سازه پیش تنیده

سازه پیش‌تنیده (Prestressed structure) سازه ای که با ترکیب رشته‌ها یا میلگردهای فولادی (Tendonn) و بتن ساخته می شود که با تحت کشش قرار دادن کابل های فولادی باعث افزایش ظرفیت باربری بتن می‌شود. میله‌های فولادی در پروسه ساخت یا پس از ساخت، تحت کشش (جک‌های هیدرولیک) قرار می‌گیرند. این امر باعث می‌شود که بتن موجود در سازه تحت تنش فشاری قرار بگیرد. از آنجا که مقاومت بتن در فشار بسیار بیشتر از مقاومت آن در کشش است، اعمال این بارهای خارجی به سازه، موجب کاهش تنش کششی در بتن می‌شود؛ بنابراین بتن موجود یا تحت تنش کششی قرار نمی‌گیرد یا مقدار بسیار کمی تنش کششی (کمتر از استحکام شکست بتن) تحمل می‌ نماید،که قابلیت تحمل بار سازه با بتن تحت فشار بسیار بیشتر از سازه مشابه بدون پیش تنیدگی است.

مزیت های پیش تنیدگی :

بتن در برابر فشار بسیار مقاوم  اما در برابر کشش ضعیف می باشد. به طور مثال وقتی نیرویی کششی در مقطع آن عمل نماید، ترک می‌خورد. معمولا در سازه‌های بتنی وقتی باری شبیه به خودرو در یک پارکینگ بر روی دال بتنی و یا تیرها قرار گیرد، تیر تمایل به انحنا و خم شدن پیدا می کند. این تغییر شکل خمیدگی باعث می‌شود پایین تیر اندکی دچار کشیدگی و ازدیاد طول (کرنش، Strainn) شود. معمولاً همین مقدار اندک کشیدگی برای ایجاد ترک در بتن کافی می باشد. میل گردهای تقویتی(bars) فولادی به صورت مدفون در بتن به عنوان تقویت کشش برای محدود کردن عرض ترک قرار داده می‌شود. میلگردها در این حالت وقتی فقط به صورت مدفون در بتن قرار می گیرند به صورت نیروهای Passive عمل می‌ نمایندو تا زمانی که خیز در بتن به مرحله قبل از ایجاد ترک نرسیده است نیرویی را تحمل نمی‌کند. اما Tendon یا همان فولادهای پیش تنیدگی به صورت نیروهای Activee در سیستم عمل می‌کنند. در سیستم پیش تنیدگی فولاد به عنوان عامل مقاوم و مؤثر می‌ باشد. به طوری که امکان بوجود آمدن ترک در بتن وجود نخواهد داشت. سازه‌های پیش تنیده حتی اگر تحت بارگذاری کامل قرار گیرند، می‌توانند طوری طراحی شوند که کمترین خیز و ترک در سازه ایجاد نمایند.

اجرای سیستم پیش تنیدگی در مراحل ساخت، سرهم کردن قطعات (مونتاژ)، برپاسازی و نصب در موقعیت به دانش تخصصی و فنی نیاز دارد، مفهوم کلی کار را با مثال زیر توضیح می دهیم:اگر تعدادی بلوک چوبی که درون آن‌ها سوراخی اجرا شده‌است و از میان سوراخ نوار لاستیکی عبور داده شود و دو طرف انتهای نوار لاستیکی را نگاه داریم، بلوک‌ها از قسمت پایین از هم جدا می گردند. در این شرایط پیش تنیدگی توسط قرار دادن یک جفت مهره در دو انتهای نوار لاستیکی قابل توضیح است بطوری که با پیچاندن مهره‌ها کم‌کم بلوک ها در قسمت پایین به هم نزدیک شده و نهایتاً به طور محکم به هم فشار می آورند. در این حالت اگر از دو قسمت انتهایی مجموعه را بلند کنیم این بار مجموعه بلوک‌ها از هم جدا نمی‌شود و بطور مستقیم و در کنار هم موقعیت خود را حفظ می‌نمایند. این نوار لاستیکی محکم شده در واقع همان Tendon (فولادهای پس تنیدگی) در مقیاس واقعی می‌باشند که توسط وسایل مهاری گوه‌ای شکل در محل انتهایی بسته می‌شوند.

انواع پیش تنیدگی :

• آزاد Unbonded

• چسبیده (Bonded(grouted

  در حالت آزاد کابل یا میلگرد فولادی با بتن اطراف چسبندگی ندارد. بیشتر سیستم‌های آزاد به صورت تک رشته‌ای هستند که در دال و تیرهای ساختمان‌ها، پارکینگ‌ها و دال های روی سطح زمین از این سیستم استفاده می‌ کنند. یک رشته کابل (Strand) از هفت رشته سیم مفتول تشکیل می‌شود. که با نوعی گریس جهت حفاظت خوردگی پوشیده می‌شود و کل مجموعه درون یک روکش پلی اتلین قرار می گیرد.

  در ابتدا و انتهای کابل‌ها نیز از یک صفحه فولادی سوراخ دار به همراه گوه‌هایی فولادی دو تکه استفاده می‌ کنند و این گوه‌ها طوری طراحی شده اند که کابل را درون خود محکم نگاه می‌دارند. در سیستم‌های چسبیده دو یا چند رشته از درون یک مجرای محافظ فلزی یا پلاستیکی عبور داده می‌شود در حالی که این مجرا از قبل به صورت مدفون در بتن کار گذاشته می‌شود. رشته‌هاها توسط یک جک کششی بزرگ مهار شده و کشیده می‌ گردند. سپس مجرای لوله‌ای(Duct) توسط گروت که ماده‌ای بر پایه سیمان می باشد پر می‌ گردد.

• استفاده از این گروت هم باعث محافظت از خوردگی کابل‌های فولادی می‌شود هم این که باعث انتقال نیروی کششی بین استرندها و مجرای لوله‌ای (Duct) شده و گیرداری طول مشخصی از فولاد (Tendon) را در محیط اطراف موجب می‌شود. دیواره‌های حایل خاک و سنگ (مثلاً انواعی که در کنار جاده‌ها جهت جلوگیری از ریزش کوه احداث می‌شوند) نیز از نوع سیستم Bonded (گیرداری) اما با قدری تفاوت در مراحل اجرای لنگرگذاری می باشند، به طوری که به وسیله دستگاه حفاری سوراخ مدنظر به همراه یک غلاف لوله‌ای (Casing) جهت جلوگیری از ریزش خاک و سنگ در محل ایجاد می‌ کنند.
• این کار ممکن است در دیواره یک تونل و یا دیواره حایل شیت پایلی و توده خاک پشت آن انجام شود. در درون Casing عبور داده شده و سپس عملیات تزریق گروت آغاز می‌ گردد. بعد از این که گروت به مقاومت مدنظر رسید عملیات کشش Tendon آغاز می‌شود. در حالت پایدار سازی زمینه‌ای شیب دار (ترانشه‌ها) و یا دیواره تونل‌ها استفاده از انکر گذاری باعث نگهداری خاک سست و سنگ و پیوستگی آن دو با هم می‌شود، به طوری که وقتی عملیات خاکبرداری داخل آغاز می‌شود، فشار پشت توسط نیروی پیش تنیدگی انکر خنثی می‌ گردد و دیواره شیت پایل در محل خود استوار است.

اجزای مورد نیاز در پیش تنیدگی :

در ساختار آزاد (Unbonded) پوشش پلاستیکی به عنوان منفصل و جداکننده نیروی مهاری بین رشته‌های پیش تنیدگی و بتن اطراف عمل می‌نماید. چیزی که به عنوان ناحیه آزاد (LFF) مطرح می‌ گردد. این پوشش باعث محافظت از رشته‌ها در برابر صدمات مکانیکی می‌شود، به عنوان یک مانع عمل می‌ نماید که از نفوذ رطوبت و مواد شیمیایی به رشته جلوگیری می‌کند. بعلاوه پوشش، گریس مخصوص محافظ رشته فولادی، باعث کاهش اصطکاک بین رشته فولادی و پوشش پلاستیکی آن شده و محافظت مضاعفی دربرابر خوردگی ایجاد می‌ نماید.

قسمت‌های مربوط به مهار کردن و بستن (Anchor Head):

در سیستم های آزاد ،لنگرگاه و مهار کردن از بخش های مهم آن می باشد.پس از این که بتن عمل آوری شد و به مقاومت لازم رسید گوه‌ها داخل صفحه مخصوص (Wedge Plate) قرار داده می‌شوند و رشته‌ها کشیده می‌ گردند. پس از برداشتن جک، رشته فولادی به آرامی جمع می‌ گردد و گوه‌ها را به درون لنگر گاه می‌کشد و این کار باعث ایجاد قفل شدگی محکم در رشته فولادی می‌شود؛ بنابراین گوه‌ها نیروی موجود در Tendon را حفظ می‌ نمایند و آن را بتن محیط اطراف منتقل می‌کنند. در محیط‌های خورنده قسمت مهار کننده (anchorhead) و دم‌های رشته‌های فولادی بیرون زده توسط یک پوشش کلاهک برای حفاظت بیشتر پوشانده می‌شوند.

سازه‌های بتنی پیش تنیده آزاد (Unbonded):

در کارخانه بصورت پیش ساخته تولید می‌  گردند و به محل استفاده (به صورت آماده جهت نصب) منتقل می‌شوند. سپس رشته‌های پیش تنیدگی به شکلی که در نقشه‌های نصب مشخص شده‌اند در محل قرار داده می‌شوند. در نقشه‌های نصب فاصله آنها از هم، شکل حرکتی آن در طول (ارتفاع هر قسمت آن از سطح قالب) و محل‌هایی که باید کشیده شوند، مشخص شده است. بعد از آن بتن ریزی انجام می‌ گردد و وقتی به مقاومت لازم بین 3000-3500 psi رسید، رشته‌ها کشیده شده و قفل می‌شود.

اصولاً Tendon شبیه یک نوار لاستیکی تمایل به برگشت به حالت طول اولیه دارد در حالی که قسمت مهارکننده(Anchor head) از حرکت آن جلوگیری می‌ نماید. در واقع رشته‌ها به طور دایمی تحت تنش قرار دارند که نیروی فشاری در بتن ایجاد می کند. این نیروی فشاری که از سیستم پیش تنیدگی حاصل شده نیروهای کششی ناشی از بارگذاری را خنثی می‌ نماید،بنابراین ظرفیت باربری بتن و یا دیواره شیت پایل در سازه‌های دریایی (اسکله‌ها، حوضچه‌های خشک تعمیر کشتی) به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.

از آنجایی که بتن پیش تنیده در محل پروژه به صورت درجا ریخته می‌شود ،محدودیتی برای شکل دادن وجود ندارد. سازه‌های قوسی شکل، طرح‌های دال های پیچیده مثال هایی از سازه‌های بتنی پیش تندگی می باشند. پیش تنیدگی برای استفاده در تعداد زیادی از پل‌هایی که به زیبایی طراحی شده، جهت استفاده قرار گرفته‌است.

استحکام کششی کابل های فولادی پیش تنیدگی تقریباً در ده سال گذشته دو برابر شده به همین دلیل صنعت پیش تنیدگی به سرعت در حال رشد می باشد.

کاربرد پیش تنیدگی:

در سازه‌های پارکینگ‌ها، ساختمان (آپارتمان ها) و در دفاتر کار، دال های بتنی روی زمین، پل ها و ورزشگاه‌ها، حفاری‌های سنگ و خاک، تانک های ذخیره آب و مواد شیمیایی و … پیش تنیدگی باعث مزایای فراوانی است. اجرای سیستم پیش تنیدگی باعث می‌شود بسیاری از ملزومات دشوار معماری طرح رعایت و محدودیت‌های موجود برطرف شود. پیش تنیدگی در تمامی انواع سازه‌ها کاربرد دارد. در سازه ساختمان‌ها، پیش تنیدگی باعث ایجاد دهانه آزاد بیشتری بین تکیه گاه‌ها است. همچنین ضخامت دال های بتنی نیز کمتر می شود، تیرهای کمتر و لاغرتر مورد نیاز است. امکان ساخت اعضا سازهای چشم گیر و نمایشی از مزایای پیش تنیدگی می باشد.

دال نازکتر به معنی استفاده کمتر از بتن می‌باشد همچنین ارتفاع کلی ساختمان برای ارتقای کف تا کف یکسان نسبت به ساختمانی که از سیستم پیش تنیدگی استفاده نشده کمتر است؛ بنابراین سیستم پیش تنیدگی وزن سازه را به طور قابل توجهی نسبت به ساختمان بتنی معمولی با همان تعداد طبقات کاهش می دهد. که خود باعث کاهش بار فندانسیون می‌شود و مزیت اصلی آن برای نواحی لرزه خیز است.

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 می شود. مزیت دیگر سیستم پیش تنیدگی این است که تیرها و دال ها می‌توانند  به صورت 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 می‌ گردد به علت این که انعطاف‌پذیری زیادی برای طراحی ستون‌ها، طول دهانه آزاد و شکل رمپ به طراح می‌دهد. پارکینگ‌هایی که در آن ها 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 دال های 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 فراوانی دارد. همچنین روش پیش تنیدگی امکان ساخت پل‌ها با دهانه خیلی زیاد را بدون استفاده از تکیه گاه‌های میانی پل بوجود می‌آورد. در ورزشگاه‌ها 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 می‌ گردد 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 فراوانی دارد.

ضمن این که برای پایدار سازی شیب زمین‌ها و ترانشه‌ها نیز قابل استفاده است. نمونه دیگر مصرف این سیستم در صنایع نفت و گاز و پالایشگاه‌ها مربوط به تانک‌های بتنی ذخیره گاز و تیارسازان میعانات گازی است که در آنها ضریب بالایی جهت اطمینان از عدم وجود ترک در سازه بتنی مطرح می باشد . سازه تانک ذخیره‌سازی در راستای عمودی و افقی به زمین طوری دوخته می‌شود که ایمنی آن در مقابل هرگونه انفجار تضمین گردد.