بتن ساده و بتن مسلح
در اکثر اعضا سازه های بتنی مانند تیرها – دال ها و ستون ها تنش های کششی قابل توجهی در نتیجه بارهای وارده و هم چنین تأثیرات غیر وابسته به بارهای خارجی مانند اختلاف درجه حرارت و حرکت فونداسیون ایجاد می شود بتن ساده مقاومت کششی خیلی ضعیفی دارد و بنابراین نمی تواند در ساخت این اعضاء به تنهایی بکار رود اما اگر مقدار کمی فولاد در محل های استراتژیک قرار گیرد که بتواند نیروهای کششی داخلی را تحمل نماید یک مکانیزم مؤثر برای تحمل بارهای وارده به وجود می آید و در نتیجه ترکیب این دو مصالح یعنی بتن و فولاد بتن مسلح به وجود می آید که پر استفاده ترین مصالح سازه ای در قرن بیستم بوده است .
شکل 1- بتن مسلح
در بتن مسلح از خواص ساختاری مصالح بکار رفته و به بهترین وجه استفاده می نمایند بدین معنی که بتن نیروی فشاری و فولاد نیروی کششی را تحمل می کند شکل1 عمل سازه ای یک عضو خمشی را نشان می دهد ممان M که در وسط تیر به اندازه کافی بزرگ می باشد باعث ترک خوردگی بتن می شود اما نیروی کششی فولاد T و نیروی فشاری بتن C که در قسمت بدون ترک بالای مقطع قرار دارد در مقابل آن مقاومت می کند اگر چه فولاد در مقابل نیروی کششی مقاوم است ولی نمی تواند جلوی ترک خوردگی قسمت کششی بتن را بگیرد پس از بارگذاری تیرهای بتن مسلح ، معمولا ً ترک های ریزی در قسمت کششی آن ظاهر می شود طراحان بتن مسلح باید توجه کامل به کنترل عرض ترک ها و خیز عضو ها علاوه بر تعیین مقاومت کافی آن بنمایند .
بتن پیش تنیده
بتن پیش تنیده مانند بتن مسلح یک مصالح ترکیب یافته است که از مزیت مقاومت فشاری زیاد بتن استفاده می نماید در حالی که از ضعف بتن در مقابل نیروی کششی جلوگیری
می کند .
بتن پیش تنیده از بتنی ساخته شده که معمولا ً مقاومت فشاری آن زیاد می باشد و مقدار کمی فولاد با مقاومت زیاد که به صورت رشته های بهم بافته شده یا سیم بافت است تشکیل شده است این سیم بافت ها تشکیل یک کابل را می دهند قبل از بارگذاری این کابل های فولادی را با جک در مقابل بتن می کشند که در نتیجه سبب به وجود آمدن پیش فشردگی در بتن می شود .
عمل اصلی تیر پیش فشرده بتن در شکل2 نشان داده شده است کابلی که از فولاد با مقاومت زیاد ساخته شده درون یک مجرا قرار داده شده که در زمان بتن ریزی در داخل آن قرار گرفته است این کابل در مقابل دو انتهای تیر کشیده و مهار شده است سپس مجرایی که کابل درون آن قرار دارد را با دوغاب سیمان پر می کنند که باعث تماس بین بتن و فولاد می گردد به علت قرار داشتن این کابل در خارج از محور خنثی تیر ، تنشی در مقطع تیر بتنی ایجاد می شود که معمولا ً از حداکثر نیروی فشاری در پایئن مقطع به مقدار کمی نیروی کششی در بالای آن متغیر است (شکل 2- ب) این سبب می شود که تیر در ابتدا به سمت بالا خم شود زمانی که بار طراحی شده W وارد شود ممان خمشی ایجاد شده در محل وسط تیر باعث به وجود آمدن تنشی می شود که در تارهای بالایی مقطع فشاری و در تارهای پایینی آن کششی است این تنش ها با تنش های ایجاد شده به وسیله پیش تنیدگی با هم ترکیب شده و یک تنش فشاری ماکزیمم در تار بالایی مقطع و یک تنش فشاری و یا احتمالا ً کششی در تار پایینی آن به وجود می آورد با افزایش بارهای خارجی افزایش درنیروی کششی در تار پایینی مقطع صورت می گیرد تا نهایتا ً این تنش برابر مقاومت کششی بتن می شود که در این زمان ترک ها ظاهر می شوند .
با افزایش بار وارده ، ممان خمشی در مقطع ترک خورده تیر با یک زوج نیروهای داخلی که نیروی کششی T در کابل فولادی و نیروی فشاری C در قسمت ترک نخورده مقطع است مواجه می شود ( شکل 1-2 – ب ) در این مرحله رفتار مقطع ترک خورده بتنی پیش فشرده مانند مقطع ترک خورده بتن مسلح عمل می کند (شکل 1)
هدف اصلی از پیش تنیده کرده بتن بهتر ساختن رفتار آن در هنگام بارهای بهره برداری می باشد که این هدف به وسیله ایجاد یک تغییر شکل و در نتیجه تنش ایجاد شده در مقطع انجام شده که با بارهای طراحی شده مقابله نموده و آنرا خنثی نماید .
(تصاویر و نمودار در فایل اصلی موجود است)
بتن پیش تنیده، توزیع تنش ها
انتخاب بتن پیش تنیده برای طراحی
بتن پیش تنیده دارای مزایای زیاد و در عین حال محدودیتهایی می باشد که طراح باید از آن آگاه باشد ابتدا مزایای مهم پیش تنیدگی ذکر می شود و سپس به محدودیت های آن اشاره می گردد .
بهتر شدن رفتار سازه پس از وارد شدن بارهای بهره برداری
از شکل 2 می توان به این نتیجه رسید که اثر نیروی پیش تنیده در یک عضو خمشی یک سازه کاهش و یا حتی از بین رفتن خیز به طرف پایین تیر در اثر بارگذاری است که در ضمن سبب افزایش بار لازم که باعث ترک خوردگی مقطع در قسمت کششی می شود نیز می گردد همان طور که اشاره شد پیش تنیدگی اصولا ً برای بهتر کردن رفتار عضو سازه پس از بارگذاری است حتی مقدار کمی از پیش تنیدگی می تواند عرض ترک های ایجاد شده را به مقدار زیادی کاهش داده و یا ممکن است به طور کامل از ترک خوردن مقطع جلوگیری نماید .
این نکته را باید در نظر داشت که پیش تنیدگی تأثیر زیادی در مقاومت خمشی آن نمی گذارد اگر برای مثال تیر بتن مسلح شکل 1 با تیر پیش تنیده در شکل 2 مقایسه شود و فرض شود که نیروی جاری شدن در فولاد بتن مسلح با نیروی جاری شدن فولاد بکار رفته در تیر پیش تنیده یکسان باشد و در صورتی که مشخصات طراحی آن ( ابعاد مقطع ، مقاومت بتن ) یکسان باشد مقاومت هر دو تیر تقریبا ً یکسان است .
استفاده بهتر از فولاد و بتن با مقاومت زیاد
بتن پیش تنیده می تواند فولاد با مقاومت زیاد را با بتن با مقاومت بالا ترکیب نموده و عضو بسیار مطلوبی به وجود آورد فولاد با مقاومت زیاد نمی تواند در بتن مسلح با استفاده از حداکثر ظرفیت آن بکار رود زیرا تنش زیاد فولاد در اثر بارگذاری سبب خمش زیاد تیر گردیده و باعث ترک خوردگی با عرض زیاد می گردد که این نقص را با استفاده از مقدار مناسب نیروی کششی فولاد می توان از بین برد .
سازه های با دهانه بزرگ و سازه های ظریف تر
با استفاده مناسب از مصالح با مقاومت زیاد و تحت کنترل قرار دادن خمش و عرض ترک های ایجاد شده به وسیله پیش تنیدگی ، امکان ساخت سازه های بتنی ظریف تر و هم چنین ساخت سازه های با دهانه های زیاد قابل اجرا می شود .
پیش تنیدگی بنابراین انتخابی مفید برای طراحی هایی است که سازه های با دهانه بزرگ زمانی که وزن خود سازه قسمت زیادی از بارهای وارده را تشکیل می دهد قابل ساخت می شود و همچنین برای سازه هایی که بار مرده آن ها زیاد است خصوصا ً برای پل های با دهانه متوسط تا بزرگ طراحی بسیار جالبی می باشد .
بهتر شدن مقاومت آن در برابر نیروهای برشی و پیچشی
وجود مقداری پیش فشردگی در بتن باعث تأخیر در ایجاد ترک های مایل می شود پیش فشردگی برای از بین بردن مسائل برشی و پیچشی می تواند بکار برده شود.
و به وسیله آن می توان مقدار نیرویی را که باعث ایجاد ترک های مایل می شود افزایش داد .
آثار بازدارنده استفاده از پیش تنیدگی
اگر چه پیش تنیدگی می تواند برای بهتر شدن وضعیت سازه در یک عضو بتنی مورد استفاده قرار گیرد ولی اگر به طور مناسب استفاده نشود و یا بدون شناخت آن انجام گیرد سبب رفتاری نامناسب می گردد برای مثال پیش تنیدگی زیاد همراه با دورتر بودن فولاد از محور خنثی مقطع می تواند باعث خمش بیش از حد تیر به سمت بالا گردد این خیز به طرف بالا با زمان افزایش پیدا می کند که علت آن خزش بتن است که این خیز بیش از حد باعث غیر قابل استفاده بودن آن عضو می گردد پیش تنیدگی به طراح مقدار زیادی توان می دهد که رفتار عضو را بعد از بارگزاری تحت کنترل در آورد .
طراح باید دانش کافی در مورد نیروی زیادی که در اثر کشش کابل به وجود می آید داشته باشد برای مثال اگر احتیاط کافی برای جزئیات دو انتهای کابل در جائی که مهار کابل با قسمت انتهائی بتن به وجود می آید نشود سبب ایجاد نیروی زیاد کابل به بتن در هنگام انتقال شده که در نتیجه ترک های محوری جدید به وجود می آید و حتی ممکن است که موجب انهدام عضو پیش تنیده شود .
تولید بتن بکار رفته در عضو پیش تنیده احتیاج به عملیات دقیق دارد که لازمه آن داشتن کارگران ماهر – وسائل مخصوص و مصالح با مرغوبیت بالا است که باید هزینه های اضافی آن مورد نظر قرار گیرد و مطمئن شد که آیا پیش تنیدگی مقرون به صرفه است یا نه و با داشتن حق انتخاب طرح های دیگر پیش تنیدگی بتن باید مورد مطالعه قرار گیرد که از نظر مقرون به صرفه بودن و یا بهتر استفاده قرار گرفتن آن قابل قبول می باشد .
اتلاف نیروی پیش تنیده
حتی در روزهای اولیه توسعه بتن مسلح ، مهندسین فهمیدند اگر یک حالت پیش فشردگی در بتن ایجاد شود رفتار آن به طور محسوس بهتر می شود اولین کوشش برای پیش فشردگی بتن به وسیله کشیدن میله های فولادی صورت گرفت که موفقیتی در بر نداشت و علت آن وجود مقدار بسیار زیاد خزش و انقباض در بتن بود که در مدت زمان طولانی سبب از بین رفتن کشش فولاد می گردید زمانی که بتن تحت تأثیر تنش های فشاری ممتد قرار می گیرد کرنش فشاری با زمان افزوده گردیده که مقدار نهائی این کرنش که تحت اثر تنش به وجود می آید دو یا سه برابر مقدار اولیه آن است این افزایش کرنش که وابسته به تنش و زمان است به عنوان خزش نامیده می شود مقداری هم کرنش در بتن ایجاد می شود که علت آن نداشتن تنش فشاری نمی باشد و به علت از دست دادن آب بتن است اگر برای مثال یک میل گرد فولادی از یک تیر بتن به اندازه Mpa200 تحت کشش قرار گیرد در نتیجه آن مقدار اولیه کرنش فولاد حدود 100 میکرواسترین یا 001/0 است کرنشی که در اثر از دست دادن آب بتن ایجاد می شود به طور متوسط در حدود 0006/0 تا 0008/0 است که کم شدن 0008/0 از کرنش باعث کاهش نیروی پیش تنیدگی در فولاد به مقدار 5/1 مقدار اولیه آن می شود که با افزایش خزش در بتن تقریبا ً تمام نیروی کشش فولاد از بین می رود .
تا زمانی که فولاد با مقاومت زیاد در بتن بکار نرفته بود موفقیتی در پیش فشردگی بتن به دست نیامد در حال حاضر فولادهایی که بکار می رود که تنش نهائی آنها تا MPa1750 می رسد که اگر کشش را تا 75 درصد تنش نهایی انجام می دهیم به مقدار MPa1300 می رسیم که کرنش اولیه ای برابر 007/0 می دهد حتی با وجود مقدار زیادی خزش و انقباض ، کاهش نیروی کششی فولاد در حدود 001/0 می باشد که اتلاف نیروی پیش تنیده ای برابر 20 درصدی می دهد و مقدار باقیمانده تنش کششی در فولاد به اندازه کافی است که بتن را پیش فشرده نگه می دارد .
(تصاویر و نمودار در فایل اصلی موجود است)