اگر بدنبال آموزش طراحی شمع از ابتدا تا انتها می باشید، خبر خوب اینکه به صفحه درستی وارد شدید. جستجو در اینترنت کافیست! فقط با دقت مطالب زیر را مطالعه کنید.

مطالب پیش رو و آموزشهای معرفی شده در این مقاله، نتیجه ۱۰ سال تجربه در زمینه طراحی، اجرا و تدریس المان شمع در پروژه های مختلف نظیر پل، زیرگذر، ساختمان و سازه نگهبان می باشد. از آنجاییکه منفعت مالی حاصل از طراحی تنها یک سازه با فونداسیون عمیق بیشتر از درآمد حاصل از چند سال تدریس طاقت فرسای آن خواهد بود، لذا با وجود مشغله بسیار، تنها دلیل تولید محتوای آموزشی علاقه وافر اینجانب در این زمینه بوده و چه بهتر که بواسطه این مطالب و آموزشها، فرصتهای شغلی، علمی و درآمدزایی برای شما نیز حاصل گردد.

 

کلیات


شمع به فونداسیون عمیقی اطلاق می گردد که نسبت ارتفاع به عرض آنها بیشتر از ۵ و قطر آن غالبا بیش از ۷۵۰ میلیمتر باشد. شمع های بتنی درجاریز [Cast-in-place Piles] در مقایسه با شمع های کوبشی می تواند مسلح و یا غیر مسلح باشد. در این شمع ها چون ابتدا حفاری چاه (بصورت دستی یا ماشینی) انجام می گردد، امکان اجرای آنها با کوره (بصورت پافیلی) میسر می باشد.

کاربرد شمع ها در مواقعی است که خاک سطحی سست و یا محتمل نشست شدید است. در چنین حالتی خاکبرداری عمیق تا رسیدن به خاک مقاوم توجیه نداشته و با اجرای شمع تا عمق خاک مقاوم یا سنگ بستر، بارهای ناشی از روسازه به لایه های مقاوم تر منتقل می شود. در زمین های با خاک چسبنده نیز شمع به موجب مقاومت بالای اصطکاکی جداره خود جهت کنترل نشست بکار گرفته می شود.

برخی از مزایای شمع های بتنی درجاریز بشرح زیر می باشد:

  • یک شمع درجاریز می تواند جایگزین گروهی از شمع ها گردد.
  • اجرای آنها در خاکهای دانه ای به مراتب ساده تر از شمع های کوبشی می باشد.
  • اجرای شمع های کوبشی بعضا به سازه های همجوار خود بعلت ایجاد ارتعاش آسیب می رساند.
  • نظارت بر مراحل اجرایی شمع های درجاریز از دقت بالاتری برخوردار می باشد.
  • شمع های درجاریز پافیلی مقاومت بسیار بالایی در برابر نیروی کششی و برکنش خواهند داشت.

شمع های درجاریز بر اساس نحوه انتقال بار طبقه بندی می شوند. در شکل ریز برخی از انواع آنها نشان داده شده است.

 

انواع شمع بتنی

 

در حالت (a) شمع منشوری تا رسیدن به لایه مقاوم اجرا شده است. حالتهای (b) و (c) شمع های پافیلی می باشند که در لایه های مناسبتر خاک نفوذ کرده اند. حالت (d) نفوذ شمع منشوری در سنگ می باشد.

 

مکانیزم انتقال بار (جدید)


مکانیزم انتقال بار از شمع به خاک تا حدودی پیچیده است. برای فهم ساده تر آن شمعی را با طول L مطابق شکل زیر (a) فرض نمایید. بار وارد به شمع بصورت تدریجی از صفر تا (Q(z=0 نزدیک سطح زمین افزایش می یابد. بخشی از این بار توسط خاک اطراف جداره شمع به واسطه اصطکاک خاک با بدنه شمع جذب شده (Q1) و بخشی دیگر توسط خاک زیر نوک شمع جذب می گردد (Q2).

حالا سوال اینجاست که Q1 و Q2 چه رابطه ای با بار کل وارد بر شمع خواهند داشت.

طبق بررسی های موجود بار حمل شده توسط شمع در ارتفاع z مطابق تغییرات محنی ۱ در شکل زیر (b) می باشد. در شکل زیر (c) تغییرات مقاومت اصطکاکی شمع در واحد طول (f(z نسبت به عمق خاک نمایش داده شده است. در این شکل ملاحظه می گردد که بسیج شدن مقاومت اصطکاکی شمع در محلی کمی پایین تر از میانه شمع رخ می هد.

 

 

با افزایش تدریجی بار وارده از سطح زمین، شمع در خاک فرو رفته و کم کم تمام ظرفیت اصطکاکی و نوک شمع در طول آن بسیج می گردد. مقدار نشست لازم جهت مشارکت کامل ظرفیت اصطکاکی شمع فارغ از سایز و طول شمع بین ۵ الی ۱۰ میلیمتر است. از طرفی حداکثر ظرفیت مقاومت نوک شمع تا زمانی که مقدار نفوذ شمع در خاک بین ۱۰ الی ۲۵ درصد قطر آن نباشد، به وقوع نمی پیوندد (حد پایین در شمع های کوبشی و حد بالا در شمع های درجا کاربرد دارد). در بار نهایی شکل بالا (d) و منحنی ۲ شکل بالا (b) هنگامی که (Q(z=0 برابر Qu گردد می توان گفت:

Q1 = Qs

Q2 = Qp

به عبارت دیگر با افزایش تدریجی بار و فرو رفتن شمع در خاک، منحنی ۱ به سمت راست حرکت کرده و بر منحنی ۲ منطبق می گردد.

 

مطالعات ثابت کرد که مقاومت جداره شمع (Qs) در جابجایی بسیار کمتری نسبت به مقاومت نوک شمع (Qp) تشکیل می گردد.

 

برای اثبات این موضوع تحقیق پر هزینه ارزشمندی در سال ۱۹۷۰ توسط “منصور” و “هانتر” انجام شد که مطالعش برای ما نه تنها مفید بلکه رایگان است.

آنها شمعی جدار نازک فلزی به طول ۱۷ متر را با نصب تجهیزات ابزار دقیق داخل ماسه فرو بردند و نمودارهای زیر را تولید کردند. در شکل زیر نمودار a افزایش بار وارده در مقابل جابجایی شمع نمایش داده شده و در نمودار b مقدار نیرو محوری شمع در عمق بواسطه جابجایی های مختلف مشخص شده است.

طبق گزارش آنها شمع در نیروی ۱۶۰۱ کیلونیوتن باعث گسیختگی خاک شد که ۴۱۶ کیلونیوتن آن سهم باربری نوک و ۱۱۸۵ مابقی سهم باربری جداره شمع بود. از طرفی در نمودار b برای نشست ۲/۵ میلیمتر، بار کل ۶۶۷ کیلونیوتن رسید که سهم جداره ۵۷۴ و نوک ۹۳ کیلونیوتن حاصل گردید. بنابراین:

at S = 2.5 mm

Q2 / Qp = 93 / 419 = 22.4%

Q1 / Qs = 574 / 1185 = 48.4%

به وضوح مشخص گردید که مقاومت جداره شمع در مراحل ابتدایی نشست خیلی سریع تر از مقاومت نوک بسیج می گردد. به همین ترتیب هم در بار نهایی مد گسیختگی در نوک شمع حادث شد و سطوح گسیختگی همانند شکل بالا (e) بوجود آمد.

 

تست بارگذاری شمع

 

فلوچارت طراحی


لزوم تدوین این مقاله از آنجایی جلوه نمود که در تهیه و عرضه آموزشهای مختلف طراحی شمع با سوالات مکرری از سوی مخاطبین مواجه بودم که منشا تمام آنها مبانی مقدماتی بود. از آنجاییکه پوشش دادن به تمام این سوالات بسیار وقتگیر شده بود؛ بر آن شدم که این مقاله را تهیه و منتشر کنم. به همین خاطر به دانش پژوهان گرامی توصیه می کنم قبل از تهیه آموزشها در خصوص طراحی شمع، این مقاله رایگان را با دقت و صعه صدر مطالعه نمایند که علاوه بر ایجاد بینش، مسیر مورد نیاز خود را مشخص نمایند. 

مقاله جهت هدایت صحیح شما در انتخاب مناسب نوع آموزش برای طراحی شمع تدوین شده است. درفلوچارت زیر طراحی کامل شمع در ۶ مرحله خلاصه شده است. این ۶ مرحله همانند ۶ پله وابسته بهم بوده که گذر از آنها جهت تکمیل طرحی المان شمع اهمیت دارد.

بسته به اینکه در کدامیک از مراحل نیازمند آموزش بوده و یا در کدامیک تسلط دارید، دوره هایی که نیازمند آنها هستید، تعیین می گردد.

 

 

مرحله اول: تشخیص نیاز


در بعضی شرایط استفاده از شمع و تحمیل هزینه های آن گریز ناپذیر است مثلا برای فونداسیون پایه های پل که در معرض آبشستگی قرار داشته و یا در بستر رودخانه باید اجرا شوند. اما در کل تصمیم گیری درباره بکارگیری شمع نیازمند تحلیل دقیق فونداسیون سطحی می باشد که تا چه اندازه بدون شمع می تواند آسیب پذیر باشد.

تحلیل فونداسیون سطحی نیازمند اعمال مدول عکس العمل سطحی خاک (Ks) در زیر و بارگذاری صحیح (ثقلی و لرزه ای) در روی فونداسیون می باشد. هر بار در تحلیل فونداسیون باید ۳ معیار زیر را کنترل نمود:

  • تنش خاک [Soil Pressure]
  • نشست [Settlement]
  • بلندشدگی [Uplift]

در کنترل معیار اول یعنی تنش خاک، می بایست تنش خاک در تمام نواحی فونداسیون نسبت به ظرفیت مجاز باربری خاک کنترل شود. در صورتیکه نواحی از خاک دارای تنش بیش از ظرفیت مجاز گردد لازم است نسبت به تقویت و اصلاح آن ناحیه اقدام گردد. یکی از راهکارهای مناسب اجرای شمع در ناحیه مزبور می باشد.

به این شکل تعداد و چیدمان شمع ها در زیر فونداسیون مشخص می گردد. بعنوان مثال در شکل زیر کانتور تنش وارد بر خاک نشان داده شده است.

 

کنترل تنش خاک

 

در کنترل معیار دوم، محدودیت را حساسیت سازه روی فونداسیون تعیین می نماید. مثلا اگر روی فونداسیون قرار است تجهیزات مرتعش مربوط به کارخانه های فولاد، سیمان و … نصب گردد، میزان نشست غالبا باید در حد چند میلیمتر محدود گردد. یا اینکه دوران فونداسیون یک ساختمان از مقدار مجاز تجاوز کرده باشد. در شرایط فوق نیز با تحلیل فونداسیون و تعیین نواحی که دارای نشست خارج از محدوده می باشند، تعداد و نقاط نیازمند شمع تعیین می گردد.

در کنترل معیار سوم، حتما باید تحلیل غیر خطی با حذف فنرهای کششی [Nonlinear Uplift Analysis] انجام شود و نواحی از فونداسیون که دچار بلندشدگی هستند را مشخص نمود. پدیده بلندشدگی فونداسیون اگر محدود باشد توسط افزایش ضخامت فونداسیون مرتفع می گردد. در غیر اینصورت باید بواسطه اعمال شمع کششی آنرا مهار نمود. بعنوان مثال در شکل زیر نواحی بلند شده فونداسیون با رنگ بنفش مشخص شده است.

 

بلندشدگی فونداسیون

 

لینک آموزش های مرتبط با گام اول:

اصول مدلسازی خاک با فنر توسط SAP2000 جهت تسلط بر:

  • معادلسازی خاک با فنر
  • اعمال فنر و مش بندی فونداسیون
  • تحلیل و قرائت نشست فونداسیون
  • محاسبه دستی و نرم افزاری تنش فشاری خاک

آموزش تحلیل و طراحی دکل مخابراتی تحت بار باد جهت تسلط بر:

  • انجام تحلیل غیر خطی Uplift
  • حذف کشش در خاک و کنترل بلندشدگی
  • کنترل نشست و تنش خاک در حالت غیر خطی

آموزش صفر تا صد تحلیل و طراحی فونداسیون توسط SAFE جهت تسلط بر:

  • ترکیبات بارگذاری طراحی فونداسیون و کنترلهای خاک
  • تحلیل غیر خطی و روند تکراری حذف فنرهای کششی
  • ترسیم نوارهای طراحی و تنظیم مشخصات آنها
  • طراحی فونداسیون و کنترل برش پانچ

 

مرحله دوم: تعیین ظرفیت باربری


پس از مشخص شدن لزوم استفاده از شمع، می بایست تعداد و ابعاد هندسی شمع (طول و قطر) تعیین گردد. برای این منظور لازم است ظرفیت باربری شمع محاسبه گردد. این پارامتر بر اساس مشخصات فیزیکی خاک که از طریق آزمایشات برجا مانند SPT، بارگذاری صفحه و … تعیین می گردند، بدست می آید. 

 

ظرفیت باربری شمع

 

مقدار ظرفیت باربری شمع نسبت مستقیم با طول و قطر شمع دارد بگونه ای که با افزایش آنها افزایش می یابد. نحوه محاسبه ظرفیت باربری در خاکهای دانه ای با خاکهای چسبنده متفاوت بوده و همینطور محققین روش های متعددی جهت محاسبه آن ارائه داده اند که بعضا نتایج آنها در مقایسه با یکدیگر دارای اختلاف می باشند. این مسئله از عدم قطعیت های زیاد در رفتار خاک نشات می گیرد.

جهت حل این موضوع ضرائب اطمینان بزرگی (بین ۲ تا ۴) مطرح شده است که با اعمال آنها اطمینان خاطر بیشتری حاصل گردد. ظرفیت باربری شمع از دو بخش تشکیل می گردد.

  • ظرفیت باربری نوک که در خاکهای دانه ای قابل توجه است
  • ظرفیت باربری جداره که ناشی از اصطکاک جداره شمع با خاک حاصل می شود

مجموع این دو بخش ظرفیت باربری کل شمع را ایجاد می نمایند.

 

لینک آموزش های مرتبط با گام دوم:

محاسبه ظرفیت باربری شمع بهمراه نرم افزار

 

مرحله سوم و چهارم: تعیین نشست و مدول بستر


پس از تعیین مشخصات شمع و ظرفیت باربری آن لازم است بلادرنگ نشست و مدول بستر محاسبه گردد. نشست شمع از مجموع نشستهای الاستیک، جداره و نوک حاصل می شود. مدول بستر برای یک شمع در سه حالت مختلف زیر باید محاسبه گردد:

  • مدول بستر خاک در نوک شمع [Vertical Subgrade Modulus]
  • مدول بستر جانبی خاک که در ارتفاع شمع متغیر می باشد [Lateral Subgrade Modulus]
  • مدول بستر خاک در جداره شمع که غالبا از آن در خاکهای دانه ای در جهت اطمینان صرفه نظر می گردد.

در شکل زیر فنر q-z نشانگر مدول بستر خاک در نوک شمع، فنرهای p-y که دارای سختی متغیر در ارتفاع شمع هستند نشانگر مدول بستر جانبی خاک و فنرها t-z بیانگر مدول بستر خاک در جداره شمع می باشند.

 

 

محاسبه نشست و مدول بستر بسیار حائز اهمیت می باشد زیرا محدودیت نشست می تواند مجدد مرحله را به عقب برده و در ابعاد شمع تغییر ایجاد نماید همچنین مقدار نیروی جذب شده توسط شمع وابسته به سختی این فنرها خواهد بود.

 

لینک نرم افزار مرتبط با گام سوم و چهارم:

نرم افزار ST-PILE جهت محاسبه ظرفیت، نشست و مدول بستر در شمع بتنی (در حال برنامه نویسی…)

 

مرحله پنجم: معادلسازی شمع با فنر


بعضا بنا به محدودیت هایی در مدل نرم افزاری نمی توان بدنه شمع را مدل کرد (مثلا هنگام مدلسازی فونداسیون در SAFE). این امر مانعی نداشته اما باید بدرستی بجای شمع در محل آن فنر معادلی که از ترکیب سری مدول بستر نوک و جداره حاصل می شود، استفاده نمود. در رابطه زیر که بخشی از آموزش لینک شده است، نحوه ترکیب سری ارائه شده است.

 

رابطه ترکیب سری فنرها

 

از طرفی سازه شمع جداگانه باید بصورت دستی یا از طریق نرم افزار معتبری (مانند SAP2000 یا CSICOL) طراحی گردد. باید دقت داشت این فنرها که نماینده شمع می باشند یا عملکرد فشاری دارند و یا کششی و هیچگاه نباید به نرم افزار هر دو رفتار را همزمان با سختی یکسان تعریف نمود. در شکل زیر فنرهایی که بجای شمع در نرم افزار SAFE تعریف شده اند نمایش داده شده است.

 

تعریف فنر در سیف

 

لینک آموزش های مرتبط با گام پنجم:

آموزش مدلسازی شمع در نرم افزار SAFE جهت تسلط بر:

  • اعمال شمع کششی و فشاری بصورت جداگانه زیر فونداسیون
  • تحلیل غیر خطی در نرم افزار SAFE
  • ترکیبات مربوط به طراحی فونداسیون و کنترل تنش خاک
  • نحوه کنترل تنش خاک
  • محاسبه مدول بستر خاک در زیر شمع

 

مرحله ششم: طراحی سازه شمع


در شرایطی مدلسازی یکپارچه فونداسیون، بدنه شمع و فنرهای معادل خاک مناسبتر می باشد. به این طریق نتایج دقیق تر و تمام کنترلها و طراحی در یک مدل قابل انجام است. نرم افزار SAP2000 برای این منظور بسیار مناسب می باشد.

به این صورت می توان نیروهای محوری، خمشی و برشی که در طول شمع ایجاد می شود را بدرستی تعیین نمود و بر اساس آنها مقطع بتنی شمع را در طول آن طراحی کرد. مثلا بخش بالایی شمع که برش بیشتری دارد فواصل خاموتها در آن کمتر و در بخش تحتانی بسته به دیاگرام برش می توان فواصل خاموتها را بیشتر نمود.

 

مدلسازی یکپارچه شمع و فونداسیون

 

لینک آموزش های مرتبط با گام ششم:

آموزش مدلسازی شمع در نرم افزار SAP2000 جهت تسلط بر:

  • نحوه مدلسازی سازه شمع و اتصال آن به فونداسیون
  • نحوه اعمال فنرهای مدول بستر
  • محاسبه مدول بستر افقی در ارتفاع شمع
  • کنترل بار محوری با ظرفت باربری شمع
  • طراحی سازه شمع
  • کلی نکات اجرایی و موارد حائز اهمیت در ترسیم نقشه ها

 

و در آخر


مسیر طراحی شمع را از ابتدا تا انتها با هم مرور کردیم و آگاه شدیم که چه گامهایی در این مسیر باید برداشته شود. در آخر باید گفت که این فرآیند در مواقعی باید بصورت سیرکولار همانند فلوچارت زیر تکرار گردد تا طراحی دقیق حاصل شود.

 

سیکل طراحی شمع

 

جهت مشاوره و راهنمایی می توانید با شماره مستقیم نگارنده ۰۹۱۰۱۳۰۶۰۲۰ تماس حاصل نمایید.