طراحی و اجرای انواع شمع در ساختمان به همراه مدلسازی آن در سیف

فهرست مطالب کتاب طراحی و اجرای شمع :

1. تعریف و کاربرد شمع در ساختمان

• کاربرد و وظایف شمع ها

2. انواع شمع ها از لحاظ جنس مصالح

• شمع های فولادی
  • نکاتی که در هنگام ساخت شمع‌های H و لوله‌ای شکل باید رعایت شود
  • ظرفیت مجاز شمعهای فولادی
• شمع‌های بتنی
  • شمع بتنی کوبشی (پیش‌ساخته)
  • شمع بتنی درجاریز
• شمع‌های چوبی
  • ظرفیت مجاز شمع­ های چوبی
• شمع‌های مرکب (فولادی-بتنی یا چوبی – بتنی)

3. اجرای شمع درجا ریز

• حفاری چاه در محل اجرای شمع
• روش ­های حفاری
  • روش خشک
  • روش استفاده از گل حفاری
  • روش غلاف­گذاری (لوله کیسینگ)
    • شرایط غلاف مورداستفاده
    • انواع غلاف گذاری
    • ظرفیت مجاز شمعهای بتنی با غلاف
    • ظرفیت مجاز شمعهای بتنی بدون غلاف
  • آماده‌سازی چاه حفاری‌شده
• ساخت و نصب قفسه آرماتور
  • نکاتی که حین ساخت و نصب شبکه آرماتور باید به آن توجه شود
• بتن‌ریزی
  • نکاتی که قبل و بعد از بتن‌ریزی باید رعایت شود
  • شرایط لازم لوله‌ترمی مورداستفاده
• تخریب سر شمع
  • رواداری هایی که در حین اجرای شمع های بتنی درجا ریز باید رعایت شود
  • آزمایش کنترل یکپارچگی و کیفیت شمع اجراشده
  • مزایای شمع‌های درجا ریز
  • معایب شمع‌های درجا ریز

4. شمع‌های کوبشی (از پیش‌ساخته)

• مراحل ساخت و نصب شمع پیش‌ساخته
• آماده‌سازی قالب بتن شمع
• ساخت شبکه آرماتور
• بتن‌ریزی
• عمل‌آوری و حفاظت از بتن8
• ملاحظات جابه‌جایی و انبار کردن شمع‌ها
• عملیات کوبش شمع در محل تعیین‌شده
  • ملاحظات حین کوبش شمع
  • رواداریهای مربوط به موقعیت و زاویه استقرار شمع
• وسایل مورداستفاده برای کوبش شمع‌ها
  • انواع چکش‌ها
  • بالشتک چکش
  • بالشتک شمع
    • نکاتی که مورد بالشتک شمع باید به آن توجه شود
  • هادی شمع
  • دنبال گر شمع
• طویل کردن شمع‌های پیش‌ساخته
• تخریب سر شمع
• مزایای شمع‌های کوبشی از پیش‌ساخته
• معایب شمع‌های کوبشی از پیش‌ساخته

5. طبقه­ بندی شمع ­ها بر اساس روش نصب

• شمع‌ها با جابه ­جایی بزرگ
• شمع‌ها با جابه­ جایی کوچک
• شمع­ های بدون جابه ­جایی
• شمع­ های کوبیدنی – ریختنی با جابه ­جایی بزرگ

6. معیارهای انتخاب نوع شمع در پروژه‌های ساختمان‌سازی

7. انواع شمع‌ها از نظر عملکرد و نحوه انتقال بار به خاک

• شمع‌های اتکایی
• شمع‌های اصطکاکی

8. طراحی شمع ­ها

• ظرفیت باربری شمع
• ظرفیت باربری نوک شمع
  • روش مایرهوف
  • محاسبه مقاومت اصطکاکی شمع
    • مقاومت اصطکاکی شمع در ماسه
    • مقاومت اصطکاکی شمع در خاک رسی

9. مدل کردن شمع در نرم‌افزار 2016

• محاسبه سختی خاک زیر شمع
• محاسبه سختی شمع
• معرفی شمع در نرم‌افزار SAFE
• اختصاص شمع مدل شده به نقاط مشخص‌شده در مراحل قبل

10. طراحی آرماتورهای طولی و عرضی (قفس) شمع

11. ظرفیت فشاری شمع

12. نتیجه‌گیری

خلاصه ای از کتاب طراحی و اجرای شمع (به همراه آموزش در سیف)

همانطور که می دانید اگر خاک منطقه نامطلوب باشد، خاک تحمل نیروهای وارده از سمت سازه را نخواهد داشت و یا نشست فونداسیون به قدری زیاد می شود که بهره برداری از سازه را مختل می کند. در این مواقع برای انتقال بار از فونداسیون به خاک مقاوم تر از عناصری به نام شمع ساختمان استفاده می کنیم اما سوال اینجاست که آیا نیروی آپلیفت باعث می شود ما از شمع در ساختمان استفاده کنیم؟ معیار انتخاب نوع شمع در پروژه ها چیست؟ در مراحل اجرای شمع، برای تخریب سر شمع چه نکاتی را باید رعایت کنیم؟

ما در این ایبوک جامع 80 صفحه ای ابتدا به تعریف و کاربرد شمع در ساختمان می پردازیم و سپس گام به گام طراحی و اجرای شمع در ساختمان و همینطور مدلسازی شمع در SAFE را بررسی خواهیم کرد.

تعریف و کاربرد شمع در ساختمان

زمین­ هایی­ که قابلیت تحمل بارهای وارده از طرف سازه را ندارند( مانند زمین ­های ماسه ­ای) و همچنین خاکبرداری سطحی در آن‌ها مقرون به­ صرفه نباشد، انتقال بار ساختمان به زمین توسط فونداسیون عمیق انجام می­ شود. رایج‌ترین نوع فونداسیون عمیق، شمع‌ ها (شکل زیر)‌ هستند که اصطلاحا به آن پی شمعی هم گفته می شود. یک شمع، سازه‌ای نسبتاً بلند، لاغر و ستون مانند است که با قرار گرفتن در داخل خاک (به‌صورت قائم و گاهاً مایل) به ­عنوان پی سازه ­ها، وظیفه انتقال بار طبقات فوقانی را به لایه‌های مناسب‌تر خاک در اعماق پایین‌تر دارد. شمع در واقع همان ستون است که در داخل خاک مستقرشده است. شمع بارهای وارده به سازه را در عمق خاک عبور داده و آن را به خاک مقاوم‌تر (در عمق بیشتر) منتقل می‌کند.

شمع در ساختمان

کاربرد و وظایف شمع ها در ساختمان

به‌طورکلی در شرایط زیر می­ توان از شمع استفاده نمود:

1. وقتی‌که لایه‌های سطحی خاک، قابلیت فشردگی زیادی داشته باشند ‌یا خیلی ضعیف باشند‌، به‌طوری‌که نتوان از شالوده سطحی برای توزیع بار ساختمان استفاده کرد‌، از شمع در ساختمان برای انتقال بار به لایه تحتانی محکم­ تر‌ یا سنگ‌بستر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
2. زمانی که سازه بسیار سنگین است، به‌ عنوان‌ مثال در ساختمان‌ های بلندمرتبه، پل‌ها و یا مخازن آب و …
3. تراز آب زیر زمینی در خاک زیرین، افت یا خیز زیادی داشته باشد.
4. اجرای پی گسترده بسیار هزینه‌ بر و یا در عمل غیرممکن باشد.
5. سازه روی ساحل دریا و یا بستر رودخانه مکان­ یابی شده باشد.
6. ممکن است آن‌ها برای تحمل نیروهای جانبی و یا فشارهای uplift طراحی‌شده باشند.
7. مقابله با نیروهای کششی در پی‌هایی که زیر سطح آب قرار دارند و یا واژگونی سازه‌های بلند.
8. کنترل تراوش و رانش زمین و افزایش پایداری شیب‌ها.
9. مقابله با نیروهای کششی در پی‌هایی که زیر سطح آب قرار دارند و یا واژگونی سازه‌های بلند.

انواع شمع‌ها از لحاظ جنس مصالح

اما همانطور که می دانید شمع در ساختمان انواع متفاوتی دارد که در این فلوچارت می توانید دسته بندی شمع ها را بر حسب جنسشان مشاهده کنید:

شمع‌های فولادی

این شمع‌ها دارای مقاطعی لوله‌شکل یا H شکل (شکل 3 و4) هستند. از مقاطع I شکل نیز می­توان استفاده کرد ولی مقاطع H شکل به دلیل یکسان بودن تقریبی طول بال و جان، ترجیح داده می­شوند. شمع‌های لوله‌ای در اکثر مواقع بعد از کوبیده شدن با بتن پر می‌شوند. این شمع­ ها در دو حالت ته باز و ته بسته مورد استفاده قرار می­گیرند. انتهای شمع ­های لوله ­ای ته بسته باید توسط یک صفحه صاف یا یک کفشک مخروطی و یا توسط روش­ های دیگرکه­ مورد تائید دستگاه نظارت باشد، بسته شود. این شمع‌ ها به دلیل رطوبت خاک، در برابر خوردگی ضعیف می­باشند (شکل5). برای جلوگیری از خوردگی، در روی شمع‌ها باید چه کرد؟

شمع فولادی لوله ای شکل

شمع فولادی H شکل

شمع‌ های بتنی

شمع‌های بتنی در عمل به دو صورت اجرا می شوند:

1. شمع بتنی کوبشی (پیش‌ساخته)
2. شمع بتنی درجا ریز

شمع های بتنی پیش ساخته (کوبشی)

همان‌طور که از اسم آن پیداست این‌گونه شمع­­ ها از قبل ساخته می­شوند و سپس به محل مورد استفاده انتقال داده می­ شوند. این شمع­ ها را در کارخانه تحت نظارت می­سازند. مقاطع این شمع ­ها معمولاً لوله ­ای، مربع و چندضلعی است. از آن­جایی­که این شمع­ ها در محل و به ‌صورت کوبشی در دل زمین قرار می­گیرند، برای آسیب ندیدن سر آن‌ها، یک کلاهک فلزی قرار می­دهند. توضیحات کامل و معرفی این‌گونه شمع ­ها در ادامه آورده شده است.

شمع پیش ساخته بتنی با مقطع لوله ای

شمع بتنی درجا ریز

همان‌طور که از اسم این­گونه شمع ­ها پیداست، باید در محل سایت (کارگاه) اجرا گردد. برای این کار در ابتدا چاهی به قطر مناسب و طول مناسب زده می­شود سپس شبکه آرماتور ساخته ‌شده در چاه حفاری ‌شده قرار داده می­شود و در نهایت عملیات بتن ‌ریزی آغاز می­شود. توضیحات کامل و معرفی این‌گونه شمع ­ها در ادامه آورده شده است.

شمع‌های چوبی

این شمع‌ها از تنه درختی با چوب سخت نظیر کاج و بلوط ساخته می‌شوند. دو سر آن‌ها را برای جلو‌گیری از خوردگی در موقع کوبیدن، با کلاهک فلزیِ مسلح می‌سازند. شمع‌های چوبی ازجمله مقطع دایره‌ای، را معمولاً بدون کندن پوست بکار می‌برند تا نیروی اصطکاک حاصله بین سطح جانبی شمع و زمین به حداکثر مقدار ممکن افزایش‌یافته و شمع قابلیت تحمل فشار زیادی داشته باشد. در قدیم شمع‌های چوبی ‌به‌ عنوان تکیه‌گاه برای سازه‌ هایی که روی خاک سست قرار داشتند مورد استفاده قرار می‌گرفت. امروزه نیز شمع‌های چوبی برای ساخت اسکله‌ها استفاده می‌شوند.

استفاده از شمع چوبی به‌عنوان تکیه گاه در خاک سست

شمع‌ های مرکب (فولادی – بتنی یا چوبی – بتنی)

این‌گونه شمع‌ ها از دو قسمت تشکیل‌شده‌اند: در قسمت پایینی از فولاد یا چوب استفاده می­شود و در قسمت بالایی از بتن بهره می­برد. این شمع‌ها در مواقعی که طول شمع لازم از برای تأمین ظرفیت باربری از ظرفیت شمع بتنی کمتر باشد، مورد استفاده قرار می­گیرند. وصل محل تلاقی آن‌ها به دلیل متفاوت بودن مصالح مشکل است؛ از این ‌رو کاربرد این گونه شمع ها زیاد نیست.

شمع مرکب فولادی – بتنی

اجرای شمع درجا ریز

برای اجرای شمع‌ های درجا ریز باید مراحل زیر طی شود:

• حفاری چاه در محل اجرای شمع
• ساخت شبکه (قفس) آرماتور
• بتن‌ ریزی

حفاری چاه در محل اجرای شمع

پس از تعیین محل شمع­ گذاری توسط نقشه‌ بردار، حفر چاه توسط کارگر یا توسط دستگاه حفاری (با توجه به قطر و طول شمع، جنس و نوع خاک) با طول و قطر مورد نیاز انجام می‌گردد. در صورت استفاده از دستگاه ‌های حفاری، دستگاه حفاری باید در محل مستقر شده و استقرار آن‌ها به نحوی تعیین می‌گردد که شرایط زیر را تأمین نماید:

1- تا پایان حفاریِ یک شمع در ساختمان، نیاز به جابجایی دستگاه نباشد؛ زیرا در صورت جابجایی دستگاه حفاری و استقرار مجدد باعث اختلال در تراز و شاقول بودن دستگاه حفاری می‌شود.

2- کمترین ضربه دینامیکی را حتی ‌الامکان به شمع‌های اجرا شده در مراحل قبلی وارد نماید.

3-حداقل موانع کاری را نسبت به تردد ماشین‌ آلات مرتبط با عملیات حفاری (جرثقیل، تراک میکسر، لودر و…) ایجاد نماید.

دستگاه حفر چاه شمع درجا ریز

که البته چند روش حفاری داریم مراحل اجرای روش غلاف­گذاری (لوله کیسینگ) را در شکل زیر مشاهده می کنید.

همه روش های حفاری را به طور کامل در متن ایبوک بررسی خواهیم کرد. اما آیا به این موضوع فکر کرده اید که چاه پس از حفاری چه مراحلی را جهت آماده سازی باید طی کند؟

اجرای شمع به روش غلاف­گذاری (لوله کیسینگ)

ساخت و نصب قفسه آرماتور

در این مرحله قفس­ های آرماتور شمع در ساختمان مطابق نقشه های اجرایی و دیتیل های موجود بافته شده و در کارگاه دپو می شود. به طور معمول طول هر یک از این قفس ها نزدیک 12 متر (برابر طول شاخه ی میلگرد) است. برای شمع هایی با طول بیشتر از 12 متر، لازم است مانند وصله ستون ها، قفس آرماتور شمع نیز وصله شود تا طول مورد نیاز را تامین کند. اما چگونه باید این شبکه آمارتور بندی بلند را اجرا کرد؟ آیا نیازی به اجرای لقمه ها در شبکه آرماتور بندی وجود دارد؟ برای جلو گیری از ایجاد اعواج در شبکه آرماتور ها چه باید کرد؟

شبکه آرماتور شمع قبل از بتن‌ریزی

بتن‌ریزی

پس از اینکه قفس میلگرد در طول مورد نیاز بافته شده و در داخل چاه قرار گرفت، نوبت به بتن ریزی شمع می رسد. به دلیل طول زیاد شمع ها، مجاز به بتن ریزی آن ها با پمپ های زمینی و هوایی نیستیم؛ لذا برای بتن ریزی شمع ها از لوله ی تِرِمی که قیف مانند است، استفاده می شود. روش کار به این شکل است که لوله های منعطفی (مشابه شلنگ آب) با طول های 2 تا 6 متر و قطر 10 الی 20 سانتی متر به یکدیگر متصل کرده و به داخل قفس شمع فرستاده می شود. به قسمت بیرونی این لوله، یک لوله با سریِ قیف شکل متصل می شود. با به هم بستن این لوله ها و بتن ریزی از طریق آن، مانع سقوط آزاد بتن به داخل شمع شده و احتمال جدایش بتن را به حداقل می رساند.

 برای جلوگیری از مخلوط شدن دوغاب یا گل حفاریِ موجود در انتهای چاه با بتن ریخته شده، توصیه اکید می شود که انتهای لوله ی ترمی حتماً انتهای چاه باشد

لوله‌ ترمی دستگاه پمپ بتن جهت بتن‌ ریزی درون چاه حفاری شمع

چه نکاتی قبل و بعد از بتن ریزی باید رعایت شود؟ شرایط لازم برای لوله ترمی چیست؟ پاسخ این سوالات را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

آزمایش کنترل یکپارچگی و کیفیت شمع اجراشده

جهت کنترل یکپارچگی و کیفیت شمع­ های بتنی در صورت اعلام دستگاه نظارت باید آزمایش‌هایی مانند ”آزمایش دینامیک کرنش پایین (PIT)”  انتشار  “امواج بین گمانه­ای (CSL)”  انجام گردد.

این آزمایش‌ها حداقل باید پس از گذشت 72 ساعت از اتمام بتن ­ریزی یا پس از رسیدن مقاومت فشاری نمونه­های استوانه­ای بتن به حداقل Mpa 17.5  انجام گیرد. لذا در این مدت باید شمع­ هایی که نیاز به آزمایش PIT دارند، مشخص شود.

تجهیزات تست کنترل یکپارچگی شمع با آزمایش PIT

شمع‌های از پیش ساخته ( کوبشی)

جهت مقابله با خمش تولید شده در هنگام حمل‌ و نقل، بلند کردن و اعمال نیروی جانبی به شمع و همچنین افزایش مقاومت فشاری، میتوان از شمع های کوبشی استفاده نمود .این شمع‌های پیش‌ ساخته در طول مورد نظر ساخته ‌شده و تحت شرایط مطلوب به عمل می‌آیند تا به مقاومت مورد نظر برسند. پس ‌از آن به محل کوبیدن، حمل می‌شوند و همچنین شمع های پیش ‌ساخته را می‌توان با استفاده از کابل ‌های پیش تنیدگی پر مقاومت، به‌صورت پیش‌تنیده درآورد.

شمع پیش‌ساخته پیش تنیده

مراحل ساخت و نصب شمع پیش‌ساخته

• آماده‌سازی بتن قالب
• آماد سازی شبکه آرماتور
• بتن ‌ریزی
• عمل‌آوری و نگه ‌داری از شمع
• ملاحظات جا به­ جایی و انبار کردن شمع­ ها
• عملیات کوبش شمع در محل از پیش تعیین ‌شده
• ملاحظات حین کوبش شمع
• روا داری ­های مربوط به موقعیت و زاویه استقرار شمع

مزایای شمع‌های کوبشی از پیش‌ساخته

طبق بند 3-2 نشریه 386، مزایای شمع‌های کوبشی پیش‌ساخته به‌صورت زیر می­ باشد:

• امکان رساندن شمع به شمارش ضربات مورد نظر طراح را فراهم می­کند
• امکان اجرا در زیر سطح آب و دور از ساحل
• سرعت‌ بالا در ساخت و اجرا
• تراکم خاک ­های دانه­ ای و بهبود پارامترهای مقاومتی آن‌ها در حین کوبش شمع
• امکان کنترل کیفیت دقیق مصالح
• امکان اجرا به­ صورت مایل برای مقابله با بارهای جانبی

معایب شمع‌های کوبشی از پیش‌ساخته

طبق بند 3-2 نشریه 386، معایب شمع‌های کوبشی پیش‌ساخته به‌صورت زیر می­ باشد:

• ایجاد سر و صدا ناشی از کوبش و ارتعاش در زمین و سازه‌های اطراف
• نیاز به وسایل حمل ‌و نقل جهت انتقال به محل اجرا
• غیر اقتصادی بودن در تعداد کم شمع
• عدم امکان اجرا در طول و قطر زیاد به دلیل نیاز به تجهیزات کوبش و ایجاد لنگر خمشی بزرگ در جسم آن‌ها، حین حمل‌ و نقل و کوبش
• بار مجاز محدود این شمع‌ ها به دلیل محدودیت در طول و قطر
• دست‌ خوردگی خاک به ‌ویژه در خاک‌ های حساس رسی

آلودگی صوتی دستگاه کوبش شمع

طبقه ­بندی شمع­ ها بر اساس روش نصب

1. شمع‌ ها با جابه­ جایی بزرگ
2. شمع‌ ها با جابه ­جایی کوچک
3. شمع ­های بدون جابه ­جایی
4. شمع­ های کوبیدنی – ریختنی با جابه­ جایی بزرگ

توضیحات بیشتر در خصوص هر کدام از این شمع ها را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

معیارهای انتخاب نوع شمع در پروژه‌ های ساختمان ‌سازی

برای تصمیم­ گیری در مورد انتخاب نوع شمع در هر پروژه باید موارد زیر بررسی گردد:

• مشخصات سازه اعم از وضعیت و نوع بارگذاری، کاربری، درجه اهمیت سازه، توجیه اقتصادی و زمان­ بندی پروژه
• تجهیزات و امکانات استقرار شمع در ساختمان و شرایط اجرایی پروژه
• شرایط بستر شامل نیمرخ خاک محل، خصوصیات لایه­ های تحت الرضی و همچنین وضعیت آب زیر زمینی و نوسانات آن­ میزان خورندگی محیط، عملکرد و دوام مصالح شمع

جدول 3-1 که توسط نشریه 386 ارائه‌شده است می ­تواند در انتخاب نوع شمع کمک کند:

انواع شمع‌ها از نظر عملکرد و نحوه انتقال بار به خاک

شمع‌های اتکایی (End-bearing Piles)

اگر بستر سنگی در عمقی منطقی وجود داشته باشد، در این صورت می­ توان شمع را تا آن لایه ادامه داد؛ به ­طوری­که نوک شمع به بستر سنگی تکیه کند. در این حالت، ظرفیت باربری شمع بستگی به ظرفیت باربری بستر سنگی دارد. ازاین‌رو به این‌گونه شمع­ ها­، شمع ­های اتکایی می­گویند. عمق بستر سنگی بر اساس اطلاعات حاصل از حفر گمانه تعیین می­ شود و طول شمع بر اساس ویژگی­ های بستر سنگی مشخص خواهد شد. اگر به­ جای لایه سنگی، یک‌لایه خاک بسیار متراکم داشته باشیم، می­ توان شمع را چند متر در آن لایه ادامه داد و به­ عنوان بستر سخت اتکایی در نظر گرفت.

در بند 7-2-3-5 مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1392، الزامات عمق گمانه به شرح زیر بیان شده است.

شمع‌های اصطکاکی (Friction Piles)

چنانچه عمق بستر سنگی یا لایه خاک متراکم زیاد باشد؛ به­ طوری­ که طول شمع انتخابی از لحاظ اقتصادی مقرون‌ به‌ صرفه نباشد، به‌ ناچار باید شمع را بدون اینکه به بستری تکیه کرده باشد، در عمق مناسبی که باید محاسبه شود، اجرا می­ کنند. در این حالت شمع به‌ وسیله نیروی اصطکاکی که بین خاک و جداره شمع وجود دارد و نیروی کمی که خاک به سر شمع وارد می­کند، نیروهای منتقل­ شده از سازه را تحمل می­کند. طول لازم برای این­گونه شمع ­ها بسته به مقاومت برشی خاک، بار وارده و قطر شمع دارد.

شمع های اصطکاکی و اتکایی

طراحی شمع ­ها

همان‌طور که در تعریف شمع­ های اصطکاکی و اتکایی گفته شد، شمع ­ها برحسب نحوه انتقال بار تقسیم­ بندی می­شوند؛ بنابراین در طراحی آن‌ها از این اصل استفاده می­شود یعنی نیروی اصطکاکی و اتکایی وارد بر شمع عامل تعیین‌کننده طول شمع خواهند بود.

ظرفیت باربری شمع

Q_u = Q_p  +  Q_s  

Q_{p =} باری که توسط نوک شمع (Peak) تحمل می­شود

Q_{s =} باری که توسط اصطکاک جداره شمع (Surface) تحمل می­شود

اگر شمع ساختمان اتکایی باشد آنگاه Q_p ≅ Q_u اگر شمع اصطکاکی باشد آنگاه Q_s ≅ Q_u

شمع اتکایی

شمع اصطکاکی

ظرفیت باربری نوک شمع

برای تعیین ظرفیت باربری نوک شمع از این رابطه استفاده می ­شود:

(*Q_p = A_P q_p = A_p (cN_c^* + q′ Nq

A_P= سطح مقطع نوک شمع

c = چسبندگی خاکی که نوک شمع بر آن متکی است

q_p = ظرفیت باربری نهایی واحد سطح نوک

′q = تنش مؤثر قائم در تراز نوک شمع

^*N_c و ^*N_q= ضرایب ظرفیت باربری

برای تعیین ضرایب ظرفیت باربری  ^*N_c و ^*N_q روش­ های مختلفی ارائه‌ شده است که ما در این ایبوک به روش مایرهوف می­پردازیم.

طراحی شمع در SAFE

از جمله مواردی­ که در طراحی ساختمان­ های متعارف منجر به استفاده ­از شمع در ساختمان در زیر فونداسیون سازه می­شود، می­توان به نکات زیر اشاره کرد:

1. تجاوز تنش های وارده از مقدار تنش مجاز خاک به دلیل ضعف ذاتی خاک زیر سازه یا وجود قنات و ….
2. بروز نشست های زیاد در فونداسیون سازه که می تواند بهره برداری از سازه را مختل کند( به دلیل مسائلی مانند افزایش سطح آبهای زیر زمینی و …)
3. بروز آپلیفت در فونداسیون و جدا شدن پی از خاک زیر سازه که می تواند در اثر نیروی جانبی زیاد یا چینش نامناسب مهاربند یا دیوار برشی در پلان سازه باشد.

در این­ بخش ایبوک با نحوه­ ی مدلسازی و طراحی شمع­ های بتنی درجا در SAFE آشنا خواهیم شد.

مثال:

فرض کنید فونداسیون گسترده سازه­ای در طراحی اولیه دارای ضخامت 120 سانتی­متر به دست آمده ­است. کنترل تنش خاک زیر فونداسیون نشان می­دهد که به علت ضخامت غیرمتعارفی که دارد، مقدار تنش وارده از تنش مجاز خاک زیر سازه تجاوز کرده است. مهندس طراح به دلیل ضعیف ­بودن خاک زیر ساختمان، پیشنهاد کاهش ضخامت فونداسیون از 120 سانتی­ متر به 70­ سانتی­متر را همراه با اجرای شمع در نقاطی که تنش وارده به خاک از مقدار مجاز آن فراتر رفته ­است، می­دهد.

 طبق نتایج آزمایشگاه ژئوتکنیک، تنش مجاز خاک زیر فونداسیون و مدول بستر خاک بر اساس نتایج آزمایشگاه به ترتیب 1.2 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع و 3.2 کیلوگرم بر سانتی‌متر است.

برای مدل کردن شمع­ ها در نرم‌افزار سیف به ترتیب زیر عمل می­کنیم:

ابتدا فونداسیون با ضخامت 70 سانتی‌متر بدون شمع را تحت آنالیز و طراحی قرار می­دهیم. نتایج به شکل زیر است. همان‌طور که از شکل زیر پیداست در بعضی از مناطق فونداسیون تنش از مقدار مجاز یعنی 1.2 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع بیشتر است.

تنش زیر پی از تنش مجاز خاک بیشتر است

تنش زیر پی از تنش مجاز خاک بیشتر است.

بنابراین برای تقویت فونداسیون در SAFE باید در محل ­هایی که تنش زیر فونداسیون بیش‌ از حد مجاز یعنی 1.2 کیلوگرم بر سانتی ­متر مربع است، شمع تعبیه کنیم. همان‌ طور که ازکانتور رنگی تنش­ ها سمت راست شکل پیداست، رنگ ­های زرد و نارنجی و قرمز محل ­هایی هستند که تنش زیر فونداسیون در آن‌ ها از تنش مجاز خاک بیشتر است، بنابراین شمع­ ها باید در این نواحی تعبیه شوند.

 برای شمع گذاری فونداسیون ابتدا از شمع های درجا ریز با مقطع دایره استفاده می کنیم اما حداقل فاصله شمع ها از یکدیگر به چه میزان است؟

در این مثال فاصله­ ی مرکز تا مرکز شمع ­ها را برابر 2 متر در نظر می­گیریم. در مورد طول شمع در ساختمان باید گفت که طول اولیه شمع را می­توان به کمک نتایج آزمایشگاهی مبنی بر لایه ­بندی خاک تخمین زد. با اطلاعاتی که در دست داریم محل شمع­ ها را SAFE مشخص می­کنیم برای این کار از مسیر Draw>Draw Point وارد می ­شویم.

پس از باز شدن پنجره‌ی Draw Point، مختصات نقاطی که قرار است شمع در آنجا اجرا شود، وارد می­کنیم (محل تقریبی این نقاط از مرحله قبل یعنی مناطقی که تنش‌های زیر پی بیشتر از تنش مجاز است انتخاب‌شده‌اند). برای تعداد شمع­های اجراشده هیچ محدودیتی وجود ندارد به شرطی که تعداد شمع­ ها به‌گونه‌ای باشد که فاصله آن‌ها از قطر آن‌ها کمتر نشود که البته رخ دادن چنین اتفاقی تقریباً غیرممکن و بیانگر ضعف دید مهندسی طراح سازه است.

در این مثال، تعداد شمع‌ها برای سعی اولیه، 19 عدد در نظر گرفته‌شده است. با حرکت دادن موس روی نقاطی که قصد ترسیم شمع برای آن­ها را داریم، مختصات نقطه­ی موردنظر را برداشت و یادداشت کرده و بعد از واردکردن مختصات نقطه موردنظر در پنجره فوق (جهت x و y)، نشانگر موس را روی مبدأ مختصات برده و کلیک می­کنیم تا نقطه ایجاد شود.

ترسیم نقطه در فونداسیون

وارد شدن نقاط محل اجرای شمع

قبل از تعریف شمع در نرم­افزار باید به این نکته اشاره کرد که شمع­ها در نرم‌افزار SAFE با توجه به‌سختی شمع و سختی خاک، به‌صورت فنرهایی سری مدل می­شوند. فنر معادل می­تواند دورانی یا کششی و فشاری مدل شود، با توجه به رفتار صرفاً فشاری خاک و شمع، در اینجا باید به‌صورت فشاری معادل کنیم. حال که از مشخص شدن محل شمع­ها نوبت به تعریف شمع در نرم‌افزار SAFE می­رسد. برای این کار باید سختی خاک زیر شمع و سختی خود شمع را به دست آوریم.

مابقی مراحل از جمله محاسبه سختی شمع در SAFE را به صورت مصور در متن اصلی قابل دانلود ایبوک مطالعه کنید.

 طراحی آرماتورهای طولی و عرضی (قفس) شمع

پس از این­که با سعی و خطا؛ تعداد، ابعاد، طول و محل شمع­های زیر فونداسیون مشخص شد، نوبت به طراحی آرماتورهای قفس شمع می­رسد.

طبق بند 9-15-4 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399 داریم:

برای شمع‌های پیش‌ساخته طبق بندهای زیر از مبحث نهم مقررات ملی، قطر اسمی به‌صورت زیر می‌باشد:

بنابراین از آنجا که قطر شمع ما 50 سانتی ‌متر است طبق بند 9-20-5-6 و 9-14-9 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان داریم:

0.01A_pile < A_st < 0.08 A_pile

بنابراین ازآنجاکه قطر شمع ما 50 سانتی‌متر است مساحت مقطع شمع برابر است با:

A_pile = Π × 25² = 1964 cm²

در نتیجه:

19.64 cm² <  A_st < 157.12 cm²

در اینجا فرض بر این است که میلگرد­های عرضی قفس از نوع دورپیچ باشد، بنابراین:

فاصله بین میلگردهای طولی در شمع‌ها از بند 9-21-2-3 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان پیروی می­کند.

برای یادگیری مابقی مراحل و محاسبه ظرفیت فشاری شمع و مقایسه ­ی آن با ظرفیت فشاریِ مورد نیاز در نرم­ افزار؛ به متن اصلی ایبوک مراجعه کنید.

نتیجه گیری

همان‌طور که مشاهده شد، در زمین‌هایی که قابلیت تحمل بارهای وارده از طرف سازه را ندارند، از پی‌های عمیق استفاده می‌شود که رایج‌ترین نوع این پی‌ها شمع‌ها هستند. شمع‌ها سازه‌هایی نسبتاً بلند و لاغر هستند که درون خاک، قرارگرفته و بارهای طبقات فوقانی را به لایه‌های مناسب‌تر خاک، در اعماق پایین‌تر زمین منتقل می‌کنند.

شمع‌ها بر اساس نوع مصالح به شمع‌های فولادی، بتنی، چوبی و مرکب دسته‌بندی می‌شوند. شمع‌ها ازلحاظ اجرا به‌صورت درجا ریز و پیش‌ساخته (کوبشی) می‌باشند، از مزایای شمع‌های پیش‌ساخته نسبت به درجا ریز می‌توان به‌سرعت بالا در ساخت و اجرای آن و امکان کنترل کیفیت دقیق مصالح آن اشاره کرد.

جهت طراحی شمع‌ها ابتدا طبق نتایج آزمایشگاه ژئوتکنیک، تنش مجاز خاک زیر فونداسیون را یافته و سپس به طراحی فونداسیون با استفاده از نرم‌افزار SAFE پرداخته و نقاطی که تنش بیشتر از حد مجاز دارند را مشخص کرده و پس‌ازآن، به تعبیه و طراحی شمع برای آن نقاط می‌پردازیم.

منابع

1. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1399)
2. مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1392)
3. مشخصات فنی عمومی اجرای شمع کوبشی و درجاریز (نشریه 386 – ویرایش 1394)
4. کتاب طراحی اصول مهندسی ژئوتکنیک مهندس طاحونی
5. جزوه گودبرداری و سیستم­ های پایدارکننده دکتر مسعود علیلو استاد دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تبریز
6. کتاب پی­ سازی سری عمران (ویرایش 1395)

مطالب بیشتر

سایر خدمات