تاریخچه و توزیع نیروی سقف های پس کشیده

تاریخچه پس کشیدگی

پیش تنیدگی در یک تعریف ساده به کارگیری نیروها در خمیدگی و فشردگی المان بتنی است. عموما، پیش تنیدگی به دلیل مقابله کردن با خمش و تنش‌های کششی ناشی از سایر بار  ها به کار گرفته می شود. 

نمونه های اولیه 

در سال 1872 P.H Jackson روشی  را برای پس کشیدگی ابداع نمود. او میله های فولادی را در قطعات مصالح ستنی قرار داد و توسط وسیله ای  دندانه دار به آن قطعات تنش های را اعمال نمود. او بارهای خنثی کننده را به درستی اعمال کرده، اما به دلیل کیفیت فولاد دسترس در آن زمان (1886)  این نیرو ها با گذشت زمان و در مدت زمان طولانی به طور موثر عمل نکردند. تلاش او توسط C.W. Doehring که روشی را برای پیش تنیده کردن کف ها توسط میله های فولادی ،ادامه پیدا کرد. به این دلیل که فولاد های اولیه دارای تنش حد جاری شدن نسبتا کمی بودند،(شکل 1)  هیچ کدام از این تلاش های اولیه موفقیت آمیز نبود.

شکل 1-مقاومت فولاد و زوال پیش تنیدگی

تنش جک  کم اولیه که با وارفتگی بالا و افت بتن همراه می شود، منجر به از بین رفتن نیروی پیش تنیدگی اعمال شده به سازه شده و باعث می شود تا فولاد به کار رفته بی فایده بوده و عمل نکند.

یک افزایش قابل توجه در تنش های موثر در استرندها پیش تنیدگی پس از اتلاف تمامی تنش ها، اولین چالش پیش رو برای تبدیل پیش تنیدگی به یک روش قابل اجرا بود. شکل 1 بیان گر جذب قابل توجه تنش موثر در استرند های متداول امروزی نسبت به فولادهای اولیه می باشد. همان شکل شامل استرندهای با مقاومت بالاتر نیز هست که به تدریج جایگزین فولاد های پیش تنیدگی متداول امروزی در ساخت و ساز می شوند. 

ابزار موثر 

در سال 1926 تا 1928 Freyssinet  اثرات از دست رفتگی طولانی مدت در پیش تنیدگی را تشخیص داد و و فولاد جدید پر مقاوت را برای ساخت موفقیت آمیز اعضا پیش تنیدگی در فرانسه به کار گرفت. در سال 1940، او سیستم معروف و مقبول Freyssinet (فریسینت) را متشکل از مهار های گوه مخروطی برای تاندون های 12 رشته ای  معرفی کرد.(شکل 2)

شکل2-ابزار اولیه گیرههای Freyssinet 

پیشرفت های حاصل شده در فولاد پر مقاومت همراه با اختراع ابزارهای پیش تنیدگی، پیشرفت آشکار دیگری در به کارگیری موثر سیستم های پس کشیدگی بود. مهندسین برجسته دیگری تحقیق و توسعه در ارتباط با سیستم های پس کشیدگی را ادامه دادند، تمرکز فعالیت آن ها در ساخت و ساز پل ها و سازه های خاص بود. توسعه های اولیه توجه کمتری به تکنیک پس کشیدگی در ساخت و ساز ساختمان ها نشان می دادند. 

ساختمان های پس کشیده

 در سال 1950 با توسعه سیستم ساخت و ساز با بکارگیری سقف های بالا رونده (lift slab construction)(سیستمی است که سقف در قسمت فوقانی سقف تراز زیرین ساخته شده و  توسط جک هیدرولیکی به سمت بالا برده می شود) مهندسین از سیستم های پس کشیدگی برای حذف ترک ها و کاهش خیز دال های تخت در ساختمان ها استفاده کردند. با وجود این که به کار گیری این سیستم سقف ها بسیار ارزشمند بود، اما ابزار اصلی طراحی برای به کارگیری این سیستم توسط T.Y. Lin توسط مفهوم تعادل نیرویی مطرح شود. به عنوان یک فرم اصلی، تعادل نیرویی این اجازه را به مهندس سازه می دهد تا اثرات پس کشیدگی را به صورت کاهش نیروهای طراحی که به سقف اعمال می شوند، استنباط کند.(شکل 3) 

شکل3-مفهوم تعادل نیرویی که پس کشیدگی را به صورت کاهش بارهای مرده نشان می دهد.

صرفه جویی و بهره وری اقتصادی که توسط سیستم پس کشیده فراهم می شد و همچنین سهولت مفهوم تعادل نیرویی منجر به توسعه به کارگیری این سیستم در میان مهندسین و پیمان کاران آن زمان شد. 

به زبان ساده مفهوم تعادل نیرویی بر اساس این فرض است که نیروی محوری و اثرات خمشی که  در اثر پیش تنیدگی بر روی اعضا اعمال می شود را می توان  به صورت جداگانه در نظر گرفته و آنالیز کرد و سپس اثرات آن ها را با یکدیگر ترکیب نمود. پیشتر آن که نیروهای پیش تنیدگی را می توان در طول عضو به صورت ثابت در نظر گرفت. در نتیجه، ارتفاع مرکز جرم المان نسبت به خط اثر نیروی پیش فشردگی در سراسر طول المان به صورت ثابت باقی می ماند. 

با اشاره به شکل 3 قسمت a ،شکل یک المان با ضخامت ثابت را در معرض بار مرده اعمالی(1) نشان می دهد که توسط یک تاندون پیوسته، پس کشیده شده است. در قسمت b شکل فرض شده است که تاندون از جسم برداشته شده و با یک نیروی معادل جایگزین شده است.(2) بار معادل برابر با نیرویی است که تاندون به  هنگام حضور خود به عضو اعمال می کند. در قسمت c بار موثر، حاصل تفریق بار 1 از 2، بار کاهش یافته ای است که توسط روش های سنتی برای طراحی عضو به کار می رود.

دقت شود که نیرو های محوری که از ناپیوستگی های موجود در تاندون نتیجه  می دهد به تکیه گاه ها انتقال یافته و تاثیری روی عضو نمی گذارد. بار محوری p که در قسمت b شکل نشان داده شده است منجر به تنش فشاری یکنواخت(پیش فشردگی) می شود که برای تحلیل تنش می بایست به اثرات خمش اضافه شود. 

اشکال اصلی در مفهوم تعادل نیرویی که در قسمت فوق بیان شد، محدودیت استفاده از آن به کف های با ضخامت یکسان می باشد. سیستم های سقف واقعی اغلب دارای اعضای با ضخامت های متفاوت، و دارای ویژگی هایی همچون تغییر ارتفاع، ساخت تیر، و یا سایر ویژگی ها که فرض ثابت بودن برون محوری خط پیش فشردگی را نسبت به محور مرکز جرم نقض می کند، می باشد. شکل 4 یک نوار طراحی از سقف کف را نشان می دهد، که تغییرات محور مرکز جرم عضو در طول عضو، کاربرد مفهوم تعادل نیرویی  را بی اعتبار می کند.

شکل4-نمایی از نوار طراحی سقف پس کشیده با هندسه غیر یکنواخت

منبع:

«دپارتمان سازه سامانه کارگشا»

طراحی و اجرای سقف های پس کشیده،بیژن اعلامی

————————————————————————————————————————————–

برای بهره مندی از خدمات محاسبات طراحی سازه در خواست خود را در لینک های مربوطه، در قسمت عنوان سوال-سازه ثبت نموده و فایل های مورد نیاز را بارگذاری کنید.

1-طراحی اسکلت فولادی و شالوده

2-طراحی اسکلت بتنی و شالوده

3-سبک سازی و بهینه سازی محاسبات طراحی

4- کنترل مضاعف محاسبات طراحی

3-طراحی سقف کامپوزیت عرشه فولادی و کامپوزیت سنتی

4-طراحی دال پس کشیده

5- طراحی دال بتنی مشبک

6-طراحی دال های بتنی 

7- بهسازی لرزه ای و مقاوم سازی

8-طراحی سوله

9-طراحی سازه های با اسکلت LSF

10- مباحث تکمیلی و پژوهشی سازه