بتن پیش تنیده

بتن پیش‌تنیده نوع سازه ای است که به روش پیش تنیده در سازه های عمرانی استفاده می شود. در این روش، سازه بتنی به روش پیش تنیده فشرده می شود، به نحوی که آن را در برابر نیروهای کششی که در هنگام کار وجود خواهند داشت، تقویت می گردد.

این فشرده‌سازی از طریق کشش «تاندون‌های» با مقاومت بالا در داخل یا مجاور بتن ایجاد می‌شود و برای بهبود عملکرد بتن انجام می‌شود. معمولاً از فولادهای با کشش بالا، فیبر کربن یا الیاف آرامید ساخته می‌شود. ماهیت بتن پیش‌تنیده این است که هنگامی که فشرده‌سازی اولیه اعمال شد، ماده به دست آمده دارای ویژگی‌های بتن با مقاومت بالا، زمانی که تحت هر گونه نیروهای فشاری بعدی قرار می‌گیرد و فولاد انعطاف‌پذیر با مقاومت بالا زمانی که تحت نیروهای کششی قرار می‌گیرد، می‌باشد. این می‌تواند منجر به بهبود ظرفیت سازه و یا قابلیت سرویس‌دهی در مقایسه با بتن مسلح معمولی در بسیاری از موقعیت‌ها شود. در یک سازه بتنی پیش‌تنیده، تنش‌های داخلی به صورت منظم وارد می‌شوند تا تنش‌های ناشی از بارهای وارده تا حد مطلوب خنثی شوند.

بتن پیش‌تنیده در طیف وسیعی از سازه‌های عمرانی استفاده می‌شود که عملکرد بهبود یافته آن می‌تواند دهانه‌های طولانی‌تر، کاهش ضخامت سازه و صرفه‌جویی در مواد را در مقایسه با بتن مسلح معمولی فراهم کند. کاربردهای ویژه سازه های ایجاد شده با بتن پیش تنیده شامل ساختمان‌های بلند، دال‌های مسکونی، سیستم‌های فونداسیون، سازه‌های پل و سد، سیلوها و مخازن، روسازی‌های صنعتی و سازه‌های مهار هسته‌ای است.

بتن پیش‌تنیده اولین بار در اواخر قرن نوزدهم استفاده شد. سیستم‌های کششی ممکن است به‌عنوان تک رشته‌ای طبقه‌بندی شوند که در آن رشته یا سیم هر تاندون به‌صورت جداگانه تحت فشار قرار می‌گیرد، یا چند رشته، که در آن همه رشته‌ها یا سیم‌ها در یک تاندون به طور همزمان (پیش‌تنیدگی داخلی) یا کاملاً خارج از آن (پیش‌تنیدگی خارجی) تحت فشار قرار می‌گیرند. تنیده گی در بتن به 2 صورت پیش تنیده و پس تنیده انجام می پذیرد. در بتن پیش‌تنیده از تاندون‌هایی استفاده می‌کند که مستقیماً به بتن متصل شده‌اند، بتن پس‌تنیده می‌تواند از تاندون‌های چسبیده یا بدون پیوند استفاده کند.

مقایسه تیر بدون پیش‌تنیده و تیر بتنی پیش‌تنیده تحت بار: تیر غیر پیش‌تنیده بدون بار تیر غیر پیش‌تنیده با بار قبل از اینکه بتن سفت شود، تاندون‌های تعبیه شده در بتن تحت کشش قرار می‌گیرند پس از سفت شدن بتن، تاندون‌ها به بتن، تنش فشاری وارد می‌کنند تیر پیش‌تنیده بدون بار تیر پیش‌تنیده با بار

سازه ایجاد شده با بتن پیش‌تنیده

نوعی سازه بتنی که در آن تاندون‌ها پس از قالب‌بندی در بتن کشیده می‌شوند. بتن در حین سخت شدن به تاندون‌ها می‌چسبد، پس از سفت شدن بتن، تاندون‌ها آزاد می‌شود و نیروهای کششی تاندون به عنوان فشرده‌سازی توسط اصطکاک ساکن به بتن منتقل می‌شود.

پیش‌تنیدگی یک تکنیک پیش‌ساخته متداول است که در آن سازه بتنی تولید و پس از عمل‌آوری به محل حمل می‌شود. پیش تنیدگی نیازمند لنگر انتهایی قوی و پایداری است که بین آنها تاندون‌ها کشیده می‌شوند. این لنگرها انتهای یک “قالب بستر” را تشکیل می‌دهند که ممکن است چندین برابر طول سازه بتنی در حال ساخت باشد. این مسئله می تواند برای چندین سازه بتنی به صورت یکجا، در یک عملیات پیش‌تنیدگی به صورت سرتاسر ساخته شوند و به مزایای بهره‌وری قابل توجه و صرفه‌جویی در مقیاس بالا امکان می‌دهد.

فرآیند پیش‌تنیدگی

میزان اتصال (یا چسبندگی) قابل دستیابی بین بتن تازه گیر شده و سطح تاندون‌ها برای فرآیند پیش‌تنیدگی بسیار مهم است، زیرا تعیین می‌کند که چه زمانی می‌توان تاندون ها را با خیال راحت آزاد کرد. برای تقویت این امر، تاندون‌های پیش‌تنیده معمولاً از سیم‌ها یا رشته‌های مجزا تشکیل می‌شوند که سطح بیشتری را برای اتصال نسبت به تاندون‌های رشته‌ای فراهم می‌کند.

بتن پیش‌تنیده بیشتر برای ساخت تیرهای سازه‌ای، دال‌های کف، تخته‌های توخالی، بالکن‌ها، لنگه‌ها، شمع‌های رانده، مخازن آب و لوله‌های بتنی استفاده می‌شود.

سازه ایجاد شده با بتن پس‌تنیده

سازه بتنی ایجاد شده به روش پس‌تنیده گونه‌ای از روش پیش تنیدگی است که در آن تاندون‌ها پس از قالب‌بندی سازه بتنی اطراف آن کشیده می‌شوند. تاندون‌ها در تماس مستقیم با بتن قرار نمی‌گیرند، بلکه درون یک مجرای محافظ قرار می‌گیرند که یا در ساختار بتنی ریخته می‌شود یا در مجاورت آن قرار می‌گیرد. در هر انتهای یک تاندون یک مجموعه لنگر است که به طور محکم به بتن اطراف ثابت شده است. هنگامی که بتن ریخته شده و سفت شد، با کشیدن انتهای تاندون از طریق لنگرها در حالی که بر روی بتن فشار می‌آورند، تحت کشش (“تنش”) قرار می‌گیرند. نیروهای زیاد مورد نیاز برای کشش تاندون‌ها باعث می‌شود که فشار دائمی قابل توجهی به بتن اعمال شود.

نیروهای وارد بر سازه بتنی پس تنیده شده

سیستم‌های کپسوله‌سازی تاندون از مواد پلاستیکی یا فولادی گالوانیزه ساخته می‌شوند. ریختن مجاری‌های تاندون به داخل بتن قبل از وقوع هر گونه کشش به آنها اجازه می‌دهد تا به راحتی به هر شکل دلخواه از جمله انحنای عمودی و یا افقی تبدیل شوند. هنگامی که تاندون‌ها کشیده می‌شوند، این پروفیل منجر به وارد شدن نیروهای واکنشی به بتن سخت شده می‌شود و می‌توان از این نیروها برای مقابله با هر گونه بارگذاری که متعاقباً به سازه وارد می‌شود استفاده کرد.

اندازه‌های تاندون مورد استفاده به شدت به کاربرد بستگی دارد، از کارهای ساختمانی که معمولاً بین 2 تا 6 رشته در هر تاندون استفاده می‌شود تا کارهای تخصصی سدسازی با استفاده از حداکثر 91 رشته در هر تاندون.

ساخت تاندون‌ها در این روش معمولاً در محل انجام می‌شود و با نصب لنگرهای انتهایی به قالب‌بندی، قرار دادن غلاف تاندون روی پروفیل‌های انحنای مورد نیاز و کشیدن (یا رزوه‌کشی) رشته‌ها یا سیم‌ها از طریق کانال شروع می‌شود. پس از بتن‌ریزی و کشش، کانال‌ها تحت فشار تزریق می‌شوند و انتهای تنش تاندون در برابر خوردگی آب‌بندی می‌شوند.

لنگر تاندون پس از کشش

لنگر پس کشش چند رشته‌ای

پل متوازن کانتیلر در حال ساخت به روش پس تنیده

کاربرد سازه های بتنی پیش تنیده

بتن پیش‌تنیده یک مصالح ساختمانی بسیار پرکاربرد است، زیرا ترکیبی تقریبا ایده آل از دو جزء اصلی آن است: فولاد با استحکام بالا، از پیش کشیده شده تا بتوان استحکام کامل آن را به راحتی محقق کرد و بتن مدرن، از پیش فشرده شده برای به حداقل رساندن ترک خوردگی تحت نیروهای کششی. طیف وسیع کاربرد آن در حوزه‌های مهندسی سازه و عمران می باشد، از جمله ساختمان‌ها، پل‌ها، سدها، منعکس شده است. پایه‌ها، پیاده روها، شمع‌ها، استادیوم‌ها، سیلوها و مخازن.

• سازه‌های ساختمانی

سازه‌های ساختمانی معمولاً برای برآوردن طیف وسیعی از الزامات ساختاری، زیبایی شناختی و اقتصادی موردنیاز هستند. از جمله مهم‌ترین آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: حداقل تعداد دیوارها یا ستون‌های نگهدارنده (سرزده). ضخامت سازه کم (عمق)، اجازه دادن فضا برای خدمات، یا برای طبقات اضافی در ساختمان‌های بلند. چرخه‌های ساخت و ساز سریع، به ویژه برای ساختمان‌های چند طبقه؛ و هزینه کم برای هر واحد منطقه، برای به حداکثر رساندن بازگشت سرمایه مالک ساختمان.

پیش‌تنیدگی بتن اجازه می‌دهد تا نیروهای “تعادل کننده بار” برای مقابله با بارهای حین کار وارد سازه شوند. این مزایای بسیاری برای سازه‌های ساختمانی دارد:

• دهانه‌های طولانی تر برای همان عمق ساختاری

تعادل بار منجر به انحرافات کمتر در حین کار می‌شود، که امکان افزایش دهانه‌ها (و کاهش تعداد تکیه‌گاه‌ها) را بدون افزودن به عمق سازه فراهم می‌کند.

• کاهش ضخامت سازه

برای یک دهانه معین، انحرافات کمتر در حین کار امکان استفاده از مقاطع ساختاری نازک‌تری را فراهم می‌آورد که به نوبه خود منجر به ارتفاع کمتر از طبقه یا فضای بیشتری برای خدمات ساختمان می‌شود.

• زمان برداشت سریعتر

به طور معمول، سازه های ساختمانی بتنی پیش‌تنیده در عرض پنج روز به طور کامل تحت فشار قرار می‌گیرند و خود نگهدارنده می‌شوند. در این مرحله آنها می‌توانند قالب خود را جدا کرده و مجدداً در بخش بعدی ساختمان مستقر کنند، و ساخت و ساز را در “زمان چرخه” تسریع می‌بخشند.

• کاهش هزینه‌های مواد

ترکیبی از کاهش ضخامت سازه، کاهش مقادیر آرماتور معمولی و ساخت سریع اغلب منجر به این می‌شود که بتن پیش‌تنیده در سازه‌های ساختمانی در مقایسه با مصالح سازه‌ای جایگزین، مزایای هزینه قابل توجهی را نشان دهد. برخی از سازه‌های ساختمانی قابل توجه ساخته شده از بتن پیش‌تنیده عبارتند از: خانه اپرای سیدنی و برج جهانی سیدنی، برج اسکله سنت جورج لندن؛ برج تورنتو، ترمینال کروز کای تاک و مرکز تجارت بین المللی هنگ کنگ، ارتفاعات اقیانوس، دبی؛ برج یورکا ملبورن، توره اسپاسیو، مادرید؛ برج گوکو (مرکز تانجونگ پاگار)، سنگاپور؛ فرودگاه بین المللی زاگرب، کرواسی؛ و کپیتال گیت، ابوظبی امارات.

سازه‌های عمرانی

• پل‌ها

بتن محبوب‌ترین مصالح سازه‌ای برای پل‌ها است و بتن پیش‌تنیده اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرد. هنگامی که در دهه 1940 برای استفاده در پل‌های سنگین مورد بررسی قرار گرفت، مزایای این نوع پل نسبت به طرح‌های سنتی‌تر این بود که نصب سریع‌تر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و ماندگارتر و با جنب و جوش کمتر پل همراه بود. یکی از اولین پل‌هایی که به این روش ساخته شد، پل راه آهن آدام است که در سال 1946 در بریتانیا ساخته شد.

در دهه 1960، بتن پیش‌تنیده تا حد زیادی جایگزین پل‌های بتنی مسلح در بریتانیا شد و تیرهای جعبه‌ای شکل غالب بودند. در پل‌های با دهانه کوتاه حدود 10 تا 40 متر (30 تا 130 فوت)، پیش‌تنیدگی معمولاً به شکل تیرها یا تخته‌های پیش‌تنیده پیش‌ساخته استفاده می‌شود. سازه‌های با طول متوسط حدود 40 تا 200 متر (150 تا 650 فوت)، معمولاً از طرح‌های پیش‌ساخته قطعه‌ای، درجای محل تعادل و طرح‌های پرتاب تدریجی استفاده می‌کنند. برای طولانی‌ترین پل‌ها، سازه‌های عرشه بتنی پیش‌تنیده اغلب بخشی جدایی‌ناپذیر از طرح‌های کابلی را تشکیل می‌دهند.

• بند‌ها

سدهای بتنی از اواسط دهه 1930 از پیش‌تنیدگی برای مقابله با برآمدگی و افزایش پایداری کلی خود استفاده کردند. پیش‌تنیدگی نیز اغلب به عنوان بخشی از کارهای بهسازی سد، از جمله برای تقویت سازه، یا هنگام بالا بردن ارتفاع تاج یا سرریز، به صورت مجدد نصب می‌شود.

معمولاً، پیش‌تنیدگی سد به شکل لنگرهای پس‌تنیده حفر شده در سازه بتنی سد و یا لایه‌های سنگی زیرین است. چنین لنگرهایی معمولاً شامل تاندون‌هایی از رشته‌های فولادی با کشش بالا یا میله‌های رزوه‌دار جداگانه هستند. تاندون‌ها در انتهای دور (داخلی) خود به بتن یا سنگ دوغاب می‌شوند و در انتهای خارجی‌شان دارای طول آزاد «جلوگیری‌شده» قابل توجهی هستند که به تاندون اجازه می‌دهد در طول کشش کشیده شود. تاندون‌ها ممکن است پس از کشش به بتن یا سنگ اطراف کاملاً چسبیده باشند، یا (معمولاً) رشته‌هایی به طور دائم در گریس بازدارنده خوردگی در طول آزاد محصور شده‌اند تا امکان نظارت طولانی‌مدت بار و تنش‌پذیری مجدد را فراهم کنند.

• سیلوها و مخازن

سازه‌های ذخیره‌سازی دایره‌ای مانند سیلوها و مخازن می‌توانند از نیروهای پیش‌تنیدگی برای مقاومت مستقیم در برابر فشارهای بیرونی تولید شده توسط مایعات ذخیره شده یا جامدات حجیم استفاده کنند. تاندون‌های منحنی افقی در داخل دیوار بتنی نصب می‌شوند تا یک سری حلقه‌ها را تشکیل دهند که به صورت عمودی در بالای سازه قرار دارند. این تاندون‌ها هنگام کشش، هم نیروی محوری (فشاری) و هم نیروی شعاعی (به سمت داخل) را به سازه وارد می‌کنند که می‌تواند مستقیماً با بارهای ذخیره‌سازی بعدی مخالفت کند. اگر بزرگی پیش‌تنیدگی طوری طراحی شود که همیشه از تنش‌های کششی تولید شده توسط بارگذاری‌ها تجاوز کند، یک فشردگی باقیمانده دائمی در بتن دیوار وجود خواهد داشت که به حفظ یک ساختار ضد آب بدون ترک کمک می‌کند.

• هسته‌ای و انفجار

بتن پیش‌تنیده به عنوان یک مصالح ساختمانی قابل اعتماد برای سازه‌های مهار فشار بالا مانند کشتی‌های راکتور هسته‌ای و ساختمان‌های مهار، و دیوارهای مهار انفجار مخازن پتروشیمی شناخته شده است. استفاده از پیش‌تنیدگی برای قرار دادن چنین سازه‌هایی در حالت اولیه فشرده‌سازی دو محوری یا سه محوری، مقاومت آنها را در برابر ترک خوردگی و نشت بتن افزایش می‌دهد، در حالی که یک سیستم مهار فشار مقاوم، اضافی و قابل نظارت را فراهم می‌کند.

راکتورهای هسته‌ای و کشتی‌های مهار معمولاً از مجموعه‌های جداگانه‌ای از تاندون‌های پس‌تنیده‌شده استفاده می‌کنند که به صورت افقی یا عمودی منحنی شده‌اند تا به طور کامل هسته راکتور را بپوشانند. دیوارهای مهار انفجار، مانند مخازن گاز طبیعی مایع (LNG)، معمولاً از لایه‌هایی از تاندون‌های حلقه‌ای منحنی افقی برای مهار در ترکیب با تاندون‌های حلقه عمودی برای پیش‌تنیدگی دیواره محوری استفاده می‌کنند.

• پیاده روها و روسازی ها

دال‌ها و روسازی‌های بتنی با بارهای سنگین می‌توانند به ترک خوردگی و متعاقب آن زوال ناشی از ترافیک حساس باشند. در نتیجه، بتن پیش‌تنیده به طور منظم در چنین سازه‌هایی استفاده می‌شود، زیرا پیش فشرده‌سازی آن توانایی مقاومت در برابر تنش‌های کششی ناشی از ترک ناشی از بارگذاری در حین کار را برای بتن فراهم می‌کند. این مقاومت در برابر ترک همچنین اجازه می‌دهد تا مقاطع دال جداگانه در ریزش‌های بزرگتر نسبت به بتن مسلح معمولی ساخته شوند و در نتیجه فواصل درز وسیع تر، کاهش هزینه اتصالات و مشکلات نگهداری درازمدت اتصال کمتر شود. کارهای اولیه همچنین با موفقیت در استفاده از بتن پیش‌تنیده پیش‌ساخته برای روسازی جاده‌ها انجام شده است، جایی که عنوان مفید برای این تکنیک ذکر شده است.

برخی از سازه‌های مدنی قابل توجه که با استفاده از بتن پیش‌تنیده ساخته شده‌اند عبارتند از:پل دروازه، بریزبن استرالیا؛ پل اینچئون، کره جنوبی؛ سد رزایرس، سودان؛ واناپوم سد، واشنگتن، ایالات متحده؛ مخازن LNG ساوت هوک، ولز; سیلوهای سیمان برویک نروژ; پل اتوبان A73, Itz Valley, آلمان; برج اوستانکینو، مسکو، روسیه؛ برج CN تورنتو، کانادا؛ و راکتور هسته‌ای رینگالز، Videbergshamn سوئد.

آژانس‌های طراحی و مقررات

در سرتاسر جهان، بسیاری از سازمان‌های حرفه‌ای برای ترویج بهترین شیوه‌ها در طراحی و ساخت سازه‌های بتنی پیش‌تنیده وجود دارند. در ایالات متحده، چنین سازمان‌هایی عبارتند از: مؤسسه پس تنش (PTI) و مؤسسه بتن پیش ساخته/ پیش‌تنیده (PCI). نهادهای مشابه عبارتند از: مؤسسه بتن پیش ساخته/پیش‌تنیده کانادا (CPCI)، انجمن پس از تنش بریتانیا، و «پست» موسسه تنش استرالیا و انجمن پست تنش افریقای جنوبی. اروپا انجمن‌ها و موسسات مستقر در کشور مشابهی دارد. توجه به این نکته حائز اهمیت است که این سازمان‌ها مسئول قوانین یا استانداردهای ساختمانی نیستند، بلکه برای ارتقای درک و توسعه طراحی، کدها و بهترین شیوه‌های بتن پیش‌تنیده وجود دارند. قوانین و الزامات مربوط به جزئیات تاندون‌های تقویت کننده و پیش‌تنیدگی توسط کدها و استانداردهای ملی فردی مانند:

استاندارد اروپایی EN 1992-2:2005 – یوروکد 2: طراحی سازه‌های بتنی. استاندارد ایالات متحده ACI318: الزامات کد ساختمان برای بتن مسلح و استاندارد استرالیا AS 3600-2009: سازه‌های بتنی.