سقف های پیش تنیده

همان طور كه مي‌دانيم ، اولين نوآوري در استفاده از بتن سازه‌اي، 130 سال قبل با مسلح كردن بتن توسطميلگردهاي فولادي به وقوع پيوست. مهم ترين تحول پس از اين نوآوري مطرح شدن بتن پيش تنيده بوده کهامكان رقابت سازه هاي بتني در حوزه هايي كه در گذشته تنها توسط سازه هاي فولادي قابل اجرا بوده اند،مانند پل ها با دهانه هاي بزرگ، ساختمان هاي بلند مرتبه، سازه هاي دريايي و غيره را به صورت مقرون بهصرفه فراهم ساخته است. با وجود اين كه حدود 50 سال است كه در دنيا بصورت گسترده اي از بتن پيشتنيده استفاده مي‌شود ولي در ايران از پيش تنيدگي علي الخصوص در بخش ساختمان به درستي استفادهنشده است و بسياري از سازه ها كه پيش تنيدگي مي‌توانست بهترين راه حل ( هم از لحاظ سازه‌اي و هم ازلحاظ اقتصادي ) براي آنها باشد، به دليل عدم آگاهي دست اندرکاران اين پروژه ها بصورت غير پيش تنيده اجراشده اند. لازم به ذکر است که با افزايش آگاهي کارفرمايان، سرمايه گذاران، مهندسين مشاور معماري وسازه و نيز پيمانکاران، دامنه کاربرد صنعت پيش تنيدگي در دنيا طي 20 سال اخير به بيش از 5 برابر افزايشيافته است که اين روند صعودي (علي الخصوص در چند سال اخير به دليل افزايش قيمت فولاد) همچنان ادامهدارد.

تعريف ساده پيش تنيدگي:

كاربرد پيش تنيدگي به 440 سال قبل از ميلاد بر مي گردد زماني كه يوناني ها كشش و تنشهاي خمشي در بدنه كشتي هاي جنگي خود را با پيش تنيدگي ساختاربدنه به وسيله طناب ها ي كشيده شده كاهش مي دادند. يك مثال ديگري كه نشان گر سادگي پيش تنيدگي مي باشد ، بشكه هاي چوبي قديمي است كه كشش ايجاد شدهدر حلقه هاي فلزي بطور موثري قطعات چوبي را به يكديگر مي فشارد تا مقاومت و پايداري آن را افزايش دهد.

يكي از ساده ترين مثالهاي پيش تنيدگي تلاش براي بلند كردن يك رديف كتاب مي باشد. ابتدا لازم است به رديف كتابها از دو طرف فشاري اعمال كنيم تا باعثافزايش مقاومت در مقابل لغزش بين كتابها شده به طوري كه بلند كردن آنها را ممكن سازد . اين مثال همچنين نشان گر يكي از اصول متداول در بيشتر كاربردهاي پيش تنيدگي است.

با توجه به مثال هاي فوق مي توان پيش تنيدگي را به سادگي تعريف نمود :

اعمال نيروهايي به سازه علاوه بر بارهايي كه سازه براي تحمل آنها طراحي مي شود به منظور افزايش ظرفيت باربري سازه.

- پيش تنيدگي چيست ؟

پيش تنيدگي (Pre stressing)عبارت است از بوجود آوردن نيروي اضافي در بتن بصورتي که قسمتي از تنش هاي کششي موجود حاصله از بارگذاري خنثي شود.

اصطلاحات متداول در صنعت بتن پيش تنيده و معادل فارسي آنها به شرح زير ميباشد:

Stress : تنش ، فشار- فشار هاي ناشي از بار گذاري يا پيش تنيدگي در مقطع بتن

Tension : کشش - کشش هيدروليکي کابل يا ميل گرد هاي داراي مقاومت بالا که توسط گيره هاي مخصوص بصورت نيروي فشاري به مقطع بتن منتقل ميشود.

Pre stress : پيش تنش ، پيش تنيدن - حالت کلي خنثي کردن قسمتي از تنش هاي کششي بتن با اعمال فشار به يکي از دو روش زير :

Pre Tension : پيش کشيده

متداول ترين نوع پيش تنيدگي که عموما کارخانه ساز است و بتن مسلحي است که ميله هاي تقويت کننده اش از قبل تحت کشش قرار گرفته و بعد از رها شدن بتن را تحت فشار قرار ميدهند. به نام بتن پيش تنيده پيش ساخته يا بتن پيش تنيده پيش کشيده هم شناخته ميشود (Prestress Pre tension يا Prestress Precast ).

Post Tension : پس کشيده

ايجاد نيروي پيش تنيدگي در بتن توسط کشش کابل ها بعد از ريختن بتن و رسيدن بتن به مقاومت لازم. کارگاهي و يا کارخانه اي ميتواند اجرا شود و با مخفف PT هم شناخته ميشود.

2- سيستم چسبيده و غيرچسبيده چيست ؟ سيستم غيرچسبيده چه مزايايي در طراحي و اجرا دارد ؟

در سيستم چسبيده ، ابتدا غلاف‌هاي فلزي عبور تاندنها جايگذاري مي‌شود . سپس تاندنها درون غلاف قرار مي‌گيرند و بتن ريزي انجام مي‌گيرد . پس از رسيدن بتن به مقاومت لازم ، کشيدن کابلها انجام مي‌گيرد. پس از انجام عمل کشيدگي ، داخل غلاف‌ها با گروت مخصوص پر مي‌شوند.

در سيستم غيرچسبيده تاندنها داراي روکش پلي‌اتيلن مخصوص بوده و نيازي به غلاف گذاري ندارند در نتيجه پس از کارگذاري تاندنها ، بتن ريزي صورت گرفته و سپس تاندنها کشيده مي‌شوند. اين سيستم نيازي به گروت ريزي ندارد.

- مزاياي سيستم غير چسبيده عبارتند از : امکان ايجاد حداکثر خروج از مرکزيت بخاطر حذف غلاف ، عدم ايجاد خوردگي در تاندنها بدليل وجود روکش مناسب ، کم تر شدن مقدار افت‌هاي اصطکاکي ، قابليت مناسب تعمير و جايگزيني تاندنها.

- مزاياي سيستم نچسبيده : ممان نهايي بيشتر، شکست منطقه‌اي تاندنها داراي مشکل کمي ايجاد مي‌کند.

در آمريکا بيشتر از سيستم غيرچسبيده استفاده مي‌شود در حالي که در استراليا از سيستم چسبيده استفاده مي‌شود.

انتقال نيرو به بتن در سيستم غير چسبيده( از کابلها به بتن) تنها از طريق انکوريجهاي انتهايي به صورت نيروي فشاري مي‌باشد، اما در سيستم چسبيده علاوه بر انتقال نيرو از طريق انکوريجها، از طريق نيروي تماسي(چسبندگي) نيز اين انتقال صورت مي‌گيرد.

ضخامت دال در اين روش چگونه تعيين مي‌شود ؟

ضخامت دال در ابتدا بصورت تابعي از دهانه يعني L/45 در دالهاي دوطرفه تخت داده مي‌شود، اما بعد از کنترل تنشهاي کششي و فشاري در بتن ، کنترل برش پانچ و تغيير شکل درازمدت دال،اين مقدار ممکن است افزايش يابد ، رابطه L/455 را آيين نامه براساس کنترل تغيير شکل داده است. اين مقادير براي حالتهاي مختلف در جدول زير آمده است:

براي دالهاي RC اين مقدار در آيين‌نامه ACI318-99 در حدود L/33 داده شده است. که ملاحظه مي‌شود که در مقايسه حداقل 35 درصد کاهش ضخامت را خواهيم داشت. همين کاهش در ضخامت سقف در واقع باعث کاهش قابل توجهي در وزن سازه خواهد شد. يعني همين کاهش حداقل 35 درصدي را در وزن سقف خواهيم داشت.

3- آيا محدوديتي براي ايجاد دهانه هاي بلند در اين سيستم وجود دارد ؟

از نظر اجراي سقف محدوديتي در ايجاد دهانه‌هاي بلند نمي‌باشد. اما چنانچه مسائل سازه‌اي و معماري مدنظر قرار گيرد، محدوديتهاي زير را بايد در نظر گرفت: دالهاي تخت يکطرفه که داراي تير هستند ، داراي محدوده دهانه‌اي در حدود 5 تا 7 متر در پارکينگها هستند اما تا دهانه 10 متر نيز بصورت موفقي اجرا شده است. دهانه‌هاي دالهاي دوطرفه نيز بين 7 تا 12 متر است. محدوديت کنسولها بر اساس آيين‌نامه ايران در حدود 2 متر است.

4- بازشوها چگونه درنظر گرفته مي‌شوند ؟

از آنجايي که محل عبور تاندنها هم برروي نقشه و هم ميتوان توسط رنگ يا فلزياب برروي سقف مشخص گردد ، مي‌توان در محل‌هايي که تاندن وجود ندارد بازشوهاي جديد ايجاد نمود (با توجه به پوشش بتن و هندسه تاندونها در محل بازشو)

5- کابلها چگونه و با چه نيرويي کشيده مي‌شوند؟ نيروي ايجاد شده چگونه به بتن منتقل مي‌گردد؟

کابلها بوسيله جکهاي مخصوص هيدروليک و با نيروي مشخص ،که توسط بخش طراحي محاسبه مي‌گردد،کشيده مي‌شوند. اين نيرو، نيرويي ثابت در حدود 8/14 تن ( (0.8FPU است که در انتهاي عضو اعمال مي‌شود. اين نيرو باعث بوجود آمدن کرنش در کابلها شده که اين کرنش باعث تغيير طولي در حدود 6 ميليمتر در واحد طول کابل مي‌گردد. اين کشش مي‌تواند از يک جهت و هم از دو جهت انجام شود. چنانچه طول کابل کمتر از 30 متر باشد کشش از يک جهت مي‌تواند باشد و در صورت داشتن طول بين 30 تا 60 متر کشش بايد از دو جهت صورت پذيرد که عامل اين اختلاف نيروي اصطکاکي است.

6- درصورت نامناسب بودن بتن از لحاظ مقاومت آيا مي‌توان عمليات پس کشيدگي را انجام داد ؟

درصورتي که بتن به مقاومت پيش‌بيني شده در زمان معين نرسد ، کشيدن کابلها موجب ترکيدن بتن مي‌گردد بنابراين لازم است برکيفيت و اجراي بتن نظارت دقيقي صورت پذيرد. در صورت رسيدن بتن به مقاومت 210 کيلوگرم برسانتيمتر مربع، مي‌توان عمليات کشش را انجام داد که با توجه به کيفيت بتنهاي توليدي در حدود 7 روز پس از بتن ريزي عمليات کشش قابل انجام است.

7- کابلها در چه جهاتي و به چه صورتي در سقف قرار داده مي شوند ؟ عبور کابلها از روي يکديگر به چه صورتي مي‌باشد؟

کابلها در دو جهت طولي و عرضي که در يک جهت بصورت يکنواختDistributed يعني با فاصله يکسان و در جهت ديگر بصورت Banded يعني در دسته‌هاي نواري برروي سقف قرار داده مي‌شوند. ترتيب عبور کابلها از روي يکديگر برطبق نقشه‌هاي طراحي و با درنظر گرفتن حداقل ضخامت مورد نياز جهت پوشش بتن برروي کابل تعيين مي‌گردد. کابلها معمولا در روي ستونها در بالاترين نقطه از تار پاييني قرار مي‌گيرد و حداقل 2 کابل بايد در محدوده نوار ستوني قرار بگيرند.

8- عملکرد سقفهاي با دال پس کشيده در برابر زلزله به چه صورت مي‌باشد؟

به علت يکپارچگي کامل کابلها با يکديگر ، اين نوع دال ها بصورت صفحاتي هستند که به يکديگر دوخته شده‌اند پس مي‌توان آنها را بصورت يک سيستم يکپارچه در مقابل زلزله فرض نمود. اين سقفها تاکنون چندين زلزله مهم را در محدوده گسل سن اندرياس واقع در غرب ايالات متحده تجربه کرده‌اند که گزارشهاي موجود نشان دهنده عملکرد مناسب اين سقفها در محدوده فوق‌الذکر هستند.(زلزله نورثريج يکي از اين زلزله‌هاست)

9- بطور کلي در چه سازه هايي مي توان اين روش را بکار برد ؟آيا در ساختمانهاي اسکلت فلزي امکان استقاده از اين روش وجود دارد ؟

در مورد استفاده از اين سيستم در اسکلتهاي فلزي هنوز راه حل مناسبي يافت نشده است ولي تحقيقات در اين زمينه ادامه دارد. مهمترين مشکل در استفاده از دال پس‌کشيده همراه با اسکلت فلزي، مساله چگونگي اتصال اين دال به ستونهاست. اين روش در همه سازه‌ها اعم از ساختمانهاي بلند مرتبه مسکوني ، پارکينگ‌ها ، مخازن آب و گاز و فاضلاب کروي و غير کروي ، پل‌ها ، اسکله‌ها ، پي‌ها و کف‌هاي صنعتي ، مسلح کردن خاک ، نماي پارکينگ‌هاي طبقاتي ، تونل و سد کاربرد دارد.

10- برش پانچ در سقفهاي پس کشيده با چه روشي کنترل مي گردد ؟

برش پانچ در سقف‌ها در محل اتصال دال به ستون اتفاق مي‌افتدکه براي محاسبه مقدار آن محاسبات خاصي صورت مي‌پذيرد. در اين نوع سقفها ، مقدار برش پانچ همانند سقفهاي معمولي بدست مي‌آيد که در صورت تجاوز از حد مجاز آرماتورگذاري مي‌شود و در صورتي که آرماتورها جواب ندادند ، يا ضخامت دال افزايش مي‌يابد و يا از سرستون استفاده مي‌شود. جديدا در کشورهاي توسعه يافته بجاي استفاده از خاموت براي برش پانچ، از مقاطعي فولادي استفاده مي‌شود که به Shear stud يا همان گل‌ميخ موسوم هستند. Shear Stud ها جايگزين مناسبي براي ميلگردهاي برش پانچ هستند که روش محاسبه‌اي خاص خود را دارند و استفاده از آنها سرعت وکيفيت اجرا را به ميزان قابل توجهي بهبود مي‌بخشد.

11- براي اجراي اين سيستم در مناطق با محيط خورنده چه تمهيداتي انديشيده شده است ؟

در سيستم چسبيده بايد گروت ريزي با دقت خاصي صورت گيرد و ارضا کننده شرايط آيين نامه‌اي براي نوع گروت غيرخورنده بايد مدنظر باشد همانند مقدار cl- در آب و ... . در مورد انکورج ها نيز بايد از انکورج‌هاي با پوشش محافظ استفاده نمود.

در سيستم غير چسبيده بخاطر محفوظ بودن کابل در گريس و پوشش پلي‌اتيلني، تمهيد خاصي جز همان مقادير پوشش‌هاي آيين نامه براي آرماتورهاي پيش کشيده وجود ندارد . در مورد انکورج ها نيز بايد از انکورج‌هاي با پوشش محافظ استفاده نمود.

12- اين سيستم در طول دوره بهره برداري از چه مزايايي نسبت به دالهاي بتن مسلح برخوردار است ؟

به علت ايجاد فشار در بتن از ايجاد ترک‌هاي معمول جلوگيري نموده و باعث عدم ايجاد خوردگي در بتن مي‌گردد. اين پديده، يعني از بين رفتن ترکها خود باعث کارکرد کيفيت بهتر سيستم در حالت بهره‌برداري مي‌شود و در نتيجه هزينه‌هاي نگهداري اين نوع دال مخصوصا" در پارکينگها پايين مي‌آيد.

13-گروت چيست ؟ کاربرد آن در سيستم پيش تنيدگي به چه دليلي بوده و چه ويژگي‌هايي دارد ؟ چه نکاتي در زمان گروت‌ريزي بايد مدنظر قرار گيرند ؟

گروت يا دوغاب به مخلوطي از سيمان و آب گفته مي‌شود که مي‌تواند همراه با مواد افزودني و يا بدون آنها باشد. ويژگي گروت ، جلوگيري از خوردگي کابل درون غلاف و ايجاد پيوستگي بين کابلها و بتن بوده مي‌باشد و گروت بايستي داراي مقاومت بالا ، نفوذپذيري پايين ، عدم انقباض ، انبساط مشخص و رواني معين باشد.

در زمان اجراي گروت ريزي بايد آزمايشات عملکرد،مقاومت فشاري و تغيير حجم طبق دستورالعمل استاندارد انجام پذيرند. قبل از گروت ريزي بايد از باز بودن کامل مجراي غلاف و پس از گروت ريزي بايد از پرشدن کامل غلاف توسط گروت اطمينان کامل حاصل نمود. عمليات گروت ريزي بايستي حداکثر دو هفته پس از عمليات کشش کابلها صورت پذيرد. ويژگي اين گروتها در آيين نامه‌هاي مختلف آمده است که از جمله مي‌توان به داشتن مقاومت فشاري در حدود 270 کيلوگرم بر سانتيمتر مربع، عدم آب‌افتادگي و نداشتن انقباض، داشتن رواني مناسب و ... نام برد.

14-آيا امکان کاربرد تکنولوژي پس‌کشيدگي در کف‌هاي صنعتي وجود دارد ؟ مزاياي آن نسبت به ديگر سيستم ها چيست ؟ سرعت اجرا و پرداخت سطوح آن چگونه مي باشد ؟

امروزه بدليل مزاياي زياد استفاده از پيش‌تنيدگي در کف‌هاي صنعتي اين نوع کف ها که بهSlab On Ground يا S.O.G معروف مي‌باشند ، بصورت بسيار گسترده در کشورهاي غربي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. از مزاياي اين سيستم مي‌توان به حذف آرماتورهاي دال ، مقدار فولاد مورد نياز کمتر و کاهش ضخامت دال نسبت به دال بتن مسلح اشاره نمود. در اين نوع کف‌ها بدليل استفاده از دستگاه فينيشر بتن ، سرعت و کيفيت اجرا بسيار بالا بوده و سطحي صاف و بدون درز ماحصل کار مي‌باشد.

15-استاندارد مصالح بکار رفته در سيستم پيش تنيدگي بر طبق کدام آيين نامه ها مي باشد ؟

در مورد مصالح مصرفي در پيش‌تنيدگي و بتن استانداردهاي ASTM و DIN مورد استفاده قرار مي‌گيرند. آيين نامه طرح و محاسبه قطعات بتن پيش‌تنيده بخش الحاقي آبا نيز مورد استفاده مي‌باشد.

16-آناليز قيمت

يافته‌ها نشان مي‌دهد که در صورت استفاده از اين سيستم، علاوه بر برتريهاي معماري و زيبايي در طرح به برتري قيمتي در مقايسه با سيستم بتن مسلح معمولي مي‌رسيم.

مفهوم پيش تنيدگي:

پيش تنيدگي عبارت است از ايجاد يک تنش ثابت و دائمي (Prestress) در يک عضو بتني به نحو دلخواه و به اندازه لازم به طوري که در اثر اين تنش، مقداري از تنش هاي ناشي از بارهاي مرده و زنده در اين عضو خنثي شده و در نتيجه مقاومت باربري آن افزايش پيدا مي کند.

بتن مقاومت فشاري بسيار بالايي داشته ولي در کشش ضعيف مي باشد. در يک تير که تحت تأثير لنگر خمشي ناشي از بار مرده و زنده قرار دارد، در پايين تير کشش وجود دارد که براي مقابله با کشش و جلوگيري از گسترش ترک ها، منطقة تحت کشش مسلح مي‌گردد. اگر مقطع يک تير بتن آرمة معمولي را در نظر بگيريم. قسمت بالاي مقطع تحت فشار بوده و از باربري قسمت پاييني مقطع با توجه به ترکهاي به وجود آمده در آن صرف نظر شده و اين قسمت در واقع تنها آرماتورها را در جاي خود نگه داشته است. حال اگر توسط اعمال پيش تنيدگي نيروي فشاري مشخصي را از دو طرف مقطع وارد آوريم، مي‌توان تنش کششي را در پايين تير کاهش داده و يا اينکه آنرا به کلي از بين برده و تبديل به تنش فشاري کرد و بدين ترتيب از تمامي ظرفيت مقطع بتني و نيز کابل هاي پيش تنيدگي استفاده نمود.

موارد کاربرد سيستم هاي بتني پس‌كشيده:

* پاركينگهاي طبقاتي * مراكز اداري * مراكز تجاري

* بيمارستانها * هتل ها و مراكز رفاهي * مراكز آموزشي

* ساخت پل ها * ترميم و تقويت سازه‌ها * سازه‌هاي كابلي معلق

* مخازن و سيلو ها * تسليح و مهار خاك و سنگ * سازه هاي صنعتي

* انواع فونداسيون ها * ساخت با قالب لغزنده * ستون هاي بلند و لاغر

* قطعات بتني پيش ساخته * تيرهاي عرضي، شمع و سرشمع ها * ساختمانهاي مسكوني

مزاياي معماري استفاده از سيستم هاي بتني پس‌كشيده:

• ايجاد سهولت و انعطاف پذيري در طراحي پلان و نما

• امکان ايجاد دهانه هاي بلندتر و وجود ستون هاي کمتر در سازه

• کاهش ارتفاع طبقات و کل ساختمان

• امکان ايجاد کنسول هاي بلندتر

• افزايش فضاي مفيد بهره برداري در سازه

• ايجاد فضاي مناسب براي تامين پارکينگ هاي بيشتر

• حذف آويز تيرها و امکان استفاده از سقف کاملاً مسطح

• قابليت استفاده در پلان هاي نامنظم و منحني شکل

• امکان ايجاد بازشو هاي بزرگتر در سقف

• قابليت استفاده از ستونهاي خارج از محور

• قابليت بيشتر عبور لوله ها و ادوات تاسيساتي

مزاياي سازه اي استفاده از سيستم هاي بتني پس‌كشيده:

• استفاده حداکثر و بهينه از ظرفيت مصالح بتني و کابل ها

• کاهش ارتفاع تيرها و ضخامت دال هاي بتني

• باربري بيشتر عضو پيش تنيده با هندسه مشابه نسبت به بتن مسلح

• کاهش وزن مرده ساختمان و مصالح مصرفي

• ايمني بالاتر سقف يکپارچه بتني در زلزله

• امکان ساخت قطعات سبک تر بتني پيش ساخته

• کنترل خيز و تغيير شکل ها در سازه

• کنترل ترک خوردگي در سازه

• کاهش ارتعاش ناشي از بارهاي ضربه اي و ديناميکي

• افزايش دوام بتن

مزاياي اقتصادي استفاده از سيستم هاي بتني پس‌كشيده:

• کاهش قابل ملاحظه در مقدار آرماتور و بتن مصرفي

• کاهش قابل ملاحظه در زمان و هزينه نيروي انساني بواسطه کاهش مقدار مصالح

• کاهش هزينه تمامي آيتم هاي ارتفاعي نازک کاري بدليل کاهش ارتفاع سازه

• امکان ايجاد طبقات بيشتر تحت يک ارتفاع مجاز

• کاهش فوق العاده در زمان ساخت و ساز

• افزايش طول عمر مفيد سازه

• افزايش سود دهي پروژه هاي ساختماني بواسطه افزايش تعداد پارکينگ ها

• امکان احداث پروژه هاي تجاري با معماري خاص جهت جذب مشتري