مقاله تحلیلی: تست بار شمع برای شمع‌ های درجا

شمع‌های درجا شمع‌های بتنی با قطر بزرگ هستند که معمولاً به‌عنوان سازه نگهبان در ساختمان‌هایی استفاده می‌شوند که بارهای ستونی آن‌ها زیاد است. طراحی شمع‌های درجا مستلزم این است که طراح یا مهندس ژئوتکنیک پروژه، ظرفیت باربری شمع را بر اساس شرایط زمین پروژه محاسبه کند. یکی از روش‌ها برای پیش‌بینی ظرفیت شمع انجام محاسبات با استفاده از پارامترهای خاک است که از داده‌های تحقیقات میدانی به دست آمده‌اند. بسیاری از روش‌های طراحی شمع تا حد زیادی تجربی هستند اما ظرفیت شمع می‌تواند تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند روش اجرا، کیفیت ساخت و مصالح مورداستفاده قرار گیرد؛ بنابراین تست بار شمع بخش مهمی از طراحی شمع است که نباید از آن چشم‌پوشی کرد.

در این مقاله تست بار شمع (نوع استاتیکی آن با استفاده از چکش) برای شمع‌های درجا به‌صورت مختصر شرح داده می‌شود و برخی از جنبه‌های مهمی را که طراحان باید درزمان مرور و تفسیر نتایج تست بار شمع در نظر داشته باشند، بیان می‌کند.

انواع تست‌های بار

معمولاً دو نوع اصلی تست بار شمع وجود دارد: تست شمع مقدماتی و تست بار در حین کار. تست شمع مقدماتی معمولاً قبل از آغاز عملیات ساخت شمع انجام می‌شود درحالی‌که دیگری در حین عملیات ساخت شمع یا زمانی که مقدار قابل‌توجهی از عملیات ساخت شمع تکمیل‌شده، انجام می‌شود. این دو تست باعث می‌شوند طراح در طراحی حالت حدی (مانند Eurocode 7-EC7) ضرایب محافظه‌کاری کمتری را استفاده کند که درنتیجه باعث طراحی اقتصادی‌تری خواهد شد. به‌طور مشابه، در زمان استفاده از طراحی LRFD یا الزامات AASHTO، تست بار می‌تواند قابلیت اطمینان را افزایش داده و استفاده از ضریب افزایش مقاومت (∅) بالاتری را امکان‌پذیر سازد.

تست شمع مقدماتی پارامترهای طراحی را قبل از آغاز عملیات ساخت شمع بررسی می‌کند. لازم است یک گمانه نزدیک موقعیت شمع حفاری شود تا بدین‌وسیله نوع و لایه‌بندی خاک به‌منظور صحت سنجی پارامترهای آن به دست آید. کرنش‌سنج‌هایی در سرتاسر طول شمع به‌صورت فاصله‌دار نصب می‌شوند تا بتوان نیروی هر قسمت شمع و انتقال بار شمع را محاسبه کرد. برای نصب شمع‌های اجرایی نیز روش نصب مشابهی باید استفاده شود. به‌منظور تخمین صحیح ظرفیت اصطکاکی شمع و ظرفیت باربری نوک آن، شمع‌های مقدماتی معمولاً تا 3 برابر بار در حین کار بارگذاری می‌شوند.

در طول عملیات اجرای شمع‌های اجرایی به‌منظور تائید کیفیت کار تست انجام می‌شود. در این تست‌ها این موضوع بررسی می‌شود که شمع‌های نصب شده به‌منظور تأمین معیارهای مقاومتی (توانایی تحمل بار) و سرویس‌دهی (نشست قابل‌قبول) مطابق با طراحی عمل می‌کنند یا خیر. شمع‌های اجرایی به‌صورت افزایشی بارگذاری می‌شوند که در حین بارگذاری مقدار بار و نشست سر شمع ثبت می‌شود. معیارهای پذیرش برای شمع‌های اجرایی به‌صورت مقادیر نشست در بارهای مشخص ارائه می‌شود. به‌عنوان‌مثال در CP4 (آیین‌نامه استاندارد اجرایی SS CP4 سنگاپور برای فونداسیون‌ها) مقدار نشست در بار 5/1 برابر بار حین اجرا نمی‌تواند از 59/0 اینچ (15 میلی‌متر) یا در بار 2 برابر بار حین اجرا نمی‌تواند از 98/0 اینچ (15 میلی‌متر) بیشتر باشد. مقدار نشست مجاز بیشتر در بار 2 برابر بار اجرا، نشان‌دهنده این است که در بارهای بیشتر، نرخ افزایش نشست می‌تواند بیشتر باشد. توصیه‌های لازم برای تعداد تست‌ها در جدول 1 نشان داده شده است.

منحنی بار-نشست

یک منحنی بار-نشست ساده شده در شکل 1 نشان داده شده است.

به‌طورکلی، منحنی غیرخطی است و با افزایش بار مقدار سختی آن کاهش می‌یابد. این رفتار قابل‌انتظار است زیرا با افزایش بار، شمع در اصطلاح ژئوتکنیک به حالت "گسیختگی" نزدیک می‌شود. برخی از آیین‌نامه‌ها "گسیختگی" شمع را حالتی از شمع تعریف می‌کنند که نشست آن به 10% قطر آن برسد. در شمع‌های دارای قطر بزرگ‌تر، درصورتی‌که حالت حدی سرویس‌دهی مدنظر باشد، این معیار با سختگیری کمتری در نظر گرفته می‌شود. به‌عنوان‌مثال نشست مجاز یک شمع حفاری‌شده با قطر 37/39 اینچی (1000 میلی‌متر) برابر با 94/3 اینچ (100 میلی‌متر) است. این معیار پذیرش نشست باید دقیق باشد زیرا نشست شمع می‌تواند باعث نشست تفاضلی بین تکیه‌گاه‌ها شود که به علت تشدید چرخش در سازه‌های بلندمرتبه اهمیت بسیار زیادی دارد. علاوه بر این، نشست ساختمان می‌تواند تجهیزات (مانند لوله‌ها و کابل‌ها) را دچار اختلال کند؛ بنابراین معمولاً مقدار نشست مجاز از این مقدار باید کمتر باشد.

شمع‌ها به‌ندرت به دلیل ظرفیت سازه‌ای قائم دچار گسیختگی می‌شوند. در یک مطالعه محاسباتی سرانگشتی نشان داد که تنش محوری در شمع و در بار اجرایی آن در محدوده 8 تا 10 مگا پاسکال (یا 2/1 تا 5/1 ksi) است.

یک موضوع حیاتی در طراحی شمع در شکل 2 نشان داده شده است: بار شمعی که در خاک اجرا شده توسط ترکیبی از اصطکاک جداره و باربری شمع تحمل می‌شود. با شروع بارگذاری شمع، اصطکاک جداره به‌تدریج افزایش می‌یابد و می‌تواند با حرکتی کم در حدود 5/0% قطر شمع یا 2/0 تا 4/0 اینچ (5 تا 10 میلی‌متر) به‌طور کامل تکمیل می‌شود؛ اما برای شمع‌های اتکایی، معمولاً حرکت بیشتری در حدود 5% قطر شمع موردنیاز است.

 این موضوع بدین معنی است که شمع برای کسب بیشترین مقدار باربری باید نشست بیشتری داشته باشد که ممکن است مطلوب نباشد. به همین دلیل طراحان ترجیح می‌دهند که مقادیر محافظه‌کارانه‌تری را انتخاب کرده و آیین‌نامه‌ها نیز استفاده از ضریب ایمنی بالاتری را لازم می‌دانند.

شکل 3 مثال‌هایی از منحنی بار-نشست شمع‌هایی را نشان می‌دهد که نسبت به شمع‌هایی که انتظار عملکرد معمولی از آن‌ها می‌رود، متفاوت است. منحنی قرمز احتمالاً براثر وجود نقص در شمع‌ها یا شرایط غیرمنتظره زمین که باعث نشست سریع شمع تحت بارگذاری می‌شوند، غیرعادی است. این عدم توانایی تحمل بار در موقعیت‌های موضعی منحنی غیرقابل‌قبول است. منحنی بنفش تا نقطه‌ای مشخص به‌صورت معمولی افزایش می‌یابد و سپس به‌صورت ناگهانی کاهش می‌یابد تا به یک محدوده دارای بار کمتر رسیده و نشست آن افزایش می‌یابد. این حالت درصورتی‌که رخ می‌دهد که لایه زیرین شمع ضعیف بوده یا اینکه شمع به‌طور ناگهانی تکیه‌گاه خود را از دست داده و بخش زیادی از اصطکاک جداره از بین رفته یا کاهش یافته است. درنهایت منحنی آبی به دلیل عدم توانایی در دستیابی به بار طراحی قابل‌انتظار آن غیرعادی بوده و نشست‌های زیادی را در زمان کمی تجربه می‌کند.

نکات دیگری که باید به آن‌ها توجه کرد

در بارگذاری یک شمع آزمایشی، سیستم واکنشی kentledge (بلوک‌های بتنی یا صفحات فولادی چیده شده روی هم به‌عنوان وزنه تعادل) به‌صورت انتخابی استفاده می‌شوند؛ اما این فرآیند سرعت کمی دارد، نیاز به فضای قابل‌توجهی دارد و برای بارگذاری‌های خیلی بزرگ قابل اجرا نیستند. بااین‌حال، بسیاری از طراحان به دلیل تفسیر آسان نتایج تست این روش را ترجیح می‌دهند. روی هم گذاشتن بارهای سنگین در یک ناحیه کوچک مستلزم کنترل ظرفیت باربری زمین است. مواردی از ریزش‌های kentledge براثر ظرفیت باربری ناکافی مشاهده شده است. گاهی اوقات تست یک شمع با قطر بزرگ به دلیل بارهای سنگین آن اجرایی نیست.

نتیجه‌گیری

در ساختمان‌های دارای بار زیاد در ستون‌ها، غالباً از شمع‌های درجا استفاده می‌شود؛ اما به دلیل اجرای سلیقه‌ای و تطابق با الزامات قانونی، تقریباً همیشه تست بار شمع موردنیاز است. انجام تست‌های بار شمع به طراح امکان تائید پارامترهای طراحی، طراحی شمع‌های اقتصادی‌تر، کنترل کیفیت مصالح و کار را داده و درنهایت نشان می‌دهد که عملکرد شمع الزامات بار-نشست را برآورده می‌کند یا خیر.

منحنی بار-نشست یک نمودار مهم است که به طراحان کمک می‌کند تا رفتار شمع را درک کنند.

نشست شمع را می‌توان به‌راحتی با استفاده از معادلات وسیک به دست آورد، اما درست مشابه هر محاسبات نشستی، مقدار به دست آمده دقیق نخواهد بود. این معادلات تنها ابزاری است که به طراح دیدگاه مقایسه‌ای در زمان انجام تست بار شمع می‌دهد. لازم است که به منحنی بار-جابجایی با دید نقادانه نگاه کرد تا از این طریق بتوان وضعیت را کنترل کرد.

منبع

ترجمه شده توسط تیم مترجمین ۸۰۸

اگر دوست دارید به تیم مترجمین ۸۰۸ بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.