده
در این حالت نیروی پیش تنیدگی به این ترتیب اعمال می شود که تاندون های فولادی به وسیله جک ها کشیده می شود به نحوی که واکنش این جک ها به یک عضو بتنی که پیش از این ریخته شده وارد می شود تاندون از داخل قلاف ها که از قبل در عضو بتنی تعبیه شده اند می گذراند، هنگامی که تاندون ها تا نیروی کامل خود کشیده شده اند نیروی جک به وسیله گیره های مخصوص قرار داده در بتن منتقل می شود.
نیروی پیش تنیدگی در اعضای پس کشیده به منظور معمول با تعداد زیادی وایر یا مفتول تامین می شود که به صورت گروهی تاندون بزرگی را تشکیل داده و به کمک گیره ها ثبت می شود.
نیروی متمرکز اعمال شده در گیره های پیچیده ای از تنش را در بتن اطراف به وجود می آید به نحوی که لازم است از آرماتور های ویژه ای جهت جلو گیری از شکافتن بتن استفاده شود.
کاربرد پیش تنیدگی
در سازه‌های پارکینگ ها، ساختمان (آپارتمانها) و در دفاتر کار، دالهای بتنی روی زمین، پلها و ورزشگاه‌ها، حفاری‌های سنگ و خاک، تانکهای ذخیره آب و مواد شیمیایی و … پیش تنیدگی می‌تواند باعث مزایای فراوانی گردد. در بیشتر حالت‌ها اجرای سیستم پیش تنیدگی باعث میشود بسیاری از ملزومات دشوار معماری طرح رعایت و محدودیت‌های موجود برطرف گردد. پیش تنیدگی تقریباً در تمام انواع سازه‌ها کاربرد دارد. در سازه ساختمان‌ها، پیش تنیدگی اجازه ایجاد دهانه آزاد بیشتری بین تکیه گاه‌ها میدهد. ضمناً ضخامت دالهای بتنی نیز کمتر بوده، تیرها کمتر و لاغرتر نیاز است. امکان ساخت اعضا سازهای چشمگیر و نمایشی از مزایای پیش تنیدگی است. دال نازکتر به معنای استفاده کمتر از بتن میباشد به علاوه این که ارتفاع کلی ساختمان برای ارتقای کف تا کف یکسان نسبت به ساختمانی که از سیستم پیش تنیدگی استفاده نشده کمتر میباشد؛ بنابراین سیستم پیش تنیدگی باعث میشود وزن سازه به طور قابل توجهی نسبت به ساختمان بتنی معمولی با همان تعداد طبقات کاهش یابد. این موضوع باعث کاهش بار فندانسیون میشود و می‌تواند مزیت اصلی آن برای نواحی لرزه خیز باشد. در مقایسه با ساختمان با شرایط مشابه یک ساختمان کوتاه به سیستم‌های مکانیکال کمتر و همچنین هزینه نمای خارجی کمتری احتیاج دارد؛ لذا صرفه اقتصادی نیز حاصل شده‌است.
محاسن دیگر سیستم پیش تنیدگی این است که تیرها و دالها می‌توانند ممتد اجرا شوند. به عنوان مثال یک تیر تنها می‌تواند به طور ممتد از یک انتهای ساختمان به انتهای دیگر آن امتداد یابد. از نظر سازهای این حالت بسیار کارآمدتر از این است که یک تیر فقط از یک ستون به ستون بعدی امتداد داشته باشد. سیستم پیش تنیدگی برای سازه‌های پارکینگ نیز استفاده میشود و علت آن این است که انعطاف پذیری زیادی برای طراحی ستون‌ها، طول دهانه آزاد و شکل رمپ به طراح میدهد. پارکینگ‌هایی که در آنها از سیستم پیشتنیدگی استفاده شده‌است هم می‌توانند به عنوان یک سازه مستقل باشند و هم به عنوان یک یا چند طبقه در یک ساختمان مسکونی و یا اداری قرار داشته باشند. در نواحی که از خاک رس روان یا خاک‌هایی با ظرفیت باربری پایین تشکیل شده‌اند، استفاده از دالهای روی زمین و یا فندانسیون‌های گسترده با سیستم پیش تنیدگی مشکلات ناشی از ترک و نشت‌های نامتقارن را از بین می‌برد. این روش برای ساخت پلها با شرایط مختلف هندسی نظیر انحناهای پلها و پل‌هایی با ارتفاع اهمیت زیادی دارد. ضمناً روش پیش تنیدگی امکان ساخت پلها با دهانه خیلی زیاد را بدون استفاده از تکیه گاه‌های میانی پل بوجود می‌آورد.
در ورزشگاه‌ها نیز این سیستم باعث میشود دهانه‌های آزاد بزرگتری اجرا شود و در نتیجه امکان اجرای طرح‌های معماری زیبایی به وجود می‌آید. این سیستم به عنوان مهاری نفوذ کننده در عمق خاک و سنگ نیز استفاده میشود و به عنوان اعضا کششی برای نگاه داری دیواره‌های جانبی در سازه‌ها مانند دیواره راهها، تونل‌ها، دیواره حوضچه‌های خشک ساخت و تعمیر کشتی و به عنوان نگهدارنده کف سازه‌هایی که تحت اثر نیروی بالا برندگی قرار دارند (مانند سازه آبگیر) پروژه‌های پتروشیمی و پالایشگاه‌ها استفاده فراوان دارد. ضمن این که برای پایدار سازی شیب زمین‌ها و ترانشه‌ها نیز قابل استفاده هستند. نمونه دیگر مصرف این سیستم در صنایع نفت و گاز و پالایشگاه‌ها مربوط به تانکهای بتنی ذخیره گاز و مایعات گازی است که در آنها ضریب بالایی جهت اطمینان از عدم وجود ترک در سازه بتنی مطرح است. ضمن این که سازه تانک ذخیره‌سازی در راستای عمودی و افقی به زمین طوری دوخته میشود که ایمنی آن در مقابل هرگونه انفجار تضمین میشود.
حوادث مرتبط با بتن پیش تنیدگی
در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ استفاده از پیش تنیدگی در پلها بسیار محبوبیت یافت. اما حوادث چندی موجب تردید در استحکام این سازه‌ها در بلند مدت شد. در برخی موارد، به دلیل ضعف کنترل کیفیتدر هنگام ساخت، لوله‌های تاندونهای فولادی بطور کامل با گروت پر نمی‌شوند و بخشهایی از فولاد در معرض خوردگی قرار میگیرد. خوردگی فولاد در صورتیکه آب و یونهای کلر (مثلاً از نمک پاشی در زمستان) امکان تجمع در بخشهای خالی را پیدا کنند تشدید میشود.
تعدادی از حوادث قابل توجه در زیر آمده است:
پل Ynys-y-Gwas در West Glamorgan، ولز در سال ۱۹۸۴ فرو ریخت.
پل Melle، ساخته شده در دهه ۱۹۵۰ در بلژیک، در سال ۱۹۹۲ در پی خوردگی فولادهای پیش تنیدگی فرو ریخت.
مجروح شدن اشخاص در سال ۲۰۰۰ در اثر فروریزش بخشی از پل عابر پیاده در Charlotte Motor Speedway آمریکا. در این مورد، عامل خوردگی کلرید کلسیمی بود که هنگام ساخت سازه با بتن مخلوط شده بود.
خیابان هوایی Hammersmith Flyover در لندن در سال ۲۰۱۲ در پی کشف مشکلاتی در سیستم تنشی آن بر روی رفت‌وآمد بسته شد.
دیدگاه ها