نیروی بالا برنده یا آپلیفت چیست؟ (?What is Uplift)

Uplift به معنای بلند شدگی یا برکنِش می باشد. عامل های اصلی ایجاد نیروی بالا برنده یا آپلیفت، نیروهای جانبی اعم از باد یا زلزله هستند.

منظور از بلند شدگی می­ تواند موارد زیر باشد:

1. نیروی کششی منتقل‌ شده از مهاربند، به ستونِ متصل به آن مهاربند.

2. نیروی فشاری باد به ‌خصوص در طراحی سازه ‌های صنعتی (سوله).

3. فشار بالا برنده ناشی از تورم خاک یا تراوش (Seepage) در زیر فونداسیون.

4. بارگذاری خارج از محور ستون ‌ها (ناشاقولی ستون).

زمانی که در طراحی ساختمان از uplift صحبت می شود معمولاً  مفهوم زیر دنبال می شود:

بلند شدگی عبارت است از نیروی کششی به وجود آمده در ستون تحت یک ترکیب بار مشخص که در نتیجه‌ی آن، ستون تمایل دارد به سمت بالا حرکت خود را ادامه دهد. در صورتی‌ که اتصالات ستون به پی که در واقع همان کف ستون می باشد به ‌خوبی طراحی شده باشد و نیروهای ایجاد شده در ستون بتوانند به پی (فونداسیون) منتقل شوند، امکان بلندشدگی شالوده (فونداسیون) از روی خاک وجود خواهد داشت و در نتیجه خاک زیر پی که کشش را تحمل نمی کند، دارای فشار صفر خواهد بود. البته توجه شود که آپلیفت در پی مفهوم کلی تری نسبت به حالت قبل خواهد داشت و صرفاً ناشی از نیروی کششی ستون نبوده، بلکه لنگر های منتقل ­شده از ستون به پی نیز می ­توانند موجب بلند شدگی پی گردند. در مقیاس بزرگتر، برآیند نیروها و لنگر های منتقل ­شده از تمامی ستون ‌ها، می تواند با یک خروج از مرکزیت نسبت به مرکز سطح پی اثر کنند، که با توجه به این که در اکثر کارهای طراحی فرض بر صلب بودن پی است، امکان بلند شدگی قسمتی از پی وجود دارد.

نیروی آپلیفت و عوامل ایجاد

عامل اصلی ایجادuplift ، نیروهای جانبی اعم از باد یا زلزله می باشند که با توجه به شرایط جغرافیای ایران و نحوه ساخت ساختمان­ ها که عموماً سنگین بوده است، تنها زلزله می تواند موجب آپلیفت در ساختمان گردد. برای بررسی نیروی بلند شدگی دو حالت وجود دارد:

حالت اول: قاب ­های خمشی زمانی که تحت اثر نیروی زلزله باشد، امکان به وجود آمدن نیروهای کششی در ستون‌ ها وجود خواهد داشت.

حالت دوم: در قاب ­های مهاربندی شده و دوگانه با توجه به این که کل یا قسمت عمده ­ای از نیروهای جانبی توسط مهاربند تحمل می گردد، امکان به وجود آمدن نیروهای کششی بزرگ در مهاربندها وجود دارد که می ­تواند موجب آپلیفت در ستون متصل به آن گردد.

نکات مهم آپلیفت در ساختمان

در سازه ­های بتنی متعارف، در اغلب موارد به دلیل وجود اسکلت سنگین بتنی، uplift در سازه رخ نخواهد داد.

در قاب ­های خمشی، به دلیل اینکه همه‌ی تیر و ستون‌ در باربری لرزه­ ای سازه مشارکت دارد، معمولاً تمرکز نیروی زلزله نخواهیم داشت و نیروی جانبی آن در همه اعضا پخش خواهد شد؛ لذا مسئله بلند شدگی چندان بحرانی نخواهد بود. در سیستم­های مهاربندی ­شده عمده نیروی جانبی توسط مهاربند تحمل می گردد؛ لذا در قاب ­های مهاربندی ‌شده ‌سازه، احتمال وقوع uplift در سازه بیشتر خواهد بود.

عمده حالت وقوع بلند شدگی، حالت دوم (آپلیفت در ستون به واسطه کشش مهاربند) می باشد که به موجب وجود مهاربند کششی، ستون تمایل به بلند شدگی دارد. همچنین مشخص است که امکان uplift در ستون­ های متصل به مهاربندها بیشتر و بحرانی­ تر هستند.

پیچشِ به وجود آمده در سازه در قاب ­های مهاربندی شده می توانند به افزایش نیروهای uplift کمک کنند.

راهکار های کاهش uplift در ستون

1. تغییر محل مهاربندها: با توجه به این که ستون ­های گوشه، کناری و میانی دارای سطح بارگیری ثقلی متفاوتی می ­باشند، لذا مطلوب است که مهاربندها در کنار ستون ­هایی قرار بگیرند که سطح بارگیر بزرگ ‌تری داشته باشند و سهم بیشتری از نیروی ثقلی را به خود اختصاص دهند. البته به لحاظ معماری معمولاً جانمایی مهاربند در دهانه ­های داخلی مطلوب نبوده که در نظر گرفتن این امر و ایجاد تعادل بین آن‌ ها از جمله چالش‌ های مهندسین طراح می باشد.
2. افزایش تعداد دهانه ­های مهاربندی شده (خصوصاً در طبقه اول): با افزایش تعداد دهانه ­های مهاربندی شده، نیروهای جانبی زلزله توسط تعداد بیشتری از مهاربندها تحمل می گردد و نتیجه‌ اینکه، نیروی هر یک از مهاربندها کاهش پیدا می کند. این روش علاوه بر این که نیروی uplift در ستون را کاهش می­دهد، باعث کوچک ‌تر شدن مقاطع بادبندها نیز می گردد.
3. استفاده از بادبند در دهانه ­های با طول بزرگ‌: با توجه به این که می­ دانیم این مؤلفه قائم نیروی مهاربند است که باعث آپلیفت در ستون می گردد، لذا هر راهکاری که مؤلفه قائم نیروی مهاربند را از بین ببرد، باعث کاهش اثر uplift در ستون خواهد شد. مشخص است که هر چه مهاربندها به صورت افقی‌ تر (با زاویه‌ی کوچک ‌تر نسبت به افق) قرار بگیرند، مؤلفه افقی آن ­ها نسبت به قائم بزرگ ‌تر خواهد شد. علاوه بر بزرگ تر شدن مؤلفه افقی نیروی مهاربند، عملاً در برابر زلزله عملکرد مطلوب ­تری از خود دارد و می­ توان مقطع بهینه ­تری را برای مهاربند به دست آورد.
4. تغییر نوع مهاربندها: با دقت در جدول 3-4 آیین نامه طراحی ساختمان­ ها در برابر زلزله (استاندارد 2800 – ویرایش 4) مشخص می گردد که با تغییر بادبندها از نوع همگرای معمولی به مهاربند همگرای ویژه یا واگرای ویژه و یا حتی به مهاربند کمانش تاب، ضریب رفتار سازه افزایش پیدا خواهد کرد و در نتیجه نیروی زلزله طراحی کاهش پیدا خواهد کرد.
5. استفاده از چیدمان ­های خاص: با استفاده از بعضی چینش های خاص، نیروی کشش مهاربندها توسط همدیگر خنثی می شوند. از جمله این چیدمان ­های خاص می­ توان به Dia Grid و Steel Braced Tube اشاره نمود. البته عمده کاربرد این نوع از مهاربندها در ساختمان های بلند مرتبه می باشد. تئوری این نوع از چیدمان ها، به این شکل بوده که در هر طبقه از ساختمان، المانی از مهاربند قرار خواهد گرفت ولی طرز قرارگیری این مهاربندها به شکلی بوده که مجموعه مهاربندها خود یک مهاربند بزرگ‌ تر را تشکیل خواهند داد.
6. افزایش ضخامت صفحه‌ ستون (Base Plate) و افزایش تعداد بولت ها: در صورتی‌ که نتوانیم با استفاده از پنج روش اشاره ‌شده‌ قبلی نیروی بلندشدگی را کاهش دهیم، نیروی بلندشدگی ایجاد شده باید توسط المان­ های سازه تحمل گردد. از جمله‌ی این المان ­ها، صفحه ‌ستون بوده است که می­توان با افزایش ضخامت صفحه ‌ستون (برای جلوگیری از جاری شدن آن در خمش) و افزایش تعداد بولت ­های ورق پای ستون ها، سازه را برای تحمل نیروی بلند شدگی مقاوم ساخت. در طراحی­ ها حتماً باید دقت شود تا بولت­ ها، طول مهاری کافی را داشته باشد و به اندازه کافی در پی فرو رفته باشد.

راهکار های کاهش نیروی بلندشدگی پی (فونداسیون)

1. افزایش ابعاد پی، خصوصاً ضخامت پی ها.

2. خاک ‌ریزی روی پی ها.

3. تغییر نوع پی (استفاده از پی های نواری و گسترده به جای پی­ های منفرد).

4. استفاده از شمع ها.

5. استفاده از شمع ­های پدستالی (انباره ­ای یا کف ­پهن یا پافیلی).

 فشار آپلیفت، تاثیرات و راهکارها

فشار آپلیفت که با عنوان آپلیفت هیدرواستاتیک نیز شناخته شده است، یک فشار روبه بالا می باشد که به سازه اعمال می شود. این فشار ممکن است بسته به محیط اطراف افزایش پیدا کند. این شرایط به دلیل فشار آب حفره ای بزرگتر نسبت به فشار سربار سازه به وجود خواهد آمد.

درصورتی که نیروی بالا برنده بزرگتر از نیروی وزن سازه باشد که به سمت پایین وارد می گردد، مشکل به وجود خواهد آمد. طبق  ASCE 7-10فشار رو به بالای آب باید به صورت فشار هیدرواستاتیک کاملی در نظرگرفته بشود که برروی سطح کل اعمال می شود. این بار هیدرواستاتیک به سطح پایین سازه وارد می گردد.

سازه باید به منظور تامین مقاومت بیشتر در برابر نیروهای آپلیفت، طراحی مناسبی از خود داشته باشد تا از خطرات ناشی از فشار آب جلوگیری کند. بنابراین فشار آپلیفت باید در طول فاز طراحی لحاظ گردد. زیرا بهسازی و نگهداری از پی را نمی توان به سادگی برای انجام به آینده منتقل کرد. درصورتی که سطح آب زیرزمینی بالاتر از تراز کف پی (فونداسیون) باشد، احتمال اعمال نیروی رو به بالا به پی (فونداسیون) باید در نظر گرفته بشود چرا که یک فشار هیدرولیکی رو به بالا اعمال می گردد. فشار آپلیفت نیروی وزن رو به پایین سازه را کاهش می دهد و در نتیجه پایداری سازه را مختل خواهد کرد.

فشار آپلیفت را چگونه باید کنترل کرد؟

وزن زیرسازه باید بزرگتر از فشار آپلیفت بوده تا الزامات آیین نامه ای برآورده گردد. در واقع باید مجموع بار رو به پایین در سطح مورد نظر بزرگتر از بار قائم رو به بالا در همان سطح باشد تا بار روبه پایین حداقل %25 نسبت به بار روبه بالای ناشی از بار هیدرواستاتیک بیشتر شود. برای کنترل نیروی آپلیفت می توان از معادله ی زیر در سازه استفاده نمود.

 که در آن عبارت ∅ ضریب کاهش جرم می باشد و برابر با 0.9 درنظر گرفته می شود،W  جرم سازه وw  وزن مخصوص آب می باشد، h ارتفاع آب از سطح آب تا کف فونداسیون می باشد. ضریب ایمنی برابر با ۱ است.

اثرات فشار آپلیفت به شرح زیر است:

1. وزن موثر سازه را کاهش خواهد داد.

2. پایداری سازه را با خطر مواجه خواهد کرد.

راهکارهای جلوگیری از فشار آپلیفت

در فرآیند زهکشی آب می توان آب را به خارج از سازه هدایت کرد اما در کل طول عمر سازه نمی توانیم به صورت مداوم این زهکشی را انجام بدهیم، زیرا از نظر اقتصادی به صرفه نیستند. روش هایی برای جلوگیری از تاثیر فشار آپلیفت وجود دارند که به شرح زیر می باشند:

۱. گسترش فونداسیون در زمین اطراف:

زمانی که زیرسازه، داخل یک گود باز یا بند موقت ساخته شده باشد، دال کف یا فونداسیون گسترده را می توانیم تا خارج از محیط گسترش بدهیم تا مقاومت آن در برابر آپلیفت افزایش پیدا کند. وزن مصالح پرکننده اطراف فونداسیون، وزن سازه را در برابر فشار آپلیفت بالا می برد. زمانی که از دیافراگم یا دیوار شمعی سکانتی به عنوان سازه نگهبان دائمی استفاده گردد، این روش امکان پذیر نمی باشد.

2. افزایش وزن سازه:

وزن ساختمان را می توانیم با افزایش ابعاد اعضای سازه ای افزایش دهیم.

۳ .سیستم انکراژ:

از انکرهای پیش تنیده می توان بعنوان روش موقت مقابله با نیروهای آپلیفت استفاده نمود. کاربرد دائمی سیستم انکراژ بسته به عملکرد بلند مدت آن در برابر خوردگی با  محدودیت روبرو می باشد.

۴ .روش شمع گذاری:

شمع گذاری کارآمدترین روش برای مقاومت در برابر فشار آپلیفت می باشد. از انواع مختلف شمع ها برای خنثی کردن فشار آپلیفت بسته به شرایط خاک و لزوم استفاده از آن ها در سایت می توان استفاده نمود.

به عنوان نمونه می توان از شمع باربر انتهایی، شمع اصطکاکی، شمع ورقه ای، شمع کششی و شمع های متراکم استفاده نمود. جدول زیر انواع مختلف شمع هایی که برای محدود کردن فشار آپلیفت استفاده می شود را براساس شرایط خاک ارائه می کند.

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

• تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
• ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
• پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
• اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
• تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
• ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
• شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
• نیروی بالا برنده یا آپلیفت چیست؟ (?What is Uplift)

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 فلزی و سازه بتنی (Steel and concrete structures)
• بتن ریزی در سرما و استفاده از ضد یخ بتن (concrete antifreeze)
• بتن و بتن ریزی چیست ؟ | عملیات بتن ریزی چگونه صورت می گیرد؟ (?What is Concrete)

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)
• خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
• سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
• دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
• دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
• زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
• نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
• پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
• دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)
• آموزش گام به گام نقشه خوانی انواع روش های پایدارسازی و گودبرداری

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

• معرفی نرم افزار Plaxis
• معرفی نرم افزار GEOSLOPE
• معرفی نرم افزار AutoCAD
• معرفی نرم‌ افزار ETABS
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار ABAQUS
• معرفی نرم افزار FLAC
• معرفی نرم افزار MIDAS

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• زمین شناسی (Geology)

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)
• رمپ و جمع آوری رمپ در گودبرداری (Ramp removal excavation)
• گودبرداری و خاکبرداری دو عملیات متمایز از یکدیگر
• گودبرداری غیر اصولی (Unprincipled Building Excavation)
• گودبرداری چیست؟ و اصول اجرای گودبرداری های ساختمانی (Excavation)

مطالب مرتبط :

• مقررات ملی ساختمان
• آیین نامه های FHWA
• structuralguide , How to Calculate Uplift Pressure