خانه - خدمات ایستاسازه - ظرفیت باربری پی (Bearing Capacity of Foundation)

خاک باید بدون آنکه دچار گسیختگی برشی شود، توانایی تحمل بارهای ناشی از سازه مهندسی روی خود را داشته و در ضمن نشست های حاصله در حد تحمل سازه باشد. گسیختگی برشی خاک این قدرت را دارد که تغییر شکل شدید سازه و حتی فروریزی آن سازه را ایجاد کند. نشست های بیش از حد در خاک و پی ممکن است به آسیب دیدگی سازه ای انواع سازه های بتنی و فلزی، گیرکردن درها و پنجره ها، ترک خوردگی کاشی کاری و اندود گچ و فرسایش شدید یا خرابی تجهیزات، منجر شود. از این رو تعیین ظرفیت باربری پی جهت جلوگیری از نشست های مخرب در انواع سازه های فولادی و بتنی حائز اهمیت می باشد.

در دوران اخیر کم پیش آمده که سازه ای در اثر گسیختگی برشی بستر دچار فروریزی یا کج شدگی شود. اکثر گسیختگی های گزارش شده بستر در زیر پشته های خاکی یا سازه های مشابه روی داده است که ضریب ایمنی پایین آنها قابل قبول به نظر می رسد. بیشتر فجایع سازه ای به طراحی ضعیف پی از نظر نشست های بیش از حد مربوط می شود. حتی در این حالت نیز به ندرت فروریزی سازه ای اتفاق افتاده است. بخشی از دلایل این امر به وابستگی نشست به زمان باز می گردد، چرا که با ظاهر شدن ترک ها یا شواهد اولیه، فرصت کافی برای اقدامات ترمیمی وجود خواهد داشت.

باید در هر سازه ابتدا به ضروری ترین بررسی که مقاومت برشی بستر و نشست در آن سازه محسوب می شود پرداخته شود. در بسیاری از موارد معیار نشست است که ظرفیت باربری مجاز را تعیین می کند. اما مواردی نیز وجود دارد که برش بستر (که در این حالت پی در زمین سوراخ ایجاد می کند، معمولاً به همراه چرخش همزمان) ظرفیت باربری مجاز را بیان می کند. سازه هایی همچون مخازن ذخیره سیال ها و پی های گسترده اغلب بر روی خاک های نرمی بنا می شوند که معمولاً بیشتر در معرض گسیختگی برشی بستر قرار دارند تا نشست در آن. برای این نوع پی ها کنترل برش بستر جهت اجتناب از ترکیب سوراخ کنندگی پی همراه با چرخش در خاک، اغلب از نشست مهم تر است. این نوع پی ها اغلب بارگذاری یکنواختی دارند، به طوری که در عرض پی تقریباً نشست های یکنواختی صورت می گیرد. نشست های یکنواخت (حتی اگر نسبتاً بزرگ باشند) معمولاً برای پی های گسترده صلب (زیر ساختمان ها) یا پی های گسترده انعطاف پذیر در زیر مخـازن ذخیره سیال قابل تحمل می باشند.

باید توجه داشت که اگرچه تمرکز اولیه ما بر روی تخمین ظرفیت باربری نهایی برای سازه های قاب دار و پی تجهیزات است، اما همین اصول را می توان برای تعیین ظرفیت باربری مربوط به سازه های دیــگری همچون پایه برج ها، سدها و خاکریزها نیز به کار برد. در اینجا خواهیم گفت که تخمین ظرفیت باربری نهایی برای خاک های لایه ای، پی های نزدیک یا مستقر بر شیب ها و پی های در معرض بارهای کششی دشوارتر می باشد.

ظرفیت باربری مجاز یا همان q_a جهت استفاده در طراحی و بر اساس حداقل مقدار دو مورد زیر بررسی می شود:

1. محدود کردن نشست تا حد قابل تحمل.

2. ظرفیت باربری نهایی، با در نظر گرفتن مقاومت برشی خاک.

ظرفیت باربری مجاز (بر اساس کنترل برش) q_a، از تقسیم ظرفیت باربری نهایی  q_ult (بر اساس مقاومت خاک) بر ضریب اطمینان SF به دست می آید که به نظر می رسد برای اجتناب از گسیختگی برشی بستر کافی باشد:

ضریب اطمینان بر اساس نوع خاک که آن خاک چسبنده یا غیر چسبنده است، اعتبار مشخصات خاک، اطلاعات سازه ای (اهمیت، کاربری و غیره) و احتیاط مشاور تعیین می گردد.

معادلات ظرفيت باربری

شامل 4 قسمت زیر می باشد که به دو مورد اول اشاره می کنیم:

1. معادله ظرفیت باربری Terzaghi

2. معادله ظرفیت باربری Meyerhof

3. معادله ظرفیت باربری Hansen

4. معادله ظرفیت باربری Vesic

معادله ظرفيت باربری ترزاقی (Terzaghi)

یکی از اولین مجموعه معادلات ظرفیت باربری توسط Terzaghi (1943) پیشنهاد شد که در جدول 1 آورده شده است. معادلات  Terzaghi از نظریه ظرفیت باربری کمی اصلاح شده Prandtl (1920) به دست آمده که خود از نظریه پلاستیسیته برای تحلیل پدیده سوراخ کنندگی یک پی صلب در مصالح نرم تر (خاک) استفاده شده است. معادله ظرفیت باربری ترزاقی از تعادل نیروهای قائم روی گوه bac در شکل زیر به دست آمده است. معادلات ظرفیت باربری برای پی های سطحی یعنی B بزرگتر مساوی D است.

معادله ظرفيت باربری Meyerhof

Meyerhof معادله هایی شبیه به Terzaghi برای ظرفیت باربری پیشنهاد کرده با این تفاوت که در جمله عمق، ضریب شکل S_q نیز در نظرگرفته شده. همچنین ضرایب عمق d_i و ضرایب میل I_i را برای حالت هایی در نظر گرفته که بار شالوده نسبت به خط قائم تمایل دارد. این ضرایب اضافی معادلاتی با شکل کلی نشان داده شده در جدول زیر تولید کرده است.

روش‌های‌ تعیین ظرفیت باربری لرزه ‌ای پی ‌های سطحی

بارهای دینامیکی وارد بر پی این امکان را دارند که توسط زلزله، انفجار بمب ‌ها، ارتعاشات ناشی از ماشین آلات و اثر امواج دریا ایجاد شوند. زلزله و امواج دریا به طور عمده نیرو های افقی ای را در سازه ایجاد خواهد کرد در حالی که بارهای ایجاد شده توسط انفجار معمولاً عمودی خواهد بود. تجزیه و تحلیل شالوده‌ها یا همان پی ها را تحت تاثیر این قبیل بارها، می‌توان بر مبنای بار استاتیکی معادل انجام داد. ولی برای بررسی دقیق‌ تر‌، تحلیل دینامیکی ضروری خواهد بود. اگر یک سازه تحت ارتعاشات ناشی از زلزله قرار گیرد، بارهای اضافی وارد بر پی این سازه در هنگام زلزله عبارت است از یک لنگر و یک رانش افقی. همچنین زلزله سبب ایجاد نیروی اینرسی در توده خاک زیر پی و نیز تغییر در مشخصات خاک خواهد شد که این عوامل نیز بر ظرفیت باربری پی تاثیر گذار خواهد بود‌.

معیارهای لازم جهت طراحی پی

در طراحی پی دو عامل باید به طور همزمان مد نظر قرار گرفته شوند.

1. خاک زیر پی ها باید به راحتی این امکان را داشته باشد که بار وارده را تحمل نماید بدون اینکه هیچ گونه گسیختگی برشی یا شکست در آن ایجاد گردد. در این رابطه همواره با اعمال یک ضریب اطمینان مناسب، فاصله لازم تا گسیختگی پی حفظ می گردد.

2. میزان نشست ایجاد شده در پی از حد معینی تجاوز نکند.

3. اغلب پی ‌ها علی رغم جلوگیری از نشست ‌های غیر یکسان‌، مقداری نشست نامتقارن را شاهد خواهند بود که ممکن است از دو سوم تا سه چهارم نشست کل باشد.

اثر نیروی اینرسی بر ظرفیت باربری پی

در هنگام وقوع زلزله، نیروهای اینرسی جهت مقابله با شتاب وارده در سیستم پی ایجاد می شوند. این نیروها عبارت است از:

• نیروهای اینرسی ناشی از سربار
• نیرو های اینرسی ناشی از جرم توده خاک زیر پی.

اثر نیروهای اینرسی بر ظرفیت باربری پی توسط محققین مختلفی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است.

روش‌های تعیین ظرفیت باربری

با توجه به آنچه گفته شد روش ‌های مختلفی جهت تعیین ظرفیت باربری دینامیکی وجود خواهد داشت. در حالت کلی به دو روش مختلف می‌توان ظرفیت باربری دینامیکی را تعیین نمود. این روش ‌ها شامل موارد زیر می باشد.

1. استفاده از چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی معادل.

2. تحلیل دینامیکی.

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
• قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
• نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
• مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
• مدیریت پیمان (Management Contracting)
• مدیریت طرح (Construction Management)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
• سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
• سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
• نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
• انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
• مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
• سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

• تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
• اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)

در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید : 

• معرفی نرم‌ افزار ETABS
• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار AutoCAD
• معرفی نرم افزار Plaxis
• معرفی نرم افزار ABAQUS

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)

مطالب مرتبط :

• ?gharpedia , What is a Differential Settlement