بتن پیش تنیده چیست؟
بتن پیش تنیده چیست؟
بتن تنش فشاری زیادی را تحمل می‌کند اما مقاومت کششی بسیار کمی دارد. به دلیل استحکام کششی پایین، بتن در صورت اعمال حداکثر بارگذاری در ناحیه کششی دچار ترک می‌شود. برای حل این مشکل از آرماتور در ناحیه کششی استفاده می‌شود؛ اما با پیشرفت روزافزون در تکنولوژی بتن، راهکارهای اساسی برای بهبود مقاومت بتن و افزایش مدت زمان تخریب سازه بتنی ایجاد شدند. یکی از این راه حل‌های کاربردی، «بتن پیش تنیده» است. برای درک بهتر این مفهوم با ما همراه باشید.
پیش تنیدگی چیست؟
برای درک بهتر مفهوم پیش تنیدگی (Prestressing) تصویر زیر را مشاهده کنید. وقتی بار را بر روی اعضای بتنی وارد می‌کنیم، اعضا به این شکل خم می‌شوند. می‌توانید فشار را در قسمت بالا و کشش را در قسمت پایین مشاهده کنید و به دلیل این کشیدگی در قسمت پایین، بتن دچار ترک می‌شود.
به همین دلیل است که ما میلگردهایی را در قسمت پایینی اضافه می‌کنیم و آن را کش می‌دهیم تا بتواند در برابر کشش مقاومت بیشتری داشته باشند و بتن را از ترک خوردن نجات دهد. به این موضوع پیش تنیدگی گفته می‌شود. در پیش تنیدگی آرماتورها در امتداد محور خود کشیده می‌شوند. پس از آن هنگامی که میلگردها آزاد شدند، فشرده سازی در ناحیه پایین‌تر ایجاد می‌شود که سعی دارد فشار را به دلیل بارگذاری در قسمت بالای تیر متعادل کند. نیروهای رو به بالا در طول تیر با بارهای سرویس (بار مرده و زنده) که رو به پایین هستند، مقابله می‌کنند.
پیش تنیدگی محدودیت‌های طراحی بتن معمولی را از بین می‌برد و اجازه می‌دهد تا سقف ساختمان‌ها، پل‌ها و تیرها با دهانه بلندتر ساخته شوند.
تعریف بتن پیش تنیده
در بتن پیش تنیده (Prestressed Concrete) تنش‌های داخلی قبل از بتن ریزی به عضو وارد می‌شوند تا بتوانند با تنش‌های کششی تولید شده در بتن بر اثر بار خارجی مقابله کنند. در فرآیند پیش تنش، فولاد قبل از ریختن بتن در قالب کشیده می‌شود.
در فرآیند کشش از تاندون‌های فولادی با استحکام بالا (استحکام نهایی 2100 نیوتن متر بر متر مربع)، بین دو سر آرماتورها استفاده می‌شود. سپس، آرماتورها به اندازه 70 تا 80 درصد از استحکام نهایی خود کشیده می‌شوند.
پس از آن، بتن ریزی انجام می‌شود و تا پایان مرحله عمل آوری آرماتورها به صورت پیش تنیده باقی می‌مانند. هنگامی که بتن قدرت مورد نظر خود را به دست آورد، نیروهای کششی آزاد می‌شوند. هنگامی که فولاد با تنش بسیار زیادی سعی می‌کند تا منقبض شود (به حالت اولیه درآید)، بتن فشرده می‌شود و در یک حالت دائمی پیش تنش برای حفظ استحکام خود قرار می‌گیرد.
یک سازه بتنی را برای مقاومت نهایی طراحی می‌کنند. بدین معنا که در بدترین حالت، ساختار نباید فرو ریزد یا مدت زمان تخریب بیشتر شود. با افزایش مدت زمان ریزش عضو بتنی، ساکنان فرصت بیشتری دارند که بتوانند از ساختمان بیرون بروند. یکی دیگر از معیارهای مهم طراحی این است که هنگام اعمال بار به سازه نباید هیچ انحرافی (تغییر شکل) وجود داشته باشد.
اهمیت استفاده از بتن پیش تنیده
قبل از خرابی هر سازه بتنی، ترک‌هایی در بتن ایجاد می‌شوند و سپس سازه فرو می‌ریزد و ترک‌های بزرگتری نیز در اثر انحراف یا گشتاور در سازه ایجاد خواهند شد. وقتی آب با این ترک‌ها تماس پیدا می‌کند، فولاد دچار خوردگی می‌شود. برای جلوگیری از این ترک‌ها، افزایش قدرت عضو و کاهش پیش تنیدگی انجام می‌شود.
پیش تنیدگی به معنی کشش آرماتور است. برای مثال، فقط یک پل روی رودخانه را در نظر بگیرید. اگر بخواهیم این پل را با بتن مسلح معمولی بسازیم، باید عمق دهانه را افزایش دهیم که با این کار فضای کافی برای عبور کشتی‌ها در زیر پل وجود نخواهد داشت. بنابراین، برای داشتن عمق کمتر، دهانه طولانی‌تر و پیش تنیدگی بیشتری انجام می‌شود.
بنابراین، پیش تنیدگی بتن به دلایل زیر انجام می‌شود:
- کاهش ترک‌ها در ناحیه کششی
- افزایش مقاومت فشاری بتن
- عدم خوردگی آرماتورها در اثر ترک
- کاهش سطح مقطع عضو بتنی
- افزایش مدت زمان تخریب سازه
بتن پیش تنیده با دوام ترین، قابل اطمینان‌ترین و قوی‌ترین بتنی است که به طور گسترده برای ساخت ساختمان‌های بزرگ و پل‌ها استفاده می‌شود. این بتن برای ساختن سازه‌های بدون ترک و مقابله با اثرات انقباض و دما بسیار مفید است.
بتن پیش تنیده اجازه می‌دهد تا تیرها با طول دهانه بیشتری ساخته شوند و بتوانند ظرفیت حمل بار نهایی را برای سطح مقطعی یکسان افزایش دهند. با این حال، روند ساخت در بتن پیش تنیده نیاز به نظارت گسترده و تجهیزات پیچیده دارد.
انواع بتن پیش تنیده
با توجه به روش ساخت، دو نوع بتن پیش تنیده وجود دارند که به شرح زیر هستند:
بتن پیش کشیده (Pre-tensioned Concrete)
در این روش ابتدا تاندون‌ها کشیده می‌شوند و بعداً بتن ریخته خواهد شد تا پیوند خوبی بین میلگردها و بتن ایجاد شود. در نتیجه، آرماتورها از خوردگی محافظت شده و تنش فشاری مستقیماً به بتن منتقل می‌شود.
میلگردها سعی می‌کنند به طول اولیه خود برگرند اما در برابر پیوند قوی که با بتن ایجاد کرده‌اند، مقاومت فشاری بتن را افزایش می‌دهند. این روش کاربردهای بسیاری برای جاده‌ها، پل‌ها، راه آهن، تونل‌ها، سدها، ساختمان‌های مهم شهری، ساختمان‌های صنعتی، فرودگاه‌ها و بنادر، سازه‌های خاص یا هر نوع سازه بتنی پیش تنیده دارد.
بتن پس کشیده (Post-tensioning Concrete)
این روش مشابه پیش تنیدگی است اما در ابتدا بتن ریخته شده و سپس میلگردها کشیده می‌شوند. آرماتورها در مکان‌های مناسب عضو قرار می‌گیرند و بعد از آن بتن ریزی انجام می‌شود. پس از سفت شدن بتن، میلگردها توسط جک‌های هیدرولیکی کشیده می‌شوند.
پس از برداشتن جک‌ها، کشش باقی می‌ماند و فشار را به بتن منتقل می‌کند. انتهای اضافی میلگردها بریده می‌شوند و مجرا برای جلوگیری از زنگ زدگی، دوغاب زده و با بتن پوشانده می‌شود. این روش به طور گسترده در ساختن دال‌ها برای پروژه‌های بزرگ ساختمانی و پل‌ها استفاده می‌شود.
مزایای بتن پیش تنیده
- طول اعضای پیش تنیده در مقایسه با اعضای بتن مسلح معمولی طولانی‌تر است.
- طول دهانه بیشتر باعث افزایش فضا می‌شود.
- احتمال خوردگی فولاد و خرابی بتن نیز کاهش می‌یابد زیرا بتن عاری از ترک خواهد بود.
- ماندگاری و طول عمر عضو بتنی بیشتر می‌شود.
- اعضای بتنی پیش تنیده به دلیل عدم وجود ترک قادر به تحمل تنش، ضربه و ارتعاش هستند.
- عملاً بارهای مرده در یک تیر بتنی پیش تنیده، خنثی هستند. در نتیجه، وزن بار مرده سازه کاهش می‌یابد که این منجر به کاهش مصرف مصالح می‌شود.
- اسلب‌های نازکی که برای ساختمان‌های بلند مرتبه ساخته می‌شوند، می‌توانند ضخامت کمتری داشته باشند.
- برخلاف عناصر بتنی معمولی، کل سطح مقطع بتن پیش تنیده، در برابر بارهای وارد شده مقاومت می‌کند. بدین دلیل که بتن در ناحیه کششی دچار ترک خوردگی نمی‌شود و در نتیجه در حمل بار شرکت می‌کند.
- استفاده از میلگردهای پیش تنیده به مقاومت بتن در برابر برش کمک می‌کنند.
- مقدار فولاد مورد نیاز در بتن پیش تنیده یک سوم مقدار مورد نیاز برای بتن مسلح است، اما فولاد مورد نیاز باید از مقاومت کششی بالایی برخوردار باشد.
- سازه‌های ساخته شده با بتن پیش تنیده دارای هزینه کمتری هستند و مقاوم در برابر ترک خوردگی هستند.
- از بتن پیش تنیده می‌توان در تمام سازه‌هایی که تنش ایجاد می‌کنند، استفاده کرد.
- تیرهای بتنی پیش تنیده معمولاً انحراف و تغییر شکل کمی دارند و برای مناطق با لرزه خیزی بالا بسیار مفید هستند.
معایب بتن پیش تنیده
- بتن پیش تنیده نیاز به بتن با تراکم بالا دارد.
- این بتن به فولاد کششی قوی نیاز دارد که تفریباً 2 تا 3 برابر گران‌تر از فولاد معمولی است.
- فرایند پیش تنیدگی نیاز به تجهیزات پیچیده دارد.
- ساخت بتن پیش تنیده نیاز به نظارت و تخصص بالا دارد.
چرا برای پیش تنیدگی به فولاد مقاوم نیاز است؟
فولاد مورد استفاده در بتن مسلح معمولی دارای نقطه تسلیم 200 تا 300 نیوتن بر میلی متر مربع است. اگر از چنین فولادی استفاده شود و در مرحله تنش تحت فشار نیروی 200 نیوتن به عضو وارد شود، میلگردها به دلیل خزش و جمع شدن بتن، تنش کششی باقی مانده بسیار کمی خواهند داشت.
در طراحی اعضای پیش تنیده، تخمین پیش تنیدگی ناشی از جمع شدن و خزش بتن و فولاد در حدود 200 نیوتن متر بر میلی متر مربع است؛ اما فولاد با کشش بالا، دارای استحکام نهایی 2100 نیوتن بر میلی متر مربع می‌باشد.
پس اگر بگوییم هزار نیوتن متر بر میلی متر مربع تنش به عضو وارد می‌شود، پس از کسر مقدار نیروی پیش تنیدگی، همچنان تنش زیادی در آرماتور وجود خواهد داشت و عضو می‌توانند در برابر بارهای بیشتر مقاومت کند.
چرا بتن پیش تنیده از بتن مسلح معمولی قوی‌تر است؟
همه بتن‌های مسلح پیش تنیده نیستند! قرار دادن میلگردها در بتن و سپس بتن ریزی رایج ترین شکل تقویت اعضای بتنی است. فولاد استحکام کششی بالایی دارد و می‌تونند به تقویت ناحیه کششی بتن کمک کند. افزودنی‌های فیبردار و شیمیایی نیز می‌توانند مقاومت بتن را در برابر نیروهای خاص افزایش دهند. با این وجود هیچ یک از این روش‌ها به اندازه پیش تنیدگی قوی نیستند.
فرایند پیش تنیدگی گامی فراتر از ترکیب بتن و فولاد است که بر دو ویژگی آنها متکی می‌باشد. اولاً، بتن با فشرده شدن قوی‌تر می‌شود. ثانیاً، فولاد زمانی مستحکم‌تر می‌شود که کشیده شده و تلاش می‌کند به طول طبیعی خود بازگردد. این دو مفهوم در فرایند بتن پیش تنیده با هم ترکیب شده‌اند که سطح بالایی از مقاومت در برابر بارهای سنگین را ایجاد کنند.
این فرآیند، تنش فوق العاده‌ای را در داخل قطعه بتنی ایجاد می‌کند که هم برای بتن و هم فولاد مناسب است. تنش داخلی برای متعادل کردن نیروهای تحت فشار بر بتن استفاده می‌شود. بتن پیش تنیده برای هر پروژه تجاری عمرانی نیاز نیست اما می‌تواند مزایای بسیاری نسبت به بتن مسلح معمولی ارائه دهد.
کلام آخر
وقتی صحبت از احداث ساختمان‌هایی می‌شود که بتواند انواع نیروهای سنگین را تحمل کند، به راحتی می‌توان به سراغ بتن رفت. بتن مطمئناً یک مصالح ساختمانی بسیار قوی است اما برخی از انواع بتن حتی قوی‌تر از بقیه هستند. بتن پیش تنیده یکی از بهترین انواع بتن است که کاربردهای فراوانی دارد. عناصر بتنی پیش تنیده معمولاً در کارخانه به صورت پیش ساخته تولید شده و سپس به محل ساخت و ساز حمل می‌شوند.
قبل از آنکه بتن ریزی انجام شود، آرماتورها کشیده می‌شوند و تا زمان سخت شدن بتن، به حالت کشیده باقی می‌مانند. سپس نیروی جمع شدگی آرماتورها آزاد می‌شود تا به فرآیند ساخت شدن بتن در طول زمان کمک کند. این بتن یک راهکاری اساسی محسوب می‌شود زیرا می‌تواند مشکلات بسیاری را در حوزه عمرانی برطرف کرد.
منابع:
https://www.southportconcreteco.com/