سال 1936، شخصی با نام یوجین فریسینه برای اولین بار ادعا کرد که یکی از مهم‌ترین مصالح ساختمانی را اختراع کرده است. نام آن را بتن پیش‌تنیده گذاشت. بتن پیش تنیده همان بتن آرمه است که در آن آرماتورهای فلزی که معمولا به صورت کابل و به صورت کشیده شده داخل بتن قرار می گیرد. تیرچه پیش تنیده را از ترکیب بتن با مقاومت بالا و فولاد به دست می‌آورند. عمل پیش تنیدگی در واقع یک سیستم تنش اتوماتیک تعادلی هست که به صورت خودکار سیستم بر اساس تنش‌های موجود متعادل می‌شود. تنش‌ها ابتدا از کشش فولاد پیش تنیده به وجود می‌آید و واکنش متقابل بتن به همان میزان است و فشاری خواهد بود.
مسیر تحول مصالح ساختمانی تا رسیدن به تیرچه پیش تنیده
تمامی مصالح ساختمان که از گذشته‌های دور توسط انسان برای ساخت محل زندگی تولید میشده طی زمان بر اساس نیازها و مطالعات انجام شده تغییرات چشمگیری داشته است. عمده مصالحی که انسان برای ساخت و ساز از آن بهره برده را میتوان محدود به چوب و فولاد و سنگ و بتن دانست. بتن البته از جمله مصالحی است که بشر طی سالیان موفق به ساخت آن شده؛ بتن نوعی سنگ است که به دست بشر ساخته می‌شود. مقاومت فشاری بتن بسیار بالاست اما ضعف بتن در مقاومت کششی آن است. بتن می‌تواند تنها حدود 10 درصد از مقاومت فشاری خود را در عملکرد کششی نشان دهد. این نقطه ضعف بتن مرحله جدیدی در تولید مصالح ساختمانی ایجاد کرد. مرحله‌ای که به تولید تیرچه پیش تنیده انجامید.
بتن نمی‌تواند در برابر کشش مقاومت کند
سازههایی که ساخته می‌شود مستقیما در برابر کشش قرار می‌گیرد. کشش ناشی از خمش برای بتن به معنای شکست است. این ضعف بود که به اختراع بتن مسلح انجامید. بتنی که در برابر کشش مقاومت لازم را داشته باشد.
اهمیت استفاده از تیرچه پیش تنیده در ایران
در کشور ما سیستم‌های مربوط به سقف تیرچه کاربرد فراوان دارد. در بسیاری پروژه‌ها شاهدیم که تیرهای خرپایی استفاده می‌شود و این تیرچه ها دارای اتصالات به وسیله جوشکاری هستند. نقاط اتصال می‌تواند به نقاط ضعف بدل شود. میلگردهایی که در قسمت پایین نصب شده است می‌تواند در نقاط جوش دچار نقص غیر قابل کنترل شود. همچنین کیفیت بتن در قسمت پاشنه تیرچه ممکن است پایین باشید که به شدت دردسر ساز است. همه این موارد باعث شده که استفاده از تیرچه پیش تنیده جایگزین مناسبی به جای مدلهای متداول خرپایی باشد. برخی تولیدکنندگان سر و ته میلگردهای U شکل و یا آرماتورهای مورب را پس از آنکه تیرچه از دستگاه تولید خارج شد نصب می‌کنند. سوالی که پیش می‌آید این است که آیا نصب پس از خروج تیرچه از دستگاه تاثیری روی مقاومت خواهد داشت؟
بررسی فرآیند تولید تیرچه پیش‌تنیده در کارخانه‌ها
ساخت تیرچه‌ها باید داخل کارخانه انجام شود. وایرها یا همان کابل‌های فولادی با مقاومت‌های بالا انتخاب می‌کنند. در مقایسه با آرماتورهای معمولی این وایرها باید حدود 4 برابر ظرفیت داشته باشند. این کابل‌ها کشیده می‌شوند. سپس دستگاه بتن ریز کارش را شروع می‌کند. بتن روی کابل‌ها و اطراف آن ریخته می‌شود. کابل‌ها همچنان در حالت کشیده باقی می‌مانند. زمانی که بتن ریزی تمام شد و بتن به مقاومتی که در نظر گرفته شده پس از عمل آوری زمان رها کردن وایر هاست. برای عمل آوری معمولا از بخار استفاده می‌کنند. کابل از قیمت انتهایی بریده می‌شود. محصول تیرچه پیش تنیده آماده عرضه به بازار است.
پیش‌تنیدگی در تیرچه پیش تنیده چگونه ایجاد می‌شود؟
کار معمولا با چند رشته سیم فولادی انجام می‌شود. سیم‌هایی که قطر 5 میلیمتر دارند و توانایی تحمل مقاومت نهایی از 17500 تا 19000 کیلوگرم در هر سانتی‌متر مربع را داشته باشند. پیش از آنکه بتن ریزی انجام شود. باید برای این سیم‌ها را تا 65 درصد از مقاومت نهاییشان یعنی حدود 11375 تا 12350 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع کشیدگی ایجاد کرد و بتن ریزی انجام داد، وقتی مقاومت کافی در بتن و پیوستگی لازم میان فولاد و بتن ایجاد شد، خیلی آرام این کشیدگی را رها می‌کنند تا تیرچه تحت فشار قرار گیرد. این روش پیش‌تنیدگی بتن است.
تغییرات بار وارد چه تاثیری بر افتادگی تیرچه پیش تنیده دارد؟
ابتدای خیزش در اثر پیش تنیدگی در اثر وزن خود تیرچه خواهد بود. این انحنا تا در اثر تنش وارده از وزن تیرچه پیش خواهد رفت. افزایش بار تا زمان بار بهتره برداری افتادگی را بر با با نمودار سهمی شکل صعودی افزایش می‌دهد. شیب افزایش به مرور کند می‌شود تا زمانی که بارگذاری منجر به ترک شود. همچنان افتادگی ادامه پیدا می‌کند و در نقطه بار نهایی گسیختگی رخ می‌دهد.
استفاده از تیرچه پیش تنیده در سقف نواری
تنش کششی هنگام بهره برداری به بخشی از سقف‌های نواری وارد می‌شود، تیرچه پیش‌تنیده در واقع بخشی از سقف است که وظیفه تحمل این تنش کششی را خواهد داشت. از این رو لازم است که مقدار پیش‌تنیدگی آن در حدی باشد که تیرچه در هیچ کدام از مراحل ساخت و ساز دچار ترک و شکست نشود. تنش‌ها علاوه بر زمان بهره‌برداری از ساختمان از زمان حمل و نقل مصالح شروع می‌شوند تا زمان نصب و بتن ریزی نیز ادامه می‌یابد.
بررسی شکل ظاهری تیرچه پیش تنیده
شکل ظاهری تیرچه پیش تنیده شبیه به سپر است. در قسمت پایین سپر باید حداقل عرض 10 سانتی‌متر داشته باشد. ارتفاع پاشنه سپر نیز دست کم باید 4 سانتی‌متر باشد. این ارقام مربوط به حداقل مقدارها است و از این مقدار کمتر ایستایی لازم را نخواهد داشت. از نظر ارتفاع نیز باید درنظر داشته که مقداری لحاظ شود تا در تمام مراحل نصب و قالب‌بندی ایستایی لازم را داشته باشد. قسمت بالای تیرچه پیش‌تنیده قرار است بتن ریزی شود. به همین دلیل باید پیوستگی کافی میان بتن و تیرچه به وجود آید از این رو پوشش تعبیه شده زیر و برجسته است.
از نظر مقاومت فشاری، تنش را بیش از دو برابر تنش فشاری قسمت زیرین تیرچه پیش‌تنیده در نظر گرفت و این رقم نباید از 350 کیلوگرم در هر سانتی‌متر مربع کمتر باشد.
المان‌های مهم هنگام بررسی تیرچه پیش تنیده
تولید کننده اطلاعات مشخصی را در اختیار خریدار تیرچه پیش تنیده قرار می‌دهد. خرید بر این اساس انجام می‌شود. 6 المان در سفارش وجود دارد که بر اساس آن تیرچه پیش تنیده تولید و به خریدار ارائه می‌شود. مواردی از جمله:
1- طول تیرچه و ارتفاع آن
2- تعداد سیم مصرفی و قطر آن
3- مقدار بار زنده و مقدار بار مرده
4- شرایط محیطی محل مورد استفاده
5- نقشه محاسباتی
6- نوع کاربری تیرچه پیش تنیده شامل استفاده در ساختمان مسکونی، پارکینگ یا …
