تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان

تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان

الزامات اين بخش مربوط به تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان دائم و موقت نظير ديوارهاي وزني، سپرگونه، خاك مسلح و ميل مهاري و ميخكوبي است.

۲- انواع سازه هاي نگهبان در مقاله تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان

جهت نگهداري خاك مي توان از انواع ساز ههاي نگهبان كه از نظر عملكرد به پنج گروه وزني، سپرگونه، خاك مسلح و ميل مهاري و ميخكوبي و يا به صورت ديوار زيرزمين استفاده نمود.

۲-۱- ديوارهاي با عملكرد وزني

اين ديوارها معمولاً با سازه صلب احداث مي شوند كه شامل ديوارهاي وزني، نيمه وزني، پشت بند دار و طره اي مي باشد. در اين ديوارها معمولاً وزن عامل اصلي پايداري مي باشد.

۲-۲- ديوارهاي سپر گونه

اين ديوارها شامل سپرها، شمع هاي رديفي و غيره مي باشند كه مي توانند به دو صورت مهار شده و مهار نشده باشند. مهارها مي توانند از پشت يا جلوي ديوار اجرا شوند. در اين ديوارها عامل اصلي پايداري، عمق مدفون، مقاومت خمشي و در صورت وجود عناصر مهاري مي باشد.

۲-۳- خاك مسلح

در اين ديوارها خاك توسط تسم ههاي فلزي، ورق هاي پليمري و يا پارچه گونه ها مسلح مي شوند.

۲-۴- ميل مهاري و ميخكوبي

در اين نوع ديوارها نيروي جانبي توسط توده خاك مسلح كه با ميخ يا مهار به خاكريز پشت دوخته شده، تحمل مي گردد.

۲-۵- ديوار زير زمين

ديوارهاي زيرزمين به يكي از دو صورت ذيل اجرا مي شود و نكات مطرح شده در بند هاي بعدي بايد مورد توجه باشد.

۱) ديوارهاي مستقل: ديوارهايي كه در زيرزمين اجرا مي شود و هيچ گونه اتصالي با ستون، تير و سقف سازه ندارد.

۲) ديوارهاي متصل: ديوارهايي كه به ستون ها و سقف ها و يا بخشي از آن ها متصل مي باشد و از نظر سازه اي با آن ها به صورت يكپارچه عمل مي كنند.

۳- پايداري انواع سازه هاي نگهبان در مقاله تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان

۳-۱- حالت هاي حدي ديوارهايي كه عملكرد وزني دارند

براي طراحي ديوارهاي وزني بايد حالت هاي حدي زير كنترل شود :

۱) مقابله با لغزش

۲) مقابله با واژگوني

۳) تامين ظرفيت باربري پي زير ديوار

۴) بررسي پايداري كلي ديوار

۵) كنترل سازه اي ديوار در برابر خمش و برش

۶) كنترل نشست

۳-۲- حالت هاي حدي ديوارهاي سپر گونه

۳-۲-۱- براي طراحي ديوارهاي مهار شده از پشت بايد حالت هاي حدي شكل زیر كنترل شود.

۳-۲-۲- جهت تحليل ديوارهاي مهار نشده بايد تمام حالت هاي حدی ۴ تا ۱۰ نشان داده شده در شكل بالا بدون در نظر گرفتن مهارها کنترل گردند.

۳-۲-۳- ديوار مهار شده از جلو می تواند با مهارهای مایل یا متقابل باشد. در دیوار با مهار متقابل و مایل، حالت هاي حدی علاوه بر موارد فوق باید کمانش مهار ها ، بالا آمدگي كف گود و جوشش ماسه در كف گود نيز بررسي شود.

۳-۳- حالت هاي حدي دیوارهای خاک مسلح

براي طراحي ديوارهاي خاك مسلح بايد حالت های حدی نشان داده شده در شکل زیر کنترل شود :

۴- فشار خاک در مقاله تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان

۴-۱- كليات

در تعيين فشارهای طراحی خاک، بايد مقدار حرکت و کرنش قابل قبولی که ممکن است در سازه های نگهبان در حالت حدی مورد نظر پیش آید، در نظر گرفته شود.

در محاسبه مقادیر و جهت های فشارهای طراحی خاک، موارد زیر نیز باید مورد توجه قرار گیرند :

۱) سربار روی سطح و شیب زمین

۲) زاویه دیوار نسبت به خط قائم

۳)‌ سفره های آب و نیروهای آّب نشتی در زمین

۴) مقدار و جهت حرکت دیوار نسبت به خاک

۵) تعادل افقی و قائم برای کل سازه نگهبان

۶) مقاومت برشی و وزن مخصوص زمین

۷) زبری دیوار

۴-۲- تعيين فشار خاك در حالات مختلف

۴-۲-۱- فشار خاك در حالت سكون

اين فشار در حالتي ايجاد مي شود كه ديوار نسبت به خاك پشت ديوار تقريباً هيچ حركتي ندارد و خاك در اين وضعيت در حالت تنش سكون قرار دارد. فشار در حالت سكون معمولا در شرايطي كه حركت جانبي ديوار نسبت به زمين كمتر از ۰۰۰۰۵/۰ برابر ارتفاع آن است، ايجاد مي گردد.

۴-۲-۲- فشار در حالت محرك و مقاوم خاك

در شرايطي كه حركت ديوار نسبت به خاك در حدود مقادير جدول زیر باشد، ميزان فشار وارده از خاك در حالت محرك يا مقاوم مي باشد. با احتساب تغييرمكان ديوار معادل مقادير زير، براي محاسبه فشارهاي فوق مي توان از روابط رانكين يا كولمب استفاده نمود.

۴-۲-۳- فشار خاك در خاكريز متراكم شده

در مواردي كه خاك پشت ديوار به صورت لايه لايه خاكريزي و متراكم مي شود، فشار افزوده اي در خاك به وجود مي آيد. براي تعيين اين فشار افزوده بايد مراحل تراكم خاك در نظر گرفته شود و در محاسبه فشار خاك، اثر ناشي از وزن غلتك به حساب آورده شود.

۴-۲-۴- فشار خاك تحت شرايط خاص

فشار آب، فشار ريشه گياهان، فشار ناشي از تورم خاك، فشار ناشي از يخبندان و فشار برخاست نيز در صورتي كه وجود داشته باشند بايد در نظر گرفته شود. همچنين چنانچه احتمال بروز ترك كششي وجود داشته باشد بايد در محاسبه فشار مد نظر قرار گيرد.

۴-۲-۵- فشار حالت محرك و مقاوم در شرايط ديناميكي

۴-۲-۵-۱- در صورت وجود زلزله، فشار جانبي خاك را مي توان از روش هاي شبه استاتيكي مانند روابط مونونوبه اكابه محاسبه و اين مقادير در محاسبات پايداري و سازه اي ديوار منظور شود. همچنين نقطه اثر اضافه فشار ديناميكي بين ۴۵/۰ تا ۶/۰ ارتفاع ديوار از پاي ديوار در نظر گرفته شود. هر چه صلبيت ديوار بيشتر باشد مقادير كوچكتر نقطه اثر اختيار مي شود.

۴-۲-۵-۲- اضافه فشار مقاوم با اثر مساعد در پايداري ديوار، در شرايط زلزله ناديده گرفته شود.

۴-۲-۵-۳- فشار آب در شرايط زلزله بايد بر اساس نوع خاك و ميزان نفوذپذيري در محاسبات در نظر گرفته شود.

۴-۳- تعيين فشار خاك در پشت ديوار

۴-۳-۱- در ديوارهايي كه به دلايل انعطاف پذيري سازه اي و يا لغزش افقي، تغييرشكل به اندازه كافي (طبق جدول ۱ ) مي تواند اتفاق افتد، بايد از فشار خاك در حالت محرك استفاده شود.

۴-۳-۲- در ديوارهايي كه به دلايل انعطا فپذيري سازه اي و يا لغزش افقي، تغييرشكل رخ داده اما به اندازه كافي جهت بسيج شدن نيروي محرك نباشد بايد از فشار خاك در حالت سكون استفاده شود.

۴-۳-۳- در ديوارهاي طره اي يا ديوارهاي سپري بدون مهار يا مهارشده با يك ميل مهار از پشت بايد از فشار خاك در حالت محرك با توزيع مثلثي استفاده شود. چنانچه مهارهاي پشت زياد باشد، مي توان توزيع فشار خاك را با تحليل هاي عددي يا روش هاي تجربي به دست آورد.

۴-۳-۴- در ديوارهاي سپري مهار شده با چند تيرك افقي يا مايل از جلو، بايد از توزيع فشار ذوزنقه اي يا مستطيلي استفاده شود.

۴-۳-۵- در ديوارهاي زيرزمين كه انتهاي آن ها به سقف متكي هستند در شرايط بارگذاري استاتيكي بايد از فشار خاك در حالت سكون استفاده شود.

۴-۳-۶- در ديوارهاي زيرزمين كه انتهاي آن ها به سقف متكي هستند در شرايط بارگذاري لرزهاي بايد از جدول ۱ استفاده شود. سختي يا نرمي خاك، با توجه به خصوصيات خاك، ارتفاع ديوار و ارتفاع ساختمان بر اساس قضاوت مهندسي انتخاب گردد.

۴-۳-۷- فشار جانبي خاك در هنگام زلزله، با دو مولفه در تركيبات بارگذاري در نظر گرفته مي شود.

فشار خاك در حالت استاتيكي + اضافه فشار خاك هنگام زلزله = فشار خاك در هنگام زلزله

۴-۳-۸- طراح مي تواند جهت تعيين فشار خاك در هنگام زلزله بر روي ديوار پروژة خود از مدل سازي عددي توسط نرم افزارهاي معتبر صحت سنجي شده استفاده نمايد.

۵- روش هاي طراحي سازه هاي نگهبان

طراح مي تواند هر يك از دو روش تنش مجاز و يا حالات حدي را انتخاب كند و جهت طراحي ديوار استفاده نمايد.

۵-۱- تنش مجاز

حداقل ضرايب اطمينان براي انواع سازه هاي نگهبان در زير ارائه شده است.

۵-۱-۱- حداقل ضرايب اطمينان ديوارهاي وزني

مقادير حداقل ضريب اطمينان براي اين گونه ديوارها در جدول ۳ آمده است.

۱) در اين ديوارها برآيند بار قائم در تراز پي بايد در ۳۳/۰ مياني پي باشد يعني حداكثر خروج از مركزيت در تراز كف پي ۱۶/۰ است و هيچ قسمت از پي به كشش نيفتد. خروج از مركزيت در ساير ترازها براي ديوارهاي وزني متشكل از قطعات بلوك بتني كافي است از ۲۵/۰ بيشتر نشود، يعني بخش كوچكي از پي به كشش بيفتد.

۲) در صورتي كه در پايداري در برابر لغزش نيروي مقاوم خاك جلوي ديوار لحاظ گردد بايد از ضريب اطمينان ۲ استفاده شود.

۵-۱-۲- حداقل ضرايب اطمينان ديوارهاي سپرگونه

جهت بررسي پايداري ديوار سپري مي توان فقط يكي از ضرايب اطمينان زير را استفاده كرد :

الف – واژگوني : ضرايب اطمينان مشابه جدول ۳ مي باشد.

ب- لغزش افقي: ضريب اطمينان حدود ۵/۱ تا ۲ بر فشار جانبي مقاوم جلوي سپر اعمال مي شود تا مقدار نيروي مقاوم جلوي سپر كاهش مييابد. اين مقدار ضريب اطمينان براي خاك هاي تحكيم يافته بايد بزرگتر از ۲ باشد.

ج – افزايش عمق گيرداري سپر: در روش تنش مجاز، طول مورد نياز نفوذ سپر در خاك، در ضريب ۵/۱ ضرب مي شود.

۵-۱-۲-۱- ضريب اطمينان مهار

الف – در صورتي كه ديوار سپري مهار شده باشد، جهت محاسبه باربري مجاز مهارهاي تزريقي در سنگ و خاك به ترتيب از ضرايب اطمينان ۴ و ۳ استفاده شود. اگر ميل مهار به شمع متصل باشد، آنگاه ضريب اطمينان شمع به كار مي رود و اگر به سپر ديگر متصل باشد، ضريب اطمينان مشابه سپرها انتخاب مي گردد.

ب – طراحي تيرك هاي متقابل و مايل بايد مطابق با مباحث نهم و دهم مقررات ملّي ساختمان براي اجزا بتني يا فولادي باشد.

۵-۱-۳-  حداقل ضريب اطمينان ديوارهاي خاك مسلح

الف) ضريب اطمينان كلي ديوار

ضرايب اطمينان مرتبط با پايداري خارجي اين ديوارها مشابه ضرايب اطمينان ديوارهاي صلب (وزني –جدول ۳) مي باشد. البته ضريب اطمينان مربوط به ظرفيت باربري پي ديوار برابر ۲ مي باشد.

۵-۱-۴- كنترل تغييرشكل

الف- در طراحي سازه هاي نگهبان در روش تنش مجاز علاوه بر كنترل ضرايب اطمينان به شرح بالا بايد تغييرشكل ها نيز كنترل شوند. در شرايط استاتيكي جهت محاسبه تغيير مكان ايجاد شده در سازه هاي نگهبان و خاكريز پشت ديوار و كنترل ساير شرايط بهره برداري (مانند لرزش ها و نظاير آن) بايد تغييرمكان ايجاد شده محاسبه و سپس با توجه به تاسيسات و نوع سازه مورد استفاده، تغييرمكان بدست آمده از مقدار مجاز كمتر باشد.

ب) تغييرشكل هاي ديوار بايد در شرايط لرزه اي نيز كنترل شود. در شرايط لرزه اي با استفاده از روش هايي مانند بلوك لغزان نيومارك يا مدل سازي عددي تغييرشكل هاي ديوار محاسبه شوند.

۵-۲- روش حالات حدي

۵-۲-۱- در كليه ديوارها، تركيب بار و ضرايب بارگذاري بايد منطبق بر مباحث ششم، نهم و دهم مقررات ملّي ساختمان (بر حسب مورد) باشد. ضرايب تقليل مقاومت در انواع سازه هاي نگهبان در جداول ۴ تا ۷ آمده است.

۵-۲-۲- در تركيب هاي بارگذاري در شرايط زلزله، فقط اضافه فشار خاك هنگام زلزله به عنوان بخشي از نيروهاي زلزله (E) لحاظ مي گردد. در اين حالت تركيب بارگذاري، فشار خاك در شرايط استاتيكي به عنوان بار مرده (D) محسوب مي گردد.

۵-۲-۳- در تركيب هاي بارگذاري در شرايط استاتيكي با حضور وزن خاك، كافيست فشار خاك در شرايط استاتيكي به عنوان فشار خاك (H) لحاظ گردد.

۵-۲-۴- ضرايب كاهش مقاومت در ديوارهاي وزني

در ديوارهايي كه عملكرد وزني دارند جهت كاهش مقاومت از ضرايب جدول ۴ استفاده مي شود.

۵-۲-۵- ضرايب تقليل نيروي مقاوم در ديوارهاي سپرگونه

در ديوارهايي كه عملكردي مانند سپر دارند جهت كاهش نيروي مقاوم از ضرايب جدول ۵ استفاده مي شود.

۵-۲-۶- ضرايب كاهش نيروي مقاوم در خاكريزها و شيرواني ها

در ترانشه ها جهت كاهش نيروي مقاوم از ضرايب جدول ۶ استفاده مي شود.

۵-۲-۷- ضرايب كاهش نيروي مقاوم در ديوارهاي خاك مسلح

در ديوارهاي خاك مسلح جهت بررسي پايداري خارجي از ضرايب ارائه شده در جدول ۴ استفاده شود و جهت كاهش نيروي مقاوم در بررسي مسلح كننده ها از ضرايب جدول ۷ استفاده مي شود.

۵-۶- مهاربندي در مقاله تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان

۵-۶-۱- كليات

مهاربندي ها به عناصر سازه اي اطلاق مي شوند كه براي نگهداري سازه هاي نگهبان و انتقال نيروي كششي از آن ها به يك تشكيلات باربر خاكي يا سنگي مورد استفاده قرار مي گيرند.

مهاربندي ها شامل انواع زير مي باشند:

الف – سيستم هاي متشكل از يك سر مهاري، يك طول آزاد مهاري و يك طول ثابت مهاري كه با عمل تزريق در زمين تثبيت مي شوند.

در اين مهارها مي توان از رزين، سيمان و يا بتن جهت تزريق استفاده شود. در صورتي كه از مهارهاي رزيندار استفاده شود ميتوان ۲ ساعت پس از اجرا، آزمايش هاي مربوطه را انجام داد. همچنين تزريق بتن بايد در مهارهاي با قطر زياد (بيشتر از ۲۵ سانتيمتر) انجام شود.

ب – سيستم هاي متشكل از يك سر مهاري، يك طول ثابت مهاري ولي طول آزاد مهاري ندارد. اين سيستم به نام ميخ مهاري معروف هستند.

پ – سيستم هاي متشكل از يك سر مهاري، يك طول آزاد مهاري و يك مهار بتني يا فلزي در انتهاي مهار.

ت – سيستم هاي متشكل از يك مهار پيچ و يك كلاهك مهاربندي.

از مهاربندي ها مي توان به عنوان عناصر موقتي يا دايمي سازه نگهبان استفاده كرد. مهاربندي هايي كه بيشتر از دو سال مورد استفاده قرار مي گيرند بايد به عنوان مهاربندي هاي دايمي طراحي شوند.

۵-۶-۲- طراحي مهارها

۵-۶-۲-۱- براي طراحي مهارها در حالات حدي نهايي ساز و كار گسيختگي بايد تحليل و بررسي شود :

الف – شكست سازه اي مهار يا سر مهارها

ب – اعوجاج يا خوردگي سر مهار

پ – در مهارهاي تزريق شده، گسيختگي در ناحيه بين خاك و مصالح تزريق شده

ت – در مهارهاي تزريق شده، گسيختگي در ناحيه بين ميله مهار و مصالح تزريق شده دور آن

ث – در مهارهايي كه با سيستم بار مرده كار مي كنند، گسيختگي به جهت عدم مقاومت كافي بار مرده

ج – از دست دادن باربري مهار به جهت تغييرشكل زياد، چرخش سر مهار و يا خزش

۵-۶-۲-۲- مشخصات كابل هاي پيش تنيدگي و ميلگردهايي كه براي مهاربندي به كار گرفته مي شوند، بايد بر اساس آيين نامه هاي سازه اي مربوطه تعيين شوند. طول آزاد مهاربندي ها نبايد كمتر از ۵ متر انتخاب گردد.

۵-۶-۲-۳- در مهاربندي هايي كه تمام يا قسمتي از آن ها در خارج از زمين ساختگاه قرار مي گيرند بايد به احتمال قطع آن ها در طول عمر سازه نگهبان توجه ويژه داشت و تمهيدات لازم براي جلوگيري از آن را پيش بيني كرد.

۵-۶-۲-۴- براي جلوگيري از خوردگي قسمت آزاد سر مهاربندي ها بايد تزريق شده و با لاستيك هاي گريس دار و پوشش مناسب حفظ گردد.

۵-۶-۲-۵- طراحي اوليه مهارها بايد بر اساس روش هاي تئوري انجام شود و طراحي نهايي بر اساس آزمايش هاي حين نصب صورت پذيرد.

۵-۶-۳- آزمايش مهارها

پس از نصب مهارها بايد از رسيدن ميزان باربري آن ها به حد مورد نظر اطمينان حاصل شود. برخي از مهارها به ميزان باربري مورد نظر مي رسند اما پس از مدتي باربري خود را از دست مي دهند. لذا براي كنترل كارايي مهارها بايد آزمايش هاي عملكرد، باربري و خزش بر روي آن ها انجام شود.

۵-۶-۳-۱- آزمايش باربري و خزش

در پروژه بايد مطابق با جدول زير آزمايش باربري مهارها انجام شود :

انتهاي كليه آزمايش هاي فوق آزمايش خزش انجام گيرد.

اگر در آزمايش هاي فوق مهاري زير ۲۰۰ % بار طراحي گسيخته شود بايد طراحي مجدداً انجام شود. در صورتي كه مهارها به صورت موقت استفاده شوند مي توان به جاي ۱۵۰ % در بار ۱۲۵ % بار طراحي آزمايش ها انجام شود.

آزمون هاي فوق بايد با بارگذاري- باربرداري جهت تعيين عملكرد مهارها انجام شود. هر پله بارگذاري و باربرداري حداقل ۲۵ % بار طراحي باشد.

در پروژه بايد مطابق با جدول زير آزمايش خزش انجام شود :

در صورتي كه مهارها به صورت موقت استفاده شوند مي توان به جاي ۱۵۰% در بار ۱۲۵% بار طراحي آزمايش ها انجام شود.

۵-۷- خاكريز پشت ديوار

بهترين نوع مصالح براي خاكريزي، خاك هاي GW ، GP ، SW و SP مي باشند.

در صورتي مي توان از خاك هاي GM ، GC ، SM و SC استفاده كرد كه بتوان از سيستم هاي زهكشي مناسب استفاده و خاك را همواره در شرايط غير اشباع و رطوبت كم نگه داشت.

انواع ديگر خاك ها جهت استفاده به عنوان خاكريز مناسب نمي باشند، مگر آنكه تمهيدات لازم با نظر مشاور ذيصلاح (مانند روشهاي تثبيت با آهك، سيمان و غيره و تامين زهكشي) ديده شده باشد.

۵-۸- زهكشي و آب بندي ديوارها

۵-۸-۱- اگر فشار هيدرواستاتيكي آب و يخ در طراحي ديوار ديده نشده است ضروري است سيستم زهكش و فيلتر مناسب در پشت ديوار استفاده شود.

۵-۸-۲- ديوارهاي زيرزمين بايد به صورت آب بندي شده طراحي شوند و فشار احتمالي آب در طراحي لحاظ شود.

تهیه کننده مقاله تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان : خانم دنیا خضرائی (کارشناس ارشد سازه)

انتشارات نوآور

ناشر تخصصی کتب نظام مهندسی و عمران

تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان

شاید این مطالب را هم دوست داشته باشید:

0 نظر در مورد «تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان»

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *