شرح انواع بارهای وارد بر دیوار حائل

مقدمه

---

در این پست قصد دارم کلیاتی درباره انواع بارهای وارده بر دیوار حائل را مطرح نمایم. این مطلب برای دوستانی که بیشتر بدنبال آشنایی با عملکرد و تحلیل دیوارها هستند، می تواند مفید باشد. در انتها نیز لینک آموزش های تحلیل، طراحی و کنترلهای دیوار حائل طره ای اضافه شده است. 

دیوار حائل، عنصری است که جهت ایجاد تکیه‌گاه جانبی در برابر جداره‌های قائم و یا نزدیک به قائم خاک احداث می‌گردد. از دیوار حائل در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی نظیر راهسازی، پلسازی، محوطه‌سازی، ساختمان‌سازی و بطور کلی هر کجا که احتیاج به تکیه‌گاه جانبی برای جدار خاکبرداری باشد، استفاده می‌گردد.

در طول بهره‌برداری دیوار، انواع مختلفی از بارها به آن وارد می‌گردد که بصورت زیر دسته‌بندی می‌شوند:

1. نیروی قائم و جانبی خاک (خشک یا اشباع)
2. نیروی ناشی از سربار
3. بارهای محوری
4. بار باد بر وجه بیرون آمده از خاک
5. بارهای ضربه‌ای
6. نیروی جانبی لرزه‌ای خاک ناشی از زلزله
7. نیروی ناشی از وزن موثر لرزه‌ای دیوار [Self-Weight]

در طرح دیوار حائل تمام نیروی های مورد اشاره (بسته به شرایط بحرانی) می‌بایست مدنظر قرار گیرند.

 

نیروی قائم و جانبی خاک (خشک یا اشباع)

هدف اصلی دیوار حائل مقاومت در برابر فشارهای قائم و جانبی ناشی از خاک است. فشار قائم خاک از حاصلضرب وزن مخصوص خاک در ارتفاع آن تعیین می گردد که با مشخص بودن وزن مخصوص، محاسبه آن ساده است. فشار جانبی خاک در هر نقطه از ارتفاع خاک از ضرب وزن ستون خاک (Hγ) در ضریب فشار جانبی خاک (K) تعیین می‌گردد.

ضریب فشار جانبی خاک پارامتر بسیار پیچیده‌ای است که طراح سازه با توجه به شرایط مختلف مانند نوع خاکریز، شکل‌پذیری دیوار، مقدار تراکم، میزان رطوبت و … از حدود 0/3 (برای مصالح دانه ای شل) تا 1 (برای رس مرطوب) انتخاب می‌نماید [2]. از میان شرایط فوق مهمترین عامل، وجود آب زیر زمینی در پشت دیوار حائل و تدابیر اتخاذ شده برای زهکشی آن و جلوگیری از انباشت آن در پشت دیوار حائل می باشد. توجه داشته باشید که در طراحی دیوار حائل فرض بر این است که تدابیر کامل برای زهکشی دیوار اتخاذ شده است.

با توجه به اینکه بهترین نوع مصالح خاکریز، مصالح دانه ای بدون چسبندگی (نظیر ماسه و شن) با زهکشی کامل می باشد، در طراحی و ارائه مدارک، معمول است که چنین مصالحی برای خاکریز پشت دیوار در نظر گرفته شود.

بصورت کلی اگر دیوار حائل صلبیت داشته باشد مثلا دیوار پشت‌بند دار، از ضریب فشار خاک در حالت سکون (K₀) استفاده می‌گردد اما در صورت وجود انعطاف‌پذیری دیوار و ایجاد مقداری تغییر شکل در آن، می‌توان از  ضریب فشار خاک در حالت محرک (K_a) استفاده کرد که بعلت کوچکتر بودن آن از مقدار K₀، طرح دیوار اقتصادی تر خواهد شد.

نکته: طبق بند 7-5-4-3-5 مقررات ملی ساختمان ویرایش 92، در دیوارهای زیر زمین که انتهای آنها به سقف و ستونها متصل است، در شرایط بارگذاری استاتیکی باید از فشار خاک در حالت سکون استفاده شود.

پس در صورتی که دیوار به مقداری تغییر شکل دهد (این میزان در آیین‌نامه‌ها به اندازه 0/2 درصد ارتفاع دیوار (0.002H) در خاکهای دانه‌ای و 2 درصد ارتفاع دیوار (0.02H) در خاکهای چسبنده ذکر شده است)، می‌توان از ضریب فشار محرک (K_a) استفاده نمود. طبق تئوری ارائه شده توسط رانکین، رابطه  K_a بصورت زیر تعیین می‌گردد:

(K_a = tan ² (45 – φ/2

در رابطه بالا φ زاویه اصطکاک داخلی خاک می‌باشد.

در صورت وجود چسبندگی در خاک، نیروی محرک خاک مورد استفاده برای طراحی در واحد طول دیوار از رابطه زیر بدست می‌آید:

(Pa = 0.5H(γHK_a – 2c

در رابطه بالا H ارتفاع دیوار، γ وزن مخصوص خاک و c چسبندگی خاک است. نکته مهم اینکه محل اعمال نیروی محرک خاک H/3 از پای دیوار می باشد.

نکته: در تئوری های کولمب و رانکین، فشار مقاوم خاک [Passive] هنگامی رخ می دهد که دیوار به سمت خاک متمایل گردد. بعبارت دیگر خاک در برابر تغییر شکل دیوار مقاومت نماید.

 

نیروی ناشی از سربار

بارگذاری روی خاکریز از قبیل کفسازی، شیب‌بندی، بارهای زنده ناشی از ترافیک جاده‌ای و … موجب افزایش تنش‌های عمودی خاک می‌گردد که نهایتا بارهای افقی وارد بر دیوار را افزایش می‌دهد. نحوه محاسبه این بارها بصورت زیر می‌باشد.

در شکل بالا P1 نیروی وارد بر دیوار ناشی از سربار خاکریز و P2 نیروی وارد بر دیوار ناشی از وزن خاکریز (توضیح داده شده در قسمت قبل) می‌باشد. W مقدار وزن سطحی سربار است. مقدار P1 از رابطه زیر محاسبه می‌گردد:

P1 = Ka×H×W

 

بارهای محوری

این بارها دارای مزیت می‌باشند زیرا مقاومت در برابر واژگونی از طریق بارهای محوری موجود در دیوار تامین می‌گردد. بارهای محوری در انواع زیر می‌باشد:

– بارهای عمودی: اگر روی لبه دیوار حائل تیر یا دال نشسته باشد (مانند کوله پلها در شکل زیر)، بار ناشی از این اعضا بصورت عمودی به دیوار منتقل می‌گردد.

 

– بار خاک: این بار وزن خاک روی لبه دیوار است که بصورت نیروی محوری وارد دیوار می‌گردد.

– وزن سازه‌ای دیوار که مخصوصا برای دیوارهای وزنی عامل تعیین کننده ای می باشد.

– مولفه عمودی نیروی محرک خاک: اگر خاکریز پشت دیوار شیبدار باشد، نیروی P_a با زاویه α به دیوار وارد می‌شود که α همان شیب خاکریز است. به این ترتیب نیروی محرک خاک دارای مولفه قائم خواهد بود.

 

بار باد

در صورتی که ارتفاع دیوار از تراز خاکریزی بلندتر باشد، بار باد بر آن قسمت از وجه بیرون زده وارد می‌گردد که لنگر واژگونی را تشدید می‌نماید. مطابق مبحث ششم (یا ASCE 7) نیروی باد وارد بر دیوار بصورت زیر تعیین می‌شود:

P_w = I×q×C_eC_gC_p

در رابطه بالا I ضریب اهمیت، q فشار مبنای باد، Ce ضریب بادگیری، Cg ضریب اثر جهشی و Cp ضریب فشار می‌باشد.

 

بارهای ضربه‌ای

در پلهای روگذر جاده‌ای، دیوارهای حائل طرفین جاده در صورت عدم تامین مانع مناسب باید در برابر ضربه خودرو طراحی گردند.

 

نیروی جانبی لرزه‌ای خاک

در هنگام زلزله تمام نیروهای موجود به قوت خود باقی مانده و فقط دو نیروی اضافی در راستای افق و قائم ناشی از اینرسی گوه گسیختگی خاک ایجاد می‌گردد. مونونوبه – اوکابه رابطه‌ی معروفی را معرفی کرده که به روش شبه استاتیکی نیروی جانبی خاک در واحد طول دیوار ناشی از زلزله را تعیین می‌نماید. رابطه از قرار زیر است:

P_ae = 0.5γH²(1 – k_v)K_ae

K_ae = ضریب فشار جانبی محرک در حالت زلزله

طبق توصیه مرجع [3] اگر دیوار صلب نباشد، پارامتر k_h برابر نصف شتاب مبنای طرح و پارامتر k_v قابل چشم‌پوشی است. محل تاثیر برآیند فشار خاک در حالت زلزله را می‌توان با فرض آنکه نیروی استاتیک خاک در فاصله H/3 از پای دیوار و نیروی دینامیکی اضافی در فاصله 0.6H از پای دیوار اثر نماید، محاسبه نمود.

نکته: نیروی دینامیکی اضافی (ΔP_ae) برابر P_ae – P_a می باشد.

رابطه ی ساده دیگری برای ضریب فشار جانبی فعال خاک در حالت زلزله مشروط بر افقی بودن سطح خاکریز و عمود بودن سطح دیوار سمت خاکریز ارائه شده که بصورت زیر است [2]:

(K_ae = K_a + 0.75(α

در رابطه بالا ضریب آلفا برای مناطق با زلزله خیزی شدید مساوی 0/2 فرض می گردد.

بروز رسانی: 28-09-97

مراجع:

[1] “اصول مهندسی ژئوتکنیک”. براجا، داس.

[2] “طراحی سازه‌های بتنی – جلد دوم”. طاحونی، شاپور.

[3] “نشریه 463 – آيين نامه طرح پلهای راه و را ه آهن در برابر زلزله”. معاونت برنامه ريزي و نظارت راهبردي رييس جمهور.

اگر بدنبال آموزش جامع طراحی دیوار حائل می باشید، آموزش سه قسمتی طراحی دیوار حائل به شما پیشنهاد می گردد.