بخشی از مقاله
مطالعه عملکرد پي ها شناور توام با ديوار جانبي به روش عددي
خلاصه
در مواردي که بار حاصل از روسازه سنگين و سيستم پي سطحي قابليت انتقال بار سازه اي را نداشته باشد، مي توان از سيستم پي شناور استفاده نمود. در اين سيستم پي در اعماق پايين تر مستقر وبارثقلي حاصل از روسازه ، جايگزين وزن سربار خاک برداشته شده درنتيجة گودبرداري مي شود. در اين مقاله با استفاده از نرم افزار المان محدود Abaqus عملکرد پي هاي راديه شناور و راديه شمع شناور بررسي گرديده و تاثير ديوار جانبي در عملکرد پي شناور، در مواردي که لزوم استفاده آن به علت ريزش خاک اطراف گود مطرح مي باشد، مورد بررسي قرار گرفته است . بررسي انجام شده نشان مي دهد نشست در پي هاي شناور با توجه به عمق شناوري کاهش يافته وهمچنين ديوارهاي جانبي مي توانند به عنوان عضو دائم باربر قائم نقش موثري در کاهش نشست داشته باشند و سهم قابل توجهي از بار قائم را بر عهده بگيرند.
کلمات کليدي : پي شناور، مدل سازي عددي ، گودبرداري ، نشست
.1 مقدمه
انتقال بار از روسازه به زمين توسط عضوي انتقالي به نام پي انجام مي شود.در طراحي پي بر روي بستر خاک بايد همة انواع پي ها مورد بررسي قرار گيرند و با در نظر گرفتن عواملي از قبيل نشست هاي اضافي ، هزينه ، زمان اجراي ساختمان ، در دسترس بودن مصالح و غيره يکي از آنها انتخاب گردد. اگر خاک بستر ضعيف باشد، تحت بار ساختمان ، خطر گسيختگي برشي در زير پي وجود دارد. بنابراين بارها بايد در سطح بزرگتري گسترده شوند، يا مقدار بار وارده بايستي کاهش يابد و يا بايستي از خاک ضعيف تر توسط شمع ها يا ساير تجهيزات به مصالح مستحکم در اعماق پايين تر منتقل شوند. اين سه راه حل مي توانند به طور جداگانه يا توأماً مورداستفاده قرار گيرند[١].
نشست يک پي را مي توان با کاهش فشار خالص بر روي خاک ، کاهش داد. بار برداشته شده ناشي از حذف وزن خاک را مي توان با وزن سازه بالانس نمود. اينگونه پي ها، پي هاي شناور ناميده مي شوند. زماني که بخشي از وزن سازه با بار حاصل از گودبرداري بالانس شود، پي نيمه شناور و زماني که کل بار روسازه بالانس شود پي کاملا شناور ناميده مي شوند. پي هاي شناور مي توانند به صورت پي جعبه اي در عمق ، پي گسترده ساده درعمق و يا بصورت پي راديه شمع مرکب اجرا گردند. در پي هاي شناور با توجه به عمق خاکبرداري و نوع خاک در بعضي مواقع به منظور جلوگيري از ريزش خاک يا نفوذ آب و همچنين پايداري اجزا ساختماني ، از انواع ديوارهاي حائل استفاده مي شود. ديوارهاي جانبي در مواردي مي توانند نقش مشارکتي در باربري قائم و کنترل نشست داشته باشند.اساس مفهوم شناوري مدت ها پيش شناخته شده و در ساخت پي ها استفاده مي شود.اولين ساختماني که از مفهوم پي هاي شناوري در آن استفاده گرديده است ، ساختمان Mill Albion مي باشد که در سال ٨٦-١٧٨٣ در لندن توسط Wyatt Samuel طراحي و اجرا گرديد[٢].
.2 مفهوم پي هاي رادية جعبه اي و راديه مرکب جعبه اي
پي هاي راديه در گسترانيدن بار در سطح بزرگتر نقش موثري را ايفا مي نمايد. طرح تلفيق پي راديه و پي هاي عميق ، به عنوان گزينه جديدي در مبحث پي سازي از دهه ٧٠ ميلادي مطرح شده است . به کارگيري شمع هادر زير پي هاي راديه که اصطلاحا به سيستم پي راديه شمع معروف است ، مي تواند سبب کاهش نشست و افزايش ظرفيت باربري شود.استفاده ازمفهوم شناوري همراه با طرح راديه شمع ، اثرات مطلوبي بر عملکرد پي از نظر نشست و ظرفيت باربري دارد. زيوارت (١٩٥٧و١٩٧٣) به عنوان پيشتاز در استفاده از مفهوم شناوري در پي راديه همراه با شمع هاي اصطکاکي ، اين موضوع را به خوبي نشان داده است [٣,٤].
در گودبرداري هايي که از سيستم ديوار ديافراگمي جهت سازة نگهدارنده جانبي استفاده مي شود، مي توان با اضافه کردن ديوار به سيستم پي راديه يا راديه مرکب و يکپارچه سازي آن ، از اصطکاک جانبي ديوار و مقاومت کف آن جهت باربري بار قائم استفاده کرد. در اين صورت پي بصورت جعبه اي عمل مي کند بدين معنا که ديوارهاي جانبي نيز همانند راديه و شمع ها (درصوت وجود) نقش مشارکتي در کنترل نشست و سهم باربري قائم دارند. در پي هاي جعبه اي علاوه بروارد شدن بار بر روي راديه ، مي توان با ايجاد دال فوقاني و ديوارهاي مياني ، بار را برروي دال فوقاني اعمال کرد. با افزايش روزافزون ساخت و سازهاي زيرزميني ، کاربرد ديوار ديافراگمي به عنوان يک عضو دائم که نقش باربري قائم را علاوه بر نگهداري جانبي بر عهده دارد، متداول شده است . در ده هاي اخير محققان زيادي عملکرد اين ديوارها را عنوان سازه نگهدارندة جانبي مورد مطالعه قرار داده اند، اما در مورد رفتار باربري قائم اينگونه ديوارها بررسي هاي کمتري صورت گرفته است . Hou و همکاران (٢٠١٠) با انجام يک سري آزمايش بارگذاري قائم بر ديوار ديافراگمي با ٥ متر طول ، ضخامت ٨.. متر و عمق ٢٩.٥ متردرخاکي متشکل از لايه هاي رسي و سيلتي نتيجه گرفتند که توزيع بار قائم در ديوار ديافراگمي مشابه توزيع بار در شمع هاي درجا مي باشد[٥]. در اين مقاله به بررسي اثر باربري ديوارهاي جانبي توام با اثر شناوري برروي عملکرد پي مي پردازيم .
.3 مطالعه موردي
از جمله پي هاي خاص اجرا شده بصورت شناور مي توان به ساختمان مخابرات آلباني واقع در نيويورک ، کارخانه قندسازي واقع در گيانا، ساختمان نيروگاه هسته اي برزيل ، برج لاتينو واقع در آمريکا و ساختمان La Azteca در مکزيکوسيتي اشاره نمود. ازاين ميان به شرح مورد آخر مي پردازيم [٣,٩,٨,٧,٦].
بار حاصل از ساختمان La Azteca حدود ١١٨ کيلوپاسکال مي باشد، که بر روي يک لايه از رسوبات رسي با تراکم پذيري بالا که در معرض فرونشست به علت استخراج آب زيرزميني ،قرار دارد.براي فونداسيون ساختمان ، راديه شمع شناور در نظر گرفته شده است . براي اجراي فونداسيون ٦ متر حفاري صورت مي گيرد. فونداسيون شامل راديه به همراه ٨٣ شمع به قطر ٤٠٠ ميلي متر و طول ١٨ متر مي باشد.
زيوارت براي حالت راديه شناور، نشست ١٠٠٠ ميلي متر و براي راديه شمع شناور مقدار نشست نهايي را برابر ٣٧٠ ميلي متر پيش بيني کرد که نشانگر کاهش ٦٨ درصد نشست در استفاده از راديه شمع شناور به راديه شمع غير شناور مي باشد. Polous (٢٠٠٥) نيز يک روش آناليز تقريبي عملکرد پي هاي مختلف را بر روي اين ساختمان مورد بررسي قرار داد و نتيجه گرفت نشست راديه شمع شناور ٢٦ درصد نشست راديه شمع غيرشناور، ٢٩ درصد نشست راديه شناور و ١٢ درصد راديه غيرشناور مي باشد.مقادير نشست هر دو پيش بيني با مقادير مشاهده شده مطابقت قابل قبولي دارد. نشست هاي مشاهده شده و محاسبه شده توسط زيوارت در شکل ١ نشان داده شده است [١٠].
.4 مدل سازي عددي
بررسي انجام شده با نرم افزار المان محدود سه بعدي Abaqus صورت گرفته است . در تمامي مدل ها از المان ٨ گرهي CDR٣٨ استفاده شده است .
ابعاد و اندازة مش بندي به گونه اي انتخاب شده است که ضمن دقت بالا، زمان محاسبه بهينه باشد.
در اين مطالعه چهار نوع خاک ماسه اي متراکم ، متوسط ، سست وبسيار سست با مدل رفتاري موهر کولمب در نظر گرفته شده است ، همچنين براي بررسي رفتار پي ها تحت بارگذاري هاي مختلف از چهار سطح بار ١٢٠، ٢٤٠، ٣٦٠ و ٦٠٠ کيلونيوتن که هرکدام به ترتيب نماينده ساختماني با تعداد طبقات ١٠، ٢٠، ٣٠ و ٥٠ طبقه مي باشند، استفاده شده است . به منظور بررسي اثر شناوري از دو عمق گودبرداري ٥ متر و ٨ متر استفاده شده است . در جدول ١ پارامترهاي لازم خاک هاي مورد مطالعه براي مدل رفتاري موهرکولمب و درجدول ٢ ضرايب اصطکاک بين شمع و ديوار با خاک جهت مدل کردن رفتار اصطکاکي وهمچنين ضريب ايستايي فشار زمين براي برقراري شرايط اوليه در خاک ،نشان داده شده است .
در بررسي عددي انجام گرفته پي هاي راديه ساده ، گروه شمع و راديه شمع در سطح زمين و در عمق ٥ و ٨ متري مدل شده اند. همچنين جهت بررسي اثر ديوارهاي جانبي ، مدل هاي پي راديه و پي راديه شمع در اعماق ٥ و ٨ متري همراه با ديوار، بصورت جعبه اي مدل شده اند. پي راديه با ضخامت ٠.٨ و طول و عرض ٥.٨ و گروه شمع با ١٦ شمع ١٥ متري با قطر٠.٩ متر با فاصله مرکز به مرکز ٤ متر در نظر گرفته شده است .پي راديه شمع نيزمتشکل از يک راديه مربعي با اندازه ضلع ٨ متر و ضخامت ١.٥ به همراه ١٦ شمع ١٥ متري با قطر٠.٩ مترو چيدمان ٤ در ٤ و فاصله مرکز به مرکز ٤ متر مي باشد.
ديوار ديفراگمي داراي ضخامت ٠.٨ متر و طول ٩ متر براي گودبرداري ٥ متري و طول ١٤ متر براي گودبرداري ٨ متري مي باشد. براي محدود کردن تغيير شکل جانبي ديوار، سقف طبقات زيرزميني که داراي ضخامت ٠.٢ متر مي باشد نيز مدل شده است . در شکل ٢ مش بندي و مدل يک چهارم پي راديه شمع جعبه اي با طبقات زيرزميني نشان داده شده است . در تمامي پي هاي جعبه اي در اين تحقيق ، بار بر روي راديه اعمال شده است .
براي نمونه و نشان دادن اثر شناوري در جدول ٣ مقدار سربار خالص برداشته شده از روي خاک زير پي راديه جعبه اي و ساده نشان داده شده است . در اغلب موارد پي ها بصورت نيمه شناور هستند. براي مقايسه مقدار شناوري بايد وزن ساختمان را با احتساب وزن پي آن در سطح زمين (٢٠ کيلو نيوتن براي راديه ) در نظر گرفت . در مورد پي راديه ساده با گودبرداري ٨ متري در خاک ماسه اي متراکم و متوسط که براي بارگذاري ساختمان ١٠ طبقه ، شناوري از نوع کامل تلقي مي شود، مقدار نشست تقريبا برابر صفر (٠.٦ و ٠.٧ميلي متر) مي باشد.
شکل ٢–مش بندي و مدل يک چهارم پي راديه شمع جعبه اي در عمق ٨ متري
.5 اثر شناوري و ديوارهاي جانبي بر روي نشست
در نمودارهاي زير نشست مرکز پي براي بارگذاري هاي مختلف و سيستم هاي پي هاي مختلف نشان داده شده است . با توجه به فراواني نمودارها براي هر گروه نمونه اي از خاک ها نشان داده شده است .با افزايش بار حاصل از روسازه وضعيف شدن خاک مقادير نشست افزايش مي يابد. در تمامي سيستم هاي پي با افزايش عمق گودبرداري مقدار نشست کاهش يافته است ، همچنين در تمامي سيستم هاي پي که ديوار در باربري قائم مشارکت دارد و به اصطلاح پي بصورت جعبه اي عمل مي کند، مقادير نشست بهبود يافته است . در قسمت راديه ها و راديه شمع ها که مي توان از ديوار جانبي در سيستم باربري استفاده کرد حالتي که گودبرداري ٨ متري به همراه ديوار را داريم در تمامي بارگذاري ها و خاک ها به غير از بارگذاري مربوط به ساختمان ١٠ طبقه ، کمترين مقدار نشست را نتيجه مي دهد. مقدار تنش خالص برداشته شده از خاک زير پي در گودبرداري ٨ متري ،در حالتي که پي بدون ديوار مي باشد، تقريبا وزن روسازه و پي را در بارگذاري مربوط به ساختمان ١٠ طبقه متعادل کرده و پي به شناوري کامل مي رسد، در نتيجه نشست پي برابر صفر و يا مقادير بسيار کمي مي باشد. علاوه براين به علت آنکه مقدار بارگذاري مربوط به ساختمان ١٠ طبقه کم و درنتيجه نشست کم مي باشد، ظرفيت جدار ديوار در باربري قائم به طورکامل برانگيخته نمي شود. بنابراين در نشست هاي بسيارکم ، ديوار در باربري قائم نقش کم رنگي دارد.
