فولاد پیش تنیده: همه چیز درباره پیش تنیدگی فولادها

 بتن در کشش ضعیف است و نیاز به تأمین میلگردهای فولادی جهت تحمل نیروهای کششی ایجاد شده در اعضای سازنده‌ را دارد، اما می‌توان بتن را به صورت فشاری پیش‌تنیده کرد تا بارهای به وجود آورنده کشش، فقط به آزادسازی بارهای پیش فشردگی بپردازند. در این مقاله از بلاگ رامکا ضمن تبیین همه‌جانبه فولاد بتن پیش تنیده، به بررسی انواع فولاد پیش تنیده خواهیم پرداخت. پس تا انتها همراه ما باشید.

پیش‌تنیدگی و پس‌تنیدگی

 به منظور پیاده کردن ایده پیش‌تنیدگی در اجرای سازه‌ها، فولاد با مقاومت بسیار زیاد نیاز است. همان‌طور که می‌دانید بتن با پدیده‌های انقباض و خزش همراه است؛ به گونه‌ای که در یک دوره زمانی بهره‌برداری، طول سازه بتنی ممکن است به‌ اندازه ۰٫۰۰۰۶ تا ۰٫۰۰۰۸ سانتی‌متر در هر سانتی‌متر کاهش یابد. این میزان کوتاه شدن، معادل افتی برابر با ۱۲۶ تا ۱۶۸ نیوتن بر میلی‌متر مربع در تنش اولیه خواهد بود.

لذا اگر در ابتدا فقط همین مقدار پیش‌تنش به فولاد پیش‌تنیدگی اعمال گردد، پدیده انقباض و خزش باعث افت کامل پیش‌تنش خواهد شد. حتی با اعمال پیش‌تنش برابر با ۲۱۰ تا ۲۸۰ مگاپاسکال به دلیل طبیعت نامنظم و درصد بالای افت پیش‌تنیدگی، ضریب اطمینان بالایی نیاز است.

بنابراین به لحاظ اقتصادی، پیش‌تنیدگی قابل رقابت با بتن آرمه استاندارد نخواهد بود. راه‌حل مسأله، افت پیش‌تنیدگی ناشی از خزش و انقباض و استفاده از فولاد با مقاومت بسیار زیاد است. اگر بتوان مقادیر پیش‌تنش بزرگ‌تر از ۷۰۰ مگاپاسکال را حاصل نمود، افت پیش‌تنیدگی ناشی از انقباض و خزش درصد کوچکی از کل پیش‌تنش خواهد بود.

پیش‌تنیدگی تنها روشی است که می‌تواند به طور مؤثر از فولاد با مقاومت بسیار زیاد جهت مسلح نمودن سازه بتنی استفاده کند. فولادهای مقاومت بالا پیش از حصول مقاومت کششی نهایی، تغییر طول بیشتری دارند. لذا اگر چنین فولادی به طور ساده در بتن به کار رود، پیش از اینکه فولاد بتواند به مقاومت کششی نهایی خود برسد، بتن پیرامون آن به طور جدی ترک خواهد خورد.

با اعمال نیروی کششی اولیه به فولاد با مقاومت بالا، پیش از استفاده و درگیر شدن بتن، تنش‌ها و کرنش‌های مطلوب‌تری در بتن و فولاد ایجاد می‌شود؛ یعنی فولاد از قبل مقداری تغییر طول داده و لذا از تغییر طول بیش از حد تحت بارهای اعمالی اجتناب می‌شود و بتن از قبل فشرده شده و مانع از ترک خوردگی تحت بارهای اعمالی می‌شود.

بسیار از اعضای پیش‌تنیده، پیش‌ساخته هستند. اعضا در یک کارخانه دائمی ‌یا کارگاه موقت در محل پروژه ساخته شده و سپس نصب می‌گردند. پیش‌ساختگی باعث کنترل بهتر اعضای سازه‌ای حاصله می‌شود و به طور وسیع برای تولید انبوه انواع مقاطع مختلف به کار می‌رود. بتن درجا – همان‌طور که از نامش پیداست – در موقعیت نهایی خود ریخته می‌شود و مستلزم قالب‌بندی و داربست‌های موقت بیشتری نسبت به بتن پیش‌ساخته است و عموماً تحت کنترل‌های دقیق‌تر به میزانی که برای بتن پیش‌ساخته امکان دارد، قرار نمی‌گیرد، اما می‌تواند باعث صرفه‌جویی بیشتر در هزینه حمل و نصب اعضای سنگین و بسیار بزرگ شود.

در بعضی موارد روش ساخت مرکب مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ بدین‌ترتیب که بخشی از سازه پیش‌ساخته بوده و پس از نصب آن، بقیه سازه به صورت درجا ساخته می‌شود. این روش نیز اغلب باعث صرفه‌جویی در قالب‌ها و داربست‌های موقت می‌گردد.

اعمال تنش به میلگردها یا سیم‌های بافته‌شده فولادی که کابل نامیده می‌شوند را می‌توان قبل یا بعد از ریختن بتن انجام داد. در روش «پیش‌تنیدگی» کابل‌ها قبل از ریختن بتن کشیده می‌شوند. این عمل با اعمال کشش به کابل‌ها بین تکیه‌گاه انتهایی قبل از ساختن عضو انجام می‌شود.

بعد از ساختن عضو و سخت شدن بتن، پیش‌تنش با بریدن کابل‌های بین تکیه‌گاه‌های انتهایی به عضو منتقل شده و از طریق چسبندگی بین فولاد پیش‌ تنیده و بتن در انتهای تیر به بتن منتقل می‌گردد. پیش‌کشیدگی عموماً فقط در کارخانه‌های پیش‌ساخته دائمی‌ اجرا می‌شود. گرچه بعضی از اعضای پیش کشیده در شرایطی که تکیه‌گاه‌های انتهایی به نحو اقتصادی قابل تأمین باشد، در کارگاه نیز به صورت درجا تولید شده‌اند.

در این بخش از مقاله «فولاد بتن پیش تنیده» بهتر است به روش پس‌کشیدگی نیز اشاره‌ای داشته باشیم. در روش «پس‌کشیدگی» 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 تکیه‌گاه‌های سنگین نیست و پس‌کشیدگی را می‌توان برای اعضای پیش‌ساخته و درجا استفاده نمود.

هنگامی ‌که یک عضو پیش‌تنیده باید پس کشیده شود، ممانعت از چسبندگی فولاد پیش‌تنیدگی به بتن پیش از اعمال کشش الزامی‌ است. نوع ممانعت بسته به‌ این است که کابل‌ها پس از اعمال کشش باید به صورت چسبیده باشند یا غیرچسبیده. کابل‌های چسبیده در سراسر طول خود با 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 جای‌گذاری شود.

این لوله‌ها باید از فلز یا پلاستیک ساخته شده باشند. در برخی موارد به جای لوله از مغزی لاستیکی صلب استفاده می‌شود که باید قبل از جای‌گذاری کابل بیرون کشیده شود. در مواردی نیز به جای مغزی لاستیکی صلب، از لوله لاستیکی متورم شده استفاده می‌شود.

هنگامی ‌که کابل‌ها بعد از پس‌کشیدگی باید به بتن بچسبند، غالباً روش عمومی ‌استفاده از دوغاب سیمان است. دوغاب سیمان از فولاد در مقابل خوردگی محافظت می‌کند. دوغاب از طریق سواراخ‌های تعبیه شده در هر انتهای عضو در لوله‌ها یا حفره‌ها ریخته می‌شود. دوغاب با فشار از یک طرف عضو داخل می‌شود تا زمانی که از انتهای دیگر خارج گردد. در اعضایی با طول بسیار زیاد، تزریق از دو انتها انجام می‌شود تا زمانی که از سوراخ میانی عضو خارج گردد.

بهترین کار این است که کابل‌ها پیش 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 پیش‌تنیدگی محاسبه می‌شود.

هنگامی ‌که قرار است کابل‌ها بعد از پس‌کشیدگی همچنان غیرچسبیده به بتن باقی بمانند، به منظور جلوگیری از خوردگی و سهولت در پس‌کشیدگی 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 هر گونه نفوذ ملات محفوظ باشد. کابل‌های غیرچسبیده باید در مقابل خوردگی محافظت گردند. روش‌های معمول برای این امر گالوانیزه کردن یا گریس‌کاری است.

بیشتر بخوانید: آرماتور و میلگرد در بتن

فولاد پیش تنیده

در این بخش از مقاله «فولاد بتن پیش تنیده» بهتر است به انواع این فولاد اشاره‌ای داشته باشیم. به طور کلی، فولاد مورد استفاده برای بتن پیش‌تنیده را می‌توان به سه گروه دسته‌بندی نمود: سیم‌ها، سیم‌های بافته شده و میلگردها. در هر مورد، مقاومت فولاد پیش‌تنیدگی به مقدار قابل ملاحظه‌ای بیشتر از میلگردهای فولادی بتن آرمه استاندارد است.

آیین‌نامه ACI 318 مقرر می‌دارد کابل‌های پیش‌تنیدگی باید با مشخصات استاندارد مذکور در A416 ASTM 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 پیش‌تنیده مطابقت داشته باشند. سایر سیم‌ها، سیم‌های بافته شده با میلگردهای فولادی به شرط مطابقت با ضوابط حداقل در استانداردهای مذکور (A416، A421، A722) و نداشتن خواصی که رضایتبخش بودن آنها را کاهش دهد، توسط آیین‌نامه مجاز شناخته می‌شوند.

سیم بافته شده پیش‌تنیدگی

وقت و کار لازم برای جای‌گذاری و اعمال کشش به تعداد زیاد سیم‌های پیش‌تنیدگی با قطر کم و با افزایش تعداد سیم‌ها وسعت می‌یابد. به منظور کاهش هزینه جای‌گذاری و اعمال کشش، می‌توان کابل مرکب از چندین سیم پیش‌تنیدگی به هم بافته شده را به کار برد. سیم‌های بافته شده رایج‌ترین شکل فولاد پیش‌تنیدگی هستند. اولین سیم‌های بافته شده، در تیرهای بتن پیش‌کشیده استفاده شده است.

چسبندگی بین سیم بافته شده فولادی و بتن، عموماً به طور کامل بوده و دوام پیش‌تنیدگی تیر را تأمین می‌کند. سیم‌های بافته شده مورد استفاده برای پیش‌کشیدگی، عموماً ۷ سیم است (۶ سیم که به صورت مارپیچی دور سیم هفتم پیچیده شده‌اند). جهت اطمینان از اینکه سیم‌های پیرامونی به طرز محکمی‌ با سیم مرکزی درگیر شده‌اند، قطر سیم مستقیم مرکزی باید به مقدار جزئی بزرگ‌تر از ۶ سیم پیرامونی باشد.

ASTM A416 ضوابط مربوط به دو نوع و دو رده سیم بافته شده هفت تایی را ارائه می‌کند. سیم بافته شده با وادادگی کم به عنوان نوع استاندارد منظور شده و وسیع‌ترین کاربرد را دارا است. نوع دیگر سیم بافته شده با وادادگی معمولی است. دو رده استاندارد، رده‌های ۲۵۰ و ۲۷۰ هستند که حداقل مقاومت‌های کششی نهایی (مقاومت‌های گسیختگی) آنها به ترتیب ۲۵۰ و ۲۷۰ksi (1750 و ۱۸۹۰ مگاپاسکال) بر اساس سطح مقطع اسمی ‌سیم بافته شده است.

حداقل مقاومت تسلیم با وادادگی کم (kg)	حداقل مقاومت تسلیم با وادادگی معمولی (kg)	حداقل مقاومت گسیختگی (kg)	سطح اسمی سیم بافته شده (cm2)	وزن اسمی سیم‌های بافته شده (kg/1000m)	قطر اسمی سیم بافته شده (in)
		رده ۲۵۰
3645	3442	4050	0.232	181	1/3
5873	5535	6525	0.374	292	5/16
8100	7650	9000	0.516	403	3/8
10935	10350	12150	0.697	544	7/16
14580	13770	16200	0.939	726	1/2
21870	20655	24300	1.393	1092	0.6
		رده ۲۷۰
9315	8798	10350	0.548	430	3/8
12555	11858	13950	0.742	578	7/16
16727	15795	18585	0.987	771	1/2
23733	22410	26370	1.340	1097	0.6

ASTM A779 ، ضوابط مربوط به سیم‌های بافته شده هفت تایی فشرده و تنش‌‌زدایی شده را بیان می‌کند. سیم بافته شده با کشیدن از میان یک قالب و آزاد نمودن تنش فشرده می‌شود. سطح فولاد سیم بافته شده فشرده مربوط به هر قطر اسمی‌ در مقایسه با سیم بافته شده هفت تایی منظم بزرگ‌تر است و لذا مقاومت گسیختگی آن بیشتر خواهد بود.

حداقل مقاومت تسلیم با وادادگی کم (kg)	حداقل مقاومت تسلیم با تنش‌زدایی شده (kg)	حداقل مقاومت گسیختگی (kg)	نوع	سطح اسمی سیم بافته شده (cm2)	وزن اسمی سیم‌های بافته شده (kg/1000m)	قطر اسمی سیم بافته شده (in)
19035	18405	21150	270	1.12	889	0.5
27310	26415	30330	260	1.65	1294	0.6
34560	33435	38444	245	2.23	1743	0.7

در سال ۱۹۸۸ استاندارد ASTM A886 مربوط به سیم بافته شده هفت تایی دنده‌دار منتشر شد. همان‌گونه که از عنوان این استاندارد پیداست، به منظور افزایش چسبندگی سیم بافته شده به بتن، سیم‌های بیرونی دنده‌دار شده‌اند. این نوع سیم بافته شده برای استفاده در اعضای بتنی پیش‌تنیده پیش‌کشیده که طول‌های گیرداری و انتقال کوتاه‌تری را نیاز دارند، توسعه داده شده است. تهیه مشخصات برای سیم‌های بافته شده دو و سه تایی و سیم‌های بافته شده هفت‌تایی با پوشش اپوکسی نیز در جریان است.

انواع دیگری از سیم‌های بافته شده به منظور کاربردهای خاص نیز موجود هستند که شامل سیم‌های بافته شده گالوانیزه، سیم‌های بافته شده با حداقل مقاومت کششی ۲۱۰۰مگاپاسکال، سیم‌های بافته شده با قطرهایی بزرگ‌تر از انواع ذکر شده در ASTM A416 و سیم‌های بافته شده فولادی ضدزنگ هستند.

سیم پیش‌تنیدگی در فولاد پیش تنیده

سیم پیش‌تنیدگی تنش‌‌زدایی شده از جمله انواع فولاد بتن پیش تنیده است که به روش از حدیده گذشته تولید می‌شود. این روش باعث کاهش قطر و افزایش مقاومت کششی سیم می‌گردد. مقاومت سیم با کار سرد در هر عبور یا کشش افزایش می‌یابد. در نتیجه هر چه قطر نهایی سیم کوچک‌تر باشد، مقاومت نهایی آن بیشتر خواهد بود. سیم کشیده شده بسیار سخت بوده و شکل‌پذیری بسیار کمی ‌دارد، جا‌به‌جایی آن 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 منجر به بروز تنش‌های محبوس غیر یکنواخت می‌شود. به منظور آزادسازی این تنش و بهبود خواص فیزیکی سیم، سیم سردکاری شده تحت تبادل حرارتی ممتد با کنترل دقیق قرار داده می‌شود. هنگامی‌ که سیم به صورت غیر چسبیده در بتن پیش‌تنیده 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.

حداقل مقاومت جاری شدن (mpa) با وادادگی کم نوع WA	حداقل مقاومت جاری شدن (mpa) با وادادگی کم نوع BA	حداقل مقاومت جاری شدن (mpa) تنش‌زدایی شده نوع WA	حداقل مقاومت جاری شدن (mpa) تنش‌زدایی شده نوع BA	حداقل مقاومت کششی (mpa) نوع WA	حداقل مقاومت کششی (mpa) نوع BA	سطح اسمی (cm2)	وزن اسمی (kg/m)	قطر اسمی (mm)
1575	—	1488	—	1750	—	0.187	0.146	4.88
1575	1512	1488	1428	1750	1680	0.195	0.152	4.98
1512	1512	1428	1428	1680	1680	0.317	0.247	6.35
1480	1480	1398	1398	1645	1645	0.386	0.301	7.01

میلگردهای مقاومت بالا

میلگردهای فولاد آلیاژی با مقاومت کششی بالا یکی از انواع فولاد بتن پیش تنیده است که برای استفاده در بتن پیش‌تنیده پس‌کشیده به صورت صاف (نوع I) یا آجدار (نوع II) در قطرهای مختلف از ۱۶ میلی‌متر (نوع I) یا ۱۹میلی‌متر نوع (II) تا ۳۵ میلی‌متر به کار می‌رود. 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% حداقل مقاومت کششی نهایی تحت کشش سرد واقع شده‌اند.

عملیات کشش سرد روی میلگرد باعث مقاومت جاری شدن زیاد آن می‌شود و همچنین به عنوان یک بارگذاری آزمایشی عمل نموده و باعث حذف هر گونه میلگرد معیوب از روند تولید می‌گردد. صلبیت میلگردها امکان جای‌گذاری سریع و آسان آنها را فراهم نموده و حفاظت کمتری را نسبت به سایر فولادهای پیش‌تنیدگی ایجاب می‌نماید. افت اصطحکاک ناشی از انحنا 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 پیش‌تنیدگی تجاری مقاومت بالا با حداقل مقاومت کششی نهایی برابر با ۱۰۵۰ مگاپاسکال تولید می‌شوند. ASTM A722 دارای ضوابط تکمیلی است که فقط بر اساس درخواست خریدار اعمال می‌شود. این ضوابط اضافی شامل آزمایش‌های خمشی، کاهش سطح برای میلگردهای صاف نوع I و گزارش ترکیبات شیمیایی میلگردها است.

بیشتر بخوانید: بتن پیش تنیده

همان‌طور که گفته شد، بتن در کشش ضعیف است و فقط با استفاده از میلگردهای فولادی می‌تواند نیروی کششی را تحمل کند. در واقع 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 خواهد بود. در این مقاله از بلاگ رامکا تلاش شد به صورت کامل و همه‌جانبه به بررسی فولاد بتن پیش تنیده پرداخته شود. خوشحال می‌شویم با ارائه نظرات خود در پایین همین صفحه، ما را در ارتقای کیفیت مقالات یاری رسانید.