تحقیق مقاله آنالیز و طراحی اعضای خمشی پیش تنیده

- مقدمه

قبل از پیدایش تکنیک پیش تنیدگی، پل های بتن آرمه تنها برای پوشش دادن به دهانه های نسبتاً کوتاهی بکار برده می شدند. محدودیت طول دهانه در این پل ها دارای دو عامل اساسی بوده است. زیرا اولا برای دهانه های بلندتر حجم مصالح مصرفی(بتن و فولاد) بسرعت افزوده می گردد. بطوریکه بار مرده سازه خود یک عامل بحرانی در طراحی مقطع محسوب خواهد شد، ثانیاً هزینه های مربوط به قالب بندی و شمعک گذاری چنین عرشه هائی مقادیر بسیار بزرگی را بخود اختصاص خواهد داد. با توجه به دو عامل یاد شده، معمولا راه حل دیگر یعنی استفاده از شاهتریهای فولادی ترجیح داده می شد.

با ابداع شیوه پیش تنیدگی و بکارگیری آن در صنعت پلسازی، تا حدود زیادی مشکل مربوط به اقتصاد مصالح مصرفی برطرف گردید. استفاده از این تکنیک منجر به پیدایش مقاطع ظریف تری شد و با کاهش بار مرد‌ه عرشه امکان پوشش دادن به دهانه های بلندتری فراهم گردید. اما متاسفانه مشکل دوم یعنی هزینه های بسیار بالای مربوط به قالب بندی و چوب بست های مورد نیاز در اجرای چنین پل هائی بقوت خود باقی ماند، بطوریکه در دهانه های بلند قسمت بزرگی از هزینه ها به فاکتورهای یاد شده اختصاص داشته است. استفاده از شاهتیرهای پیش ساخته پیش تنیده هم نتوانست این مشکل را برطرف نماید زیرا محدودیت های مربوط به طول قطعات در هنگام حمل، امکان استفاده از چنین قطعاتی را در دهانه های بلند منتفی می نمود. از طرف دیگر حمل و نقل و نصب چنین شاهتیرهائی نیاز به استفاده از ابزارهای ویژه و گران قیمتی را بوجود می آورد.

امروزه پل های صندوقه ای قطعه ای پس کشیده در سرتاسر جهان مورد استقبال واقع شده اند و با بکارگیری این شیوه دهانه هائی با طور بیش از 250 متر پوشش داده شده اند. این پل ها ضمن بکارگیری مزایای بتن پیش تنیده، راه حل سریع و کم هزینه ای برای پوشش دادن به دهانه های بلند می باشند.

برخی از مزایای این قبلی پل ها عبارتند از:

1- کاهش ابعاد مقطع و در نتیجه کاهش بار مرده عرشه بواسطه بکارگیری پیش تنیدگی؛

2- افزایش راندمان مقطع بواسطه ترک نخوردن آن و قابلیت آن در تحمل لنگرهای خشمی با علامات مثبت یا منفی؛

3- سختی نسبتا زیاد مقاطع صندوقه ای در مقابل پیچش؛

4- سرعت زیاد و هزینه نسبی کم برای پوشش دادن به دهانه های بلند؛

5- عدم نیاز به چوب بست ها در هنگام عبور از موانع طبیعی نظیر درها یا رودخانه ها، و یا موانوع مصنوعی نظیر شاهراه های پرتردد؛

6- امکان بکارگیری تکنیک پیش ساختگی در پروژه های بزرگ و یا تکراری

با توجه به مطالب فوق، بررسی ضوابط طراحی و اصول اجرایی پل های پس تنیده همواره مورد توجه آیین نامه های معتبر کشورهای صنعتی قرار گرفته است و هر کدام به تناسب شرایط اقلیمی و ارکانی استانداردهای خاصی را تدوین کرده و در بخش جداگانه ای ارائه کرده اند. آیین نامه آشتوآمریکا که در پل سازی دارای پیشینه ای دور و دراز می باشد در فصل نهم به بتن پیش تنیده در پل سازی پرداخته است که در ادامه خواهد آمد. همچنین آیین نامه های کهن و معروف دیگر از جمله آیین نامه انگلستان با نام BSI، آیین نامه اروپا با نام EUROCODE و آیین نامه آلمان (DIN) و ... نیز فصول معینی که این مهم آورده اند که از این بین ما دو آیین نامه پرکاربرد و قدیمی آشتو و BSI انگلستان را برای مقایسه و بررسی فنی انتخاب نموده ایم، که در فصول دهم و یازدهم متون ترجمه شده این دو آیین نامه با سیستم MKS در این مجمل آورده شده است که امید می رود مورد استفاده دانشجویان و اساتید گرانقدر قرار گیرد.

پیش تنیدگی چیست؟

امرزه با بکارگیری مصالح پر مقاومت و همچنین استفاده از شیوه های نوین طراحی، سازه های اقتصادی تری طراحی و اجرا شده است. استفاده از مصالح پرمقاومت موجب کاهش مقطع عرضی اعضا و متعاقب آن کاهش کلی بار مرده سازه های شده است. این پیشرفت خصوصاً در مورد سازه های بتن مسلح چشمگیرتر بوده است، زیرا در طراحی این گونه اعضا بار مرده قسمت عمده ای از بارهای طراحی را تشکیل می دهد. در برخی سازه های خاص اهمیت کاهش ابعاد مقطع بمراتب بیشتر می باشد، برای مثال در پل های دهانه بلند این مطلب حائز اهمیت زیادی است، در چنین پل هائی بار مرده عرشه لنگر های بزرگتری را در مقایسه با بارهای طراحی ایجاد می نماید؛ همچنین قسمت عمده بار وارد بر پایه ها و فونداسیون ها ناشی از وزن روسازه می باشد. استفاده از بتن های با مقاومت فشاری بالا و همچنین فولادهای پرمقاومت موجب طراحی اعضای بتن آرمه ظریف تری شده است، با این وجود محدودیتهائی در استفاده از این پیشرفتهای جدید موجود می باشد که قسمت عمده آن ناشی از مسئله ارتباط متقابل بین ایجاد ترک در اعضاء بتن آرمه و خیز آنها در مرحله بهره برداری می باشد. با توجه به رفتار اعضای بتن آرمه، راندمان استفاده از فولادهای پرمقاومت محدود می باشد زیرا تنش در این فولاد متناسب با توزیع کرنش کلی موجود در مقطع بوده و افزایش کرنش ها در مقطع با افزایش دامنه و عرض ترک ها همراه خواهد بود. این ترک ها از دو جنبه مطلوب نمی باشند، اول آنکه در محیط هائی که بتن در مجاورت عوامل فرسایش دنهده شیمیائی است وجود ترک ها موجب خوردگی شدید آرماتورها خواهد گردید. از جنبه دیگر گسترش ترک ها کاهش سختی خمش عضو را بدنبال داشته و خیز عضو را خواهد افزود. چنین اعضائی از نظر سرویس دهی، مطلوب نخواهند بود.

این ویژگی های نامطلوب در اعضای بتن آرمه معمولی، با ابداع شیوه پیش تنیدگی اصلاح شده است. یک عضو پیش تنیده بتن آرمه عضوی است که تنش هائی از قبل در آن قرار داده شده باشد، این تنش ها در تمامی طول عمر عضو با آن همراه است. فلسفه این تنش های از پیش قرار داده شده، مقابله یا مخالفت با تنش های ناشی از بارهای بهره برداری و حتی المقدور خنثی کردن اثر آنها می باشد. بتن ماهیاتاً عضوی فشاری است و می توان مقاومت کششی آن را ناچیز دانسته و از آن صرفنظر نمود، پیش تنیدگی در واقع عضو را تحت نوعی فشار اولیه قرار می دهد، بصورتیکه نتیجه آن کاهش تنش های کششی در مقطع به حد مجاز و یا اساساً حذف آنها خواهد بود. بدین صورت ترک خوردگی تحت بارهای بهره برداری منتفی خواهد گردید. برای روشن تر شدن مفهوم پیش تنیدگی، عضو خمشی موجود در شکل (2-1 الف) را مورد توجه قرار می دهیم. در کنار این عضو مقطع آن ترسیم شده و مرکز سطح در حالت ترک نخورده با C.G.C نمایش داده شده است. Wt در این شکل مشخص کننده مجموع بارهای اعمالی به عضو بوده و شامل اجزای زیر است:

Wg= بار مرده خالص تیر

Wd= بار مرده اضافی (بعنوان مثال در عرشه های بتن آرمه وزن روسازی، جداول و پیاده روها جزء Wd محسوب می شوند)

Wl= بارهای زنده

(2-1) Wt=Wg+Wd+Wl

با اعمال Wt عضو تغییر شکل داده و در تارهای پائین مقاطع آن تنش کششی ایجاد خواهد گردید. با توجه به ضعف بتن در مقابل کشش و بمنظور جلوگیری از گسترش ترک های خمشی، در اعضای بتن آرمه معمولی در ترازی نزدیک به تارهای پائینی مقطع فولادهائی قرار داده می شود. تنش موجود در این فولادها متناسب با کرنش موجود در مقطع می باشد، نیروی کششی موجود در فولادها با نیروی فشاری تحمل شده توسط بتن در هر مقطع برابر می باشد. این دو نیرو لنگر مقاوم داخلی را تولید می نمایند. که در برابر لنگر ناشی از بارهای خارجی مقاومت خواهد نمود. لنگر ناشی از بارهای خارجی Wt در شکل (2-1 ب) ترسیم شده است. هر اندازه طول دهانه بزرگتر باشد لنگر حاصل از بارهای خارجی نیز بزرگتر خواهد خواهد بود که برای جبران آن باید اساس مقطع و همچنین مقدار فولادهای کششی را افزود، اما برای دهانه های بسیار بزرگ و مقادیر زیاد Wt این شیوه دیگر جبران کننده نخواهد بود، زیرا اولا با افزایش اساس مقطع، Wg نیز افزوده خواهد شد و بنابراین Wt نیز مقدار بزرگتری را بدست خواهد آورد، ثانیاً همانگونه که ذکر شد تنش های موجود در فولادها متناسب با کرنش بتن هم تراز آنها می باشد، بنابراین برای وصول نیروی کششی بیشتر در فولادها ترک ها باید در عضو گسترش یابند که این امر خود موجب افزایش خیز عضو خواهد گردید.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است )

بجای استفاده از این سیستم می توان از ایده دیگری کمک گرفت. در شکل (2-1 پ) همان عضو تحت اثر دو نیروی فشاری با مقادیری برابر P قرار گرفته است. این دو نیرو در ترازی بفاصله e از مرکز سطح مقطع عضو به آن وارد می شوند. در شکل (2-1 ت) دیاگرام لنگر حاصل از این نیروها ترسیم شده است، که مقدار آن در تمامی نقاط ثابت و برابر –P.e می باشد. بنابراین هر گاه عضو تحت اثر مشترک بارگذاری های موجود در شکل های (2-1 الف) و (2-1 پ) قرار داشته باشد دیاگرام لنگر خمشی حاصل مطابق شکل (2-1 ث) خواهد بود. در این حالت همانگونه که مشاهده می گردد اثر بار اعمالی Wt توسط بارگذاری دیگر تخفیف داده شده است. در چنین حالتی دیگر مقطع وسط دهانه لزوما از نظر طراحی بحرانی نخواهد بود.