اشتباهات در طراحی و اجرای ضعیف در بتن های پیش تنیده

طراحی ناکافی (و اجرای ضعیف)

خطاهای برنامه ریزی، اشتباهات صورت گرفته حین طراحی و نیز ارزیابی ناکافی رفتار سازه را شامل می شود. چند نمونه از کاستی هایی که حین فاز ساخت اتفاق می افتند، در زیر ارائه شده اند:

• سیستم های زهکشی ناکافی
• عدم وجود یا ناکافی بودن سیستم های آب بند
• اجرای ضعیف و وجود درز و شکاف ها
• ترک خوردگی بتن

در این مقاله با اشتباهات در طراحی و اجرای ضعیف در بتن های پیش تنیده و دیگر مطالب مرتبط با آن بیشتر آشنا خواهید شد. با ما در کلینیک بتن همراه باشید.

سیستم زهکشی در سازه هایی همچون پل ها یا پارکینگ های چند طبقه، نه تنها باید آب را به طور موثری از سطح جمع آوری نماید، بلکه باید آبی را که از سطح وارد سیستم آب بند عرشه شده است نیز حذف نماید. طراحی مسیر زهکشی باید به گونه ای باشد که در صورت وجود نشتی یا یک مانع، آب نتواند به سیستم پیش تنیدگی راه یابد. استفاده از سیستم های آب بند مثلا بر روی عرشه بتنی پل، مانع محافظتی را در برابر ورود آب حاوی نمک به ویژه از سطح پل فراهم می نماید. در گذشته، اغلب هیچگونه سیستمی در اختیار نبود که بتواند آب بندی کافی را ایجاد نموده یا آب بند باقی ماندن آن در کل طول مدت اجرا قابل تضمین باشد. در نتیجه، درزهای اجرایی دارای نشتی بودند. غشاء های جدید با کیفیت بالا در برابر مایعات، کارآمدتر از سیستم های اولیه می باشند.

درزهای اجرایی که به طور نامناسب ایجاد شده اند ممکن است دارای نشتی باشند. بنابراین توصیه می شود که مهارها، مثلا در دال های عرشه پل ها، دور از درزهای اجرایی نگه داشته شده و از راه یابی هرگونه نشتی مربوط به این درزها به داخل این سیستم های حساس جلوگیری گردد. در جایی که مهارهای پیش تنیدگی به ناچار در محل درزهای اجرایی قرار می گیرند، باید در طراحی دقت کافی لحاظ گردد. نسبت بالایی از درزهای انبساط دارای نشتی بوده و کارآمدی و طول عمر آنها تا حد زیادی به کیفیت نصب و نگهداری وابسته می باشد. مسیرهای زهکشی مناسب برای نشتی ها باید فراهم گردد تا از راه یابی نشتی به مهارهای پیش تنیدگی یا تکیه گاه ها جلوگیری شده و از عدم جمع شدن آب در این نقاط اطمینان حاصل گردد.

ترک خوردگی در بتن به چند دلیل روی می دهد. ترک ها اساسا در نواحی با تنش های بالا در نتیجه بارگذاری و تغییر شکل های بیشتر، اتفاق می افتند. ترک های عریض، خطر خوردگی را به میزان قابل ملاحظه ای افزایش می دهند. عرض ترک ها باید با توجه دستورالعمل های طراحی معمول، محدود گردد. به حداقل رساندن خطر ترک خوردگی، به ویژه در مجاورت مهارها، نیازمند دقت و توجه ویژه ای است.

اشتباهات در بتن های پیش تنیده

اجرای غیر صحیح طراحی برنامه ریزی شده

اشتباهات عمده در کار اجرایی شامل موارد زیر می باشد:

• عدم تزریق کافی ملات (دوغاب) به داخل مجاری در اطراف تاندون ها در بتن پس تنیده
• ساخت پوشش بتنی محافظ با میزان حفاظت ناکافی

خطاهای اساسی صورت گرفته توسط نیروی کار اجرایی را در هیچ نوع ساخت و سازی نمی توان کاملا برطرف نمود، اما موثرترین راه برای اجتناب از این اشتباهات، به کار گیری نیروی کاری خوب آموزش دیده می باشد. اجرای ضعیف تزریق اعضای پس تنیده که می تواند به استفاده از ملات های سیمانی نامناسب نیز مربوط شود، دلیل عمده ای است برای آسیب ناشی از خوردگی، در جایی که فولاد پیش تنیدگی در معرض آب آلوده به کلرید حاصل از نمک یخ زدایی یا در نواحی ساحلی، قرار دارد. مشخص شده است که تاندون های تزریق شده در سازه های خشک واقع در مناطق با آب و هوای خشک، به هیچ وجه دچار خوردگی نشده اند.

با این وجود، نیروی کار ضعیف می تواند مشکلات گسترده تری را ایجاد نماید، مانند تراکم ضعیف بتن و نفوذپذیری بالا در مواردی که مقدار پوشش مشخصی برای اعضای فولادی در نظر گرفته نشده باشد، تجربه نشان داده است که اگر آب خورنده به داخل بتن متخلخل نفوذ نماید یا در صورتی که پوشش بتنی بسیار نازک بوده و اثر محافظتی را به واسطه ورود کلرید یا کربناسیون از دست بدهد، آنگاه نه پوشش فولادی و نه حتی ملات با تراکم خوب می توانند یک مانع به میزان کافی سخت و آب بند را تشکیل دهند. هرچند تزریق غیرصحیح مجاری، اولین شرط ایجاد خوردگی محسوب می گردد، اما این عامل به تنهایی برای ایجاد خوردگی صدمه زننده کافی نمی باشد.

استفاده سیستماتیک از مصالح ساختمانی نامناسب که منجر به گسیختگی های عمده ای در اعضا می گردد، تصویر ساخت و ساز بتنی پیش تنیده را تا حد زیادی مخدوش نموده است. مشکلات ویژه ای بر اثر سیمان با آلومینای بالا و تسریع کننده های عمل آوری حاوی کلرید، به وجود آمده است که به دلایل اقتصادی، برای ساخت مقاطع سقف ها و شاهتیرهای پیش ساخته پیش تنیده، استفاده شده بودند. در مورد سیمان با آلومینای بالا، حرارت همراه با رطوب�� در ساختمان هایی مانند اصطبل ها می تواند منجر به افزایش تخلخل و کربناسیون و نیز اضمحلال شدید بتن بر اثر تغییر خمیر سیمان گردد.

سولفید موجود در برخی سیمان های با آلومینای بالا که در دهه 1950 در آلمان مورد استفاده قرار گرفت نیز به عنوان یک تسریع کننده برای فعالیت هیدروژن در فولادهای پیش تنیده عمل نموده و منجر به ترک ناشی از خوردگی تنشی مربوط به هیدروژن می گردد. یک سری از سقف ها بر اثر اضمحلال ناشی از خوردگی (خوردگی حفره ای شدن) فرو ریختند و ترک ناشی از خوردگی تنشی منجر به برداشتن کلیه اعضا در سقف اصطبل ها و بالای دیگر اتاق های مرطوب شده است که با سیمان با آلومینای بالا یا تسریع کننده های عمل آوری آلوده به کلرید، ساخته شده بودند. به ترتیب در سال های 1958 و 1962، استفاده از تسریع کننده های عمل آوری آلوده به کلرید و سیمان با آلومینای بالا در بتن مسلح در آلمان ممنوع گردید.

شکل دیگری هنگامی به وجود آمد که تیوسیانات با غلظت های پایین به روان کننده های مورد استفاده به عنوان مواد افزودنی بتن، افزوده گردید. تیوسیانات مشابه سولفید در تقویت ترک ناشی از خوردگی تنشی مربوط به هیدروژن، عمل می نماید. در یک ارزیابی معمولی آسیب برای گسیختگی های فولاد پیش تنیدگی با تاندون های پیش تنیده که هنوز تزریق نشده اند، جدول 6-3 وجود کلرید، سولفید و تیوسیانات یافت شده در بتن را در محل وقوع گسیختگی در اعضای فولادی پیش تنیده، نشان می دهد. سولفات ها و تیوسیانات ها به ویژه قابلیت جمع شدن در آب حاصل از بتن آب انداخته را دارا می باشند. این مواد با حل شدن در آب، به داخل مجاری تزریق نشده نفوذ کرده و به ترتیب به خوردگی حفره ای (سولفید) یا جذب هیدروژن (تیوسیانات) در فولادهای پیش تنیدگی کمک می کنند.

آخرین اخبار و مطالب تکمیلی را در این بخش دنبال نمایید
خرابی بتن پیش تنیده
کنکاشی پیرامون خوردگی های بتن های پیش تنیده
راه کارهای پایش اجرای ساختمان های بتنی پیش تنیده

فولادهای پیش تنیدگی نامناسب (حساس)

آسیب پذیری فولادهای پیش تنیدگی نسبت به حمله خوردگی برای دوام سازه های بتنی پیش تنیده، از اهمیت بسزایی برخوردار می باشد. کلیه انواع خوردگی (مثلا خوردگی حفره ای شدن، تردشدگی هیدروژنی، ترک ناشی از خوردگی تنشی، خستگی ناشی از خوردگی، خوردگی سایشی) باید مورد توجه قرار گیرند. یک فولاد پیش تنیدگی در جایی که مقادیر اندک هیدروژن حاصل از خوردگی، برای ایجاد آسیب برگشت ناپذیر در فولاد پیش تنیدگی کافی باشند، نسبت به ترک ناشی از خوردگی تنشی مربوط به هیدروژن، آسیب پذیر در نظر گرفته می شود.

سال ها به طول انجامید تا مشخص گردد که برخی فولادها در میان برخی انواع دیگر، مناسب نمی باشند که علت این امر، عدم وجود روش های آزمایش مناسب برای تشخیص آسیب پذیری نسبتب ه ترک ناشی از خوردگی تنشی مربوط به هیدروژن در یک مرحله اولیه بود. نامناسب ترین نمونه های فولادها که دارای مقاومت کافی در برابر هیدروژن نمی باشند عبارتند از میله های نورد گرم با ساختار باینیتیکی و نوع قدیمی سیم های با سردکاری و آبکاری.

نمونه هایی از گسیختگی های سازه ای مهم

نمونه های مهمی از آسیب ناشی از خوردگی در سازه های بتنی پیش تنیده به ندرت اتفاق می افتد. در ادامه، نمونه هایی از گسیختگی های مهم به طور مختصر تشریح شده و مورد ارزیابی قرار می گیرند.

• آسیب ناشی از خطاهای طراحی و اجرا
• سالن کنگره در برلین آلمان

یکی از برجسته ترین گسیختگی های سازه بتنی پیش تنیده، در سال 1980 اتفاق افتاد. سقف جنوبی بیرونی سالن کنگره برلین، 23 سال پس از ساخت، فرو ریخت. شکل سقف بیرونی به صورت یک طاق بتن مسلح توخالی خارجی بود که در دو طرف شرقی و غربی توسطدو تکیه گاه مهار شده بود. این طاق به سقف تالار داخلی کنفرانس با استفاده از صفحاتی به ضخامت cm7 متصل بود و توسط اتصالاتی جدا شده بود. هر یک از دال های بیرونی سقف شامل 2 تا 4 تاندون بودند که در داخل مجاری قرار گرفته بودند. تاندون ها شامل 7 تا 10 سیم پیش تنیدگی ساخته شده از یک نوع معمولی فولاد پیش تنیدگی با سردکاری و آبکاری بودند. این تاندون ها از پشت طاق بتن مسلح بیرونی را به تیر حلقوی چرخشی داخلی متصل نموده و طاق را در موقعیت پایداری نگه می داشتند.

در 21 ماه می سال 1980، گسیختگی موضعی سقف بیرونی (بخش جنوبی) اتفاق افتاد. بررسی گسیختگی نشان داد که هنگام انجام محاسبات طراحی، بارگذاری واقعی تسمه های پیش تنیدگی برای مهار نمودن طاق به سمت عقب، با دقت کافی برآورد نشده بود. ترک هایی در بتن، در یک ناحیه مرزی باریک در امتداد طاق و حلقه و همچنین در داخل بتن اتصال، تشکیل شده بود. انحناهای بزرگ موجود در صفحه بتنی در نواحی ترک خورده، منجر به تنش های خمشی بالایی در تاندون ها شده بود و بر اثر جابجایی های طاق، این تنش ها تغییر می کرد. علاوه بر این مشکلات مربوط به طراحی، اشکالات حین اجرا نیز اثرات خطاهای طراحی را بدتر نموده بود:

• آب می توانست به سقف نفوذ کند (مثلا از طریق نشت به داخل غشاء سقف) و می توانست از نواحی مرزی به شدت ترک خورده، به تاندون ها برسد.
• بتن اتصال بسیار متخلخل بود و با یک مقدار کلرید بالا، به شدت کربناته شده بود. کلرید به داخل آب انتقال یافته و به درون ملات تزریق اطراف تاندون ها، نفوذ کرده بود.
• در یک ناحیه از سقف بیرونی، برخی تاندون ها به طور مرکزی در داخل دال های بتنمسلح قرار نگرفته، بلکه تقریبا بدون پوشش بتنی بر روی تیر حلقوی قرار گرفته بودند (شکل 60-12). بر اثر وزن خود آنها و بارهای خارجی سقف، این تاندون ها به شدت به سمت پایین انحنا یافته بودند. به طور همزمان، حفاظ خوردگی سطوح پایینی تقریبا به طور کامل از بین رفته بود. بنابراین، در مورد این تاندون ها، قرارگیری در معرض خوردگی شدید و بارهای خمشی بالا با هم جمع شده بودند. به علاوه، برخی تاندون ها تزریق نشده و یا تنها به طور جزئی تزریق شده بودند.

شکل 6-12- جزئیات بام سالن کنگره برلین. بخش بالایی: تاندون پیش تنیدگی با پوشش بتنی کافی (طراحی). بخش پایینی: تاندون پیش تنیدگی با پوشش بتنی بسیار کم (اجرایی).

• درپوش های عایق از جنس چوب پنبه به عنوان جداکننده های سیم های پیش تنیدگی در بدنه بسیاری از مهارها برای تاندون ها، به کار گرفته شده بود. این حالت، شرایط خوردگی به ویژه نامطلوبی را ایجاد نموده بود، زیرا چوب پنبه آب را جذب نموده و در محل تماس فولاد با چوب پنبه، هیچگونه حفاظتی در برابر مواد قلیایی وجود نداشته و این شرایط منجر بهتشکیل هیدروژن می گردد.

تاندون ها به ویژه در اطراف اتصالات میان تیرهای سقف و تیرهای حلقوی، و نیز در مجاورت جداکننده های چوب پنبه ای در مهارها، خورده شده بودند. این تاندون ها سپس در این دو ناحیه بر اثر ترک ناشی از خوردگی تنشی مربوط به هیدروژن، گسیخته شده بودند. استفاده از فولاد پیش تنیدگی با سردکاری و آبکاری نوع قدیمی (که به ویژه نسبت به ورود هیدروژن حساس می باشد)، و بارگذاری خمشی متغیر آرماتورهای پیش تنیدگی، که بر اثر جابجایی های اجتناب ناپذیر طاق ناشی از تغییرات دمایی و باد به وجود آمده بود، نرخ آسیب وارده به ضو سازه ای و مقیاس آن را تا حد زیادی افزایش داد.

پل روی رودخانه Muckbachtal در مسیر بزرگراه Wurzburg-Heilbornn، آلمان یک پل در بالای رودخانه Muckbachtal به عنوان بخشی از مسیر بزرگراه متصل کننده Wurzbuurg و Heilbornn در سال 71-1970 ساخته شد. شاهتیرهای این پل از نوع جعبه ای بودند و پل دارای دو عرشه بود که هر یک با هشت تاندون طولی امتداد یافته در جان تیرها، پیش تنیده شده بودند. هر تاندون از 12 سیم به قطر mm12 از جنس فولاد با سردکاری و آبکاری تشکیل شده بود. پروفیل های تاندون در جهت محور گشتاور خمشی تغییر یافته بود.

در راستای طولی، این پل کمی کاسه ای شکل بود، به گونه ای که مرکز آن در نزدیکی پایین ترین نقطه واقع شده بود. به دلیل شیب طولی کم، نقاط زهکشی با فواصل اندکی میان یکدیگر، آرایش یافته بودند (تقریبا در بیشترین حالت m5).

در عرض پل، سطحی توسط لوله هایی به قطر mm100 جمع آوری می شد (شکل 6-13). این لوله های جدنی دارای چندین کوپلینگ دارای غلاف در امتداد طولی بودند. در طول زمان، آب بندی غلاف ها دچار مشکل گردید (با ترد شدن اعضای آب بند کننده) و در بسیاری موارد، آب می توانست به سطوح داخلی مورب از جان های خارجی شاهتیرهای جعبه ای، تراوش نماید. سطح مسیر بزرگراه در ماه های زمستان با نمک یخ زدایی پوشیده می شد و تقریبا برای مدت 25 سال، آب آلوده به کلرید به سطح بتن جان ها و دال تحتانی مجاور، از طریق زهکش های تراوش کننده در هر زمستان می رسید.

پس از دوره های زمستانی مرطوب نسبتا کوتاه دوره های خشک طولانی تری فرا می رسید و در نتیجه غلظت های بسیار زیاد کلرید، در پوشش های بتنی هر دو نوع فولادهای پیش تنیدگی و مسلح سازی ایجاد می گردید. کلریدها قادر بودند که تا عمق زیادی به داخل بتن در این مکان ها نفوذ نمایند و خوردگی به دلیل استفاده از بتن با کیفیت پایین حاوی سنگدانه های متخلخل در کار اجرا، تشدید می شد. غلظت های کلرید در حدود چند درصد تا عمق حدود cm5 زیر نقاط وارد شدن آب، تشخیص داده شد.

شکل 6-13- موقعیت لوله زهکش در شاهتیر جعبه ای (a) و تاندون پیش تنیدگی در جان (b) (به صورت شماتیک)

در یک بازرسی پل، نواحی با گمانه های توخالی در بتن داخل شاهتیرهای جعبه ای در زیر زهکش های تراوش کننده، شناسایی گردید. آرماتورهای مسلح سازی واقع در زیر محل تراوش، زنگ زده بودند و سطح مقطع آنها تا 50% کاهش یافته بود. تاندون های پیش تنیده نیز به شدت آسیب دیده بودند. این خوردگی کلریدی غیریکنواخت به پوشش حمله کرده و سپس موجب خوردگی فولادهای پیش تنیدگی شده و منجر به گسیختگی سیم ها شده بود. در یک مورد، 12 سیم در 4 تاندون که در سمت داخلی جان قرار داشتند، گسیخته شده بودند. سیم های دیگر نیز به گونه ای بر اثر خوردگی آسیب دیده بودند که گسیختگی آنها در آینده اجتناب ناپذیر بود.

حد آسیب و شدت آن برای فولاد آرماتورها و تاندون های پیش تنیده، به موفقیت آنها و ضخامت پوشش بتن، بستگی داشت. پوشش بتن عادی برابر cm5 بود. شدیدترین آسیب ��اشی از خوردگی کلریدی به تاندون هایی بود که در داخل جان قرار داشتند و گسیختگی سیم ها در زیر تعداد زیادی از زهکش های آسیب دیده مشاهده شد که در آن بخش ها شبکه های آرماتورهای فولادی دارای پوشش بتنی کمی بودند (1 تا cm5/2). با این شرایط، اینگونه نتیجه گیری شد که از نقطه نظر اجرایی، آسیب وارده، از پوشش بتنی بسیار نازک برای آرماتورهای واقع در نواحی آلوده به کلرید، ناشی می شود. اولین مرحله، جداشدگی ناشی از کلرید بود که در آن بتن پوسته شده و از آرماتورهای شدیدا خورده شده جدا شده و حفره ای را ایجاد کرده بود که آب حاوی کلرید می توانست در آن تجم یافته و تغلیظ گردد. در مرحله دوم، کلریدها تخریب تاندون ها را آغاز کرده بودند.