چرا در بیشتر گودبرداری‌ها سازه نگهبان خرپایی اجرا می‌شود؟

عملیات گودبرداری یکی از کارهای پیچیده و خطرناک رشته‌ی مهندسی عمران می‌باشد. به هر گونه حفاری و گودبرداری در تراز پایین‌تر از سطح طبیعی زمین یا در تراز پایین‌تر از زیر فونداسیون ساختمان مجاور گودبرداری گفته می‌شود.

اهداف گودبرداری شامل: تخریب یک ساختمان قدیمی برای ساخت مجدد، حفاظت از فونداسیون‌ها در برابر یخبندان، رسیدن به تراز بکر، احداث مخازن زیرزمینی و … می‌شود.

دیواره‌های گود به منظور حفظ جان انسان‌های داخل و یا خارج از گود، محافظت از ساختمان‌های مجاور و فراهم کردن شرایط ایمن جهت انجام کار، باید به وسیله‌ی سازه‌های نگهبان پایدار شوند. از این رو گودبرداری‌ها به دو نوع کلی تقسیم می‌شوند: 1. گودبرداری حفاظت شده یا مهار شده 2. گودبرداری مهار نشده

سازه نگهبان

سازه نگهبان، سازه‌ای است برای محافظت و پایدارسازی دیواره‌های محل گودبرداری که به منظور جلوگیری از پیامدهای ریزش دیواره‌های گود مورد استفاده قرار می‌گیرد. سازه‌های نگهبان انواع مختلفی دارند که عوامل زیر بر انتخاب نوع آن تاثیر می‌گذارد:

• تیپ خاک موجود در دیواره‌ها که بر اساس آزمایش‌های مکانیک خاک مشخص می‌شود.
• حساسیت و وضعیت ایستایی ساختمان‌های مجاور گود
• تاسیسات موجود در معابر اطراف ملک
• عمق گود
• ابعاد زمین
• بودجه‌ی در نظر گرفته شده برای اجرای سازه نگهبان
• مدت بازماندن دیواره‌های گود

سازه‌های نگهبان به طور کلی به دو نوع موقت یا دائمی تقسیم می‌شوند. در واقع می‌توانند جدا از سازه‌ی اصلی یا بخشی از سازه‌ی اصلی باشد و به انواع زیر تقسیم می‌شوند:

1. سازه نگهبان خرپایی (که در این مقاله به طور تخصصی بررسی می‌شود.)
2. سازه نگهبان مهار متقابل
3. سازه نگهبان نیلینگ
4. سازه نگهبان انکراژ
5. سازه نگهبان دوخت به پشت یا تای بک
6. سازه نگهبان شمع کوبی یا اجرای شمع درجا
7. سازه نگهبان دیوار دیافراگمی
8. سازه نگهبان سپرکوبی

اجزای اصلی سازه نگهبان خرپایی

1. عضو قائم
2. عضو مایل
3. شمع زیر عضو قائم
4. فونداسیون زیر عضو مایل
5. اعضای افقی و قطری خرپا

سازه نگهبان خرپایی

سازه نگهبان خرپایی یکی از مناسب‌ترین، اقتصادی‌ترین و متداول‌ترین روش‌های اجرای سازه نگهبان در مناطق شهری است. این سازه اجرای ساده‌ای داشته و نیاز به تجهیزات و تخصص بالایی ندارد و می‌توان آن را در شرایط مختلف اجرا کرد. سازه نگهبان خرپایی دارای عضوهای قائم و مایل است که بین آن‌ها اعضای افقی و قطری اجرا می‌شود و مجموعه‌ی این اعضا خرپایی تشکیل می‌دهد که به روش مناسب به خاک زیرین خود متصل شده و از رانش خاک جلوگیری می‌کند.

روش اجرای آن مرحله به مرحله می‌باشد که در ادامه بررسی خواهد شد.

در سازه‌های خرپایی فقط نیروی محوری وجود دارد. به همین علت در مدل‌سازی، اتصالات باید به صورت مفصلی باشد. عضو قائم سازه نگهبان خرپایی که به آن سولجر هم می‌گویند به علت تماس مستقیم با خاک دیواره‌ی گود و اینکه خاک، میل به رانش دارد؛ تحت بار های جانبی قرار می‌گیرد که به سرتاسر عضو قائم وارد می‌شود سپس این المان تحت اثر نیروی کششی (همراه با لنگر خمشی و نیروی برشی) قرار می‌گیرد. بعد از آن، این عضو، نیروی خود را به عضو مایل منتقل کرده و عضو مایل تحت فشار قرار می‌گیرد.

برای اینکه عضو مایل دچار کمانش نشود (همانطور که می‌دانیم هر چه طول یک المان بیشتر باشد میل به کمانش در آن بیشتر است) عضو مایل و قائم را با المان‌های افقی و قطری به هم متصل می‌کنیم (در واقع عضو مایل و قائم را به چند قسمت کوچک تقسیم کرده و فاصله‌ی آزاد را کم می‌کنیم که از کمانش آن جلوگیری کنیم) همچنین با اضافه کردن عضو افقی و قطری نیرو های وارده به اعضای سازه را به فونداسیون منتقل می‌کنیم.

برای هر خرپا دو عدد فونداسیون طراحی می‌شود. یک فونداسیون اصولا منفرد برای زیر عضو مایل طراحی شده و برای سولجر‌ها به علت این که فضا کم است و طول اتصال زیاد است از شمع استفاده می‌شود و این اعضا را به صورت اصولی در فونداسیون‌ها مهار می‌کنند. (معمولا سولجر‌ها را 20 الی 35 درصد طول آزادشان که همان عمق گودبرداری می‌شود در شمع ها مهار می‌کنند که حتما اتصالشان گیردار باشد.)

قطر پی شمعی حداقل باید 80 الی 100 سانتی‌متر باشد چون کسی که چاهک این شمع‌ها را گودبرداری می‌کند (معمولا با دست گودبرداری می‌شود و گودبرداری ماشینی نداریم) حداقل عرض شانه 80 سانتی‌متر دارد.

به این نکته توجه شود که روی پی شمعی و منفرد حتما باید با کف گود یکی باشد و پی‌های منفرد می‌تواند به وسیله‌ی یک سری شناژ افقی به یکدیگر متصل ‌شود.
فاصله خرپاها از هم، را مهندس سازه در محاسبات مشخص می‌کند که نباید کمتر از 4 متر باشد. علاوه بر این، نمی‌توان ابتدا خاکبرداری و بعد از آن سازه نگهبان خرپایی را اجرا کرد بلکه باید مرحله به مرحله گودبرداری کرده و سازه نگهبان را همزمان تکمیل کنیم.

برای اجرای سازه نگهبان خرپایی لزوما احتیاج نیست که از تراز صفر زمین شروع به اجرای سازه نگهبان بکنیم چون ممکن است ساختمان‌های مجاور ‌ما دو طبقه زیرزمین داشته باشند و تا رسیدن به زیر پی ساختمان‌های مجاور فاصله زیادی است و همچنین احتمال دارد اصلا نیاز به سازه نگهبان خرپایی نباشد یا در 2 طبقه زیرزمین نیاز نباشد و اگر نیاز به گود برداری بیشتری داشتیم استفاده از سازه نگهبان لزوم پیدا می‌کند.

ولی معمولا از تراز صفر صفر شروع به اجرای سازه نگهبان می‌کنیم. چون ساختمان‌های کناری یا قدیمی هستند یا پی ندارند و کم پیش می‌آید که موقع ساخت و ساز، دو ساختمان مهندسی ساز مستحکم در دو طرف پلاک ما باشد. پس به طور کلی شرایط پروژه سنجیده می‌شود.

مراحل اجرای سازه نگهبان خرپایی

گام اول

حفر چاه: برای اجرای عضو قائم یا همان سولجر‌ها شروع به حفاری چاه‌هایی می‌کنیم که دو پارامتر را برای حفاری آنها باید در نظر بگیریم:

الف) پارامتر الزامی: این چاه‌ها نباید در جایی قرار بگیرند که با جای ستون‌های سازه تداخل داشته باشند چون داخل این چاه‌ها المان‌های قائم و در مجموع سازه خرپایی اجرا می‌شود و نباید خرپاها با ستون‌های سازه در یک جا باشند و حداقل فاصله‌ای که با آکس ستون‌ها دارند، باید حدود 40 سانتی‌متر باشد که فضا برای اجرای ستون‌ها و قالب‌بندی و … وجود داشته باشد.

ب) پارامتر پیشنهادی: حتی الامکان سولجرها به گونه‌ای باشند که با ستون‌های ساختمان مجاور در کنار یکدیگر قرار بگیرند. در واقع سولجرها بهتر است ستون‌های ساختمان مجاور را مهار کنند. چون ستون یک المان سازه‌ای است که بار را منتقل می‌کند ولی اگر دیوار را مهار کنیم، یک المان غیر سازه‌‎ای است و مقاومتی ندارد و حتی ممکن است برش پانچ باعث تخریب آن دیوار شود.

اگر دیوار مشترک باشد و امکان تخریب وجود داشته باشد المان‌های قائم را ادامه می‌دهیم تا دیوارها را مهار کنند. همچنین بین خرپا‌ها روی دیوار از مش (آرماتور) و شاتکریت (بتن) استفاده می‌کنیم.
بهتر است پس از حفاری چاهک‌ها، دیواره آنها جهت جلوگیری از تماس خاک با بتن توسط پلاستیک پوشانده شود.

گام دوم

نصب عضو قائم: عضو قائم خرپا معمولا از پروفیل دوبل IPE ساخته شده است. به علت اینکه عضو قائم تحت فشار، میل به خارج شدن از خاک دارد باید آن را به صورت گیردار در شمع مهار کرد. به همین علت چند ردیف برش‌گیر نبشی یا ناودانی روی آن نصب می‌گردد و سپس آن را به وسیله جرثقیل درون چاهک‌ها قرار می‌دهیم. اگر برای مقابله با نیرو‌ها نیاز به اجرای شمع با طول زیاد بود، شمع را به صورت پاشنه‌ گیردار اجرا می‌کنیم و سپس عضو قائم را در آن نصب می‌کنیم.

توجه به این نکته حائز اهمیت است که عضو قائم سازه باید کاملا چسبیده به دیوار یا ستون ساختمان همسایه باشد و اگر این‌گونه نبود فضای خالی را به وسیله‌ی آجر فشاری و ملات پر می‌کنیم.

گام سوم

گودبرداری با شیب پایدار: پس از گیرش بتن شمع و فیکس شدن سولجر‌ها نوبت به اجرای عضو مایل می‌رسد. اما به دلیل وجود خاک، امکان اجرا وجود ندارد. به همین علت خاک مجاور عضو قائم به صورت پایدار و مرحله‌ای برداشته می‌شود.

در خاک‌های مقاوم می‌توان به جای حفر چاه برای عضو قائم محل خرپاها را به صورت ترانشه‌‌ی شیب‌دار برداشت.

گام چهارم

اجرای فونداسیون برای عضو مایل: در این مرحله پس از گودبرداری و رسیدن به تراز کف پی، فونداسیون منفرد عضو مایل قالب‌بندی و آرماتوربندی می‌شود و پس از نصب بیس پلیت بتن ریزی انجام می‌شود.

این فونداسیون معمولا به صورت منفرد و مربعی به ابعاد 80 تا 100 سانتی متر و ضخامت 50 سانتی متر است. تراز روی این فونداسیون نباید از کف گود بالاتر باشد.

گام پنجم

نصب عضو مایل: پس از گیرش بتن و حصول اطمینان از مقاومت آن، عضو مایل خرپا از پایین به بیس پلیت فونداسیون متصل شده و از بالا به عضو قائم خرپا جوش داده می‌شود.

جهت یکپارچگی فونداسیون اعضای مایل به وسیله‌ی شناژ به یکدیگر متصل می‌شوند.

گام ششم

نصب عضوهای افقی و قطری: خاک محصور بین عضوهای قائم و مایل به صورت مرحله‌ای برداشته می‌شود. پس از هر مرحله عضوهای افقی و قطری اجرا شده و سپس مرحله‌ی بعدی خاکبرداری اجرا می‌شود تا خرپا کاملا شکل گرفته و مراحل ساخت آن تمام شود. پس از آن تمامی خاک درون گود برداشته می‌شود.

گام هفتم

تثبیت جداره‌های گود: در مرحله‌ی آخر برای تثبیت دیواره‌های گود از فولاد (مش) و بتن (شات کریت) استفاده می‌شود.سؤالات و ابهامات خود در زمینه سازه نگهبان خرپایی را از کارشناسان ما بپرس

چالش‌های اجرایی سازه نگهبان خرپایی

• به منظور تامین صلبیت جانبی خرپا در بعضی از پروژه‌ها عمود بر صفحه، از یک سیستم مهاربندی استفاده می‌کنیم که به صورت یک دهانه در میان اجرا می‌شوند. این مهاربندها هم در صفحه‌ی اعضای قائم و هم در صفحه‌ی اعضای مایل اجرا می‌شوند.
• جهت جلوگیری از پیچش خرپا، اتصال عضو مایل و عناصر فرعی کاملا در آکس عضو قائم اجرا شود.
• هندسه‌ی خرپا طوری در نظر گرفته شود که عضو افقی خرپا هم‌تراز با سقف‌ها باشد.
• روی خاک‌های بین عضوهای قائم در مراحل اولیه‌ی گودبرداری و قبل از آنکه اعضای خرپا کاملا اجرا شوند، نایلون کشیده شود که هنگام بارش باران خاک شسته نشود.
• اتصالات یکی از موارد مهم در ساخت خرپاست که بی‌توجهی به آن موجب گسیختگی سازه‌ی خرپایی می‌شود. به همین علت جهت رسیدن به طول جوش مناسب از صفحات فلزی با ابعاد مناسب استفاده شود و از جوشکاری مستقیم اعضا به‌هم اجتناب شود.
• از این روش در خاک‌های سست و ریزشی و با چسبندگی کم نمی‌توان استفاده کرد.
• بتن مصرفی برای شمع‌ها و فونداسیون‌ها باید حداقل از رده 20 سانتی متر باشد.
• به دلیل عدم امکان ویبره زدن بتن ریخته شده در داخل شمع‌ها، اسلامپ بتن مصرفی باید حداقل برابر با 150 میلی‌متر باشد. استفاده از روان‌کننده یا فوق روان کننده در این بتن‌ها توصیه می‌شود.
• هنگام استفاده از سازه نگهبان خرپایی در زیر سفره‌ی آب زیر زمینی باید عملیات زهکشی و خشک‌سازی خاک انجام شود.
• چون بتن ریزی شمع‌ها در مجاورت خاک و بدون قالب‌بندی صورت می‌گیرد، حداقل عیار مصرفی بتن باید برابر با 400 کیلوگرم سیمان در مترمکعب بتن در نظر گرفته شود.
• وظیفه مهم مهندس ناظر در اجرا سازه نگهبان، شناسایی ترک‌ها است.
• بین شمع و پی‌های مجاور بهتر است شناژ افقی اجرا شود. (از شناژهای فلزی نیز می‌توان استفاده کرد)