صفحه اصلی  »  طراحی سازه های ساختمانی و صنعتی  »  طراحی بتن پیش تنیده به همراه 19 مثال کاربردی و بیان نکات اجرایی مقاطع پیش تنیده

طراحی بتن پیش تنیده به همراه 19 مثال کاربردی و بیان نکات اجرایی مقاطع پیش تنیده

  • تعداد صفحات: 153
  • آخرین ویرایش: 1402
  • شابک: 4-21-7589-622-978
  • تولید کنندگان محتوا:
تولید کنندگان آموزش

همان‌طور که می‌دانید مهم‌ترین نقطه ضعف بتن، داشتن مقاومت کششی پایین است که اولین راهکار مقابله با این ضعف، مسلح کردن بتن است اما آیا با این‌کار مشکل ترک‌خوردگی بتن برطرف می شود؟ تفاوت تیر پیش تنیده با تیر مسلح معمولی چیست؟ چه آرماتوری در طراحی بتن پیش تنیده استفاده می شود؟ مزایای پیش تنیدگی چیست؟

در این ایبوک جامع به بررسی طراحی بتن پیش تنیده با حل مثال‌های متعدد خواهیم پرداخت و همچنین نکات اجرایی بتن پیش تنیده را نیز بیان خواهیم کرد. در این مقاله، آیین‌نامه ACI318-19 بطور کامل بررسی خواهد شد و در انتها نکات نرم‌افزاری مربوط به بتن پیش‌تنیده تشریح خواهد شد.

⌛ آخرین به روز رسانی: 20 مهر 1402

📕 تغییرات به روز رسانی: اضافه شدن مطالب جدید

پیش تنیدگی چیست؟

بتن پیش‌تنیده (Prestressed Concrete) نوعی بتن مسلح است که در آن پیش از قرار گرفتن سازه در معرض بارگذاری، بتن تحت تنش فشاری اولیه قرار دارد. در تیرهای بتنی برای فشار دادن تیر از دو طرف، از کابل‌ها و رشته سیم‌هایی که اصطلاحاً تاندون نامیده می‌شوند، استفاده می‌شود. این تاندون‌ها که از فولادهایی با تنش تسلیم و مقاومت نهایی بسیار بالایی تشکیل می‌شوند، در داخل بتن تعبیه شده و به وسیله جک‌های مخصوصی کشیده می‌شوند تا تیر بتنی از دو طرف تحت فشار قرار گیرد. درنتیجه‌ این عملیات، هرقطعه پیش تنیده در یک حالت تعادل نیرویی داخلی قرار دارد که در آن تنش‌ها صفر نیستند، بلکه فولاد در کشش اولیه و بتن در فشار اولیه قرار دارند.

این وضعیت تنش‌های اولیه، عملکرد عضو بتنی را در برابر بارهای خارجی بهبود می‌بخشد. در بتن پیش‌تنیده، فشار اولیه ایجاد شده بخشی از کشش ناشی از بارهای خارجی را خنثی می‌کند. بنابراین سختی قطعه بتنی و بار لازم برای ترک خوردن بتن افزایش می‌یابد. مشابه طراحی سازه‌های بتن مسلح، فولادهای پیش‌تنیدگی در نقاطی قرار می‌گیرند که پیش‌بینی می‌شود در آنجا در اثر بار خارجی کشش ایجاد شود.

 

پیش تنیدگی چیست؟

شکل 1 – جزئیات و لوازم پیش تنیدگی

در اثر پیش‌تنیده کردن فولاد، بار ترک‌خوردگی افزایش می‌یابد، در عضو تغییرشکل منفی اولیه ایجاد می‌شود (پیش‌خیز یا camber)، تغییرشکل عضو قبل از خرابی کاهش پیدا می‌کند (δ12) ولی مقاومت نهایی عضو تقریباً ثابت باقی می‌ماند (P1≈P2). همه این موارد را می‌توان به‌وضوح در شکل زیر مشاهده کرد.

 

مقایسه رفتار بتن مسلح و بتن پیش‌تنیده

شکل 2- مقایسه شماتیک رفتار بتن مسلح و بتن پیش‌تنیده

 

روش‌های پیش‌تنیدگی به دو دسته «پیش‌کشیدگی» و «پس‌کشیدگی» تقسیم می‌شوند که در ادامه به بررسی هرکدام می‌پردازیم:

1. پیش کشیدگی (Pre Tensioning)

در روش پیش‌کشیدگی، ابتدا فولاد پیش‌تنیدگی بین دو نقطه‌‌ ثابت خارج از قطعه پیش‌تنیده قرار داده می‌شود و سپس با استفاده از جک به‌صورت یکی یکی یا گروهی کشیده می‌شوند و بتن‌ریزی انجام می‌شود. بعد از رسیدن بتن به مقاومت مناسب، فولاد کشیده شده رها می‌شود. از نکات مهم این روش می‌توان به این نکته اشاره کرد که فولاد و بتن در تماس مستقیم با یکدیگر می‌باشند. به علت اینکه عمل کشیدن تاندون‌ها برای تمام عضوهای پیش‌تنیده فقط یکبار صورت می‌پذیرد، این روش از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه می‌باشد.

 

بتن پیش‌تنیده با روش پیش‌کشیدگی

شکل 3- بتن پیش‌تنیده با روش پیش‌کشیدگی

2. پس کشیدگی (Post Tensioning)

در روش پس‌کشیدگی، ابتدا قطعه‌ موردنظر بتن‌ریزی می‌شود، درحالی‌که در آن یک داکت یا لوله جهت قرار دادن فولاد پیش‌تنیدگی تعبیه شده است. وقتی بتن سخت شده به مقاومت مناسبی جهت پیش‌تنیده کردن رسید، با استفاده از جک‌های مخصوص، فولاد پیش‌تنیدگی کشیده می‌شود. در این روش فولادها می‌توانند به‌صورت یکپارچه یا تکی کشیده شوند. درنهایت با به کار بردن قطعاتی در انتهای عضو، فولاد کشیده شده مهار می‌شود. روش پس‌کشیدگی برای ساخت پل‌ها، دکل‌ها، اسکله‌ها و سازه‌های دریایی در ایران رواج بیشتری دارد.

 

بتن پیش‌تنیده با روش پس‌کشیدگی

شکل 4- بتن پیش‌تنیده با روش پس‌کشیدگی

 

سیستم‌های پس‌کشیده به دو روش چسبیده (Bonded) و نچسبیده(Unbonded) طبقه‌بندی می‌شوند.

▪️ در روش چسبیده پس از پایان عملیات کشش، فاصله بین داکت و تاندون‌ها به منظور جلوگیری از زنگ‌زدگی و خوردگی تاندون‌ها با گروت (grout) پر می‌شود. به‌دلیل اینکه تاندون از این طریق به بتن می‌چسبد و امکان انتقال نیرو بین کابل و بتن وجود دارد، اصطلاحاً «روش چسبیده» گفته می‌شود.

▪️ در روش نچسبیده، فاصله‌ میان تاندون‌ها و بتن برای ایجاد انعطاف بیشتر درمقابل نیروهای وارده مانند زلزله، با گروت پر نمی‌شود. در این حالت به دلیل اینکه هیچگونه تماسی بین آن‌ها وجود ندارد، تاندون‌ها آزادانه و مستقل از بتن حرکت می‌کنند. در چنین حالاتی برای جلوگیری از زنگ‌زدگی تاندون‌ها، اطراف تاندون‌ها با گیریس پوشانده می‌شود.

 

روش چسبیده و روش غیر چسبیده

شکل 5- روش‌های سیستم پس‌کشیدگی

 

✅  نکته های بیشتر در مورد پیش کشیدگی و پس کشیدگی را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

 

مزایا و معایب بتن پیش‌تنیده

پیش‌تنیدگی ویژگی‌های متعددی دارد که در این قسمت مورد بررسی قرار می‌گیرند.

1. استفاده کامل از ظرفیت فشاری بتن: پیش‌تنیدگی سبب می‌شود تا تقریباً کل سطح مقطع بتن تحت فشار باشد؛ یعنی در محاسبات، کل سطح مقطع بتن باید لحاظ شود که این به معنای استفاده کامل از ظرفیت فشاری بتن است! در حالی‌که در بتن مسلح معمولی به دلیل ترک‌خوردگی نواحی تحت کشش، از مقاومت آن‌ها در محاسبه لنگر مقاوم خمشی صرف‌نظر می‌شود.

مزایای پیش تنیدگی

شکل 6 – مقایسه بین سطح فشاری بتن مسلح با بتن پیش‌تنیده

 

2-کاهش تعداد و عرض ترکها: در بتن پیش‌تنیده، تقریباً دیگر خبری از ناحیه کششی در مقطع بتن نیست و این امر موجب کاهش هرچه بیشتر تعداد و عرض ترک‌ها در نواحی کششی مقطع خواهد بود که هم به جهت زیبایی و کاهش خیز تیرها مورد علاقه معماران و هم به جهت کاهش خوردگی آرماتورها مورد علاقه مهندسان عمران است.

 

مقایسه بتن پیش تنیده با بتن معمولی به منظور طراحی بتن پیش تنیده

شکل 7- مقایسه عملکرد تیر پیش تنیده با تیر مسلح معمولی

 

3-کاهش ابعاد مقطع: در بتن پیش‌تنیده، به‌دلیل استفاده حداکثری از ظرفیت فشاری بتن، مقاطع با ابعاد کوچکتری نسبت به مقاطع بتن مسلح معمولی به دست می‌آید که باعث می‌شود علاوه بر کاهش هزینه‌های اقتصادی اجرا و حمل‌ونقل آسان‌تر، وزن سازه نیز کاهش یابد. بنابراین، سبب کاهش نیروی اعمالی زلزله به سازه می‌شود.

4-افزایش طول دهانه: به دلیل ظرفیت خمشی و برشی بالای تیرهای پیش‌تنیده، از آن‌ها به وفور در سازه‌های با دهانه‌های بلند استفاده می‌شود؛ به‌گونه‌ای که می‌توان گفت استفاده از آن‌ها خصوصاً در پل‌ها اجتناب‌ناپذیر است.

 

✅ در متن اصلی ایبوک به‌طور جامع‌تر، مزایا و معایب بتن‌پیش‌تنیده در مقایسه با بتن مسلح معمولی بیان شده است.

کاربردهای بتن پیش‌تنیده

بتن پیش‌تنیده در طیف وسیعی از سازه‌ها و اشکال سازه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد که ازجمله مقاطع پرکاربرد مورد استفاده در شکل زیر نشان داده شده است.

 

کاربردهای بتن پیش تنیده

شکل 8 – مقاطع پرکاربرد بتن پیش‌تنیده

 

بتن‌های پیش‌تنیده در ساخت سازه‌های مختلفی چون بزرگراه‌ها، عرشه‌ پل‌ها، پارکینگ‌ها، مخازن و … مورد استفاده قرار می‌گیرد. به‌عنوان مثال در شکل (9) مثال‌هایی آورده شده است. در شکل (9-الف و ب) کاربرد بتن پیش‌تنیده را در پل‌ها نشان می‌دهد. همچنین شکل‌های (9-پ) و (9-ت) به‌ترتیب کاربرد بتن پیش‌تنیده را در دال کف طبقات ساختمان و مخازن نشان می‌دهد.

 

کاربرد بتن پیش تنیده

شکل 9- کاربردهای بتن پیش‌تنیده

 

یکی از کاربردهای بتن پیش‌تنیده در تیرچه‌های پیش‌تنیده است که اتفاقاً امروزه در ایران هم مورد توجه هستند. تیرچه پیش‌تنیده که امروزه در صنعت ساختمان‌سازی از آن استفاده بسیاری می‌شود، یک عضو ساخته شده از بتن پیش‌تنیده می‌باشد که دارای فولاد با مقاومت کششی بالا می‌باشد. این تیرچه‌ها نوعی المان بتنی پیش‌ساخته می‌باشند که با استفاده از تکنولوژی پیش‌تنیدگی تولید می‌شود.

استفاده از تکنولوژی پیش‌تنیدگی کاهش مصرف مصالح فولادی در ساخت تیرچه پیش‌تنیده را به دنبال دارد. تیرچه پیش‌تنیده که آن را با نام‌هایی همچون اشپنیت تیرچه‌ای نیز می‌شناسند، از سیم‌های فولادی که مقاوتی در حدود (1400 تا 1900 نیوتن بر میلی‌متر مربع) دارند و بتنی که مقاومت فشاری حداقل 35 مگا پاسکال را دارد، بصورت مقطع T وارونه ساخته می‌شوند.

 

تیر پیش‌تنیده

شکل 10- نمونه‌ای از تیرچه پیش‌تنیده

 

سطح این تیرچه اصولاً صاف نمی‌باشد و این تیرچه‌ها سطح مقطع T شکل دارند. ازطریق ابتدا و انتهای این تیرچه‌ها می‌توان از تعداد فولادهای درون آن‌ها مطلع شد.

 

اجزای تشکیل‌دهنده تیر پیش‌تنیده

شکل 11- اجزای تشکیل‌دهنده تیرچه پیش‌تنیده

 

✅ تیرچه‌های پیش‌تنیده همچون سایر مصالح ساختمانی دارای مزایا و معایبی می‌باشند که در متن اصلی ایبوک به طور مفصل در مورد آن توضیح داده شده است.

خصوصیات بتن و فولاد در اعضای پیش‌تنیده

در این بخش ابتدا رفتار مکانیکی بتن و سپس رفتار مکانیکی فولاد در اعضای پیش‌تنیده مورد بررسی قرار خواهد گرفت. سپس به اندرکنش بین این دو و سازگاری کرنش‌ها پرداخته خواهد شد.

خصوصیات بتن

مدول الاستیسیته بتن عموماً با دو عنوان «مدول تانژانت» و «مدول سکانت» شناخته می‌شود. مدول تانژانت (Ect) به‌صورت شیب مماس بر منحنی تنش-کرنش در ناحیه خطی و مدول سکانت (Ec) به‌صورت شیب خط گذرنده از مبدأ و تنش معادل 0.4f´c در نظر گرفته می‌شود که در شکل زیر نمایش داده شده است.

 

مدول تانژانت و سکانت بتن

شکل 13- مدول تانژانت و سکانت بتن

 

برای اکثر مقاومت‌های بتن در کاربردهای بتن مسلح و بتن پیش‌تنیده، می‌توان منحنی تنش-کرنش بتن را با یک سهمی به‌صورت زیر تقریب زد که معادله سهمی هاگنستاد (Hognestad) نامیده می‌شود. در این رابطه، fc تنش برحسب مگاپاسکال، f’c مقاومت فشاری بتن از آزمایش استوانه برحسب مگاپاسکال، ε’c قدرمطلق کرنش نقطه پیک و εcf کرنش ناشی از تنش در بتن می‌باشد. می‌توان کرنش معادل نقطه پیک را با استفاده از مدول تانژانت به‌صورت ε’c=(2 f’c)/Ect تخمین زد.

 

fc=f’c [2 (εcf/(ε’c ))-(εcf/(ε’c ))2]      (1)

 

یکی از خصوصیات بتن، افزایش مقاومت و سختی آن در اثر افزایش سرعت بارگذاری است. به عبارتی، کاهش سرعت بارگذاری در واقعیت نسبت به آزمایشگاه، کاهش سختی و مقاومت را در پی دارد. اما از طرفی، مقاومت بتن در اثر تکمیل فرایندهای هیدراتاسیون، با زمان در حال افزایش است. در عموم سازه‌ها، افزایش مقاومت بتن در اثر زمان بیش از کاهش مقاومت آن تحت بار ثابت است و به همین خاطر، از کاهش مقاومت بتن تحت بارهای ثابت صرف نظر می‌شود. در شکل زیر اثر سرعت بارگذاری بر تغییر سختی و مقاومت مشاهده می‌شود.

 

خصوصیات بتن و فولاد در اعضای پیش‌تنیده

شکل  14- تأثیر سرعت بارگذاری بر مقاومت و سختی بتن

 

کرنش بتن علاوه بر تنش اعمال شده، به تاریخچه بارگذاری، ابعاد عضو و رطوبت محیط بستگی دارد. در بتن، رخ دادن دو پدیده پیچیده جمع‌شدگی و خزش اجتناب‌ناپذیر است؛ بنابراین، شناخت این دو پدیده در بررسی رفتار سازه‌های بتن پیش‌تنیده بسیار حائز اهمیت است. در این بخش می‌خواهیم بطور خلاصه این دو پدیده را مورد بررسی قرار داده و پیش‌زمینه‌ای برای مباحث بعدی فراهم کنیم. به همین منظور، ابتدا پدیده جمع‌شدگی و سپس پدیده خزش مورد بحث قرار می‌گیرد.

پدیده جمع‌شدگی (Shrinkage)، به کاهش حجم بتن مستقل از اثر بارگذاری و بر اثر از دست دادن رطوبت (خشک شدن) گفته می‌شود. از دست رفتن رطوبت بعد از خاتمه عمل‌آوری مناسب بتن شروع می‌شود و تا مدت‌ها ادامه می‌یابد. مقدار کرنش جمع‌شدگی (εsh) به ابعاد عضو، دما، رطوبت، شرایط عمل‌آوری و مشخصات بتن وابسته است. برای سازه‌های متعارف، کرنش جمع‌شدگی برابر با 600με است. از طرفی کرنش تسلیم فولاد 2000με می‌باشد. پس می‌توان براساس سازگاری کرنش‌های فولاد و بتن نتیجه گرفت که در اثر جمع‌شدگی، حدود ثلث مسیر تسلیم پیموده شده است و کرنش جمع‌شدگی مقدار قابل ملاحظه‌ای دارد.

پدیده خزش (Creep)، به افزایش کرنش در تنش ثابت گفته می‌شود. درواقع اگر بتن تحت بارگذاری قرار بگیرد، تغییرشکل‌های آن با زمان متوقف نمی‌شود. خزش در اثر از دست دادن رطوبت (خشک شدن) توأم با تغییر ریزساختار بتن در اثر تنش‌های اعمالی رخ می‌دهد و مکانیزم آن هنوز مورد اتفاق نظر محققین نیست.

در بعضی کاربردها، خزش به دو قسمت خزش خشک (Drying creep) و خزش پایه (Basic creep) تقسیم می‌شوند که اولی بدلیل از دست دادن رطوبت و دومی مستقل از آن رخ می‌دهد. کرنش خزشی (εcr) به پارامترهای متعددی مانند طرح اختلاط، مشخصات مکانیکی بتن، رطوبت، دمای محیط، ابعاد عضو و عمر المان در زمان بارگذاری بستگی دارد. در سازه‌های بتنی متعارف، کرنش خزشی درازمدتی به مقدار 2.5 برابر کرنش الاستیک اسمی (εel) معمول است. در شکل زیر نمودار کرنش-زمان برای بتن ترسیم شده است، بطوریکه td و t0 به‌ترتیب زمان اتمام عمل‌آوری و شروع بارگذاری را نشان می‌دهند.

 

کرنش بتن در طول زمان

شکل 15- کرنش بتن در طول زمان

 

✅ ادامه توضیحات این بخش به همراه حل مثال های کاربردی را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

خصوصیات فولاد

کرنش تسلیم فولادهای معمولی، حدود 0.002 می‌باشد. کرنش ناشی از خزش و جمع‌شدگی بتن تقریباً به 0.001 می‌رسد. بنابراین می‌توان گفت که اگر از فولاد معمولی در بتن‌های پیش‌تنیده استفاده شود، به سادگی نصف نیروی پیشتنیدگی از بین می‌رود. پس حالا می‌توان به کاربرد فولادهای با مقاومت بالا در بتن‌های پیش تنیده پی برد. کرنش قابل اعمال به فولادهای پر مقاومت حدود 0.007 و تنش تسلیم آن‌ها 1720 تا 1860 مگاپاسکال می‌باشد.

با فرض آنکه کرنش ناشی از خزش و جمع‌شدگی بتن تقریباً 0.001 می‌باشد، فقط 15% درصد نیروی پیش‌تنیدگی از بین می‌رود. پس در بتن‌های پیش‌تنیده از فولادهای با مقاومت بالا استفاده می‌شود. فولاد پیش‌تنیدگی به یکی از سه فرم سیم (wire)، کابل رشته‌ای (strand)، میله فولادی پر مقاومت (high-strength steel bar) کاربرد دارند. این فولادها ممکن است به‌صورت تکی (mono-) یا گروهی (multi-) مورد استفاده قرار گیرند. عبارت «تاندون» برای اشاره به هر نوع فولاد پیش‌تنیدگی به فرم تکی یا گروهی اطلاق می‌شود.

شکل  20- مثال‌هایی از فولادهای پیشتنیدگی

 

نکته: قدیمی‌ترین نوع فولاد پیش‌تنیدگی، سیم فولاد پرمقاومت است که قطر آن در حدود 5 تا 7 میلی‌متر است. کاربرد این نوع فولاد پرمقاومت محدود بوده و مقاومت آن از 1620 تا 1720 مگاپاسکال متغیر است.

نکته: رایج‌ترین نوع فولاد پیش‌تنیدگی، کابل رشته‌ای است که نوع متداول‌تر آن، از هفت سیم پرمقاومت تشکیل می‌شود که شش سیم آن به دور یک سیم مستقیم بطور مارپیچ پیچیده می‌شوند. سایز آن‌ها برحسب اینچ بیان می‌شود و قطرهای متداول آن، 1/2in ، 3/5 in و 3/8in می‌باشند. همچنین مقاومت متداول آن‌ها از 1720 تا 1860 مگاپاسکال متغیر است.

 

جدول 1- مشخصات رایج‌ترین کابل رشته‌ای

مشخصات رایج‌ترین کابل رشته‌ای

 

عملیاتی که برای اصلاح مشخصات فولادها بکار می‌روند تا برای بتن‌های پیشتنیده مناسب باشند، به‌صورت زیر می‌باشند:

سردکشیدگی (Cold Drawn): در این روش، چیدمان کریستالی فولاد با تحت کشش قرار دادن مستمر فولاد برای چند روز، تغییر کرده و مقاومت آن افزایش می‌یابد.

تنش‌زدایی (Stress Relieving): در این روش دما تا حدود 350 درجه سانتیگراد افزایش یافته و تنش‌زدایی با کاهش آرام دما صورت می‌پذیرد. در این عملیات محدوده ارتجاعی فولاد پیش‌تنیدگی افزایش می‌یابد اما فاصله تغییرشکل پلاستیک پس از جاری شدن کاهش می‌یابد. این کابل‌ها در مصارف خاص بکار می‌روند.

کاهش وادادگی (Low Relaxation): در این روش همزمان با اعمال کشش، عملیات گرم کردن فولاد تا مرز 350 درجه سانتیگراد انجام می‌شود. این عملیات کاهش تغییرشکل پلاستیک پس از جاری شدن را در پی دارد و وادادگی فولاد را به شدت کاهش می‌دهد. این نوع فولاد دارای نقطه تسلیم مشخص‌تر و رفتار تقریباً خطی در محدوده نسبتاً بزرگ می‌باشد. این نوع کابل‌ها بطور معمول در بتن‌های پیش‌تنیده بکار می‌روند.

تفاوت رفتاری انواع عملیات اصلاح فولاد

شکل  21- تفاوت رفتاری انواع عملیات اصلاح فولاد

 

نکته: به‌عنوان یک قرارداد، مقاومت تسلیم کابل‌ها به صورت تنش متناظر با کرنش 1% تعریف می‌شوند.

برای بیان کلی نمودار تنش-کرنش فولاد پیش‌تنیده، اغلب از معادلهRamberg-Osgood  اصلاح شده استفاده می‌شود. در این مدل، A، B و C ثابت‌های مدل و fpu مقاومت نهایی فولاد می‌باشند.

معادله تنش کرنش فولاد پیش تنیده

 

 

 

با دقت خوبی می‌توان شیب قسمت اول نمودار تنش-کرنش را برای همه انواع فولاد نمایش داده شده یکسان فرض کرد (Ep=200 GPa). مقادیر A، B و C به کمک شکل زیر می‌توانند محاسبه شوند.

منحنی تنش-کرنش فولاد پیش‌تنیده

شکل 22- منحنی تنش-کرنش فولاد پیش‌تنیده

 

برای فولاد Low-Relaxation و Stress-Relieved با رده فولاد 270 و مقاومت 1860 مگاپاسکال، ضرایب معادله (10) به‌صورت جدول زیر می‌باشند.

 

جدول 2- مقادیر ضرایب A، B و C در معادله (10)

 

✅ ادامه مباحث این بخش همراه با حل مثال را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

 

دال‌های پیش‌تنیده

دال‌ها اجزای غیرسازه‌ای هستند که دارای یک بعد بسیار کوچک از دو بعد دیگر بوده و به منظور تأمین یک سطح معمولاً افقی برای پوشش سقف‌ها و کف‌ها بکار می‌روند. دال‌ها می‌توانند به گونه‌ای طراحی شوند که خمش را در یک جهت (دال یکطرفه) یا در دو جهت (دال دوطرفه) انتقال دهند.

 

دال یکطرفه و دال دوطرفه

شکل  76- شماتیک دال یکطرفه و دال دوطرفه

 

دال‌های یکطرفه تنها در لبه‌های خود دارای تکیه‌گاه هستند و یا وضعیت باربری آن‌ها باتوجه به جزئیات هندسی و یا آرماتورگذاری بگونه‌ای است که فقط بار را به دو تکیه‌گاه روبروی هم انتقال می‌دهند. دال‌های یطرفه پیش‌تنیده لزوماً بصورت یکپارچه با تیرها ساخته نمی‌شوند؛ بلکه ممکن است پیش‌ساخته هم باشند. تحلیل و طراحی دال‌های یکطرفه (پیش‌تنیده یا غیر پیش‌تنیده) تفاوت قابل‌توجهی با تیرها ندارند. تنها تفاوت آن‌ها در محدودیت آرماتورگذاری است که در مورد دال‌ها ساده‌تر است.

 

مثال از دال‌های پیش‌تنیده

شکل  77- نمونه‌هایی از دال‌های پیش‌تنیده پیش‌ساخته با عملکرد یکطرفه

 

دال‌های دوطرفه پیش‌تنیده عموماً به یکی از چهار دسته زیر تعلق دارند. زمانی‌که ابعاد یک دال دارای نسبت بزرگ‌تر از 2 باشند، دال عملکرد دوطرفه خواهد داشت. از بین انواع دال‌های دوطرفه پرکاربرد، دال تخت توپر از بقیه پرکاربرتر است. این نوع دال برای پاسخگو بودن در برابر برش دوطرفه موضعی، نیازمند اجرای سرستون و کتیبه است که در اینصورت کمی سنگین‌تر از سایر دال‌های دوطرفه تمام می‌شود. درواقع مهم‌ترین نگرانی درمورد دال‌های تخت توپر، عملکرد آن دربرابر برش پانچ است که ممکن است فاجعه جبران ناپذیری به بار آورد. درصورت پیش‌تنیده کردن دال، تا حدودی این مسئله مرتفع می‌شود اما همچنان نگرانی‌ها پابرجاست. عدم نیاز به استفاده از سقف کاذب از مزیت‌های این نوع دال است.

 

انواع دال‌های دوطرفه

شکل  78- انواع دال‌های دوطرفه

 

دال‌های پیش‌تنیده در اغلب کشورهای دنیا با کاربرد فولادهای منفصل ساخته می‌شوند. این فولادها اغلب سرتاسر کف ساختمان را پوشش می‌دهند؛ یعنی از یک طرف ساختمان تا انتهای دیگر کشیده می‌شوند. در شکل زیر نمونه‌ای از کاربرد فولادهای منفصل را مشاهده می‌کنیم که نوع جدیدی هستند و در آن‌ها از غلاف استفاده نشده است، بلکه با گریس پوشانده شده‌اند تا علاوه‌بر جلوگیری از خوردگی، امکان لغزش فولاد را نیز فراهم کند.

 

کاربرد فولاد در سقف‌های پیش‌تنیده

شکل  79- کاربرد فولادهای پیش‌تنیده در سقف‌های پیش‌تنیده

 

مقدمات طراحی دال‌های پیش‌تنیده

همانند سایر سازه‌های پیش‌تنیده، دال‌ها نیز برابر حالت‌های حدی نهایی (مقاومت خمشی و برشی) و بهره‌برداری (کنترل تنش، تغییرشکل و ترک‌خوردگی) طراحی می‌شوند. در دال‌های پیش‌تنیده یکطرفه اصول طراحی تفاوت ذاتی با طراحی تیر ندارد، ولی معمولاً در طراحی دال‌ها از روش متوازن کردن بار (Load Balancing) استفاده می‌شود. طراحی دال‌ها دوطرفه پیش‌تنیده نیازمند تحلیل مناسب می‌باشد. در گذشته از روش قاب معادل بصورت گسترده برای تحلیل دال‌ها استفاده می‌شد، اما امروزه با بکارگیری نرم‌افزارهای اجزای محدود این کار انجام می‌شود. لازم بذکر است روش قاب معادل به تدریج در حال حذف از آیین‌نامه‌ها هستند.

جهت انتخاب ضخامت اولیه دال‌های پیش‌تنیده، مشابه دال‌های غیر پیش‌تنیده محدودیت نداریم و آیین‌نامه ACI دست طراح را برای پاسخ گرفتن باز گذاشته است. اما باتوجه به ملاحظات تغییرشکل، آتش‌سوزی، خوردگی، مقاومت برش پانچ و … می‌توان به توصیه‌های مهندسی زیر در ساختمان‌های مسکونی عمل کرد (t و L به‌ترتیب ضخامت دال و طول دهانه است):

  • دهانه‌های دوسر مفصل دال‌های یکطرفه یا دوطرفه: t≈ (1 /35 ~ 1 /25 ) L
  • دال‌های یکطرفه پیوسته (بیش از یک دهانه یا تکیه‌گاه گیردار): t≈ (1 /45~1 /30 ) L
  • دال‌های دوطرفه پیوسته: t≈ (1 /50~1 /35) L

همانطورکه از طراحی دال‌ها بتن غیرمسلح به یاد داریم، مطابق آیین‌نامه ACI318-19 حداقل آرماتور پیوسته در دال‌های یکطرفه در جهت اصلی برابر با  0.0018Ag می‌باشد. رعایت این بند به منظور کنترل ترک‌خوردگی ناشی از عوامل حرارتی و جمع‌شدگی است. اما این آیین‌نامه در مورد دال‌های پیش‌تنیده با فولادهای پیوسته، تأمین حداقل آرماتور خمشی مشابه تیرهای پیش‌تنیده را ضروری می‌داند بطوریکه ϕMn ≥1/2Mcr ، مگر آنکه ظرفیت برشی و خمشی حداقل دو برابر مورد نیاز باشد. رعایت حداکثر فاصله 450 میلی‌متر و 3 برابر ضخامت دال برای این آرماتورها ضروری است.

در دال‌ها و تیرها با فولادهای منفصل، ACI318-19 طراح را ملزم به تأمین حداقل آرماتور پیوسته می‌نماید بطوریکه: “As≥As,min =0.004 Act

در رابطه فوق، منظور از Act  مساحت قسمتی از مقطع است که تحت کشش قرار می‌گیرد. این آرماتور باید تا حد امکان به وجه کششی تیر یا دال نزدیک بوده و بصورت یکنواخت در عرض مقطع توزیع شود.

 

ضوابط طراحی بتن پیش تنیده

 

طول این آرماتور بایستی حداقل 1/3  دهانه آزاد (در سمت لنگر مثبت) و حداقل 1/6 دهانه آزاد از هر وجه تکیه‌گاه(در سمت لنگر منفی) باشد. درصورت کاربرد این فولادها، می‌توان از آن‌ها در محاسبه مقاومت خمشی مقطع نیز کمک گرفت که در اینصورت، میزان فولاد پیش‌تنیده موردنیاز کاهش پیدا می‌کند.

آرماتور مورد نیاز در دال یکطرفه

شکل  80- آرماتور مورد نیاز در دال یکطرفه با فولادهای منفصل

 

جهت کنترل ترک‌خوردگی ناشی از آثار حرارتی و جمع‌شدگی، تأمین آرماتور حداقل 0.0018Ag در کلیه دال‌های پیش‌تنیده و غیر پیش‌تنیده در جهت عمود بر جهت اصلی ضروری است. رعایت حداکثر فاصله 450 میلی‌متر و 5 برابر ضخامت دال برای این آرماتورها ضروری است.

مطابق ACI318-19 می‌توان از فولادهای پیش‌تنیده نیز برای تأمین ملاحظات حرارت و جمع‌شدگی بهره گرفت، به شرطی که فاصله فولادهای پیش‌تنیده از 1/8 متر فراتر نرود و حداقل تنش فشاری 0.7 مگاپاسکال در بتن ایجاد نماید.

نکته: جهت جلوگیری از کوتاه شدن بیش از حد دال و اثرات مخرب آن روی ستون‌ها، طول دال یکپارچه (بین درزهای انقطاع) به 45 متر محدود می‌گردد. درصورتی‌که نیاز به کاربرد دال یکپارچه با طول بلندتر باشد، بایستی اثرات تغییرشکل داخل صفحه دال (ازجمله اثرات کوتاه‌شدگی الاستیک، خزش و جمع‌شدگی)، روی بقیه سازه لحاظ گردد.

توجه: از آنجایی‌که عموماً از روش متوازن نمودن بار در طراحی دال‌ها استفاده می‌کنیم، اغلب نگرانی قابل‌توجهی از بابت تغییرشکل‌ها وجود ندارد.

 

✅ توضیحات مربوط به طراحی دال های یکطرفه و دو طرفه را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

نکات نرم‌افزاری بتن پیش‌تنیده

تحلیل و طراحی سقف، تیرهای پیش‌تنیده و سیستم‌های دال در نرم‌افزارهای مختلفی مانند اداپت (ADAPT)، سیف (SAFE) و ایتبس (ETABS) انجام می‌گیرد. در این مقاله به بررسی نرم‌افزار ETABS2019 و قابلیت‌های آن می‌پردازیم. ساز و کار کلی نرم‌افزار مشابه دیگر نرم‌افزارهای طراحی است، به این صورت که مشخصات و شرایط سازه دریافت می‌شود، آنالیز و کنترل‌های لازم صورت می‌پذیرد و گزارش‌هایی به کاربر ارائه می‌شود.

مراحل مربوط به مدل‌سازی، تحلیل و طراحی یک دال بتنی پیش‌تنیده مسطح به صورت زیر می‌باشد:

گام اول: تعریف مصالح

از مسیر Define> Material properties به تعریف مشخصات مربوط به بتن، میلگردها و تاندون‌ها می‌توان پرداخت.

با صرف نظر از تعریف مشخصات مربوط به بتن و میلگرد، خصوصیات مربوط به تاندون‌ها به شکل زیر تعیین می‌گردد.

 

مرحله اول مدل‌سازی، تحلیل و طراحی یک دال بتنی پیش‌تنیده مسطح

شکل 90- تعریف مشخصات تاندون‌ها

 

گام دوم: تعریف مقطع بتن پیش‌تنیده

از مسیر Define> Section properties مشخصات مربوط به دال یا تیر پیش‌تنیده تعیین می‌شود.

 

تعریف مقطع بتن پیش‌تنیده

شکل 91- تعریف مشخصات مقطع مانند دال‌های پیش‌تنیده

 

گام سوم: تعریف مساحت تاندون‌های پیش‌تنیده

از مسیر Define> Section properties>Tendon section مشخصات مربوط به تاندون‌ها تعریف می‌شود.

 

گام سوم: تعریف مساحت تاندون‌های پیش‌تنیده

شکل 92- تعریف مساحت تاندون‌های پیش‌تنیده

 

✅ گام های چهارم تا هشتم مربوط به مدل‌سازی، تحلیل و طراحی یک دال بتنی پیش‌تنیده مسطح را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

 

نتیجه گیری

در این مقاله به طراحی مقاطع پیش‌تنیده براساس ضوابط آیین‌نامه ACI318-19 پرداخته شد. امروزه در کشورهای پیشرفته بکارگیری مقاطع پیشرفته در سازه‌های ساختمانی و پل‌ها بسیار رایج شده است. طراحی این مقاطع خاص بوده و دارای نکات فنی و پیچیده محاسباتی است. در ایران نیز امروزه کاربرد این مقاطع رو به افزایش است. در این مقاله با بررسی دقیق خصوصیات بتن و فولاد پیش‌تنیده، دید مهندسی مناسبی نسبت به این مقاطع ارائه گردید و سپس ضوابط آیین‌نامه آمریکا در کنار پروسه طراحی تیرها و دال‌های پیش‌تنیده مورد بررسی قرار گرفت. مسئله افت پیش‌تنیدگی یکی از موضوعات روز پژوهش در این حوزه است که بطور مفصل و کاربردی در این مقاله مورد بحث قرار گرفت. باتوجه به منسوخ شدن طراحی دستی این مقاطع، مقدماتی در مورد کاربرد مقاطع پیش‌تنیده در نرم‌افزار اجزای محدود نظیر ایتبس ارائه شد تا مهندسین بتوانند در این مسیر نیز گام‌های مؤثری بردارند.

 

منابع

  • مبحث 9 مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399.
  • طرح و اجرای ساختمان‌های بتنی پیش‌ساخته و پیش‌تنیده، شاه نظری و سحاب.
  • طراحی سازه‌های بتن پیش‌تنیده، محمودزاده کنی.
  • طراحی سازه‌های بتنی پیش‌تنیده، خالو، 1396.
  • آیین‌نامه طرح و محاسبه قطعات پیش‌تنیده (نشریه 250)
  • Building Code Requirementsfor Structural Concrete(ACI 318-19).
  • Prestressed concrete analysis and design: Fundamentals, Naaman, A. E., & Chao, S. H. (2004).
  • Prestressed concrete. A fundamental approach, Nawy, E. G. (2010).
  • PCA Notes, ACI 318-11&14.
  • AASHTO LRFD Bridge Design Specification, 2020.

 

مسیر یادگیری برای حرفه ای شدن

پیش از همه باخبر شوید!

تعداد علاقه‌مندانی که تاکنون عضو خبرنامه ما شده‌اند: 37,298 نفر

تفاوت خبرنامه ایمیلی سبزسازه با سایر خبرنامه‌ها، نوآورانه و بروز بودن آن است. فقط تخفیف‌ها، جشنواره‌ها، تازه‌ترین‌های آموزشی و ... مورد علاقه شما را هر هفته به ایمیلتان ارسال می‌کنیم.

نگران نباشید، ما هم مثل شما از ایمیل‌های تبلیغاتی متنفریم و خاطر شما را نخواهیم آزرد!

با ارسال هفتمین دیدگاه، به بهبود این محتوا کمک کنید.
نظرات کاربران
  1. azad fa

    با سلام و عرض ادب
    ضمن تشکر ازمطالب مفید ارائه شده
    سوالی خدمتتان داشتم
    با توجه به ضوابط مبحث ۹ ویرایش ۹۹ آیا مجاز به استفاده از تیرچه پیش تنیده در ساختمان هایی که تیرهای آن ها با بتن درجا اجرا می شود هستیم یا خیر
    از جمله بحث ضوابط خاموت گذاری تیر ها به ویژه در ابتدا و انتهای تیرها
    میلگرد داری خم انتهای تیرچه
    ضعف ایجاد شده در بتن تیر اصلی ناشی از ورود مقطع بتنی تیرچه به تیر
    عدم امکان اجرای مناسب Tie Beam
    تشدید ضعف ایجاد شده در تیر درصورت استفاده از تیرچه دوبل پیش تنیده

    پاسخ دهید

  2. فاطمه آقایی

    با سلام خدمت شما‌. تیرچه های پیش تنیده طبق گفته مبحث نهم باید ضوابط استاندارد ملی شماره ی ۳_۲۹۰۹را اقناع کند.

    پاسخ دهید

  3. شایان حکیمی

    با سلام و خسته نباشی! ممنون بابت زحمات تون اگر ممکنه پی دی افشو هم در اختیار بذارید

    پاسخ دهید

  4. مهندس شکوه شیخ زاده (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام مهندس جان وقتتون بخیر
    پایین صفحه لینکهای دانلود قرار گرفته شده و میتوانید دانلود کنید

    پاسخ دهید

  5. سوشا

    سلام
    ممنون من این مقاله رو مطالعه کردم مفید بود خاستم از زحماتتون تشکر کنم و اینکه برای قست های گنگ لطفا مثال های بیشتری ارائه بدهید.

    پاسخ دهید

  6. مهندس مرضیه صبور (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام مهندس
    خیلی ممنون از لطفتون
    بله حتما اینکار رو خواهیم کرد.

    پاسخ دهید

آخرین تخفیفات برروی تعرفه فعلی محصولات
تا 50% تخفیف در جشنواره بهاری!!!
کمتر از 48 ساعت تا پایان
اینجا کلیک کنید
question