rasool.civil
مدیر بازنشسته
مبانی طراحی پی های سطحی (1)
نویسندگان: دکتر ابوالفضل اسلامی (1)
مهندس نادر شعبانی(2)
مهندس مهدی غلامی آهنگران (3)
مبانی ساده شده ی طراحی پی های سطحی با ملاحظه ی معیارهای ژئوتکنیکی، سازه ای و اجرایی
چکیده
مراحل احداث پروژه های ساختمانی در میان ساخت و سازهای وسیع و متنوع از گستره و اهمیت قابل توجهی در صنعت عمران برخوردار است. فونداسیون به عنوان بخش مهمی از ساختمان، در راستای انتقال بار از روسازه به شالوده از سیستم های مختلفی تشکیل شده است که از متداول ترین آن ها پی های منفرد (تک) می باشد. جهت تسهیل در طراحی و تسریع در تصمیم گیری با تکیه بر معیارهای ژئوتکنیکی، سازه ای و اجرایی متدی ساده شده جهت استفاده ی عموم مهندسان عمران تدوین شده است. بر مبنای اثر گسترش تنش حاصل از بارگذاری پی ها در زمین و با در نظر گرفتن عمق مربوط به نسبت تغییرات افزایش فشار خالص پی به قرار 5 درصد تنش مؤثر ژئواستاتیکی به عنوان مبنای اکتشافات زیر سطحی، نمودارها و یا جداول ساده کننده ای در تعیین عمق و گستره ی مطالعات ژئوتکنیکی ارائه شده است. با مبنا قرار دادن مقادیر توان بارداری و نشست محاسباتی مربوط به یک فونداسیون مرجع، می توان با تغییر ابعاد پی، توان باربری و نشست دیگر پی ها را محاسبه کرد که منجر به کاهش قابل ملاحظه ی حجم محاسبات و تصمیم گیری سریع تر در خصوص طراحی و انتخاب پی های منفرد متنوع می شود. با توجه به اهمیت طراحی سازه ای برای پی های سطحی، روش های گام به گام دستی متداول محاسباتی، طولانی و وقت گیر می باشد. با مشخص بودن میزان بار وارده، ظرفیت باربری مجاز، نوع بتن و آرماتور مصرفی می توان عمق مؤثر پی و میزان آرماتور مورد نیاز را با استفاده از نمودارها و یا جداول به سهولت تعیین نمود. برای مقایسه ی سیستم پی انتخابی و تصمیم گیری، جدول شاخص های هزینه ی اجرایی سیستم های مختلف فونداسیون ارائه شده است. در مجموع با ملاحظه ی جنبه های ساده شده ی پیشنهادی اعم از ژئوتکنیکی، سازه ای، اجرایی و اقتصادی، مهندس عمران قادر به طراحی و انتخاب سیستم فونداسیون بهینه خواهد بود.
کلید واژه ها: فونداسیون منفرد، مطالعات ژئوتکنیک، توان باربری، نشست، طراحی سازه ای، شاخص های هزینه ای اجرای پی ها.
مقدمه
پروژه های عمرانی بر خاک، با خاک و یا در خاک ساخته می شوند. انتقال بار از روسازه به زمین توسط عنصری واسطه به نام پی یا فونداسیون انجام می گیرد. پی های سطحی از متداول ترین فونداسیون ها، به خصوص برای پروژه های ساختمانی و دیوارها بوده و اغلب عمق استقرار آن ها کم تر از عرض شان می باشد. از میان پی های سطحی متداول اعم از منفرد، نواری، شبکه ای و گسترده، پی های منفرد که بار یک ستون را متحمل می شوند، از ساده ترین، معمول ترین و عمدتاً کم هزینه ترین نوع پی ها می باشند. بر اساس قواعد زمین شناسی، مکانیک خاک و سنگ و نیز مهندسی سازه و با به کارگیری قضاوت مهندسی، مراحل تحلیل طراحی و اجرای پی ها دنبال می شود. ملاحظات عمده ی زیر در طراحی پی ها به کار گرفته می شود:
1- مطالعات ژئوتکنیک
2- تعیین توان باربری
3- کنترل نشست
4- طراحی سازه ای
6- ملاحظات اجرایی و اقتصادی
در مطالعات ژئوتکنیک بسته به اهمیت پروژه، خصوصیات خاک و سنگ بستر اعم از ویژگی های فیزیکی، مکانیکی، پارامترهای مقاومت، سختی و ویژگی های اندرکنشی آب و خاک جمع آوری می شود تا بتوان پروفیل مناسبی از زمین بستر در اختیار داشته تا بتوان راجع به ظرفیت باربری ایمن و مجاز خاک زیر پی، پتانسیل ناپایداری، منابع قرضه و در نهایت چگونگی ساخت و ساز در آن اظهار نظر نمود. توان باربری ایمن متضمن عدم وقوع گسیختگی از نوع برشی و یا موضعی بوده، در حالی که توان باربری مجاز مربوط به رواداری های قابل تحمل توسط روسازه از قبیل نشست های یکنواخت و نایکنواخت، چرخش ها، کجی ها و جابه جایی ها می باشد. در طراحی سازه ای، مصالح و ابعاد لازم در پی به گونه ای انتخاب می گردد که مقاطع مختلف فونداسیون در مقابل نیروهای داخلی اعم از کشش، فشار و برش داخلی مقاومت کافی داشته و در مقابل عوامل مهاجم اعم از فرسایش و خوردگی مقاوم باشد. ناپایداری ها شامل لغزش، چرخش و واژگونی عموماً مربوط به پی تحت بارهای افقی، مایل و برکنش بوده که مباحث طراحی خارجی و یا کنترل پایداری را شامل می شود.
قبل از نهایی نمودن نوع پی انتخابی، غالباً باید هزینه های مربوط به اثرات متقابل تغییرات در طراحی روسازه و زیرسازه را ارزیابی نمود تا این که طراحی پی مطمئن و پایدار علاوه بر تأمین جنبه های فنی فوق الذکر، اجرایی و اقتصادی و در نهایت بهینه باشد. در مقاله ی حاضر با تکیه بر آنالیز، طراحی و اجرای پی های سطحی سعی شده است روشی ساده و سریع به کمک جداول یا گراف بر مبنای توزیع تنش در عمق و مبتنی بر توصیه ی هندبوک ها جهت گستره ی مطالعات ژئوتکنیک پیشنهاد شود. با داشتن محاسبات طولانی و تکراری اجتناب نمود. به علاوه طراحی سازه ای شامل انتخاب هندس، ضخامت و تعبیه ی آرماتور لازم نیز مبتنی بر جداول یا اشکال شده، تا علاوه بر سرعت در محاسبات، قدرت تصمیم گیری و بهینه سازی افزایش یابد. به علاوه می توان بر مبنای تجارب حاصل از فونداسیون های ساخته شده ارزیابی مناسب اجرایی و اقتصادی از انواع پی های سطحی به عمل آورد. در نهایت، با در اختیار داشتن ابزارهای کمکی و ساده کننده می توان طراحی بهینه ی پی را با سرعت مناسبی انجام داد.
گستره ی مطالعات ژئوتکنیک
کلیات
مطالعات ژئوتکنیک تجزیه و تحلیل اطلاعات به دست آمده از طریق پیمایش های سطحی، تجارب و شواهد محلی حاصل از ساخت و سازهای موجود، آزمایش های غیرتخریب، حفاری و گمانه زنی، آزمون های درجا و آزمایشگاهی می باشد. بر اساس مطالعات ژئوتکنیک علاوه بر حصول پارامترهای فیزیکی و مکانیکی خاک و سنگ بستر، شاخص های مقاومتی و سختی برای تعیین باربری و نشست به دست می آید و به علاوه می توان راجع به منابع قرضه، انتخاب روش اجرا، ارزیابی های ژئوزیست محیطی و پتانسیل ناپایداری ها بررسی هایی را به عمل آورد و در نهایت طراحی به نتایج مطمئن، اقتصادی و بهینه منجر می گردد.
چگونگی انجام مطالعات ژئوتکنیک به نوع، اندازه و اهمیت سازه، انتظارات کارفرما، میزان آشنایی مهندس طراح با رفتار خاک در سایت و در نهایت کدهای رایج محلی بستگی دارد. ذکر این نکته ضروری ست که توصیه و فرمول دقیق و عمومی جهت تعیین تعداد و عمق گمانه ها ارائه نشده است؛ و این مورد تابعی از شرایط و پیچیدگی های خاک محل، نوع پروژه، تجهیزات موجود و در دسترس تجارب قبلی و مشابه و در نهایت، قضاوت مهندسی می باشد. به استناد راهنمای پی سازی کاناد CFEM، (1992) در ساختمان های با پلان بزرگ تر از m2 250 و کم تر از m2 1000 حداقل 4 گمانه و یا چاه شناسایی لازم است. اگر زمین مسطح و شرایط خاک عادی باشد و دو گمانه ی اولی شرایط مشابه و عادی را نشان دهند می توان به سه مورد گمانه نیز اکتفا نمود.
پیش بینی تعداد و عمق گمانه ها و همچنین فاصله ی آن ها از یکدیگر ارتباط مستقیمی با نوع طرح، عدم یکنواختی خاک در پلان، تنوع خاک در پروفیل و قضاوت مهندسی و امکانات اقتصادی طرح دارد. به طور کلی هر چه پروژه مهم تر و یا لایه های تحت الارضی متغیرتر و ضعیف تر باشد تعداد گمانه ها بیش تر، عمیق تر و یا فاصله ی بین گمانه ها باید کم تر باشد. در تمامی سازه های احداثی عمق محدودی از خاک زیر پی تحت تأثیر تنش های خالص زیر سازه قرار گرفته و در محاسبات توان باربری و نشست مورد استفاده قرار می گیرد. به عبارت دیگر، محدوده ی بررسی ها در پلان و پروفیل باید محدوده ی گسترش تنش های حاصل از احداث بنا و ناحیه ی همپوشانی فونداسیون های مربوطه را دربر گیرد. بررسی تئوری های مختلف توزیع تنش نشان می دهد که هر چه تنش خالص وارد بر بستر پی بیش تر باشد محدوده ی وسیع تری در کف و اطراف تحت تأثیر واقع شده و با افزایش ابعاد پی، ژرفای زمین تحت تأثیر، بیش تر می شود.
تعیین عمق و گستره ی حفاری
راهنمای پی سازی کانادا CFEM، (1992) و انجمن مهندسان عمران آمریکا، ASCE (1972) توصیه می نمایند که حداقل عمل گمانه ها محدوده ای است که اضافه تنش ناشی از بارگذاری سازه ی مورد نظر در آن عمق به کم تر از 10 درصد مقدار آن در سطح و یا به کم تر از 5 درصد تنش مؤثر در آن عمق (هر تنش که کم تر باشد) برسد.
معیار 10 درصد تنش در عمق محدوده ی 2 تا 4 برابر عرض پی را برای پی های مربعی تا نواری دربر دارد ولی قبل از انجام مطالعات ژئوتکنیک چون اطلاعات دقیقی از توان باربری خاک محل در دسترس نمی باشد مبنای مطالعاتی در عمق بر اساس ضرایبی از عرض پی تا حدودی مشکل می باشد. از طرف دیگر سطوح اشغال پی های منفرد در نهایت می تواند تمام پلان را دربر گرفته و لذا با توجه به گسترش حباب های تنش در زیر پی های منفرد، در بررسی تنش ها در عمق زیر پی های سطحی با معیار 5 درصد از تنش مؤثر و با توجه به همپوشانی و تداخل تنش مطابق شکل 1 می توان گستره ی حباب تنش پی های منفرد را معادل گستره ی تنش در زیر پی گسترده ی سطحی فرض نمود.
با فرض توزیع تنش 2 به 1 در زیر پلان ساختمان و در نتیجه هم پوشانی تنش ها و معادل سازی سطوح کلیه ی پی های منفرد با یک پی گسترده ی سطحی با ابعاد B*L، عمق حداقل گمانه (H) با استفاده از رابطه ی زیر محاسبه می شود:
که در آن B و L به ترتیب عرض و طول زمین زیربنا در پلان qavg فشار وارده از مجموع طبقات، H حداقل عمق بررسی ها بر اساس 5 درصد معیار تنش مؤثر برابر با تنش روسازه در عمق می باشد. با فرض
.
طرفین را بر
تقسیم می نماییم.
با فرض
خواهیم داشت:
نویسندگان: دکتر ابوالفضل اسلامی (1)
مهندس نادر شعبانی(2)
مهندس مهدی غلامی آهنگران (3)
مبانی ساده شده ی طراحی پی های سطحی با ملاحظه ی معیارهای ژئوتکنیکی، سازه ای و اجرایی
چکیده
مراحل احداث پروژه های ساختمانی در میان ساخت و سازهای وسیع و متنوع از گستره و اهمیت قابل توجهی در صنعت عمران برخوردار است. فونداسیون به عنوان بخش مهمی از ساختمان، در راستای انتقال بار از روسازه به شالوده از سیستم های مختلفی تشکیل شده است که از متداول ترین آن ها پی های منفرد (تک) می باشد. جهت تسهیل در طراحی و تسریع در تصمیم گیری با تکیه بر معیارهای ژئوتکنیکی، سازه ای و اجرایی متدی ساده شده جهت استفاده ی عموم مهندسان عمران تدوین شده است. بر مبنای اثر گسترش تنش حاصل از بارگذاری پی ها در زمین و با در نظر گرفتن عمق مربوط به نسبت تغییرات افزایش فشار خالص پی به قرار 5 درصد تنش مؤثر ژئواستاتیکی به عنوان مبنای اکتشافات زیر سطحی، نمودارها و یا جداول ساده کننده ای در تعیین عمق و گستره ی مطالعات ژئوتکنیکی ارائه شده است. با مبنا قرار دادن مقادیر توان بارداری و نشست محاسباتی مربوط به یک فونداسیون مرجع، می توان با تغییر ابعاد پی، توان باربری و نشست دیگر پی ها را محاسبه کرد که منجر به کاهش قابل ملاحظه ی حجم محاسبات و تصمیم گیری سریع تر در خصوص طراحی و انتخاب پی های منفرد متنوع می شود. با توجه به اهمیت طراحی سازه ای برای پی های سطحی، روش های گام به گام دستی متداول محاسباتی، طولانی و وقت گیر می باشد. با مشخص بودن میزان بار وارده، ظرفیت باربری مجاز، نوع بتن و آرماتور مصرفی می توان عمق مؤثر پی و میزان آرماتور مورد نیاز را با استفاده از نمودارها و یا جداول به سهولت تعیین نمود. برای مقایسه ی سیستم پی انتخابی و تصمیم گیری، جدول شاخص های هزینه ی اجرایی سیستم های مختلف فونداسیون ارائه شده است. در مجموع با ملاحظه ی جنبه های ساده شده ی پیشنهادی اعم از ژئوتکنیکی، سازه ای، اجرایی و اقتصادی، مهندس عمران قادر به طراحی و انتخاب سیستم فونداسیون بهینه خواهد بود.
کلید واژه ها: فونداسیون منفرد، مطالعات ژئوتکنیک، توان باربری، نشست، طراحی سازه ای، شاخص های هزینه ای اجرای پی ها.
مقدمه
پروژه های عمرانی بر خاک، با خاک و یا در خاک ساخته می شوند. انتقال بار از روسازه به زمین توسط عنصری واسطه به نام پی یا فونداسیون انجام می گیرد. پی های سطحی از متداول ترین فونداسیون ها، به خصوص برای پروژه های ساختمانی و دیوارها بوده و اغلب عمق استقرار آن ها کم تر از عرض شان می باشد. از میان پی های سطحی متداول اعم از منفرد، نواری، شبکه ای و گسترده، پی های منفرد که بار یک ستون را متحمل می شوند، از ساده ترین، معمول ترین و عمدتاً کم هزینه ترین نوع پی ها می باشند. بر اساس قواعد زمین شناسی، مکانیک خاک و سنگ و نیز مهندسی سازه و با به کارگیری قضاوت مهندسی، مراحل تحلیل طراحی و اجرای پی ها دنبال می شود. ملاحظات عمده ی زیر در طراحی پی ها به کار گرفته می شود:
1- مطالعات ژئوتکنیک
2- تعیین توان باربری
3- کنترل نشست
4- طراحی سازه ای
6- ملاحظات اجرایی و اقتصادی
در مطالعات ژئوتکنیک بسته به اهمیت پروژه، خصوصیات خاک و سنگ بستر اعم از ویژگی های فیزیکی، مکانیکی، پارامترهای مقاومت، سختی و ویژگی های اندرکنشی آب و خاک جمع آوری می شود تا بتوان پروفیل مناسبی از زمین بستر در اختیار داشته تا بتوان راجع به ظرفیت باربری ایمن و مجاز خاک زیر پی، پتانسیل ناپایداری، منابع قرضه و در نهایت چگونگی ساخت و ساز در آن اظهار نظر نمود. توان باربری ایمن متضمن عدم وقوع گسیختگی از نوع برشی و یا موضعی بوده، در حالی که توان باربری مجاز مربوط به رواداری های قابل تحمل توسط روسازه از قبیل نشست های یکنواخت و نایکنواخت، چرخش ها، کجی ها و جابه جایی ها می باشد. در طراحی سازه ای، مصالح و ابعاد لازم در پی به گونه ای انتخاب می گردد که مقاطع مختلف فونداسیون در مقابل نیروهای داخلی اعم از کشش، فشار و برش داخلی مقاومت کافی داشته و در مقابل عوامل مهاجم اعم از فرسایش و خوردگی مقاوم باشد. ناپایداری ها شامل لغزش، چرخش و واژگونی عموماً مربوط به پی تحت بارهای افقی، مایل و برکنش بوده که مباحث طراحی خارجی و یا کنترل پایداری را شامل می شود.
قبل از نهایی نمودن نوع پی انتخابی، غالباً باید هزینه های مربوط به اثرات متقابل تغییرات در طراحی روسازه و زیرسازه را ارزیابی نمود تا این که طراحی پی مطمئن و پایدار علاوه بر تأمین جنبه های فنی فوق الذکر، اجرایی و اقتصادی و در نهایت بهینه باشد. در مقاله ی حاضر با تکیه بر آنالیز، طراحی و اجرای پی های سطحی سعی شده است روشی ساده و سریع به کمک جداول یا گراف بر مبنای توزیع تنش در عمق و مبتنی بر توصیه ی هندبوک ها جهت گستره ی مطالعات ژئوتکنیک پیشنهاد شود. با داشتن محاسبات طولانی و تکراری اجتناب نمود. به علاوه طراحی سازه ای شامل انتخاب هندس، ضخامت و تعبیه ی آرماتور لازم نیز مبتنی بر جداول یا اشکال شده، تا علاوه بر سرعت در محاسبات، قدرت تصمیم گیری و بهینه سازی افزایش یابد. به علاوه می توان بر مبنای تجارب حاصل از فونداسیون های ساخته شده ارزیابی مناسب اجرایی و اقتصادی از انواع پی های سطحی به عمل آورد. در نهایت، با در اختیار داشتن ابزارهای کمکی و ساده کننده می توان طراحی بهینه ی پی را با سرعت مناسبی انجام داد.
گستره ی مطالعات ژئوتکنیک
کلیات
مطالعات ژئوتکنیک تجزیه و تحلیل اطلاعات به دست آمده از طریق پیمایش های سطحی، تجارب و شواهد محلی حاصل از ساخت و سازهای موجود، آزمایش های غیرتخریب، حفاری و گمانه زنی، آزمون های درجا و آزمایشگاهی می باشد. بر اساس مطالعات ژئوتکنیک علاوه بر حصول پارامترهای فیزیکی و مکانیکی خاک و سنگ بستر، شاخص های مقاومتی و سختی برای تعیین باربری و نشست به دست می آید و به علاوه می توان راجع به منابع قرضه، انتخاب روش اجرا، ارزیابی های ژئوزیست محیطی و پتانسیل ناپایداری ها بررسی هایی را به عمل آورد و در نهایت طراحی به نتایج مطمئن، اقتصادی و بهینه منجر می گردد.
چگونگی انجام مطالعات ژئوتکنیک به نوع، اندازه و اهمیت سازه، انتظارات کارفرما، میزان آشنایی مهندس طراح با رفتار خاک در سایت و در نهایت کدهای رایج محلی بستگی دارد. ذکر این نکته ضروری ست که توصیه و فرمول دقیق و عمومی جهت تعیین تعداد و عمق گمانه ها ارائه نشده است؛ و این مورد تابعی از شرایط و پیچیدگی های خاک محل، نوع پروژه، تجهیزات موجود و در دسترس تجارب قبلی و مشابه و در نهایت، قضاوت مهندسی می باشد. به استناد راهنمای پی سازی کاناد CFEM، (1992) در ساختمان های با پلان بزرگ تر از m2 250 و کم تر از m2 1000 حداقل 4 گمانه و یا چاه شناسایی لازم است. اگر زمین مسطح و شرایط خاک عادی باشد و دو گمانه ی اولی شرایط مشابه و عادی را نشان دهند می توان به سه مورد گمانه نیز اکتفا نمود.
پیش بینی تعداد و عمق گمانه ها و همچنین فاصله ی آن ها از یکدیگر ارتباط مستقیمی با نوع طرح، عدم یکنواختی خاک در پلان، تنوع خاک در پروفیل و قضاوت مهندسی و امکانات اقتصادی طرح دارد. به طور کلی هر چه پروژه مهم تر و یا لایه های تحت الارضی متغیرتر و ضعیف تر باشد تعداد گمانه ها بیش تر، عمیق تر و یا فاصله ی بین گمانه ها باید کم تر باشد. در تمامی سازه های احداثی عمق محدودی از خاک زیر پی تحت تأثیر تنش های خالص زیر سازه قرار گرفته و در محاسبات توان باربری و نشست مورد استفاده قرار می گیرد. به عبارت دیگر، محدوده ی بررسی ها در پلان و پروفیل باید محدوده ی گسترش تنش های حاصل از احداث بنا و ناحیه ی همپوشانی فونداسیون های مربوطه را دربر گیرد. بررسی تئوری های مختلف توزیع تنش نشان می دهد که هر چه تنش خالص وارد بر بستر پی بیش تر باشد محدوده ی وسیع تری در کف و اطراف تحت تأثیر واقع شده و با افزایش ابعاد پی، ژرفای زمین تحت تأثیر، بیش تر می شود.
تعیین عمق و گستره ی حفاری
راهنمای پی سازی کانادا CFEM، (1992) و انجمن مهندسان عمران آمریکا، ASCE (1972) توصیه می نمایند که حداقل عمل گمانه ها محدوده ای است که اضافه تنش ناشی از بارگذاری سازه ی مورد نظر در آن عمق به کم تر از 10 درصد مقدار آن در سطح و یا به کم تر از 5 درصد تنش مؤثر در آن عمق (هر تنش که کم تر باشد) برسد.
با فرض توزیع تنش 2 به 1 در زیر پلان ساختمان و در نتیجه هم پوشانی تنش ها و معادل سازی سطوح کلیه ی پی های منفرد با یک پی گسترده ی سطحی با ابعاد B*L، عمق حداقل گمانه (H) با استفاده از رابطه ی زیر محاسبه می شود:
که در آن B و L به ترتیب عرض و طول زمین زیربنا در پلان qavg فشار وارده از مجموع طبقات، H حداقل عمق بررسی ها بر اساس 5 درصد معیار تنش مؤثر برابر با تنش روسازه در عمق می باشد. با فرض
طرفین را بر
تقسیم می نماییم.
با فرض
خواهیم داشت:
