تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان

الزامات اين بخش مربوط به تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان دائم و موقت نظير ديوارهای وزنی ، سپرگونه، خاك مسلح و ميل مهاری و ميخكوبی است.

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

جهت نگهداری خاك می توان از انواع ساز ه های نگهبان كه از نظر عملكرد به پنج گروه وزنی ، سپرگونه، خاك مسلح و ميل مهاری و ميخكوبی و يا به صورت ديوار زيرزمين استفاده نمود.

۲-۱- ديوارهای با عملكرد وزنی

اين ديوارها معمولاً با سازه صلب احداث می شوند كه شامل ديوارهای وزنی ، نيمه وزنی ، پشت بند دار و طره ای می باشد. در اين ديوارها معمولاً وزن عامل اصلی پايداری می باشد.

۲-۲- ديوارهای سپر گونه

اين ديوارها شامل سپرها، شمع های رديفی و غيره می باشند كه می توانند به دو صورت مهار شده و مهار نشده باشند. مهارها می توانند از پشت يا جلوی ديوار اجرا شوند. در اين ديوارها عامل اصلی پايداری، عمق مدفون، مقاومت خمشی و در صورت وجود عناصر مهاری می باشد.

۲-۳- خاك مسلح

در اين ديوارها خاك توسط تسمه های فلزی، ورق های پليمری و يا پارچه گونه ها مسلح می شوند.

۲-۴- ميل مهاری و ميخكوبی

در اين نوع ديوارها نيروی جانبی توسط توده خاك مسلح كه با ميخ يا مهار به خاكريز پشت دوخته شده، تحمل می گردد.

۲-۵- ديوار زير زمين

ديوارهای زيرزمين به يكی از دو صورت ذيل اجرا می شود و نكات مطرح شده در بند های بعدی بايد مورد توجه باشد.

۱) ديوارهای مستقل: ديوارهايی كه در زيرزمين اجرا می شود و هيچ گونه اتصالی با ستون، تير و سقف سازه ندارد.

۲) ديوارهای متصل: ديوارهايی كه به ستون ها و سقف ها و يا بخشی از آن ها متصل می باشد و از نظر سازه ای با آن ها به صورت يكپارچه عمل می كنند.

۳- پايداری انواع سازه های نگهبان در مقاله تحلیل و طراحی سازه‌های نگهبان

۳-۱- حالت های حدی ديوارهايی كه عملكرد وزنی دارند

براي طراحی ديوارهای وزنی بايد حالت های حدی زير كنترل شود :

۱) مقابله با لغزش

۲) مقابله با واژگونی

۳) تامين ظرفيت باربری پی زير ديوار

۴) بررسی پايداری كلی ديوار

۵) كنترل سازه ای ديوار در برابر خمش و برش

۶) كنترل نشست

۳-۲- حالت های حدی ديوارهای سپر گونه

۳-۲-۱- برای طراحی ديوارهای مهار شده از پشت بايد حالت های حدی شكل زیر كنترل شود.

۳-۲-۲- جهت تحليل ديوارهای مهار نشده بايد تمام حالت های 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 های حدی علاوه بر موارد فوق باید کمانش مهار ها ، بالا آمدگی كف گود و جوشش ماسه در كف گود نيز بررسی شود.

۳-۳- حالت های حدی دیوارهای خاک مسلح

براي طراحي ديوارهای 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 حالتی ايجاد می شود كه ديوار نسبت به خاك پشت ديوار تقريباً هيچ حركتی ندارد و خاك در اين وضعيت در حالت تنش سكون قرار دارد. فشار در حالت سكون معمولا در شرايطی كه حركت جانبی ديوار نسبت به زمين كمتر از ۰۰۰۰۵/۰ برابر ارتفاع آن است، ايجاد می گردد.

۴-۲-۲- فشار در حالت محرك و مقاوم خاك

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

۴-۲-۳- فشار خاك در خاكريز متراكم شده

در مواردی كه خاك پشت ديوار به صورت لايه لايه خاكريزی و متراكم می شود، فشار افزوده ای در خاك به وجود می آيد. براي تعيين اين فشار افزوده بايد مراحل تراكم خاك در نظر گرفته شود و در محاسبه فشار خاك، اثر ناشی از وزن غلتك به حساب آورده شود.

۴-۲-۴- فشار خاك تحت شرايط خاص

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

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

۴-۲-۵-۱- در صورت وجود زلزله، فشار جانبی خاك را می توان از روش های شبه استاتيكي مانند روابط مونونوبه اكابه محاسبه و اين مقادير در محاسبات پايداری و سازه ای ديوار منظور شود. همچنين نقطه اثر اضافه فشار ديناميكی بين ۴۵/۰ تا ۶/۰ ارتفاع ديوار از پای ديوار در نظر گرفته شود. هر چه صلبيت ديوار بيشتر باشد مقادير كوچكتر نقطه اثر اختيار می شود.

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

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

۴-۳- تعيين فشار خاك در پشت ديوار

۴-۳-۱- در ديوارهايی كه به دلايل انعطاف پذيری سازه ای و يا لغزش افقی ، تغييرشكل به اندازه كافی (طبق جدول ۱ ) می تواند اتفاق افتد، بايد از فشار خاك در حالت محرك استفاده شود.

۴-۳-۲- در ديوارهايی كه به دلايل انعطا ف پذيری سازه ای و يا لغزش افقی ، تغييرشكل رخ داده اما به اندازه كافی جهت بسيج شدن نيروی محرك نباشد بايد از فشار خاك در حالت سكون استفاده شود.

۴-۳-۳- در ديوارهای طره ای يا ديوارهای سپری بدون مهار يا مهارشده با يك ميل مهار از پشت بايد از فشار خاك در حالت محرك با توزيع مثلثی استفاده شود. چنانچه مهارهای پشت زياد باشد، می توان توزيع فشار خاك را با تحليل های عددی يا روش های تجربی به دست آورد.

۴-۳-۴- در ديوارهای سپری مهار شده با چند تيرك افقی يا مايل از جلو، بايد از توزيع فشار ذوزنقه ای يا مستطيلی استفاده شود.

۴-۳-۵- در ديوارهای زيرزمين كه انتهای آن ها به سقف متكی هستند در شرايط بارگذاری استاتيكی بايد از فشار خاك در حالت سكون استفاده شود.

۴-۳-۶- در ديوارهای زيرزمين كه انتهای آن ها به سقف متكی هستند در شرايط بارگذاری لرزهای بايد از جدول ۱ استفاده شود. سختی يا نرمی خاك، با توجه به خصوصيات خاك، ارتفاع ديوار و ارتفاع ساختمان بر اساس قضاوت مهندسي انتخاب گردد.

۴-۳-۷- فشار جانبی خاك در هنگام زلزله، با دو مولفه در تركيبات بارگذاری در نظر گرفته می شود.

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

۴-۳-۸- طراح می تواند جهت تعيين فشار خاك در هنگام زلزله بر روی ديوار پروژه خود از مدل سازی عددی توسط نرم افزارهای معتبر صحت سنجی شده استفاده نمايد.

۵- روش های طراحی سازه های نگهبان

طراح می تواند هر يك از دو روش تنش مجاز و يا حالات حدی را انتخاب كند و جهت طراحی ديوار استفاده نمايد.

۵-۱- تنش مجاز

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

۵-۱-۱- حداقل ضرايب اطمينان ديوارهای وزنی

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

۱) در اين ديوارها برآيند بار قائم در تراز پی بايد در ۳۳/۰ ميانی پی باشد يعنی حداكثر خروج از مركزيت در تراز كف پي ۱۶/۰ است و هيچ قسمت از پی به كشش نيفتد. خروج از مركزيت در ساير ترازها برای ديوارهای وزنی متشكل از قطعات بلوك بتنی كافی است از ۲۵/۰ بيشتر نشود، يعني بخش كوچكی از پی به كشش بيفتد.

۲) در صورتی كه در پايداری در برابر لغزش نيروی مقاوم خاك جلوی ديوار لحاظ گردد بايد از ضريب اطمينان ۲ استفاده شود.

۵-۱-۲- حداقل ضرايب اطمينان ديوارهای سپرگونه

جهت بررسی پايداری ديوار سپری می توان فقط يكی از ضرايب اطمينان زير را استفاده كرد :

الف – واژگونی : ضرايب اطمينان مشابه جدول ۳ می باشد.

ب- لغزش افقی: ضريب اطمينان حدود ۵/۱ تا ۲ بر فشار جانبی مقاوم جلوی سپر اعمال می شود تا مقدار نيروی مقاوم جلوی سپر كاهش مي يابد. اين مقدار ضريب اطمينان برای خاك های تحكيم يافته بايد بزرگتر از ۲ باشد.

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

۵-۱-۲-۱- ضريب اطمينان مهار

الف – در صورتی كه ديوار سپری مهار شده باشد، جهت محاسبه باربری مجاز مهارهای تزريقی 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 می رود و اگر به سپر ديگر متصل باشد، ضريب اطمينان مشابه سپرها انتخاب می گردد.

ب – طراحی تيرك های متقابل و مايل بايد مطابق با مباحث نهم و دهم مقررات ملّی ساختمان برای اجزا بتنی يا فولادی باشد.

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

الف) ضريب اطمينان كلي ديوار

ضرايب اطمينان مرتبط با پايداری خارجی اين ديوارها مشابه ضرايب اطمينان ديوارهای صلب (وزنی –جدول ۳) می باشد. البته ضريب اطمينان مربوط به ظرفيت باربری پی ديوار برابر ۲ می باشد.

۵-۱-۴- كنترل تغييرشكل

الف- در طراحی سازه های نگهبان در روش تنش مجاز علاوه بر كنترل ضرايب اطمينان به شرح بالا بايد تغييرشكل ها نيز كنترل شوند. در شرايط استاتيكی جهت محاسبه تغيير مكان ايجاد شده در سازه های نگهبان و خاكريز پشت ديوار و كنترل ساير شرايط بهره برداری (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 های ديوار بايد در شرايط لرزه ای نيز كنترل شود. در شرايط لرزه ای با استفاده از روش هايی مانند بلوك لغزان نيومارك يا مدل سازی عددی تغييرشكل های ديوار محاسبه شوند.

۵-۲- روش حالات حدی

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

۵-۲-۲- در تركيب های بارگذاری در شرايط زلزله، فقط اضافه فشار خاك هنگام زلزله به عنوان بخشی از نيروهای زلزله (E) لحاظ می گردد. در اين حالت تركيب بارگذاری، فشار خاك در شرايط استاتيكی به عنوان بار مرده (D) محسوب می گردد.

۵-۲-۳- در تركيب های بارگذاری در شرايط استاتيكی با حضور وزن خاك، كافيست فشار خاك در شرايط استاتيكی به عنوان فشار خاك (H) لحاظ گردد.

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

در ديوارهايی كه عملكرد وزنی دارند جهت كاهش مقاومت از ضرايب جدول ۴ استفاده می شود.

۵-۲-۵- ضرايب تقليل نيروی مقاوم در ديوارهای سپرگونه

در ديوارهايی كه عملكردی مانند سپر دارند جهت كاهش نيروی مقاوم از ضرايب جدول ۵ استفاده می شود.

۵-۲-۶- ضرايب كاهش نيروی مقاوم در خاكريزها و شيروانی ها

در ترانشه ها جهت كاهش نيروی مقاوم از ضرايب جدول ۶ استفاده می شود.

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

در ديوارهای خاك مسلح جهت بررسی پايداری خارجی از ضرايب ارائه شده در جدول ۴ استفاده شود و جهت كاهش نيروی مقاوم در بررسی مسلح كننده ها از ضرايب جدول ۷ استفاده می شود.

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

۵-۶-۱- كليات

مهاربندی ها به عناصر سازه ای اطلاق می شوند كه برای نگهداری سازه های نگهبان و انتقال نيروی كششی از آن ها به يك تشكيلات باربر خاكی يا سنگی مورد استفاده قرار می گيرند.

مهاربندی ها شامل انواع زير می باشند:

الف – سيستم های متشكل از يك سر مهاری، يك طول آزاد مهاری و يك طول ثابت مهاری كه با عمل تزريق در زمين تثبيت می شوند.

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

ب – سيستم های متشكل از يك سر مهاری، يك طول ثابت مهاری ولی طول آزاد مهاری ندارد. اين سيستم به نام ميخ مهاری معروف هستند.

پ – سيستم های متشكل از يك سر مهاری، يك طول آزاد مهاری و يك مهار بتنی يا فلزی در انتهای مهار.

ت – سيستم های متشكل از يك مهار پيچ و يك كلاهك مهاربندی.

از مهاربندی ها می توان به عنوان عناصر موقتی يا دايمی سازه نگهبان استفاده كرد. مهاربندی هايی كه بيشتر از دو سال مورد استفاده قرار می گيرند بايد به عنوان مهاربندی های دايمی طراحی شوند.

آموزش مبحث هفت آزمون نظام مهندسی

۵-۶-۲- طراحی مهارها

۵-۶-۲-۱- برای طراحی مهارها در حالات حدی نهايی ساز و كار گسيختگی بايد تحليل و بررسی شود :

الف – شكست سازه ای مهار يا سر مهارها

ب – اعوجاج يا خوردگی سر مهار

پ – در مهارهای تزريق شده، گسيختگی در ناحيه بين خاك و مصالح تزريق شده

ت – در مهارهای تزريق شده، گسيختگی در ناحيه بين ميله مهار و مصالح تزريق شده دور آن

ث – در مهارهايی كه با سيستم بار مرده كار می كنند، گسيختگی به جهت عدم مقاومت كافی بار مرده

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

۵-۶-۲-۲- مشخصات كابل های پيش تنيدگی و ميلگردهايی كه برای مهاربندی به كار گرفته می شوند، بايد بر اساس آيين نامه های سازه ای مربوطه تعيين شوند. طول آزاد مهاربندی ها نبايد كمتر از ۵ متر انتخاب گردد.

۵-۶-۲-۳- در مهاربندی هايی كه تمام يا قسمتی از آن ها در خارج از زمين ساختگاه قرار می گيرند بايد به احتمال قطع آن ها در طول عمر سازه نگهبان توجه ويژه داشت و تمهيدات لازم برای جلوگيری از آن را پيش بينی كرد.

۵-۶-۲-۴- برای جلوگيری از خوردگی قسمت آزاد سر مهاربندی ها بايد تزريق شده و با لاستيك های گريس دار و پوشش مناسب حفظ گردد.

۵-۶-۲-۵- طراحی اوليه مهارها بايد بر اساس روش های تئوری انجام شود و طراحی نهايی بر اساس آزمايش های حين نصب صورت پذيرد.

۵-۶-۳- آزمايش مهارها

پس از نصب مهارها بايد از رسيدن ميزان باربری آن ها به حد مورد نظر اطمينان حاصل شود. برخی از مهارها به ميزان باربری مورد نظر می رسند اما پس از مدتی باربری خود را از دست می دهند. لذا برای كنترل كارايی مهارها بايد آزمايش های عملكرد، باربری و خزش بر روی آن ها انجام شود.

۵-۶-۳-۱- آزمايش باربری و خزش

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

انتهای كليه آزمايش های فوق آزمايش خزش انجام گيرد.

اگر در آزمايش های فوق مهاری زير ۲۰۰ % بار طراحی گسيخته شود بايد طراحی مجدداً انجام شود. در صورتی كه مهارها به صورت موقت استفاده شوند می توان به جای ۱۵۰ % در بار ۱۲۵ % بار طراحی آزمايش ها انجام شود.

آزمون های فوق بايد با بارگذاری – باربرداری جهت تعيين عملكرد مهارها انجام شود. هر پله بارگذاری و باربرداری حداقل ۲۵ % بار طراحی باشد.

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

در صورتی كه مهارها به صورت موقت استفاده شوند می توان به جای ۱۵۰% در بار ۱۲۵% بار طراحی آزمايش ها انجام شود.

۵-۷- خاكريز پشت ديوار

بهترين نوع مصالح برای خاكريزی ، خاك های GW ، GP ، SW و SP می باشند.

در صورتی می توان از خاك های GM ، GC ، SM و SC استفاده كرد كه بتوان از سيستم های زهكشی 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 نمی باشند، مگر آنكه تمهيدات لازم با نظر مشاور ذيصلاح (مانند روشهای تثبيت با آهك، سيمان و غيره و تامين زهكشي) ديده شده باشد.