پیش کشیدگی (Prestressing) عبارت است از بوجود آوردن نیروی اضافی در بتن بصورتی که قسمتی از تنش های کششی موجود حاصله از بارگذاری خنثی شود.

.

تعریف ساده پیش کشیدگی:

کاربرد پیش کشیدگی به ۴۴۰ سال قبل از میلاد بر می گردد زمانی که یونانی ها کشش و تنشهای خمشی در بدنه کشتی های جنگی خود را با پیش کشیدگی ساختار بدنه به وسیله طناب ها ی کشیده شده کاهش می دادند. یک مثال دیگری که نشان گر سادگی پیش کشیدگی می باشد ، بشکه های چوبی قدیمی است که کشش ایجاد شده در حلقه های فلزی بطور موثری قطعات چوبی را به یکدیگر می فشارد تا مقاومت و پایداری آن را افزایش دهد. یکی از ساده ترین مثالهای پیش کشیدگی تلاش برای بلند کردن یک ردیف کتاب می باشد. ابتدا لازم است به ردیف کتابها از دو طرف فشاری اعمال کنیم تا باعث افزایش مقاومت در مقابل لغزش بین کتابها شده به طوری که بلند کردن آنها را ممکن سازد . این مثال همچنین نشان گر یکی از اصول متداول در بیشتر کاربردهای پیش کشیدگی است.

با توجه به مثال های فوق می توان پیش تنیدگی را به سادگی تعریف نمود :

اعمال نیروهایی به سازه علاوه بر بارهایی که سازه برای تحمل آنها طراحی می شود به منظور افزایش ظرفیت باربری سازه.

.

مفهوم پیش کشیدگی:

پیش کشیدگی عبارت است از ایجاد یک تنش ثابت و دائمی (Prestressing) در یک عضو بتنی به نحو دلخواه و به اندازه لازم به طوری که در اثر این تنش، مقداری از تنش های ناشی از بارهای مرده و زنده در این عضو خنثی شده و در نتیجه مقاومت باربری آن افزایش پیدا می کند.
بتن مقاومت فشاری بسیار بالایی داشته ولی در کشش ضعیف می باشد. در یک تیر که تحت تأثیر لنگر خمشی ناشی از بار مرده و زنده قرار دارد، در پایین تیر کشش وجود دارد که برای مقابله با کشش و جلوگیری از گسترش ترک ها، منطقه تحت کشش مسلح می‌گردد. اگر مقطع یک تیر بتن آرمه معمولی را در نظر بگیریم. قسمت بالای مقطع تحت فشار بوده و از باربری قسمت پایینی مقطع با توجه به ترکهای به وجود آمده در آن صرف نظر شده و این قسمت در واقع تنها آرماتورها را در جای خود نگه داشته است. حال اگر توسط اعمال پیش کشیدگی نیروی فشاری مشخصی را از دو طرف مقطع وارد آوریم، می‌توان تنش کششی را در پایین تیر کاهش داده و یا اینکه آنرا به کلی از بین برده و تبدیل به تنش فشاری کرد و بدین ترتیب از تمامی ظرفیت مقطع بتنی و نیز کابل های پیش کشیدگی استفاده نمود.

.

کاربرد سیستم پیش کشیده:

همان طور که می‌دانیم ، اولین نوآوری در استفاده از بتن سازه‌ای، ۱۳۰ سال قبل با مسلح کردن بتن توسط میلگردهای فولادی به وقوع پیوست. مهم ترین تحول پس از این نوآوری مطرح شدن بتن پیش تنیده بوده که امکان رقابت سازه های بتنی در حوزه هایی که در گذشته تنها توسط سازه های فولادی قابل اجرا بوده اند، مانند پل ها با دهانه های بزرگ، ساختمان های بلند مرتبه، سازه های دریایی و غیره را به صورت مقرون به صرفه فراهم ساخته است.

.

استفاده از تکنولوژی پیش کشیده در ایران

با وجود این که حدود ۵۰ سال است که در دنیا بصورت گسترده ای از بتن پیش کشیده استفاده می‌شود ولی در ایران از پیش کشیدگی علی الخصوص در بخش ساختمان به درستی استفاده نشده است و بسیاری از سازه ها که پیش کشیدگی می‌توانست بهترین راه حل ( هم از لحاظ سازه‌ای و هم از لحاظ اقتصادی) برای آنها باشد، به دلیل عدم آگاهی دست اندرکاران این پروژه ها بصورت غیر پیش کشیده اجرا شده اند. لازم به ذکر است که با افزایش آگاهی کارفرمایان، سرمایه گذاران، مهندسین مشاور معماری و سازه و نیز پیمانکاران،
دامنه کاربرد صنعت پیش کشیدگی در دنیا طی ۲۰ سال اخیر به بیش از ۵ برابر
افزایش یافته است که این روند صعودی (علی الخصوص در چند سال اخیر به دلیل
افزایش قیمت فولاد) همچنان ادامه دارد.

.

سیستم پیوسته(Bonded) و نا پیوسته (Un Bonded) چیست ؟

در سیستم پیوسته – Bonded ابتدا غلاف‌های فلزی عبور تاندنها جایگذاری می‌شود . سپس تاندنها درون غلاف قرار می‌گیرند و بتن ریزی انجام می‌گیرد . پس از رسیدن بتن به مقاومت لازم ، کشیدن کابلها انجام می‌گیرد. پس از انجام عمل کشیدگی ، داخل غلاف‌ها با گروت مخصوص پر می‌شوند.

در سیستم نا پیوسته – Un Bonded تاندنها دارای روکش پلی‌اتیلن مخصوص بوده و نیازی به غلاف گذاری ندارند در نتیجه پس از کارگذاری تاندنها ، بتن ریزی صورت گرفته و سپس تاندنها کشیده می‌شوند. این سیستم نیازی به گروت ریزی ندارد.

.

مزایای سیستم نا پیوسته عبارتند از:

  • امکان ایجاد حداکثر خروج از مرکزیت بخاطر حذف غلاف
  • عدم ایجاد خوردگی در تاندنها بدلیل وجود روکش مناسب
  • کم تر شدن مقدار افت‌های اصطکاکی
  • قابلیت مناسب تعمیر و جایگزینی تاندنها

.

مزایای سیستم پیوسته :

  • ممان نهایی بیشتر
  • شکست منطقه‌ای تاندنها دارای مشکل کمی ایجاد می‌کند.

.

در آمریکا بیشتر از سیستم نا پیوسته استفاده می‌شود در حالی که در استرالیا بیشتر از سیستم پیوسته استفاده می‌شود. انتقال نیرو به بتن در سیستم غیر چسبیده( از کابلها به بتن) تنها از طریق انکوریجهای انتهایی به صورت نیروی فشاری می‌باشد، اما در سیستم پیوسته علاوه بر انتقال نیرو از طریق انکوریجها، از طریق نیروی تماسی(چسبندگی) نیز این انتقال صورت می‌گیرد.

.

بطور کلی در چه سازه هایی می توان این روش را بکار برد ؟

این روش در همه سازه‌ها اعم از ساختمانهای بلند مرتبه مسکونی ، پارکینگ‌ها، مخازن آب و گاز و فاضلاب کروی و غیر کروی ، پل‌ها ، اسکله‌ها ، پی‌ها و کف‌های صنعتی ، مسلح کردن خاک ، پارکینگ‌های طبقاتی ، تونل و سد کاربرد دارد. در مورد استفاده از این سیستم در اسکلتهای فلزی هنوز راه حل مناسبی یافت نشده است ولی تحقیقات در این زمینه ادامه دارد. مهمترین مشکل در استفاده از دال پس‌کشیده همراه با اسکلت فلزی، مساله چگونگی اتصال این دال به ستونهاست.

.

این سیستم در طول دوره بهره برداری از چه مزایایی نسبت به دالهای بتن مسلح برخوردار است ؟

به علت ایجاد فشار در بتن از ایجاد ترک‌های معمول جلوگیری نموده و باعث عدم ایجاد خوردگی در بتن می‌گردد. این پدیده، یعنی از بین رفتن ترکها خود باعث کارکرد کیفیت بهتر سیستم در حالت بهره‌برداری می‌شود و در نتیجه هزینه‌های نگهداری این نوع دال مخصوصا” در پارکینگها پایین می‌آید.

.

ضخامت دال در این روش چگونه تعیین می‌شود ؟

ضخامت دال در ابتدا بصورت تابعی از دهانه یعنی L/45 در دالهای دوطرفه تخت داده می‌شود، اما بعد از کنترل تنشهای کششی و فشاری در بتن ، کنترل برش پانچ و تغییر شکل درازمدت دال،این مقدار ممکن است افزایش یابد ، رابطه L/45 را آیین نامه براساس کنترل تغییر شکل داده است. برای دالهای RC این مقدار در آیین‌نامه ACI 318-99 در حدود L/33 داده شده است. که ملاحظه می‌شود که در مقایسه حداقل ۳۵ درصد کاهش ضخامت را خواهیم داشت. همین کاهش در ضخامت سقف در واقع باعث کاهش قابل توجهی در وزن سازه خواهد شد. یعنی همین کاهش حداقل ۳۵ درصدی را در وزن سقف خواهیم داشت.

.

کابل‌ها چگونه و با چه نیرویی کشیده می‌شوند؟

کابلها بوسیله جکهای مخصوص هیدرولیک و با نیروی مشخص ،که توسط بخش طراحی محاسبه می‌گردد،کشیده می‌شوند. این نیرو، نیرویی ثابت در حدود ۸/۱ تن – ۰٫۸FPU است که در انتهای عضو اعمال می‌شود. این نیرو باعث بوجود آمدن کرنش در کابلها شده که این کرنش باعث تغییر طولی در حدود ۶ میلیمتر در واحد طول کابل می‌گردد. این کشش می‌تواند از یک جهت و هم از دو جهت انجام شود. چنانچه طول کابل کمتر از ۳۰ متر باشد کشش از یک جهت می‌تواند باشد و در صورت داشتن طول بین ۳۰ تا ۶۰ متر کشش باید از دو جهت صورت پذیرد که عامل این اختلاف نیروی اصطکاکی است.

.

درصورت نامناسب بودن بتن از لحاظ مقاومت آیا می‌توان عملیات پس کشیدگی را انجام داد ؟

درصورتی که بتن به مقاومت پیش‌بینی شده در زمان معین نرسد ، کشیدن کابلها موجب ترکیدن بتن می‌گردد بنابراین لازم است برکیفیت و اجرای بتن نظارت دقیقی صورت پذیرد. در صورت رسیدن بتن به مقاومت ۲۱۰ کیلوگرم برسانتیمتر مربع، می‌توان عملیات کشش را انجام داد که با توجه به کیفیت بتنهای تولیدی در حدود ۷ روز پس از بتن ریزی عملیات کشش قابل انجام است.

.

عملکرد سقفهای با دال پس کشیده در برابر زلزله به چه صورت می‌باشد؟

به علت یکپارچگی کامل کابلها با یکدیگر ، این نوع دال ها بصورت صفحاتی هستند که به یکدیگر دوخته شده‌اند پس می‌توان آنها را بصورت یک سیستم یکپارچه در مقابل زلزله فرض نمود. این سقفها تاکنون چندین زلزله مهم را در محدوده گسل سن اندریاس San Andreas واقع در غرب ایالات متحده تجربه کرده‌اند که گزارشهای موجود نشان دهنده عملکرد مناسب این سقفها در محدوده فوق‌الذکر هستند.

.

برش پانچ در سقف‌های پس کشیده با چه روشی کنترل می گردد ؟

برش پانچ در سقف‌ها در محل اتصال دال به ستون اتفاق می‌افتدکه برای محاسبه مقدار آن محاسبات خاصی صورت می‌پذیرد. در این نوع سقفها ، مقدار برش پانچ همانند سقفهای معمولی بدست می‌آید که در صورت تجاوز از حد مجاز آرماتورگذاری می‌شود و در صورتی که آرماتورها جواب ندادند ، یا ضخامت دال افزایش می‌یابد و یا از سرستون و تیراستفاده می‌شود. جدیدا در کشورهای توسعه یافته بجای استفاده از خاموت برای برش پانچ، از مقاطعی فولادی استفاده می‌شود که به Shear stud یا همان گل‌میخ موسوم هستند. Shear Stud ها جایگزین مناسبی برای میلگردهای برش پانچ هستند که روش محاسبه‌ای خاص خود را دارند و استفاده از آنها سرعت وکیفیت اجرا را به میزان قابل توجهی بهبود می‌بخشد.

.

آیا امکان کاربرد تکنولوژی پس‌کشیدگی در کف‌های صنعتی Industrial Pavements وجود دارد ؟

امروزه بدلیل مزایای زیاد استفاده از پیش‌تنیدگی در کف‌های صنعتی این نوع کف ها که به Industrial Pavements معروف می‌باشند ، بصورت بسیار گسترده در کشورهای غربی مورد استفاده قرار می‌گیرند. از مزایای این سیستم می‌توان به حذف آرماتورهای دال ، مقدار فولاد مورد نیاز کمتر و کاهش ضخامت دال نسبت به دال بتن مسلح اشاره نمود. در این نوع کف‌ها بدلیل استفاده از دستگاه فینیشر بتن ، سرعت و کیفیت اجرا بسیار بالا بوده و سطحی صاف و بدون درز ماحصل کار می‌باشد.

.

برای اجرای این سیستم در مناطق با محیط خورنده چه تمهیداتی اندیشیده شده است ؟

در سیستم پیوسته باید گروت ریزی با دقت خاصی صورت گیرد و ارضا کننده شرایط آیین نامه‌ای برای نوع گروت غیرخورنده باید مدنظر باشد. در مورد انکورج ها نیز باید از انکورج‌های با پوشش محافظ استفاده نمود. در سیستم نا پیوسته بخاطر محفوظ بودن کابل در گریس و پوشش پلی‌اتیلنی، تمهید خاصی جز همان مقادیر پوشش‌های آیین نامه برای آرماتورهای پیش کشیده وجود ندارد . در مورد انکورج ها نیز باید از انکورج‌های با پوشش محافظ استفاده نمود.

.

گروت چیست و کاربرد آن در سیستم پس کشیدگی به چه دلیلی بوده و چه ویژگی‌هایی دارد ؟

گروت یا دوغاب به مخلوطی از سیمان و آب گفته می‌شود که می‌تواند همراه با مواد افزودنی و یا بدون آنها باشد. ویژگی گروت ، جلوگیری از خوردگی کابل درون غلاف و ایجاد پیوستگی بین کابلها و بتن بوده می‌باشد و گروت بایستی دارای مقاومت بالا ، نفوذپذیری پایین ، عدم انقباض ، انبساط مشخص و روانی معین باشد. در زمان اجرای گروت ریزی باید آزمایشات عملکرد،مقاومت فشاری و تغییر حجم طبق دستورالعمل استاندارد انجام پذیرند. قبل از گروت ریزی باید از باز بودن کامل مجرای غلاف و پس از گروت ریزی باید از پرشدن کامل غلاف توسط گروت اطمینان کامل حاصل نمود. عملیات گروت ریزی بایستی حداکثر دو هفته پس از عملیات کشش کابلها صورت پذیرد. ویژگی این گروتها در آیین نامه‌های مختلف آمده است که از جمله می‌توان به داشتن مقاومت فشاری در حدود ۲۷۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع، عدم آب‌افتادگی و نداشتن انقباض، داشتن روانی مناسب و غیره… نام برد.

.

استاندارد مصالح بکار رفته در سیستم پیش کشیدگی و پس کشیدگی بر طبق کدام آیین نامه ها می باشد؟

در مورد مصالح مصرفی در پیش‌تنیدگی و بتن استانداردهای ۴۱۶ ASTM و BS 5896: 1980 AMD مورد استفاده قرار می‌گیرند. آیین نامه طرح و محاسبه قطعات بتن پیش‌تنیده بخش الحاقی آبا نیز مورد استفاده می‌باشد.

.

مقایسه قیمت سیستم پیش تنیده

یافته‌ها نشان می‌دهد که در صورت استفاده از این سیستم، علاوه بر برتریهای معماری و زیبایی در طرح به برتری قیمتی در مقایسه با سیستم بتن مسلح معمولی می‌رسیم.