پیش تنیدگی زمانی در یک جسم اتفاق میافتد که یک تنش ثابت و دائمی در یک جسم ایجاد شود به طوری که این تنش ایجاد شده سایر تنشهایی را که پیش از آن در اثر وجود نیروهای خارجی در جسم به وجود آمدهاند، خنثی کند. از نیروی پیش تنیدگی در صنعت ساختمان سازی و در تولید بتن و تیرچه پیش تنیده نیز به صورت گسترده استفاده میشود. تیرچه پیش تنیده نسبت به سایر تیرچهها مزایای بسیاری دارد و امروزه در کشورهای مختلف در سراسر دنیا و از جمله در ایران با استقبال روبرو شده است. پیش تنیدگی که بر اساس آن بتن و تیرچه پیش تنیده نیز ساخته میشوند، یک اصل کلی است که بشر از زمانهای بسیار دور با استفاده از این اصل کارهای مختلفی را به صورت سادهتر و بهتر انجام میداده است. در این مقاله به تاریخچه پیش تنیدگی پرداخته میشود و چگونگی استفاده از این اصل در تولید بتن و تیرچه پیش تنیده مورد بررسی قرار میگیرد.
نخستین استفاده بشر از نیروی پیش تنیدگی به حدود چند هزار سال پیش برمیگردد. در آن زمان مردم در مصر باستان که یکی از تمدنهای قدیم بشر بوده است، برای ساخت قایقهای خود از نیروی پیش تنیدگی استفاده میکردند. آنها به منظور متصل کردن چوبهایی که در بدنه قایقها به کار میرفتند از تعدادی میله آهنی استفاد میکردند. آنها این میلهها را گرم میکردند و در قطعات چوبی قرار میدادند. به این ترتیب پس از سرد شدن میلههای آهنی و منقبض شدن آنها، قطعات چوبی بدنه قایق فشرده شده و به یکدیگر متصل میشدند. استفاده از خاصیت پیش تنیدگی به تدریج در موارد دیگری نیز در طول تاریخ مورد استفاده قرار گرفته است و یکی از پرکاربردترین موارد استفاده از آن که به صنعت ساخت و ساز مرتبط است، در تولید بتن و تیرچه پیش تنیده است.
تیرچه پیش تنیده
چگونگی پیدایش بتن و تیرچه پیش تنیده
همان طور که میدانید بتن در برابر نیروی فشاری عملکرد خوبی دارد و مقاومت خوبی از خود نشان میدهد اما در برابر اعمال نیروهای کششی و ایجاد لنگر خمشی، ضعیف عمل میکند و دچار ترک خوردگی و شکست میشود. به منظور حل این مشکل برای نخستین بار یک فرد آمریکایی به نام جکسون در سال ۱۸۸۶ موفق شد در بتن تنش فشاری ایجاد کند و به این ترتیب مقاومت بتن را در برابر لنگر خمشی بهبود بخشید. دو سال پس از آن در سال ۱۸۸۸ یک فرد آلمانی به منظور ساخت یک دال بتنی به صورت پیش تنیده، تعدادی کابل فولادی در درون دال بتنی قرار داد و سپس با کشیدن این کابلهای فولادی و با استفاده از خاصیت پیش تنیدگی موفق شد نخستین دال بتنی پیش تنیده را تولید نماید. چند سال بعد یک مهندس اتریشی برای اولین بار از خاصیت پیش تنیدگی برای تولید تیر و تیرچه پیش تنیده استفاده کرد. او برای ایجاد خاصیت پیش تنیدگی از فولادی معمولی استفاده کرد و به همین علت پس از مدتی مقاومت فولاد از بین رفت و تیر پیش تنیده ساخته شده تبدیل به تیر بتن آرمه معمولی شد.
در طول سالهای بعد مهندسین دیگری نیز سعی کردند تیرچه پیش تنیده را تولید نمایند اما با موفقیت چشمگیری روبرو نشدند. سالها بعد و در سال ۱۹۴۸ که دانشمند انگلیسی برای نخستین بار در شهر لندن یک سازه بتن مسلح را بنا کرد که در آن از خاصیت پیش تنیدگی بتن استفاده شده بود. پنج سال پس از آن فدراسیون بین المللی پیش تنیدگی تشکیل شد و اولین کنگره مربوط به پیش تنیدگی توسط این فدراسیون در شهر لندن برگزار شد. در سالهای بعد کنگرههای دیگری نیز در این زمینه برگزار شد و در چهارمین دوره از برگزاری این کنگره که در شهر رم و در کشور ایتالیا تشکیل شده بود، کمیته مشترکی از ترکیب فدراسیون بین المللی پیش تنیدگی و کمیته بتن اروپا تشکیل شد و گامها مهم و موثری برای استفاده از خاصیت پیش تنیدگی در بتن و تولید تیرچه پیش تنیده برداشته شد.
این کمیته مشترک سازههایی را که با استفاده از بتن پیش تنیده و بتن آرمه ساخته میشوند، در چهار گروه اصلی طبقه بندی کرده است. گروه اول سازههایی هستند که به طور کامل با استفاده از بتن پیش تنیده ساخته شدهاند. در این سازهها بتن تا زمانی که در معرض بارهای سرویس قرار میگیرد نباید دچار کشش شود. گروه دوم سازههای بتن آرمه با پیش تنیدگی جزئی هستند. در این سازهها زمانی که بتن تحت بارهای سرویس قرار میگیرد ممکن است در آن تنش کششی ایجاد شود اما بتن نباید دچار ترک خوردگی شود. گروه سوم سازههای بتن آرمه پیش تنیده هستند. سازههایی که در این گروه قرار میگیرند تحت بار سرویس دچار ترک خوردگی میشوند اما عرض ترکهای ایجاد شده باید بین ۰٫۱ تا ۰٫۳ میلی متر باشد. گروه چهارم سازههای بتن آرمه هستند که در آنها از خاصیت پیش تنیدگی بتن و تیرچه پیش تنیده استفاده نشده است و به همان شیوه کلاسیک و قدیمی ساخته میشوند.
استفاده از بتن و تیرچه پیش تنیده در سازه های مختلف
در دهههای اخیر استفاده از بتن و تیرچه تنیده در سراسر جهان رو به گسترش بوده است و در سالهای اخیر مهندسین ایرانی نیز از این تکنولوژی نسبتا جدید بیشتر استقبال کردهاند. از بتن و تیرچه پیش تنیده در طراحی و اجرای ساختمانهای مختلف، پلها، مخازن و به طور کلی همه سازهها استفاده میشود. با توجه به اینکه استفاده از فولاد در طراحی سازههای مختلف دارای معایبی مثل احتمال زنگ زدگی و خوردگی، هزینه نسبتا زیاد مقاطع فولادی و … است، در سالهای اخیر و پس از پیدایش بتن پیش تنیده، بیشتر پلهای بزرگ در سراسر جهان با استفاده از بتن پیش تنیده ساخته شدهاند. مصالحی که برای ساخت این گونه پلها مورد استفاده قرار میگیرند باید در کارخانه و با استاندارد کافی ساخته شده باشند و از کیفیت لازم برخوردار باشند. همچنین ساخت و تولید تیرچه پیش تنیده نیز که امروزه با استقبال زیادی روبرو شده است، در کارخانه و با استانداردهای بین المللی ساخته میشود و نتیجه آن یک نوع تیرچه کاملا همگن است که برخلاف بتن آرمه که بتن و فولاد موجود در آن به صورت جداگانه عمل میکنند، دارای مقاومت کافی در برابر هم نیروهای فشاری و هم نیروهای کششی است