مقاله تحلیلی: بهسازی خاک – خروج از مرکزیت

در مقاله «بهسازی خاک برای پشتیبانی از ساختمان» که در جولای 2015 و در مجله STRUCTURE منتشر شده است، ما با مشکلات بیش‌تری پیرامون بهسازی خاک (GI) برای سیستم تکیه‌گاهی یک ساختمان (ستون‌های سنگی، پایه‌های متراکم زیر پی‌های بتن مسلح) آشنا می‌شویم. این سیستم  یک سیستم متوسط در فونداسیون محسوب می‌شود، یعنی سیستمی مابین پی‌های گسترده‌ سطحی و سیستم‌های پی شمع عمیق. علیرغم اینکه این سیستم از دهه‌ 1930 در اروپا و از یک دهه قبل در ایالات متحده به کار گرفته می‌شود، اما اجرای آن اغلب در دست مهندسان پی پیمانکار است. 

Siebert و Kraemer در مقاله‌ خود عنوان کرده‌اند که: به دلیل اینکه کاربردهای GI به مرزهای جدیدی می‌رسد، نیاز به درک عمیق شرایط نصب، رفتار و تضمین کیفیت مناسب؛ ضروری می‌شود. مناسب بودن GI در کاربردهای مرتبط با ظرفیت باربری را به دلیل پشتوانه‌ موفقیت‌آمیز آن در کنترل نشست، نمی‌توان دست کم گرفت. در چنین کاربردهای چالش برانگیزی، مهندسین ناظر و تیم پروژه باید مطمئن شوند که GI ظرفیت باربری، کنترل نشست، انعطاف‌پذیری در طول زلزله و دیگر شرایط بارگذاری، تضمین کیفیت و کارایی عمومی را به مانند سیستم‌های پی مرسوم ایجاد می‌کند.  تجربه ثابت می‌کند که گفتن این حرف راحت‌تر از انجام آن است. 

در عمل مهندس پیمانکار متخصص GI  ظرفیت باربری یکنواخت معادل را برای تعیین اندازه‌ دیوارها و ستون‌های پی ساختمان  در اختیار  مهندس ناظر سازه قرار می‌دهد. وقتی که فاکتور اطمینان کلی سیستم خواسته شود، نمی‌توان همواره جواب را به دست آورد. در عوض مهندس پیمانکار متخصص GI تأکید می‌کند که برای یک طراحی مناسب، دانستن حداکثر مقدار قابل‌ قبول نشست و حداکثر نشست تفاضلی بین ستون‌ها ضروری است. تنها درگیری مهندس ناظر سازه در طراحی پی، تائید نقشه‌های اجرایی سیستم پی GI (اندازه‌ پی‌ها و محل پایه‌ها، تذکرات کلی ساخت / نصب و مقررات و ...) قبل از نصب خواهد بود. 

مفهوم طراحی سیستم پی GI برای پشتیبانی از ساختمان شامل ترکیب کردن ظرفیت باربری تمام پایه‌ها و خاک فشرده‌ زیر پی و تبدیل این ظرفیت باربری نهایی به ظرفیت باربری یکنواخت معادل برای طراحی پی گسترده‌ مرسوم است. شکل 1 طرح پی‌های یک، دو، سه و چهار پایه را در زیر یک پی بتن مسلح مربعی یا مستطیلی نشان می‌دهد. تعداد پایه‌های استفاده شده در زیر پی می‌تواند به هر تعدادی که لازم باشد در نظر گرفته شود. 

در یک پروژه‌ معمولی، مهندس پی GI نوع خاک را ارزیابی کرده، بهسازی‌های پیشنهاد شده را تعیین کرده (قطر و طول / عمق پایه‌های متراکم) و مدول تنش پایه و خاک پیرامون پایه را محاسبه می‌کند (تنش برای واحد نشست). K_p مدول تنش پایه و K_s مدول تنش خاک است. نسبت K_s=K_p/K_S برای استفاده در تعیین ظرفیت باربری معادل به دست می‌آید. مقدار R_s بین 8 تا 14 معمولاً در عمل استفاده می‌شود، با این حال مقدار 40 هم امکان‌پذیر است. 

با مرور نقشه‌های اجرایی سیستم پی GI در گذشته و حال حاضر، مؤلفان به عنوان مهندسان سازه دریافتند که طرح هندسی پی با سه پایه‌ نشان داده شده در نقشه‌های اجرایی بعضی از پیمانکاران، خروج از مرکزیت قابل توجهی دارد. بنابراین این پی برای طراحی مناسب نیست (شکل 2a). شکل 2b یک طرح درست از پایه‌ها در یک پی با سه پایه را نشان می‌دهد. سه پایه باید در یک مثلث متساوی‌الاضلاع نسبت به هم قرار بگیرند و مرکز پایه‌ها و خاک زیر پی باید با خط مرکزی پی (خط مرکزی ستون‌ها) در یک نقطه قرار داشته باشد. برای راحتی تعیین مرکز ماتریس AP / خاک (سه پایه و خاک پیرامون پایه‌های زیر پی) می‌توان از رابطه‌ی زیر استفاده کرد:

ظرفیت کل:

که در این رابطه Ap مساحت پایه متراکم ،q فشار خاک زیر پی و a و b ابعاد پی هستند. مرکز دو مورد فوق و همچنین نیروی نهایی را می‌توان به راحتی به دست آورد. 

موضوع مهم دیگری که مهندس ناظر سازه و مهندس پی GI باید به آن توجه کند، خروج از مرکزیت پی‌های تک پایه و دو پایه است. مهم نیست که نصاب چقدر ماهر باشد، به هر حال مقداری خروج از مرکزیت در هنگام نصب پایه‌ها وجود خواهد داشت. پی‌های تک و دو پایه نسبت به بارگذاری خارج از مرکز خیلی حساس هستند و ظرفیت آن‌ها به شدت در مقابل خروج از مرکزیت کم، کاهش پیدا می‌کند. 

مثال : ظرفیت یک پی تک پایه با فاصله‌ خط مرکز پایه‌ متراکم و خط مرکز ستون ساختمان به اندازه‌ 6 اینچ (6 اینچ مقدار قابل تحمل مجاز ساختمان است) را محاسبه کنید. پی با ابعاد 4 فوت در 4 فوت (به ضخامت 12 اینچ) و قطر پایه‌ متراکم 30 اینچ است (شکل 3). نسبت تنش (R_s=10 ،ظرفیت باربری مجاز معادل داده شده) 6000 پوند بر فوت مربع است. 

حل : اگر پایه‌ متراکم درست در مرکز ستون نصب می‌شد، ظرفیت پی ( 4 ×4 )×6000=96000 با نسبت تنش Rs=10 می‌شد و تنش تکیه‌گاهی qs به عنوان تنش خاک زیر پی به صورت زیر به دست می‌آمد:

از آنجا که خروج از مرکزیت بیرون از kern (منطقه‌ای در مرکز پایه که شعاعی برابر با 1/4 شعاع پایه دارد، یعنی 15/4=3.75 اینچ) است، می‌دانیم که پی به احتمال زیاد کاملاً مؤثر عمل نخواهد کرد. بنابراین فرض می‌کنیم که پی در ناحیه تنش صفر که در نزدیکی لبه‌ پایه است، قرار دارد (توزیع تنش در شکل 3 را ببینید). برای پیدا کردن نیروی حاصل نهایی زیر پی، باید مساحت دایره‌ای پایه را به نه (9) منطقه نواری به صورتی که نشان داده شده ‌است، تقسیم کنیم و با توزیع تنش به دست آمده در هر منطقه، نیروی هر نوار در زیر مساحت باقیمانده تابعی از X خواهد بود . با ممان گرفتن حول خطی با تنش صفر، می‌توانیم فاصله‌ X را 16.80 اینچ و نیروی کل 51140 را به دست بیاوریم . ما نتیجه می‌گیریم که ظرفیت از حالت ایده آل 96000 پوند به 51140 پوند کاهش پیدا کرده است که در حالت ایده آل به 53.3% کاهش پیدا کرده است. 

تخمین ظرفیت 

فشار تماسی بین پی و پایه برابر با فشار تماس بین پی مربعی و خاک زیر آن است. بنابراین می‌توانیم از فرمول تجربی که قبلاً در منابع منتشر شده ‌است، استفاده کنیم. با در نظر گرفتن فشار تماس زیر پی به صورت مستقل می‌توانیم از مثال فوق مقادیر زیر را به دست بیاوریم:

ظرفیت کل برابر است با: 

که در آن k مقداری است که از جدول استخراج می‌شود. در این مثال مقدار تخمین بسیار نزدیک به حل مثال بود. مقدار دقیق و قابل اتکا همیشه باید با استفاده از محاسبات نشان داده ‌شده در مثال طراحی محاسبه شود. 

نتیجه‌گیری

هنگام طراحی پی‌های یک و دو پایه‌، باید خروج از مرکزیت بارگذاری ایجاد شده هنگام نصب در محل را بر روی پایه در نظر بگیریم. همان‌گونه که در مثال نشان داده‌ شده است، ظرفیت هنگام نصب در داخل حد تحمل ساختمان کاهش بسیار زیادی پیدا می‌کند. مهندس پی GI و مهندس ناظر سازه باید نسبت به این کاهش ظرفیت آگاه باشند و طراحی‌ها را طبق آن تنظیم کنند. خروج از مرکزیت برای پی با سه پایه نشان داده شده در این مقاله از طرح نادرست یک پیمانکار برداشته شده که به راحتی قابل تصحیح است. 

یادداشت نهایی

مسائل خروج از مرکزیت پایه‌های پی‌ها که در این مقاله به آن اشاره شده است را می‌توان در طول مرحله‌ طراحی یا مرور نقشه‌های اجرایی توسط مهندس ناظر سازه،  شناسایی و حل کرد. 

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 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.