فولادهای بتن پیش تنیده
همانطور که قبلاً اشاره شده بتن در کشش ضعیف است و نیاز به تأمین میلگردهای فولادی جهت تحمل نیروهای کششی ایجاد شده در اعضای سازنده‌ای دارد. اما می‌توان بتن را به صورت فشاری پیش تنیده نمود تا بارهایی که‌ایجاد کشش می‌نمایند، فقط به آزادسازی بارهای پیش فشردگی بپردازند. به عنوان مثال بسیار ساده می‌توان حالت بلند کردن یک ردیف کتاب را به عنوان یک تیر در نظر گرفت. اگر فشار کافی به دو انتهای ردیف کتاب‌ها وارد شود، نیروهای فشاری بین کتاب‌ها با نیروهای کششی ایجاد شده در اثر رفتار خمشی مقابله می‌کند و مجموعه کتاب‌ها به عنوان یک تیر وزن خود را به راحتی تحمل خواهند نمود. اگر آرماتورهای استاندارد با اعمال نیروی کششی به هر یک از آنها پیش بارگذاری شوند و این نیرو تا زمان سخت شدن بتن پیرامون آنها باقی بماند، عضو بتنی تنیده حاصله قادر به تحمل بارهای کششی قابل ملاحظه مشابه رفتار ردیف کتاب‌ها خواهد بود.
به منظور پیاده کردن این ایده در اجرای سازه‌ها، فولاد با مقاومت بسیار زیاد مورد نیاز است. بتن دارای پدیده‌های انقباض و خزش است به گونه‌ای که در یک دوره زمانی بهره برداری، طول سازه بتنی ممکن است به‌اندازه ۰٫۰۰۰۶ تا ۰٫۰۰۰۸ سانتی متر در هر سانتی متر طول آن کاهش یابد. این میزان کوتاه شدن معادل افتی برابر با ۱۲۶ تا ۱۶۸ نیوتن بر میلی متر مربع در تنش اولیه اعمالی خواهد بود. لذا اگر ابتدائاً فقط همین مقدار پیش تنش به فولاد پیش تنیدگی اعمال گردد، پدیده انقباض و خزش باعث افت کامل پیش تنش خواهد شد. حتی با اعمال پیش تنش برابر با ۲۱۰ تا ۲۸۰ مگاپاسکال به دلیل طبیعت نامنظم و درصد بالای افت پیش تنیدگی، ضریب اطمینان بالایی مورد نیاز است. بنابراین به لحاظ اقتصادی پیش تنیدگی قابل رقابت با بتن آرمه استاندارد نخواهد بود. راه حل مسئله افت پیش تنیدگی ناشی از خزش و انقباض، استفاده از فولاد با مقاومت بسیار زیاد است. اگر بتوان مقادیر پیش تنش بزرگتر از MPa 700 حاصل نمود، افت پیش تنیدگی ناشی از انقباض و خزش دردصد کوچکی از کل پیش تنش خواهد بود. پیش تنیدگی تنها روشی است که می‌تواند به طور مؤثر از فولاد با مقاومت بسیار زیاد جهت مسلح نمودن سازه بتنی استفاده نماید. فولادهای مقاومت بالا قبل از حصول مقاومت کششی نهایی، تغییر طول بیشتری دارند. لذا اگر چنین فولادی به طور ساده در بتن به کار رود، قبل از اینکه فولاد بتواند به مقاومت کششی نهایی خود برسد، بتن پیرامون آن به طور جدی ترک خواهد خورد. توسط اعمال نیروی کششی اولیه به فولاد مقاومت بالا قبل از استفاده و درگیر شدن بتن، تنش‌ها و کرنش‌های مطلوب تری در بتن و فولاد ایجاد می‌شود. یعنی فولاد از قبل مقداری تغییر مقداری تغییر طول داده و لذا از تغییر طول بیش از حد تحت بارهای اعمالی اجتناب می‌شود و بتن از قبل فشرده شده، از ترک خوردگی تحت بارهای اعمالی جلوگیری می‌گردد. روش‌های ساخت اعضای پیش تنیده بسیار متنوع است و با جزئیات در مطالب بعدی وبسایت مورد بحث قرار گرفته است. بسیار از اعضای پیش تنیده، پیش ساخته هستند. اعضای در یک کارخانه دائمی‌یا کارگاه موقت در محل پروژه ساخته شده و سپس نصب می‌گردند. پیش ساختگی باعث کنترل بهتر اعضای سازه‌ای حاصله می‌شود و به طور وسیع برای تولید انبوه انواع مقاطع مختلف به کار می‌رود. بتن درجا، همان گونه که از نامش پیداست، در موقعیت نهایی خود ریخته می‌شود و مستلزم قالب بندی و داربست‌های موقت بیشتری نسبت به بتن پیش ساخته بوده، عموماً تحت کنترل‌های دقیق تر به میزانی که برای بتن پیش ساخته امکان دارد، قرار نمی‌گیرد. اما می‌تواند باعث صرفه جویی بیشتر در هزینه حمل و نصب اعضای سنگین و خیلی بزرگ شود. در بعضی موارد روش ساخت مرکب مورد استفاده قرار می‌گیرد، بدین ترتیب که بخشی از سازه پیش ساخته بوده و پس از نصب آن، بقیه سازه به صورت درجا ساخته می‌شود. این روش نیز اغلب باعث قدری صرفه جویی در قالب‌ها و داربست‌های موقت می‌گردد.
اعمال تنش به میلگردها یا سیم‌های بافته شده فولادی که منفرداً کابل نامیده می‌شوند، را می‌توان قبل یا بعد از ریختن بتن انجام داد. در روش «پیش تنیدگی» کابل‌ها قبل از ریختن بتن کشیده می‌شوند. این عمل با اعمال کشش به کابل‌ها بین تکیه گاه انتهایی قبل از ساختن عضو انجام می‌شود. بعد از ساختن عضو و سخت شدن بتن، پیش تنش با بریدن کابل‌های بین تکیه گاه‌های انتهایی به عضو منتقل شده و از طریق چسبندگی بین فولاد پیش تنیدگی و بتن در انتهای تیر به بتن منتقل می‌گردد. پیش کشیدگی عموماً فقط در کارخانه‌های پیش ساخته دائمی‌اجرا می‌شود، گرچه بعضی از اعضای پیش کشیده در شرایطی که تیکیه گاه‌های انتهایی به نحو اقتصادی قابل تأمین باشد، در کارگاه نیز به صورت درجا تولید شده‌اند.
در روش «پس کشیدگی» همیشه کابل‌ها بعد از ریختن و سخت شدن بتن تحت نیروی کششی قرار می‌گیرند. کابل‌ها در جهت خلاف قطعه بتنی تحت تنش قرار گرفته و سپس به انتهای آن مهار می‌گردند. برای اعمال کشش هیچ نیازی به تکیه گاه‌های سنگین نمی‌باشد و پس کشیدگی را هم برای اعضای پیش ساخته و هم درجا می‌توان استفاده نمود. هنگامی‌که یک عضو پیش تنیده باید پس کشیده شود، ممانعت از چسبندگی فولاد پیش تنیدگی به بتن قبل از اعمال کشش الزامی‌است. نوع ممانعت بستگی به‌این دارد که کابل‌ها پس از اعمال کشش باید به صورت چسبیده باشند یا غیرچسبیده. کابل‌های چسبیده در سرتاسر طول خود توسط تزریق دوغاب به بتن پیرامونی چسبیده می‌شوند. برای کابل‌های چسبیده به عنوان نمونه از لوله یا مجرا برای ایجاد حفره در بتن استفاده می‌شود تا از طریق آن پس از سخت شدن بتن، کابل جاگذاری گردد. این لوله‌ها بایداز فلز یا پلاستیک ساخته شوند. در برخی موارد به جای لوله از مغزی لاستیکی صلب استفاده می‌شود که باید قبل از جاگذاری کابل بیرون کشیده شود. در مواردی نیز به جای مغزی لاستیکی صلب به منظور سهولت در بیرون کشیدن، از لوله لاستیکی متورم شده استفاده می‌گردد.
هنگامی‌که کابل‌ها بعد از پس کشیدگی باید به بتن بچسبند، غالباً روش عمومی‌استفاده از دوغاب سیمان است. دوغاب سیمان همچنین از فولاد در مقابل خوردگی محافظت می‌نماید. دوغاب به درون لوله‌ها یا حفره‌ها از طریق سواراخ‌های تعبیه شده در هر انتهای عضو ریخته می‌شود. دوغاب با فشار از یک طرف عضو داخل می‌شود تا زمانی که از انتهای دیگر خارج گردد. در اعضای با طول خیلی زیاد عموماً تزیق از دو انتها انجام می‌شود تا زمانی که از سوراخ میانی عضو خارج گردد. بهترین کار این است که کابل‌ها قبل از تزریق توسط آب شسته شوند و آب اضافی توسط هوای فشرده از لوله‌ها یا حفره‌ها به خارج رانده شود. مخلوط دوغاب با توجه به محدودیت‌های فضای پیرامون کابل‌های پیش تنیدگی محاسبه می‌گردد.
هنگامی‌که قرار است کابل‌ها بعد از پس کشیدگی همچنان غیرچسبیده به بتن باقی بمانند، به منظور جلوگیری از خوردگی و سهولت در پس کشیدگی به خوبی روغنکاری شده و سپس توسط پلاستیک پوشش داده می‌شوند. پوشش پلاستیکی باید به طرز مناسبی همپوشانی داشته و در همه درزها عایق گردد تا از هرگونه نفوذ ملات محفوظ باشد. کابل‌های غیرچسبیده باید در مقابل خوردگی محافظت گردند. روش‌های معمول برای این امر گالوانیزه کردن یا گریس کاری است.
فولاد تنیدگی
فولاد مورد استفاده برای بتن پیش تنیده را می‌توان به سه گروه دسته بندی نمود: سیم‌ها، سیم‌های بافته شده و میلگردها. در هر مورد، مقاومت فولاد پیش تنیدگی به مقدار قابل ملاحظه بیشتر از میلگردهای فولادی بتن آرمه استاندارد است.
آیین نامه ACI 318 مقرر می‌دارد که کابل‌های پیش تنیدگی باید با مشخصات استاندارد مذکور در ASTM A416 مربوط به سیم‌های بافته شده هفت رشته‌ای بدون پوشش، ASTM A421 مربوط به سیم‌های بدون پوشش و ASTM A722 مربوط به میلگردهای فولادی مقاومت بالا برای بتن پیش تنیده مطابقت داشته باشند. سایر سیم‌ها، سیم‌های بافته شده با میلگردهای فولادی ب شرط مطابقت با ضوابط حداقل در استانداردهای مذکور (A416 ، A421 ، A722) و نداشتن خواصی که رضایت بخش بودن آنها را کاهش دهد، توسط آیین نامه مجاز شناخته می‌شود.
سیم بافته شده پیش تنیدگی: وقت و کار لازم برای جاگذاری و اعمال کشش به تعداد زیاد سیم‌های پیش تنیدگی با قطر کم با افزایش تعداد سیم‌های وسعت می‌یابد. به منظور کاهش هزینه جاگذاری و اعمال کشش می‌توان کابل مرکب از چندین سیم پیش تنیدگی بهم بافته شده را به کار برد. سیم‌های بافته شده رایج ترین شکل فولاد پیش تنیدگی است. اولین سیم‌های بافته شده در تیرهای بتن پیش کشیده استفاده شده است. چسبندگی بین سیم بافته شده فولادی و بتن عموماً به طور کامل بوده، دوام پیش تنیدگی تیر را تأمین می‌نماید. سیم‌های بافته شده مورد استفاده برای پیش کشیدگی عموماً هفت سیمه بوده شامل شش سیم که به صورت مارپیچی به دور سیم هفتم که مستقیم است، پیچیده شده‌اند. جهت اطمینان از اینکه سیم‌های پیرامونی به طرز محکمی‌با سیم مرکزی درگیر شده‌اند، قطر سیم مستقیم مرکزی به مقدار جزیی بزرگتر از شش سیم پیرامونی است.
ASTM A416 ضوابط مربوط به دو نوع و دو رده سیم بافته شده هفت تایی را ارائه می‌نماید. سیم بافته شده با وادادگی کم[۱] به عنوان نوع استاندارد منظور شده و وسیع ترین کاربرد را دارا است. نوع دیگر سیم بافته شده با وادادگی معمولی[۲] است. دو رده استاندارد رده‌های ۲۵۰ و ۲۷۰ هستند که حداقل مقاومت‌های کششی نهایی (مقاومت‌های گسیختگی) آنها به ترتیب ۲۵۰ و ksi 270 (1750 و ۱۸۹۰ مگاپاسکال) براساس سطح مقطع اسمی‌سیم بافته شده است. خواص فیزیکی سیم‌های بافته شده هفت تایی در جدول زیر ارائه گردیده است.
ASTM A779 ضوابط مربوط به سیم‌های بافته شده هفت تایی فشرده و تنش زدایی شده [۳] را بیان می‌دارد. سیم بافته شده توسط کشیدن از میان یک قالب و آزاد نمودن تنش فشرده می‌گردد. سطح فولاد سیم بافته شده فشرده مربوط به هر قطر اسمی‌در مقایسه با سیم بافته شده هفت تایی منظم بزرگتر است و لذا مقاومت گسیختگی آن بیشتر خواهد بود. پیوست شماره یک A779 شامل ضوابط سیم‌های بافته شده فشرده با وادادگی کم می‌باشد. خواص فیزیکی سیم بافته شده فشرده در جدول زیر ارائه گردیده است.
در سال ۱۹۸۸ استاندارد ASTM A886 مربوط به سیم بافته شده هفت تایی دنده دار انتشار داده شد. همانگونه که از عنوان این استاندارد پیداست، به منظور افزایش چسبندگی سیم بافته شده به بتن، سیم‌های بیرونی دنده دار شده‌اند. این نوع سیم بافته شده برای استفاده در اعضای بتنی پیش تنیده پیش کشیده که طول‌های گیرداری و انتقال کوتاه تری را نیاز دارند، توسعه داده شده است. تهیه مشخصات برای سیم‌های بافته شده دو و سه تایی و سیم‌های بافته شده هفت تایی با پوشش اپوکسی نیز در جریان می‌باشد.
انواع دیگری از سیم‌های بافته شده به منظور کاربردهای خاصی نیز موجود هستند، که شامل سیم‌های بافته شده گالوانیزه، سیم‌های بافته شده با حداقل مقاومت کششی MPa 2100، سیم‌های بافته شده با قطرهایی بزرگتر از انواع ذکر شده در ASTM A416 و سیم‌های بافته شده فولادی ضدزنگ می‌باشند. طی گزارشی توسط کمیته ACI 439 [4] راجع به انواع سیم‌های بافته شده مذکور بحث شده است. همچنین توصیه می‌شود که در رابطه با انواع سیم‌های بافته شده مذکور مستقیماً با سازندگان نیز تماس حاصل شود.
سیم پیش تنیدگی: سیم پیش تنیدگی تنش زدایی شده به روش از حدیده گذشته تولید می‌گردد. این روش باعث کاهش قطر و افزایش مقاومت کششی سیم می‌گردد. مقاومت سیم توسط کار سرد در هر عبور یا کشش افزایش می‌یابد. در نتیجه هرچه قطر نهایی سیم کوچکتر باشد، مقاومت نهایی آن بیشتر است. سیم کشیده شده خیلی سخت بوده و شکل پذیری بسیار کمی‌دارد، جا به جایی آن خیلی مشکل است و با توجه به تمایل سیم به حفظ قطر حلقه اولیه که طی بارگیری از کارخانه داشته است، نیاز به یک حلقه بازکن قابل ملاحظه دارد. مرحله سردکاری همچنین منجر به بروز تنش‌های محبوس غیر یکنواخت می‌گردد. به منظور آزادسازی این تنش و بهبود خواص فیزیکی سیم، سیم سردکاری شده تحت تبادل حرارتی ممتد با کنترل دقیق قرار داده می‌شود. هنگامی‌که سیم به صورت غیر چسبیده در بتن پیش تنیده استفاده می‌شود و خطرخوردگی وجود دارد، غالباً سیم را به صورت گالوانیزه در می‌آوردند و بدین منظور سیم را از حمام روی گداخته عبور می‌دهند. سیم با وادادگی معمولی در پیوست شماره یک ASTM A421 مورد بحث می‌باشد. جدول زیر خواص فیزیکی سیم‌های پیش تنیدگی را نشان می‌دهد.
میلگردهای مقاومت بالا: میلگردهای فولاد آلیاژی با مقاومت کششی بالا برای استفاده در بتن پیش تنیده پس کشیده به صورت صاف (نوع I) یا آجدار (نوع II) در قطرهای مختلف از mm16 (نوع I) یا mm19 (نوع II) تا mm35 موجود است. این میلگردها از میله‌های فولادی پُرآلیاژ نورد گرم شده ساخته می‌شوند که تحت عملیات حرارتی قرار گرفته و سپس از طریق اعمال بار به میلگرد به میزان بیش از ۸۰ درصد حداقل مقاومت حداقل مقاومت کششی نهایی تحت کشش سرد واقع شده‌اند. عملیات کشش سرد بر روی میلگرد باعث مقاومت جاری شدن زیاد آن می‌گردد و همچنین به عنوان یک بارگذاری آزمایشی عمل نموده باعث حذف هرگونه میلگرد معیوب از روند تولید می‌گردد. صلبیت میلگردها امکان جاگذاری سریع و آسان آنها را فراهم نموده، حفاظت کمتری را نسبت به سایر فولادهای پیش تنیدگی ایجاب می‌نماید. افت اصطحکاک ناشی از انحناء و تغییر مسیر این نوع فولادها کمتر از سیستم‌های کابلی است.
مقاومت کششی نهایی میلگردهای مقاومت بالا به میزان قابل ملاحظه کمتر از مقاومت سیم‌ها و سیم‌های بافته شده است. میلگردهای پیش تنیدگی تجاری مقاومت بالا با حداقل مقاومت کششی نهایی برابر با MPa 1050 تولید می‌شوند.
ASTM A722 دارای ضوابط تکمیلی است که فقط براساس درخواست خریدار اعمال می‌گردد. این ضوابط اضافی شامل آزمایش‌های خمشی، کاهش سطح برای میلگردهای صاف نوع I و گزارش ترکیبات شیمیایی میلگردها است.
[۱] – Low-relaxation.
[۲] – Normal-relaxation strand.
[۳] – Stress-relived, compacted seven-wire strand.
[۴] – Steel Reinforcement-Physical Properties and U.S. Availability (ACI 439.4R), “ACI Manual of Concrete Practice” Pt.3.
