سازه نگهبان سنتی (خرپایی)

سازه نگهبان خرپایی

سازه نگهبان خرپایی (Guardian truss structures) یکی از روش های پایدار سازی جداره گودبرداری است. سازه نگهبان خرپایی متداول ترین روش پایداری سازی در گودهای با عمق متوسط است. در این روش پروفیل های فولادی خرپایی، در فواصل معین به دیواره گود، تکیه داده می شود. خرپاها با تحمل فشار جانبی ناشی از سربار خاک، و انتقال آن به زمین، مانع از ریزش دیواره گود می شود. قبل از آن یک نکته مهم وجود دارد: در پایدارسازی گود و اجرای سازه نگهبان، کسب تجربه بسیار مهم است. گاهی مواقع آنچه در کتاب ها نوشته است، شاید نتوان به طور کامل اجرا کرد. گاهی نیاز است، با توجه به امکانات و شرایط موجود در پروژه، تصمیم هایی را اتخاذ نمود. پیشنهاد میکنم اگر تجربه کافی را ندارید، حتماً در این مرحله از یک مهندس باتجربه، کمک بگیرید. خود من نیز این افتخار را داشتم که مدت های زیاد در کنار یک مهندسین با تجربه ای همچون مهندس جهانیان و مهندس نصیری این کار را انجام می دادم.

مشکل اصلی در اجرای سازه نگهبان خرپایی چیست؟

به نظر من، مهم ترین مشکل این است: بسیاری از سازندگان تجربی، اجرای آن را، خرج اضافه می دانند. در پروژه های کوچک، بکار گیری مهندس مجری اجباری نیست. اکثر حوادثی هم که در گودبرداری ها اتفاق می افتد مربوط به همین ساخت و ساز های کوچک است. حال این مهندس ناظر است که باید بر سر اجرای درست سازه نگهبان با سازنده سر و کله بزند. اکثر اوقات هم، نتیجه، خیلی رضایت بخش نیست. اگر حادثه ای اتفاق نیافتد، اجرای سازه نگهبان یک هزینه اضافی است. چند میلیون تومان هزینه در بر دارد. هم باعث اتلاف زمان می شود. اما کدام یک از این سازندگان محترم می توانند آینده را پیش گویی کنند؟ از کجا می توان، مطمئن بود که حادثه ای اتفاق نمی افتد. درست مثل بیمه نامه شخص ثالث خودرو. آیا همه خودرو هایی که بیمه می شوند، تصادف می کنند؟ مسلماً نه. با این حال، انجام بیمه نامه برای همه خودروها اجباری است.

سازه نگهبان خرپایی

در اغلب پروژه های ساختمانی ، فعالیت های اجرایی با عملیات خاکبرداری / گود برداری در زمین محل اجرا آغاز می گردد.این بخش از عملیات اجرایی که اغلب سهم کمی از پیشرفت فیزیکی پروژه را به خود اختصاص می دهد بی شک یکی از مهمترین مراحل اجرایی پروژه محسوب می گردد. اهمیت مرحله گود برداری پروژه صرفا به لحاظ وجود پیچیدگی های فنی نیست. معمولا با آغاز عملیات گود برداری ، مالکین ساختمان های همجوار (در صورت وجود) از وقوع رخداد های احتمالی ناشی از گود برداری از نگرانی منطقی ای برخوردارند.این نگرانی بالقوه در صورتی که در این دسته از ذینفعان پروژه، به صورت منطقی و از مناظر فنی و مدیریتی مدیریت نگردد، با عث می گردد حس نگرانی به نارضایتی شدید تبدیل گردد.این نارضایتی باعث می گردد فضای اجرایی معمول پروژه را از وضعیت عادی خارج نموده و سبب گردد میزان ریسک متصور برای پروژه، به شدت افزایش یابد. از این رو در اداره پروژه های عمرانی همواره مهندس پروژه بایستی علاوه بر مدیریت مهندسی پروژه به مدیریت حوزه های مختلف در پروژه خصوصا مدیریت ذینفعان نیز توجه جدی داشته باشد.

بی تردید اجرای صحیح سازه های نگهبان صرفنظر از اهمیتی که از بعد فنی برای آن متصور است ، همواره در تامین رضایت ذینفعان نیز بطور غیر مستقیم تاثیر گذار است. روش سازه نگهبان خرپایی از جمله روش هایی است که بطور گسترده به جهت تامین پایداری در اجرای گودبرداری های شهری مورد استفاده قرار می گیرد.در دسترس بودن مصالح مورد نیاز ، نصب سریع و عدم نیاز به دانش و فن آوری پیچیده ، از جمله مواردی هستند که باعث شده اند بکارگیری این نوع سازه نگهبان در بین مهندسان و مجریان از اقبال خوبی برخور دار باشد. سازه نگهبان خرپایی علیرغم نکات مثبتی که برخوردار است دارای برخی ضعف های جدی است.

عمده مشکلات رایج در بکار گیری سازه نگهبان خرپایی را می توان در موارد زیر خلاصه نمود:

– مهندسان محاسب به دلیل تیپ پذیری ظاهری سازه نگهبان، کمتر اشتیاق به بازدید میدانی و ارائه طرحی منطبق با نیاز پروژه دارند.

– اغلب مالکین و کارفرمایان متقاضی این روش ، تامین سازه نگهبان خرپایی را با نگاه هزینه ای صرف و شاید سازه ای غیر ضرور تلقی می نمایند .این دسته از مجریان بواسطه عدم آگاهی کافی نسبت به قوانین و مقرارات رایج ، اغلب نسبت به مسئولیت خود در قبال وقوع خطر های پیش رو و تبعات قانونی آن کمتر مطلع هستند

– پیمانکاران ساخت این گونه سازه ها ، برحسب یک عادت نامتعارف کمتر تمایلی به استفاده از نقشه و مشخصات فنی در اجرای این دسته سازه ها از خود نشان می دهند.سادگی ظاهری در طرح و روش ساخت، اغلب باعث می گردد افراد کاملا غیر حرفه ای در این حوزه بکار گیری شوند.

– اغلب مهندسین ناظر نیز با توجه به جمیع مشکلات اعلام شده ، گاها نقش و عملکرد موثری را به جهت حل مشکلات طرح شده در خود نمی بینند و در شرایط معمول ، خود را در بروز مخاطرات احتمالی با دیگر سازندگان سهیم می کنند. به عبارت دیگر متاسفانه ریسک خطر را می پذیرند.

یکی از مناسب ترین و متداول ترین روش های اجرای سازه نگهبان در مناطق شهری است. اجرای آن ساده بوده و نیاز به تجهیزات و تخصص بالایی ندارد و در عین حال قابلیت انعطاف زیادی از نظر اجرا در شرایط مختلف دارد. برای اجرای این نوع سازه نگهبان، ابتدا در محل عضوهای قائم خرپا، که در مجاورت دیواره ی گود قرار دارند، چاههایی را حفر می کنیم. عمق این چاه ها برابر با عمق گود به اضافه مقداری اضافه برای اجرای شمع انتهای تحتانی عضو خرپا است. طول شمع را از طریق محاسبه بدست می آوریم. آنگاه درون شمع را آرماتوربندی کرده و عضو قائم را در داخل شمع قرار می دهیم و سپس شمع را بتن ریزی می کنیم. پس از سخت شدن بتن، انتهای تحتانی عضو قائم به صورت گیردار در داخل شمع قرار خواهد داشت. سپس خاک را در امتداد دیواره ی گود با یک شیب مطمئن بر می داریم. آنگاه فونداسیون پای عضو مایل را اجرا می کنیم. این فونداسیون در پلان به صورت مربعی است. پس از آن، عضو مایل را از یک طرف به عضو قائم و از طرف دیگر به ورق کف ستون بالای فونداسیون متصل می کنیم. عملیات فوق را برای کلیه ی خرپاهای سازه نگهبان در امتداد دیواره به صورت همزمان اجرا می کنیم. حال خاک محصور بین اعضای قائم و افقی خرپاها را در سرتاسر امتداد دیواره، به صورت مرحله به مرحله برمی داریم و در هر مرحله اعضای افقی و قطری خرپا را بتدریج نصب می کنیم تا آنکه خرپا تکمیل شود.

مزایای روش خرپایی:

۱٫ برای عموم گودهای واقع در مناطق شهری مناسب است.
۲٫ از نظر اجرا در شرایط مختلف، قابلیت انعطاف زیادی دارد.
۳٫ امکان استفاده مجدد از خرپا وجود دارد.
۴٫ ساده است و به تخصص و دستگاه های خاص نیاز ندارد.

معایب روش خرپایی:
۱٫ سرعت اجرا، در مقایسه با روش های پیشرفته تر نسبتاً کمتر است.
۲٫ خرپاها جاگیراند.
۳٫ احتمال الزامی بودن برداشت بخشی از خاک با روشهای دستی وجود دارد

توصیه‌های ایمنی به منظور پیشگیری از خطرات گودبرداری

۱. نکات مهم قبل از گودبرداری
• شناخت کافی از خاک منطقه جهت تعیین مقاومت خاک
• شناسایی موقعیت تاسیسات زیرزمینی
• قطع آب، گاز و برق با همکاری سازمانهای ذیربط
• آگاه سازی ایستگاه آتش‌نشانی نزدیک جهت جلوگیری از وقفه در سرویس‌رسانی احتمالی
• شناسایی دقیق وضعیت ساختمانهای مجاور و اتخاذ راهکارهایی مناسب جهت ایمن‌سازی آنها
• توجیه ساکنین مجاور گود با موارد ایمنی و هشدارهای مرتبط با زمان تخلیه فوری

۲. نکات مهم در حین گودبرداری
• اگر خاک محل از نوع خاک دستی باشد، می‌بایست خاکبرداری بصورت تدریجی و با مهار کامل دیواره‌های پیرامونی صورت گیرد.
• در صورت عدم محدودیت در فضا، دیواره‌ها با شیب ملایمی برابر شیب مجاز خاک برداشته شود.
• دیواره‌های گود با عمق بیش از ۱/۲ متر خطرناک محسوب شده و باید مهار شود مگر شیب مجاز خاک رعایت شده باشد.
• هنگامی که گودبرداری پایین‌تر از پی ساختمان مجاور انجام شود، باید نسبت به پایدارسازی پی مجاور اقدام لازم صورت گیرد.
• مصالح حاصل از گودبرداری نباید به فاصله کمتر از ۰/۵ متر از لبه گود دپو شود.

۳. نکات مهم بعد از گودبرداری
• زمان‌بندی اجرای پروژه بگونه‌ای تنظیم شود که بلافاصله بعد از گودبرداری عملیات پایدارسازی و اجرای فونداسیون انجام شود.

نکته مهم : ناظرین محترم توجه داشته باشند که هیچگاه هنگام گودبرداری و اجرای فونداسیون، دستور توقف کار ندهند. زیرا توقف در این مرحله پر ریسک بوده و احتمال وقوع ریزش را بالا می برد.

• بعد از وقوع بارش، سیل یا زلزله، دیواره‌های گود بازدید شده و در صورت لزوم ادوات حفاظتی تعمیر و مرمت شوند.
• از استقرار ماشین‌آلات سنگین در مجاورت لبه بالای گود خودداری گردد.
• جهت ایمنی عابرین پیاده و جلوگیری از سقوط افراد یا اشیاء، حصارکشی مناسب و نصب علائم خطر و چراغ هشدار دهنده ضروری است.

مراحل اجرایی پایدارسازی گود به روش خرپای فلزی، سازه نگهبان خرپایی.

شکل ۲ – اجرای صحیح سازه نگهبان خرپایی

این روش بعنوان یکی از مناسب‌ترین و متداول‌ترین روش‌های اجرای سازه نگهبان در مناطق شهری کشور محسوب می‌گردد. اجرای این سیستم در عین سادگی و عدم نیاز به تجهیزات خاص، قابلیت انعطاف‌پذیری زیادی از نظر اجرا در شرایط مختلف را داراست. مراحل اجرا در این روش در زیر بصورت کامل تشریح شده است:

۱. نخست قبل از خاکبرداری در محل عضوهای قائم خرپا، که در مجاورت دیواره‌ی گود قرار دارد، چاه‌هایی حفر می‌شود (فواصل خرپاها نسبت معکوس با میزان خطر پذیری ملک مجاور دارد). عمق این چاه‌ها برابر عمق خاکبرداری + ثلث طول عضو قائم (جهت اجرای شمع تحتانی عضو قائم) می باشد.

• بعد از اتمام عملیات تخریب و رسیدن به تراز سطح زمین محل قرارگیري عضوهاي قائم خرپا در مجاورت دیواره گود با کمترین تداخل با سازه اصلی مشخص می گردد.
• در این محل ها چاه هایی حفر می شوند که عمق این چاه ها برابر با عمق گود به اضافه طول شمع می باشد. طول شمع حداقل ۲۵درصد عمق گود می باشد. قطر چاه ها در حدود ۸۰ سانتیمتر می باشند.
• مطابق نقشه آرماتوربندي شمع انجام شده و عضو قائم ساخته شده در چاه قرارداده می شود
نکته قابل توجه این است که عضو قائم بایستی تا حد امکان به ملک مجاور تکیه کند.

۲٫ بتن ریزي شمع انجام می گردد. پس از سخت شدن بتن عضو قائم به صورت گیردار در خاك خواهد بود.
۳٫ خاك با شیب پایدار برداشته می شود.
۴٫  پس از خاکبرداري در محل پاي عضو مایل، فونداسیون منفرد همراه با صفحه ستون اجرا می شود.
۵٫ عضو مایل به پی منفرد و عضو قائم متصل می گردد.
۶٫ خاك محصور بین اعضاي قائم و افقی خرپاها (سپر خاکی)، به صورت مرحله اي گودبرداري شده و در هر مرحله اعضاي افقی و قطري نصب می شوند تا خرپا تکمیل گردد. توجه گردد که در صورت وجود فاصله بین عضو قائم و ملک مجاور حتماً بایستی در هر مرحله گود برداري این قسمت با مصالح مناسب پر گردد تا فشار خاك به خرپا منتقل گردد (مصالح مناسب مصالحی است که حداقل مقاومت فشاري خاك آن قسمت را دارا باشد). تحتانی ترین عضو افقی بایستی به صورتی نصب شود که تراز روي عضو برابر با تراز کف گود باشد.
۷٫ برداشت خاك و اجراي اعضاي مهاربندي تا خرپاي فضایی شکل پذیرد.
تذکر: پس از نصب المان قائم لازم است عملیات نصب مهارهاي جانبی در اسرع وقت صورت پذیرد. نصب مهارهاي جانبی می تواند به صورت همزمان با پیشرفت عملیات خاکبرداري صورت پذیرد. بدیهی است با توجه به جنس و نوع خاك ترتیب و توالی این مراحل با نظر مهندس محاسب و ناظر می باشد.
۸٫ تثبیت جداره ها از طریق تخته کوبی، دوغاب و یا شاتکریت به منظور جلوگیري از ریزش هاي موضعی و جزئی خاك.
۹٫ اتمام عملیات در صورتی پایان خواهد پذیرفت که تمامی مراحل فوق انجام گیرد

ارزیابی فشار جانبی خاک:
در پروژه‌های پایدارسازی گود دیوار حائل و سازه نگهبان برای تحمل فشار جانبی خاک و فشار آبی که ممکن است در پشت آن به وجود آید، طراحی می‌شود. فشار خاک از بارهای حاصل از وزن خاک نگهداری شده، سربارهای مختلف و حرکات لرزه‌ای زمین ایجاد می‌شوند. در پروژه‌های پایدارسازی گود برای طراحی صحیح سازه نگهبان باید شناخت دقیقی از فشار جانبی ایجاد شده بین خاک و سازه داشته باشیم. برای تعیین نیروی جانبی خاک که بر یک دیوار حائل وارد می‌شود دو تئوری وجود دارد. تئوری کولمب و تئوری رانکین. با توجه به آنکه در تئوری رانکین توزیع فشار جانبی وارد بر دیوار بدست می‌آید، برای طراحی سازه نگهبان از این تئوری استفاده می‌گردد. با توجه به تغییر مکان دیوارهای حائل برای طراحی اغلب آنها همانند سازه نگهبان خرپایی، نیروی رانش خاک بر مبنای رانش محرک محاسبه میگردد.

تعیین بارجانبی وارد بر هر سازه نگهبان خرپا:
اگر فاصله بین سازه نگهبان‌های خرپایی مجاور L باشد، شدت بار خطی وارد بر هر خرپا از رابطه زیر بدست می‌آید:
فشار جانبی کل(مجموع فشارجانبی موثر و فشار هیدرواستاتیکی در صورت وجود) وارد بر هر سازه نگهبان خرپایی است. بدین ترتیب با مشخص شدن توزیع بار وارد بر هر خرپا می‌توان این بار را روی گره‌های عضو قائم خرپا منتقل کرده نیروهای محوری اعضای خرپا و عکس‌العمل‌های تکیه‌گاهی را بدست آورد.

• ظرفیت باربری شمع کششی و تعیین طول آن:
ظرفیت کششی شمع‎ها ناشی از وزن و مقاومت جداره آنها می‌باشد. ظرفیت کششی نهایی تک شمع برابر است با:
وزن شمع از حاصل ضرب وزن مخصوص بتن مسلح در حجم شمع به دست می‌آید. برای ارزیابی مقاومت جداره شمع‌ها در خاک‌های دانه‌ای و چسبنده روابط و روش‌های متعددی ارائه شده است. یکی از این روش‌ها، روش آلفا (روش تامیلسون) است. در این رابطه ضریب هم‌چسبی خاک و مصالح شمع، چسبندگی زهکشی نشده خاک، متوسط سربار موثر به ازای طول شمع (مقدار سربار موثر در وسط طول شمع، ، K ضریب فشار افقی و زاویه اصطکاک موثر بین جدار شمع و خاک است.

کنترل لغزش سازه نگهبان خرپایی:
کنترل پایداری سازه نگهبان خرپایی در برابر لغزش موضوع مهمی است که در این بخش به آن پرداخته می‌شود. ضریب اطمینان در برابر لغزش از رابطه زیر بدست می‌آید. عامل محرک برای لغزش نیروی رانشی خاک است. با تعیین شدت بار وارد بر سازه نگهبان خرپایی از رابطه زیر، میتوان نیروی رانشی محرک را بدست آورد. مقاومت برشی خاک زیرپی و شمع کششی، همچنین نیروی جانبی مقاوم حاصل از آنها عوامل مقاوم در برابر لغزش می‌باشند.