این مقاله در مورد پل های پیش تنیده ساخته شده به روش طره ای آزاد است و به بررسی تاریخچه، فناوری بتن پیش تنیده و مزایای این روش اجرایی می پردازد.
مقدمه و تاریخچه :
ساخت پل ها و گذرگاه هایی برای عبور از موانعی مانند دره ها، رودخانه ها و بسترهای طبیعی از جمله ابتدایی ترین و بنیادی ترین اقداماتی است که انسان ها از گذشته های بسیار دور برای تسهیل در تردد و ارتباط با دیگر نقاط انجام می دادند. در آن زمان ها، مردم با بهره گیری از مصالحی که در محیط اطراف خود در دسترس داشتند ـ نظیر چوب، سنگ و حتی الیاف گیاهی ـ اقدام به احداث پل های اولیه می کردند. این سازه ها گاه به شکل معلق و گاه به صورت تیرهایی ساده بودند که تنها هدف آن ها گذر ایمن از یک نقطه به نقطه ای دیگر بود.
با پیشرفت تمدن بشری و گسترش نیاز جوامع به برقراری ارتباط با مناطق مختلف، تکنولوژی های مرتبط با ساخت راه ها و پل ها نیز توسعه یافت و روش های جدیدی برای طراحی و اجرای این سازه ها به وجود آمد. به عنوان نمونه، پیش از دوران رومی ها، استفاده از سنگ و قوس در ساخت پل ها رایج شد، و در آغاز سده نوزدهم شاهد شکل گیری پل های معلق و قوسی نوین بودیم. اما نقطه عطف اصلی در فناوری ساخت پل، از ابتدای قرن بیستم آغاز شد؛ زمانی که ساخت پل های فلزی و سازه های بتن مسلح رواج گسترده ای یافت.
در ادامه این تحول، هنگامی که مهندسان با محدودیت هایی در استفاده از بتن مسلح در دهانه هایی بیش از ۳۰ متر مواجه شدند ـ به دلیل تنش های کششی شدید و ایجاد ترک های ساختاری در مقاطع ـ ایده ی نوینی تحت عنوان بتن پیش تنیده مطرح شد. این نوآوری امکان کنترل بهتر نیروهای کششی و در نتیجه، اجرای پل هایی با دهانه های وسیع تر را فراهم کرد. نخستین پل مهمی که با این فناوری ساخته شد، در سال ۱۹۴۶ در کشور فرانسه و با دهانه ای به طول ۵۵ متر احداث شد. با گسترش این تکنیک و مزایای قابل توجه آن، امروزه درصد قابل توجهی از پل های بزرگ و متوسط در سطح جهان با استفاده از بتن پیش تنیده اجرا می شوند؛ آماری که از مرز ۸۵ درصد نیز فراتر رفته است.
بر اساس اطلاعات مستند موجود، در ایران نیز از سال ۱۳۴۱ تا ۱۳۶۵، تعداد ۳۳ پل پیش تنیده توسط مهندسان ایرانی و فرانسوی طراحی و اجرا شده که طول دهانه های آن ها بین ۱۷ تا ۷۷ متر و مجموع طول کل آن ها بالغ بر ۵۹۰۰ متر بوده است. این پل ها حداقل ۷ و حداکثر ۲۹ متر عرض داشته اند و گامی مهم در توسعه زیرساخت های حمل و نقل کشور محسوب می شوند.
تعریف بتن پیشتنیده :
پیش تنیدگی به معنای اعمال نیروهای دائمی و هدفمند به یک عضو بتنی است، به گونه ای که این تنش ها در خلاف جهت نیروهایی باشند که در طول بهره برداری از سازه بر آن وارد خواهد شد. این نیروهای داخلی از پیش طراحی شده، با دقت تعیین و اعمال می شوند تا اثرات تنش های کششی که در زمان بارگذاری واقعی بر سازه ایجاد می شود را خنثی یا مهار کنند. دلیل اصلی نیاز به چنین فرآیندی این است که بتن، ذاتاً در مقابل کشش مقاومت پایینی دارد و در مواجهه با نیروهای خمشی، دچار ترک خوردگی هایی می شود که می تواند ایمنی و دوام سازه را تحت تاثیر قرار دهد. در نتیجه، پیش تنیده کردن اعضای بتنی روشی موثر برای محدود کردن تنش های کششی و کنترل ترک های ناشی از خمش است.
جالب است بدانید که بتن پیش تنیده، تنها محدود به المان هایی که تحت خمش هستند نمی شود، بلکه در اجزایی که عمدتاً با کشش روبرو هستند، مانند لوله های انتقال آب یا مخازن، نیز به خوبی به کار گرفته می شود. این کاربرد گسترده، نشان دهنده ی انعطاف پذیری و عملکرد برتر این تکنولوژی در انواع شرایط بارگذاری است.
از نظر اجرایی، فرآیند پیش تنیدگی به دو شیوه اصلی صورت می گیرد: روش پیش کشیدگی و روش پس کشیدگی. در سیستم پیش کشیده، کابل های فولادی که مسئول ایجاد نیروی فشاری در بتن هستند، پیش از بتن ریزی، تحت کشش قرار می گیرند. سپس بتن تازه در اطراف این کابل ها ریخته می شود و پس از آن که بتن به مقاومت لازم رسید و به اصطلاح گیرش نهایی خود را یافت، کابل ها از دو سر تکیه گاه رها شده و نیروی کششی آن ها به بتن منتقل می شود.
در این حالت، چون کابل ها خاصیت ارتجاعی دارند، پس از رهاسازی میل به بازگشت به طول اولیه شان دارند و این رفتار باعث می شود نیروی فشاری دائمی در بتن ایجاد شود. این نیروی فشاری موجب تقویت مقاومت بتن در برابر بارهای کششی می گردد. همچنین سر کابل های بیرون مانده از قطعه بریده شده تا ظاهر سازه تمیز و منظم باقی بماند. نکته ی مهم اینجاست که در بتن پیش کشیده، کابل ها به صورت کامل در داخل بتن گیر کرده اند و به آن چسبیده اند، و این امر سبب انتقال کامل تنش به بتن می شود و نقش اساسی در پایداری و عملکرد عضو دارد.
بتن پس کشیده :
برای اجرای فرآیند پس کشیدگی، ابتدا قالب بندی تیر بتنی صورت می گیرد و عملیات بتن ریزی همانند یک تیر بتن مسلح معمولی انجام می شود. اما تفاوت مهمی در این روش وجود دارد؛ داخل بتن، یک غلاف تعبیه می شود به گونه ای که امکان عبور کابل های پیش تنیده از یک سوی تیر به سوی دیگر فراهم گردد، بدون اینکه اتصال مستقیمی میان کابل ها و بتن وجود داشته باشد. در دو انتهای تیر، معمولاً پیش از بتن ریزی، دو ورق مهاری یا اجزای مشابه برای مهار کردن نیروها جایگذاری می شوند.
پس از سخت شدن بتن و رسیدن به مقاومت مورد نیاز، فولادهای پیش تنیدگی از داخل غلاف عبور داده می شوند. سپس این کابل ها با استفاده از جک هایی که به ورق های مهاری انتهای تیر تکیه دارند، تحت کشش قرار می گیرند. این عمل باعث اعمال نیروی فشاری بر بتن می شود که موجب افزایش مقاومت آن در برابر تنش های کششی می گردد. زمانی که کشش کابل ها به مقدار مورد نظر رسید، دو سر آن ها در انتهای تیر مهار می شود. در مرحله نهایی، فضای داخل غلاف ها با ماده ای مخصوص تزریق می شود تا از خوردگی کابل ها جلوگیری شود و یکپارچگی سیستم تضمین گردد.
پل پیش تنیده :
بر اساس یک تعریف عمومی و رایج در حوزه مهندسی سازه، پل پیش تنیده به پلی اطلاق می شود که در فرآیند ساخت بخشی از اجزای اصلی آن، به ویژه در ناحیه ای که بارهای خمشی و کششی به صورت عمده اعمال می شوند، از بتن پیش تنیده استفاده شده باشد؛ این بتن می تواند به دو شیوه مختلف شامل پیش کشیدگی یا پس کشیدگی آماده سازی و اجرا گردد. در اغلب موارد، آن بخش از پل که با عنوان دال یا تابلیه شناخته می شود، اصلی ترین محل استفاده از این نوع بتن محسوب می گردد. به عبارتی دیگر، در سازه های پل که از فناوری بتن پیش تنیده بهره می برند، تمرکز اصلی استفاده از این تکنولوژی بر روی تابلیه است که نقش حیاتی در تحمل و انتقال بارهای وارده دارد و باعث بهبود عملکرد سازه در برابر نیروهای داخلی و افزایش دوام و کارایی آن در درازمدت می گردد.
روش طره ای آزاد :
این شیوه در واقع یکی از روش های اجرایی متداول برای ساخت پل های بتنی با فناوری پیش تنیدگی محسوب می شود. بر اساس این روش، تابلیه ی پل به قطعاتی با ابعاد کوچک تر و طول های محدودتر تقسیم می گردد. این قطعات که ممکن است پیش ساخته باشند یا در محل اجرای پروژه ساخته شوند، به صورت مرحله ای و پشت سر هم، روی پایه های پل قرار می گیرند. سپس هر قطعه از طریق کابل هایی که نقش اتصال و انتقال نیرو را دارند، به قطعه ی بعدی متصل می شود. این فرآیند به نحوی انجام می شود که به تدریج یک کنسول یا طره ی بتنی از هر طرف پایه شکل می گیرد. طره های ایجاد شده که از پایه های مجاور آغاز شده اند، در نهایت به یکدیگر متصل شده و ساختار نهایی پل را تشکیل می دهند. این اتصال موجب یکپارچگی سازه و افزایش مقاومت آن در برابر تنش ها و بارهای وارده می شود. استفاده از این روش اجرایی نه تنها باعث کنترل بهتر کیفیت ساخت قطعات و افزایش سرعت اجرای پروژه می شود، بلکه به دلیل روش گام به گام آن، امکان مدیریت دقیق تر در فرآیند کشش کابل ها و کنترل تغییر شکل ها نیز فراهم می گردد.
مزایای استفاده از روش های طره ای آزاد :
یکی از شیوه های معمول در اجرای بخش عبورگاه یا تابلیه ی پل ها، به این صورت است که پس از پایان عملیات ساخت پایه ها، اقدام به نصب داربست و اجرای قالب بندی در محل می شود تا بتوان بتن ریزی عبورگاه را مستقیماً بر روی سازه انجام داد. این روش اگرچه کاربردی است، اما زمان بر بوده و در برخی پروژه ها به علت شرایط محیطی یا محدودیت های اجرایی، امکان برپایی داربست در تمام نقاط وجود ندارد که همین امر، کار را با دشواری هایی مواجه می کند.
در مقابل، یکی از مزایای قابل توجه و مهم روش طره ای آزاد (یا Free Cantilever Method) این است که سرعت پیشرفت عملیات اجرایی در این شیوه به مراتب بالاتر از روش های سنتی است. دلیل اصلی آن نیز قابلیت آغاز هم زمان اجرای تابلیه از روی تمامی پایه ها می باشد. به ویژه در مواقعی که از قطعات پیش ساخته برای احداث این بخش استفاده می شود، سرعت اجرا می تواند به حدود ۸ متر در هر روز برسد که این میزان پیشرفت روزانه، یک مزیت کاملاً چشمگیر برای این روش به شمار می رود. افزون بر آن، استفاده از این روش سبب حذف کامل نیاز به داربست بندی های گسترده می شود که خود یکی از چالش های اصلی در روش های مرسوم است.
البته باید توجه داشت که در برخی پروژه ها و برای دهانه هایی با طول کمتر از ۵۰ متر، روش های جایگزینی نیز بدون استفاده از داربست، قالب بندی یا شمع بندی مطرح شده اند. اما هنگامی که صحبت از پل هایی با دهانه های بزرگ تر – تا حدود ۲۵۰ متر – به میان می آید، معمولاً استفاده از روش طره ای آزاد به عنوان گزینه ای کارآمد و مطمئن توصیه می شود. حتی می توان این چشم انداز را نیز در نظر گرفت که با بهره گیری از بتن های سبک وزن و کاهش جرم قطعات، در آینده امکان اجرای دهانه هایی به مراتب طولانی تر نیز از طریق این روش فراهم گردد.
در مجموع با توجه به مسایل ذکر شده ، استفاده از این روش در حالات زیر توصیه شده است :
- وقتی مشخصات محلی ( مانند عبور راه آبی ، بستر سست رودخانه و … ) اجـازه استفـاده از شمـع و داربست را نمی دهد .
- وقتی به علل مختلف مثل وجود جریان سریع آب ، تند بودن شیب کف رودخانه و … داربـست بـندی خطر ناک باشد .