تنش خاک زیر پی؛ بررسی ترکیب بار کنترل تنش مجاز خاک در safe

در کنار کنترل های مهم طراحی فونداسیون، ازجمله کنترل برش دو طرفه  باید به این نکته توجه نمود که هر سازه ای که ساخته می شود، بلا استثنا یا روی زمین قرار دارد؛ یا به وسیله پی یا شمع با زمین در ارتباط است پس باید حتما تنش خاک زیر پی را کنترل کنیم!! اما برای کنترل تنش خاک زیر پی از چه ترکیب باری استفاده می کنیم؟ راه حلی برای کاهش تعداد ترکیبات بار کنترل تنش وجود ندارد؟

در این مقاله جامع به بررسی ترکیب بار تنش خاک زیر پی می پردازیم و سپس به کنترل تنش مجاز خاک در safe به صورت مرحله به مرحله می پردازیم.

در این مقاله چه می آموزیم؟

• 1. ترکیب بار کنترل تنش خاک زیر پی
  • 1.1 ساخت ترکیبات بار لازم بر اساس ترکیبات بار مادر
• 2. کنترل تنش مجاز خاک در SAFE
  • 1.2 ساختن ترکیب بار کنترل تنش مجاز خاک زیر پی در SAFE
  • 2.2 ایجاد یک ترکیب بار پوش (Envelope) و آنالیز پی
  • 3.2 مشاهده و کنترل نتایج
•  3. نتیجه گیری

1. ترکیب بار کنترل تنش خاک زیر پی

همان طور که مشخص است، آخرین مرحله ی انتقال بار، خاک زیر فونداسیون سازه است؛ در واقع بارهای وارده به سازه پس از پیمودن مسیر بار در سازه، در نهایت به زمین منتقل شده و در آن جا مستهلک می گردد. در صورتی که تنش خاک زیر پی تحت ترکیب بارهای طراحی بیش از مقدار مجاز گردد، عملکرد سازه مختل خواهد شد.لذا تامین این مقاومت برای اطمینان از عملکرد مناسب سازه ای امری حیاتی می باشد.

همان‌طور که دربندهای 7-1-4-1 و بند 7-4-5-1-1 ذکر شده است، برای کنترل تنش مجاز خاک زیر پی لازم است از ترکیبات بار روش تنش مجاز که در مبحث ششم و دربند 6-2-3-3 آمده است (ترکیبات بار مادر)، استفاده کنیم. این ترکیبات بار مادر به شرح زیر می‌باشند:

در اینجا قبل از هر چیز و برای یادآوری بیشتر، مفهوم هریک از علائم اختصاری به کاربرده شده دربند 6-2-3-3، به چند صفحه قبل در آیین‌نامه و به بند 6-2-2 بازمی‌گردیم و معنا و مفهوم هر یک از آن‌ها را که به صورت زیر است به شما نشان می‌دهیم:

در قسمت دوم بند 6-2-3-3 و پس از بیان فرمول‌های ترکیب بار در طراحی به روش تنش مجاز، چند نکته مهم در راستای به‌کارگیری این فرمول‌ها ذکر شده است که این نکات به شرح زیر می‌باشند:

الف) در طراحی سازه‌های پیش‌تنیده، اثر پیش تنیدگی باید با ضریب بار واحد و یا ضریب بار مرده در ترکیب بارها وارد شود و هرکدام که اثر نامساعدتری دارند در طراحی لحاظ شوند.

ب) در ترکیب بارهای ارائه شده در این مبحث، افزایش تنش مجاز نباید انجام شود.

پ) در مواردی که بار سیال، F برسازه وارد می‌شود، اثر این بار باید با ضریب باری همانند ضریب بار مرده، D، در ترکیب بارهای 1 تا 8 و 10 منظور شوند.

ت) در صورت وجود فشار جانبی خاک و فشار آب زیرزمینی یا مواد انباشته، H، اثر آنها را باید به صورت زیر منظور نمود:

ت-1) اگر اثر این بار در جهت افزودن به اثرات دیگربارها باشد، اثر بار H باید با ضریب 1.0 در ترکیب بارها منظور شود.

ت-2) اگر اثر این بار در جهت کاهش اثرات دیگربارها باشد، در صورت وجود دائمی بار H، اثر آن باید با ضریب 0.6 در ترکیب بارها منظور شود و در بقیه موارد باید از اثر بار H صرف‌نظر گردد.

ث) اگر طبق فصل 6-6 این مبحث درنظرگرفتن بار سیل برای سازه لازم باشد، علاوه بر ترکیب‌های ارائه شده فوق، باید ترکیب بارهای اضافی 5 و 6 و 9 را با اضافه‌کردن 1.5F_a به عبارت آن‌ها در نظر گرفت.

ج) درصورتی‌که برطبق فصل 6-9 این مبحث درنظرگرفتن بار یخ جوی و بار باد وارده بر یخ بر روی سازه الزامی باشد، ترکیب بارهای زیر در طراحی سازه باید منظور شوند:

ج-1) عبارت 0.7D_i باید به ترکیب بار شماره 2 اضافه شود.

ج-2) عبارت (L_r یا S یا R) در ترکیب بار شماره 3 باید با عبارت 0.7D_i+1.1W_i+S جایگزین شود.

ج-3) عبارت W در ترکیب بار شماره 9 باید با عبارت 0.7D_i+1.1W_i جایگزین شود.

چ) در مواردی که اثر بارهای خود کرنشی وجود داشته باشد، علاوه بر ترکیب بارهای ارائه شده، دو ترکیب بار زیر نیز باید در نظر گرفته شوند:

1)D+T

2)D+0.75[L+(L_{r or} S)+T]

ح) در مواردی که برطبق ضوابط بند 6-11-14 این مبحث، کنترل سازه برای زلزله سطح بهره‌برداری الزامی باشد، تلاش‌های ایجاد شده در اعضا و اجزا ساختمان باید برای ترکیب بار زیر نیز بررسی شود. در این حالت تنش یا مقاومت مجاز اعضا می‌تواند برطبق ضوابط بند فوق‌الذکر و استاندارد ۲۸۰۰ ایران افزایش یابد.

D+0.5L+0.5(L_{r or} S)+E_ser

  حال که تمامی نکات بند 6-2-3-3 مبحث ششم آیین‌نامه مقررات ملی ساختمان را بیان کرده و مورد‌ بررسی قرار دادیم می‌خواهیم چند نکته مهم دیگر در مورد ساخت ترکیبات بار کنترل تنش خاک زیر فونداسیون خارج از این مبحث بیان کنیم:

• درصورتی‌که طراحی سازه با اعمال اصل100-30  در ترکیبات بار لرزه‌ای صورت‌گرفته باشد، در ترکیبات بار کنترل تنش خاک زیر پی نیز می‌بایست این قاعده اعمال گردد.
• چنانچه سازه درجه نامعینی کافی را دارا نباشد، می‌بایست ضریب نامعینی سازه ρ=1.2 در ترکیبات بارگذاری طراحی سازه اعمال نمود. همین موضوع در مورد ساخت ترکیبات بارگذاری کنترل تنش خاک نیز حاکم است.
• اگر نیروی زلزله قائم در ترکیبات بار طراحی سازه اعمال شده باشد، لازم است در ترکیبات بار کنترل تنش خاک زیر پی نیز اعمال گردد. دقت شود که بر اساس بند 3-3-9-2 استاندارد 2800، این زلزله می‌بایست صرفاً در حالت رو به پایین (با علامت مثبت) در ترکیبات بار استفاده شود.
• در چه مواقعی بایستی نیروی زلزله ی قائم (E_v) در ترکیبات بار طراحی اعمال شود؟
• برای پاسخ‌دادن به این سؤال باید به یک‌بند قبل از بند 3-3-9-2 که بالاتر به آن اشاره شد؛ یعنی به بند 3-3-9-1 از استاندارد 2800 مراجعه کنیم، این بند به شرح زیر است:

1.1 ساخت ترکیبات بار لازم بر اساس ترکیبات بار مادر

اکنون می‌توانیم با استفاده از ترکیبات بار مادر بیان شده، به ساخت ترکیبات بار لازم برای کنترل تنش خاک زیر فونداسیون بپردازیم. این ترکیبات بار را بر اساس خطر نسبی پهنه می‌توان به دو دسته‌ی زیر تقسیم نمود:

الف) ترکیب بار کنترل تنش خاک زیر پی برای شهرهای با A < 0.35

ب) ترکیب بار کنترل تنش خاک زیر پی برای شهرهای با A=0.35

همان طور که دیده می شود، دو حالت الف و ب تنها در ترکیبات شماره 6 و 7 (SOIL6  و SOIL7 ) با هم اختلاف دارند. شاید این سوال را بپرسید که علت این تفاوت چیست؟ و این اعداد از کجا و به چه دلیلی آمده اند؟

همان طور که گفته شد، در مواردی که سازه در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد (A = 0.35) واقع شده باشد، لازم است نیروی زلزله ی قائم (E_v) به کل سازه اعمال شود. استاندارد 2800 مقدار این نیرو را برابر با E_v=0.6 A I W_pعنوان می کند. این استاندارد ضریب W_p را را برابر با کل بار مرده ی ساختمان معرفی می کند.

اگر این فرمول را برای یک ساختمان مسکونی در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد (A=0.35 و I=1) محاسبه کنیم به صورت زیر خواهد بود:

E_v=0.6 A I W_p = 0.6 x 0.35 x 1 x D = 0.21D

پس مقدار نیروی زلزله ی قائم برای ساختمان مذکور 0.21 برابر بار مرده ساختمان 0.21D خواهد شد. در نهایت با اعمال ضرایب موجود در ترکیبات بار مادر می توان علت تفاوت ترکیبات بار شماره 6 و 7 را دو حالت الف و ب را به خوبی درک کرد.

Soil6 : 0.7 (AIW_p)=0.7 (AID) = 0.7 (.021D) = 0.147 D

Soil7: 0.525 (AIW_p)=0.525 (AID) = 0.525 (.021D) = 0.11025 D

به‌عنوان یک نکته در نظر داشته باشید که در سوله‌ها و سازه‌های سبک که در آن‌ها بار باد حاکم است؛ باید به‌جای ترکیب بار‌های لرزه‌ای از ترکیب بارهای باد استفاده شود.

 یک نکته مهم:

در نظر داشته باشید که در استفاده از (LRED0.5) یعنی بار زنده قابل کاهش با ضریب 0.5 در ترکیب بارها، بین مبحث نهم ویرایش سال 99 و مبحث ششم ویرایش سال 98 تناقض داریم. زیرا آیین‌نامه مبحث ششم بیان می‌کند که استفاده از این کاهش بار مجاز نیست ولی مبحث نهم استفاده از این بار را مجاز دانسته است. ازآنجاکه متن مبحث نهم با آیین‌نامه بارگذاری آمریکا (ASCE-7-16) منطبق است. توصیه می‌شود در سازه‌های بتنی برای اقتصادی‌تر شدن طرح این ضریب اعمال شود. اما با توجه به سکوت مبحث دهم در این موضوع برای سازه‌های فولادی معیار همان مبحث ششم است.

2. کنترل تنش مجاز خاک در SAFE

خاک‌ها بر اساس مشخصات خود مقدار مشخصی تنش را تحمل می‌کنند. این مقدار مجاز توسط آزمایشگاه ژئوتکنیک محاسبه و به‌صورت کتبی گزارش می‌شود. طراح برای کنترل تنش لازم است پی را در بحرانی‌ترین حالت بارگذاری، آنالیز کرده و تنش ناشی از آن را با مقدار تنش مجازی که آزمایشگاه در اختیار او قرار داده است، مقایسه کند. بدیهی است نتایج زمانی قابل‌قبول هستند که تنش ناشی از بارگذاری کمتر از تنش مجاز خاک زیر پی باشد. برای کنترل تنش مجاز در نرم‌افزار SAFE ما این کار را طی سه مرحله انجام می‌دهیم که این مراحل به شرح زیر می‌باشند.

1.2 ساختن ترکیب بار کنترل تنش مجاز خاک زیر پی در SAFE

برای شروع کنترل تنش خاک، پس از اتمام طراحی سازه در نرم‌افزار ETABS، مدل را به نرم‌افزار SAFE منتقل می‌کنیم؛ پس از Import کردن سازه در نرم‌افزار SAFE لازم است تا ترکیبات کنترل تنش خاک ساخته شوند. برای این کار ابتدا به سربرگ Define رفته و سپس بر روی قسمت Load Combinations کلیک می‌کنیم:

بعد از کلیک بر روی قسمت  Load Combinations در پنجره باز شده بر روی گزینه Add New Combo کلیک کرده و شروع به ساخت ترکیبات بار کنترل تنش می‌کنیم:

در تصویر بالا باری به نام S-DEAD تعریف شده است که این بار، بار مرده کف‌سازی و تیغه‌بندی می‌باشد. در مبحث ششم ویرایش سال 98 بار تیغه‌بندی جزو بارهای مرده تعریف می‌شود به همین دلیل در اعمال آن داخل نرم‌افزار از S-DEAD استفاده شده است. در ادامه بقیه ترکیبات بار کنترل تنش را مانند ترکیب بار نشان‌داده‌شده در تصویر بالا، تعریف می‌کنیم.

2.2 ایجاد یک ترکیب بار پوش (Envelope) و آنالیز پی

پس از اتمام ساخت این ترکیبات بار لازم است پی را آنالیز کرده و تنش خاک را تحت اثر هر یک از ترکیبات کنترل کنیم.

ممکن است کنترل تنش خاک برای تک‌تک ترکیبات کمی وقت‌گیر بوده و احتمال بروز خطا را افزایش می‌دهد. به همین جهت توصیه می‌شود قبل از آنالیز پی، یک ترکیب بار پوش (Envelope) ساخته و همه ترکیبات بار ساخته شده در مرحله قبل را در داخل این ترکیب بار پوش قرار دهیم. حسن این روش آن است که خود نرم‌افزار از میان ترکیبات بار قرار گرفته در داخل ترکیب بار پوش، بحرانی‌ترین حالت آن را انتخاب و معرفی می‌کند. در نتیجه نیازی به کنترل تنش برای تک‌تک ترکیبات بار نمی‌باشد.

مسیر ساخت ترکیب بار پوش در نرم‌افزار مشابه مرحله قبل می‌باشد و صرفاً در پنجره بازشده‌ی زیر، عبارت مقابل Combination Type را به Envelope تغییر خواهیم داد. همین‌طور دقت شود که ضریب ترکیب بارهای Soil برابر واحد باشد.

3.2 مشاهده و کنترل نتایج

پس از اتمام آنالیز پی، برای مشاهده تنش ایجاد شده در خاک زیر پی اقدام می‌کنیم. برای این کار لازم است تا به سربرگ Display رفته و بر روی گزینه Show Reactions Forces کلیک کنیم.

سپس در پنجره باز شده گزینه‌ها را به‌مانند تصویر زیر تنظیم می‌کنیم. یادآوری می‌شود که مقدار تنش مجاز توسط گزارش ژئوتکنیک به مهندس طراح ابلاغ می‌گردد و فرض ما بر این است که حداکثر تنش مجاز خاک در اینجا برابر با  1.5kg/cm² می‌باشد.

پس از زدن دکمه Apply ، دیاگرام تنش خاک به‌صورت زیر ظاهر می‌گردد. همان طور که از کانتورهای رنگی تنش در شکل زیر نیز مشخص است، مقدار تنش خاک در اکثر قسمت‌های پی از حداکثر مجاز آن کمتر بوده و در محدوده قابل‌قبول قرار است.

صرفاً در قسمت‌هایی از طول پی به‌صورت موضعی یا در گوشه‌های پی مقدار تنش کمی بیشتر از1.5kg/cm² شده است که باتوجه‌به ابعاد کوچک آن‌ها، قابل صرف‌نظر است. در نهایت می‌توان گفت خاک زیر فونداسیون برای تنش‌های وارده از سوی سازه جوابگو است.

یک ترفند ساده

در مواردی که کانتورهای تنش تنوع رنگی بیشتری دارد (محدوده تغییرات تنش در سطح پی گسترده است) و تعیین مقدار تنش به‌صورت کلی توسط چشم دشوار است، می‌توان با حرکت‌دادن نشانگر موس روی پی، مقدار تنش را که در کنار نشانگر موس و همچنین در نوار پایین پنجره‌ی نمایش داده می‌شود، مشاهده کرد.

نتیجه گیری

• تمام سازه‌هایی که ساخته می‌شوند، از زمین به‌عنوان تکیه‌گاه استفاده می‌کنند. یکی از ویژگی‌های مهم یک تکیه‌گاه، قابل‌اطمینان بودن آن است.
• خاک زیر تکیه‌گاه باید در مقابل تنش‌های وارده از سازه تحت بارگذاری‌های مختلف، استقامت خود را حفظ کرده و دچار گسیختگی نشود. کنترل این امر توسط مهندس طراح برای اطمینان از عملکرد مناسب سازه ضروری است.
• انتخاب ترکیبات بار مادر برای کنترل تنش خاک زیر پی و بسط آن‌ها مهم‌ترین قسمت کار است که در این یادداشت به آن‌ها پرداخته شد.
• هرچند ساخت ترکیبات بار برای کنترل تنش در نرم‌افزار کمی وقت‌گیر است ولی روند کنترل آن توسط نرم‌افزار بسیار ساده است.

منابع

1. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398
2. آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله استاندارد 2800 ویرایش چهارم
3. مبحث هفتم مقررات ملی ویرایش 1392
4. جزوه تدریس ETABS دکتر حسین‌زاده اصل
5. FEMA P-751: Chapter 5: Foundation Analysis and Design
6. Soil pressure- Added by Mike Abell, last edited by Mike Abell on Aug 22, 2012 – by wikiCsi

مطالب بیشتر

سایر خدمات

.