طراحی و اجرای انواع شمع در ساختمان به همراه مدلسازی آن در سیف

همانطور که می دانید اگر خاک منطقه نامطلوب باشد، خاک تحمل نیروهای وارده از سمت سازه را نخواهد داشت و یا نشست فونداسیون به قدری زیاد می شود که بهره برداری از سازه را مختل می کند. در این مواقع برای انتقال بار از فونداسیون به خاک مقاوم تر از عناصری به نام شمع ساختمان استفاده می کنیم اما سوال اینجاست که آیا نیروی آپلیفت باعث می شود ما از شمع در ساختمان استفاده کنیم؟ معیار انتخاب نوع شمع در پروژه ها چیست؟ در مراحل اجرای شمع، برای تخریب سر شمع چه نکاتی را باید رعایت کنیم؟

ما در این ایبوک جامع، ابتدا به تعریف و کاربرد شمع در ساختمان می‌پردازیم و سپس گام‌به‌گام طراحی و اجرای شمع در ساختمان و مدل‌سازی شمع درSAFE را بررسی خواهیم کرد. همچنین نحوه بدست آوردن رفتار شمع با کمک نرم‌افزار AllPile را بررسی می‌کنیم تا دقت محاسبات را بالا ببریم.

در این صفحه تنها خلاصه ای از ایبوک را مشاهده می کنید، متن اصلی این ایبوک را منطبق بر فهرست مطالب، دانلود کنید.

⌛ آخرین به‌روزرسانی: 21 تیر 1402

📕 تغییرات به‌روزرسانی: آپدیت بر اساس مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399 و اضافه شدن مطالب جدید

تعریف و کاربرد شمع در ساختمان

زمین­ هایی­ که قابلیت تحمل بارهای وارده از طرف سازه را ندارند( مانند زمین ­های ماسه ­ای) و همچنین خاکبرداری سطحی در آن‌ها مقرون به­ صرفه نباشد، انتقال بار ساختمان به زمین توسط فونداسیون عمیق انجام می­ شود. رایج‌ترین نوع فونداسیون عمیق، شمع‌ ها (شکل زیر)‌ هستند که اصطلاحا به آن پی شمعی هم گفته می شود. یک شمع، سازه‌ای نسبتاً بلند، لاغر و ستون مانند است که با قرار گرفتن در داخل خاک (به‌صورت قائم و گاهاً مایل) به ­عنوان پی سازه ­ها، وظیفه انتقال بار طبقات فوقانی را به لایه‌های مناسب‌تر خاک در اعماق پایین‌تر دارد. شمع در واقع همان ستون است که در داخل خاک مستقرشده است. شمع بارهای وارده به سازه را در عمق خاک عبور داده و آن را به خاک مقاوم‌تر (در عمق بیشتر) منتقل می‌کند.

پدیدار شدن شمع‌های اجراشده زیر فونداسیون یک ساختمان پس از خاک‌برداری

کاربرد و وظایف شمع ها در ساختمان

به‌طورکلی در شرایط زیر می­ توان از شمع استفاده نمود:

1. وقتی‌که لایه‌های سطحی خاک قابلیت فشردگی زیادی داشته باشند ‌یا خیلی ضعیف باشند‌، به‌طوری‌که نتوان از شالوده سطحی برای توزیع بار ساختمان استفاده کرد‌، از شمع برای انتقال بار به لایه تحتانی محکم­تر‌ یا سنگ‌بستر استفاده می‌شود.
2. زمانی‌که سازه مانند ساختمان‌های بلندمرتبه، پل‌ها یا مخازن آب بسیار سنگین است.
3. زمانی‌که تراز آب زیرزمینی در خاک زیرین، تغییر زیادی داشته باشد.
4. زمانی‌که اجرای پی گسترده بسیار هزینه‌بر و در عمل غیرممکن باشد.
5. زمانی‌که سازه روی ساحل دریا یا بستر رودخانه مکان­یابی شده باشد.
6. ممکن است شمع­ ها برای تحمل نیروهای جانبی و فشارهای uplift طراحی‌شده باشند.
7. برای مقابله با نیروهای کششی در پی‌هایی که زیر سطح آب قرار دارند.
8. در مواقعی که احتمال واژگونی سازه‌های بلند وجود دارد.

انواع شمع‌ها از لحاظ جنس مصالح

اما همانطور که می دانید شمع در ساختمان انواع متفاوتی دارد که در این فلوچارت می توانید دسته بندی شمع ها را بر حسب جنسشان مشاهده کنید:

نمودار درختی انواع شمع‌ها

شمع‌های فولادی

این شمع‌ها دارای مقاطعی لوله‌شکل یا H شکل هستند. از مقاطع I شکل نیز می توان استفاده کرد ولی مقاطع H شکل به‌دلیل یکسان بودن تقریبی طول بال و جان، ترجیح داده می شوند. داخل شمع‌های لوله‌ای معمولاً بعد از کوبیده شدن با بتن پر می‌شود. این شمع ها در دو حالت ته باز و ته بسته مورد استفاده قرار می گیرند. انتهای شمع های لوله ای ته بسته باید توسط یک صفحه صاف یا یک کفشک مخروطی و یا توسط روش های دیگر که  مورد تائید دستگاه نظارت باشد، بسته شود. این شمع‌ها به‌دلیل رطوبت خاک، در برابر خوردگی ضعیف می باشند.

برای جلوگیری از خوردگی، می‌توان روی شمع‌ها از یک‌لایه پوششی (قیر، رزین یا اپوکسی) استفاده کرد. این پوشش که در کارخانه روی شمع‌ها زده می‌شود، در هنگام حمل‌ونقل و کوبیدن شمع به‌سختی آسیب‌پذیر است. البته معمولاً لایه محافظتی (در برابر عوامل خورنده) روی شمع‌های فولادی اجرا نمی‌شود؛ چراکه حین عمل راندن شمع به داخل خاک، سطح آن دچار خراشیدگی می‌شود و عملاً دیگر کارایی محافظتی نخواهد داشت. گاهی مواقع برای جلوگیری از خوردگی شمع فولادی، از پوشش بتنی استفاده می‌شود. ازاین‌رو توصیه می‌شود در محیط‌های خورنده از شمع‌های بتنی استفاده شود.

شمع فولادی لوله ای شکل

شمع فولادی H شکل

✅ مابقی توضیحات این بخش را به صورت مفصل در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید

شمع‌ های بتنی

شمع‌های بتنی در عمل به دو صورت اجرا می شوند:

1. شمع بتنی کوبشی (پیش‌ساخته)
2. شمع بتنی درجا ریز

شمع های بتنی پیش ساخته (کوبشی)

همان‌طور که از اسم آن پیداست این‌گونه شمع­­ ها از قبل ساخته می­شوند و سپس به محل مورد استفاده انتقال داده می­ شوند. این شمع­ ها را در کارخانه تحت نظارت می­سازند. مقاطع این شمع ­ها معمولاً لوله ­ای، مربع و چندضلعی است. از آن­جایی­که این شمع­ ها در محل و به ‌صورت کوبشی در دل زمین قرار می­گیرند، برای آسیب ندیدن سر آن‌ها، یک کلاهک فلزی قرار می­دهند.

شمع پیش ساخته بتنی با مقطع لوله ای

شمع بتنی درجا ریز

همان‌طور که از اسم این­گونه شمع ­ها پیداست، باید در محل سایت (کارگاه) اجرا گردد. برای این کار در ابتدا چاهی به قطر مناسب و طول مناسب زده می­شود سپس شبکه آرماتور ساخته ‌شده در چاه حفاری ‌شده قرار داده می­شود و در نهایت عملیات بتن ‌ریزی آغاز می­شود. توضیحات کامل و معرفی این‌گونه شمع ­ها در ادامه آورده شده است.

✅ توضیحات کامل و مزایا و معایب شمع های بتنی درجا ریز را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

شمع‌های چوبی

این شمع‌ها از تنه درختی با چوب سخت نظیر کاج و بلوط ساخته می‌شوند. دو سر آن‌ها را برای جلو‌گیری از خوردگی در موقع کوبیدن، با کلاهک فلزیِ مسلح می‌سازند. شمع‌های چوبی ازجمله مقطع دایره‌ای، را معمولاً بدون کندن پوست بکار می‌برند تا نیروی اصطکاک حاصله بین سطح جانبی شمع و زمین به حداکثر مقدار ممکن افزایش‌یافته و شمع قابلیت تحمل فشار زیادی داشته باشد. در قدیم شمع‌های چوبی ‌به‌ عنوان تکیه‌گاه برای سازه‌ هایی که روی خاک سست قرار داشتند مورد استفاده قرار می‌گرفت. امروزه نیز شمع‌های چوبی برای ساخت اسکله‌ها استفاده می‌شوند.

استفاده از شمع چوبی به‌عنوان تکیه گاه در خاک سست

شمع‌ های مرکب (فولادی – بتنی یا چوبی – بتنی)

این‌گونه شمع‌ ها از دو قسمت تشکیل‌شده‌اند: در قسمت پایینی از فولاد یا چوب استفاده می­شود و در قسمت بالایی از بتن بهره می­برد. این شمع‌ها در مواقعی که طول شمع لازم از برای تأمین ظرفیت باربری از ظرفیت شمع بتنی کمتر باشد، مورد استفاده قرار می­گیرند. وصل محل تلاقی آن‌ها به دلیل متفاوت بودن مصالح مشکل است؛ از این ‌رو کاربرد این گونه شمع ها زیاد نیست.

شمع مرکب فولادی – بتنی

اجرای شمع درجا ریز

برای اجرای شمع‌ های درجا ریز باید مراحل زیر طی شود:

• حفاری چاه در محل اجرای شمع
• ساخت شبکه (قفس) آرماتور
• بتن‌ ریزی

حفاری چاه در محل اجرای شمع

پس از تعیین محل شمع­ گذاری توسط نقشه‌ بردار، حفر چاه توسط کارگر یا توسط دستگاه حفاری (با توجه به قطر و طول شمع، جنس و نوع خاک) با طول و قطر مورد نیاز انجام می‌گردد. در صورت استفاده از دستگاه ‌های حفاری، دستگاه حفاری باید در محل مستقر شده و استقرار آن‌ها به نحوی تعیین می‌گردد که شرایط زیر را تأمین نماید:

1- تا پایان حفاریِ یک شمع در ساختمان، نیاز به جابجایی دستگاه نباشد؛ زیرا در صورت جابجایی دستگاه حفاری و استقرار مجدد باعث اختلال در تراز و شاقول بودن دستگاه حفاری می‌شود.

2- کمترین ضربه دینامیکی را حتی ‌الامکان به شمع‌های اجرا شده در مراحل قبلی وارد نماید.

3-حداقل موانع کاری را نسبت به تردد ماشین‌ آلات مرتبط با عملیات حفاری (جرثقیل، تراک میکسر، لودر و…) ایجاد نماید.

دستگاه حفر چاه شمع درجا ریز

که البته چند روش حفاری داریم مراحل اجرای روش غلاف­گذاری (لوله کیسینگ) را در شکل زیر مشاهده می کنید.

✅ همه روش های حفاری را به طور کامل در متن ایبوک بررسی خواهیم کرد. اما آیا به این موضوع فکر کرده اید که چاه پس از حفاری چه مراحلی را جهت آماده سازی باید طی کند؟

اجرای شمع به روش غلاف­گذاری (لوله کیسینگ)

ساخت و نصب قفسه آرماتور

در این مرحله قفس­ های آرماتور شمع در ساختمان مطابق نقشه های اجرایی و دیتیل های موجود بافته شده و در کارگاه دپو می شود. به طور معمول طول هر یک از این قفس ها نزدیک 12 متر (برابر طول شاخه ی میلگرد) است. برای شمع هایی با طول بیشتر از 12 متر، لازم است مانند وصله ستون ها، قفس آرماتور شمع نیز وصله شود تا طول مورد نیاز را تامین کند. اما چگونه باید این شبکه آمارتور بندی بلند را اجرا کرد؟ آیا نیازی به اجرای لقمه ها در شبکه آرماتور بندی وجود دارد؟ برای جلو گیری از ایجاد اعواج در شبکه آرماتور ها چه باید کرد؟

شبکه آرماتور شمع قبل از بتن‌ریزی

بتن‌ریزی

پس از اینکه قفس میلگرد در طول مورد نیاز بافته شده و در داخل چاه قرار گرفت، نوبت به بتن ریزی شمع می رسد. به دلیل طول زیاد شمع ها، مجاز به بتن ریزی آن ها با پمپ های زمینی و هوایی نیستیم؛ لذا برای بتن ریزی شمع ها از لوله ی تِرِمی که قیف مانند است، استفاده می شود. روش کار به این شکل است که لوله های منعطفی (مشابه شلنگ آب) با طول های 2 تا 6 متر و قطر 10 الی 20 سانتی متر به یکدیگر متصل کرده و به داخل قفس شمع فرستاده می شود. به قسمت بیرونی این لوله، یک لوله با سریِ قیف شکل متصل می شود. با به هم بستن این لوله ها و بتن ریزی از طریق آن، مانع سقوط آزاد بتن به داخل شمع شده و احتمال جدایش بتن را به حداقل می رساند.

 برای جلوگیری از مخلوط شدن دوغاب یا گل حفاریِ موجود در انتهای چاه با بتن ریخته شده، توصیه اکید می شود که انتهای لوله ی ترمی حتماً انتهای چاه باشد

لوله‌ ترمی دستگاه پمپ بتن جهت بتن‌ ریزی درون چاه حفاری شمع

✅ چه نکاتی قبل و بعد از بتن ریزی باید رعایت شود؟ شرایط لازم برای لوله ترمی چیست؟ پاسخ این سوالات را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

آزمایش کنترل یکپارچگی و کیفیت شمع اجراشده

جهت کنترل یکپارچگی و کیفیت شمع­ های بتنی در صورت اعلام دستگاه نظارت باید آزمایش‌هایی مانند ”آزمایش دینامیک کرنش پایین (PIT)”  انتشار  “امواج بین گمانه­ ای (CSL)”  انجام گردد.

این آزمایش‌ها حداقل باید پس از گذشت 72 ساعت از اتمام بتن ­ریزی یا پس از رسیدن مقاومت فشاری نمونه­ های استوانه­ ای بتن به حداقل Mpa 17.5  انجام گیرد. لذا در این مدت باید شمع­ هایی که نیاز به آزمایش PIT دارند، مشخص شود.

تجهیزات تست کنترل یکپارچگی شمع با آزمایش PIT

شمع‌های از پیش ساخته ( کوبشی)

جهت مقابله با خمش تولید شده در هنگام حمل‌ و نقل، بلند کردن و اعمال نیروی جانبی به شمع و همچنین افزایش مقاومت فشاری، میتوان از شمع های کوبشی استفاده نمود .این شمع‌های پیش‌ ساخته در طول مورد نظر ساخته ‌شده و تحت شرایط مطلوب به عمل می‌آیند تا به مقاومت مورد نظر برسند. پس ‌از آن به محل کوبیدن، حمل می‌شوند و همچنین شمع های پیش ‌ساخته را می‌توان با استفاده از کابل ‌های پیش تنیدگی پر مقاومت، به‌صورت پیش‌تنیده درآورد.

شمع پیش‌ساخته پیش تنیده

مراحل ساخت و نصب شمع پیش‌ساخته

• آماده‌سازی قالب بتن
• آماده ­سازی شبکه آرماتور
• بتن‌ریزی
• عمل‌آوری و نگه‌داری از شمع
• ملاحظات جابه ­جایی و انبار کردن شمع­ ها
• عملیات کوبش شمع در محل از پیش تعیین‌شده

✅ تمامی این 6 مرحله و بسیاری از نکات اجرایی دیگر در رابطه با شمع های پیش ساخته در این ایبوک بیان شده است که می توانید در ابتدای صفحه و در بخش دریافت کتاب الکترونیک آن را دانلود کنید.

مزایای شمع‌های کوبشی از پیش‌ساخته

طبق بند 3-2 نشریه 386، مزایای شمع‌های کوبشی پیش‌ساخته به‌صورت زیر می­ باشد:

• امکان رساندن شمع به شمارش ضربات مورد نظر طراح را فراهم می­کند
• امکان اجرا در زیر سطح آب و دور از ساحل
• سرعت‌ بالا در ساخت و اجرا
• تراکم خاک ­های دانه­ ای و بهبود پارامترهای مقاومتی آن‌ها در حین کوبش شمع
• امکان کنترل کیفیت دقیق مصالح
• امکان اجرا به­ صورت مایل برای مقابله با بارهای جانبی

معایب شمع‌های کوبشی از پیش‌ساخته

طبق بند 3-2 نشریه 386، معایب شمع‌های کوبشی پیش‌ساخته به‌صورت زیر می­ باشد:

• ایجاد سر و صدا ناشی از کوبش و ارتعاش در زمین و سازه‌های اطراف
• نیاز به وسایل حمل ‌و نقل جهت انتقال به محل اجرا
• غیر اقتصادی بودن در تعداد کم شمع
• عدم امکان اجرا در طول و قطر زیاد به دلیل نیاز به تجهیزات کوبش و ایجاد لنگر خمشی بزرگ در جسم آن‌ها، حین حمل‌ و نقل و کوبش
• بار مجاز محدود این شمع‌ ها به دلیل محدودیت در طول و قطر
• دست‌ خوردگی خاک به ‌ویژه در خاک‌ های حساس رسی

آلودگی صوتی دستگاه کوبش شمع

طبقه ­بندی شمع­ ها بر اساس روش نصب

1. شمع‌ ها با جابه­ جایی بزرگ
2. شمع‌ ها با جابه ­جایی کوچک
3. شمع ­های بدون جابه ­جایی
4. شمع­ های کوبیدنی – ریختنی با جابه­ جایی بزرگ

✅ توضیحات بیشتر در خصوص هر کدام از این شمع ها را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

معیارهای انتخاب نوع شمع در پروژه‌ های ساختمان ‌سازی

برای تصمیم­ گیری در مورد انتخاب نوع شمع در هر پروژه باید موارد زیر بررسی گردد:

• مشخصات سازه اعم از وضعیت و نوع بارگذاری، کاربری، درجه اهمیت سازه، توجیه اقتصادی و زمان­ بندی پروژه
• تجهیزات و امکانات استقرار شمع در ساختمان و شرایط اجرایی پروژه
• شرایط بستر شامل نیمرخ خاک محل، خصوصیات لایه­ های تحت الرضی و همچنین وضعیت آب زیر زمینی و نوسانات آن­ میزان خورندگی محیط، عملکرد و دوام مصالح شمع

جدول 3-1 که توسط نشریه 386 ارائه‌شده است می ­تواند در انتخاب نوع شمع کمک کند:

انواع شمع‌ها از نظر عملکرد و نحوه انتقال بار به خاک

شمع‌های اتکایی (End-bearing Piles)

اگر بستر سنگی در عمق منطقی وجود داشته باشد، در این صورت می­توان شمع را تا آن لایه ادامه داد؛ به­طوری­که نوک شمع به بستر سنگی تکیه کند. در این حالت، ظرفیت باربری شمع بستگی به ظرفیت باربری بستر سنگی دارد. ازاین‌رو به این‌گونه شمع­ها­، شمع­های اتکایی می­گویند. عمق بستر سنگی بر اساس اطلاعات حاصل از حفر گمانه تعیین می­شود و طول شمع بر اساس ویژگی­های بستر سنگی مشخص خواهد شد. اگر به­جای لایه سنگی، یک‌لایه خاک بسیار متراکم داشته باشیم، می­توان شمع را چند متر در آن لایه ادامه داد و به­عنوان بستر سخت اتکایی در نظر گرفت.

شمع‌های اصطکاکی (Friction Piles)

چنانچه عمق بستر سنگی یا لایه خاک متراکم زیاد باشد؛ به­ طوری­که طول شمع انتخابی ازلحاظ اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نباشد، به‌ناچار باید شمع را بدون اینکه به بستری تکیه کرده باشد، در عمق مناسبی که باید محاسبه شود، اجرا کرد. در این حالت شمع به‌وسیله نیروی اصطکاکی که بین خاک و جداره شمع وجود دارد و نیروی کمی که خاک به سر شمع وارد می­کند، نیروهای منتقل­ شده از سازه را تحمل می­کند. به همین علت به این نوع شمع، شمع اصطکاکی گفته می­شود. طول لازم برای این­گونه شمع­ ها به مقاومت برشی خاک، بار وارده و قطر شمع بستگی دارد.

شمع های اصطکاکی و اتکایی

طراحی شمع ­ها

همان‌طور که در تعریف شمع­ های اصطکاکی و اتکایی گفته شد، شمع ­ها برحسب نحوه انتقال بار تقسیم­ بندی می­شوند؛ بنابراین در طراحی آن‌ها از این اصل استفاده می­شود یعنی نیروی اصطکاکی و اتکایی وارد بر شمع عامل تعیین‌کننده طول شمع خواهند بود.

ظرفیت باربری شمع

طبق بند 7-6-4-1 مبحث 7 مقررات ملی ساختمان، ظرفیت باربری شمع­ ها به‌صورت زیر محاسبه می ­شود:

ظرفیت باربری شمع درواقع مجموع ظرفیت باربری اتکایی و اصطکاکی آن است که متناسب با نوع شمع طبق فرمول زیر تعیین می­شود:

R_c = R_b  +  R_g  

نکته: اگر شمع اتکایی باشد آنگاه R_c≅R_b  و اگر شمع اصطکاکی باشد آنگاه R_c≅R_s.

مکانیزم مقاومتی شمع

ظرفیت باربری نوک شمع

برای تعیین ظرفیت باربری نوک شمع از این رابطه استفاده می ­شود:

(*R_b = A_b q_b = A_b (cN_c^* + q¯ Nq

 خاک های رسی چسبنده   R_b = A_b q_b = A_b ( N_t + S_u)

✅ برای تعیین ضرایب ظرفیت باربری  ^*N_c و ^*N_q روش­ های مختلفی ارائه‌ شده است که ما در این ایبوک به روش مایرهوف می­ پردازیم.

استفاده از نرم‌افزار کمکی AllPile

نرم‌افزار AllPile نرم‌افزار کمکی در محاسبه ظرفیت و تغییرشکل‌های شمع‌ها در بسترهای خاکی مختلف است که باتوجه به زمان‌بر بودن و پیچیدگی روابط تجربی کنترل ظرفیت و تغییرشکل تک شمع‌ها در رسیدن به نتیجه در کمترین زمان، مناسب می‌باشد. پس از نصب و راه‌اندازی نرم‌افزار، با صفحه‌ای مطابق شکل زیر مواجه می‌شویم که در آن کافی است مشخصات پروژه و نوع شمع را وارد کنیم.

تنظیم مشخصات پروژه و نوع شمع

این نرم‌افزار قابلیت طراحی انواع شمع‌ها را دارد که در شکل زیر، این شمع‌ها و پی‌ها  با اسم آن‌ها مشخص شده است تا کاربر بتواند در بخش «نوع شمع»، با آگاهی المان مدنظر خود را انتخاب کند.

انواع شمع‌ها

✅ در بخش تنظیمات بعدی شمع، مشخصات هندسی شمع و سطح زمین تعیین می‌شود که می توانید در متن اصلی ایبوک آن را مطالعه کنید.

طراحی شمع در SAFE

همانطورکه قبلاً اشاره کردیم، در حالاتی که فونداسیون روی لایه‌های خاک نرم و یا خاک با مقاومت ناکافی متکی شود، انتقال بارهای وارده به آن‌ها به‌طور مستقیم مناسب نخواهد بود. در اینگونه موارد بهتر است که بارهای وارده به فونداسیون‌ها را از طریق شمع به لایه‌ها و طبقات خاک قابل اعتماد از نظر مقاومت منتقل کرد. برای این هدف، معمولاً از شمع‌ها با شکل و جنس‌های مختلفی بسته به شرایط پروژه، نوع خاک ساختگاه، وضعیت آب‌های زیرزمینی و هزینه‌های ساخت استفاده می‌شود. جنس شمع‌ها در اغلب موارد از نوع بتن مسلح(ترکیب بتن و آرماتور) و در بعضی مواقع از فولاد یا چوب نیز استفاده می‌شود. به‌علت استفاده گسترده از شمع‌های بتنی، در ادامه به نکات این نوع شمع‌ها پرداخته می‌شود.

در نرم‌افزارهای safe ورژن قدیمی راهکاری جز استفاده از فنرهای معادل‌سازی شده با سختی صرفاً فشاری در پیش‌روی مهندسین نبود. اما واقعیت رفتاری شمع‌ها در زیر فونداسیون صرفاً سختی محوری نیست و روش سنتی مهندسین با تقریب همراه است که این تقریب در برخی از کنترل‌ها در جهت اطمینان و در برخی دیگر در خلاف جهت اطمینان است.

محققین با انجام تحقیقات گسترده به‌صورت آزمایشگاهی و یا تئوری با کمک نرم‌افزارهای جامع تحلیلی المان محدود به این نتیجه رسیدند که شمع‌ها علاوه‌بر اینکه قابلیت القا کردن سختی محوری به فونداسیون‌ها را دارند، موجب ایجاد سختی خمشی نیز خواهند شد. درنظر نگرفتن این سختی از دقت تحلیل فونداسیون‌ها می‌کاهد. این سختی برای شمع‌هایی با نسبت عمق به کوچکترین بعد کمتر از 10 اهمیت ویژه‌ای دارد و در نظر نگرفتن آن، دقت را بیشتر کاهش می‌دهد.

پس در حالت کلی دو رویکرد برای مدل‌سازی شمع در نرم‌افزار safe وجود دارد:

رویکرد اول: در این رویکرد، از سختی معادل شمع و مدل‌سازی آن با یک فنر صرفاً فشاری در موقعیت قرارگیری شمع استفاده می‌شود. این رویکرد به‌علت عدم منظور کردن سختی خمشی شمع‌ها با تقریب همراه است که این تقریب در برخی موارد در جهت اطمینان و در برخی موارد در خلاف جهت اطمینان می‌باشد.

رویکرد دوم: در این رویکرد، از المانی با قابلیت منظور کردن سختی خمشی علاوه‌بر سختی محوری و مدل‌سازی آن در موقعیت‌های مورد نیاز که می‌تواند اثرات شمع‌ها را با دقت بیشتری نسبت به رویکرد اول در تحلیل منظور نماید، استفاده می‌شود. این اثر خصوصاً برای شمع‌های با نسبت عمق به بعد برابر و یا کمتر از از 10 چشمگیرتر خواهد بود. در این حالت می‌توان از فنری با سختی محوری فشاری و دورانی استفاده کرد. همچنین می‌توان شمع‌ها را به‌صورت ستون در نرم‌افزار مدل‌سازی کرد و شرایط مرزی مناسب برای انتهای آن‌ها در نظر گرفت. در اینصورت اگرچه به‌دلیل منظور نکردن اندرکنش خاک با جداره شمع‌ها، تحلیل با تقریب همراه است؛ اما دقت تحلیل از رویکرد اول بیشتر بوده و تقریب بکار رفته در جهت اطمینان است.

معرفی شمع‌ها به نرم‌افزار با معادل‌سازی فنرهای سری

در این بخش به نحوه تعیین سختی شمع‌ها مطابق با رویکرد اول خواهیم پرداخت. در این رویکرد، شمع و خاک نوک آن با یک فنر سری و سپس با یک فنر واحد معادل‌سازی می‌شوند که این فنر صرفاً سختی محوری فشاری را مدل‌سازی می‌کند. مقاومت نوک و سختی آن باید توسط مطالعات ژئوتکنیکی به مهندس سازه گزارش شود و رابطه تجربی برای آن وجود ندارد. البته در بخش قبلی با استفاده از نرم‌افزار AllPile توانستیم رفتار شمع را بدست آوریم و می‌توانیم از سختی بدست آمده استفاده کنیم. پس دو روش کلی برای رویکرد اول وجود دارد:

روش اول: از رابطه کلاسیک برای محاسبه سختی شمع، Kpو سختی خاک نوک شمع، Ks، استفاده شود.

K_p=AE/L
‘K_s=k_s A

در نهایت سختی معادل با استفاده از روابط فنرهای سری به‌صورت زیر بدست می‌آید:

K_eq=(K_p×K_s)/(K_p+K_s)

در این روش صرفاً از سختی محوری شمع‌ها استفاده می‌شود که باید در نرم‌افزار نیز صرفاً سختی محوری را معرفی کرد. به‌علت اختلاف قابل ملاحظه سختی محوری شمع و سختی خاک نوک آن(K_p≫K_s)، مقدار سختی فنر معادل از کمترین سختی فنر نیز کمتر خواهد بود. بنابراین صرف‌نظر کردن از سختی محوری شمع خلاف جهت اطمینان است و باید در محاسبات منظور شود.

روش دوم: از منحنی رفتاری که به کمک نرم‌افزار AllPile استخراج شد، استفاده شود. در این روش مستقیماً سختی معادل استفاده می‌شود.

نحوه محاسبه سختی معادل شمع با کمک نرم‌افزار AllPile

توجه: می‌توان سختی افقی شمع را برابر 10% سختی قائم درنظر گرفت. البته در نظر نگرفتن سختی افقی درجهت اطمینان است و توصیه می‌شود در مدل‌سازی از سختی افقی شمع صرف‌نظر شود؛ مگر اینکه تحلیل و طراحی شمع در نرم‌افزار بهتری مانند Plaxis انجام شود.

تعریف مشخصات فنر معادل مطابق رویکرد اول

علاوه‌بر تعریف فنرهای معادل‌سازی شده برای شمع، اثر سختی آن‌ها با کمک المان‌های stiff در نظر گرفته می‌شود. عدم لحاظ این المان‌ها در جهت اطمینان است، ولی تعریف این المان‌ها باعث می‌شود تا در محدوده شمع، آرماتور خمشی فونداسیون کاهش پیدا کند. از مسیر زیر این المان‌ها را تعریف می‌کنیم.

تعریف المان stiff جهت مدل‌سازی سختی موضعی شمع‌ها

✅ برای یادگیری مابقی مراحل مدلسازی شمع ها با استفاده از سختی خمشی و فشاری در نرم افزار به متن اصلی ایبوک مراجعه کنید.

نتیجه گیری

همان‌طور که مشاهده شد، در زمین‌هایی که قابلیت تحمل بارهای وارده از طرف سازه را ندارند، از پی‌های عمیق استفاده می‌شود که رایج‌ترین نوع این پی‌ها شمع‌ها هستند. شمع‌ها سازه‌هایی نسبتاً بلند و لاغر هستند که درون خاک قرارگرفته و بارهای طبقات فوقانی را به لایه‌های مناسب‌تر خاک در اعماق پایین‌تر زمین منتقل می‌کنند.

شمع‌ها بر اساس نوع مصالح، نحوه اجرا و عملکردشان به انواع مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. جهت طراحی شمع‌ها ابتدا طبق نتایج آزمایشگاه ژئوتکنیک، تنش مجاز خاک زیر فونداسیون بدست آمده و پارامترهای طراحی شمع محاسبه می‌شود. نرم‌افزار کمکی AllPile می‌تواند برای بدست آوردن رفتار شمع مورد استفاده قرار گیرد و نتایج حاصل در طراحی شمع در نرم‌افزار safe بکار رود.

منابع

1. کتابخانه آنلاین سبزسازه
2. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1399)
3. مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1400)
4. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1398)
5. مشخصات فنی عمومی اجرای شمع کوبشی و درجاریز(نشریه 386 – ویرایش 1394)
6. کتاب طراحی اصول مهندسی ژئوتکنیک، مهندس طاحونی
7. کتاب اصول دینامیک خاک براجا.ام.داس- ژ.لوو
8. کتاب طراحی دال و فونداسیون به کمک نرم‌فزار safe، مهندسان سلطان‌آبادی و جعفری
9. جزوه گودبرداری و سیستم­های پایدارکننده دکتر مسعود حاجی‌علیلو استاد دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تبریز
10. کتاب پی­ سازی سری عمران (ویرایش 1395)
11. Wrana, B. (2015). Pile load capacity–calculation methods. Studia Geotechnica et Mechanica, 37(4), 83-93.
12. AllPile User’s Manual,2015.

1. علائم و تعاریف

2. تعریف و کاربرد شمع

• کاربرد و وظایف شمع‌ها

3. انواع شمع ها از لحاظ جنس مصالح

• شمع های فولادی
  • ظرفیت مجاز شمعهای فولادی
• شمع‌های بتنی
  • شمع بتنی کوبشی (پیش‌ساخته)
  • شمع بتنی درجاریز
• شمع‌های چوبی
  • ظرفیت مجاز شمع­ های چوبی
• شمع‌های مرکب (فولادی-بتنی یا چوبی – بتنی)

4. اجرای شمع درجا ریز

• حفاری چاه در محل اجرای شمع
• روش ­های حفاری
  • روش خشک
  • روش استفاده از گل حفاری
  • روش غلاف­گذاری (لوله کیسینگ)
    • شرایط غلاف مورداستفاده
    • انواع غلاف گذاری
    • ظرفیت مجاز شمعهای بتنی با غلاف
    • ظرفیت مجاز شمعهای بتنی بدون غلاف
• ساخت و نصب قفسه آرماتور
• بتن‌ریزی
• تخریب سر شمع
• آزمایش کنترل یکپارچگی و کیفیت شمع اجراشده

5. اجرای شمع‌های پیش‌ساخته (کوبشی)

• مراحل ساخت و نصب شمع پیش‌ساخته
• آماده‌سازی قالب بتن شمع
• ساخت شبکه آرماتور
• بتن‌ریزی
• عمل‌آوری و حفاظت از بتن8
• ملاحظات جابه‌جایی و انبار کردن شمع‌ها
• عملیات کوبش شمع در محل تعیین‌شده
• وسایل مورداستفاده برای کوبش شمع‌ها
  • انواع چکش‌ها
  • بالشتک چکش
  • بالشتک شمع
  • هادی شمع
  • دنبال گر شمع
• طویل کردن شمع‌های پیش‌ساخته
• تخریب سر شمع

6. طبقه­ بندی شمع ­ها بر اساس روش نصب

• شمع‌ها با جابه ­جایی بزرگ
• شمع‌ها با جابه­ جایی کوچک
• شمع­ های بدون جابه ­جایی
• شمع­ های کوبیدنی – ریختنی با جابه ­جایی بزرگ

7. معیارهای انتخاب نوع شمع در پروژه‌های ساختمان‌سازی

8. انواع شمع‌ها از نظر عملکرد و نحوه انتقال بار به خاک

• شمع‌های اتکایی (End-Bearing Piles)
• شمع‌های اصطکاکی (Friction Piles)

9. طراحی شمع ­ها

• ظرفیت باربری شمع
• ظرفیت باربری نوک شمع
• محاسبه مقاومت اصطکاکی شمع

10. بررسی عملکرد و رفتار شمع‌ها

11. استفاده از نرم‌افزار کمکی AllPile

12. مدل‌سازی شمع در نرم‌افزار safe

• معرفی شمع‌ها به نرم‌افزار با معادل‌سازی فنرهای سری
• معرفی شمع‌ها به نرم‌افزار با استفاده از سختی خمشی و فشاری
• مدل‌سازی شمع‌های معادل‌سازی شده با فنرهای سری در نرم‌افزار
• مدل‌سازی شمع‌ها با لحاظ سختی خمشی و فشاری در نرم‌افزار
• کنترل تنش و نشست خاک زیر فونداسیون
• کنترل حداکثر نیروی منتقل‌شده توسط شمع‌ها
• کنترل برش دوطرفه در شمع‌ها

13. طراحی دستی شمع منطبق بر مبحث 9 مقررات ملی ساختمان

14. نتیجه گیری

• ثبت شده در
  وزارت ارشاد
• دانلود سریع
  پس از پرداخت
• ضمانت ارسال
  بروزترین نسخه کتاب