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

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 پیش تنیده تشریح خواهد شد.

⌛ آخرین به روز رسانی: 20 مهر 1402

📕 تغییرات به روز رسانی: اضافه شدن مطالب جدید

بتن پیش تنیده چیست؟

بتن پیش تنیده (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 پیش تنیده، 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.

 

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 (δ₁<δ₂) ولی مقاومت نهایی عضو تقریباً ثابت باقی می‌ماند (P₁≈P₂). همه این موارد را می‌توان به‌وضوح در شکل زیر مشاهده کرد.

 

 

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.

 

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.

 

 

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.

 

 

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

 

مزایا و معایب بتن پیش تنیده

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.

 

2-کاهش تعداد و عرض ترک‌ها: در بتن پیش تنیده، 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.

 

 

3-کاهش ابعاد مقطع: در بتن پیش تنیده، 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 پیش تنیده

بتن پیش تنیده 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.

 

 

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 پیش تنیده را در پل‌ها نشان می‌دهد. همچنین شکل‌های (9-پ) و (9-ت) به‌ترتیب کاربرد بتن پیش تنیده را در دال کف طبقات ساختمان و مخازن نشان می‌دهد.

 

 

یکی از کاربردهای بتن پیش تنیده 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 پیش تنیده 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.

 

 

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.

 

 

✅ 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 (E_ct) به‌صورت شیب مماس بر منحنی تنش-کرنش در ناحیه خطی و مدول سکانت (E_c) به‌صورت شیب خط گذرنده از مبدأ و تنش معادل 0.4f´_c در نظر گرفته می‌شود که در شکل زیر نمایش داده شده است.

 

 

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

 

f_c=f’_c [2 (ε_cf/(ε’_c ))-(ε_cf/(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.

 

 

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 پیش تنیده 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 (ε_sh) 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 (ε_cr) 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 (ε_el) معمول است. در شکل زیر نمودار کرنش-زمان برای بتن ترسیم شده است، بطوریکه t_d و t₀ به‌ترتیب زمان اتمام عمل‌آوری و شروع بارگذاری را نشان می‌دهند.

 

 

✅ 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.

 

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

 

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.

 

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 f_pu مقاومت نهایی فولاد می‌باشند.

 

 

 

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

 

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.

 

 

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.

 

 

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.

 

 

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.

 

 

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 ϕM_n ≥1/2M_cr ، 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: “A_s≥A_s,min =0.004 A_ct”

در رابطه فوق، منظور از A_ct  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.

 

 

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.

 

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 پیش تنیده

تحلیل و طراحی سقف، تیرهای پیش تنیده 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.

 

 

گام دوم: تعریف مقطع بتن پیش تنیده

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

 

 

گام سوم: تعریف مساحت تاندون‌های پیش‌تنیده

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

 

 

✅ 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 پیش تنیده، 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.

 

• تاریخچه بتن پیش تنیده
• پیش تنیدگی چیست؟
• مزایا و معایب بتن پیش تنیده
• کاربردهای بتن پیش تنیده
• خصوصیات فولاد و بتن در اعضای پیش تنیده
  • خصوصیات بتن
  • خصوصیات فولاد
  • اندرکنش فولاد و بتن پیش تنیده
  • سازگاری کرنش‌ها در قطعات پیش تنیده
• مقدمه‌ای بر طراحی اعضای پیش‌تنیده و فلسفه آن
• طراحی اعضای بتن پیش تنیده برای حالت حدی بهره‌برداری
• رفتار نواحی انتهایی اعضای بتن پیش تنیده
  • رفتار نواحی انتهایی اعضای پیش‌کشیده
  • رفتار نواحی انتهایی اعضای پس‌کشیده
• طراحی اعضای بتن پیش تنیده برای حالت حدی نهایی
• کنترل تغییرشکل‌ها
  • رفتار ترک‌نخورده مقطع در محاسبه تغییرشکل‌های کوتاه‌مدت
  • رفتار ترک‌خورده مقطع در محاسبه تغییرشکل‌های کوتاه‌مدت
  • محاسبه تغییرشکل‌های بلندمدت
  • محدودیت تغییرشکل‌ها
• افت پیش‌تنیدگی
  • رابطه افت پیش‌تنیدگی در اعضای پیش‌کشیده
  • رابطه افت پیش‌تنیدگی در اعضای پس‌کشیده
  • تخمین افت پیش‌تنیدگی
• دال‌های پیش‌تنیده
  • مقدمات طراحی دال‌های پیش‌تنیده
  • طراحی دال‌های پیش‌تنیده یکطرفه
  • طراحی دال‌های پیش‌تنیده دوطرفه
• نکات نرم‌افزاری بتن پیش تنیده
• نتیجه گیری و جمع بندی

• ثبت شده در
  وزارت ارشاد
• دانلود سریع
  پس از پرداخت
• ضمانت ارسال
  بروزترین نسخه کتاب