تنش خاک زیر پی : آموزش ساخت ترکیب بارها ونحوه کنترل درسیف بصورت گام به گام

هر سازه ای که ساخته می شود، بلااستثنا یا روی زمین قرار دارد؛ یا به وسیله پی یا شمع با زمین در ارتباط است. این موضوع در دیاگرام مسیر بار (Load Pattern Diagram) زیر نیز قابل مشاهده است. همان طور که مشخص است، آخرین جبهه ی انتقال بار،خاک زیر فونداسیون سازه است؛ در واقع بارهای وارده به سازه پس از پیمودن مسیر بار در سازه، در نهایت به زمین منتقل شده و در آن جا مستهلک می گردد.در صورتی که تنش خاک زیر پی تحت ترکیب بارهای طراحی بیش از مقدار مجاز گردد، عملکرد سازه مختل خواهد شد.

لذا تامین این مقاومت برای اطمینان از عملکرد مناسب سازه ای امری حیاتی می باشد.

مسیر انتقال بار در سازه

مسیر انتقال بار در سازه

دراین یادداشت چه می آموزیم؟

همانطور که از مکانیک خاک به خاطر داریم در صورتی که تنش خاک زیر پی از تنش قابل تحمل خاک فراتر رود، خاک باربری خود را از دست داده و دچار گسیختگی می شود. با گسیختگی خاک، هر چند خود سازه آسیب چندانی نمی بیند ولی وقوع چنین اتفاقی معمولا کارایی و عملکرد مناسب سازه را تحت الشعاع قرار می دهد.

در این یادداشت ضمن آشنایی با ترکیب بارهای کنترل تنش خاک و نکات مربوط به آن، با نحوه کنترل تنش خاک زیر پی در نرم افزار SAFE نیز آشنا خواهیم شد.

ترکیب بار کنترل تنش خاک زیر پی :

برای کنترل تنش خاک زیر پی از چه ترکیب باری استفاده کنیم؟

برای یافتن پاسخ لازم است به مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان، پی و پی سازی ، مراجعه کنیم که در بندهای زیر این موارد توضیح داده شده است:

همان طور که ذکر شده است، برای کنترل تنش خاک زیر پی لازم است از ترکیبات بار روش تنش مجاز که در مبحث ششم آمده است (ترکیبات بار مادر)، استفاده کنیم. این ترکیبات بار مادر به شرح زیر است:

چند نکته در مورد ساخت ترکیبات بار کنترل تنش خاک زیر فونداسیون:

  • در صورتی که طراحی سازه با اعمال قاعده 100-30 (صد – سی) در ترکیبات بار لرزه ای صورت گرفته باشد، در ترکیبات بار کنترل تنش خاک زیر پی نیز می بایست این قاعده اعمال گردد.
  • اگر نیروی زلزله قائم در ترکیبات بار طراحی سازه اعمال شده باشد، لازم است در ترکیبات بار کنترل تنش خاک زیر پی نیز اعمال گردد. دقت شود که بر اساس بند 3-3-9-2 استاندارد 2800، این زلزله می بایست صرفاً در حالت رو پایین (با علامت مثبت) در ترکیبات بار استفاده شود. (چرا؟)
بیشتر بدانیم

 در چه مواقعی بایستی نیروی زلزله ی قائم (Ev) در ترکیبات بار طراحی اعمال شود؟

بند 3-3-9-1 ویرایش چهارم استاندارد 2800 مواردی که بایستی اعمال نیروی زلزله ی قائم (Ev) در ترکیبات بار طراحی اعمال شود، به شرح زیر بیان کرده است:

1-      بالکن و پیش آمدگی های طره ای

2-      کل سازه ی ساختمان در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد (A = 0.35)

3-      تیرهای خاص به همراه ستون و دیوارهای تکیه گاهی آن ها

  • چنانچه سازه درجه نامعینی کافی را دارا نباشد، می بایست ضریب نامعینی سازه ρ=1.2 در ترکیبات بارگذاری طراحی سازه اعمال نمود. همین موضوع در مورد ساخت ترکیبات بارگذاری کنترل تنش خاک نیز حاکم است.

اکنون می توانیم با استفاده از ترکیبات مادر بیان شده، به ساخت ترکیبات بار لازم برای کنترل تنش خاک زیر فونداسیون بپردازیم. این ترکیبات بار را براساس خطر نسبی پهنه می توان به دو دسته ی زیر تقسیم نمود:

  • الف) ترکیبات بار کنترل تنش خاک برای شهرهای با A < 0.35 (شهرهای در پهنه با خطر نسبی زیاد، متوسط و کم) :

  • ب) ترکیبات بار کنترل تنش خاک برای شهرهای با A = 0.35 (شهرهای در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد) :

همان طور که دیده می شود، دو حالت الف و ب تنها در ترکیبات شماره 6 و 7 (SOIL6  و SOIL7 ) با هم اختلاف دارند. شاید این سوال را بپرسید که علت این تفاوت چیست؟ و این اعداد از کجا و به چه دلیلی آمده اند؟ در پاسخ به این سوال لازم است مجدداً به نکته ی 2 و قسمت «بیشتر بدانیم» که بالاتر ذکر شد، مراجعه کنیم.

همان طور که گفته شد، در مواردی که سازه در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد (A = 0.35) واقع شده باشد، لازم است نیروی زلزله ی قائم (Ev) به کل سازه اعمال شود. استاندارد 2800 مقدار این نیرو را برابر با Ev=0.6 A I Wp  عنوان می کند. این استاندارد ضریب Wp را را برابر با کل بار مرده ی ساختمان معرفی می کند.

اگر این فرمول را برای یک ساختمان مسکونی در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد (A=0.35 و I=1) محاسبه کنیم به صورت زیر خواهد بود:

Ev=0.6 A I Wp = 0.6 x 0.35 x 1 x D = 0.21D

پس مقدار نیروی زلزله ی قائم برای ساختمان مذکور 0.21 برابر بار مرده ساختمان 0.21D خواهد شد. در نهایت با اعمال ضرایب موجود در ترکیبات بار مادر می توان علت تفاوت ترکیبات بار شماره 6 و 7 را دو حالت الف و ب را به خوبی درک کرد.

Soil6 : 0.7 (AIWp)=0.7 (AID) = 0.7 (.021D) = 0.147 D

بیشتر بدانیم

 آیا راه حلی برای کاهش تعداد ترکیبات بار کنترل تنش وجود ندارد؟

همانطور که متوجه شده اید، بسط ترکیبات بار شماره ی 1 تا 8 با اعمال قاعده 100-30 و لحاظ نمودن حالت رفت و برگشتی زلزله (تغییر علامت E در ترکیبات بار) و …، باعث افزایش تعداد ترکیبات بار می شود که گاهاً مهندسین استفاده از ترکیبات بار مادر را به صورت زیر توصیه می کنند:

Soil1: D

Soil2: D+L

Soil3: 0.75 (D + L ± 0.7E)

شاید با دیدن این ترکیبات بار پیشنهادی، این سوالات در ذهن تان ایجاد شود که:

  1.      این ترکیبات بار از کجا آمده اند؟
  2.      علت وجود ضریب 0.75 در ترکیب بار Soil3 چیست؟
  3.      آیا با توجه به ضریب 0.7 که برای E که در ترکیب بار Soil3 آمده است، امکان کاهش نیروی زلزله وجود دارد!؟

برای درک بهتر، جواب سوالات فوق را به همان ترتیب بالا بیان می کنیم:

  1.      منبع ورود این ترکیبات بار، ویرایش قدیم مبحث ششم مقررات ملی می باشد. هرچند استفاده از این ترکیبات بارهای پیشنهادی کار را ساده تر می کند، ولی با توجه به تغییرات عمده ی ایجاد شده در ویرایش جدید (1392) مبحث ششم، پذیرفتن این ترکیبات بار غیرقابل قبول است. (هرچند برخی کتب، جزوات و فیلم های آموزشی همچنان استفاده از این ترکیبات بار را قابل قبول می دانند!)
  2.      آیین نامه در مواردی که ترکیب بار شامل نیروی باد یا زلزله باشد، این اجازه را به طراح می دهد که حداکثر تنش مجاز را 33% افزایش دهد (مقدار تنش مجاز را 1.33 برابر کند) و ضرایب بارها را در ترکیبات بار مادر برابر واحد در نظر بگیرد یا اینکه حداکثر تنش مجاز را برابر با مقدار واقعی خود در نظر گرفته و ضرایب بارها را در ترکیبات بار مادر ، 25% کاهش دهد (ضرایب بارها را 0.75 برابر کند).اعمال این بند به روش اول در نرم افزار ممکن نبوده و مجبور به استفاده از کاهش ضرایب بار در ترکیب بار زلزله دار هستیم و همانطور که حدس زده اید، این ضریب 0.75 همان  که خود را به این صورت در ترکیب بار مادر نشان می دهد.
  3.      همانطور که مطلع هستید در زمان استفاده از ویرایش قدیم مبحث ششم، ویرایش سوم استاندارد 2800 نیز مورد استفاده بود و محاسبه ی زلزله بر اساس ویرایش سوم این استاندارد انجام می شد. با ایجاد تغییرات جدی در ویرایش چهارم (جدید) استاندارد 2800، برای معادل سازی E با ویرایش جدید 2800 بایستی آن را در ضریب 0.7 ضرب کنیم.

Soil7: 0.525 (AIWp)=0.525 (AID) = 0.525 (.021D) = 0.11025 D

کنترل تنش خاک زیر پی در safe :

خاک ها بر اساس مشخصات خود مقدار مشخصی تنش را تحمل می کنند. این مقدار مجاز توسط آزمایشگاه ژئوتکنیک محاسبه و به صورت کتبی گزارش می شود. طراح برای کنترل تنش لازم است پی را در بحرانی ترین حالت بارگذاری، آنالیز کرده و تنش ناشی از آن را با مقدار تنش مجازی که آزمایشگاه در اختیار او قرار داده است، مقایسه کند. بدیهی است نتایج زمانی قابل قبول هستند که تنش ناشی از بارگذاری کمتر از تنش مجاز خاک زیر فونداسیون باشد.

در زیر، این مراحل را بصورت گام به گام دنبال می کنیم:

  • گام اول- ساختن ترکیبات بار متعارف کنترل تنش خاک زیر پی :

برای شروع این کار کنترل تنش خاک، پس از اتمام طراحی سازه در نرم افزار Etabs، مدل را به نرم افزار Safe منتقل خواهیم نمود. پس از Import  کردن سازه در نرم افزار Safe لازم است ترکیبات بار کنترل تنش خاک به صورت زیر ساخته شود:

ترکیب بارهای کنترل تنش خاک

ترکیب بار کنترل تنش زیر پی

سایر ترکیبات بار کنترل تنش را مانند شکل بالا خواهیم ساخت.

  • گام دوم- ایجاد یک ترکیب بار پوش (Envelope) و آنالیز پی :

پس از اتمام ساخت این ترکیبات بار لازم است پی را آنالیز کرده و تنش خاک را تحت اثر هر یک از ترکیبات کنترل کنیم.

ممکن است کنترل تنش خاک برای تک تک ترکیبات کمی وقت گیر بوده و احتمال بروز خطا را افزایش می دهد. به همین جهت توصیه می شود قبل از آنالیز پی، یه ترکیب بار پوش (Envelope) ساخته و همه ی ترکیبات بار ساخته شده در مرحله ی قبل را در داخل این ترکیب بار پوش قرار دهیم. حسن این روش آن است که خود نرم افزار از میان ترکیبات بار قرار گرفته در داخل ترکیب بار پوش، بحرانی ترین حالت آن را انتخاب و معرفی می کند. در نتیجه نیازی به کنترل تنش برای تک تک ترکیبات بار نمی باشد.

مسیر ساخت ساخت ترکیب بار پوش در نرم افزار مشابه مرحله قبل می باشد و صرفاً در پنجره باز شده ی زیر، عبارت مقابل Combination Type را به Envelope تغییر خواهیم داد. همین طور دقت شود که ضریب ترکیب بارهای Soil برابر واحد باشد.

اکنون که ترکیب بار پوش کنترل تنش خاک معرفی گردید، نوبت به آنالیز پی رسیده است.

  • گام سوم- مشاهده و کنترل نتایج :

پس اتمام آنالیز پی، از مسیر زیر برای مشاهده مقدار تنش ایجاد شده در خاک زیر پی، اقدام خواهیم کرد.

لازم است یادآوری کنیم که مقدار تنش مجاز توسط گزارش ژئوتکنیک به مهندس طراح ابلاغ می گردد و فرض ما بر این است که حداکثر تنش مجاز خاک برابر 1/5 kg/cm2 می باشد.

مشاهده تنش خاک زیر پی

پس از زدن دکمه Apply ، دیاگرام تنش خاک به صورت زیر ظاهر می گردد. همان طور که از کانتورهای رنگی تنش در شکل زیر نیز مشخص است، مقدار تنش خاک در اکثر قسمت های پی از حداکثر مجاز آن کمتر بوده و قابل قبول قرار است.

صرفاً در قسمت هایی از طول پی به صورت موضعی یا در گوشه های پی مقدار تنش کمی بیشتر از 1.5 kg/cm2 شده است که باتوجه به ابعاد کوچک آن ها، قابل صرف نظر است. در نهایت می توان گفت خاک زیر فونداسیون برای تنش های وارده از سوی سازه جوابگوست.

دیاگرام تنش خاک زیر پی

منحنی های هم تنش

توزیع تنش در خاک

 

یک ترفند ساده

در مواردی که کانتورهای تنش تنوع رنگی بیشتری دارد (محدوده تغییرات تنش در سطح پی گسترده است) و تعیین مقدار تنش به صورت کلی توسط چشم دشوار است، می توان با حرکت دادن نشانگر موس روی پی، مقدار تنش را که در کنار نشانگر موس و همچنین در نوار پایین پنجره ی نمایش داده می شود، قرائت کرد.

نمایش تنش خاک زیر پی

معرفی فیلم آموزشی :

در صورتی که علاقه مند به مسائل تئوریک محاسبه تنش خاک زیر پی هستید، می توانید از لینک های زیر استفاده کنید:

فیلم 1

فیلم 2

در صورتیکه به نکاتی پیرامون مدلسازی و طراحی فونداسیون علاقه مندید، مشاهده فیلم های آموزشی زیر خالی از لطف نمی باشد:

نکاتی پیرامون مدلسازی خاک در سیف

نکاتی پیرامون طراحی فونداسیون در سیف

خلاصه و نتیجه گیری :

  • تمام سازه هایی که ساخته می شوند، از زمین به عنوان تکیه گاه استفاده می کنند. یکی از ویژگی های مهم یک تکیه گاه، قابل اطمینان بودن آن است.
  • خاک زیر تکیه گاه باید در مقابل تنش های وارده از سازه تحت بارگذاری های مختلف، استقامت خود را حفظ کرده و دچار گسیختگی نشود. کنترل این امر توسط مهندس طراح برای اطیمنان از عملکرد مناسب سازه ضروری است.
  • انتخاب ترکیبات بار مادر برای کنترل تنش خاک زیر پی و بسط آن ها مهم ترین قسمت کار است که در این یادداشت به آن ها پرداخته شد.
  • هر چند ساخت ترکیبات بار برای کنترل تنش در نرم افزار کمی وقت گیر است ولی روند کنترل آن توسط نرم افزار بسیار ساده است.

منابع

  1. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1392
  2. مبحث هفتم مقررات ملی ویرایش 1392
  3. جزوه ایتبس و سیف دکتر حسین زاده اصل
  4. FEMA P-751: Chapter 5: Foundation Analysis and Design
  5. Soil pressure- Added by Mike Abell, last edited by Mike Abell on Aug 22, 2012 – by wikiCsi
این مطلب را از دست ندهید :  برش پانچ در سیف : آموزش تصویری گام به گام و محاسبه دستی + رفع مشکل و بیان راهکار
6 پاسخ
  1. ناصر معراجی
    ناصر معراجی گفته:

    با سلام و خسته نباشید خدمت سبزسازه ای های عزیز.
    مثل اینکه ترکیبات بارگذاری برای دو حالت شهرهای در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد (حالت ب) و حالت الف به اشتباه مشابه هم نوشته شده. لطفا اگه زحمتی نیست تصحیح کنید.

    پاسخ دادن

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخ دهید

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