آموزش جامع طراحی سازه نگهبان خرپایی در نرم افزار ایتبس

گودبرداری و پایدارسازی گود با روش مناسب، یکی از اقدامات اولیه و مهم در ساخت است. گودبرداری یک مرحله پر خطر می­‌باشد فلذا عدم رعایت اصول در طراحی، اجرا و هم چنین نظارت بر آن، می­‌تواند برای عوامل دخیل در پروژه خسارات جانی و مالی بسیاری را به همراه داشته باشد. به همین دلیل استفاده از افرادی با دانش و تجربه کافی در زمینه گودبرداری و انواع روش‌های آن ضروری است. مهندسین برای جلوگیری از خطرات ناشی از گودبرداری مثل ریزش دیوارها، سقوط آوار و صدمات به تاسیسات و نیروی کار، سازه­ هایی تحت عنوان سازه نگهبان برای پایدار و ایمن سازی گود احداث می‌­کنند. انواع سازه نگهبان در پروژه های مختلف استفاده می شود؛ یکی از انواع سازه­ های نگهبان، سازه نگهبان خرپایی است. سازه نگهبان خرپایی یکی از متداول ­ترین روش های پایدارسازی گود در گود­های شهری است. در این مقاله به شرح چگونگی طراحی سازه نگهبان خرپایی به صورت دستی، با استفاده از نمودار­های کمک طراحی و با نرم ­افزار به اضافه ­ی ضوابط آیین ­نامه ­ای مربوطه پرداخته می­شود. از این رو، ابتدا به بیان تئوری ­های حاکم بر سازه نگهبان خرپایی می­‌پردازیم و پس از بررسی روابط و ضوابط مربوطه، چگونگی طراحی سازه نگهبان خرپایی، در نرم افزار ایتبس را بیان می­‌کنیم.

سرفصل‌های این مقاله:

1. معرفی سازه نگهبان خرپایی
2. طراحی اجزای سازه نگهبان خرپایی
3. طراحی سازه نگهبان خرپایی با نمودار های کمک طراحی
4. مدلسازی سازه نگهبان خرپایی در نرم افزار ETABS

معرفی سازه نگهبان خرپایی

پایدار­سازی گود در ساختمان ها با استفاده از سازه نگهبان خرپایی یا Truss Retaining Structure از متداول ترین روش های اجرای سازه نگهبان در ساختمان های با عمق گود نسبتا کم می باشد. در پایین، تصویر کلی از سازه نگهبان خرپایی به همراه اجزای تشکیل دهنده آن نشان­ داده شده ­است. سازه نگهبان خرپایی از یک عضو عمودی و یک عضو مایل تشکیل شده است. سایر اعضای دیگر سازه نگهبان خرپایی به شکل افقی و قطری نصب می­گردند و در نهایت ترکیب آن‌ها یک شبکه مثلثی خرپایی را به وجود می‌آورد. این سازه نگهبان همان طور که از نام آن مشخص است، عملکردی خرپایی دارد به همین دلیل نیروی اعضا صرفا محوری است و لنگر خمشی و نیروی برشی در آن­ها وجود ندارد. در اکثر مواقع اعضای سازه نگهبان خرپایی پروفیل های فولادی استاندارد I و H شکل هستند. برای عضو قائم خرپا معمولا از پروفیل جفت IPE استفاده می کنند.

پیشنهاد آموزشی:

دوره جامع آموزش اجرای ساختمان بتنی CivilMan Plus | صفر تا صد اجرا ساختمان

جامع ترین دوره نظارت ساختمان CivilMan | صفر تا صد نظارت ساختمان بتنی و فولادی

طراحی اجزای سازه نگهبان خرپایی

در این قسمت مبانی طراحی اجزای سازه نگهبان خرپایی را برای درک بهتر قسمت­ های بعدی عنوان می کنیم. طراحی دستی سازه نگهبان خرپایی شامل قسمت ­های متفاوتی است اما به طور کلی پس از تعیین فشار جانبی خاک وارد بر خرپا؛ نیروی کششی وارد بر شمع­، نیروی قائم وارد بر فونداسیون و اعضای خرپا با استفاده از روابط تعادل استاتیکی محاسبه می­شود و طراحی ابعاد برای هر یک اعضا صورت می­گیرد.

بیشتر بخوانید: فونداسیون چیست؟

بارگذاری خرپا

بار عمده وارد بر سازه نگهبان خرپایی همان نیروی رانش خاک است. فشار جانبی خاک به طور کلی سه حالت دارد که در طراحی سازه نگهبان خرپایی فشار خاک در حالت محرک است. فشار جانبی خاک در حالت محرک بر مبنای تئوری رانکین محاسبه می شود.

اگر فرض کنیم ارتفاع گود H و سر بار Q در مجاورت گود وجود دارد، خاک با وزن مخصوص γ، زاویه اصطحکاک داخلی φ و چسبندگی C باشد. مطابق شکل بالا فشار وارد بر سازه نگهبان ناشی از خاک و سر بار می­باشد که روابط محاسبه هر کدام در ادامه آورده شده است.

فشار ناشی از خاک (نمودار 1) :

(H)σv: مقدار تنش افقی در ارتفاع H از تراز زمین

γ: وزن مخصوص خاک پشت دیوار گود می­باشد.

h: فاصله نقطه مورد نظر که قصد داریم فشار جانبی خاک را در آن اندازه گیری کنیم تا تراز زمین.

c: چسبندگی خاک پشت دیوار گود می­باشد.

Ka: ضریب رانش محرک خاک که بر اساس زاویه اصطحکاک خاک تعیین می شود.

فشار ناشی از سر بار (نمودار2)

برابر عبارت زیر است:

Q مقدار سربار مجاور دیوار گود می باشد.

همان طور که در شکل بالا مشاهده می کنید اگر مقدار Qka<2C√(ka) باشد قسمتی از بالای دیوار در معرض کشش قرار می گیرد. برای طراحی در این حالت تنش وارد بر دیوار را مطابق با نمودار 3 شکل فرض می کنیم که تنش افقی خاک در ابتدا صفر و در پایین دیوار مطابق فرمول زیر محاسبه می شود.

فشار جانبی خاک (نمودار 3)

برابر عبارت زیر است:

(H)σv: تنش افقی وارد بر سازه نگهبان در ارتفاع H از تراز زمین

γ: وزن مخصوص خاک پشت دیوار گود می­باشد.

h: فاصله نقطه مورد نظر که قصد داریم فشار جانبی خاک را در آن اندازه گیری کنیم تا تراز زمین.

c: چسبندگی خاک پشت دیوار گود می­باشد.

Ka: ضریب رانش محرک خاک که بر اساس زاویه اصطحکاک خاک تعیین می شود.

اگر مقدار Qka>2C√(ka) نمودار در ابتدای دیوار دیگر صفر نخواهد بود و برابر با مقدار Qka-2C√(ka) خواهد بود.

پس از محاسبه تنش افقی در عرض واحد، مطابق زیر این مقادیر را در فاصله افقی بین دو خرپا مجاور L ضرب می کنیم تا نیروی وارد بر هر خرپا محاسبه شود.

(h)Wv: تتنش افقی وارد بر سازه نگهبان در ارتفاع h از تراز زمین

L: فاصله افقی بین دو خرپای مجاور

(H)σv: تنش افقی وارد بر سازه نگهبان در ارتفاع H از تراز زمین

عمق ترک کششی

همان طور که در قسمت قبل مشاهده کردید چسبندگی خاک باعث ایجاد کشش در قسمت بالای دیوار گود می شود. ارتفاعی که دیوار دچار کشش می شود را عمق ترک کششی می نامیم و آن را با Ht نشان می دهیم. عمق ترک کششی از رابطه زیر محاسبه می شود.

(H)σv: تنش افقی وارد بر سازه نگهبان در ارتفاع H از تراز زمین

γ: وزن مخصوص خاک پشت دیوار گود می­باشد.

h: فاصله نقطه مورد نظر که قصد داریم فشار جانبی خاک را در آن اندازه گیری کنیم تا تراز زمین.

c: چسبندگی خاک پشت دیوار گود می­باشد.

Ka: ضریب رانش محرک خاک که بر اساس زاویه اصطحکاک خاک تعیین می شود.

F.S: ضریب اطمینان برای عدم قطعیت ها است که مقدار آن 2.67 می باشد.

عمق پایدار گود Hs، دو برابر مقدار عمق ترک کششی Ht می باشد. اگر عمق گود از عمق پایدار گود کمتر باشد نیازی به اجرای سازه نگهبان نیست.

Ht: عمق ترک کششی

Hs: عمق پایداری گود

طراحی شمع برای نیروی کششی

حداکثر ظرفیت کششی شمع برابر با حاصل جمع نیروی اصطکاک شمع و وزن شمع می باشد.

Tu: ظرفیت کششی شمع

Ps: نیروی اصکاک شمع

W: وزن شمع

نیروی اصطکاک شمع و وزن شمع از روابط زیر به دست می آید.

محاسبه نیروی اصطکاک شمع Ps به روش آلفا

A: مساحت جانبی شمع که با خاک در تماس است

fs: تنش چسبندگی بین خاک و شمع

α: ضریب ثابتی که بر اساس مقدار چسبندگی خاک تعیین می شود.

K: ضریب فشار جانبی خاک که بر اساس مقدار جابه جایی خاک و تراکم آن حالت های متفاوتی می تواند داشته باشد.

D: قطر شمع

δ: زاویه اصطکاک داخلی بین بتن و خاک که در مراجع بسته به نوع خاک از ضریبی از ϕ است.

Lp: طول شمع

محاسبه وزن شمع W:

γc: وزن مخصوص بتن

D: قطر شمع

Lp: طول شمع

در سازه های نگهبانی که طول شمع برای مقابله با کشش وارد بر آن زیاد و غیر اقتصادی می شود طراحی شمع های پاشنه دار می تواند بسیار کمک کننده باشد.

طراحی نیروی کششی عضو قائم خرپا

برای تعیین نیروی کششی عضو قائم خرپا که نیروی کششی به آن وارد می شود از نوشتن تعادل خمش حول نقطه O در شکل زیر به دست می آید.

Wv(H): نیروی جانبی وارد بر خرپا در تراز کف گود

H: عمق گود

Bt: عرض خرپا یا طول عضو افقی در تراز کف گود

طراحی پی برای نیروی قائم آن

نیروی قائم وارد بر پی با نوشتن معادله تعادل نیرو در راستای عمود به دست می آید که برابر با نیروی کششی عضو قائم میباشد. این حداقل نیروی است که پی باید تحمل کند. اگر ظرفیت بابری پی را با استفاده از تئوری ترزاقی بدست آوریم؛ مقدار حداقل عرض پی را از برابری ظرفیت باربری پی با نیروی قائم وارد بر آن می توان به دست آورد. برای درک بیشتر روابط زیر را دنبال کنید.

ظرفیت باربری خاک با استفاده از تئوری ترزاقی برای پی مربعی:

qult: ظرفیت باربری خاک در زیر پی مربعی

Nq,Nc,Nγ: ضرایب ظرفیت باربری خاک هستند که بر اساس زاویه اصطحکاک داخلی به دست می آید. مقادیر آن ها در کتب مراجع پی سازی موجود می باشد.

γ: وزن مخصوص خاک پشت دیوار گود می­باشد.

C: چسبندگی خاک پشت دیوار گود می­باشد

Bf: عرض پی مربعی

q ̅: تنش قائم در تراز کف پی است.

Df: فاصله تراز کف پی تا تراز خاک روی پی یا به عبارت دیگر عمق مدفون پی می باشد.

نیروی قائم وارد بر پی pv:

pv=T

حداقل عرض پی Bfmin:

Wv(H): نیروی جانبی وارد بر خرپا در تراز کف گود 

H: عمق گود

L: فاصله افقی بین دو خرپای مجاور

qult: ظرفیت باربری خاک در زیر پی مربعی

Bt: عرض خرپا یا طول عضو افقی در تراز کف گود

طراحی سازه نگهبان خرپایی با نمودارهای کمک طراحی

با توجه به کاربرد بسیار زیاد سازه نگهبان خرپایی در گود های شهری، یک سری نمودار های کمک طراحی برای تعیین ابعاد اجزای سازه نگهبان خرپایی با توجه به شرایط گود تهیه شده است. در ادامه قصد داریم که این نمودار هارا به شما معرفی کنیم و با یک مثال استفاده از آن ها را آموزش دهیم.

پارامترهای طراحی سازه نگهبان خرپایی

پارامتر های طراحی سازه نگهبان برای انتخاب نمودار های مناسب لازم و ضروری هستند. در ادامه به بررسی این پارامترها خواهیم پرداخت:

عمق گود H: اگر دیواره گود مورد نظر در مجاورت معابر یا زمین باشد، عمق گود برابر است با فاصله سطح زمین تا کف گود می باشد. اما اگر دیواره گود مورد نظر در مجاورت ساختمان باشد فاصله بین تراز کف فونداسیون همسایه تا کف گود به عنوان عمق گود معرفی می شود.

سر بار گود Q: وجود سازه یا معابر در مجاورت دیواره گود باعث ایجاد سر بار می شود که در مقدار تنش جانبی تاثیر گذار است. مقادیر پیشنهادی سر بار گود برای حالت های مختلف بارگذاری مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش سال 1398 به شرح زیر است:

فاصله افقی بین دو خرپا مجاور L: این فاصله مقادیر متفاوتی بین 3 تا 5 متر دارند، چیدمان خرپا باید به گونه ای باشد که فونداسیون ساختمان در حال احداث بین خرپاها قرار بگیرد.

مشخصات مکانیکی خاک: پارامترهای تعیین کننده بارگذاری خرپا هستند که شامل چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی خاک و وزن مخصوص خاک می باشد. نمودار های کمک طراحی بر اساس مقادیر صحیحی از سه پارامتر اول طبقه بندی شده است. بنابراین اگر مقدار پارامتر های طراحی برای گود مورد نظر در بین این مقادیر صحیح قرار داشت باید از نمودار مقدار دسته بالاتر استفاده کنید.

• مقادیر صحیح عمق گود بر اساس متر : 4 – 7 – 10 – 13 – 16
• مقادیر صحیح سر بار گود بر اساس تن بر مترمربع : 0 – 2 – 4 – 6
• مقادیر صحیح فاصله افقی بین دو خرپا مجاور بر اساس متر : 3 – 4 – 5

انواع نمودارهای کمک طراحی و نحوه استفاده از آن

به طور کلی روش کار به این صورت است که پارامتر های ورودی تعیین می شود. با داشتن اطلاعات اولیه نمودار مناسب برای هر کدام اجزای سازه نگهبان انتخاب می شود و خروجی این نمودار های طراحی تعیین نوع سازه نگهبان، طول شمع و عرض پی می باشد.

نمودار کمک طراحی تعیین نوع سازه نگهبان

بر اساس طبقه بندی کتب مرجع سه نوع I و II و III برای سازه نگهبان خرپایی تعریف شده است. در بین نمودار های تعیین نوع سازه نگهبان خرپایی نمودار مربوط به Q و L  و H گود مورد نظر را انتخاب کرده و با توجه به مشخصات خاک می بینیم که نقطه مورد نظر روی کدام خط می افتد. شکل زیر نمونه ای از یک نمودار کمک طراحی تعیین نوع سازه نگهبان می باشد که برای مشخصات گود 13 متری بدون سر بار با فاصله بین دو خرپا مجاور 3 متر می باشد.

در نمودار فوق اگر مقدار C=8 t/m2 و زاویه اصطحکاک داخلی ϕ=25  باشد نوع سازه نگهبان مورد نظر I می باشد.

اگر نقطه متناظر با مشخصات خاک در قسمت عدم نیاز قرار گرفت این گود نیازی به سازه نگهبان ندارد و اگر نقطه متناظر در قسمت IV قرار گرفت خاک بسیار ضعیف بوده و باید سازه نگهبان خاص برای گود طراحی شود.

نمودار کمک طراحی تعیین ابعاد فونداسیون

با کمک این دسته از نمودارها عرض پی مربعی برای عضو مایل تعیین می شود. مانند قسمت قبل با استفاده از پارامتر های H و L و Q نمودار تعیین ابعاد پی را انتخاب می کنیم. همان طور که در شکل زیر مشاهده می کنید در این نوع از نمودار چهار خط و پنج ناحیه وجود دارد. ناحیه اول که قسمت عدم نیاز به سازه نگهبان و ناحیه پنجم ناحیه ی سازه نگهبان خاص می باشد. نقطه متناظر با مشخصات خاک در ناحیه دوم و سوم و چهارم قرار می گیرد. بر روی خط دوم، سوم و چهارم موجود در نمودار مقدار عرض پی مربعی نوشته شده است.

اگر نقطه متناظر با مشخصات خاک روی خط دوم ، سوم و چهارم نمودار قرار بگیرد مقدار عدد عرض فونداسیون که روی خط نوشته شده است را اتخاذ می کنیم. اگر نقطه متناظر در ناحیه دوم قرار گرفت مقدار عرض پی برابر با مقدار عرض فونداسیون نوشته شده روی خط دوم می باشد.

اگر نقطه متناظر در ناحیه سوم و چهارم قرار گرفت مقدار عرض پی برابر باید بر اساس درون یابی خطی تعیین شود. برای درون یابی خطی اگر فاصله نقطه مورد نظر تا خط بالایی و خط پایینی به ترتیب L1 و L2 باشد و مقدار عددی نوشته شده Bf روی خط بالایی و پایینی به ترتیب 1(Bf) و 2(Bf) باشد مقدار عرض فونداسیون از رابطه زیر محاسبه می شود.

نمودار کمک طراحی تعیین نوع و طول شمع

بر اساس این دسته از نمودارها طول و نوع شمع عضو قائم تعیین می شود. مانند قسمت قبل با استفاده از پارامتر های H و L و Q نمودار تعیین نوع و طول شمع را انتخاب می کنیم. این دسته نمودارها نیز مانند نمودار های کمک طراحی ابعاد فونداسیون دارای چهار خط و پنج ناحیه می باشد. شکل های زیر نمونه ای از این نوع نمودار ها را نشان می دهد. روی خطوط دوم، سوم و چهارم یکی از مقادیر عددی Lp و *Lp نوشته شده است که Lp مقدار طول شمع بدون پاشنه و *Lp طول شمع پاشنه دار است.

اگر نقطه متناظر با مشخصات خاک روی خط دوم ، سوم و چهارم نمودار قرار بگیرد مقدار طول شمع و نوع آن بر اساس مقدار که روی خط نوشته شده است را اتخاذ می کنیم.

برای مثال: در نمودار شکل بالا اگر مقدار C=3 t/m2 و زاویه اصطحکاک داخلی ϕ=20 باشد نوع شمع بدون پاشنه و طول آن برابر با 3 متر می باشد

اگر نقطه متناظر در ناحیه دوم قرار گرفت مقدار طول شمع و نوع آن بر اساس مقدار که روی خط دوم نوشته شده است، می باشد. اگر نقطه متناظر در ناحیه سوم و چهارم قرار گرفت و مقادیر روی خطوط بالا و پایین نقطه هر دو مقدار Lp و *Lp باشد طول شمع باید بر اساس درون یابی تعیین شود. برای درون یابی خطی اگر فاصله نقطه مورد نظر تا خط بالایی و خط پایینی به ترتیب L1 و L2 باشد و مقدار عددی نوشته شده Lp روی خط بالایی و پایینی به ترتیب Lp1 و Lp2 باشد؛ نوع شمع بدون پاشنه و مقدار طول شمع از رابطه زیر محاسبه می شود.

برای درون یابی اگر هر دو خط *Lp باشد نوع شمع پاشنه دار و طول آن از رابطه بالا محاسبه می شود فقط به جای Lp  در رابطه *Lp جایگذاری شود.

اگر نقطه متناظر در ناحیه سوم و چهارم قرار گرفت و مقادیر روی خطوط بالا و پایین نقطه  مقدار Lp و *Lp باشد طول شمع باید بر اساس طول شمع پاشنه دار یعنی *Lp تعیین شود.

حل مثال طراحی سازه نگهبان خرپایی با استفاده از نمودار

فرض کنید که گودی به عمق 13 متر در مجاورت آن سرباری وجود ندارد. فاصله بین هر دو خرپا مجاور 4 متر است. مشخصات مکانیکی خاک به شرح زیر است.

C=4 ton/m^2
ϕ=35°
H=13 m
Q=0 ton/m^2
L=4 m

نمودارهای کمک طراحی مربوط به پارامتر های طراحی به شرح زیر است: