بتن پیش تنیده: تعریف، روش، مزایا و معایب

هدف از طراحی یک سازه بتنی، ایجاد سازه‌ای با بهترین حد مقاومت است تا در بدترین حالت، دچار انحراف یا فروریختن نشود. همان‌طور که می‌دانید بتن می‌تواند تنش فشاری بالایی را تحمل کند، اما از آن‌جا که استحکام کششی آن پایین است، در صورت قرار گرفتن در مقابل حداکثر بار خارجی، مقاومت کششی خود را از دست داده و دچار ترک می‌شود. همین امر باعث شد محققین در پی تولید شکل دیگری از بتن، به نام بتن پیش تنیده شوند. اما سؤال این‌جاست که بتن پیش تنیده در چه سازه‌هایی استفاده می‌شود و آیا استفاده از آن مقرون به صرفه است؟ در این مقاله از بلاگ رامکا ضمن پاسخگویی به این سؤال، با مفاهیمی مانند پیش تنیدگی، مزایا و معایب بتن پیش تنیده، انواع و کاربردهای این بتن بیشتر آشنا خواهید شد. پس تا انتها همراه ما باشید.

بتن پیش تنیده

پیش از شکست هر سازه بتنی، ابتدا ترک‌هایی در آن ایجاد می‌شود. این ترک‌ها، باعث ایجاد انحراف یا گشتاوری در سازه می‌شوند. برای جلوگیری از این ترک‌ها در راستای افزایش استحکام عضو بتنی و کاهش میزان انحراف، نیاز است از بتن پیش تنیده استفاه شود. همان‌طور که از نام این بتن مشخص است، بتن پیش تنیده شکلی از بتن است که در آن تنش‌های داخلی پیش از بکارگیری بتن در سازه به آن وارد می‌شود تا بتواند با تنش‌های کششی تولید شده در اثر بار ناگهانی خارجی مقابله کند.

پیش تنیدگی چیست؟

اصل اساسی در بتن پیش تنیده این است که پیش از اعمال بار خارجی، تنش‌های فشاری داخلی توسط تاندون‌های فولادی با مقاومت بالا به بتن القا شود تا تنش‌های کششی ایجاد شده در بتن توسط بار خارجی را خنثی کند. بنابراین پیش تنیدگی به معنی تقویت نیروی کشش است.

برای درک پیش تنیدگی به تصویر زیر توجه کنید. همان‌طور که در این تصویر می‌بینید با اضافه کردن بار روی عضو بتنی، عضو خم می‌شود. مشاهده می‌کنید که قسمت بالایی سازه بتنی تحت فشار و قسمت پایینی تحت تنش کششی قرار گرفته است و به همین علت قسمت تحت کشیدگی دچار ترک خوردگی می‌شود.

این در حالی است که استفاده از چند میله فولادی پیش تنیده در قسمت پایینی سازه بتنی باعث می‌شود سازه در مقابل کشش مقاومت کند و از ترک‌خوردگی نجات یابد. به این کار پیش تنیدگی گفته می‌شود و این نوع بتن، بتن پیش تنیده نام دارد. در پیش تنیدگی، کابل‌ها (Tendons) در امتداد محور کشیده شده و سپس بتن ریخته می‌شود. پس از آن هنگامی که کابل‌ها آزاد شدند، عملیات فشرده‌سازی در قسمت پایین ایجاد می‌شود تا فشار ناشی از بارگذاری در قسمت بالایی، میله را متعادل کند. بنابراین نیروهای رو به بالا در طول میله، باعث می‌شود اثر بارهای خارجی اعمال‌ شده به عضو بتنی خنثی گردد.

کاربرد بتن پیش تنیده

پیش‌تنیدگی محدودیت‌های طراحی بتن معمولی را حذف کرده و به مهندسین حوزه ساخت این امکان را می‌دهد تا کف‌ها، پل‌ها و دیوارهایی با دهانه‌های بدون تکیه‌گاه و بلندتر بسازد. همین امر باعث شده این بتن‌ها در سالن‌های مدرسه، مراکز خرید، سالن‌های ورزشی، پارکینگ‌ها، تراورس‌های راه‌آهن، مخازن آب، باند فرودگاه و… استفاده شود.

انواع روش پیش‌تنیدگی

پیش‌تنیدگی به دو شکل پیش‌کشیدگی (Pre-tensioning) و پس‌کشیدگی (Post-tensioning) است که در ادامه به بررسی این دو روش می‌پردازیم.

پیش‌کشیدگی

در این فرآیند، فولاد پیش از استفاده در بتن‌ریزی کشیده می‌شود. سیم‌ها یا همان تاندون‌های فولادی با کشش بالا (مقاومت نهایی ۲۱۰۰ نیوتن بر میلی‌متر مربع) بین دو انتها استفاده شده و به میزان ۷۰ تا ۸۰% مقاومت نهایی خود کشیده می‌شوند. پس از آن، بتن در اطراف میله‌های پیش‌تنیده ریخته می‌شود.

هنگامی که بتن خشک شد و مقاومت و استحکام مورد نظر را به دست آورد، نیروهای کششی آزاد می‌شوند. بنابراین زمانی که فولاد تحت تنش زیاد است، در تماس با بتن قرار گرفته و بتن در این فاصله سفت شده و به مقاومت نهایی خود می‌رسد. همچنین در این روش، می‌توان به جای رشته یا کابل‌ها از میله‌های فولادی با توان کششی بالا نیز استفاده کرد.

عموماً اجزای بتنی پیش‌کشیدگی، به صورت اجزای پیش‌ساخته تولید شده و به محل ساخت و ساز منتقل می‌شوند. نمونه‌هایی از این اجزا، شامل، تراورس، تیرهای برق، تیر دال، دیوار جداکننده لوله و… است. بتن پیش تنیده مورد استفاده در این روش، باید دارای مقاومت ۳۵ مگاپاسکال باشد.

بیشتر بخوانید: فولاد بتن پیش‌ تنیده

پس‌کشیدگی

در روش پس‌کشیدگی، فولاد پس از سخت شدن بتن کشیده می‌شود. در این روش، کابل‌ها (تاندون‌ها) در تماس با بتن قرار ندارند، بلکه درون مجرا یا غلاف قرار می‌گیرند. سپس بتن‌ریزی انجام شده و پس از خشک شدن و کسب مقاومت نهایی بتن، تاندون‌ها کشیده شده و توسط لنگرها قفل می‌شوند. در نهایت، انتهای اضافی کابل‌ها بریده شده و برای جلوگیری از زنگ‌زدگی مجرا این محل با دوغابی از بتن پوشانده می‌شود.

این روش برخلاف روش پیش‌کشیدگی، معمولاً در محل پروژه انجام شده و نمونه‌هایی از آن را می‌توان در جاده‌ها، پل‌ها، راه‌آهن، سدها، تأسیسات صنعتی ساختمان‌ها، مخازن مهار، سازه‌های زیرزمینی، فرودگاه‌ها، بنادر دریایی و… مشاهده کرد. مقدار مقاومت مورد نیاز برای بتن پیش تنیده در این روش برابر با ۴۵ مگاپاسکال است.

مزایای بتن پیش تنیده

از آن‌جا که با استفاده از بتن پیش تنیده میزان بار مرده سازه کاهش می‌یابد، به راحتی می‌توان سازه‌های بتنی صاف، باریک و بلند را توسط این نوع بتن ساخت. از جمله مزایای سازه‌های ساخته شده توسط بتن پیش‌تنیده می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد:

• کاهش میزان مصرف بتن و فولاد در سازه
• ساخت فضاهای باز و پارکینگ‌های بزرگ، به دلیل امکان ساخت دهانه‌های بزرگ‌تر و ستون‌های بلندتر
• افزایش دوام و ماندگاری سازه
• کاهش احتمال خوردگی فولاد و زوال بتن، به دلیل کاهش میزان ترک‌های احتمالی در سازه
• افزایش مقاومت پل‌های بتنی پیش‌تنیده، در مقایسه با پل‌های ساخته شده با بتن مسلح در برابر آتش‌سوزی و کاهش هزینه نگهداری آن‌ها
• افزایش بالای مقاومت بتن پیش‌تنیده در برابر بار و ضربه
• استفاده از حداکثر مقاومت فشاری بتن و مقاومت کششی فولاد

معایب بتن پیش تنیده

از مهم‌ترین معایب بتن پیش تنیده می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد:

• نیاز به بتن خودتراکمی با کیفیت و مقاومت بالا در تمام مراحل ساخت، جای‌گذاری و فشرده‌سازی
• نیاز به فولادی با قدرت کششی بالا که هزینه آن ۲٫۵ تا ۳٫۵ برابر فولاد معمولی است.
• نیاز به تجهیزات پرهزینه و پیچیده‌ی کششی و دستگاه‌های لنگر
• نیاز به نیروی کار ماهر جهت اجرای پروژه و حضور در واحد کنترل و نظارت باکیفیت

مجموع این عوامل باعث می‌شود استفاده از بتن پیش تنیده در سازه‌هایی با دهانه‌های کوتاه و کوچک غیراقتصادی باشد.

دلایل استفاده از بتن با مقاومت بالا در ساخت بتن پیش تنیده

از دلایل استفاده از بتن با مقاومت بالا در ساخت بتن پیش‌ تنیده می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• عدم ترک‌خوردگی و شکستگی بتن پرمقاومت و بادوام در زمان کشیده شدن توسط کابل‌ها (تاندون‌ها)
• عدم ایجاد ترک‌های انقباضی در بتن پرمقاومت
• وجود مدول الاستیسیته بالاتر و قدرت خزش کمتر بتن پرمقاومت
• پذیرش بالای نیروهای پیش‌تنیدگی ایجاد شده توسط تاندون‌ها
• پذیرش تنش‌های باربری ایجاد شده توسط دستگاه‌های لنگر
• کنترل تنش‌های انفجاری ایجاد شده در انتهای میله‌ها
• حفظ چسبندگی با میله در هنگام انتقال تنش کششی، به دلیل بالا بودن میزان تنش پیوندی در بتن‌های پر مقاومت (خودتراکم)

دلایل استفاده از فولاد مستحکم در ساخت بتن پیش تنیده

فولاد معمولی مورد استفاده در بتن مسلح، دارای نقطه تسلیم ۲۰۰ نیوتن بر میلی‌متر مربع تا ۳۰۰ نیوتن بر میلی‌متر مربع است. اگر از چنین فولادی در ساخت بتن پیش تنیده استفاده شود، در مرحله کشش با قرار گرفتن تحت تنش کششی ۲۰۰ نیوتن بر میلی‌متر مربع می‌بینیم که در اثر خزش و انقباض بتن، تنش کششی خالص باقی‌مانده بسیار کم خواهد شد. این در حالی است که در طراحی سازه‌های بتنی ساخته شده از بتن پیش تنیده، تخمین افت پیش‌تنیدگی ناشی از انقباض بتن و خزش بتن و فولاد، حدود ۲۰۰ نیوتن بر میلی‌متر مربع است.

حال در صورت استفاده از فولاد کششی بالا که دارای دوام نهایی ۲۱۰۰ نیوتن بر میلی‌متر مربع است یا حتی فولادی که پس از افت پیش‌تنیدگی دوام نهایی ۱۰۰۰ نیوتن بر میلی‌متر مربع دارد، باز هم تنش زیادی در آرماتور وجود خواهد داشت.

بیشتر بخوانید: انواع بتن

انواع بتن پیش تنیده

همان‌طور که گفته شد، بتن پیش تنیده شکلی از بتن است که در آن تنش‌های داخلی قبل از استفاده در سازه به آن اعمال می‌شود تا بتن در برابر تنش‌های کششی ایجاد شده در اثر بار خارجی مقابله کند. همین امر باعث شده از این بتن در ساخت سازه‌های بلند و باریک استفاده شود، زیرا این بتن‌ها به مهندسین حوزه ساخت و ساز این امکان را می‌دهد تا سازه‌هایی با دهانه‌های بسیار بزرگ و بدون تکیه‌گاه را بسازند.

این بتن‌ها بر اساس نوع ساخت به دو دسته بتن پیش‌کشیده و بتن پس‌کشیده تقسیم می‌شوند که نوع اول معمولاً در ساخت قطعات پیش‌ساخته مورد استفاده قرار می‌گیرد و نوع دوم (بتن پیش تنیده پس کشیده) در ساخت قسمت‌هایی از سازه که نیاز به بتن‌ریزی درجا دارد، استفاده می‌شود. در این مقاله سعی کردیم به تمام مطالب مربوط به بتن پیش تنیده بپردازیم. خوشحال می‌شویم با ارائه پیشنهادات خود در بخش نظرات ما را همراهی کنید.